Тема 1. Предмет та методи генетики. Матеріальні основи спадковості. Психогенетика як наука.

Генетика – наука про закони спадковості та мінливості ознак у організмів і методи управління ними. Спадковість – властивість організмів повторювати в ряді поколінь подібні ознаки і забезпечувати специфічний характер індивідуального розвитку за певних умов середовища. Мінливість – явище, що виражається в тому, що в будь-якому поколінні окремі особини чимось відрізняються одна від одної, і від батьків. Роком народження генетики як науки вважають 1900р., коли були повторно відкриті закони Менделя. Виділяють три етапи розвитку генетики: І етап – класична генетика (1900 – 1930 рр.), коли відбувалося утвердження менделізму, відкрито явище зчепленого успадкування, створена теорія гена і хромосомна теорія спадковості; ІІ етап – неокласицизм (1930 – 1953 рр.), відкрита можливість штучного мутагенезу, остаточно доведено, що ген є дискретною системою, що складається із частин, обґрунтовано принципи генетики популяцій і еволюційної генетики, виникла біохімічна генетика, отримано докази генетичної ролі ДНК; ІІІ етап – молекулярна генетика (з 1953 р. – дотепер) з опублікування праці Уотсона і Кріка про структуру ДНК.

Основні методи досліджень: 1/ гібридологічний, 2/ цитологічний, 3/ онтогенетичний, 4/ біохімічний, 5/аналіз розвитку популяцій, 6/ математичний, 7/аналіз близнят, 8/аналіз родоводів.

Одиницею спадковості є ген. Ген – це фрагмент ДНК або РНК, що несе генетичну інформацію про елементарну функцію або ознаку. Сукупність генетичної інформації в гаплоїдному наборі хромосом називається геномом. При злитті жіночої і чоловічої статевих клітин утворюється диплоїдна зигота. Сукупність генетичної інформації, властива соматичній диплоїдній клітині даного організму, називається генотипом. Інформація певного генотипу реалізується у вигляді фенотипу – сукупності ознак і властивостей, характерних для даного організму (генотипу).

Всі ознаки можна поділити на моногенні і полігенні. Гени поділяються на структурні та регуляторні, також існують регулювальні ділянки.

Ген, що обумовлює певну ознаку, в генотипі соматичної диплоїдної клітини знаходиться у вигляді двох копій – одна від матері, друга – від батька. Нерідко ці два гени неідентичні, тобто представлені двома різними алелями. Алель – це структурний різновид певного гену. Часто один із таких різновидів являє собою домінантний алель, інші алелі гену не виявляються, тобто є рецесивними. Деякі алелі гена є рівнозначними щодо можливості їх фенотипового прояву – є кодомінантними.

Якщо диплоїдна клітина в певному локусі містить дві однакові копії гена – це гомозигота; якщо гомологічні хромосоми містять різні алелі певного гена – це гетерозигота.

Спадковість забезпечується механізмами самовідтворення клітини. Вертикальний переніс генетичної інформації із покоління в покоління відбувається в результаті поділу клітини.

Поділ клітини – це явище, яке забезпечує рівномірний розподіл протоплазми та її органел між дочірніми клітинами. Поділ буває: 1/ прямим (амітоз – прямий поділ інтерфазного ядра шляхом перетяжки без утворення хромосом, може супроводжуватися поділом клітини, а може обмежитися поділом ядра; спостерігається в спеціалізованих клітинах, які повинні загинути, наприклад, клітинах зародкових оболонок ссавців; клітини, що утворилися таким шляхом, не здатні вступити в мітоз), 2/ непрямим (мітоз та мейоз).

Життєвий шлях клітини називається клітинним (мітотичним) циклом. Після поділу клітина вступає в фазу синтезу білків і росту (пресинтетична фаза, фаза G1). Частина клітин із цієї фази переходить в фазу G0, ці клітини функціонують і потім гинуть без поділу (наприклад, еритроцити). Але більшість клітин, накопичивши необхідні речовини і відновивши свій розмір, а іноді і без змін розмірів після попереднього поділу, починають підготовку до наступного поділу. Ця фаза називається синтетичною (фаза S) – фаза синтезу ДНК. Потім, коли хромосоми подвоїлися, клітина переходить в постсинтетичну фазу (фазу G2) – фазу підготовки до мітозу. Коли клітина поділилася, цикл повторюється знову. Фази G1, S, G2 разом називаються інтерфазою. Життя клітини та перехід від однієї фази клітинного циклу до іншої регулюється зміною концентрацій білків циклінів.

Процес поділу, при якому диплоїдна клітина дає початок двом дочірнім диплоїдним клітинами, називається мітозом. Під час інтерфази при підготовці клітини до поділу відбувається реплікація ДНК. Під час профази ядерна оболонка руйнується і між двома центріолями формується веретено. На стадії метафази хромосоми розташовуються в екваторіальній площині клітини. Коли настає анафаза, хромосоми, які подвоїлися, розходяться. На стадії телофази хромосоми досягають полюсів веретена, клітина починає розділятися на дві дочірні клітини.

Утворення гамет (статевих клітин – яйцеклітин і сперматозоїдів) відбувається шляхом мейозу, коли із одної диплоїдної клітини утворюється чотири гаплоїдні. ДНК і пов’язані з нею білки реплікуються під час інтерфази. Під час профази ядерна оболонка руйнується і гомологічні хромосоми (кожна складається із двох хроматид, поєднаних центромерою) розташовуються попарно в той же час між чотирма гомологічними хроматидами може відбуватися обмін ділянками (кросинговер). Після першого поділу (екваційного) дві вихідні гомологічні хромосоми розходяться до різних клітин. При другому поділі (редукційному) центромера розщеплюється, і в результаті в кожній новій клітині є одна копія кожної хромосоми.

Матеріальними носіями спадковості є нуклеїнові кислоти – ДНК та РНК. Генетичний матеріал в інтерфазному ядрі знаходиться у вигляді хроматинових ниток. Переплітаючись всередині ядра, вони утворюють хроматинову сітку. Кількість хроматинових ниток відповідає диплоїдному набору хромосом. До складу хроматину входять ДНК, гістонові білки (білки з лужними властивостями – Н1, Н2А, Н2В, Н3, Н4), негістонові кислі білки, РНК і білки-ферменти. Гістони Н2А, Н2В, Н3 і Н4 по два утворюють октамер, на якій накручується ДНК (ділянка, що складається із 146 пар основ), формуючи нуклеосому. Гістон Н1 відповідальний за компактну укладку нуклеосомного ланцюга і з’єднує нуклеосоми між собою. Нитка ДНК продовжується від нуклеосоми до нуклеосоми, кожна з яких відокремлюється від наступної ділянкою лінкерної ДНК, що являє собою приблизно 60 пар азотистих основ. Якщо всю ДНК одного ядра клітини людини витягнути, то вона буде довжиною близько 1,5 м. Укласти такий довгий ланцюг у 46 хромосом можна лише завдяки дуже ефективному упаковуванню.

Рівні укладки ланцюга: 1/ утворення нуклеосом (нуклеосомний), дозволяє скоротити довжину в 6,5-7 разів; 2/ супернуклеосомний, утворення хромати нової фібрили; 3/ утворення хроматиновою фібрилою петельних структур з їх подільшою спіралізацією. Поодинока суперспіралізована петля, що утворена хроматиновою фібрилою, називається нуклеомером; розетка із нуклеомерів утворює хромомер – характерну структуру мета фазної хромосоми. Довжина ДНК зменшується в 10³ разів.

При розподілі ядра хроматин ущільнюється в короткі спіральні нитки, що називаються хромосомами. У залежності від ступеня конденсації (спіралізації) хроматин поділяють на гетерохроматин і еухроматин. Гетерохроматин сильно ущільнений і генетично неактивний. Здебільшого до 90% хроматину знаходиться у такій формі. Еухроматин – малоконденсований, деспіралізований, генетично активний. Статевий хроматин (тільця Барра) – генетично ін активована Х-хромосома, яка знаходиться в гетеропікнотичному стані і міститься в ядрах клітин жіночої статі багатьох тварин і у людини. Кількість тілець статевого хроматину завжди на одиницю менша від кількості Х-хромосом, тобто n=Х-1. цю ознаку використовують для визначення статі та виявлення аномалій за числом Х-хромосом.

Хромосома – це ниткоподібні щільні тільця, видимі у світловий мікроскоп тільки впродовж поділу клітини. Довжина хромосом залежить від кількості ДНК і білків, а також від ступеня скручування хроматину. На різних ділянках однієї і тієї ж хромосоми спіралізація, компактність її основних елементів неоднакові, з цим пов’язана різна інтенсивність забарвлення окремих ділянок хромосоми.

Кожна молекула ДНК, що утворює хромосому, крім кодуючих послідовностей, повинна містити центромеру, дві теломери і точки початку реплікації. Теломерні послідовності запобігають укороченню хромосом, що без них відбувалося б при кожному циклі реплікації ДНК. Центромери служать для вибудовування молекул ДНК на мітотичному веретені під час мітозу. Точки початку реплікації потрібні для формування реплікацій них вилок у S-фазі.

Всі хромосоми під час метафази складаються із двох хроматид, що утворені з максимально спаралізованого хроматину. Кожна хроматида – це зв’язана з гістонами одинарна двониткова суперспіралізована ДНК. Дві хроматиди утримуються разом у ділянці центромери за допомогою нереплікованого сегмента ДНК. Первинна перетяжка (центромера) поділяє хромосому на два плеча. На ній розташовуються спеціальні білки, що утворюють кінетохори, до яких при розподілі генетичного матеріалу прикріплюються нитки веретена. Кінці плечей називаються теломерами. Деякі хромосоми мають вторинні перетяжки, що часто відокремлюють ділянки хромосом, названі супутниками, які містять гени рРНК. Ці ділянки називають ядерцевими організаторами. Х- і Y-хромосоми називаються статевими хромосомами, інші хромосоми з даного набору, що є однаковими для обох статей, називаються аутосомами.

Сукупність хромосом клітини, яка характеризується їх числом, розмірами і формою, називається каріотипом. Ідіограма – це схематичне зображення кожної окремої хромосоми.

Хромосомний аналіз – це дослідження й аналіз морфології, кількості і структури хромосом. Розмір хромосом людини: в середньому 1,5 мкм у товщину і 10,0 мкм у довжину. Форма хромосом визначається за відносним положенням центромери. На підставі цього розрізняють такі форми хромосом: 1/ метацентрична – має Х-подібну форму, центромера знаходиться всередині так, що плечі є рівними за довжиною; 2/ субметацентрична – має Х-подібну форму з центромерою, віддаленою від середньої точки так, що її плечі є нерівними за довжиною; 3/ акроцентрична – центромера розташована дуже близько до одного з кінців хромосоми; 4/ телоцентрична – центромера розташована на кінці хромосоми.