Генетический полиморфизм: генетическая уникальность человека и механизмы её формирования

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Реферат по дисциплине «Психогенетика»

на тему

 

ГЕНЕТИЧЕСКИЙ ПОЛИМОРФИЗМ: ГЕНЕТИЧЕСКАЯ УНИКАЛЬНОСТЬ ЧЕЛОВЕКА И  МЕХАНИЗМЫ ЕЁ ФОРМИРОВАНИЯ

 

 

 

 

 

 

 

Содержание

 

Введение            3

1. ДНК - материальная субстанция наследственности     4

2. Механизмы формирования генетической  уникальности человека  6

2.1. Мутационная  изменчивость       6

2.1.1 генные  мутации.         7

2.1.2 хромосомные  мутации.        7

2.1.3. Мутации  ДНК        8

 

3. Комбинационная  изменчивость        11

3.1. Два  типа клеточного деления       12

3.2. Хромосомы  человека        13

3.3. Рекомбинация  хромосом в процессе образования  половых клеток   13

3.4. Сцепление и кроссинговер       13

Заключение          14

Список литературы          15

 

 

ВВЕДЕНИЕ

Сущность  генетического полиморфизма заключается  в существовании закрепленного  в ходе эволюции многообразия в проявлении отдельных признаков и функций  организма. Многообразие это обеспечивается мутационной и рекомбинационной изменчивостью, а биологический смысл этого явления – создание резерва приспособительных реакций к меняющимся условиям окружающей среды.: чем шире выражено генетическое многообразие вида, тем большими приспособительными возможностями он обладает в ходе эволюции.

У человека наследственный полиморфизм характерен для множества морфологических, физиологических, иммунологических, биохимических  и других признаков. В последние  годы с помощью молекулярно-генетических методов установлено, что наиболее выражен полиморфизм в веществе наследственности (в фрагментарной структуре ДНК). Генетическое многообразие приводит к тому, что даже самые близкие родственники (родители и дети, братья и сестры), за исключением однояйцевых близнецов, отличаются друг от друга по десяткам, сотням и тысячам признаков.

 

 

1. ДНК - МАТЕРИАЛЬНАЯ СУБСТАНЦИЯ НАСЛЕДСТВЕННОСТИ

 

Материальная субстанция, из которой состоят хромосомы, должна иметь две особенности. Во-первых, она должна быть способна постоянно удваиваться, сохраняя большую точность воспроизведения. Во-вторых, она должна давать множество различных форм, тем самым обеспечивая существование бесконечного разнообразия генов, представленных в природе.

В состав хромосом входят два вида молекул - молекулы белка и дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК). И белок, и ДНК обладают указанными свойствами. Сначала предполагали, что основной генетической субстанцией является белок. Двадцать различных аминокислот, входящих в молекулы белков, могут давать бесконечное разнообразие сочетаний, которое может лежать в основе разнообразия генов. И только в начале 50-х гг. было доказано, что носителем генетической информации является ДНК. Оказалось, что ДНК сама по себе, независимо от белка, способна переносить наследственную информацию из одной клетки в другую, тогда как белок без ДНК этого не может.

ДНК имеет молекулярное строение, обеспечивающее способность к удвоению и к образованию множества  разнообразных форм. Молекула нуклеиновой  кислоты имеет форму нити, представляющей собой цепь нуклеотидов. Каждый нуклеотид  состоит из трех частей: азотистого основания, углеводного компонента и фосфорной кислоты. Отдельные  нуклеотиды в нуклеиновых кислотах соединены друг с другом через  фосфорную кислоту прочной химической связью. Углеводный компонент в ДНК  представлен сахаром - дезоксирибозой. Сахарный и фосфорный компоненты у всех нуклеотидов одинаковы, что же касается оснований, то существует четыре типа оснований: аденин, цитозин, гуанин и тимин. Для простоты их часто обозначают буквами А, Ц, Г и Т.

Очень важно, что молекула ДНК образована не одной, а двумя  нитями, каждая из которых имеет  такое строение. Нити соединяются  между собой слабыми водородными  связями через основания. Пары оснований  подходят друг к другу, как ключ к  замку. При этом аденин всегда стоит в паре с тимином, а гуанин с цитозином.

. Благодаря такому комплементарному  строению, эта двойная нить способна  точно воспроизводить себя, образуя  идентичные двойные нити.

При репликации (удвоении) ДНК  слабые водородные связи между основаниями  рвутся, две полумолекулы расходятся, как застежка-молния, и на каждой из них достраивается новая комплементарная половинка. В результате мы получаем две молекулы ДНК, абсолютно идентичные исходной. Одна имеет старую правую сторону и новую левую, а другая, наоборот, - старую левую и новую правую. Модель Уотсона - Крика дает правдоподобное объяснение способности генов и хромосом точно воспроизводить себя в митозе, что приводит к образованию дочерних клеток точно такой же генетической конституции, что и материнская. Естественно, что в клетке этот процесс значительно сложнее, чем показано на схеме.

В молекуле ДНК большое  значение имеет то, в какой последовательности расположены основания. Например, участок  ДНК из восьми оснований может  выглядеть как ГАТТГАЦЦ, а может  и иначе - ТЦТТГААЦ и т.д. Поскольку  основания расположены в молекуле ДНК линейно, одно за другим, число  различных схем расположения для  каждого основания практически  неограниченно. Это становится особенно ясно, если учесть, что в состав одной  молекулы ДНК входят сотни тысяч  отдельных нуклеотидов. Таким образом, число оснований сравнительно невелико - всего четыре, число возможных  комбинаций - огромно. Если представить  себе, что один ген включает 500 пар  оснований, то число возможных схем расположения составит 4500. Таким образом, всего четыре основания позволяют  создавать огромное число разнообразных  сочетаний и тем самым обеспечивают существование всевозможных генов. 

2. МЕХАНИЗМЫ ФОРМИРОВАНИЯ ГЕНЕТИЧЕСКОЙ УНИКАЛЬНОСТИ ЧЕЛОВЕКА

 

2.1. МУТАЦИОННАЯ ИЗМЕНЧИВОСТЬ

 

Мутации (лат. mutatio – изменение) – это внезапные, естественные или вызванные искусственно наследуемые изменения генетического материала, приводящие к изменению тех или иных фенотипических признаков организма. Основы учения о мутациях были заложены голландским ботаником Де Фризом в 1901-1903 гг. Согласно его мутационной теории, мутация возникает внезапно, без всяких переходов; мутантные формы представляют собой вполне устойчивые качественные изменения; они действуют в разных направлениях и могут быть полезными или вредными; одни и те же мутации могут возникать повторно. Мутации присущи всем живым организмам. Молекулярные механизмы мутаций стали выясняться с развитием молекулярной биологии с середины XX в.

Мутации называются прямыми, если их проявление приводит к отклонению признаков  от дикого типа  и обратными (реверсивными), если их проявление приводит к полному  или частичному восстановлению дикого типа.

Существует  несколько классификаций мутаций. Нередко мутации разделяют на генные, хромосомные и геномные в соответствии с уровнями носителей генетической информации. К генным относятся все мутации, происходящие на уровне нуклеотидов ДНК (или РНК).

В такие  мутации обычно вовлечен один ген. К  хромосомным мутациям относятся  хромосомные перестройки, вовлекающие  участки хромосом (т.е. несколько  генов). Наконец, к геномным мутациям относят изменение числа хромосом. В зависимости от природы мутаций, их разделяют на спонтанные и индуцированные. Кроме того, мутации подразделяют на морфологические, биохимические, летальные и т.п. (в зависимости от фенотипического проявления мутаций); на доминантные и рецессивные (в зависимости от типа наследования мутантных признаков); на гаметные (генеративные, т.е. происходящие в половых клетках), соматические (происходящие в соматических, т.е. любых неполовых, клетках), ядерные (затрагивающие хромосомы ядра) и цитоплазматические, затрагивающие генетический материал митохондрий, пластид и других цитоплазматических органоидов клетки).

 

2.1.1 Генные мутации.

Различают несколько типов мутаций  по характеру изменений хромосомного аппарата. Наиболее распространенными  являются мутации, не связанные с  видимыми в микроскоп изменениями  строения хромосом. Такие мутации представляют собой качественные изменения отдельных генов и носят название генных мутаций. На основании исследований, проведенных главным образом на микроорганизмах за последнее время, установлено, что такие мутации связаны с преобразованием химической структуры ДНК, входящей в состав хромосом. Последовательность оснований определяет состав образующейся на ДНК молекулы РНК, а она в свою очередь обусловливает последовательность аминокислот при синтезе белковой молекулы. Химическая основа генных мутаций заключается в изменении расположения нуклеотидов в цепочке ДНК.

2.1.2 Хромосомные мутации.

Наряду  с генными известен ряд других мутаций, связанных с видимыми преобразованиями хромосом, которые доступны непосредственному  микроскопическому изучению. К числу  таких изменений относится, например, переход части одной хромосомы  на другую, ей не гомологичную, поворот  участка внутри хромосомы на 180°  и ряд других структурных изменений  отдельных хромосом.

Особую  группу мутаций представляют собой  изменения числа хромосом. Эти  мутации сводятся к появлению  лишних или утере некоторых хромосом. Такого рода изменения в хромосомном  составе происходят при нарушении  в силу каких-либо причин нормального  хода мейоза, когда вместо нормального распределения хромосом между полюсами ахроматинового веретена и затем дочерними клетками обе гомологичные хромосомы отходят к одному полюсу. Обычно такого рода нарушения оказываются неблагоприятными, снижающими жизнеспособность.

Особый  тип наследственных изменений представляет собой явления полиплоидии, которое выражается в кратном увеличении числа хромосом. Возникновение полиплоидов обычно связано с нарушением процессов митоза или мейоза. Эти нарушения сводятся к тому, что хромосомы проделывают нормальный митотическйй цикл, а веретено деления, служащее для «растаскивания» хромосом к противоположным полюсам, не функционирует. В результате хромосомы не расходятся к полюсам и не образуют дочерних ядер, а остаются в том же ядре. Если этот процесс имеет место в соматической клетке с диплоидным набором хромосом, то сразу возникает клетка с удвоенным диплоидным набором (такие клетки называются тетраплридными). Они имеют, следовательно, вместо двух гаплоидных наборов четыре. Если это наблюдается при мейозе, то конъюгирующие гомологичные хромосомы не расходятся к противоположным полюсам и возникают диплоидные гаметы. Если такая гамета при оплодотворении сольется с нормальной гаплоидной, то возникает триплоидная зигота. Если же обе гаметы окажутся диплоидными, то возникает тетраплоидная зигота.

 

2.1.3. МУТАЦИИ ДНК

 

Один из видов мутаций – так называемые точковые мутации, т.е. мутации, вовлекающие отдельно взятые нуклеотиды. Точковые мутации представляют собой вставки или выпадения, а также изменения (разные типы замен одного азотистого основания на другое) пары нуклеотидов ДНК (или нуклеотида РНК).

В результате мутирования возникают альтернативные формы генов (аллели) – ген становится полиморфным. Одни из этих мутаций являются вредоносными, т.е. вызывающими развитие наследуемых заболеваний , а другие – нейтральными, не вызывающими никаких существенных изменений в синтезируемых белках.

Точковые мутации можно разделить на два больших класса. К первому классу относятся те, которые связаны с заменой основания. Мутации второго класса обусловлены так называемым сдвигом рамки считывания.

 

Тип мутационного события: замена основания

Замена одного основания в цепи ДНК может привести к тому, что в синтезируемый белок будет встроена «неправильная» аминокислот. В результате функция белка может быть нарушена. Подобная замена единственной аминокислоты в цепочке сотен аминокислот, составляющих белок, может проявиться по-разному. Спектр этих проявлений – от нулевых до летальных – зависит от структуры и функции синтезируемого белка.

 

Тип мутационного события: сдвиг рамки  считывания

Мутации, которые приводят к выпадению или вставке одного и более нуклеотидов, вызывают так называемый сдвиг рамки считывания. В среднем они более вредоносны, чем мутации замены нуклеотида. Сдвигом рамки этот тип мутаций называется потому, что в результате выпадения (или случайного добавления) одного нуклеотида изменяется считывание (трансляция) кодонов в молекуле мРНК и, начиная с точки, соответствующей положению мутации, синтезируется искаженная последовательность аминокислот. Часто мутации оказываются гораздо сложнее описанных выше. Один и тот же ген может мутировать в нескольких местах. Мутации, происходящие в экзонах (кодирующих участках гена), как правило, вредоносны. К счастью, большинство мутаций в организме происходит в интронах (некодирующих участках гена). Эти мутации не транскрибируются мРНК и, следовательно, фенотипически не проявляются.

Замечательная особенность мутаций состоит в том, что их действие может быть различным в разных организмах и фенотипические проявления одной и той же мутации у разных особей могут быть очень разнообразными. Так, обладание мутантным аллелем у одной особи может фенотипически проявиться в форме тяжелого заболевания, а у другой – в форме легкой симптоматики или даже полного ее отсутствия. Два ключевых понятия, описывающих изменчивость проявления одной и той же мутации в популяции как совокупности организмов, – понятия пенетрантности и экспрессивности.

Пенетрантностью называется частота проявления аллеля определенного гена у особей данной популяции. Различают пенетрантность полную (аллель проявляется у всех особей) и неполную (аллель не проявляется у части особей). Количественно ее выражают в процентах особей, у которых данный аллель фенотипически проявляется (100% – полная пенетрантность).

Экспрессивностью называется степень фенотипической выраженности одного и того же аллеля определенного гена у разных особей.