Генетичні дослідження

Що таке ген?

Ген-це фізична і функціональна  одиниця спадковості, яка передає  інформацію від одного покоління  до наступного. Ген-це послідовність нуклеотидів (нуклеотидів ДНК чи РНК), яка міститься у визначеному місці цілого ДНК. ДНК розподіляється в хромосомах. Ген закодовує певний продукт, наприклад білок. Білок, у свою чергу, бере участь у певному процесі, що визначає індивідуальну рису чи характерну ознаку, наприклад, колір квітки. Якщо цей ген знищити чи змінити на будь-яку іншу форму, то білок не буде вироблятися чи змінювати своїх функцій, і це впливатиме на колір рослини. Гени містяться у хромосомах.

ЩО ТАКЕ ГЕН? ГЕНЕТИЧНА ТОЧКА  ЗОРУ

_{Введення}

У концепції  гена сфокусовані результати приблизно  ста років роботи, потрібно для того, щоб розгадати основу спадковості. Проведені дослідження були настільки багатопланові, що не можна однозначно і задовільно відповісти на питання: що таке ген?

Ген - це послідовність ДНК, що несе інформацію про певний білку. Ще зовсім недавно це здавалося цілком достатнім (якщо не повним) біохімічним визначенням. Послідовність ДНК можна було б визначити як безперервну лінійну послідовність нуклеотидів, колінеарне амінокислотної послідовності відповідних білків. Проте, як тепер вже встановлено, послідовність, в якій закодовано білок, що не завжди безперервна. Вона може перериватися вкрапленими в неї некодуючими ділянками. Таким чином, гени можуть складатися з окремих шматків, що з'єднуються воєдино в процесігенної експресії.

Ген можна  ідентифікувати по кластеру (групі) мутацій, кожна з яких запобігає утворенню відповідного білка. Хоча це положення залишається справедливим і щодо переривчастих генів, властивості їх кластерів в цьому випадку виявляються значно складніше. Таке твердження є досить спірним, оскільки більшість переривчастих генів виявлено в таких ситуаціях, в яких детальний генетичний аналіз неможливий. Однак очевидно, що генетичний погляд на ген необхідно переглянути.

У всіх видів  велике число генів, що становлять геном, організовано в порівняно невелике число хромосом. Генетичний матеріал кожної хромосоми є надзвичайно довгу послідовність ДНК, що містить безліч лінійно розташованих генів. Досить довго залишалося загадкою, скільки всього генів існує в геномі. Уявлення про те, що кожен ген може існувати сам по собі, як унікальне ціле, довелося переглянути, коли було виявлено, що в багатьох випадках кластериспоріднених генів організовані в невеликі сімейства.

Зазвичай  вважалося, що геном досить стабільний і зміни в його загальній структурі  та організації відбуваються вкрай  рідко - лише в розтягнутій еволюційно-часовій шкалі. Однак це суперечить недавно отриманими даними про те, що в деяких випадках в ДНК періодично відбуваються перебудови і що існують щодо мобільні компоненти генома.

Сама концепція  гена, таким чином, піддалася еволюції. І хоча багато з традиційних положень даної концепції залишилися без змін, були виявлені винятку, свідчать про те, що жодне з положень не можна вважати абсолютним. З часу відкриття гена як незмінною одиниці спадковості його властивості описували, виходячи з того, що положення гена в хромосомі фіксоване. З цього в свою чергу було розвинене уявлення про те, що генетичний матеріал хромосомипредставлений безперервної ниткою ДНК, що відповідає безлічі генів. Слідуючи за розвитком цих ідей, ми зможемо дати операціональне опис гена, але це навряд чи допоможе нам сформулювати коротке визначення.

Генетика тісно пов’язана з медициною. Відомо більше двох тисяч спадкових хвороб і аномалій розвитку. Їх вивчають на молекулярному, клітинному рівнях, на рівні організму і популяції. Генетикою отримані важливі відомості про те, що спадкові хвороби у певних умовах можуть не проявлятися; у ряді випадків можуть бути дані цінні рекомендації по їх запобіганню. І на сучасному етапі актуальними завданнями генетики є подальше вивчення цих хвороб, розроблення методів по запобіганню дефектів розвитку, спадкових хвороб та злоякісних новоутворень.

Моногенним називається  такий тип успадкування, коли спадкова ознака контролюється одним геном. Досліджував закономірності моногенного успадкування видатний вчений Г.Мендель. Він експериментально обґрунтував наявність одиниць спадковості (спадкових задатків, спадкових факторів) і описав їх важливі властивості – дискретність, стабільність, специфічність алельного стану.

Менделюючі  ознаки людини. Загальні закони спадковості однакові для всіх живих істот. Для людини характерні відомі типи успадкування ознак: домінантний і рецесивний, аутосомний і зчеплений зі статевими хромосомами.

Основні закономірності успадкування були відкриті Менделем. За рівнем розвитку науки свого часу Мендель не міг ще пов’язати спадкові фактори з певними структурами клітини. Згодом було встановлено, що гени знаходяться у хромосомах, тому при поясненні закономірностей, які встановив Мендель, будемо виходити із сучасних уявлень на клітинному рівні. Мендель досяг успіхів у своїх дослідженнях завдяки зовсім новому, розробленому ним методу, який назвали методом гібридологічного аналізу (гібрид – це сукупність). Аналізуючи результати моно- і дигібридного схрещувань гороху, він дійшов висновку, що:

1)розвиток спадкових  ознак залежить від передачі  нащадкам спадкових факторів;

2)спадкові чинники,  які контролюють розвиток окремої  ознаки, - парні: один походить  від батька, другий – від матері; у функціональному відношенні  чинники мають властивості домінантної  і рецесивної ознак; домінантна (від лат.dominans – панувати) ознака, яка проявляє себе, рецесивна(від лат. recessivus – відступаючий) ознака – себе не проявляє в одинарній дозі;

3)спадкові фактори  передаються в ряду поколінь, не втрачаючи своєї індивідуальності, тобто характеризуються сталістю;

4)в процесі утворення  статевих клітин парні алельні  гени потрапляють у різні гамети (закон чистоти гамет);відновлення таких пар відбувається в результаті запліднення;

5)материнський і  батьківський організми рівною мірою беруть участь у передачі своїх спадкових факторів нащадкам. Нове покоління отримує не готові ознаки, а тільки матеріальні фактори.

На цих принципах  ґрунтуються правила (закони) успадкування, сформульовані Г.Менделем.

Закон одноманітності гібридів першого покоління. У дослідах Менделя при схрещуванні сортів гороху, які мали жовте і зелене насіння, все потомство (тобто гібриди першого покоління) виявилось із жовтим насінням. Виявлена закономірність була названа законом одноманітності гібридів першого покоління. Вияв ознаки у першому покоління отримав назву домінантного, а той вияв, що був пригнічений, тобто не проявився, назвали рецесивним. “Спадкові фактори” (за сучасною термінологією - гени) Мендель запропонував позначати літерами латинського алфавіту. Домінантний – великою літерою, рецесивний – малою. Кожна клітина тіла має диплоїдний набір хромосом. Всі хромосоми парні, алелі ж генів знаходяться у гомологічних хромосомах. Отже, у зиготі завжди є дві алелі, і генотипові формулу за будь-якою ознакою необхідно записувати двома літерами (АА – особина, гомозиготна за домінантним алелем, за рецесивним – аа, гетерозиготна Аа). Досліди показали, що рецесивний алель проявляється тільки у гомозиготному стані, а домінантний – як у гомозиготному, так і у гетерозиготному стані. Гени розташовані у хромосомах. Отже, в результаті мейозу гомологічні хромосоми (а з ними алелі генів) розходяться у різні гамети. Оскільки гомозиготна особина у своєму наборі хромосом містить один і той же алель, то така особина утворює один тип гамет.

Розглянемо приклад  моногібридного схрещування. Із спостережень відомо, що у людини здатність краще  володіти правою рукою домінує над  здатністю краще володіти лівою. Якщо припустимо, що взяли шлюб гомозиготні  правша і лівша, то генотипи батьків і дітей у цій сім'ї необхідно записати так:

P АА ×  аа

G А а

F Аа 100%

Оскільки у першого  батька тільки один тип гамет (А) і  у другого батька також один тип  гамет (а), можливе лише одне поєднання  – Аа. Всі гібриди першого покоління  виявляються одноманітними; гетерозиготними  за генотипом і домінантними за фенотипом (правшами).

Отже, перший закон  Менделя, або закон одноманітності гібридів першого покоління, у загальному вигляді можна сформулювати так: при схрещуванні гомозиготних особин, які відрізняються за однією парою альтернативних виявів ознаки, все потомство у першому поколінні одноманітне як за фенотипом, так і за генотипом.

При схрещуванні  однорідних гібридів першого покоління  між собою (самозапилення або  споріднене схрещування) у другому  поколінні з'являються особини  як з домінантними так і з рецесивними  виявами ознаки, тобто спостерігається  розщеплення. Узагальнюючи фактичний матеріал Мендель дійшов висновку, що у другому поколінні відбувається розщеплення виявів ознаки у певних частотних співвідношеннях, а саме 75% особин мають домінантні ознаки, а 25% - рецесивні. Ця закономірність отримала назву другого закону Менделя, або закону розщеплення.

З другого закону Менделя, використовуючи сучасну термінологію, можна зробити висновок, що:

1) алелі гена, перебуваючи  у гетерозиготному стані, не змінюють один одного;

2) при дозріванні  гамет у гібридів утворюється приблизно однакова кількість гамет з домінантними і рецесивними алелями;

3) при заплідненні  чоловічі й жіночі гамети, що  несуть домінантні і рецесивні  алелі, вільно комбінуються.

При схрещуванні  двох гетерозигот (Аа), у кожної з  яких утворюється два типи гамет  – половина з домінантним алелем (А), половина з рецесивним алелем (а), необхідно очікувати чотири типи поєднання. Яйцеклітина з алелем А може бути запліднена з однаковою долею ймовірності як сперматозооном з алелем А, так і сперматозооном з алелем а. Точно так само яйцеклітина з алелем а може бути запліднена сперматозоонами тих же двох типів або з алелем А, або з алелем а. Виникнуть зиготи АА, Аа, Аа, аа. За зовнішнім виглядом (фенотипом) особини АА і Аа не відрізняються, тому розщеплення відбувається у співвідношенні 3:1. Проте генотипом співвідношення залишиться 1АА:2Аа:1аа.

Таким чином, другий закон Менделя формулюється так: при схрещуванні двох гетерозиготних особин, тобто гібридів, які аналізуються за однією парою альтернативних виявів ознаки, у потомстві спостерігається  розщеплення за фенотипом у співвідношенні 3:1 і за генотипом 1:2:1.

Алелі гена, знаходячись  у гетерозиготному стані, не зливаються, не розводяться, не змінюють один одного. Цю закономірність Мендель назвав гіпотезою чистоти гамет. Згодом гіпотеза отримала цитологічне обґрунтування. Ми пам’ятаємо, що у соматичних клітинах диплоїдний набір хромосом. У однакових місцях (локусах) гомологічних хромосом знаходяться алелі гена. Якщо це гетерозиготна особина, то у одній із гомологічних хромосом розташований домінантний алель, у другій – рецесивний. При утворенні статевих клітин відбувається мейоз і у кожну з гамет потрапляє лише одна з гомологічних хромосом. У гаметі може бути лише один алель гена. Гамети залишаються “чистими”, вони несуть тільки якийсь один алель, що визначає один з альтернативних виявів ознаки.

Ідентичні або ж однояйцеві близнюки

Ідентичні (відомі теж як, монозиготні, тобто однояйцеві) близнюки формуються коли запліднене яйце (зигота) розділяється надвоє і розвивається як два зародки тої ж самої статі. Ідентичних близнюків дуже важко розрізнити і вони за звичай мають велику емоційнуприв'язаність один до другого. Ідентичні близнюки не пов'язані з родинною спадковістю, а є скоріш аномалією, що трапляється при народженнях у відношенні 3 з кожних 1000 вагітностей у світі, незважаючи на етнічне походження.

Дослідження свідчать, що ідентичні близнюки, які виховуються у різних середовищах мають подібні риси особистості, манери, вибір роботи та інтереси. Ці відкриття додають аргументів твердженням, що певна доля поведінки людини генетично обумовлена.

Рибосомний синтез

Докладніше: Трансляція

Білки синтезуються живими організмами з амінокислот на основі інформації, закодованої в генах. Кожен білок складається з унікальної послідовності амінокислот, яка визначається нуклеотидною послідовністю гену, що кодує даний білок. Генетичний код складається з трибуквених «слів», які називаються кодонами. Кожен кодон відповідає за приєднання до білка однієї амінокислоти: наприклад, поєднання AUG (АУГ) відповідає метіоніну. Оскільки ДНК складається з чотирьох типів нуклеотидів, то загальне число можливих кодонів дорівнює 64; а оскільки в білках використовується 20 амінокислот, то багато амінокислот визначаються більш ніж одним кодоном. Гени, що кодують білки, спочатку транскрибуются в послідовність нуклеотидів матричної РНК (мРНК) білками РНК-полімеразами.

У прокаріотів мРНК може зчитуватися рибосомами в амінокислотну послідовність білків відразу після транскрипції, проте в більшості випадків у еукаріотів та інколи у бактерій вона оброблюється в процесі сплайсингу. Після цього еукаріоти повинні також транспортувати зрілу мРНК з ядра в цитоплазму, де знаходяться рибосоми.

Швидкість синтезу білків вища у прокаріотів і може досягати 20 амінокислот в секунду^[16].

Процес синтезу білка  з мРНК називається трансляцією. Під час початкової стадії трансляції — ініціації, кодон метионіну розпізнається малою субодиницею рибосоми, до якої за допомогою білкових факторів ініціації приєднана метионінова транспортна РНК (тРНК). Після розпізнавання стартового кодону до малої субодиниці приєднується велика субодиниця рибосоми, і починається друга стадія трансляції — елонгація. На кожному кроці рибосоми від 5' до 3' кінця мРНК прочитується один кодон шляхом утворення водневих зв'язків між трьома нуклеотидами (кодоном) мрРНК і комплементарним йому антикодоном транспортної РНК, до якої приєднана відповідна амінокислота. Синтез пептидного зв'язку каталізуєрибосомна РНК (рРНК), що утворює пептиділтрансферазний центр рибосоми. Рибосомна РНК каталізує утворення пептидного зв'язку між останньою амінокислотою пептиду, і амінокислотою, приєднаною до тРНК, позиціонуючи атоми азоту і вуглецю в положенні, сприятливому для проходження реакції. Фермент аміноацил-тРНК-синтетаза приєднує амінокислоти до їхньої тРНК. Третя, і остання стадія трансляції, термінація, відбувається при досягненні рибосомою стоп-кодону, який не кодує амінокислот, після чого білкові фактори термінації гідролізують останню тРНК від білка, припиняючи синтез. В рибосомах білки завжди синтезуються від N- до C- кінця.