«Генетика человека с основами общей генетики»

Генетика человека с основами общей генетики (fb2) - Генетика человека с основами общей генетики [Руководство для самоподготовки] 736K скачать: (fb2) - (epub) - (mobi) - Николай Анатольевич Курчанов

Николай Анатольевич Курчанов Генетика человека с основами общей генетики. Руководство для самоподготовки

© ООО «Издательство „СпецЛит“», 2009

Предисловие

Генетика как наука о закономерностях наследственности и изменчивости – основа современной биологии, так как она определяет развитие всех других биологических дисциплин. Однако роль генетики не ограничивается сферой биологии. Поведение человека, экология, социология, психология, медицина – вот далеко не полный список научных направлений, прогресс которых зависит от уровня генетических знаний.

Учитывая «сферу влияния» генетики, понятна ее методологическая роль. Одной из характерных черт современной науки является все углубляющаяся дифференциация и специализация. Этот процесс достиг той черты, за которой уже ощущается реальная угроза потери взаимопонимания даже между представителями одной науки. В биологии из-за обилия специальных дисциплин центробежные тенденции проявляются особенно остро. В настоящее время именно генетика определяет единство биологических наук, благодаря универсальности законов наследственности и основополагающей информации, систематизированной в положениях общей генетики. Эта методологическая роль генетики в полной мере распространяется на все науки о человеке.

Руководство для самоподготовки рассматривает вопросы и основные положения наследственности и изменчивости, структурно-функциональной организации генетического материала, генетических основ эволюции, поведения, развития. Отдельно рассмотрены вопросы генетики человека, медицинской генетики, психогенетики.

В пособии приводятся различные, часто альтернативные, точки зрения по нерешенным проблемам, что должно показать студентам отсутствие проторенных путей в науке, необходимость анализа дополнительной литературы.

Каждая тема включает описание ее содержания, основные понятия, схемы, таблицы. В заданиях для самостоятельной работы сделан акцент на сложные и спорные вопросы науки. Для самопроверки каждая глава заканчивается контрольными вопросами. Для более углубленного изучения материала приводятся списки дополнительной литературы. Приведенный в конце книги список терминов позволит студентам проверить свои знания по изученному материалу.

Тема 1. История и значение генетики

Генетика – это сердцевина биологической науки. Лишь в рамках генетики разнообразие жизненных форм и процессов может быть осмыслено как единое целое.

Ф. Айала, американский генетик

Генетика изучает два неразрывных свойства живых организмов – наследственность и изменчивость. В настоящее время она является основой современной биологии.

Содержание темы

Генетика как наука о наследственности и изменчивости. История генетики. Основные этапы и ключевые вопросы в истории генетики. Проблема молекулярного носителя наследственности. Разделы современной генетики. Связь генетики с другими науками. Универсальность законов генетики.

Основоположником генетики считается Г. Мендель (1822–1884), который обосновал основные закономерности наследственности. Повторное открытие законов Менделя Г. де Фризом (1848–1935), К. Корренсом (1864–1933), Э. Чермаком (1871–1962) в 1900 г. принято считать датой рождения генетики как самостоятельной науки.

Рассмотрим некоторые вехи развития генетики в XX в.

1901 г. – Г. де Фриз предложил первую мутационную теорию.

1903 г. – У. Саттон (1876–1916) и Т. Бовери (1862–1915) выдвинули хромосомную гипотезу, «связывая» менделевские факторы наследственности с хромосомами.

1905 г. – У. Бэтсон (1861–1926) предложил термин «генетика».

1907 г. – У. Бэтсон описал варианты взаимодействия генов («наследственных факторов») и ввел понятия «комплементарность», «эпистаз», «неполное доминирование». Им же ранее (1902) были введены термины «гомозигота» и «гетерозигота».

1908 г. – Г. Нильсон-Эле (1873–1949) объяснил и ввел понятие «полимерия», важнейшее явление в генетике количественных признаков.

Г. Харди (1877–1947) и В. Вайнберг (1862–1937) предложили формулу распределения генов в популяции, известную впоследствии как закон Харди – Вайнберга – ключевой закон генетики популяций.

1909 г. – В. Иоганнсен (1857–1927) сформулировал ряд принципиальных положений генетики и ввел основные понятия генетической терминологии: «ген», «генотип», «фенотип», «аллель».

В. Волтерек ввел понятие «норма реакции», характеризующее возможный спектр проявления гена.

1910 г. – Л. Плате разработал представление о множественном действии генов и ввел понятие «плейотропия».

1912 г. – Т. Морган (1866–1945) предложил теорию хромосомной локализации генов. К середине 20-х гг. Т. Морган и представители его школы – А. Стёртевант (1891–1970), К. Бриджес (1889–1938), Г. Меллер (1890–1967) сформулировали свой вариант теории гена. Проблема гена стала центральной проблемой генетики.

1920 г. – Г. Винклер ввел термин «геном». В дальнейшем разработка этого понятия стала новым этапом в развитии генетики.

Н. И. Вавилов (1887–1943) сформулировал закон гомологичных рядов наследственной изменчивости.

1921 г. – Л. Н. Делоне (1891–1969) предложил термин «кариотип» для обозначения совокупности хромосом организма. Предложенный ранее С. Г. Навашиным (1857–1930) термин «идиограмма» в дальнейшем стал применяться для стандартизированных кариотипов.

1926 г. – Н. В. Тимофеев-Ресовский (1900–1981) разработал проблему влияния генотипа на проявление признака и сформулировал понятия «пенетрантность» и «экпрессивность».

1927 г. – Г. Меллер получил мутации искусственным путем под действием радиоактивного облучения. За доказательства мутационного эффекта радиации ему была присуждена Нобелевская премия 1946 г.

1929 г. – А. С. Серебровский (1892–1948) впервые продемонстрировал сложную природу гена и показал, что ген не является единицей мутации. Он же сформулировал понятие «генофонд».

1930–1931 гг. – Д. Д. Ромашов (1899–1963), Н. П. Дубинин (1907–1998), С. Райт (1889–1988), Р. Фишер (1890–1962), Дж. Холдейн (1860–1936) разработали теоретические направления популяционной генетики и выдвинули положение о дрейфе генов.

1937 г. – Ф. Г. Добржанский (1900–1975) опубликовал книгу «Генетика и происхождение видов», с появления которой ведет отсчет синтетическая теория эволюции.

1941 г. – Дж. Бидл (1903–1989) и Э. Тейтум (1909–1975) сформулировали фундаментальное положение: «один ген – один фермент» (Нобелевская премия 1958 г.).

1944 г. – О. Эвери (1877–1955), Ч. Мак-Леод (1909–1972), М. Мак-Карти доказали генетическую роль ДНК в экспериментах по трансформации микроорганизмов. Это открытие символизировало начало нового этапа – рождение молекулярной генетики.

1946 г. – Дж. Леденрберг, Э. Тейтум, М. Дельбрюк (1906–1981) описывают генетическую рекомбинацию у бактерий и вирусов.

1947 г. – Б. Мак – Клинток (1902–1992) впервые описала мигрирующие генетические элементы (это выдающееся открытие было отмечено Нобелевской премией только в 1983 г.).

1950 г. – Э. Чаргафф показал соответствие пуриновых и пиримидиновых нуклеотидов в молекуле ДНК (правило Чаргаффа) и ее видовую специфичность.

1951 г. – Дж. Ледерберг (с сотрудниками) открыл явление трансдукции, в дальнейшем сыгравшее ключевую роль в становлении генной инженерии.

1952 г. – А. Херши (1908–1997) и М. Чейз показали определяющую роль ДНК в вирусной инфекции, что явилось окончательным подтверждением ее генетического значения.

1953 г. – Д. Уотсон и Ф. Крик предложили структурную модель ДНК. Эта дата считается началом эры современной биологии.

1955 г. – С. Очоа (1905–1993) выделил РНК – полимеразу и впервые осуществил синтез РНК in vitro.

1956 г. – А. Корнберг выделил фермент ДНК-полимеразу и осуществил процесс репликации ДНК в лабораторных условиях.

1957 г. – М. Мезельсон и Ф. Сталь доказали полуконсервативный механизм репликации ДНК. В лаборатории М. Хогланда открыли т-РНК.

1958 г. – Ф. Крик сформулировал «центральную догму молекулярной биологии».

1960 г. – М. Ниренберг, Дж. Маттеи, Х. Корана начали исследования по расшифровке генетического кода. Работа (с участием других исследовательских групп) была завершена в 1966 г., что явилось одним из крупнейших достижений науки в истории человечества.

1961 г. – Ф. Жакоб и Ж. Моно (1910–1976) сформулировали теорию оперона – теорию генетической регуляции синтеза белка у бактерий.

1962 г. – Дж. Гердон впервые получил клонированных позвоночных животных.

1965 г. – Р. Холли (1922–1993) раскрыл структуру т-РНК.

1969 г. – Г. Корана впервые синтезировал ген в лабораторных условиях.

1970 г. – Г. Темин (1934–1994) и Д. Балтимор открыли явление обратной транскрипции.

1972 г. – П. Берг получил первую рекомбинантную молекулу ДНК. Эта дата считается датой рождения генной инженерии.

1974 г. – Р. Корнберг, А. Олинс, Д. Олинс сформулировали теорию нуклеосомной организации хроматина.

1975 г. – по инициативе группы ученых во главе с П. Бергом («комитет Берга») в Асиломаре (США) проходит Международная конференция по этическим проблемам генной инженерии, где провозглашается временный мораторий на ряд исследований.

Мораторий не остановил работ по генной инженерии, и в последующие годы эта область активно развивалась, зародилось новое направление – биотехнология.

1976 г. – Д. Бишоп и Г. Вармус раскрыли природу онкогена (Нобелевская премия 1989 г.).

1977 г. – У. Гилберт, А. Максам, Ф. Сенджер разработали методы секвенирования (определения последовательности нуклеотидов нуклеиновых кислот).

Р. Робертс и Ф. Шарп показали мозаичную (интрон-экзонную) структуру гена эукариот (Нобелевская премия 1993 г.).

1978 г. – осуществлен перенос эукариотического гена (инсулина) в бактериальную клетку, где на нем синтезирован белок.

1981 г. – получены первые трансгенные животные (мыши).

Определена полная нуклеотидная последовательность митохондриального генома человека.

1982 г. – показано, что РНК может обладать каталитическими свойствами, как и белок. Этот факт в дальнейшем выдвинул РНК на роль «первомолекулы» в теориях происхождения жизни.

1985 г. – проведено клонирование и секвенирование ДНК, выделенной из древней египетской мумии.

1988 г. – по инициативе генетиков США создан международный проект «Геном человека».

1990 г. – В. Андерсен впервые произвел введение нового гена в организм человека.

1995 г. – расшифрован первый бактериальный геном. Геномика становится самостоятельным разделом генетики.

1997 г. – Я. Вильмут осуществил первый успешный опыт по клонированию млекопитающих (овца Долли).

1998 г. – секвенирован геном первого представителя эукариот – нематоды Caenorhabditis elegans.

2000 г. – работа по секвенированию генома человека завершена.

Литература

Айяла Ф. Современная генетика: в 3 т. / Ф. Айяла, Дж. Кайгер. – М., 1988.

Гайсинович А. Е. Зарождение и развитие генетики / А. Е. Гайсинович. – М., 1988.

Гершензон С. М. Основы современной генетики / С. М. Гершензон. – Киев, 1983.

Дубинин Н. П. Генетика – страницы истории / Н. П. Дубинин. – Кишинев, 1990.

Захаров И. А. Краткие очерки по истории генетики / И. А. Захаров. – М., 1999.

Инге-Вечтомов С. Г. Генетика с основами селекции / С. Г. Инге-Вечтомов. – М., 1989.

Медведев Ж. А. Взлет и падение Лысенко / Ж. А. Медведев. – М., 1993.

Сойфер В. Н. Наука и власть: История разгрома генетики в СССР / В. Н. Сойфер. – М., 1989.

Тема 2. Молекулярные основы наследственности

Представьте себе, что увеличили человека до размеров Великобритании, тогда клетка будет иметь размер фабричного здания. Внутри клетки находятся содержащие тысячи атомов молекулы, в том числе молекулы нуклеиновой кислоты. Так вот, даже при таком громадном увеличении молекулы нуклеиновой кислоты будут тоньше электрических проводов.

Дж. Кендрью, английский биохимик, лауреат Нобелевской премии 1962 г.

Эксперименты 1940–1950-х гг. убедительно доказали, что именно нуклеиновые кислоты (а не белки, как предполагали многие) являются носителями наследственной информации у всех организмов.

Содержание темы

Нуклеиновые кислоты как биополимеры. Нуклеотиды (рис. 2.1), виды нуклеотидов. Азотистые основания, их характеристика.

ДНК, ее строение и роль в природе. Модель ДНК Уотсона и Крика. Принцип комплементарности (рис. 2.2.) как фундаментальная закономерность природы. РНК, виды РНК, их роль в клетке.

Репликация ДНК. Полуконсервативная модель (рис. 2.3.) и этапы репликации. Репликативная вилка (рис. 2.4.). Концепция реплисомы.

Основные понятия

Антикодон – триплет нуклеотидов т-РНК, определяющий ее специфичность и область присоединения к и-РНК.

Вторичная структура нуклеиновых кислот – порядок укладки полинуклеотидной нити.

Нуклеотид – мономер нуклеиновых кислот.

Первичная структура нуклеиновых кислот – последовательность нуклеотидов в полинуклеотидной цепочке.

Полуконсервативная модель репликации – гипотеза, выдвинутая для объяснения репликации, по которой у каждой дочерней молекулы ДНК одна нить происходит от материнской молекулы, а другая является вновь синтезированной. Подтвердилась в дальнейших исследованиях.

Принцип комплементарности – порядок соединения нуклеотидов двух цепочек при их объединении в единой молекуле ДНК.

Репликация – процесс удвоения молекул ДНК.

Репликон – участок репликации.

Реплисома – гипотетическая структура ядра, представляющая собой мультиэнзимный комплекс, функционирующий во время репликации.

Третичная структура нуклеиновых кислот – различные виды компактизации молекул нуклеиновых кислот.

Фрагменты Оказаки – короткие цепочки нуклеотидов, синтезируемые на «отстающей» цепи ДНК перед их объединением во время репликации.

Рис. 2.1. Структура нуклеотида

Рис. 2.2. Принцип комплементарности

Рис. 2.3. Полуконсервативный принцип репликации ДНК

Рис. 2.4. Синтез ДНК в репликативной вилке

Задание для самостоятельной работы

1. Начертите схему репликации ДНК. Охарактеризуйте ферментативную регуляцию всех этапов.

2. Репликация ДНК – это не только один из важнейших процессов природы, но и один из самых сложных, протекающих значительно сложнее, чем на любой схеме. Найдите в литературе информацию о сложных и нерешенных вопросах репликации. 3. Рассмотрите «нетипичные» нуклеотиды ДНК и РНК. Найдите их отличие от основных нуклеотидов.

Контрольные вопросы

11. Как выглядит мономер нуклеиновых кислот?

12. Какие известны азотистые основания? На какие группы они делятся?

13. Какие углеводы участвуют в образовании нуклеотидов?

14. Как проводится нумерация атомов углерода в нуклеотидах?

15. Как соединяются нуклеотиды в полинуклеотидную цепочку?

16. В чем заключается принцип комплементарности? Почему принцип комплементарности является одним из фундаментальных законов природы?

17. Отношение каких нуклеотидов ДНК служит видовой характеристикой?

18. Какие виды РНК существуют в природе? Их функции.

19. В чем выражаются первичная, вторичная, третичная структуры различных нуклеиновых кислот?

10. Какие известны варианты вторичной структуры ДНК?

11. Как проявляется вторичная и третичная структуры т-РНК?

12. Как выглядит ДНК митохондрий, пластид, прокариот?

13. Чем характеризуются этапы репликации ДНК?

14. Почему модель репликации ДНК получила название полуконсервативной?

15. Как называется основной фермент репликации ДНК, осуществляющий матричный синтез?

16. Почему на разных нитях ДНК репликация проходит по-разному?

17. В чем суть концепции реплисомы?

18. Как проходит матричный синтез во время репликации ДНК?

19. Какую роль выполняет РНК-праймер в процессе репликации ДНК?

20. Почему процесс репликации ДНК представляет собой одно из важнейших явлений природы?

Литература

Айяла Ф. Современная генетика: в 3 т. / Ф. Айяла, Дж. Кайгер. – М., 1988.

Алиханян С. С. Основы современной генетики / С. С. Алиханян, А. П. Акифьев. – М., 1988.

Гершензон С. М. Основы современной генетики / С. М. Гершензон. – Киев, 1983.

Жимулев И. Ф. Общая и молекулярная генетика / И. Ф. Жимулев. – Новосибирск, 2003.

Льюин Б. Гены / Б. Льюин. – М., 1987.

Уотсон Дж. Молекулярная биология гена / Дж. Уотсон. – М., 1978.

Тема 3. Цитогенетика

Гораздо легче найти ошибку, нежели истину.

И. В. Гете (1749–1832), немецкий писатель, философ и естествоиспытатель

Цитогенетика – это раздел генетики, изучающий структурно-функциональную организацию генетического материала на уровне клетки, главным образом хромосом. Для всестороннего понимания организации генетического материала высших организмов (в том числе и человека) необходимы знания общих закономерностей упаковки ДНК во всех вариантах, предоставленных живой природой, – в геномах вирусов, прокариот, протистов, клеточных органоидов.

Содержание темы

Генетический материал вирусов. Строение и функционирование вирусов. Фаги. Понятие профага. Лизис и лизогения в развитии вирусов.

Генетический материал прокариот. Оперон. Плазмиды бактерий, их роль в геноме.

Генетический материал эукариот. Понятие хроматина и хромосом. Кариотип (рис. 3.1). Гомологичные хромосомы. Морфология хромосом. Морфологические типы хромосом. Ядрышко и ядрышковый организатор. Дифференциальная окраска хромосом. Видовая специфичность кариотипа. Идиограмма. Стандартизация кариотипов.

Экстрахромосомный генетический материал эукариот. Митохондрии и хлоропласты. Симбиотическая теория происхождения эукариотической клетки.

Структура хромосом. Нуклеосомная модель организации хроматина. Компактизация хроматина. Эухроматин и гетерохроматин. Хромоцентры. Политенные хромосомы и хромосомы типа «ламповых щеток». В-хромосомы. Хромомеры.

Клеточный цикл (рис. 3.2), его периоды. Значение S-периода. Митоз, фазы митоза. Поведение и изменение морфологии хромосом в клеточном цикле. Биологическое значение митоза.

Мейоз. Фазы мейоза. Процессы, происходящие в профазе. Синапсис (рис. 3.3) и кроссинговер. Биологическое значение мейоза.

Основные понятия

Биваленты – пары гомологов, объединенные в результате синапсиса.

Гаметы – клетки, способные сливаться друг с другом, с образованием диплоидной клетки (зиготы), дающей новый организм.

Гаплоидный набор – набор хромосом, содержащий половину диплоидного набора, по одной хромосоме из каждой пары гомологов.

Диплоидный набор – набор хромосом, в котором каждая хромосома представлена парой гомологов.

Идиограмма – стандартизированная схема кариотипа.

Капсид – белковая оболочка вирусов.

Кариотип – совокупность хромосом клетки.

Кинетохор – фибриллярное тельце в области центромеры, к которому присоединяются нити веретена деления клетки.

Кроссинговер – обмен гомологичными участками гомологичных хромосом после образования бивалентов.

Мейоз – процесс образования гаплоидных клеток.

Митоз – процесс деления клетки с сохранением исходного числа хромосом.

Нуклеоид – кольцевая молекула ДНК, представляющая геном прокариот.

Нуклеосома – структура, состоящая из гистонового октамера, обвитого участком ДНК (размером 140–160 п. н.).

Оперон – группа структурных генов прокариот, находящихся под контролем одного регуляторного участка.

Плазмиды – небольшие кольцевые молекулы ДНК внутри бактериальной клетки.

Плечо – участок хроматиды между центромерой и теломерой.

Профаг – интегрированная с геномом хозяина форма существования вируса.

Синапсис – объединение гомологичных хромосом в профазе-1 мейоза.

Синаптонемный комплекс (СК) – структура, образованная из белков кариоплазмы, соединяющая гомологичные хромосомы во время синапсиса.

Спора – клетка, способная самостоятельно развиваться в новый организм.

Теломеры – концевые участки хроматид.

Фаги – вирусы бактерий.

Хромосома – структурный носитель генетической информации в ядре эукариот, в котором молекула ДНК образует сложный комплекс с различными белками.

Хромоцентры – интерфазные структуры клеточного ядра, образованные агрегацией структурного гетерохроматина.

Ядрышко – структура эукариотического ядра, где происходит синтез р-РНК и образование субъединиц рибосом.

Ядрышковый организатор – область определенных хромосом, участвующих в процессе формирования ядрышка.

Рис. 3.1. Кариотип человека

Рис. 3.2. Клеточный (митотический) цикл

Рис. 3.3. Синапсис гомологичных хромосом с образованием бивалентов в профазе мейоза

Задание для самостоятельной работы

1. Механизм компактизации хроматина эукариот много лет остается предметом споров генетиков. Какие варианты предлагаются учеными?

2. Нет единодушия генетиков относительно экстрахромосомного генетического материала эукариот. Уже более века особенно бурные дискуссии вызывает симбиотическая теория происхождения эукариотической клетки. Какие факты «за» и «против» с ней связаны? Как можно охарактеризовать генетические аспекты эндосимбиоза?

Контрольные вопросы

11. Как организован генетический материал вирусов?

12. Какие виды вирусов существуют в природе?

13. Какие возможны варианты развития вирусов в клетке?

14. Как организован генетический материал прокариот? Что называется опероном?

15. Что представляет собой плазмида? Каковы размеры плазмид и их количество?

16. Что общего и в чем отличие плазмиды и вируса?

17. Кариотип, его основные характеристики.

18. Какие хромосомы называются гомологичными?

19. Морфология и разнообразие хромосом.

10. Почему разработка методов дифференциальной окраски имела принципиальное значение для развития цитогенетики?

11. Как связаны ядрышковый организатор хромосом и ядрышко ядра?

12. Что такое идиограмма? Ее характеристики.

13. В чем заключается стандартизация кариотипов?

14. Что представляют собой mi-ДНК и митохондриальные геномы?

15. Что представляют собой геном хлоропластов?

16. В чем суть симбиотической теории происхождения эукариотической клетки?

17. Как выглядит нуклеосомная модель организации хроматина?

18. Как образуется ДНК-гистоновый комплекс?

19. Как происходит компактизация хроматина?

20. В чем состоит различие эухроматина и гетерохроматина?

21. Какие в природе наблюдаются примеры нетипичной структуры хромосом?

22. Какие периоды имеет клеточный цикл? Их характеристика.

23. В какое время клеточного цикла происходит синтез ДНК?

24. Как изменяется хроматин во время митоза?

25. Чем характеризуется процесс синапсиса хромосом? Когда он происходит?

26. Какие фазы выделяют во время мейоза?

27. В чем состоит основное биологическое значение мейоза?

Литература

Албертс Б. Молекулярная биология клетки: в 5 т. / Б. Албертс, Д. Брей, Дж. Льюис, М. Рэфф, К. Робертс, Дж. Уотсон. – М., 1986–1987.

Дерябин Д. Г. Функциональная морфология клетки / Д. Г. Дерябин. – М., 2005.

Заварзин А. А. Общая цитология / А. А. Заварзин, А. Д. Харазова, М. Н. Молитвин. – СПб., 1992.

Захаров А. Ф. Хромосомы человека: атлас / А. Ф. Захаров, В. А. Бенюш, Н. П. Кулешов, Л. И. Барановская. – М., 1982.

Инге-Вечтомов С. Г. Генетика с основами селекции / С. Г. Инге-Вечтомов. – М., 1989.

Смирнов В. Г. Цитогенетика / В. Г. Смирнов. – М., 1990.

Тема 4. Закономерности наследственности

Не беда появиться на свет в утином гнезде, если ты вылупился из лебединого яйца.

Г. Х. Андерсен (1805–1875), датский писатель

Общебиологическое значение генетики вытекает из того, что законы наследственности справедливы для всех организмов. Понятия, сформировавшиеся при изучении закономерностей наследования, являются базовыми понятиями всех разделов генетики.

Содержание темы

Основные генетические понятия. Фены. Генетическая символика.

Генетический анализ. Законы Г. Менделя. Расщепление по генотипу и фенотипу. Анализирующее скрещивание. Решетка Пеннета (рис. 4.1). Хромосомная теория наследственности. Сцепленное наследование. Генетические карты.

Взаимодействие генов. Аллельные взаимодействия. Явление гетерозиса. Взаимодействие неаллельных генов и их возможные механизмы.

Взаимодействие генотипа и среды. Генотип как система взаимодействующих генов. Проявление генов в фенотипе. Плейотропия. Гены-модификаторы. Экспрессивность и пенетрантность. Норма реакции генотипа. Наследуемость и ГС-взаимодействие.

Генетика пола и сцепленное с полом наследование. Половые хромосомы и аутосомы. Варианты хромосомного определения пола в природе. Наследование, ограниченное полом.

Основные понятия

Аллель – вариант одного гена.

Аутосомы – неполовые хромосомы кариотипа.

Гемизигота – наличие только одной аллели в генотипе диплоидного организма.

Ген (в рамках классической генетики) – элементарная структура, кодирующая отдельный признак.

Генетическая карта – порядок расположения генов на хромосоме.

Геном – вся совокупность ДНК клетки, характерная для ДНК вида.

Генотип – совокупность аллелей организма.

Генофонд – совокупность аллелей популяции.

Гетерогаметный пол – пол, у которого в кариотипе разные половые хромосомы.

Гетерозигота – организм, который имеет два разных аллеля анализируемого гена.

Гетерозис – явление превосходства гибридов над обеими родительскими формами.

Гомогаметный пол – пол, у которого в кариотипе одинаковые половые хромосомы.

Гомозигота – организм, который имеет два одинаковых аллеля анализируемого гена.

ГС-взаимодействие («генотип-среда»-взаимодействие) – свойство генотипа определять параметры изменчивости фенотипа в различных внешних средах.

Кодоминирование – независимое проявление аллелей в гетерозиготе при межаллельных взаимодействиях.

Комплементарность – появление нового признака при взаимодействии доминантных аллелей неаллельных генов.

Локус – это участок расположения гена на хромосоме.

Множественный аллелизм – наличие в популяции числа аллелей какого-либо гена больше двух.

Наследование, ограниченное полом, – наследование, обусловленное генами, локализованными на аутосомах, но фенотипически проявляющимися у разных полов по-разному.

Наследуемость – степень фенотипической изменчивости признака, обусловленная генотипом.

Неполное доминирование – в гетерозиготе при межаллельных взаимодействиях наблюдается промежуточное выражение признаков аллелей.

Норма реакции – диапазон проявлений генотипа.

Пенетрантность – проявляемость гена в фенотипе.

Плейотропия – влияние гена на несколько признаков.

Полимерия – однозначное действие неаллельных генов.

Полное доминирование – в гетерозиготе при межаллельных взаимодействиях одна аллель (доминантная) подавляет проявление второй аллели (рецессивной).

Сверхдоминирование – феномен моногенного гетерозиса, когда показана зависимость признака от одной аллельной пары.

Сцепленное с полом наследование – наследование генов, локализованных на половых хромосомах.

Сцепленные гены – гены, расположенные на одной хромосоме.

Фен – дискретный, генетически обусловленный признак организма.

Фенотип – совокупность внешних признаков организма (таких, которые мы можем наблюдать, – морфологических, физиологических, поведенческих).

Экспрессивность – степень выраженности признака в фенотипе.

Эпистаз – подавление одного гена другим, неаллельным ему геном.

Генетическая символика

Гены обозначаются буквами латинского или греческого алфавита. Доминантные аллели обычно записывают заглавными буквами, а рецессивные – строчными. Иногда символом служат несколько букв – сокращение слова, обозначающее контролируемый признак (vg – от vestigial wings, st – от scarlet).

В случае множественного аллелизма разные аллели обозначаются верхним индексом (с1, с2, с3… или cch, ca, ch…). Для полимерных генов применяется цифровое обозначение нижним индексом (а1, а2, а3).

Наиболее распространенный аллель или, как его первоначально называли, «аллель дикого типа», который обычно бывает доминантным для всех остальных аллелей, обозначают либо заглавной буквой (единственный среди других аллелей), либо индексом + (В+, с+, е+, st+). Изредка в природе встречаются доминантные мутации – они обычно обозначаются сочетанием букв, начиная с прописной (например, мутация Bar доминантна по отношению к аллелю дикого типа В+).

При рассмотрении сцепленных генов используют знак «/». При этом, если аллели двух рассматриваемых генов находятся на одной хромосоме, говорят о цис-положении (АВ/ав), а если на разных – транс-положении (Ав/аВ).

Применяют и специальные символы:

Р – родители;

G – гаметы;

F – поколения (F1, F2, F3);

× – знак скрещивания;

♂ – знак мужского пола;

♀ – знак женского пола.

Рис. 4.1. Решетка Пеннета

Задание для самостоятельной работы

1. Явления пенетрантности и экспрессивности с первых исследований осложняли генетический анализ. Четкие закономерности вдруг начинали «давать сбой». Хотя понятия пенетрантности и экспрессивности были введены Н. В. Тимофеевым-Ресовским еще в 1925 г., все факторы этих явлений неизвестны до сих пор. Рассмотрите современные подходы к этим явлениям.

2. Введенный в 1920 г. немецким ученым Г. Винклером термин геном стал одним из важнейших понятий современной генетики. К 1980-м гг. XX в. формируется новое направление – геномика, как наука о геномах. Долгое время геном рассматривали как совокупность генов организма, без учета их аллельных состояний. Таким образом, геном служит характеристикой целого вида организмов, а не конкретной особи. Однако в настоящее время под словом геном часто понимают всю совокупность ДНК клетки, характерную для ДНК вида. Чем обусловлено изменение взглядов? Охарактеризуйте современное состояние геномики.

3. Рассмотрите понятие гетерозиса. В чем заключается неоднозначность этого понятия? Как менялись представления о гетерозисе в истории генетики.

Контрольные вопросы

11. Как формулируются законы Менделя?

12. В чем заключается принципиальное значение для генетики гибридологического метода, разработанного Г. Менделем?

13. Генетическая терминология: гены и аллели.

14. Что такое множественный аллелизм?

15. Генетическая терминология: генотип, геном, фенотип, генофонд.

16. В чем отличие гомозиготы от гетерозиготы?

17. Основные положения хромосомной теории наследственности Т. Моргана.

18. Какие гены называются сцепленными?

19. Как наследуются аллели сцепленных генов?

10. Как проявляется взаимосвязь расстояния и частоты кроссинговера между сцепленными генами?

11. Как составляется генетическая карта?

12. С какой целью применяют анализирующее скрещивание?

13. Для чего используется решетка Пеннета?

14. В чем сложность использования понятия «фен»?

15. Какими правилами определяется генетическая символика?

16. Какие виды взаимодействия аллелей выделяют в генетике?

17. Что такое гетерозис?

18. Какие виды взаимодействия неаллельных генов выделяют в генетике?

19. В чем заключается различие кумулятивной и некумулятивной полимерии?

20. В чем заключается основная сложность изучения взаимодействия генотипа и среды?

21. Что такое плейотропия?

22. Какие понятия используются для характеристики проявления генов в фенотипе?

23. Что определяет «широту» нормы реакции в эволюции?

24. Что такое наследуемость? Почему это понятие имеет особое значение в психогенетике?

25. Что показывает «генотип-среда»-взаимодействие?

26. В чем сущность хромосомного механизма определения пола?

27. Какие организмы называют гемизиготами?

28. Какие хромосомы кариотипа относят к аутосомам, а какие – к половым хромосомам?

29. Что означает сцепленное с полом наследование?

30. Что означает наследование, ограниченное полом?

Литература

Айяла Ф. Современная генетика: в 3 т. / Ф. Айяла, Дж. Кайгер. – М., 1988.

Ватти К. В. Руководство к практическим занятиям по генетике / К. В. Ватти, М. М. Тихомирова. – М., 1979.

Гершензон С. М. Основы современной генетики / С. М. Гершензон. – Киев, 1983.

Жимулев И. Ф. Общая и молекулярная генетика / И. Ф. Жимулев. – Новосибирск, 2003.

Инге-Вечтомов С. Г. Генетика с основами селекции / С. Г. Инге-Вечтомов. – М., 1989.

Хелевин Н. В. Задачник по общей и медицинской генетике / Н. В. Хелевин, А. М. Лобанов, О. Ф. Колесова. – М., 1984.

Тема 5. Изменчивость

Победа какого-нибудь научного взгляда и включение его в мировоззрение не доказывает еще его истинности… Истина нередко в большем объеме открыта научным еретикам, чем ортодоксальным представителям научной мысли.

В. И. Вернадский (1863–1945), русский ученый, академик, основатель биогеохимии

Всем живым организмам свойственна изменчивость, под которой понимают свойство приобретать новые признаки. Изменения в генетическом материале организмов служат основой разнообразия жизни на Земле.

В российской традиции принято рассматривать генотипическую (наследственную) и модификационную (ненаследственную) изменчивость в едином разделе генетики. Среди генотипической изменчивости выделяют мутационную и особую комбинативную изменчивость, как процесс формирования новых комбинаций генов.

В западной традиции эти явления чаще рассматриваются в самостоятельных разделах: «мутации», «рекомбинации», «модификации». Понятие «изменчивость» используется обычно при анализе эволюционной теории.

Содержание темы

Мутации, природа и классификация мутаций. Мутационный процесс. Представление о мутагенах. Частота мутаций и распределение Пуассона.

Генные мутации (рис. 5.1), их механизм. Таутомеризация. Виды генных мутаций.

Хромосомные мутации (рис. 5.2), их классификация. Механизм аберраций (рис. 5.3).

Геномные мутации (рис. 5.4), их классификация и роль в природе.

Цитоплазматические мутации. Материнский эффект. Фенотипическое проявление мутаций в митохондриях и хлоропластах.

Рекомбинация, различные уровни ее проявления. Кроссинговер (рис. 5.5.). Сайт-специфическая рекомбинация.

Транспозиции. Мобильные генетические элементы, их виды у прокариот и эукариот. Механизм транспозиции. Трансдукция. Эволюционное значение транспозиций.

Механизм репарации. Роль репарации в поддержании стабильности генома.

Модификации. Виды модификаций. Взаимосвязь генотипа и среды в проявлении фенотипа. Проблема наследования приобретенных признаков. Период лысенковщины в СССР.

Основные понятия

Генные мутации – изменения нуклеотидного состава ДНК отдельных генов.

Геномные мутации – изменения числа хромосом.

Генотипическая преадаптация – влияние среды, выраженное модификациями, на мутационный процесс и рекомбинацию в ходе онтогенеза.

Канцерогены – факторы, способные индуцировать злокачественный рост клеток.

Кроссинговер – реципрокная рекомбинация сцепленных генов, лежащих в гомологичных локусах гомологичных хромосом.

Мобильные (мигрирующие) генетические элементы (МГЭ) – структуры, которые могут перемещаться в пределах генома и переходить из генома в геном.

Модификации – варианты фенотипа в пределах нормы реакции генотипа.

Мутагены – факторы, способные изменять материал наследственности.

Мутации – наследственные изменения генетического материала.

Провирус – встраиваемая в геном ДНК-копия вируса.

Репарация – эволюционная система поддержания стабильности генетической организации организмов, способная узнавать повреждения и исправлять их.

Сайт-специфическая рекомбинация – рекомбинация между молекулами ДНК, имеющими небольшие участки гомологии.

Таутомеризация – изменение положения водорода в молекуле, меняющее ее химические свойства.

Транспозиция – процесс перемещения МГЭ.

Фенокопии – модификации, фенотипически напоминающие известные мутации.

Хромосомные мутации (аберрации) – изменения структуры хромосом.

Цитоплазматические мутации – изменения неядерных генов.

Рис. 5.1. Генные мутации

Рис. 5.2. Хромосомные мутации

Рис. 5.3. Синапсис хромосом при реципрокной транслокации в профазе мейоза. На каждой хромосоме отмечена центромера

Рис. 5.4. Геномные мутации

Рис. 5.5. Генетическая карта хромосомы. Частота кроссинговера между генами А и В меньше, чем между генами А и С.

Задание для самостоятельной работы

1. Б. Мак-Клинток почти 40 лет ждала всеобщего признания после своего открытия «прыгающих генов». Только в 1983 г. она была удостоена Нобелевской премии, что является абсолютным рекордом «ожидания». Почему так долго не признавалось открытие? В чем заключается «революционное» значение концепции «лабильного генома»?

2. Эпигенетика – один из основных разделов современной генетики. В начале XXI в. генетика находится на пороге новой «научной парадигмы». В чем заключается ее сущность? Какие эпигенетические механизмы предполагаются в природе? Как новая «парадигма» отразится на поведенческих науках, в частности на генетике поведения и психологии?

Контрольные вопросы

11. Определение мутаций. Почему теория мутаций составляет одну из теоретических основ генетики?

12. Какие факторы называются мутагенами, а какие канцерогенами? Есть ли между ними взаимосвязь?

13. Что означает в генетике термин «сайт»?

14. Генные мутации, их характеристика и классификация.

15. Механизм возникновения генных мутаций.

16. Хромосомные мутации, их характеристика и классификация.

17. Как видоизменяется процесс мейоза при реципрокных транслокациях (см. рис. 5.3.)?

18. Геномные мутации, их характеристика и классификация.

19. Какую роль играют в природе геномные мутации?

10. Цитоплазматические мутации, их характеристика и классификация.

11. В чем заключается сущность теории лабильного генома?

12. В чем заключается значение для эволюции процессов рекомбинации несцепленных генов?

13. Что такое сайт-специфическая рекомбинация.

14. Какие структуры генома называют мобильными генетическими элементами?

15. Какие виды мобильных генетических элементов различают у прокариот?

16. В чем заключается эволюционное значение транспозиции?

17. Какую роль выполняет в организме система репарации?

18. Какие виды репарации встречаются в природе?

19. Какие изменения в генетике относят к модификациям? Виды модификаций.

20. Какие модификации относятся к фенокопиям?

21. Какая существует взаимосвязь между модификациями и генотипом?

22. В чем сложность проблемы наследования приобретенных признаков?

Литература

Айяла Ф., Кайгер Дж. Современная генетика: в 3 т. / Ф. Айяла, Дж. Кайгер. – М., 1988.

Гершензон С. М. Основы современной генетики / С. М. Гершензон. – Киев, 1983.

Жимулев И. Ф. Общая и молекулярная генетика / И. Ф. Жимулев. – Новосибирск, 2003.

Паткин Е. Л. Эпигенетические механизмы распространенных заболеваний человека / Е. Л. Паткин. – СПб., 2008.

Тарантул В. З. Геном человека / В. З. Тарантул. – М., 2003.

Фогель Ф., Мотульски А. Генетика человека: в 3 т. / Ф. Фогель, А. Мотульски. – М., 1989–1990.

Хесин Р. Б. Непостоянство генома / Р. Б. Хесин. – М., 1984.

Тема 6. Молекулярная генетика

Кто ясно мыслит, тот ясно излагает.

А. Шопенгауэр (1788–1860), немецкий философ

Молекулярная генетика изучает молекулярные основы наследственности и изменчивости. Основное положение молекулярной генетики связано с признанием ведущей роли нуклеиновых кислот как хранителей и переносчиков генетической информации (Стен Г., Кэлинджер Р., 1981).

Содержание темы

Структурно-функциональная организация гена (рис. 6.1). Представления о гене, сформированные школой Т. Моргана. Изменения представлений о природе гена. Мозаичная структура гена эукариот. Регуляторная часть генома. Повторяющиеся последовательности. Сателлитная ДНК. Псевдогены.

Генетический код (табл. 6.1). Свойства генетического кода. Квазиуниверсальность кода.

Экспрессия генов (рис. 6.2, 6.3). Матричные генетические процессы. Транскрипция. Этапы транскрипции. Процессинг как промежуточный этап экспрессии. Трансляция; этапы трансляции. Рибосома, ее структура и функции.

Перенос генетической информации в живой системе. Центральная догма молекулярной биологии. Обратная транскрипция. Прионы.

Регуляция экспрессии генов у прокариот. Оперон (рис. 6.4). Регуляция экспрессии генов у эукариот. Возможность регуляции на разных этапах экспрессии. Регуляция на уровне транскрипции как основной способ регуляции экспрессии. Значение ядра в процессах регуляции экспрессии у эукариот.

Основные понятия

Ген – физическая (определенный участок ДНК) и функциональная (кодирует белок или РНК) единица наследственности.

Генетический код – это соответствие определенной последовательности нуклеотидов определенной аминокислоте.

Геномный импринтинг – дифференциальное проявление отцовских и материнских генов в организме.

Диспергированные повторы – повторы, которые разбросаны по геному.

Инсуляторы – короткие последовательности, обеспечивающие относительную независимость функций гена, блокируя взаимодействие между энхансером и промотором.

Интроны – участки гена, не кодирующие структуру полипептида.

Кодон – последовательность из 3-х нуклеотидов, шифрующая определенную аминокислоту.

Колинеарность – соответствие структуры гена (в нуклеотидах) и структуры кодируемого им полипептида (в аминокислотах).

Обратная транскрипция – синтез ДНК на РНК-матрице.

Оперон – система регуляции экпрессии генов бактерий.

Промотор – участок связывания с ДНК факторов транскрипции с образованием комплекса ДНК – РНК-полимераза для запуска синтеза РНК.

Процессинг – формирования функционально активных молекул РНК.

Псевдогены – нефункционирующие последовательности ДНК, структурно сходные с функционирующими генами.

РНК-интерференция – способность коротких двунитевых микро-РНК изменять работу отдельных генов.

Сайленсеры – ослабители транскрипции.

Сателлитная ДНК – ДНК, образованная тандемными повторами.

Спейсеры – межгенные последовательности в молекуле ДНК.

Сплайсинг – процесс вырезания копий интронов и соединение копий экзонов гена на молекуле гя-РНК.

Тандемные повторы – повторы, которые расположены вплотную друг с другом, образуя блоки (кластеры).

Транскрипция – процесс переноса генетической информации с ДНК на РНК.

Трансляция – процесс синтеза полипептидной цепочки на нити матричной РНК.

Экзоны – участки гена, кодирующие структуру полипептида.

Энхансеры – усилители транскрипции.

Рис. 6.1. Структура эукариотического гена:

1 – энхансеры; 2 – сайленсеры; 3 – промотор; 4 – экзоны; 5 – интроны; 6 – участки экзонов, кодирующие нетранслируемые области

Рис. 6.2. Структура гя-РНК:

1–5' – нетранслируемая область; 2–3' – нетранслируемая область; 3 – копии экзонов; 4 – копии интронов

Рис. 6.3. Структура м-РНК: 1 – «кэп»; 2 – поли-А-участок; 3 – копии экзонов

Рис. 6.4. Структура оперона:

I – ген-регулятор; Р – промотор; О – участок оператор; С1, С2, С3… – структурные гены оперона; Т – терминатор

Таблица 6.1. Генетический код

Задание для самостоятельной работы

1. Рождение молекулярной биологии сделало проблему гена центральной проблемой генетики. Проанализируйте проблему гена. Подумайте, почему эта проблема стала проблемой вообще и почему центральной проблемой?

2. Основной порядок переписывания генетической информации в живой природе Ф. Крик назвал центральной догмой молекулярной биологии. Этот порядок стал выражаться формулой:

ДНК → РНК → белок.

Открытие прионов и анализ механизма их наследственности нанесли ощутимый «удар» по центральной догме. Рассмотрите современное состояние генетики прионов. В чем заключается ее уникальность?

Контрольные вопросы

11. В чем заключается значение для молекулярной генетики работ С. Бензера?

12. В чем сущность явления «перекрывающихся генов»?

13. В чем заключаются сущность и эволюционное значение экзонинтронной структуры генов эукариот?

14. Какие участки выделяют в регуляторной части генома эукариот?

15. Какие виды последовательностей ДНК выделяют в геноме эукариот?

16. Что представляет собой сателлитная ДНК?

17. В чем заключается значение для эволюционной биологии открытия псевдогенов?

18. Что такое генетический код? Какую роль он выполняет в природе?

19. Какие характеристики имеет генетический код?

10. Какие процессы в природе относят к матричным? В чем значение этих процессов?

11. Как происходит процесс реализации генетической информации?

12. На чем основано явление колинеарности?

13. Как протекает процесс транскрипции?

14. Почему у эукариот возникает промежуточный этап экспрессии генов – процессинг? Как он протекает?

15. Как выглядит структура рибосом? Какие разновидности рибосом известны в природе?

16. Как протекает процесс трансляции?

17. В чем заключается центральная догма молекулярной биологии?

18. Как протекает процесс обратной транскрипции? В чем значение этого процесса в природе?

19. Какое теоретическое и практическое значение имеет исследование прионов?

20. Как протекает процесс регуляции экспрессии генов у прокариот?

21. Какие выделяют варианты регуляции экспрессии генов у эукариот?

22. Как осуществляется регуляция экспрессии генов эукариот на уровне транскрипции?

23. Что такое геномный импринтинг?

24. Что такое альтернативный сплайсинг?

25. В чем заключается явление РНК-интерференции?

Литература

Жимулев И. Ф. Общая и молекулярная генетика / И. Ф. Жимулев. – Новосибирск, 2003.

Корочкин Л. И. Биология индивидуального развития / Л. И. Корочкин. – М., 2002.

Льюин Б. Гены / Б. Льюин. – М., 1987.

Паткин Е. Л. Эпигенетические механизмы распространенных заболеваний человека / Е. Л. Паткин. – СПб., 2008.

Ратнер В. А. Генетика, молекулярная кибернетика / В. А. Ратнер. – Новосибирск, 2002.

Сингер М. Гены и геномы: в 2 т. / Сингер М., Берг П. – М., 1998.

Стент Г., Кэлинджер Р. Молекулярная генетика / Г. Стент, Р. Кэлинджер. – М., 1981.

Тема 7. Генная инженерия

Когда наши потомки увидят пустыню, в которую мы превратили Землю, какое оправдание они найдут для нас?

А. Азимов (1920–1992), американский биохимик, писатель-фантаст

Генная инженерия – это совокупность методов получения генов и переноса генетической информации из одних организмов в другие. В самом общем виде генно-инженерный процесс представляет собой различные операции над рекомбинантыми ДНК, т. е. молекулами, объединяющими ДНК разных видов (Уотсон Дж. [и др.], 1986). Несмотря на разнообразие используемых подходов, в этом процессе мы можем выделить определенную последовательность этапов.

Содержание темы

Понятие генной инженерии. Рекомбинантная ДНК. Способы получения генов. Процесс рестрикции. Сайты рестрикции. Секвенирование.

Создание рекомбинантной ДНК. Понятие вектора. Палиндромы.

Введение рекомбинантной ДНК в клетку. Векторы-плазмиды (рис. 7.1) и векторы-вирусы. Трансдукция. Полимеразная цепная реакция. Экспрессия экзогенной ДНК в клетке.

Биотехнология. Социальное значение генной инженерии.

Основные понятия

Векторы – структуры, способные переносить чужеродную ДНК в клетку-реципиент.

Палиндромы – короткие участки ДНК, в которых запись нуклеотидов слева направо в одной цепи аналогична записи справа налево другой цепи.

Полимеразная цепная реакция (ПЦР) – метод, позволяющий размножить любой интересующий исследователя фрагмент ДНК.

Рестрикция – разрезание ДНК.

Секвенирование – определение нуклеотидной последовательности ДНК.

Трансген – чужеродный ген, введенный в клетку какого-либо организма.

Трансдукция – явление переноса генетической информации при помощи вирусов.

Рис. 7.1. Вектор-плазмида с встроенной экзогенной ДНК

Задание для самостоятельной работы

1. «Отец» генной инженерии американский ученый П. Берг, лауреат Нобелевской премии 1980 г., сам стал инициатором предложения моратория на работу с рекомбинантными ДНК. Идея моратория не нашла полной поддержки на международной конференции 1975 г. в Асиломаре, организованной П. Бергом. Как видится идея моратория сегодня?

2. Что принесла генная инженерия человечеству – благо или зло? Не является ли она «новой атомной бомбой»?

Контрольные вопросы

11. Какие молекулы ДНК называют рекомбинантными?

12. Какие этапы выделяют в генно-инженерном процессе?

13. Какие существуют пути выделения генов?

14. Какую роль выполняет в клетке система рестрикции?

15. В чем заключается сущность методик секвенирования?

16. Какие структуры называют вектором? Для чего их используют в генно-инженерном процессе?

17. Как функционируют векторы плазмиды?

18. Как функционируют векторы вирусы?

19. Какие подходы используются для осуществления экспрессии чужеродной ДНК?

10. В чем заключается социальное значение генной инженерии?

Литература

Жимулев И. Ф. Общая и молекулярная генетика / И. Ф. Жимулев. – Новосибирск, 2003.

Инге-Вечтомов С. Г. Генетика с основами селекции / С. Г. Инге-Вечтомов. – М., 1989.

Сингер М. Гены и геномы: в 2 т. / М. Сингер, П. Берг. – М., 1998.

Стент Г. Молекулярная генетика / Г. Стент, Р. Кэлинджер. – М., 1981.

Уотсон Дж. Рекомбинантные ДНК / Дж. Уотсон, Дж. Туз, Д. Курц. – М., 1986.

Тема 8. Генетические основы эволюции

Эволюция – что это? Теория? Система? Гипотеза? Нечто большее: общее условие, которому должны отныне удовлетворять, чтобы быть осмысленными и истинными, все теории, гипотезы, системы.

П. Тейяр де Шарден (1881–1955), французский палеонтолог, философ

Начальный этап в развитии генетики можно охарактеризовать как период конфронтации со сторонниками дарвинизма. Генетики того времени выдвигали свои эволюционные теории (Г. де Фриз, У. Бэтсон, Ж. Лотси и др.), которые, в свою очередь, подвергались справедливой критике. Первый шаг к синтезу генетики и дарвинизма был сделан исследователями Дж. Харди (Англия) и В. Вайнбергом (Германия) в 1908 г. Закон, названный в дальнейшем их именем, заложил начало нового раздела – популяционной генетики.

Содержание темы

Популяционная генетика. Популяция и генофонд. Гетерозиготность популяций. Балансовая теория. Полиморфизм. Частота аллелей в популяции. Закон Харди – Вайнберга. Панмиксия. Ассортативность. Рецессивные аллели в популяции.

Синтетическая теория эволюции. Динамика популяций. Элементарные эволюционные факторы. Естественный отбор, виды отбора. Эволюционная экология.

Генетика и проблемы эволюционной теории. Теория «эгоистичного гена». Гипотеза группового отбора. Концепция саморегуляции популяции. Эволюция и онтогенез – канализация развития. Анализ механизмов микро– и макроэволюции. Эволюционная биология на пороге нового синтеза.

Эволюция генов и геномов. Геномика. Роль горизонтального переноса. Генные семейства. Дивергенция генов. Эволюция генома человека.

Основные понятия

Ассортативность – избирательное скрещивание: генотип влияет на выбор брачного партнера, т. е. особи с определенными генотипами спариваются чаще, чем при случайной вероятности.

Генофонд – совокупность аллелей всех населяющих популяцию особей.

Гетерозиготность популяции – средняя частота особей, гетерозиготных по определенным локусам.

Дрейф генов – случайные изменения частот аллелей в популяции.

Инбридинг – скрещивание между родственными особями.

Канализация развития – ограниченность выбора возможных направлений развития в ходе онтогенеза (термин К. Уоддингтона).

Мутационный процесс – процесс образования новых генетических вариантов.

Отбор – дифференциальное воспроизведение генотипов.

Панмиксия – свободное скрещивание: вероятность образования брачной пары не зависит от их генотипа.

Полиморфизм популяции – явление, когда большинство локусов особей популяции характеризуются множественными аллелями.

Полиморфность – количественное выражение полиморфизма популяции, показывающее долю полиморфных локусов.

Популяция – изолированная группа особей одного вида, связанная общностью территории и происхождения.

Поток генов – обмен генами между разными популяциями.

Предпочтение брачных партнеров редкого типа – частотно-зависимый отбор в пользу более редкого генотипа.

Частотно-зависимый отбор – зависимость вероятности скрещивания от частоты генотипа.

Элементарные эволюционные факторы – процессы, изменяющие частоту аллелей в популяциях.

Символика и расчеты частот в популяционной генетике

Для обозначения частот аллелей в популяционной генетике используются специальные символы: р – частота аллеля А; q – частота аллеля а; тогда p + q = 1.

Для расчета частот генотипов применяют формулу квадрата двучлена:

где p2 – частота генотипа АА; 2pq – частота генотипа Аа; q2 – частота генотипа аа.

При множественном аллелизме частоты генотипов определяются возведением в квадрат многочлена из частот аллелей. Например, имеются три аллеля а1, а2, а3.

Их частоты соответственно: p, q, r. Тогда p + q + r = 1.

Для расчета частот генотипов:

где p2 – частота генотипа а1 а1; q2 – частота генотипа а2 а2; r2 – частота генотипа а3 а3; 2pq – частота генотипа а1 а2; 2pr – частота генотипа а1 а3; 2rq – частота генотипа а2 а3.

Сумма частот генотипов, как и сумма частот аллелей, всегда будет равна 1, т. е. (p + q)2 = (p + q + r)2 =… = 1.

Если число аллелей одного локуса обозначить k, то число возможных генотипов (N) можно рассчитать по специальной формуле:

Необходимое число поколений (t) для изменения частоты аллеля (от q1 до q2) рассчитывается по формуле:

Задание для самостоятельной работы

1. Почему теорию эволюции называют «философией биологии»? Покажите ее взаимосвязь с другими разделами биологии.

2. Одна из наиболее известных и популярных книг о сложных вопросах эволюционной биологии написана австралийскими иммунологами (Э. Стил с соавт.) и называется «Что, если Ламарк прав?». Прочитайте и проанализируйте эту или подобную научную книгу. Напишите небольшой реферат.

3. Роль «горизонтального переноса» вызывает споры эволюционистов с первых дней своего открытия. Рассмотрите сущность этого спора.

Контрольные вопросы

1. Как строились взаимоотношения генетики и дарвинизма в начале XX в.?

2. В чем состоит значение популяционной генетики для дарвинизма?

13. Какое определение и какие характеристики имеет понятие популяции?

14. В чем суть балансовой теории Ф. Добжанского?

15. Как определяет частоту аллелей в популяции закон Харди-Вайнберга?

16. Как рассчитывается частота генотипов в популяции?

17. Какие виды скрещиваний выделяют в популяционной генетике?

18. Какие процессы определяют динамику популяций?

19. Почему естественный отбор – это важнейший фактор эволюции?

10. Какие существуют виды естественного отбора?

11. Что представляет собой частотно-зависимый отбор?

12. Какие проблемы можно выделить в эволюционной генетике?

13. Какие взгляды отстаивают сторонники теории группового отбора и концепции саморегуляции?

14. Как характеризует взаимоотношения эволюции и онтогенеза концепция канализации развития?

15. Чем характеризуется современный этап развития эволюционной биологии?

16. Почему геномика стала одним из ведущих направлений современной науки?

17. Почему горизонтальный перенос вызывает в настоящее время так много дискуссий в эволюционной биологии?

18. Как происходит возникновение новых генов путем дупликации?

19. Какие версии существуют относительно роли псевдогенов и межгенной ДНК?

20. В чем заключается сущность гипотезы «эгоистичной ДНК»?

Литература

Грант В. Эволюция организмов / В. Грант. – М., 1980.

Кимура М. Молекулярная эволюция: теория нейтральности / М. Кимура. – М., 1985.

Колчинский Э. И. Неокатастрофизм и селекционизм: вечная дилемма или возможность синтеза? / Э. И. Колчинский. – СПб., 2002.

Маргелис Л. Роль симбиоза в эволюции клетки / Л. Маргелис. – М., 1983.

Назаров В. И. Эволюция не по Дарвину / В. И. Назаров. – М., 2005.

Оно С. Генетические основы прогрессивной эволюции / С. Оно. – М., 1973.

Ратнер В. А. Генетика, молекулярная кибернетика / В. А. Ратнер. – Новосибирск, 2002.

Рэфф Р. Эмбрионы, гены, эволюция / Р. Рэфф, Т. Кофмен. – М., 1986.

Чайковский Ю. В. Наука о развитии жизни / Ю. В. Чайковский. – М., 2006.

Тема 9. Проблема филогенетической детерминации поведения

Самодержавие народа – самое страшное самодержавие, ибо в нем зависит человек от темных инстинктов масс.

Н. А. Бердяев (1874–1948), русский философ

Несмотря на обилие «поведенческих» наук, определяющим фактором их разногласий между собой обычно служила оценка роли врожденных и приобретенных форм поведения. Разные научные направления подходили к этому вопросу с разных методологических позиций. Основной вклад в разработку проблемы филогенетических истоков поведения бесспорно внесла этология.

Содержание темы

Этология, ее история. Этология человека, причины нападок на нее.

Инстинкт. Реализация инстинктивного поведения. Понятия драйва и релизера. Врожденный пусковой механизм и мотивационная установка. Фиксированные комплексы действий (ФКД). Проблема «спонтанности» инстинктивного поведения и этологические подходы к исследованию агрессивности. Разработка теории инстинкта Н. Тинбергеном.

Социобиология, история науки. Теоретические подходы социобиологии, ее отличие от этологии. «Генетический редукционизм». Альтруизм, совокупная приспособленность и теория К-отбора. Эволюционно-стабильная стратегия и проблема оптимальности поведения. Теория генно-культурной коэволюции.

Проблема «жесткости» инстинкта. Различие в степени генетической детерминации разных этапов инстинктивного поведения. Эволюционные тенденции в реализации поведения. Поведенческий континуум. Избирательность стимулов. Современные взгляды на генетическую детерминацию поведения.

Основные понятия

Альтруизм – поведение, направленное на благополучие сородичей.

Аппетентное поведение – первый этап инстинктивного поведения, который заключается в активном поиске особых ключевых раздражителей.

Драйв – побуждение к определенным действиям.

Инстинкт – генетически детерминированная модель поведения.

К-отбор – отбор, направленный на закрепление альтруистического поведения в отношениях с сородичами.

Консуматорное поведение – второй этап инстинктивного поведения, представляющий собой ФКД.

Мотивационная установка – состояние ожидания определенного раздражителя и готовности отвечать на него специфической реакцией.

Ориентирующие раздражители – сигнальные факторы, которые оказывают влияние на поведение только под действием релизера.

Релизер – ключевой стимул, запускающий инстинктивное поведение.

Совокупная приспособленность – определяется количеством генов, переданным в генофонд следующего поколения.

Спонтанность – запуск ФКД без релизера.

Фиксированные комплексы действий (ФКД) – видоспецифичная, генетически детерминированная последовательность действий, во время консуматорного поведения.

Эволюционно стабильная стратегия (ЭСС) – стратегия (т. е. совокупность поведенческих реакций), которая является оптимальной для данной популяции.

Задание для самостоятельной работы

1. Рассмотрите в научной литературе споры ученых вокруг интерпретации понятия «драйв». Какой взгляд превалирует в настоящее время?

2. Найдите в литературе примеры, наглядно показывающие зависимость нашего поведения от генотипа. Обратите особое внимание на случаи, когда изменение генотипа четко проявляется в изменяющемся поведении.

3. В настоящее время активно развивается новое направление в экологии – поведенческая экология, образованное на стыке трех «Э» – экологии, этологии, эволюции. Весьма интересную серию учебных пособий по этому направлению выпустила Ж. И. Резникова – один из ведущих специалистов нашей страны в области поведения животных. Прочитайте какую-либо главу одного из учебных пособий данной серии и сделайте свой анализ.

Контрольные вопросы

11. На чем построены основные положения этологии?

12. В чем причины долгой конфронтации социальных наук с этологией?

13. Что является базовым понятием этологии?

14. Как происходит реализация инстинктивного поведения?

15. Как изменились взгляды на природу «врожденного пускового механизма»?

16. В чем заключается сущность проблемы «спонтанности» инстинктивного поведения и почему эта проблема приобрела особую остроту в истории этологии?

17. Какие теории послужили источником становления социобиологии?

18. Какие вопросы рассматривает теория эволюционно-стабильной стратегии?

19. Как рассматривается социальное поведение человека в теории генно-культурной коэволюции?

10. В чем заключается сущность проблемы «жесткости» инстинкта?

11. Чем характеризуются эволюционные тенденции в реализации поведения?

12. Как взаимосвязаны разные типы поведения?

13. В чем заключается избирательность стимулов? О чем она говорит?

14. В чем заключается сущность современного взгляда на генетическую детерминацию поведения?

15. Какие результаты филогенетических подходов к пониманию природы человека можно отметить?

Литература

Вилюнас В. Психология развития мотивации / В. Вилюнас. – СПб., 2006.

Гороховская Е. А. Становление этологии / Е. А. Гороховская. – М., 2001.

Курчанов Н. А. Антропология и концепции биологии / Н. А. Курчанов. – СПб., 2007.

Лоренц К. Оборотная сторона зеркала / К. Лоренц. – М., 1998.

Мак-Фарленд Д. Поведение животных / Д. Мак-Фарленд. – М., 1988.

Олескин А. В. Биополитика / А. В. Олескин. – М., 2001.

Пианка Э. Эволюционная экология / Э. Пианка. – М., 1981.

Тинберген Н. Поведение животных / Н. Тинберген. – М., 1978.

Хайнд Р. Поведение животных / Р. Хайнд. – М., 1975.

Тема 10. Медицинская генетика

Между человеком и животным нет разницы более глубокой, нежели какая существует и между различными животными.

В. Вундт (1832–1920), немецкий психолог, основатель современной психологии

Медицинская генетика изучает генетические основы патологии человека. В задачи медицинской генетики входит изучение характера наследования и проявления патологических признаков, распространение генов, детерминирующих эти признаки в популяциях, разработка принципов классификации, диагностики и профилактики наследственных болезней (Бочков Н. П. [и др.], 1984; Бочков Н. П., 2004).

Содержание темы

Человек как объект генетики. Методы и символика в генетике человека (рис. 10.1). Генетический груз человека. Цитогенетический метод как основной метод медицинской генетики.

Кариотип человека. Стандартизация кариотипа человека. ISCN-1978 (рис. 10.2).

Хромосомные аномалии у человека, основные синдромы. Генные болезни человека: с аутосомно-доминантным и аутосомно-рецессивным типом наследования, обусловленные сцепленным с полом наследованием. Генные болезни и нарушения метаболизма. Митохондриальные генные болезни человека.

Болезни с наследственной предрасположенностью. Явления пенетрантности и экспрессивности в проявлении генных болезней человека. Понятие клинического полиморфизма. Генетика и психопатология.

Онкогенетика. Понятия канцерогенеза и малигнизации. Онкогенные вирусы. Онкогены и протоонкогены, их роль в канцерогенезе. Канцерогенез и мутагенез.

Медико-генетическое консультирование. Методы пренатальной диагностики. Значение генетической диагностики для будущего человечества.

Основные понятия

Генокопии – сходные фенотипы, возникающие при экспрессии разных генов.

Канцерогенез – процесс образования и формирования злокачественных опухолей.

Клинический полиморфизм – многообразие фенотипических проявлений различных патологий.

Малигнизация – злокачественная (или неопластическая) трансформация клетки.

Метастазы – прорастание опухолевых клеток в другие ткани.

Онкогенные вирусы – вирусы, вызывающие опухоли.

Онкогены – гены вирусов, ответственных за малигнизацию.

Протоонкогены – последовательности ДНК эукариот, гомологичные онкогенам.

Фенокопии – модификации, сходные по своему проявлению с определенными мутациями.

Хромосомные маркеры (chromosome landmarks) – полосы, наиболее четко выделяющиеся при дифференциальной окраске и разделяющие хромосому на районы.

Центромерный индекс – отношение длины короткого плеча к общей длине хроматиды.

ISCN – International systems for human cytogenetics nomenclature.

Стандартные обозначения при составлении родословных:

Символические обозначения при анализе хромосомных аберраций:

del – делеция;

dup – дупликация;

inv – инверсия;

t – транслокация;

rob – робертсоновская транслокация;

+ – дополнительный генетический материал;

g (gap) – пробел.

Рис. 10.1. Хромосомы человека, окрашенные методом G-окраски

Рис. 10.2. Идиограмма человека согласно ISCN-1978

Задание для самостоятельной работы

1. Рассмотрите какое-либо заболевание человека с ярко выраженным клиническим полиморфизмом. Как проявляется такое заболевание? Какие генетические закономерности и явления реализуются при этом?

2. Онкогенетика давно стала основой современной онкологии. Проанализируйте представленные в литературе современные взгляды на канцерогенез. Охарактеризуйте роль онкогенных вирусов в этом процессе.

3. Выскажите свое мнение о значении медико-генетического консультирования в современном обществе. Поскольку деятельность этих учреждений носит чисто рекомендательный характер, вносят ли они какой-либо позитивный вклад в будущее человека?

Контрольные вопросы

11. В чем особенность методов генетики человека?

12. Какие методы являются основными в генетике человека?

13. Как получают препараты хромосом человека в цитогенетике?

14. Как можно охарактеризовать кариотип человека?

15. Какие можно выделить этапы в истории стандартизации кариотипа человека?

16. Что такое центромерный индекс?

17. Что такое хромосомный маркер?

18. Почему диагностику анеуплоидии по Х-хромосоме у человека можно проводить без сложного кариотипирования?

19. Как можно охарактеризовать виды хромосомных патологий у человека?

10. Что такое клинический полиморфизм?

11. Чем характеризуются генные болезни человека с аутосомно-доминантным типом наследования?

12. Чем характеризуются генные болезни человека с аутосомно-рецессивным типом наследования?

13. Чем характеризуются генные болезни человека, обусловленные сцепленным с полом наследованием?

14. Чем характеризуются митохондриальные генные болезни человека?

15. Чем характеризуются болезни с наследственной предрасположенностью?

16. Чем характеризуется процесс малигнизации?

17. Какие известны группы онкогенных вирусов в природе? Что у них общего и в чем различие?

18. Какие важнейшие общетеоретические открытия были сделаны при изучении онкогенных вирусов? Что такое онкоген и протоонкоген?

19. В чем заключается значение медико-генетической консультации?

20. Какие известны методы пренатальной диагностики?

Литература

Бочков Н. П. Медицинская генетика / Н. П. Бочков, А. Ф. Захаров, В. И. Иванов. – М., 1984.

Бочков Н. П. Клиническая генетика / Н. П. Бочков. – М., 2004.

Гринев В. В. Генетика человека / В. В. Гринев. – Минск, 2006.

Захаров А. Ф. Хромосомы человека (проблемы линейной организации) / А. Ф. Захаров. – М., 1977.

Захаров А. Ф. Хромосомы человека: атлас / А. Ф. Захаров, В. А. Бенюш, Н. П. Кулешов, Л. И. Барановская. – М., 1982.

Ридли М. Геном: автобиография вида в 23 главах / М. Ридли. – М., 2008.

Тарантул В. З. Геном человека / В. З. Тарантул. – М., 2003.

Фогель Ф. Генетика человека: в 3 т. / Ф. Фогель, А. Мотульски. – М., 1989–1990.

Щипков В. П. Общая и медицинская генетика / В. П. Щипков, Г. Н. Кривошеина. – М., 2003.

Тема 11. Психогенетика: основные понятия, методы и области исследования

Придет день, когда биолог протянет руку психологу и встретится с ним в туннеле, который они взялись копать с разных сторон горы неизвестного.

К. Г. Юнг (1875–1961), швейцарский психолог, основатель аналитической психологии

Психогенетика изучает взаимодействие факторов наследственности и среды в формировании индивидуальных различий по психологическим и психофизиологическим признакам. Вопрос «Что в большей степени влияет на психическое развитие – наследственность или среда?» вызывал многочисленные споры и столкновения мнений в истории «человекознания».

Содержание темы

Связь генетики и психологии. История психогенетики. Евгеника как предыстория психогенетики. Дифференциальная психология и психогенетика.

Методы психогенетики, их особенности. Близнецовый метод как основной метод психогенетики, его разновидности. Взаимоотношения генотипа и среды в психогенетике. Понятие общей и индивидуальной среды. ГС-взаимодействие, ГС-корреляции, ассортативность в генетике человека.

Психогенетические исследования в процессе индивидуального развития. Сравнительный подход в психогенетике. Возрастные изменения темперамента.

Генетическая психофизиология. Оценка наследуемости типов ЭЭГ. Генетика и свойства нервной системы. Биоэлектрическая активность мозга. Показатели вегетативных реакций.

Основные понятия

Вызванные потенциалы (ВП) – специфическая биоэлектрическая активность, связанная с определенным стимулом.

ГС-корреляции (генотип-средовые корреляции) – явление неслучайного распределения сред между различными генотипами у человека.

Связанные с событиями потенциалы (ССП) – общий термин полученных в различных экспериментах потенциалов: потенциалы мозга, связанные с движением (ПМСД); потенциалы, связанные с намерением произвести определенное действие; потенциалы, возникающие при пропуске ожидаемого стимула.

Сенсорный импринтинг – необходимость определенного сенсорного опыта в критические периоды для формирования определенных морфологических структур нервной системы.

Электроэнцефалография – метод регистрации биоэлектрической активности мозга.

Задание для самостоятельной работы

1. Ассортативность в природе и у человека. Дайте сравнительный анализ. Что общего и есть ли принципиальные различия у этих явлений.

2. Близнецовый метод – основной в психогенетике. Современные эпигенетические исследования показали, что монозиготные близнецы не всегда демонстрируют выраженное сходство. На чем может базироваться такое различие?

Контрольные вопросы

11. Какие задачи ставил перед евгеникой ее основатель Ф. Гальтон?

12. В чем различие подходов позитивной и негативной евгеники?

13. Как проходило развитие евгеники в первой половине XX в.?

14. Какими виделись К. Холлу задачи, значение и перспективы новой, зарождающейся тогда науки – психогенетики?

15. В чем заключается принципиальное изменение взглядов на роль наследственности и среды во второй половине XX в.?

16. В чем заключаются особенности генеалогического метода в психогенетике?

17. В чем заключаются особенности метода приемных детей в психогенетике?

18. В чем заключаются особенности метода близнецов в психогенетике?

19. В чем заключаются особенности статистических методов в психогенетике?

10. В чем заключается особенность понимания среды в психогенетике?

11. В чем заключается принципиальное значение экспериментов Р. Трайона для понимания проявлений взаимодействий генотипа и среды в психогенетике?

12. Какие можно привести примеры ГС-взаимодействий у человека?

13. В чем особенности ассортативности браков у человека?

14. Какие биологические корни имеет явление предпочтения брачных партнеров редкого типа?

15. Что показывает явление генотип-средовой корреляции?

16. Какие виды генотип-средовой корреляции выделяет Р. Пломин?

17. В чем значение сравнительного подхода в психогенетике развития?

18. Как проявляется сенсорный импринтинг?

19. Что показали исследования темперамента в психогенетике?

20. В чем заключается особенность экспрессии генов нейронов?

21. Что такое апоптоз? Его роль в развитии нервной системы?

22. Что показали исследования биоэлектрической активности мозга применительно к психогенетике?

23. Что показали исследования вегетативных реакций применительно к психогенетике?

24. В чем заключается важность исследований функциональной асимметрии мозга для психогенетики?

Литература

Александров А. А. Психогенетика / А. А. Александров. – СПб., 2004.

Булаева К. Б. Генетические основы психофизиологии человека / К. Б. Булаева. – М., 1991.

Вилюнас В. Психология развития мотивации / В. Вилюнас. – СПб., 2006.

Равич-Щербо И. В. Психогенетика / И. В. Равич-Щербо, Т. М. Марютина, Е. Л. Григоренко. – М., 2006.

Симонов П. В. Мотивированный мозг / П. В. Симонов. – М., 1987.

Фогель Ф. Генетика человека: в 3 т. / Ф. Фогель, А. Мотульски. – М., 1989–1990.

Фирсов Л. А. Эволюция интеллекта / Л. А. Фирсов, А. М. Чиженков. – СПб., 2004.

Эфроимсон В. П. Генетика этики и эстетики / В. П. Эфроимсон. – СПб., 1995.

Тема 12. Психогенетика когнитивных функций и девиантного поведения

Страшную, непрестанную борьбу ведет посредственность с теми, кто ее превосходит.

О. де Бальзак (1799–1850), французский писатель

В настоящее время психогенетика проходит скорее период накопления фактов, чем этап теоретических обобщений. Раскрытие секретов соотношения генов и психики – дело будущего. Психогенетический анализ имеет ряд специфических трудностей.

Во-первых, это неопределенность и неоднозначность исследуемых психологических явлений. Многие понятия (если не большинство) в психологии не имеют четких определений, которые принимались бы всем сообществом ученых.

Во-вторых, это возможность различных механизмов реализации для многих идентичных психологических признаков.

В-третьих, это спорность и ненадежность показателей психодиагностических тестов – основного инструментария психологии.

Содержание темы

Трудности психогенетического анализа. Исследования интеллекта. Природа и теории интеллекта. Проблема сознания. Интеллект и мышление. Интеллект и тесты интеллекта. Неопределенность понятия интеллект.

Психогенетика развития и проблема одаренности. Одаренность и наследственность. Эмерджентный подход к проблеме одаренности. Импрессинг.

Психогенетика девиантного поведения. Психогенетические исследования аутизма. Психогенетика пограничных состояний. Дислексия и дисграфия. Проективные тесты. Девиантное поведение и нейрохимия. Девиантное поведение и психогеномика.

Основные понятия

Дисграфия – специфическая неспособность к письму.

Дислексия – специфическая неспособность к чтению.

Импрессинг – необычайно сильные эмоционально окрашенные события детства, оставляющие впечатления на всю жизнь.

Эмерджентное свойство – новообразование, принципиально не сводимое к его составляющим.

Эмпатия – способность оценить знания, намерения, мысли других.

Задание для самостоятельной работы

1. Эмерджентный подход берет свое начало с книги выдающегося английского ученого (биолога, психолога) К. Л. Моргана «Эмерджентная эволюция» (1923 г.). С тех пор этот подход активно разрабатывается в самых разных науках – философии, физиологии, психологии, системном анализе, занимая ведущее положение во многих авторских концепциях. Однако не прекращается и критика данного подхода. Разберите основные положения подхода и критические замечания оппонентов.

2. Проанализируйте по литературе долгую (и, кажется, нескончаемую) дискуссию по поводу одного из основных «инструментов» психолога – тестов интеллекта. Как вам видится связь тестов интеллекта с самим интеллектом?

Контрольные вопросы

11. Какие подходы используются в психогенетике для исследования интеллекта?

12. Какие взгляды на природу интеллекта имеются в психогенетике?

13. Какие взгляды существуют на природу сознания?

14. Какие взгляды существуют на природу взаимосвязи интеллекта и мышления?

15. Какие взгляды существуют на проблему взаимосвязи интеллекта и тестов интеллекта в психогенетике?

16. Как проявляется тенденция к дроблению понятия интеллект?

17. Какова история исследования взаимосвязи интеллекта и наследственности?

18. Что показали исследования роли наследственности в проявлении одаренности?

19. В чем сущность эмерджентного подхода к феномену одаренности?

10. В чем сущность концепции импрессинга?

11. Какие факторы могут иметь особое значение для одаренности?

12. Что показали исследования аутизма?

13. Какие проявления рассматриваются как пограничные состояния?

14. Что показали нейрохимические исследования девиантного поведения?

15. Какова роль геномики для дальнейших исследований девиантного поведения?

Литература

Дружинин В. Н. Психология общих способностей / В. Н. Дружинин. – СПб., 1999.

Дружинин В. Н. Когнитивная психология / В. Н. Дружинин. – СПб., 2002.

Курчанов Н. А. Природа поведения и проблемы образования / Н. А. Курчанов. – СПб., 2008.

Равич-Щербо И. В. Психогенетика / И. В. Равич-Щербо, Т. М. Марютина, Е. Л. Григоренко. – М., 2006.

Ридли М. Геном: автобиография вида в 23 главах / М. Ридли. – М., 2008.

Фирсов Л. А. Эволюция интеллекта / Л. А. Фирсов, А. М. Чиженков. – СПб., 2004.

Холодная М. А. Психология интеллекта: парадоксы исследования. – СПб., 2002.

Эфроимсон В. П. Генетика этики и эстетики. – СПб., 1995.

Тема 13. Генетика развития

Нашосновной тезис заключается в том, что существует некая генетическая программа, управляющая онтогенезом, и что в процессе развития важные решения принимаются относительно небольшим числом генов, несущих функции переключателей между альтернативными состояниями или путями.

Р. Рэфф, Т. Кофмен, американские генетики, авторы книги «Эмбрионы, гены и эволюция»

Генетика развития изучает реализацию наследственной информации в ходе онтогенеза, т. е. путь от гена к признаку. Это направление заложили исследования немецкого зоолога В. Хеккера в 1920-е гг., который назвал его феногенетикой. У истоков феногенетики стояли такие выдающиеся ученые, как Т. Морган (США), Р. Гольдшмидт (Германия), Э. Хадорн (Швейцария), С. Уодингтон (Англия), Н. К. Кольцов (Россия).

Основной вопрос генетики развития был сформулирован еще Т. Морганом: «Каким образом молекулярно-генетические события в ходе онтогенеза детерминируют формообразовательные процессы?». Для биологии развития проблема детерминации имеет исключительное значение.

Содержание темы

Предмет генетики развития.

Детерминация – центральное явление в онтогенезе. Оопластическая сегрегация. Образование систем градиентов в яйцеклетке. Регуляторные гены в онтогенезе. Сегментация. Каскадный принцип взаимодействия регуляторных генов.

Клеточная дифференцировка. Дифференциальная экспрессия генов в онтогенезе. Эмбриональная индукция. Гомеозисные гены. Гомеобокс и гомеодомен. НОХ-гены млекопитающих. Гомеозисные мутации. Стволовые клетки. Тотипотентность.

Проблема обратимости детерминации. Клонирование. Химеры. Перспективы клонирования. Трансдетерминация.

Апоптоз. Общие закономерности регуляции процессов онтогенеза.

Основные понятия

Апоптоз – запрограммированная смерть клеток, которая реализуется генетической программой «самоубийства».

Гены «домашнего хозяйства» (housekeeping genes) – гены, связанные с поддержанием универсальных клеточных функций.

Гены «роскоши» – связаны с осуществлением специализированных клеточных функций, специфичных для отдельных типов клеток.

Гомеобокс – общие нуклеотидные последовательности гомеозисных генов.

Гомеозисные гены – регуляторные гены, контролирующие морфогенетические процессы внутри сегментов, т. е. направление развития каждого сегмента.

Детерминация – ограничение возможностей последующих дифференцировок, определяющее развитие клетки по специализированному пути.

Диминуция хроматина – уменьшение количества генетического материала в ходе онтогенеза.

Дифференциация – процесс специализации клеток, обуславливающий их морфофизиологические различия.

Кластеры – компактные группы генов.

Клон – клеточная популяция, возникающая из одной исходной соматической клетки.

Клонирование – процесс получения клона.

Оопластическая сегрегация – процесс формирования гетерогенности цитоплазмы яйцеклетки в ходе ее развития.

Сегментация – процесс разделения зародыша на сегменты.

Сегрегационные гены – гены, которые определяют количество будущих сегментов зародыша.

Стволовые клетки – недифференцированные клетки-предшественники других клеток, сохраняющие высокий потенциал развития у взрослого организма.

Тотипотентность – способность клетки развиваться в любом направлении.

Химеры – организмы, полученные агрегацией генетически различных клеток.

Эмбриональная индукция – влияние определенных клеточных структур, определяющее развитие других клеточных структур.

Задание для самостоятельной работы

1. Явление РНК-интерференции было открыто относительно недавно. Однако она оказалась распространенным механизмом экспрессии генов. Проанализируйте данные литературы по этому вопросу.

2. Понятие эмбриональной индукции сыграло важнейшую роль в становлении экспериментальной эмбриологии. Однако только современная биология развития смогла раскрыть ее загадочные механизмы. Проанализируйте современные данные по вопросу эмбриональной индукции.

3. К каким социальным последствиям приведет реализация экспериментов по клонированию человека? Выдержит ли цивилизация этот эксперимент?

Контрольные вопросы

11. Что означает понятие «детерминация»?

12. В чем проявляется явление оопластической сегрегации?

13. В чем заключается роль регуляторных генов в процессе развития?

14. Что обозначает понятие «дифференциация»?

15. Что такое «гены домашнего хозяйства» и «гены роскоши»?

16. В чем заключается сущность явления эмбриональной индукции?

17. Что является индуктором образования нервной пластинки?

18. В чем проявляется явление сегментации?

19. Какую роль в процессе развития выполняют гомеозисные гены?

10. Что такое гомеобокс и гомеодомен?

11. Что такое стволовые клетки? Чем они характеризуются?

12. В чем сущность явления тотипотентности?

13. Что такое клонирование? Как получают клоны?

14. Как получают химеры?

15. В чем заключается общетеоретическое значение экспериментов по клонированию?

16. В чем проявляется явление трансдетерминации?

17. В чем заключается общетеоретическое значение явления апоптоза для генетики развития?

18. Что такое «гены-господа» и «гены-рабы»?

19. Какие данные генетики развития показывают научную необоснованность теории «биополя»?

20. В чем проявляются общие закономерности регуляции онтогенеза?

Литература

Белоусов Л. В. Основы общей эмбриологии / Л. В. Белоусов. – М., 2005.

Корочкин Л. И. Биология индивидуального развития / Л. И. Корочкин. – М., 2002.

Паткин Е. Л. Эпигенетические механизмы распространенных заболеваний человека / Е. Л. Паткин. – СПб., 2008.

Ратнер В. А. Генетика, молекулярная кибернетика / В. А. Ратнер. – Новосибирск, 2002.

Рэфф Р. Эмбрионы, гены, эволюция / Р. Рэфф, Т. Кофмен – М., 1986.

Уоддингтон К. Морфогенез и генетика / К. Уоддингтон. – М., 1964.

Тема 14. Детерминация и дифференциация пола

Природа не терпит пустоты: там, где люди не знают правды, они заполняют пробелы домыслами.

Б. Шоу (1856–1950), английский писатель

Возникновение разнополых организмов в природе – это загадка, порождающая многочисленные дискуссии. В 1862 г. Ч. Дарвин писал: «Мы не имеем даже маловероятного объяснения цели полового процесса…». Во времена Ч. Дарвина ничего не было известно о механизмах генетической рекомбинации. Но вот что мы можем прочитать у одного из ведущих эволюционистов современности, спустя более века. Дж. Мейнард-Смит пишет: «Создается впечатление, что по вопросу пола от нас ускользает что-то самое главное» (Maynard Smith J., 1978). Вопросы вызывают, например, многочисленные исключения из классического полового процесса, имеющиеся даже у представителей высших систематических групп (гермафродитизм, закономерная инверсия пола у некоторых представителей в ходе онтогенеза, партеногенез и многое другое).

Содержание темы

Половой процесс в природе. Детерминация пола, различные механизмы в природе. Детерминация пола млекопитающих. Дифференциация пола. Каскадный характер детерминации и дифференциации пола.

Дифференциация гонад, роль гормонов.

Дифференциация гамет. Первичные половые клетки.

Дифференциация фенотипов. Формирование вторичных половых признаков. Половой диморфизм. Гермафродитизм.

Половая дифференциация мозга и поведения. Половая социализация. Роль критического периода.

Формирование пола у человека. Нарушение процессов дифференциации пола. Гермафродитизм у человека. Сексуальная ориентация и половая идентификация. Общие вопросы теории формирования пола.

Основные понятия

Вторичные половые признаки – морфофизиологические характеристики фенотипов разных полов, не относящихся к половой системы.

Гермафродитизм – направление в процессах дифференциации пола, приводящее к формированию организмов с признаками обоих полов.

Детерминация пола – исходное направление развития организма в сторону мужского или женского пола вследствие определенных факторов.

Дифференциация гамет – процесс преобразований первичных половых клеток (ППК, или гоноцитов) в мужские (сперматогонии) или женские (оогонии) половые клетки.

Дифференциация пола – процесс формирования морфофизиологических и поведенческих различий между полами в онтогенезе.

Первичные половые признаки – морфофизиологические характеристики половой системы у разных полов.

Половая идентификация – ощущение принадлежности к определенному полу.

Половая социализация – процесс формирования моделей полового поведения в ходе постнатального развития.

Половой диморфизм – выраженность различий между полами по вторичным половым признакам.

Сексуальная ориентация – половое влечение к представителям того или иного пола.

Задание для самостоятельной работы

1. Процесс детерминации пола много сложнее любой однозначной схемы. Рассмотрите действие генов, участвующих в детерминации пола у млекопитающих. Какие дефекты наблюдаются при нарушении их экспрессии?

2. Проанализируйте роль генетического фактора в многочисленных нарушениях полового поведения у человека.

Контрольные вопросы

11. Какие механизмы детерминации пола известны в природе?

12. Как взаимосвязаны факторы детерминации пола у млекопитающих?

13. Какова последовательность событий при дифференциации пола?

14. Как происходит дифференциация гонад?

15. Как происходит дифференциация гамет?

16. Как происходит фенотипическая половая дифференциация?

17. Что такое первичные и вторичные половые признаки?

18. Что обозначает понятие «половой диморфизм»?

19. Что такое гермафродитизм?

10. Какие факторы определяют половую дифференциацию мозга и поведения?

11. Что такое половая социализация?

12. В чем заключается значение критических периодов в дифференциации пола?

13. Что показали исследования детерминации и дифференциации пола у человека?

14. В чем выражаются явления сексуальной ориентации и половой идентификации у человека?

15. В чем заключается общетеоретическое значение исследований биологии пола?

Литература

Белоусов Л. В. Основы общей эмбриологии / Л. В. Белоусов. – М., 2005.

Бутовская М. Л. Тайны пола. Мужчина и женщина в зеркале эволюции / М. Л. Бутовская. – Фрязино, 2004.

Корочкин Л. И. Биология индивидуального развития / Л. И. Корочкин. – М., 2002.

Моррис Д. Голая обезьяна / Д. Моррис. – СПб., 2001.

Чернышева М. П. Гормоны животных. Введение в физиологическую эндокринологию / М. П. Чернышева. – СПб., 1995.

Знаешь ли ты эти термины?

Автополиплоидия

Аллелизм множественный

Аллель

Аллополиплоидия

Альтруизм

Амплификация

Анализирующее скрещивание

Анеуплоидия

Антикодон

Апоптоз

Ассортативность

Аутосомы

Бивалент

Вектор

Гамета

Гаплоидный набор

Гемизигота

Ген

Генетическая карта

Генетический код

Генокопия

Геном

Геномный импринтинг

Генотип

Генофонд

Гермафродитизм

Гетерогаметный пол

Гетерозигота

Гетерозис

Гетерохроматин

Гистоны

Гомеобокс

Гомогаметный пол

Гомозигота

ГС-взаимодействие

Делеция

Детерминация

Дефишенси

Диплоидный набор

Дифференциальная окраска

Дифференциация

Дрейф генов

Дупликация

Идиограмма

Инверсия

Инсерция

Интрон

Канцероген

Капсид

Кариотип

Кинетохор

Кластер

Клон

Кодоминирование

Кодон

Колинеарность

Комплементарность

Кроссинговер

Кэп

Лизогения

Локус

Макроэволюция

Малигнизация

Мейоз

Микроэволюция

Митоз

Митотический цикл

Моногибридное скрещивание

Морфоз

Мутаген

Мутации

Наследуемость

Норма реакции

Нуклеосома

Нуклеотид

Обратная транскрипция

Онкоген

Оперон

Палиндром

Панмиксия

Пенетрантность

Плазмида

Плейотропия

Полигибридное скрещивание

Полимеразная цепная реакция

Полимерия

Политенные хромосомы

Половой диморфизм

Популяция

Прионы

Провирус

Прокариоты

Промотор

Протоонкоген

Процессинг

Псевдоген

Пуфы

Регуляторный ген

Рекомбинантные ДНК

Репарация ДНК

Репликация ДНК

Репликон

Реплисома

Рестрикция

Ретровирус

Реципрокная транслокация

РНК-интерференция

Робертсоновские перестройки

Сайленсер

Сайт-специфическая рекомбинация

Сверхдоминирование

Сегментация

Секвенирование

Синапсис

Синаптонемальный комплекс

Спейсер

Сплайсинг

Стоп-кодон

Сцепленное наследование

Теломера

Терминатор

Тотипотентность

Трансген

Трансдукция

Транскрипция

Трансляция

Транспозиции

Транспозон

Трансформация

Фаг

Фен

Фенокопия

Фенотип

Фрагменты Оказаки

Хиазмы

Химера

Хроматида

Хромосома

Хромоцентры

Центромерный индекс

Цистрон

Экзон

Экспрессивность

Экспрессия генов

Эмерджентное свойство

Эндомитоз

Энхансер

Эпистаз

Эукариоты

Эухроматин

Эффект «бутылочного горлышка»

Ядрышковый организатор

Оглавление

Предисловие

Тема 1. История и значение генетики

  Содержание темы

  Литература

Тема 2. Молекулярные основы наследственности

  Содержание темы

  Основные понятия

  Задание для самостоятельной работы

  Контрольные вопросы

  Литература

Тема 3. Цитогенетика

  Содержание темы

  Основные понятия

  Задание для самостоятельной работы

  Контрольные вопросы

  Литература

Тема 4. Закономерности наследственности

  Содержание темы

  Основные понятия

  Генетическая символика

  Задание для самостоятельной работы

  Контрольные вопросы

  Литература

Тема 5. Изменчивость

  Содержание темы

  Основные понятия

  Задание для самостоятельной работы

  Контрольные вопросы

  Литература

  Тема 6. Молекулярная генетика

  Содержание темы

  Основные понятия

  Задание для самостоятельной работы

  Контрольные вопросы

  Литература

Тема 7. Генная инженерия

  Содержание темы

  Основные понятия

  Задание для самостоятельной работы

  Контрольные вопросы

  Литература

Тема 8. Генетические основы эволюции

  Содержание темы

  Основные понятия

  Символика и расчеты частот в популяционной генетике

  Задание для самостоятельной работы

  Контрольные вопросы

  Литература

Тема 9. Проблема филогенетической детерминации поведения

  Содержание темы

  Основные понятия

  Задание для самостоятельной работы

  Контрольные вопросы

  Литература

Тема 10. Медицинская генетика

  Содержание темы

  Основные понятия

  Задание для самостоятельной работы

  Контрольные вопросы

  Литература

Тема 11. Психогенетика: основные понятия, методы и области исследования

  Содержание темы

  Основные понятия

  Задание для самостоятельной работы

  Контрольные вопросы

  Литература

Тема 12. Психогенетика когнитивных функций и девиантного поведения

  Содержание темы

  Основные понятия

  Задание для самостоятельной работы

  Контрольные вопросы

  Литература

Тема 13. Генетика развития

  Содержание темы

  Основные понятия

  Задание для самостоятельной работы

  Контрольные вопросы

  Литература

Тема 14. Детерминация и дифференциация пола

  Содержание темы

  Основные понятия

  Задание для самостоятельной работы

  Контрольные вопросы

  Литература

Знаешь ли ты эти термины? Fueled by Johannes Gensfleisch zur Laden zum Gutenberg