Генетика

Генетика (от греч. genesis – происхождение) – наука о наследственной передаче и изменчивости признаков живых организмов. Генетика – интегрирующая биологическая дисциплина, изучающая два фундаментальных свойства живого: наследственность и изменчивость. Генетика использует множество методов исследования: морфологический, физиологический, биохимический, цитологический, физико-химический, математический и др., но основным, принципиально отличающимся от других, является метод генетического (гибридологического) анализа. Интегрирующая роль генетики заключается в том, что она исследует универсальные свойства на всех уровнях организации живого: молекулярном, клеточном, организменном и популяционном и на всех таксономических группах организмов, включая и человека. Основоположником научной генетики является Г. Мендель, который в 1865 году опубликовал работу «Опыты над растительными гибридами». Он разработал и обосновал метод гибридологического анализа, принципиальные положения которого используются генетиками до сих пор. Он сформулировал и обосновал идею о существовании дискретных наследственных факторов, ввёл понятие об альтернативных наследственных факторах и признаках (принцип аллелизма). Доказал, что наследственные факторы (гены), объединяясь в зиготе, не смешиваются и не сливаются (позже это явление стало называться законом чистоты гамет). Цель данного курса лекций – разъяснить слушателям логику генетических исследований; вскрыть сущность наследственности и изменчивости на разных уровнях организации жизни – молекулярном, клеточном, организменном и популяционном; раскрыть сущность дискретных единиц наследственности - генов; показать практическое значение генетики для сельского хозяйства, медицины, биотехнологии и других областей человеческой деятельности.

Лекция 1. Менделизм. Опыты Г. Менделя и его последователей Гибридологический анализ. Моногибридное скрещивание, доминирование одного из родительских признаков в F1 и расщепление в Е2 (3:1). Анализирующее скрещивание. Наследственный фактор - дискретная единица наследственности - ген. Понятие «аллель гена». Утверждение принципа, что наследуются не признаки, а аллели генов, контролирующие их развитие. Лекция 2. Дигибридное скрещивание Доминирование в F1 и расщепление в F2 (9А-В-: ЗА-вв: 3ааВ-: 1 аавв). Независимое комбинирование и независимое наследование признаков. Цитологические основы явления. Неаллельное взаимодействие генов. Ген и признак. Пенетрантность и экспрессивность признака. Норма реакции генотипа. Формально-генетический подход анализа наследования признаков. Типы взаимодействия неаллельных генов: комплементарное, эпистатическое, полимерия. Лекция 3. Хромосомная теория наследственности Т.Г. Моргана Наследственные факторы - гены локализованы в хромосомах. Гены расположены в хромосоме в линейном порядке и составляют группу сцепления генов. Между гомологичными хромосомами может происходить обмен участками (кроссинговер), что приводит к нарушению сцепления генов, т.е. генетической рекомбинации. Величина кроссинговера есть функция расстояния между генами на хромосоме. Генетические карты характеризуют относительные расстояния между генами, выраженные в процентах кроссинговера. Лекция 4. Теория гена. Сложное строение гена. Функциональный и рекомбинационный тесты на аллелизм. Лекция 5. Генетика пола Пол - сложный, генетически контролируемый признак. Генетические) и эпигенетические факторы детерминации пола. Гены, контролирующие детерминацию и дифференцировку пола. Хромосомное определение пола. Основная функция половых хромосом (X,Y и W,Z) - поддержание полового диморфизма и первичного соотношения полов (N♂/N♀=1). Наследование признаков, сцепленных с полом. Реципрокные скрещивания. Отсутствие единообразия у гибридов F1, и наследование признака по типу «крест-накрест». Первичное и вторичное нерасхождение половых хромосом. Гинандроморфизм. Лекция 6. Мутационная и модификационная изменчивость Наследственная изменчивость – мутационная и комбинативная – характеризуется изменением генотипа. Модификационная (ненаследственная изменчивость) видоизменяет фенотип организма в пределах нормы реакции генотипа. Мутация – дискретное изменение признака, передающееся по наследству в ряду поколений организмов и клеток. Классификация мутаций: по структуре генетического материала, по месту локализации, по типу аллельного, по причине возникновения. Генетические последствия загрязнения окружающей среды. Мутагенные факторы Мониторинг уровня частоты различных типов мутаций в одних и тех же географических точках. Скрининг мутагенной активности лекарственных препаратов, пищевых добавок, новых промышленных химических соединений. Размах проявления модификационной изменчивости организма при неизменном генотипе — норма реакции. Лекция 7. Мутационный процесс: спонтанный и индуцированный Мутационный процесс характеризуется всеобщностью и причинностью, статистичностью и определённой частотой, протяжённостью во времени. Спонтанные мутации возникают в результате ошибок в работе ферментов матричного синтеза ДНК. Генетический контроль мутационного процесса. Гены-мутаторы, гены-антимутаторы. Системы репарации генетических повреждений. Закономерности индуцированного мутагенеза (радиационного, химического и биологического). Дозовая зависимость, временной характер, мощность дозы (концентрация), предмутационные изменения генетического материала и др. Методы количественного учёта мутаций. Молекулярные механизмы возникновения генных мутаций и хромосомных перестроек. «Адаптивный» мутагенез. Проблема наследования приобретаемых признаков. Лекция 8. Генетика популяций Любую популяцию составляют особи, отличающиеся в той или иной мере по генотипу и фенотипу. Для понимания генетических процессов, протекающих в популяции, необходимо знать: 1) какие закономерности управляют распределением генов между особями; 2) изменяется ли это распределение из поколения в поколение, и если изменяется, то каким образом. Согласно формуле Харди-Вайнберга, в идеальной популяции, находящейся в равновесии, доли разных генотипов должны неограниченно долго оставаться постоянными. В реальных популяциях эти доли могут изменяться из поколения в поколение вследствие ряда причин: малочисленность популяции, миграции, отбор мутации. Генофонд популяции, геногеография (А.С. Серебровский), генетическая гетерогенность природных популяций (С.С. Четвериков), генетико-автоматические процессы (Н.П. Дубинин). Лекция 9, 10. Генетика развития Современная биология развития представляет собой сплав эмбриологии, генетики и молекулярной биологии. Мутации генов, контролирующих разные этапы индивидуального развития, позволяют выявить время и место действия нормального аллеля данного гена и идентифицировать продукт этого гена в виде и - РНК, фермента (полипептида) или структурного белка. Генетический контроль детерминации и дифференцировки пола. Модельные объекты генетики развития: Drosophila melanogaster - плодовая мушка, Caenorhabditis elegans – круглый червь, нематода, Xenopus laevis - шпорцевая лягушка, Mus musculus - лабораторная мышь, Arabidopsis Thaliana Проблемы генетики развития: анализ дифференциальной активности генов, активность. Гомеозисные мутации, их роль на ранних этапах онтогенеза. Эпигенетика индивидуального развития и её перспективы. Генетический импринтинг. Роль апоптоза (генетически программированной гибели клеток) и некроза в ходе индивидуального развития многоклеточных организмов. АЛЛОФЕННЫЕ МЫШИ – генетические мозаики. В отличие от животных у растений из соматических клеток сформированного организма можно получить взрослое полноценное растение (морковь, табак, томаты), способное к половому размножению. Из изолированной клетки под действием растительных гормонов можно получить целое растение. Проблема репрограммирования генома в дифференцированных клетках животных. Эмбриональные стволовые клетки (ЭСК). Тотипотентность, плюрипотентность и мультипотентность разных типов клеток. Получение индуцированных плюрипотентных клеток фибропластов человека (iPS) с помощью индукторов репрограммирования транскрипционных факторов Oct4, Sox2, c-Mic, Klf4 и Nanog. Клонирование позвоночных животных (овечка Долли, 1997). В настоящее время клонированы десятки видов животных из класса млекопитающих (мышь, корова, кролик, свинья, овца, коза, обезьяна (макака-резус) и др.). Лекция 11, 12. Генетика человека. Биосоциальная природа человека. Антропогенетика и медицинская генетика. Методы исследования: генеалогический, близнецовый, цитологический, биохимический, молекулярно-генетический, математический и др. Менделирующие (моногенные и мультифакториальные) полигенные признаки. Нормальный кариотип человека. Дифференциальное окрашивание хромосом и Fish–метод. Хромосомные аберрации и связанные с ними генетические синдромы. Методы картирования генома человека. Гибридизация соматических клеток человека и мыши. Секвенирование генома человека (3,5х109 п.о.). Геномика (структурная, функциональная, фармакогеномика, этногеномика и т.д.). Генетический полиморфизм – основа биоразнообразия человека Типы полиморфизма ДНК (по числу и распределению мобильных генетических элементов; по числу копий тандемных повторов и др). Медицинская генетика. Развитие медико-генетического консультирования. Пренатальная диагностика (кариотипирование, ДНК-маркеры, биохимические и иммунологические маркеры, прогноз для потомства). Демографическая генетика. Евгеника, генотерапия, генетическая паспортизация (проблемы и спорные вопросы). Лекция 13. Генетические основы селекции Селекция растений и животных. Исходный материал (дикие формы, районированные сорта растений и заводские породы животных, инбредные линии). Гибридизация (методы скрещивания): межвидовое, межпородное, внутрипородное (аутбридинги инбридинг), промышленное скрещивание. Методы отбора (массовый – индивидуальный, по фенотипу- по генотипу, по родословной – по качеству потомства). Гибридная кукуруза (простые и двойные межлинейные гибриды). Межлинейные яичные и мясные гибриды кур. Явления гетерозиса и инцухт - депрессии. Межродовой фертильный гибрид редьки и капусты (рафанобрассика). Биотехнология и использование трансгенных организмов.