Основы биохимической генетики

 

Гибрид, получивший название биохимической, или молекулярной генетики, оказался необычайно продуктивным и дал больше информации, чем ее можно было получить из генетики и биохимии по отдельности (Роберт Вудс, 1982). Биохимическая генетика – это наука о наследственных закономерностях биохимических процессов, которые являются основой жизнедеятельности организма в норме и патологии; структуре, функции и синтезе нуклеиновых кислот, которые составляют материальную основу наследственности; биосинтезе и генетической регуляции биосинтеза белков; генетическом значении и роли изменений этих процессов в патологии. Первое указание на потенциальные возможности этой гибридной дисциплины было получено в 1909 г., когда Гаррод показал, что болезнь фенилкетонурия обусловлена нарушением метаболизма ароматических аминокислот фенилаланина и тирозина. Назвал он эту болезнь «врожденной ошибкой метаболизма». Это пример биохимической плейотропии, вызванной мутацией генов, ответственных за синтез ферментов. Неспособность генотипа вырабатывать эти ферменты приводит к тому, что поступающая с пищей аминокислота фенилаланин накапливается в плазме крови, а затем в мозге. Избыток ее определяет плейотропный эффект: у больных детей развивается умственная отсталость, потеря речи, отсутствие координации движений. В тканях накапливаются промежуточные продукты расщепления кетокислот (фенилацетат, фенилактат), которые являются токсинами для цнс. Это приводит к дибильности или идиотии. Эту болезнь устанавливают с помощью реактива Фелинга, который добавляют в пробирку со свежей мочой. Положительная реакция – наличие сине-зеленого окрашивания. Фенилкетонурия принадлежит к аутосомно-рецессивным заболеваниям. Больные были гомозиготными по рецессивному аллелю (а/а), тогда как у гетерозигот (А/а) и у доминантных гомозигот (А/А), признаков заболевания не наблюдалось. С помощью специальной диеты, получена возможность, предотвратить это заболевание.  

В 1914 г. было показано, что у больных алкаптонурией отсутствует активность фермента – оксидазы гомогентизиновой кислоты, который превращает гомогентизиновую кислоту в малеилацетоуксусную кислоту. Проявляется болезнь в возрасте 40 лет и старше и характеризуется патологическими изменениями суставов конечностей, позвоночника, потемнением мочи, заболевание сердца и сосудов, атеросклерозом. Лечится большими дозами витамина С.        

Тирозиноз – заболевание, обусловленное нарушениями в метаболизме аминокислоты тирозина. Накопление в организме избытка этой аминокислоты и ее метаболитов обусловливает задержку в развитии младенца, кретинизм, слабоумие, патологию почек и печени.

Альбинизм – болезнь, обусловленная отсутствием фермента тирозиназы, способствующего синтезу меланина из тирозина. При альбинизме меланин отсутствует в коже, волосах, радужке глаза, что приводит к светобоязни, ухудшению зрения, глухоте с немотой, эпилепсии, воспалению кожи при солнечном облучении. Альбинизм бывает местным и общим. Местный альбинизм никогда не поражает глаза, а только кожу и волосы – наследуется доминантно. Общий альбинизм наследуется по аутосомно-рецессивному типу. Не лечится.

Порфирия – болезнь крупного рогатого скота, возникающая вследствие нарушения метаболизма с чрезмерным образованием красного пигмента – порфирина и накоплением его в крови, костях, зубах и других частях тела. Порфирин – это обязательный компонент гемоглобина. Чрезмерное накопление и выведение его – это последствие ферментной блокады метаболизма при образовании гема с предшественника – профобилиногена. У больных животных черно-коричневая моча и розовая окраска зубов. Животные очень чувствительны к солнечным лучам и как следствие ожоги и повреждения, а затем кожные рубцы (вокруг глаз, ноздрей, вдоль спины, участки лишены волос). Если животного не выпускать на солнце, то болезнь не проявится. Аномалия наблюдается у шортгорнского скота, голштинофризов – по аутосомно-рецессивному типу, у свиней – по доминантному типу наследования. У овец наблюдается разновидность порфирии при чрезмерном накоплении филлоэритрина. Проявляется болезнь в 5-7 недель у ягнят саутдаунских овец. Печень ягнят не синтезирует филлоэритрин, который образуется при расщеплении хлорофила и при действии солнечного облучения. На лицевой части черепа и ушах образуется экзема, а через 2-3 недели животные погибают. Наследуется по аутосомно-рецессивному типу.

Зоб – недостаток в организме животных йода в связи с наследственными нарушениями метаболизма. У коз зоб наследуется доминантно, у овец – по аутосомно-рецессивному типу, а у свиней – в форме микседемы (гипертиреоз). При этой болезни увеличивается количество мертворожденных телят с припухлостями на шее или в виде водянки плода.

Перечисленные болезни относят к ферментопатиям.

В 1950 г. стало ясно, что гены кодируют ферменты (Митчелл и Лейн).                                                                                                                                                                                                                                                                                                             

Генетический код.

Кодом наследственности или гентическим кодом называется процесс перевода триплетной последовательности нуклеотидов молекулы ДНК в последовательность аминокислот в белковой молекуле. Одним из важнейших свойств генетического кода является его колинеарность – четкое соответствие между последовательностями кодонов нуклеиновых кислот и аминокислотами полипептидных цепей (таблица). Важное значение для раскрытия генетического кода имели исследования М.Ниренберга и Дж.Маттеи, а затем С.Очао с сотрудниками, начатые ими в 1961 г. в США.

Колинеарность генетического кода

Нуклеотиды ДНК	ААА	ГГА	АТА	ТТТ	ЦАА	ТТА	ТГА
Кодоны  мРНК	УУУ	ЦЦУ	УАУ	ААА	ГУУ	ААУ	АЦУ
Антикодоны ТРНК	ААА	ГГА	АУА	УУУ	ЦАА	УУА	УГА
Аминокислоты в полипеп. цепи	Фенилала-нин	Про Лин	Тиро-зин	Лизин	Валин	Аспа рагин	Трео нин

 

Свойства генетического кода

1. Генетический код универсален – един для всех организмов (вирусов, бактерий, растений, животных и человека).

2. Код триплетный. Месторасположение каждой аминокислоты кодируется сочетанием строго определенных трех нуклеотидов в мРНК, образующих один специфический кодон.

3. Код вырожденный. Одна аминокислота может кодироваться несколькими (от одного до шести) кодонами. Только две аминокислоты кодируются одним триплетом – метионин (АУГ) и триптофан (УГГ).

4. Код неперекрывающийся. Нуклеотидная последовательность считывается подряд в одном направлении – от 5' к 3', триплет за триплетом.

5. Кодон АУГ, находящийся в начале мРНК на конце 5', является инициатором синтеза полипептидной цепи. Если данный кодон находится в середине мРНК, то он кодирует аминокислоту метионин.

6. Кодоны УАГ («амбер»), УАА («охра») и УГА («опал») являются терминаторами (стоп-сигналами) синтеза. Когда считывание генетической информации в мРНК доходит до одного из этих кодонов, дальнейший синтез прекращается и полипептидная цепь отделяется от рибосомы.

В каждой клетке в молекулах ДНК закодирована вся генетическая информация, которая может быть реализована в онтогенезе через биосинтез в виде биохимических процессов, физиологических свойств и морфологических признаков.

Один из важнейших подходов к биохимической генетике – индукция, выделение и изучение мутантов (на примере дрожжей, бактерий). Выход мутантов можно увеличить с применением пенницилина, который препятствует синтезу клеточной стенки у бактерий и воздействует только на активно делящиеся клетки. Если клетки, выжившие после мутагенного воздействия, инкубировать в искусственной среде, прототрофы начнут расти и делиться. Подобные методы существуют и для одноклеточных и нитчатых грибов.

В изучении биохимической природы мутаций можно выделить три уровня:

а) проверка способности мутантов использовать известные или предполагаемые промежуточные продукты метаболического пути синтеза аргинина,

б) изучение накопления или выделения промежуточных продуктов биосинтетического пути в мутантных клетках,

в) точная идентификация нарушения метаболизма путем прямого исследования ферментов биосинтеза.

Например, мутанты, у которых нарушено использование глюкозы, обнаруживают следующим образом: после мутагенной обработки культуру высевают на индикаторную среду, содержащую лактозу, а также красители эозин и метиленовый синий (ЭМС). Колонии, которые могут расщеплять лактозу, окрашиваются красителями в красновато-зеленый цвет, а мутантные клетки не окрашиваются и образуют маленькие белые колонии. Соответствующие мутации можно отнести к одному гену (z) – структурному гену бетта-галактозидазы.

Применение цис-транс-теста к мутациям позволяет провести их генетико-биохимический анализ.

Закономерности цис-транс-теста.

1. Для отбора мутантов обычно используют у них способности выполнять какую-либо функцию – расти на искусственной среде, регулировать синтез какого-либо метаболита. Или (в случае фагов) расти на определенном штамме бактерии-хозяина. Эти признаки свидетельствуют, что данные мутации относятся к рецессивным.

2. Если два мутантных генома, утративших одну и ту же функцию поместить в общую цитоплазму, то конечный фенотип культуры будет мутантным.

3. Если в общую цитоплазму ввести два мутантных генома, у которых нарушены разные функции, то фенотип культуры будет диким.

Применение цис-транс-теста позволяет определить генетическую функциональную единицу, цистрон. Этот термин был предложен в 1957 г. Бензером. Как правило, термины «ген» и «цистрон» синонимичны, и их можно использовать как взаимозаменяемые.

Метод, позволяющий определить последовательность оснований во фрагментах ДНК, разработанный Максамом и Гилбертом в 1977 г. При работе этим методом ДНК расщепляют, удаляя из нее четыре разных основания. Для удаления оснований используют следующие реакции.

а. Реакция с диметилсульфатом в кислой среде. При этом происходит преимущественно удаление гуанина по сравнению с аденином.

б. Реакция с диметилсульфатом в присутствии NaCl. При этом удаляется преимущественно аденин.

в. Реакция с гидразином в присутствии пиперидина. При этом удаляются тимин и цитозин.

г. Реакция с гидразином и пиперидином в присутствии NaCl. В этом случае удаляется только цитозин. 

Фрагмент ДНК метят по концам ³²Р и обрабатывают в таких условиях, чтобы атаке подверглось только одно из ста оснований. В результате образуется ряд фрагментов, соответствующих скажем, расщеплению по каждому аденину. Полученные фрагменты разделяют по длине и, следовательно, по положению удаленных оснований с помощью гель-электрофореза. Одновременный электрофорез препаратов, полученных при четырех различных воздействиях, позволяет исследователю прочитать последовательность оснований ДНК. Этот метод дает возможность расшифровать последовательности длиной до 100 нуклеотидов; для расшифровки более длинных фрагментов необходимо разрезать исходный фрагмент фрагментами рестрикции, расшифровать образующиеся куски по отдельности и затем построить общую картину.

Общий состав генома любого организма можно изучать, исследуя кинетику реассоциации. При использовании этого метода ДНК нарезают на фрагменты длиной примерно 300 пар оснований и денатурируют нагреванием при 96⁰ С. При понижении температуры комплементарные одноцепочечные фрагменты могут реассоциировать. Кинетику этого процесса прослеживают спектрофотометрически или путем выделения двухцепочечных молекул на гидроксиапатите. Скорость реассоциации зависит от степени повторяемости данной последовательности в образце. Исследования показали, что 30% генома составляют относительно простые последовательности. Остальные 70% генома состоят из уникальных последовательностей.

Гилберт предложил называть последовательности, которые входят в состав зрелой м РНК, экзонами, так как они экспрессируются, а те промежуточные последовательности, которые хотя и транскрибируются, но затем вырезаются из транскрипта до того, как он выходит из ядра, интронами.

Генетика пола

Детерминация пола и механизм его наследования

В ходе эволюции у большинства раздельнополых организмов сформировался механизм детерминации пола, обеспечивающий образование равного количества самцов и самок, что необходимо для нормального самовоспроизведения видов. Детерминация пола может происходить на разных этапах размножения. Различают три основных типа половой детерминации:

1) эпигамный, когда пол особи определяется в процессе онтогенеза. Детерминация пола в данном случае значительно зависит от внешней среды (самцы морского червя живут в матке самки, если личинка оседает на дно, то превращается в самку, а если проникнет в тело самки – в самца);

2) прогамный, когда пол будущего дочернего организма определяется в ходе гаметогенеза у родителей особи (коловратки, тля, кольчецы);

3) сингамный, при котором пол дочерней особи определяется в момент слияния гамет с образованием зиготы. Это наиболее распространенный тип детерминации пола, характерный для всех видов животных.

При прогамном и сингамном типах детерминации пол зависит от определенных половых хромосом.

У самок млекопитающих в диплоидном наборе хромосом выделяют последнюю пару одинаковых по форме половых хромосом, обозначаемых ХХ-хромосомами (гомогаметный пол). Самцы в кариотипе содержат Х- и Y –хромосомы (гетерогаметный пол – два типа гамет). Самцов обычно рождается на несколько процентов больше, чем самок, но в ходе эволюции повышена смертность самцов.

У птиц, пресмыкающихся и бабочек, наоборот, самки имеют гетерогаметный пол - ZW, а самцы – гомогаметный  ZZ. У пчел половых хромосом нет, поэтому пол зависит от количества аутосом. В соматических клетках матки и рабочей пчелы содержится 32 аутосомы, а у трутня – 16 аутосом.

У дрозофилы возникновение пола зависит не только от присутствия половых хромосом, но и от соотношения аутосом. Это балансовая теория определения пола К.Бриджеса (1919). Все особи с балансом хромосом (или половым индексом) Х:А=1 – самки, Х:2А=0,5 – самцы. Баланс хромосом от 1 до 0,5 определяет промежуточное развитие пола, то есть интерсексуальность. Соотношение 3Х:2А=1,5 ведет к развитию сверхсамок. Х+ Y:3А=0,33 определяет развитие сверхсамцов. Гинандроморфы – насекомые у которых одни участки тела женские, а другие – мужские.

Организмы обладают бисексуальностью, то есть способностью при определенных условиях формировать женский или мужской пол. У крупного рогатого скота иногда рождаются двойни. В случае разнополых близнецов бычки развиваются нормально, а телочки в 95% случаев оказываются интерсексами (наружные гениталии женского типа, а внутренние органы – мужского). Таких животных называют фримартинами; они всегда бесплодны. Существует две теории образования фримартинов: гормональная и клеточная. Поскольку мужской гормон тестостерон начинает продуцироваться раньше, то длительное воздействие на женские половые органы приводит к недоразвитию последних. Присутствие Y-хромосомы в кариотипе телок-фримартинов и изменение у них признаков в сторону мужского пола – явное свидетельство ее влияния на половые признаки. Цитогенетический анализ является надежным методом ранней диагностики фримартинизма у телок.

У домашних животных существуют разные формы интерсексуальности, которые объединяются под названием гермафродитизм. Кроме того, обнаружены отдельные формы, очень сходные с известными синдромами у человека – синдромами Клайнфельтера (ХХY) и Тернера (ХО). У крупного рогатого скота ХХY синдром наблюдали в сочетании с Х-трисомией. Характерными признаками животных были нарушения роста и развития, двухсторонняя гипоплазия семенников с олиго- и некроспермией и другими изменениями. Синдром Тернера характеризуется женским фенотипом с дисгезией гонад и другими генитальными дефектами. Цитологически - отсутствует вторая Х-хромосома. Образование гермафодитов – особей имеющих гонады и (или) половые органы противоположных полов, рассматриваются как результат нарушения мейоза в период развития бластоцисты. Животные с признаками гермафродитизма своевременно должны выделяться в группы откорма.

Диагностику пола интерсексов и гермафродитов впервые определил Барр М. в 1949 г. на основании обнаружения телец Барра или полового хроматина в ядре клеток. Это тельце встречается только в ядрах клеток самок. Количество телец Барра всегда на единицу меньше числа Х-хромосом. Так, если у самок обнаруживают два тельца Барра, то они являются носителями трисомии по Х-хромосоме. Если половой хроматин отсутствует, то у особи женского пола имеется только одна Х-хромосома. Если у самца обнаруживают тельце Барра, Это значит, что у него в кариотипе не одна, а две Х-хромосомы.

Наследственные аномалии животных, сцепленные с полом.

У сельскохозяйственных животных установлено несколько форм врожденных аномалий, обусловленных генами, локализованными в половых хромосомах. Как правило, они имеют рецессивный характер проявления, и при этом поражаются преимущественно особи гетерогаметного пола – у млекопитающих самцы, у птиц – самки. Сцепленные с полом летальные и сублетальные аномалии изменяют численное соотношение полов при рождении или после него вследствие гибели или браковки у млекопитающих самцов, у птиц – самок. Например, установлена такая аномалия, как врожденная деформация передних конечностей в сочетании с анкилозом суставов, изученная у животных черно-пестрой, сычевской и костромской пород, проявляется, как правило, у бычков, родственных между собой, что указывает на сцепленное с полом наследование. У собак обнаружено заболевание геофилией. Явление гемофилии заключается в утрате кровью нормальной способности к свертыванию. Симптомы гемофилии обычно проявляются впервые у щенят в возрасте от шести недель до трех месяцев. В число обычных симптомов входят: хромота (следствие кровоизлияний в суставы), сильная подкожная припухлость и в конечном итоге паралич одной или нескольких конечностей. Небольшие царапины могут оказаться для щенят-гемофиликов смертельными.

Передача через половые хромосомы признаков, сцепленных с Х- и Y-хромосомами, указывает на то, что на особь мужского пола большее влияние оказывает наследственность матери и ее предков, передавших Х-хромосому, которая является носителем генов для ряда признаков. Наследственность же отца, передавшего сыну Y-хромосому, генетически малоактивна.

Проблема регуляции пола у сельскохозяйственных животных

В молочном скотоводстве более желательным является рождение телочек, а в мясном – бычков. В яичном птицеводстве экономически выгодно получать больше курочек, а в мясном – петушков. С тонкорунных баранов настригают вдвое больше шерсти, чем с овец, оленьи панты можно получить только у самца. У тутового шелкопряда самцы дают на 25-30% больше шелка, чем самки, поэтому их преимущество очевидно. Регуляция соотношения полов у млекопитающих может быть достигнута такими путями:

1. Метод кислотно-щелочного анабиоза, который дает изменение соотношения Y:Х=20:80%. Этот метод основан на разной подвижности сперматозоидов. В кислой среде наиболее подвижны Х-спермии, а в щелочной -Y-спермии.

2. Метод разделения спермы на фракции путем электрофореза. Предполагают, что при этом спермии с разными половыми хромосомами отойдут к разным полюсам. При температуре в опыте 25оС на аноде накапливается спермы в соотношении Y:Х=75:25%, а на катоде – Y:Х=20:80%. При снижении температуры в опыте до 10оС результаты были обратными: на аноде накапливалось спермы в соотношении Y:Х=17:83%, а на катоде - Y:Х=83:17%.

3. Изменение pH женских половых путей. Обычно среда влагалища кислая. Однако при половом оргазме матка сокращается, и слизь из канала шейки матки, который имеет щелочную среду, поступает во влагалище и среда становится нейтральной. Если оргазм происходит у самки раньше, чем у самца, и спермии попали в нейтральную среду, то следует ожидать потомков мужского пола. Если оргазм у самца опережает оргазм самки, то спермии попадут во влагалище с кислой средой и следует ожидать потомство женского пола.

4. Центрифугирование спермы перед осеменением. Х-спермии будут на дне центрифужной пробирки, а Y–спермии – сверху.

5. Фракционирование спермиев по количеству ДНК и по их антигенному составу.

6. Учет возраста спариваемых особей. С возрастом родителей заметно снижается рождение самок (их было мало получено и от годовалых животных). При спаривании кур шестимесячного возраста выход самок был низким (27-33%), в потомстве же десятимесячных родителей он составил 47,5%, а двенадцатимесячных – 49,7%.

7. Метод программирования будущих детей относительно менструального цикла(Ф. Бенендо, 1970). Если спермии попадут в половые органы женщин за 4 дня (12-14 день после начала менструации) до овуляции (выхода зрелой яйцеклетки из яичника в матку), то в 84,7% случаев рождаются девочки, а если сразу после овуляции, то в 86,6% случаев рождаются мальчики.

У других видов продуктивных животных используют такое явление как партеногенез. Партеногенез – это развитие зародыша, а потом и организма без оплодотворения. Различают гиногенез и андрогенез. Гиногенез – это развитие зародыша из неоплодотворенной яйцеклетки, характерное для серебристого карася, так как в икринку проникает спермий другого вида; для некоторых пород кур и индеек. Андрогенез – это развитие потомков только за счет ядер спермиев, слитие которых происходит в яйцеклетке с утраченным ядром. Это характерно для тутового шелкопряда, паразитический осы, когда особи обладают только признаками отцовского вида. Разрушение ядер яйцеклетки в таком случае проводят рентгеновскими лучами (Б.Л.Астауров).

Генетические методы раннего распознавания пола.

В птицеводстве используют сцепленную с полом окраску перьев для различения пола у суточных цыплят. Скрещивали золотистых петухов с серебристыми курами. Из яиц вылуплялись желтые цыплята – это курочки, другие зеленовато-белые – это петушки.

Используя явление сцепленного сполом наследования, Пеннет в Англии создал породу кур камбар. Петушки более светлой окраски, чем курочки (пятнистый рисунок). А.С.Серебровский изучил признак полосатости у кур и установил, что он детерминирован геном, локализованным в половой хромосоме. У петушков имелись темные пятна, у курочек – нет. Эти различия обуславливаются доминантным геном В, локализованным в половой хромосоме. Наследственный детерминизм в окраске был найден у гусей – один пол белый, другой серый. Существует метод распознавания цыплят по строению клоаки. У крупных малоплодных животных разработаны методы раннего определения пола, основанные на микрохирургическом получении клеток трофобласта у эмбриона или взятия амниотической жидкости с последующим цитогенетическим анализом состава половых хромосом.

Лекция 8