Геномната селекция започва да се използва в свиневъдството в Европа и Америка. Неговите технологии позволяват да се дешифрира генотипът на прасетата още при раждането им и да се изберат най-добрите животни за разплод. Тази най-нова технология е предназначена да увеличи допълнително точността на селекцията и надеждността на разплодната стойност на свинете.
Предшественикът на геномната селекция е маркерната селекция.
Изборът на маркер е използването на маркери за маркиране на гени за количествен признак, което прави възможно определянето на наличието или отсъствието на определени гени (генни алели) в генома.
Генът е участък от ДНК, специфична последователност от нуклеотиди, която кодира информация за синтеза на една протеинова молекула (или РНК) и в резултат на това осигурява формирането на всяка черта и нейното предаване по наследство.
Гените, които са представени в популацията в няколко форми - алели - са полиморфни гени. Генните алели се делят на доминантни и рецесивни. Генният полиморфизъм осигурява разнообразие от черти в рамките на един вид.
Само някои черти обаче са под контрола на отделните гени (например цвета на косата). Показателите за производителност, като правило, са количествени характеристики, за развитието и проявата на които са отговорни много гени. Някои от тези гени може да имат по-изразен ефект. Такива гени се наричат основни локуси на количествени характеристики (QTL) гени. Локусите на количествените признаци (QTL) са участъци от ДНК, съдържащи гени или свързани с гени, лежащи в основата на количествен признак.
За първи път идеята за използване на маркери в селекцията е теоретично обоснована от А. С. Серебровски още през 20-те години. Маркер (тогава наричан "сигнал"; английският термин "маркер" започва да се използва по-късно) според А. С. Серебровски е алел на ген, който има ясно дефинирано фенотипно проявление, локализиран до друг алел, който определя икономически важния признак се изследва, но няма ясна фенотипна проява; По този начин, чрез селекция за фенотипното проявление на този сигнален алел, има селекция от свързани алели, които определят проявлението на изследваната черта.
Първоначално морфологичните (фенотипни) характеристики са използвани като генетични маркери. Въпреки това, много често количествените признаци имат сложен модел на наследяване, тяхното проявление се определя от условията на околната среда и броят на маркерите, за които се използват фенотипни признаци, е ограничен. Генни продукти (протеини) след това се използват като маркери. Но най-ефективно е да се тества генетичният полиморфизъм не на ниво генни продукти, а директно на генно ниво, тоест да се използват полиморфни ДНК нуклеотидни последователности като маркери.
Обикновено ДНК фрагменти, които лежат близо един до друг на хромозома, се наследяват заедно. Това свойство позволява маркерът да се използва за определяне на точния модел на наследяване на ген, който все още не е точно локализиран.
По този начин маркерите са полиморфни участъци от ДНК с известна позиция в хромозомата, но неизвестни функции, които могат да се използват за идентифициране на други гени. Генетичните маркери трябва да бъдат лесно разпознаваеми, свързани със специфичен локус и силно полиморфни, тъй като хомозиготите не предоставят никаква информация.
Широкото използване на варианти на ДНК полиморфизъм като генетични маркери започва през 1980 г. Молекулярно-генетичните маркери се използват за програми за запазване на генофондите на породите селскостопански животни с тяхна помощ, решават се проблемите на произхода и разпространението на породите, установяват се връзки, картографиране на основните локуси на количествените признаци и изследване на генетичните причини за наследствени заболявания, ускоряване на селекцията по отделни признаци - устойчивост към определени фактори, по продуктивни показатели. В Европа генетичните маркери се използват в свиневъдството от началото на 90-те години. за освобождаване на популацията от гена халотан, който причинява синдром на стрес при прасетата.
Има няколко вида молекулярно-генетични маркери. Доскоро микросателитите бяха много популярни, защото са широко разпространени в генома и имат високо ниво на полиморфизъм. Микросателитите - SSR (Simple Sequence Repeats) или STR (Simple Tandem Repeats) се състоят от ДНК участъци с дължина 2-6 базови двойки, тандемно повтарящи се много пъти. Например американската компания Applied Biosystems е разработила тестова система за генотипиране на 11 микросателита (TGLA227, BM2113, TGLA53, ETH10, SPS115, TGLA126, TGLA122, INRA23, ETH3, ETH225, BM1824). Микросателитите обаче понякога са недостатъчни за фино картографиране на отделни региони на геноми; високата цена на оборудването и реагентите и разработването на автоматизирани методи, използващи SNP чипове, ги изтласкват от практиката.
Много удобен вид генетичен маркер е SNP (единични нуклеотидни полиморфизми) - snip или единичен нуклеотиден полиморфизъм- Това са разлики в ДНК последователността на един нуклеотид по размер в генома на представители на един и същи вид или между хомоложни области на хомоложни хромозоми на индивид. SNP са точкови мутации, които могат да възникнат в резултат на спонтанни мутации и действието на мутагени. Разлика дори от една базова двойка може да причини промяна в черта. SNP са широко разпространени в генома (при хората има около 1 SNP на 1000 базови двойки). Геномът на прасето има милиони точкови мутации. Никой друг тип геномна разлика не е в състояние да осигури такава плътност на маркера. В допълнение, SNP имат ниска скорост на мутация на поколение (~ 10-8) за разлика от микросателитите, което ги прави удобни маркери за популационен генетичен анализ. Основното предимство на SNP е възможността за използване на автоматични методи за тяхното откриване, например използването на ДНК шаблони.
За да увеличат броя на SNP маркерите, редица чуждестранни компании наскоро обединиха усилията си, създавайки единна база данни, за да могат чрез тестване на голям брой животни, тествани за продуктивност за полиморфизъм, да идентифицират наличието на връзки между известни точки мутации и продуктивност.
Понастоящем са идентифицирани голям брой полиморфни генни варианти и тяхното взаимно влияние върху продуктивните характеристики на свинете. Някои генетични тестове, използващи маркери, които определят характеристиките на производителността, са публично достъпни и се използват в развъдни програми. Използвайки такива маркери, можете да подобрите някои продуктивни показатели.
Примери за маркери за продуктивност:
- маркери за плодовитост: ESR – ген за естрогенен рецептор, EPOR – ген за еритропоетин рецептор;
- маркери за резистентност към болести – ECR F18 рецепторен ген;
- маркери за ефективност на растежа, месна продуктивност - MC4R, HMGA1, CCKAR, POU1F1.
MC4R - меланокортин 4 рецепторен ген при прасета е локализиран на хромозома 1 (SSC1) q22-q27. Замяната на един нуклеотид A с G води до промяна в аминокиселинния състав на MC4 рецептора. В резултат на това възниква регулиране на секрецията на клетките на мастната тъкан, което води до нарушаване на липидния метаболизъм и пряко засяга процеса на формиране на признаци, характеризиращи угоителните и месни качества на свинете. Алелът А определя бързия растеж и по-голямата дебелина на задната мазнина, докато алелът G е отговорен за ефективността на растежа и голям процент постно месо. Хомозиготните прасета с генотип AA достигат пазарно тегло три дни по-бързо от прасетата, хомозиготни за алела G (GG), но прасетата с генотип GG имат 8% по-малко мазнини и имат по-висока конверсия на храна.
Също така, други гени, които контролират комплекс от свързани физиологични процеси, също влияят върху производителността на месото и угояването. Генът POU1F1, транскрипционен фактор на хипофизата, е регулаторен транскрипционен фактор, който определя експресията на растежен хормон и пролактин. При прасетата локусът POU1F1 е картографиран на хромозома 13. Неговият полиморфизъм се дължи на точкова мутация, водеща до образуването на два алела – C и D. Наличието на алел C в генотипа на прасетата се свързва с повишено среднодневно наддаване на тегло и по-голяма преждевременност.
Маркерите също така позволяват да се тества генотипа на нерезите за полово ограничени черти, които се появяват само при свинете майки. Това е например плодовитостта (броят на прасенцата на опрасване), която глиганът предава на своето потомство. Например, тестването на генотипа на глиган за маркери на естрогенния рецептор (ESR) ще позволи селекцията на тези глигани за разплод, които ще предадат по-високи репродуктивни качества на своите дъщери.
Използвайки резултатите от селекцията на маркера, можете да оцените честотата на поява на желани и нежелани алели за порода или линия и да извършите по-нататъшна селекция, така че всички животни в породата да имат само предпочитани генни алели.
Ориз. 1. Принцип на работа на олигонуклеотидния биочип
ДНК чипът е субстрат с клетки, съдържащи вещество-реагент, отложено върху него. Изследваният материал се маркира с различни етикети (обикновено флуоресцентни багрила) и се нанася върху биочипа. Както е показано на снимката, веществото реагент - олигонуклеотид - свързва само комплементарния фрагмент в изследвания материал - флуоресцентно белязани ДНК фрагменти. В резултат на това се наблюдава блясък на този елемент от биочипа.
През 2009 г. геномът на прасето е дешифриран. Разработен SNP чип ( Опция за ДНК микрочип), съдържащ 60 000 генетични маркера в целия геном. За да се ускорят изследванията, дори бяха създадени специални роботи, които четат SNP. Проба от ДНК на прасе може да бъде тествана за наличието или отсъствието на практически всички важни точкови мутации, които определят характеристиките на производителността. По този начин селекцията на най-добрите животни може да се основава на генетични маркери без измерване на фенотипни параметри.
Този напредък доведе до въвеждането на нова технология - геномна селекция. Геномната селекция тества генома срещу голям брой маркери наведнъж, покриващи целия геном, така че локусите на количествените характеристики (QTL) да са в неравновесие на връзката с поне един маркер. При геномната селекция сканирането на генома се извършва с помощта на чипове (матрици) с 50-60 хиляди SNP (които маркират основните гени на количествени признаци) за идентифициране на еднонуклеотидни полиморфизми по протежение на генома на животното, определяне на генотипове с желаното проявление на набор от продуктивни белези и оценка на развъдната стойност на животното.
Терминът "геномна селекция" е въведен за първи път от Хейли и Вишер през 1998 г. Meuwissen et al през 2001 г. разработиха и представиха методология за аналитична оценка на развъдната стойност, използвайки карта на маркери, покриващи целия геном.
Практическото приложение на геномната селекция започва през 2009 г.
От 2009 г. най-големите компании в САЩ (Cooperative Resources International), Холандия, Германия и Австралия започнаха да въвеждат геномна селекция в програмите за отглеждане на говеда. Бикове от различни породи са генотипирани за повече от 50 000 SNP.
Hypor е първият, който обяви пълна пазарна програма за геномна селекция, което ще повиши точността на селекцията в свиневъдството. През юни 2012 г. в медиите беше обявено, че Hypor може да предложи на своите клиенти селекционирани животни с геномна развъдна стойност.
Генетичната компания Hypor започна да използва геномна селекция през 2010 г., работейки в тясно сътрудничество с Центъра за изследвания и нови технологии на Hendrix Genetics Group. Hendrix Genetics тества над 60 000 SNP маркера и използва тази информация за ДНК изследвания. Геномният индекс на генетичния потенциал на свинете се изчислява след анализ на 60 000 генни маркера (SNP) за животното. На теория, ако има достатъчно генетични маркери, които да покрият цялата ДНК на прасето (нейния геном), е възможно да се опишат всички генетични вариации за всички измерени черти. Подготвя се съвременен математико-генетичен софтуер за обработка на данни.
Генетичната компания Hendrix Genetics разполага с голяма биобанка - в нея се съхраняват кръвни и тъканни проби от разплодни животни от няколко ферми и поколения за ДНК изследвания (установяване на генетичната стойност на животните) и анализ на генотипа на животните. Hypor провежда ДНК тестове на свине в своите развъдници повече от две години. Всички проби от различни развъдници, разположени в различни страни, се изпращат за обработка в новата централна генетична лаборатория Gendrix в Ploufragan (Франция). Жерар Алберс, директор на Центъра за изследвания и нови технологии, подчертава: „Геномната лаборатория е ценен актив, споделян от всички генетични компании в рамките на Hendrix Genetics и е наистина уникален в свиневъдната индустрия.“
Геномната селекция е мощен инструмент за бъдеща употреба. Понастоящем ефективността на геномната селекция е ограничена от различното естество на взаимодействието между локусите на количествените признаци, променливостта на количествените признаци при различните породи и влиянието на факторите на околната среда върху проявата на признаците. Но резултатите от изследванията в много страни потвърдиха, че използването на статистически методи във връзка с геномно сканиране повишава надеждността на прогнозата за разплодна стойност.
Селекцията на прасета с помощта на статистически методи за някои показатели (например устойчивост на болести, качество на месото, плодовитост) се характеризира с ниска ефективност. Това се случва поради следните фактори:
- ниска наследственост на чертите,
- голямо влияние върху този знак на факторите на околната среда,
- поради проява, ограничена от пола,
- прояви на знак само под въздействието на определени фактори,
- когато проявата на симптом настъпва сравнително късно,
- защото характеристиките са трудни за измерване (например здравни характеристики),
- наличието на скрити знаци на носителя.
Например, такъв дефект при прасетата като чувствителност към стрес е трудно да се диагностицира и се проявява в повишена смъртност на прасенца под въздействието на стрес (транспортиране и др.) И влошаване на качеството на месото. ДНК тестването с помощта на генни маркери позволява да се идентифицират всички носители на този дефект, включително скрити, и да се извърши селекция, като се има предвид това.
За да се оценят показателите за продуктивност, които са трудни за прогнозиране с помощта на статистически методи, за по-надеждна оценка е необходим анализ на потомството, тоест е необходимо да се изчака потомството и да се анализира неговата разплодна стойност. А използването на ДНК маркери дава възможност да се анализира генотипът веднага при раждането, без да се чака проявата на черта или появата на потомство, което значително ускорява селекцията.
Индексната оценка на животните се извършва по екстериорни и продуктивни качества (скорозрелост на прасенца и др.). И в двата случая се използват фенотипни показатели, следователно, за да се използват тези черти в изчисленията, е необходимо да се знае техният коефициент на наследственост. Но дори и в този случай ще имаме работа с вероятността за генетична основа за всяка черта, средните показатели на нейните предци и потомци (няма начин да се определи кои гени е наследило младо животно: по-добро или по-лошо от това средно аритметично). С помощта на генотипния анализ е възможно точно да се установи фактът на наследяване на определени гени още при раждането и да се оценят генотипите директно, а не чрез фенотипни прояви.
Въпреки това, ако прасетата са селектирани по признаци, характеризиращи се с висока наследственост, като например лесно измерим брой на зърната, геномната селекция няма да осигури значителни ползи.
Селекцията на маркер не отрича традиционните подходи за определяне на развъдната стойност. Технологиите за статистически анализ и геномна селекция се допълват взаимно. Използването на генетични маркери ни позволява да ускорим процеса на селекция на животни, а индексните методи ни позволяват да оценим по-точно ефективността на тази селекция.
Геномната селекция е възможност за прецизно производство на свине. Използването на технологии за геномна селекция ще направи възможно производството на разнообразни месни продукти, които отговарят на изискванията на потребителите.
Публикуването на материали от този сайт е разрешено само ако е посочена хипервръзка към източника на информация!
ген- структурна и функционална единица на наследствеността на живите организми. Генът е част от ДНК, която определя последователността на специфичен полипептид или функционална РНК.
Пептиди- семейство вещества, чиито молекули са изградени от два или повече аминокиселинни остатъка, свързани във верига чрез пептидни (амидни) връзки -C(O)NH-. Обикновено се отнася до пептиди, състоящи се от аминокиселини. Пептиди, чиято последователност е по-къса от около 10-20 аминокиселинни остатъка, могат също да бъдат наречени олигопептиди, с по-голяма дължина на последователността се наричат полипептиди.
протеиниобикновено наричани полипептиди, съдържащи приблизително 50 аминокиселинни остатъка.
Геном- съвкупността от наследствен материал, съдържащ се в клетката на даден организъм. Геномът съдържа биологичната информация, необходима за изграждането и поддържането на един организъм. Повечето геноми, включително човешкия геном и геномите на всички други клетъчни форми на живот, са изградени от ДНК, но някои вируси имат геноми, направени от РНК. При хората (Homo sapiens) геномът се състои от 23 двойки хромозоми, разположени в ядрото, както и митохондриална ДНК. Двадесет и две автозоми, две полови хромозоми X и Y и човешка митохондриална ДНК заедно съдържат приблизително 3,1 милиарда базови двойки.
Заедно с факторите на околната среда геномът определя фенотиптяло.
Генотип- съвкупност от гени на даден организъм, която характеризира индивида. Терминът "генотип", заедно с термините "ген" и "фенотип", е въведен от генетикът В. Л. Йохансен през 1909 г. в неговия труд "Елементи на точното изследване на наследствеността". Обикновено за генотип се говори в контекста на конкретен ген; при полиплоидните индивиди той означава комбинация от алели на даден ген. Повечето гени се появяват във фенотипа на даден организъм, но фенотипът и генотипът се различават в следните отношения:
- Според източника на информация (генотипът се определя чрез изследване на ДНК на индивида, фенотипът се записва чрез наблюдение на външния вид на организма)
- Генотипът не винаги съответства на един и същ фенотип. Някои гени се появяват във фенотип само при определени условия. От друга страна, някои фенотипове, например цвят на козината на животните, са резултат от взаимодействието на няколко гена според вида на комплементарността
Алели- различни форми на един и същи ген, разположени в едни и същи региони (локуси) на хомоложни хромозоми и определящи алтернативни възможности за развитие на една и съща черта. В диплоиден организъм може да има два идентични алела на един и същ ген, в който случай организмът се нарича хомозиготен, или два различни алела, което води до хетерозиготен организъм. Терминът "алел" също е предложен от V. Johansen (1909).
Локус- в генетиката означава местоположението на специфичен ген върху генетичната или цитологичната карта на хромозомата. Вариант на ДНК последователността в даден локус се нарича алел. Извиква се подреден списък от локуси за геном генетична карта.
Генно картографиранее определянето на локус за специфичен биологичен признак.
Хромозоми- нуклеопротеинови структури в ядрото на еукариотната клетка, в които е концентрирана по-голямата част от наследствената информация и които са предназначени за нейното съхранение, внедряване и предаване. Хромозомите са ясно видими в светлинен микроскоп само по време на митотично или мейотично клетъчно делене. Наборът от всички хромозоми на една клетка, наречен кариотип, е специфичен за вида характер, характеризиращ се с относително ниско ниво на индивидуална променливост.
Първоначално терминът беше предложен да се отнася до структури, открити в еукариотни клетки, но през последните десетилетия все повече се говори за бактериални или вирусни хромозоми. Следователно по-широко определение е това на хромозомата като структура, която съдържа нуклеинова киселина и чиято функция е да съхранява, прилага и предава наследствена информация. Еукариотните хромозоми са ДНК-съдържащи структури в ядрото, митохондриите и пластидите. Прокариотните хромозоми са ДНК-съдържащи структури в клетка без ядро.
Вирусни хромозомие ДНК или РНК молекула, съдържаща се в капсид.
Метод за генно картографиране, който използва семейни изследвания, за да определи връзката между два гена, докато се предават от едно поколение на следващо. За да решим дали два локуса са свързани и ако е така, колко силно, ние разчитаме на два вида информация.
Първо установяваме дали отклонението е значително честота на рекомбинация Qмежду два локуса от 0,5; определянето на връзката между два локуса е еквивалентно на определянето дали делът на рекомбинация между тях се различава от 0,5, очакван за несвързани локуси.
Второ, ако дялът рекомбинациипо-малко от 0,5, трябва да се оцени възможно най-добре, тъй като това ще покаже колко тясно свързани са локусите. И в двата случая се използва статистическият метод на съотношението на вероятността. Вероятността е мярка за вероятността, шансовете са коефициенти на вероятност. Коефициентите на вероятност се изчисляват, както следва.
Проучване действителни семейни данни, пребройте броя на децата с рекомбинация между локусите и накрая изчислете вероятността (вероятността) на наблюдаваната Q стойност в диапазона от 0 до 0,5. След това се изчислява втора вероятност въз основа на хипотезата, че двата локуса не са свързани, т.е. Q=0,50. Ние считаме съотношението на вероятността на стойностите Q, наблюдавани в семейните данни, и вероятността зависи от липсата на връзка между локусите и по този начин получаваме съотношението на шансовете:
1) Вероятност за данни, ако локусите са свързани с определен коефициент Q
2) Вероятност за данни, ако локусите не са свързани (Q = 0)
Изчислени коефициенти на шансовеза Q стойностите обикновено се изразяват под формата на десетични логаритми и се наричат LOD резултат (Z) на логаритмите на шансовете. (Използването на логаритми позволява данните, получени от различни семейства, да бъдат комбинирани чрез просто събиране).
Анализ на връзката на менделските болести въз основа на модели (прототипи)
Анализът на връзката се нарича модел (или параметричен), ако се приеме, че има специфичен начин на унаследяване (автозомно доминантно, автозомно рецесивно или Х-свързано), което обяснява унаследяването на черта.
Анализът на оценката на LOD позволява картографиране на гени, чиито мутации причиняват болести, предавани по Мендел.
LOD оценкадава:
- най-добрата оценка на честотата на рекомбинация (Qmax) между локуса на маркера и локуса на заболяването;
- оценка на това колко добре свързването се потвърждава от тази стойност на Qmax. LOD резултати по-големи от 3 се считат за надеждно потвърждение.
Съединител на коласъс специфична Qmax стойност на локус на ген на болестта и маркер с известна физическа позиция предполага, че локусът на ген на болестта трябва да бъде разположен близо до маркера.
Поведение шансовеважно в два смисъла. Първо, той осигурява статистически валиден метод за използване на семейни данни при оценяване на скоростите на рекомбинация между локусите. Въпросът е, че статистическата теория казва, че количеството, което дава най-голямата Z стойност, всъщност е най-добрата оценка на фракцията на рекомбинация, която може да бъде направена въз основа на наличните данни. Тази стойност се нарича Qmax. Ако Q е различно от 0,50, имаме доказателство за връзка.
Въпреки това, въпреки че Qмакс- най-добра оценка Q, колко добра е тя? Коефициентът на шансове също отговаря на този въпрос, тъй като колкото по-висока е стойността на хема Z, толкова по-добра е оценката на Qmax. Положителните Z стойности (коефициенти >1) за даден Q показват, че двата локуса са свързани, докато отрицателните стойности (коефициенти<1), предполагают, что сцепление менее вероятно, чем возможность, что два локуса не сцеплены.
Генно картографиранеАнализът на връзката предоставя възможност за локализиране на медицински важни гени въз основа на унаследяването на болестта и унаследяването на алели в полиморфни маркери, ако локусът на заболяването и локусът на полиморфния маркер са свързани. Да се върнем към семейството, показано на снимката. Майката има автозомно-доминантна форма на пигментен ретинит. Има десетки други форми на това заболяване, много от които са картографирани на специфични места в генома и за които са известни гените.
Ние незнаем, койтоот формите на пигментния ретинит, които майката има. Тя също е хетерозиготна за два локуса на хромозома 7 (един в 7p14 и един в дисталния край на дългата ръка). Може да се види, че в това семейство предаването на мутантния алел (D) неизменно „следва“ алела B в маркерен локус 2 от първото поколение към второто. И трите засегнати потомци (които очевидно са наследили майчиния мутант D алел в RP локуса) също са наследили B алела в маркерен локус 2. Всички потомци, които са наследили майчиния нормален d алел, са наследили b алела и нямат пигментен ретинит. В същото време генът на пигментния ретинит не е склонен да следва алела в маркерен локус 1.
Вероятно ще получим Q като " вярно» пропорцията на рекомбинация между локуса на пигментния ретинит и локуса 2, ако имаме неограничен брой потомци. От тази гледна точка Q може да се разглежда като вероятността да настъпи рекомбинация между два локуса във всяка мейоза. Тъй като рекомбинацията или възниква, или не, вероятността за рекомбинация, равна на Q, и вероятността за липса на рекомбинация трябва да се съберат до единица. Следователно вероятността да не настъпи рекомбинация е Q-1. Всъщност има само шест потомци без рекомбинация.
Тъй като всички мейозае независим случай, ние умножаваме вероятностите за рекомбинация (Q) или липса на рекомбинация (Q-1) за всяко дете. Вероятността да не се наблюдават деца с рекомбинация и шест без рекомбинация между ретинит пигментоза и локус маркер 2 е следователно равна на Q°x(1-Q)6. Оценката на LOD между локусите на пигментния ретинит и маркер 2 е:
Максимум Стойността на Z е 1,81, възникваща, когато Q=0, и предполага, но не със сигурност, наличието на връзка, тъй като Z стойността е положителна, но по-малка от 3.
Комбиниране на информация за LOD оценка от различни семейства
По същия начин всички мейозав семейство, произвеждащо нерекомбинантно или рекомбинантно потомство, е независим случай, а мейозите, възникващи в други семейства, също са независими. Следователно можем да умножим вероятностите в числителя и знаменателя на коефициентите на вероятност на отделните семейства. Подобно, но по-удобно изчисление е да се добавят десетичните логаритми (log10) на всички изчислени коефициенти на вероятност, образувайки общ Z-резултат за всички семейства.
Родословие на наследяване на пигментния ретинит
В случай на пигментирани ретинитНа фигурата да предположим, че са изследвани две други семейства и в едното не е открита рекомбинация между локус 2 и ретинит пигментоза при четири деца, а в третото няма рекомбинация при пет деца. Индивидуалните LOD резултати бяха изчислени за всяко семейство и след това добавени заедно. В този случай можем да кажем, че генът на пигментния ретинит в тази група семейства е свързан с локус 2.
Тъй като хромозомната позиция полиморфен локус 2 е известен- 7p14, ретинит пигментоза в това семейство може да се картографира към региона около 7p14, близо до локуса RP9, вече идентифициран за една форма на автозомно доминантен ретинит пигментоза.
генен локус- geno lokusas statusas T sritis augalininkystė apibrėžtis Geno vieta chromosomoje. атитикменйс: англ. генен локус рус. генен локус... Žemės ūkio augalų selekcijos ir sėklininkystės terminų žodynas
Този термин има други значения, вижте Локус (значения). Схематично представяне на хромозома: (1) Хроматид, една от двете идентични части на хромозома след S фаза. (2) Центромера, мястото, където хроматидите се съединяват... Уикипедия
Локус(и)- * локус(и) * локус(и) 1. Местоположението на специфичен ген (неговите специфични алели) върху хромозома или в сегмент от геномна ДНК. 2. Местоположението на дадена мутация или ген върху генетичната карта. Често се използва вместо термините „мутация“... ... Генетика. енциклопедичен речник
Локус: Локусът в биологията означава фиксирана позиция (локализация) върху хромозома, като например позицията на ген. Locus е американско месечно списание с подзаглавие „Списание за жанровете научна фантастика и фентъзи“. Литературна награда "Локус" ... Уикипедия
- (лат. locus) местоположението на определен ген върху генетичната карта на хромозома... Голям енциклопедичен речник
- (от лат. locus място), местоположението на определен ген (неговите алели) върху генетичния. или цитологичен хромозомна карта. Понякога терминът "L." неоснователно се използва като синоним на термина „ген“. .(Източник: “Биологичен енциклопедичен речник.” Гл.... ... Биологичен енциклопедичен речник
ЛЕКЦИЯ 1. Класическа и молекулярна генетика. Основни понятия: белег, фенотип, генотип, ген, локус, алел, хомозигота, хетерозигота, хемизигота.
ICG SB RAS и FEN NSU, Новосибирск, 2012 г.
1.1. Класическа и молекулярна генетика
Днешната лекция е уводна; по-късно ще преминем към подробности. Както при почти всяка наука, границите на генетиката са доста трудни за очертаване и едно много общо определение „ генетика - наука за наследствеността- не особено плодотворно. Жимулев например каза, че сега генетиката присъства навсякъде – в медицината, криминологията, теорията за еволюцията, археологията, а в самата генетика дори нуклеиновите киселини са почти невидими – изцяло протеинови взаимодействия. Така той всъщност постави знак за равенство между генетиката и цялата съвременна биология. От друга страна, приблизително през първите две трети от двадесети век генетиката е може би най-изолираната и ясно дефинирана област на биологията, отличаваща се предимно със своята синтетична методология, за разлика от аналитичната методология на други клонове на биологията . За да разбере за структурата на своя обект, тя не го раздели на части, а прецени частите косвено, като наблюдаваше цялото (а именно, като наблюдаваше поведението на чертите в кръстоски) и разчитайки на математиката, и беше убедена в коректност на нейните заключения чрез получаване на живи организми с предвидени свойства. Така генетиката от самото си начало има способността да създава нещо ново, а не просто да описва наблюдаваното. В същото време, през втората половина на ХХ век, молекулярната биология се развива бързо - наука, която първоначално е чисто аналитична, разделяща се на части. Въпреки това, неговият напредък е извършен до голяма степен чрез генетични методи - само не забравяйте, че генетичният код е установен в експериментите на Бензер и Крик с помощта на мутации в бактериофагите. В този случай обаче е използвана генетиката на микроорганизмите и прогресът на „класическата“ генетика винаги е бил свързан с генетиката на еукариотите.
В резултат на това молекулярната биология е придобила почти изчерпателни познания за това от какво и как е изграден живият организъм. Предметите на молекулярната биология и генетиката се припокриват по много начини: и двамата изучават предаването и прилагането на наследствена информация (а живият организъм е прилагането на наследствена информация), но те се насочиха към разбиране на този предмет от противоположни страни - генетика “ отвън”, молекулярна биология „отвътре” "
През последната третина на ХХ век молекулярната биология и генетиката, така да се каже, се срещат, включително и в изучаването на еукариотите. Спекулативните обекти на генетиката се превърнаха в напълно конкретни физични и химични обекти с известна структура, а молекулярната биология се превърна в синтетична наука, способна да въздейства по желание дори на по-висши многоклетъчни организми - вземете например генетичната модификация. Тук границите на генетиката като наука са изтрити до степен на неразличимост – станало е невъзможно да се каже къде свършва молекулярната биология и започва генетиката. Нещо повече, терминът "молекулярна генетика" се появи за обозначаване на получената синтетична наука, в резултат на което стана неясно какво точно остава в генетиката отвъд последната. Предмолекулярната генетика, с всичките й подходи, основани на кръстосване и теория на вероятностите, получи почетното заглавие „класическа генетика“. От друга страна, с тази титла тя беше изпратена като че ли в почетна пенсия. Може да се припомни, че Уотсън и Крик отказаха да обсъдят техния модел на структурата на ДНК в своя документ в Nature, тъй като последиците бяха твърде големи и очевидни. В един момент може да изглежда, че цялата генетика произтича от този модел.
Получава се парадоксална ситуация. Всички курсове по генетика започват с историята на тази наука. Разглежда как Мендел е работил с грах, какво е получил и как го е интерпретирал въз основа на знанията, които е имал, след това как Морган и неговото училище са работили с плодови мушици, какво са получили и как са го интерпретирали. Невъзможно е да пропуснем и двете теми - Мендел ни дава пример за човек, който се развива от нулата и брилянтно прилага генетична методология, базирана на математиката, а школата на Морган през първите три десетилетия на ХХ век развива хромозомната теория за наследственост и почти цялата класическа генетика. Освен това курсовете по генетика могат да бъдат разделени на два големи класа. Някои изучават в детайли цялата история и вътрешната логика на развитието на тази наука, демонстрирайки както силата на нейната методология, така и възможностите на човешкия ум за спекулативно проникване в дълбините на нещата. Други курсове, бързо прескачащи този исторически период, преминават към молекулярната генетика и там разглеждат това, което в момента се знае за структурата и функционирането на гените. Всъщност и двата типа курсове поставят класическата генетика в миналото и се различават само в детайлите на ретроспекцията. Оказва се, че класическата генетика има само историческо значение. Въпреки това, неговата мощна методология не е изчезнала и е необходима за много широк спектър от изследвания. Ако разгледаме статии, които имат доста молекулярно-биологични заглавия и са публикувани в най-добрите списания, ще видим, че всички те се основават на обширен материал относно стотици индивидуални мутации и техните комбинации, като се вземе предвид връзката между природата на мутациите и фенотипа, който причиняват. Това важи както за Drosophila или мишки, за които са събрани огромни генетични колекции и са създадени специални лабораторни линии (някои преди около сто години, други наскоро), така и за хората, където огромно количество медико-генетични - по същество Натрупани са популационни - генетични - данни, свързани с наследствени заболявания. И колкото по-богат е този арсенал от знания и модели на организми, толкова по-елегантна е работата. Всички тези повече от сериозни изследвания са невъзможни без едновременното овладяване на методологията на класическата и молекулярната генетика. Затова е най-добре тези „две генетики“ да се изучават паралелно, колкото и трудно да е организирането.
В съвременната наука също могат да се видят примери как пренебрегването на „остарялата“ класическа генетика води до странности. Например, група европейски учени трябваше да получат хетерозигота за транслокация в грах. (Сега говоря въз основа на това, че имате някаква представа за какво говорим. Ако нямате, няма значение, ще разгледаме всичко това в почти твърде много подробности; засега ние говорят за необходимостта от генетични знания). Те са го получили чрез сливане на протопласти от родителските линии. Възстановяването от клетъчна култура при граха е изключително трудно; това е изключително трудоемък процес. Защо направиха това? Явно са смятали, че носителите на транслокацията не се кръстосват с обикновения грах! Всъщност възникват проблеми с възпроизводството при кръстосване на родители, които се различават по транслокация, но само в следващото поколение и се състоят в загуба само на половината от плодовитостта.
Но тези учени поне се нуждаеха от хетерозигота. Междувременно общото очарование от молекулярната биология и презрение към класическата генетика води до факта, че съществуването на хетерозиготи - тоест, че при еукариотите всеки ген е представен в две копия, които могат да се различават или могат да бъдат идентични - често се забравя напълно. Например, получих статия от немски автори за преглед, в която те директно разчитат определена некодираща ДНК последователност от 38 индивида водни кончета, уловени в различни региони (Западна Европа, Западен Сибир, Япония и Северна Америка) и откриват 20 варианта на то. Беше написано така, сякаш във всеки индивид е открит само един вариант. Въпреки това, ако променливостта наистина е толкова висока, колкото твърдят, тогава вероятността в тяхната извадка да има поне един индивид, при който и двете копия на тази последователност са еднакви, не е много различна от нула. И това изобщо не беше обсъждано. След прегледа те написаха, че хетерозиготността е подозирана в пет случая. Ако наистина са само пет, тогава те са имали в ръцете си удивителния феномен на трансформацията на хетерозиготи в хомозиготи чрез все още неизвестни механизми, но те като че ли дори не са разбрали това.
В наши дни реконструкциите на филогенеза, базирани на определени ДНК последователности, са широко разпространени. Така че много често се правят опити да се прецени въз основа на времето на дивергенция между популациите дали тези популации принадлежат към един и същ биологичен вид или към различни. (Имайте предвид, че се оценява времето на дивергенция, тъй като изследваните гени, чиято променливост е повече или по-малко постоянна във времето, със сигурност не са гените, с които промените във видообразуването могат да бъдат свързани). Междувременно времето на дивергенция обикновено няма много общо с този проблем - моментите на придобиване на репродуктивна изолация от определена местна популация, тоест моментите на видообразуване, се случват при определени условия и обикновено не отнемат много време от палеонтологична точка на изглед (десетки до стотици хиляди години), след това как популациите могат да се различават за дълги периоди от време без видообразуване. Въпросът е именно да се установи дали има репродуктивна изолация между популациите (поне потенциална). За да направите това, трябва да видите дали има обмен на гени между тях (ако това е физически възможно) или не. Тук е много важно да се установи дали хетерозиготи за алелите, характерни за всеки от тях, присъстват на кръстовището на популациите и каква е тяхната честота. Но почти никой не прави това и дали популациите принадлежат към един и същи или различни видове се съди по нивото на разликите между тях, сравнявайки ги с разликите в онези случаи, които се считат за несъмнени.
Като цяло, ако един отделен организъм (да кажем като представител на своя вид) може да бъде изследван с помощта на методите на молекулярната генетика, то щом говорим за много организми, тоест възниква популационен генетичен проблем - и такъв проблем възниква доста често, например в популационната биология и селекцията - Тук не можем без подходите на класическата генетика. Класическата генетика е незаменима във всичко, което се отнася до индивидуалните различия и характеристиките на много индивиди от един и същи вид. Именно това е неговият елемент и именно в това често се оказват безпомощни онези съвременни учени, които са заменили класическото генетично образование с молекулярна биология.
Въз основа на гореизложеното виждам задачата си да представя класическата генетика не толкова в исторически аспект, следвайки великите учени от миналото, а по-скоро въз основа на сегашното състояние на науката, в частност - без да се абстрахирам от знанията, които имате вече получени в курсове по молекулярна биология и цитология. В същото време някои модели, открити като чисто емпирични на ниво организми, придобиват напълно естествена интерпретация на ниво молекули и изглеждат почти тривиални. В същото време човек трябва да има ясно разбиране за самите тези модели, тъй като те са тези, които трябва да се използват на ниво организми. В известен смисъл такъв курс по генетика се смята за един вид "демонстрация на трикове с разкрития" - където и самият трик, и неговият произход са еднакво "медицински факти". Такъв курс би бил предназначен да преподава много продуктивна методология: слизане от черта към гени и чрез разбиране на механизма на тяхното действие, връщане обратно към синтеза на нови черти.
Както вече разбирате, в момента съдържанието на генетиката е огромно и разнородно, така че времето, което ни е отделено, едва ли ще бъде достатъчно дори за кратко въведение. Това ни принуждава да оставим зад кулисите историята на генетиката като самостоятелна тема, на която трябва да се посвети специален курс.
За съжаление идеалът за изучаване на генетиката, очертан по-горе на настоящия етап - от черта до ген и обратно - не съответства на нито един наличен учебник, най-вероятно защото тази наука сега се развива твърде бързо. Като някаква компенсация за това обстоятелство ще се опитам да публикувам скромните си лекции на собствения си уебсайт, където ще бъдат достъпни за тези, на които предоставям адреса им - тоест вие. Бих препоръчал да използвате като основа учебника на Вечтомов „Генетика с основите на селекцията“. Известен е и учебникът на академик Игор Федорович Жимулев „Обща и молекулярна генетика“, в който основният акцент е върху молекулярната генетика и Леонид Владимирович го препоръчва като основен учебник. Разбирам, че два основни учебника не е най-удобната ситуация за полагане на изпита. Но допринася за разбирането на темата. Мога да кажа, че аз лично съм тук и като цяло работя в Института по цитология и генетика само защото съм учил курс по генетика от Владимир Александрович Бердников. Това беше най-добрият курс, който съм чувал, и изобщо не отговаряше на нито един учебник, защото V.A. Игор Федорович също превърна своя оригинален курс от лекции в учебник.
Ще се докоснем до основите на генетиката много обстойно, за да ги усетим добре. Ще започнем от самото начало, въпреки че най-основните основи на генетиката се изучават в училище, за да не дай си Боже да пропуснем нещо просто, но важно. От друга страна, имам работа със студенти, които вече са взели курс по молекулярна биология и в момента изучават теорията на вероятностите и математическата статистика, което ми позволява да не се разсейвам твърде много от материалите на тези курсове, които са толкова необходими за изучаване на генетиката. Например, ще предположа, че знаете (или ще научите в подходящия момент) какво е алтернативно снаждане или разпределение на Поасон.
Стандартната логика на представяне на биологията в университетските курсове е да се премине отдолу нагоре, от атоми към молекули и макромолекули, след това към структурите на клетката, към живота на самата клетка и след това към многоклетъчен организъм. Когато знаем докрай принципите на организация на живота, този ред на представяне се оказва органичен и естествен. Тези принципи включват и механизма на функциониране на нуклеиновите киселини като носител на информация, предимно за различни протеини и функционални РНК (които след откриването на малки РНК се оказаха по-разнообразни, отколкото се смяташе досега), а не само за техните структура, но също и за това кога, къде и колко конкретни РНК или протеини трябва да бъдат синтезирани. Тези процеси отново се контролират с помощта на определени протеини (и често РНК). Съществува каскаден принцип на разгръщане на системи за генетичен контрол - гените кодират протеини (РНК), които са необходими за контролиране на гени, които кодират други протеини (РНК) и т.н. Тъй като почти всичко в тялото е „направено“ от протеини (плюс някои РНК ), се оказва, че всъщност информацията за целия организъм е записана в нуклеиновите киселини - разчитането на тази информация обаче е невъзможно без предварително синтезирани (отново с помощта на ДНК матрицата) протеини, които работят с ДНК.
Този ред на представяне напълно съвпада с реда, в който се е развил самият живот. Първоначално това бяха някои „прости“ (но само в сравнение с това, което по-късно възникна от тях) системи от самовъзпроизвеждащи се макромолекули, очевидно нуклеинови киселини. Тогава се случи да се обградят с фосфолипидна мембрана, която им позволи да изградят свой собствен микрокосмос вътре в нея. Така се появили клетките. Протеините играят все по-важна роля във функционирането на тези първи живи същества, но контролът остава изцяло на нуклеиновите киселини. Клетките станаха по-сложни и се научиха да се делят все по-правилно. След разделянето те понякога не се разпръскват, образувайки колонии. Тези колонии са изправени пред все по-сложни проблеми поради техния размер и форма - всички клетки в колонията трябва да бъдат снабдени с всичко необходимо за живот. Разрешаването на тези проблеми се постига чрез определена структура на колониите и разделение на труда между съставните им клетки. Простите колонии се превърнаха в състояния на клетки, тоест в многоклетъчни организми. Проблемите на тяхното самовъзпроизвеждане като сложни структури също бяха решени и това беше реализирано по такъв начин, че всеки организъм да може да се развие от една клетка чрез разгръщането на сложна генетична програма, която регулира клетъчното делене и взаимодействията между тях.
Този стандартен ред на представяне на биологичното знание обаче отвлича вниманието от начина, по който е получено. А те са получени, докато науката се развива в точно обратната посока – от организми към органи, клетки, макромолекули и атоми. Докато се задълбочаваха във всяко от тези нива, учените можеха само да правят предположения за това как работи по-дълбокото ниво. Някога най-много, което можеха да направят, беше да отворят тялото, да погледнат органите и да познаят как работят. Когато клетките бяха открити, първоначално се смяташе, че са пълни с празнота. Тогава те откриват протоплазмата, но първоначално я виждат само като вискозна течност, която обаче по някакъв мистериозен начин съдържа есенцията на живота. Открити са ядрото и органелите на клетката. Открихме багрила, които ги оцветяват по различен начин и по този начин се доближихме до химическия им състав. В края на деветнадесети век. откриха нуклеинови киселини и установиха приблизителния им химичен състав, но специфичната им структура дълго време оставаше загадка, чието решение изглеждаше толкова блестящо. Това е мястото, където гмуркането в дълбините на биологията вероятно спря. Настъпи периодът на натрупване на подробности на това дълбоко молекулярно ниво. Имаше необичайно много подробности. Сега преживяваме период, когато този огромен брой детайли започват да се комбинират в някаква последователна картина - модел на структурата на живия организъм. Освен това този модел е толкова сложен, че не може да бъде напълно възприет от човешкото съзнание, така че не само изграждането му, но и визуалното му описание и използване е невъзможно без съвременни компютри. Въпреки това, до края на ХХ век. бяха открити всички основни принципи на биологията. Класическата генетика, с помощта на няколко талантливи учени, се разви почти изцяло през първите три десетилетия на двадесети век като последователна и логична наука.
Класическата генетика е точно ярък пример за движението на изследователя от макро ниво към микро ниво. Той реконструира дизайна на системата от нейното поведение, подхождайки към нея като към черна кутия. Сякаш извънземни механизми на неизвестно устройство са попаднали в ръцете на учени без никакви схеми или инструкции за тях. Могат да се отбележат две основни характеристики. Първият е удивителната дълбочина на реконструкцията, която тя постигна с липсата на пряка информация за структурата на обекта. Силата на класическия генетичен подход е впечатляваща: занимавайки се само с видими признаци, той направи възможно създаването на представа за разбираеми гени, за тяхното разположение в някои мистериозни линейни носители, за промени в гените и тези носители. Като се започне от модела на наследяване на черти, той беше използван за получаване на представа за структурата на носителите на генетична информация, предаването на тази информация на потомците и нейното превръщане в жива плът. Втората особеност е вече споменатият по-скоро синтетичен, отколкото аналитичен характер на генетичното знание, чиято валидност в самия процес на получаването му веднага се въплъти в създаването на нещо ново - организми с нови характеристики. Достатъчно е да имате добре проучена генетика на няколко моделни обекта, тогава останалите обекти могат да бъдат преценени въз основа на тяхната прилика с тях. Известният афоризъм на Томас Морган „това, което е вярно за мухата, е вярно и за слона“, разбира се, е доста силно преувеличение и ние ще видим това. Въпреки това, този подход (също изразен в така наречения закон на хомоложните серии) все още работи.
Основният метод на класическата генетика е кръстосването. Генетиците стигнаха до повечето от заключенията си, като наблюдаваха поведението на характеристиките на родителите и потомството, а действията на изследователя с всяко ново поколение се определят от резултатите, получени в предишното. Ето защо генетичните изследвания са малко като игра на шах. Изводите, направени от такива изследвания, бяха изключително подробни и, както показа по-нататъшното развитие на науката, правилни. Грегор Мендел в експериментите си с грах в края на 19 век. всъщност постулира съществуването и описва поведението на хромозомите в мейозата, без да има ни най-малка представа за хромозомите. Връзката на гените с хромозомите е установена едва в началото на 20-ти век и почти до средата му е силно подозирано, че протеините са материалният носител на наследствеността. С други думи, ако други клонове на биологията не са се откъснали наистина от описателния подход, то генетиката в нейните модели е далеч по-напред от времето, когато обектите, които изучава, могат да бъдат описани като материални единици. В трагичния период от историята на руската наука, попаднала под идеологическа диктатура през 30-50-те години на миналия век, това даде повод генетиката да бъде обявена за идеалистична псевдонаука и да изхвърли страната ни, която беше на преден план, далеч назад физически унищожавайки най-добрите генетици.
Такава когнитивна сила на класическата генетика като наука, способна да прави правилни изводи за поведението на определени микроструктури на клетка въз основа на поведението на признаците при кръстосвания, дори без да има представа от какво се състоят, се дължи преди всичко на факта, че генетиката включва много математика от различните й клонове. И това обстоятелство дължи съществуването си на факта, че обект на генетиката не е някаква биологична структура, а информация. Информацията може да бъде изучавана независимо от материалния носител, върху който е реализирана. Така в работата си програмистът не се нуждае от знания как точно неговата програма ще бъде въплътена в състояние на кристали в компютърен процесор, въпреки че е наясно, че тя ще бъде реализирана именно на тази физическа основа. Генетиката по същество е биологична информатика. Компютърната наука се наричаше кибернетика. И това беше друга „лъженаука“, която беше преследвана при Сталин и Хрушчов, въпреки всички различия между тях. (За щастие, по това време тя не беше толкова развита като клон на математиката, колкото генетиката като клон на биологията, и в резултат на това бяха нанесени по-малко щети на тази компания).
"Класическа" генетика(понякога се нарича менделски, въпреки че това, което се има предвид, е много по-широко от това, което Мендел открива, и тук прословутата идеологическа стигма „менделизъм-морганизъм“ би била по-подходяща) може да се определи като наука за наследствеността, оперираща с абстрактни елементи на системата за управление на развитието на организма, като се отвличат от материалния си носител и по същество не се нуждаят от него. съответно молекулярна генетикаможе да се определи като науката за молекулярните механизми, лежащи в основата на наследствеността. Надявам се, че е излишно да призовавам да не придаваме голямо значение на тези и подобни формални определения. В реалната научна практика има „двама генетици“, още повече, че между тях няма граница, а самите горни определения само показват общата посока на мисълта...
Известно е обаче, че всяко определение на каквото и да е несъвършено, тъй като нашето мислене не е математическа логика и понятията - това, с което оперира нашето мислене - не могат да бъдат сведени до думи - това, с помощта на което ние, с известни загуби, записваме и отчитаме резултати от мисленето. Понятията могат само разбирам(с различна степен на яснота), наблюдавайки техните взаимодействия с предишни свидетелипонятия върху различни текстове, където понятията са обозначени с думи. Дефиницията е просто най-краткият и ефективен текст, който ви доближава до разбирането, но винаги ще има ситуации, в които която и да е дефиниция не работи (въпреки факта, че концепциите работят). Където е възможно, опитвам се да давам определения, които ми се струват най-сполучливи, без особено да се притеснявам доколко отговарят на предложените по-рано или са оригинални, но не ги приемам прекалено на сериозно и съм много далеч от идеята да ги пиша надолу под диктовка и запомнянето им може да улесни разбирането на темата.
Отначало генетиката се състоеше от самотния подвиг на един-единствен учен, когото нито един съвременник не разбираше и който, благодарение на личния си гений и многостранно образование, сам предложи плодотворна методология и стриктно проведе дълги и обширни експерименти и направи не -очевидно спекулативно предположение. Скоро след преоткриването на генетиката, тоест възникването й като наука за многото, се открива, че факторите на наследствеността са разположени в строго определен ред и на известно разстояние една от друга в няколко линейни структури, броят, отн. размерът и поведението на които съвпадат с броя, относителния размер и поведението на хромозомите в мейозата. Хромозомната теория за наследствеността е формулирана през 1900-1903 г. Американският цитолог Уилям Сетън и немският ембриолог Теодор Бовери и доразвити от известния американски генетик Томас Морган и неговата школа - Мьолер, Стъртевант, Бридес. (За първи път, от 1906 г., те започнаха да провеждат изследвания върху дрозофила и първоначално планираха зайци, но този план не беше пропуснат от финансовия мениджър на техния университет. Чарлз Удуърт беше първият, който култивира дрозофила, той също предположи, че може да стане удобен обект за изследване на наследствеността.) И това важно заключение за местоположението на факторите на наследствеността в хромозомите, получено толкова рано, беше отхвърлено от официалната наука в СССР от края на 1940-те до началото на 1960-те години !
Сравнението на спекулативните генетични карти (относителното местоположение на гените в тези структури) и различните части на хромозомите направи очевидно, че гените са разположени там. Но това не е толкова необходимо за класическата генетика - нейните модели, проверени от резултатите от кръстосванията, поставят гени в един вид „виртуални хромозоми“. Така че до днес за повечето обекти има два вида хромозомни карти: физически карти,показващи точно къде са разположени гените върху хромозомите, видими под микроскоп или върху ДНК молекула, и генетични, или рекомбинационни карти, реконструиране на относителната позиция на гените въз основа на резултатите от кръстосването. Редът на гените в тези два вида карти напълно съвпада, относителните разстояния между тях не винаги са еднакви и за това има доста изчерпателни обяснения, за които ще стане дума по-късно.
Като наука за информацията и контрола, класическата генетика дори има структура, подобна на математиката. Тя се основава изцяло на система от спекулативни априорни понятия, с които се съотнасят наблюдаваните явления (за разлика например от цитологията, чийто концептуален апарат се въвежда въз основа на емпирични факти, видими за окото). За съжаление, в терминологията, съответстваща на тези понятия (а понятията и термините не са едно и също нещо) по време на съществуването на генетиката се е натрупала известна непоследователност, върху която специално ще се спра, за да не се подведете от различни словоупотреби в генетична литература. Разбира се, генетичните понятия се въвеждат на базата на наблюдавани факти. Но основните са въведени по-скоро като спекулативни математически концепции. В генетиката има много понятия и съответни термини. Но те наистина са необходими и веднъж въведени на практика изчерпват темата. В много случаи е достатъчно наблюдаваното явление да се сравни с подходяща концепция и всичко става ясно. Може би един добър тълковен речник на генетичните термини би могъл да служи като учебник по генетика. Педагогически би било по-правилно понятийният апарат и терминологията да се въвеждат според необходимостта от тях. Но няма нищо лошо в въвеждането и обсъждането на основните понятия от самото начало и след това да маркирате местата, където са необходими. Ще приемем, че вече сте запознати с някои понятия, поне от училищен курс, и понякога ги използвате дори преди да ги обсъдите подробно.
1.2. Признаци на организмите. Фенотип и генотип.
Може би най-важната генетична концепция е знак. Генетиката като наука възниква именно в момента, в който Грегор Мендел започва да анализира индивидуалните черти, а не цялата наследственост като цяло. Кажете ми какво е знак? И колко от тях може да има? Черта е всичко, свързано с индивид, стига да има начин по някакъв начин да се регистрира. Височина, тегло, цвят, височина на крясъка, половината от дължината на опашката, добавена към корен квадратен от една трета от дължината на носа, брой косми в брадата, форма на дупката или мравуняка, брой мъже, които гонят един жена, продължителността на времето, през което човек не може да диша под вода, броят на любовниците, които има майката или дъщерята на изследваната субекта. Не се шегувам - сред признаците за носителство на определен вариант на един от допаминовите рецептори има висока честота на признака "израснал без баща" (ясно е, че тук говорихме повече за признака на един от родителите, а не самият субект, който обаче може да е наследил предразположението).
Изборът е огромен, но колкото по-добър, по-мъдър или по-остроумен изберете знак, толкова повече информация ще научите от опита. Ясно е, че не трябва да добавяте корен квадратен от дължината на носа към дължината на опашката, тъй като и двете дължини са с еднакъв размер и в резултат ще получите математическа глупост. Но ако добавим кубичния корен от масата на тялото към дължината на опашката, тогава това има повече смисъл, тъй като масата зависи от куба с линейни размери и като вземем кубичния корен, получаваме стойност, съизмерима с дължината на опашката и като съберем двете посочени стойности, получаваме определена мярка линейни размери.
Лесно е да се разбере, че не всички знаци от тяхното безкрайно разнообразие са еднакво информативни. Някои са еднакво информативни, но не добавят нищо едно към друго. Например, ако вземете две такива характеристики: дължината на десния крак и дължината на левия крак, тогава дори интуитивно е ясно, че въпреки че двата крака могат да се различават леко по дължина, вторият ще добави малко към първия. Да вземем следните характеристики: дължината на левия крак и височината. Какво можем да кажем за тях? Колкото по-голяма е височината, толкова по-голяма е дължината на краката - това е съвсем очевидно. Височината и дължината на крака корелират - не повече, но и не по-малко. И наистина, ако вземем извадка от хора, измерим височината и дължината на краката им и изчислим коефициента на корелация, той ще бъде доста близо до единица и ще бъде много надежден. Но знаем, че хората обикновено са късокраки и дългокраки. И ако вземем височината и съотношението на дължината на краката към височината, получаваме две напълно независими характеристики - линейни размери и дълги крака, които могат да се наследяват независимо.
Сега имаме съотношението на две измерени величини. По правило работата с много характеристики наведнъж изисква правилна статистическа обработка. Не е много удобно да се занимавате с връзки за такава обработка. Но има набор от математически методи, наречени многовариантна статистика(в частност, метод на главния компонентза количествени характеристики), което ни позволява да получим N нови характеристики от всички N характеристики, които сме измерили, които са линейни комбинации от оригиналните (техните суми с различни коефициенти), които няма да корелират една с друга. Това означава, че всеки от тях ще носи независима информация. И ако погледнем как са съставени N от тези нови характеристики, ще видим, че една от тях отразява например линейни размери (това ще включва всички дължини на тялото, ръцете, краката и т.н.), друга – дебелината, третата – неравномерност на дебелината (изпъкналост на талията, ханша и бюста), четвъртата – относителната големина на главата, петата – тъмна кожа и др. Такива признаци са най-информативни и имат различен принос към общата вариативност на обектите, която също може да бъде оценена. Въпреки това, многовариантните методи за анализ не решават проблема с дублирането на признака, тъй като дублирането засяга докладвания относителен принос към общата променливост на новия признак, в който попадат. Този проблем все още не е решен в математическата статистика.
Знаците могат да бъдат много различни, но попадат в два големи класа - качество, или алтернатива, И количествен, или континуум. Една черта е качествена, когато променливостта се проявява в наличието на няколко алтернативни варианта на чертата, т.е. в принадлежността на индивида към определен ясен клас и неговото причисляване към един от класовете е извън съмнение. Например можем да различим два класа човешки индивиди: мъже и жени. Жените също могат да бъдат разделени на няколко алтернативни класа. Да кажем, че едно момиче носи панталон или краката му са облечени в едно цилиндрично парче материя - рокля или пола. Получаваме два класа. Последният случай може да бъде разделен на два класа - носене на рокля или пола. Имаме три класа жени. Жените със сигурност могат да идентифицират много алтернативни класове по отношение на облеклото и да не изпитват ни най-малко затруднения при класифицирането. Класически примери: цветовете на граха са бели или лилави, очите на плодовата муха отново са бели или лилави; смешно, но и двата органа могат да бъдат розови и това е друго състояние на качествена характеристика, отделен клас. В случаите, когато е възможно да се идентифицират качествени (алтернативни) характеристики и индивиди, принадлежащи към различни класове (варианти), редовно се срещат в природата, обичайно е да се говори за полиморфизъм, а самите класове (варианти) на тези характеристики обикновено се наричат морфи, или форми Първоначално това е една и съща дума на гръцки и латински, но значението на втората е твърде двусмислено и е най-добре да се избягва. Етимологично и двете думи означават форма, но като термини те се използват за всякакви характеристики, например тези, свързани с цвета. По-долу са показани две морфи - съответно с жълти и лилави цветове - на високопланинската алтайска теменужка, срещащи се в природата с приблизително еднаква честота.
https://pandia.ru/text/78/138/images/image002_73.jpg" width="283" height="311 src=">.jpg" width="347" height="453 src=">
Тъй като всички сме ходили на училище, можем да подозираме, че белият и лилавият ирис са хомозиготни за някои алели, а лилавият е хетерозиготен за тези алели. Но ние (в частност аз) все още нямаме такава информация и във всеки случай трябва да започнем с посочването на трите цветови морфа.
Споменахме три различни цветови класа за цветята на граха - бяло, лилаво и розово. Но на улица Золотодолинская има ябълкови дървета с лилави венчелистчета. И има ябълкови дървета с розови, леко розови и бели венчелистчета. При карамфилите, които се продават на щандове, ни се струва, че цветът на цветята е индикатор за качество - има червени, бели, розови и бели с червен ръб на венчелистчетата. А развъдчиците на цветя вероятно имат такова разнообразие от карамфили, че характеристиката се превръща в количествена. Можете да вземете спектрофотометър, да извлечете антоцианиновия пигмент от стандартна проба от венчелистчета и да измерите интензитета на лилавия антоцианинов цвят, като го изразите като число. И тогава получаваме количествен признак- Това е знак, който може да се изрази като реално число. Същият знак в различни ситуации може да действа като количествен и качествен. За почти всяка качествена характеристика можете да намерите начин да я измерите и по този начин да я считате за количествена. Напротив, повечето количествени характеристики не могат да се считат за качествени, тъй като стойностите на измервания параметър рядко се групират в ясно разграничими класове.
Човешкият ръст (ако се изключи очевидният нанизъм) е типичен количествен признак. Колко различни височини има за нормален човек? Точно така, невъзможно е да се каже - това е положително реално число и броят на „опциите“ зависи от точността, с която измерваме, и какви физически граници съществуват за тази стойност. Височината на много хора може да се характеризира със средната му стойност. Но ще ни трябват и някои характеристики на неговата променливост. За да направим това, ще трябва да проучим честотното разпределение на количествен признак. Друг пример от учебника: ако вземете много хора, измерите височината им до най-близкия сантиметър и ги подредите според височината, така че хората с еднакъв ръст да стоят в една колона, получаваме следната картина: дължината на колоните образува вид камбановидна извивка. С достатъчно детайлно измерване на височината и броя на хората, то ще възпроизведе добре това, което е добре известно в теорията на вероятностите - нормалноили Гаусово разпределение.
Дисперсия" href="/text/category/dispersiya/" rel="bookmark">дисперсия е средното квадратно отклонение на индивидуалните стойности от средната стойност. Квадратният корен от тази стойност дава стандартно отклонениеразмерността му съвпада с размерността на измерваната стойност и може да служи като мярка за дисперсията на атрибута. Около 70% от всички нормално разпределени обекти, без значение колко измерваме, са в диапазона от стойности от средната стойност минус стандартното отклонение до средната стойност плюс стандартното отклонение. Ако този интервал около средната стойност се удвои, тогава ще има около 90% от обектите, ако се утрои, тогава около 99% от обектите.
Централната гранична теорема на математическата статистика гласи, че разпределението на сумата от голям брой независими случайни променливи се доближава до нормалното разпределение. И почти всяка количествена характеристика се формира под въздействието на голям брой разнопосочни и различни фактори на сила (това важи особено за размера на тялото). Ето защо голяма част от количествените характеристики са подчинени на нормално разпределение.
Това твърдение обаче е вярно само в първо приближение. Както е известно, за да се оцени пригодността на даден модел, е необходимо да се обърне внимание на граничните условия. Нормалното разпределение е симетрично и се дефинира върху целия набор от реални числа, от – до +, въпреки че плътността на вероятността намалява доста бързо, когато се отдалечава от средната стойност. Да се върнем като пример към знака „човешки ръст“. Наистина нямаме твърда горна граница за ръста на човек и независимо какъв рекордьор намерим, никога няма гаранция, че рано или късно няма да се намери по-висок субект. Но има долна граница дори теоретично - в края на краищата височината на човек по дефиниция не може да бъде по-малка от нула. Това означава, че граничните условия не позволяват модела на Гаус за човешки растеж. Освен това, ако вземем много хора, ще открием, че тяхното разпределение на височината е леко асиметрично и изкривено надясно - физическата долна граница при нула се усеща! Какъв модел можем да предложим вместо гаусовия като по-адекватен за количествени характеристики на биологични обекти?
Нека помислим върху това. Чертите се формират по време на индивидуалното развитие на организма, което по същество е много сложна химическа реакция, протичаща под контрола на гени, които в определени моменти осигуряват определени концентрации на определени вещества. Тези концентрации действат като фактори в уравненията на скоростта, които съставляват индивидуалното развитие на реакциите (например уравнението на Михаелис), а стойностите на характеристиките пряко зависят от някои от тези (или дори всички) скорости. Следователно индивидуалните приноси на отделните гени към количествения признак обикновено не се сумират, а се умножават, тоест всеки ген увеличава или намалява стойността на признака с определен фактор. Продуктът на много независими случайни променливи има тенденция логнормално разпределение. В резултат на това реалните разпределения на количествените характеристики на организмите не са нормални, а логнормални. Те наистина са много сходни, но все пак са някак асиметрични - по-нежни вдясно.
https://pandia.ru/text/78/138/images/image007_23.jpg" width="304" height="416 src=">
Нормален (A и B) и джудже (C) грах
Именно тази характеристика - относителната дължина на междувъзлията - е алтернативна характеристика тук, докато растежът на растенията много рядко се държи като истинска алтернативна характеристика.
Има още един конвенционално разграничен клас характеристики, които трябва да имате ясно разбиране. Да вземем такъв знак като броя на процесите на рогата на елен. Най-малките рога са неразклонени. В максималния случай имаме 10 процеса на двата рога. Няма да изпитаме никаква трудност да присвоим този или онзи рог към клас с определен брой процеси и на тази основа можем да мислим, че това е качествена характеристика. Но качеството тук корелира с цяло число, а броят на класовете, както и серията от цели числа, е неограничен (никой не може да гарантира, че рано или късно няма да попаднем на елен с 11 или повече разклонения). Такива знаци се наричат броим; те също се наричат меристичен, което може да бъде объркващо, тъй като това, от което се нуждаем тук, не е да измерваме, а да броим. Всъщност тук има проста закономерност - колкото по-голям е рогът, толкова повече процеси има; просто за да бъде добавена издънка, роговата пъпка трябва да натрупа известно критично нарастване на масата. Така че броят на издънките е просто мярка за размера на рога. В случая с броя на клетките на крилото на водното конче това става още по-очевидно. Получаваме същата мярка при измерване, когато се фокусираме върху част от нейната точност. Представете си, ако броим не издънките на рогата на елена, а космите по младите му рога. Всъщност имаме различни мерки за размер на рога, но с различна стъпка (закръгляване).
Те работят с преброителни характеристики, като използват същите подходи, както с количествените, с някои характеристики на математическата обработка. И би било грешка да се прилагат към тях същите подходи, които се използват за алтернативни характеристики. Например една московска група учени изследва броя на клетките в определени области на крилата на водните кончета. Те изчислиха средния брой клетки, определиха средното и стандартното отклонение и например установиха, че в две различни водни тела тези средни стойности са статистически значимо различни. Те стигнаха до заключението, че популациите в двете езера са генетично различни на основание, че алтернативните черти трябва непременно да се определят от наследствени фактори, един или няколко. Но те оперираха със знака си като количествен! Най-вероятно в един от резервоарите водните кончета са се развили при по-неблагоприятни условия и са имали по-малка площ на крилото, която е побирала по-малко клетки, чийто размер е бил доста стандартизиран в онтогенезата.
И накрая, често се разграничава трети голям клас характеристики - характеристики за класиране. Говорим за тези случаи, когато можем да класираме обектите според принципа „повече” / „по-малко” („по-добре” / „по-лошо”), но нямаме пряка възможност да изразим това качество на превъзходство на някои над други числено. Ситуациите, в които възникват ранговите характеристики, са доста разнообразни. На плаца лесно можем да подредим войниците по ръст, без да измерваме ръста им, по презрамките лесно можем да разпознаем военните звания, знаейки в какъв ред са подредени един спрямо друг. В някои случаи сме принудени субективно да оценяваме определени сложни интегрални параметри, например „силата“ на отделните растения, класифицирайки ги на „силни“, „средни“ и „слаби“.
Любопитно е, че щом имаме рангове, вече имаме грубо числено измерване на атрибута, макар и много приблизително или субективно. По този начин ранговете, бидейки серийни номера, сами по себе си са цели числа. И вече можете да оперирате с тях като с измерими знаци. Въпреки цялата конвенционалност на такова „измерване“, са разработени математически методи, които позволяват да се получат много надеждни заключения въз основа на тях. Освен това дори несъмнените качествени признаци могат да бъдат много приблизително третирани като количествени. Да кажем, че ако имаме четири цветови морфа, тогава можем да ги разглеждаме не като една качествена черта, а като четири количествени черти, всяка от които може да приеме две стойности - 0 (индивидът не принадлежи към тази морфа) и 1 ( индивидът принадлежи към дадена морфа). Опитът показва, че такива изкуствени „количествени характеристики” могат да бъдат успешно обработени.
Както показват примерите с растежа на грах, един и същ признак може да бъде както количествен, така и качествен. Всяко качество, което разграничаваме, винаги може да бъде измерено по някакъв начин (дори да бъдеш мъж и жена може да се измери като съотношението на определени хормони). Изборът как да се работи с даден признак - като стойност на числов параметър или като индикатор за членство в клас - се диктува от характеристиките на конкретна задача. В случай на бимодално разпределение може да бъде полезно да се класифицират всички индивиди в два класа поне като първо приближение, дори ако двете гърбици на разпределението се слеят и не можем недвусмислено да класифицираме индивидите, попадащи между тях, освен чрез формално въвеждане на праг стойност.
И качествените, и количествените белези могат да се наследяват в една или друга степен и затова попадат в полезрението на генетиката. За да анализира количествени и качествени признаци, генетиката използва различни модели. Наследяването на качествените характеристики (именно с тях работи Мендел) е описано от гледна точка на комбинаториката и теорията на вероятностите по по-прост и по-точен начин, с което основно ще се занимаваме. Наследяването на количествените признаци се описва от гледна точка на математическата статистика и се основава главно на анализа на корелациите и разлагането на дисперсионни компоненти. Както беше посочено по-горе, унаследяването на качествени признаци може да се третира и като унаследяване на количествени, което в някои случаи се оказва много плодотворен подход. Надявам се, че ще имаме време да направим кратък преглед на началото на генетиката на количествените признаци. Междувременно малко повече терминология.
Две понятия, не по-малко широки от знака, които обаче не могат да бъдат избегнати: генотипИ фенотип. Самите тези термини, като термина „ ген", въведен през 1909 г. от датския генетик Вилхелм Лудвиг Йохансен. Фенотипът е всичко, което се отнася до характеристиките на въпросните организми, генотипът е всичко, което се отнася до техните гени. Ясно е, че може да има безкраен брой черти и има десетки хиляди гени. Освен това никой не регистрира огромното мнозинство от черти и никой не знае огромното мнозинство от гените. Но фенотипът и генотипът са работещи понятия, чието съдържание във всеки конкретен случай се диктува от генетичен експеримент. Генетичният експеримент обикновено се състои от кръстосване на някого с някой друг, често в продължение на много поколения, и наблюдение на характеристиките на потомството, което може да бъде избрано, кръстосано и т.н., в съответствие с тези характеристики или се взема проба от индивиди от природата , регистрирайте техните характеристики, разберете кои варианти са представени от някои гени и наблюдавайте динамиката на техните честоти. Във всеки случай ние наблюдаваме строго определени черти и гени, често само няколко. И когато говорим за фенотип, имаме предвид стойностите или състоянията на точно тези характеристики, а когато говорим за генотип, тогава наборът от точно тези гени. Има зависимост на първото от второто, но, както ще видим, не най-пряката. Генетиката до голяма степен се крие в изясняването на тази връзка. И само ако самата ДНК последователност се появи като признак, фенотипът съвпада с генотипа.
Едва наскоро стана възможно да се провеждат високотехнологични експерименти за наблюдение на всички известни гени на онези обекти, в които те са известни (например хора) - например наличието или отсъствието на цялата информационна РНК или всички протеини в определена тъкан . Съответните направления се наричат съответно „протеомика” и „транскриптомика”, а съвкупността от всички протеини или информационна РНК, присъстващи в даден обект, съответно – протеом и транскриптом.
1.3. Понятията „ген“, „локус“, „алел“, „ортолог“, „паралог“, „мутация“.
Въз основа на нашето предварително изявление, че в генетиката има много математика, бихме очаквали терминологична строгост в нея. За съжаление, това също е емпирична наука, съществуваща върху огромен и разнороден експериментален материал, направен от много учени с различни специализации (и различно образование!), и това е довело до съществуването на различни терминологични „диалекти“ в генетиката, включително в много важни неща. Нека да преминем към концепция, която може да изглежда централна за генетиката, но която в действителност се оказа твърде неясна за това. Кажи ми какво е ген? Това всъщност е концепция, която е имала много лош късмет, така че сега има множество значения. В класическата генетика генът е наследствен фактор, който влияе върху характеристиките на организма. Някога се е смятало за допълнителна неделима единица на наследствеността. След откриването на структурата на ДНК бързо стана ясно, че много класически гени са участъци от ДНК, които кодират определен протеин, например ензим, който определя наследствена черта. Това беше огромен пробив в науката и на тази вълна първоначално изглеждаше така всичкоГените на класическата генетика са точно това. Разработена е следната формула: „ Един ген - една полипептидна верига" Предложено е в оригиналната формулировка „един ген – един ензим“ през 1941 г. (тоест 12 години преди дешифрирането на структурата на ДНК от Уотсън и Крик) от Джордж Бийдъл и Едуард Тейт (ще намерите портрети на тези и много други учени в учебника), които са работили с щамове на плесени невроспори, които се различават по способността си да извършват определени биохимични реакции и са открили, че всеки ген е отговорен за една специфична биохимична реакция, тоест за определен етап от метаболизма на плесента. За тези творби те получават Нобелова награда през 1948 г. Обърнете внимание, че на този етап генът все още се разбираше доста класически, но бяха проведени активни изследвания, за да се разбере какво представлява той физически. И след откриването на структурата на ДНК, всичко изглежда си дойде на мястото и геномът започна да се нарича участъкът от ДНК, който кодира полипептидната верига.
С течение на времето обаче беше открито, че до кодиращата последователност винаги има регулаторни ДНК последователности, които сами по себе си не кодират нищо, но влияят на включването/изключването и интензивността на транскрипцията на този ген. Вие ги познавате добре: промоторът е мястото за приземяване на РНК полимеразата, операторите са местата за приземяване на регулаторните протеини и подобрители– също местата на приземяване на регулаторни протеини, които подпомагат транскрипцията, но са разположени на известно, понякога значително разстояние от кодиращата последователност, и заглушители– последователности, които предотвратяват транскрипцията и т.н. Понякога те са разположени на стотици и хиляди нуклеотиди (в мащаба на една хромозома това не е толкова много), но все още функционират като цис-фактори (т.е. наблизо), физически разположени наблизо поради определено ДНК оформление. Цялото това оборудване започна да се счита за принадлежащо към ген, който кодира нещо. Така в молекулярната генетика на еукариотите генът е кодиращ регион на ДНК заедно със съседни ДНК региони, които влияят върху неговата транскрипция.
За такъв обект през 1957 г. С. Бенцер предлага уточняващ термин цистрон, което също беше нещастие, тъй като този термин започна да обозначава само кодиращия регион на ДНК (така наречената отворена рамка за четене), а понякога и ДНК региона между промотора и терминатора, от който се чете една молекула РНК. Спомняте си, че при прокариотите, при които молекулярно-генетичните механизми са започнали да се изясняват по-рано, оперонната организация на гените е широко разпространена, когато последователностите, кодиращи няколко полипептидни вериги, имат обща регулация и се четат като част от една иРНК. Това не ни позволява да използваме горното определение на термина „ген“. От друга страна, терминът "цистрон" е малко полезен тук: дефиниран като участък от ДНК, от който се чете една РНК, той ще включва участъци, кодиращи няколко различни протеина, които, от друга страна, някога са се наричали „полицистронен принцип на организация на генетичния материал“. В резултат на това използването на термините „ген“ и „цистрон“ без обяснение (поне за кое царство говорим) в момента е изпълнено с недоразумения.
Моля, имайте предвид, че в молекулярно-биологичното разбиране генът е разделен на части - екзони, интрони, оператори, енхансери и в крайна сметка отделни нуклеотиди. И регулаторната ДНК последователност, взета като такава, е загубила правото да се нарича ген, тъй като самата тя не кодира нищо. Но чрез повлияване на генната транскрипция, тази последователност може също да повлияе на някои черти (т.е. фенотип), които ще бъдат наследени заедно с тази последователност. И самият той може да бъде отделен чрез рекомбинация от кодиращата последователност, особено ако е дистанционен усилвател. С други думи, регулаторната последователност също е специален наследствен фактор, който също има свое място в хромозомата. Някои регулаторни последователности, като енхансерите, могат да повлияят на транскрипцията на няколко гена наведнъж, т.е. да заемат своето специфично място в регулаторната мрежа, която контролира развитието и функционирането на организма. Всички признаци на ген в разбирането на класическата генетика са налице.
Това противоречие между класическата и молекулярно-биологичната концепция за ген, възникнало във време, когато изглеждаше, че всички класически гени са транскрибирани участъци от ДНК, кодиращи протеин или РНК, все още не е преодоляно, което обаче не е особено важно, тъй като думата "ген" не се използва като строг термин от дълго време. Благодарение на бързото развитие на молекулярната биология, молекулярната биология печели: генът е транскрибиран участък от ДНК заедно с неговите регулаторни ДНК последователности. Въпреки това, класическата концепция: генът е наследствен фактор (без значение как функционира, какъв е или от какво се състои), беше исторически първата, продължи повече от половин век и се оказа изключително плодотворна. Трябва да сте наясно с това противоречие и да се научите да разбирате казаното от контекста.
На практика това противоречие се разрешава по два начина: или преди да се използва думата „ген“, нейното значение се уточнява предварително, или не се използва като термин. Пример за първия случай: в раздела „материали и методи“ в статия, посветена на преброяването на гените в генома, задължително ще бъде написано по какъв критерий е определен генът - например броят на отворените рамки за четене е преброен . В следващата статия те ще напишат: ние анализирахме израза и показахме, че някои от намерените потенциални рамки за четене никога не се транскрибират и, очевидно, не са гени, а псевдогени. Пример за втората ситуация: изследва се локус, от който се правят няколко хиляди протеини поради факта, че има три алтернативни промотора, три алтернативни терминатора и дузина интрони, подложени на алтернативен сплайсинг. Къде е генът и колко гена има в този локус? В този случай думата "ген" ще бъде спомената само в увода, като синоним на думата "локус". Ако вземем фраза, съдържаща думата „ген“ от популационен генетичен контекст и я вмъкнем в молекулярно-биологичен контекст, получаваме загуба на смисъл.
Различни варианти на един и същи ген, при всяко разбиране за него, се означават с термина алели. В тази форма терминът е предложен от V. Johannsen през 1926 г. въз основа на термина „алеломорфна двойка“, въведен от V. Bateson през 1902 г.). Понятието „алел” се появява, когато нищо не се знае за структурата на ДНК, и е въведено именно като алтернативна версия на ген. Тази концепция е особено важна за диплоидните организми, които получават един и същи набор от гени от баща и майка и в резултат на това всеки от тях присъства в генома в две копия, които могат да бъдат идентични или различни, но не и такива степен, в която не може да се каже, че е „същият ген“ Тези две копия бяха наречени алели.
Смешно е, но по отношение на термина „алел“ няма недвусмислено решение на толкова прост въпрос като граматическия род на тази дума на руски език. Московската, както и киевската и новосибирската школа смятат, че алелът е мъжки, Ленинград (Санкт Петербург) - че е женски. Виждате, че дори в двата препоръчани учебника тази дума се използва по различен начин.
Терминът "алели" първоначално е въведен, за да се отнася до варианти на ген, отговорен за определена черта, които са свързани със състоянието на тази черта. Оказа се обаче, че независими един от друг гени могат да влияят на една и съща черта по един и същи начин. Това повдига проблема с разграничаването на алели на едни и същи или различни гени. За щастие още по-рано стана ясно, че гените са разположени в строго определена последователност в линейни структури - както се оказа в хромозомите - така че всеки ген заема строго определено място в една от хромозомите. Следователно всеки ген може да бъде идентифициран не само по ефекта си върху черта, но и по местоположението си върху конкретна хромозома. Оказва се, че всяко място в хромозомата, отговорно за някаква черта - локус– заети от един от алелите – отделни варианти на ген. Диплоидното ядро съдържа два алела от всеки локус, получени от майката и бащата, различни или идентични. Локусът може да се определи като позиция на хромозома, заета от специфичен наследствен фактор, А алел- Как вариант на определен наследствен фактор,и тъй като локусът е този, който дава сигурност на наследствения фактор, но алелът е вариант на наследствен фактор, разположен в специфичен локус. Очевидно това определение е дадено от гледна точка на класическата генетика. В този случай е по-добре да кажете „локус на хромозома“. а не „хромозомен локус“, тъй като във втория случай може да се създаде впечатлението, че хромозомата е съставена само от такива локуси, които имат генетично значение. Въпреки че генът в класическия смисъл отговаря на определен ДНК сегмент от хромозома и въпреки че много често ДНК региони, които не кодират нищо, могат да повлияят на нещо поне косвено (например наличието на блок от повторения може да допринесе за хроматина уплътняване и по този начин да повлияе на интензивността на транскрипция на кодиращи сегменти ДНК, разположени дори на значително разстояние от нея), въпреки това очевидно има разширени участъци от ДНК, които нямат никакво генетично съдържание, тоест те не засягат нищо и не са гени във всякакъв смисъл.
Но термините „локус“ и „алел“ също имат смешно широко значение. Ако изследваме самата ДНК последователност, която в случая е както нашата черта, така и нашият геном, тъй като тя буквално се кодира, можем да наречем всяка част от нея, която може да бъде разпозната по някакъв начин, локус, а алел - негов вариант. Например, в генома има така наречените „микросателити“ - последователности от много кратки, състоящи се от две или три букви, тандемни (разположени една след друга) повторения. Броят на тези повторения се променя много лесно поради механизми, свързани с приплъзване на репликация или неправилна рекомбинация. Всъщност, поради тези механизми, те се „стартират“ в генома, но нямат собствена функция и не са гени в молекулярен смисъл. Поради високата си променливост, микросателитите са предпочитани за изучаване на еволюционните генетици, тъй като броят на повтарящите се копия може да се използва за преценка на родството с определена степен на сигурност. Така че в този случай също е обичайно да се говори за алели, обозначавайки с тази дума последователности от микросателити с различна дължина (т.е. с различен брой повтарящи се копия).
Оказа се, че думата „ген“ в класическата генетика може да бъде напълно изоставена. Има локус - място в хромозомата, което винаги е заето от един от алелите. Връзката между локус и алел е същата като връзката между променлива и нейната стойност. Освен това, в съответствие с класическата дефиниция, локусът е ген (като родово понятие), а алелът е ген (като индивидуално понятие). Често можете да чуете „тези гени са неалелни един на друг“, т.е. те говорят за алелни и неалелни гени, тоест за алели на един локус и алели на различни локуси. В практиката на генетиката има не много строга традиция да се използва думата „ген“ като синоним на думата „локус“ и такива примери ще бъдат намерени в нашия текст.
Но има ситуации, когато думата "ген" е трудно да се избегне. Например, те третираха грах с червени цветя с химически мутаген и получиха грах с бели цветя. Установено е, че признакът „цвят на цветето“ се наследява, както се определя от един локус - в такива случаи е обичайно да се говори за моногенензнак (въпреки че несъществуващият термин „монолокален“ би бил по-точен). Грахът с бели цветя обаче вече е известен по-рано и тази характеристика се определя от алел на добре познат локус. Въпросът е дали получихме същия алел от същия локус или различен (на ниво ДНК последователност) алел от същия локус, който обаче също води до бели цветя? Или алел на нов, неизвестен досега локус - който би могъл, да кажем, да е за напълно различен етап от синтеза на пигмент? Докато това не бъде установено, трябва свободно да кажем: „Получихме гена на белия цвят“. Между другото, описана е реална ситуация от живота на нашата лаборатория - получихме ген, който определя белите цветя, който се оказа алелен на нешироко известен локус, отговорен за антоциановия цвят на цветето а, и малко известен локус а2 .
Термините локус и алел могат също да се приложат към ген в молекулярно-генетичен смисъл - а именно към специфична последователност от нуклеотиди. Тук значението на термините "локус" и "ген" е едно и също и алел ще означава специфична нуклеотидна последователност на даден ген. Въпреки това, в рамките на молекулярната генетика, необходимостта от тези термини не възниква много често, тъй като молекулярно-биологичните съображения обикновено се отвличат от съществуването на втори такъв ген в диплоиден организъм, с идентична или малко по-различна последователност, в хомоложна хромозома.
Вероятно знаете от молекулярната биология за съществуването мултигенни семейства: когато в генома има няколко гена в молекулярно отношение, кодиращи белтъчен продукт от един и същи вид - един и същи ензим, напр. Освен това те могат да се различават донякъде в първичната структура: както ДНК, така и протеиновият продукт, както и в някои физични и химични свойства на протеиновия продукт - интензивността на молекулярната функция, както и в характеристиките на експресията - т.е. , мястото, времето и интензивността на синтеза. Същото грахово зърно има седем гена (в молекулярен смисъл) на хистон H1, всеки от които кодира специална версия на молекулата, една от които присъства само в активно делящи се клетки и изчезва от хроматина на клетките, които са завършили деленето. Всяка последователност на който и да е от тези гени ще бъде вариант на хистоновия H1 ген. Но в рамките на един и същи геном тези седем гена заемат различни локуси, така че само различни варианти на определен локус ще бъдат алели. Трябва да сте запознати с концепцията хомология– сходство, основано на общ произход, и хомолози- обекти, които имат такива прилики. В молекулярната генетика се разграничават два вида генна хомология. Хомоложни, но неалелни гени в един и същ хаплоиден геном, заемащи различни локуси, се наричат паралози(от гръцки “para” - близо, наблизо). Наричат се отделни варианти на един и същ локус при различни индивиди ортолози(от гръцки „орто“ - директно, противоположно; помнете орто-пара изомерите в органичните вещества). По същество ортолозите са алели. Терминът „ортолог“ обаче обикновено се използва от молекулярните биолози при изследване на гени от различни видове - в случаите, когато може недвусмислено да се установи, че те имат един и същ локус, докато терминът „алел“ се прилага само за вариант на ген в един и същ вид или в тясно свързани видове, които въпреки това са способни да се кръстосват (например пшеницата и нейните диви роднини). Така че алелът е генетично понятие; за алели се говори, когато те по принцип могат да участват в кръстосването.
Нека си зададем въпроса – откъде са дошли паралозите? Логично и правилно е да се предположи, че те са възникнали в резултат на дублиране на гени - тоест редки случаи на "възпроизвеждане" на ген в генома. Естествено, всяко подобно събитие, колкото и рядко да е, се случва в рамките на един вид. В резултат на това имаме ситуация, при която някои индивиди от един и същи вид имат два локуса в своя геном, които са идентични по първична структура (с течение на времето това може да натрупа разлики), докато други имат само един. Да приемем, че две копия на умножения ген са разположени едно до друго, така че и двата нови локуса са разположени на същото място, където се е намирал един стар. И така започват да трупат различия. Къде и какви са алелите тук? Разгледахме ситуация, при която понятието „алел“ се проваля и това е много добре, тъй като по този начин проследихме границата на неговата приложимост.
Между другото, неочаквано нетривиален въпрос е какво са различни и еднакви алели. В ранните етапи от развитието на генетиката алелите се разпознават само по фенотип и само тези, които водят до различни фенотипове, се считат за различни алели. Най-често имаше два алела - нормален и дефектен (мутант), така че в ранните етапи от развитието на генетиката беше популярна "теорията за присъствие-отсъствие" (на специфична функция). С развитието на генетиката обаче стават известни все повече и повече случаи, когато една и съща черта има няколко наследствени варианта, което в крайна сметка води до известния афоризъм на Томас Морган: „Не може да има няколко отсъствия, съответстващи на едно присъствие“. А в случай на количествени признаци, определени от много гени наведнъж, изобщо няма специална фенотипна проява на един алел. В резултат на това те се спират на факта, че алелите се считат за очевидно различни, ако в даден експеримент не са очевидно наследени от един и същи индивид, тоест не са идентични по произход или такава идентичност не е установена. Например, ние улавяме сто привидно идентични индивида в природата, за да изследваме малките нюанси на фенотипното проявление на ген, кръстосваме ги със специални тестерни линии, прехвърляме изследвания ген, получен от тях, на идентичен генен фон, измерваме чертата интересуваме се - и в същото време вярваме, че в експеримента участват сто различни (по произход) нормални (!) алели (всички те са получени от природата от жизнеспособни индивиди).
Разбирате, че когато стана възможно да се дешифрира първичната структура на изследваните гени, въпросът за идентичността на алелите престана да бъде теоретичен и се сведе до идентичността на тяхната първична структура (нуклеотидна последователност). Ако има поне една замяна, алелите са различни; ако не, те са идентични, тъй като те са напълно идентични молекули. Като се има предвид възможността за натрупване на нуклеотидни замествания, много от които не засягат функцията на локуса, на практика този подход се различава малко от a priori, считайки всички алели, независимо получени от различни индивиди, за различни. Скоростта на поява на заместванията обаче варира значително от локус до локус - например в някои локуси наблюдавахме идентична нуклеотидна последователност дори в алели, получени от различни подвидове грах (див и култивиран).
Нека се докоснем до такива свободни, популярни термини като „алели от див тип“, „алели с мутация“ и „алели с нула“. Гореспоменатата „теория за присъствие-отсъствие” е доста приложима в много случаи. Да вземем за пример същия грах. Цветовете на граха съдържат пигмент – антоциан, който ги оцветява в розово-червено (лилаво). Ако някой от протеините, участващи в биохимичната верига на синтеза на антоцианин, е дефектен или липсва, антоцианинът не се синтезира и цветята остават бели. Да кажем, че има локус на определена хромозома, нека го обозначим А, който съдържа ДНК последователност, която кодира един от тези протеини. Обикновено те казват по-малко строго, но по-просто - на определена хромозома има ген А, който кодира един от тези протеини (Грахът всъщност има такъв ген с това обозначение и кодира регулаторен протеин, който се свързва с ДНК, а не ензим, участващ в синтеза на антоцианина). Нека този ген има два алела, нека ги обозначим АИ а. Алел Акодира нормален функционален протеин. Алел Ане кодира функционален протеин. Как е възможно това - ще говорим по-късно, за нас сега е важно, че този алел просто „не работи“ - не изпълнява своята молекулярна функция, дори и да ни е непозната. В такива случаи се нарича нормалният алел див тип/ В примера с граха този термин е двойно правилен. Грахът е както култивирано, така и диворастящо растение (представители на същия вид продължават да съществуват в дивата природа). И всички диви грахове имат лилави цветя, а култивираните имат и лилави, и бели, но в зеленчуковите и зърнените сортове от европейската селекция преобладават белите. За алел, който не е в състояние да образува функционален протеинов продукт, терминът също често се използва нулев алел.
Има случаи, при които понятието „див тип“ или „нулев алел“ не е приложимо. Например в калинката с две петна Адалия двуточковаИма две форми - червена с черни петна и черна с червено. (Между другото, това е един от класическите обекти на популационната генетика, въведен в тази наука от Тимофеев-Ресовски.) И двата са представени в европейската част на Русия, нито единият не е по-добър от другия (в Новосибирск обаче само второто е намерено). Нито един от тях не може да се нарече див тип за разлика от другия. Въпреки това е възможно един от тези алели да е свързан със загуба на молекулярна функция на протеиновия продукт на този локус, който, подобно на други гени на индивидуално развитие, вероятно е фактор, влияещ върху експресията на други гени.
След това има термин, популярен в генетиката - мутация. Исторически понятието е въведено от Хуго де Врис със значение, близко до това, което сега съществува във филмите на ужасите - внезапна промяна в наследствените наклонности, водеща до радикална промяна във фенотипа. De Vries работи с един от видовете трепетлика ( Енотера), който, както по-късно се оказа, има много оригинална цитогенетика: поради множество хромозомни пренареждания, целият геном се наследява като един алел. Думата обаче се превърна в широко използван термин и то не само в Холивуд. Сергей Сергеевич Четвериков, един от основателите на популационната генетика, използва термина „геновариация“, който е по-правилен, но не се утвърди (въпреки че Четвериков беше един от местните генетици, които оказаха значително влияние върху световната генетика, всъщност основавайки популационна генетика). В момента под мутациясе разбира всяка промяна в първичната структура на ДНК- от замяната на един нуклеотид до загубата на огромни части от хромозоми. Бих искал да отбележа, че думата „мутация“ обозначава самото събитие на промяна. Въпреки това, в свободната, но упорита генетична практика, същата дума „мутация“ често се прилага към нейния резултат, тоест към алела, възникнал в резултат на мутацията. Те казват: „Експериментът включва дрозофила - носител на мутацията бяло" Никой не е записал самото мутационно събитие, довело до появата на тази класическа мутация - тя, между другото, е свързана с вмъкването на мобилен генетичен елемент в ензимния ген копие, който се движи изключително рядко - но всички продължават да казват „мутация“ вместо „мутантен алел“. Подразбира се, че някога е възникнала мутация, която е развалила нормалния алел, което е довело до мутантен. Не е трудно да се разбере, че „мутантен алел“ също е антоним на израза „алел от див тип“, но по-широк от „нулев алел“, тъй като позволява различни отклонения от алела от див тип, водещи до пълна загуба на молекулярна функция (същите „няколко отсъствия“!), които никога не водят до резултат.
Има още една много гадна терминологична ситуация, която някои от вас ще срещнат в човешката генетика. Както ще видим по-късно, човешката генетика като цяло, терминологично, се е отклонила доста силно от общата генетика. Причината е, че от една страна тази специализирана научна област принадлежи както на биологията, така и на медицината и е чисто институционално изолирана от всяка друга генетика и в този смисъл се вари в собствения си сок. От друга страна, поради практическото си значение, тази област е много голяма по обем - брой изследователи и проучвания, които провеждат, списания, статии - което прави нейните вътрешни традиции устойчиви на външни влияния, включително от „майчините“ общи генетика. Съвременната човешка генетика е напреднала толкова далеч, че в много случаи е реализирала вековната мечта на генетиците, а именно, успяла е да свърже определени характеристики (включително патологични) с присъствието на определени нуклеотиди в специфични позиции на специфични гени. Но именно тук се случи злощастна терминологична подмяна. Когато сравняваме много алели по отношение на първичната структура на ДНК, се оказва, че в някои позиции винаги има един и същ специфичен нуклеотид, а в някои позиции са възможни нуклеотидни замествания. (Има подозрение, че в геномите на всички хора от човечеството може да се намери всеки нуклеотид във всяка позиция, което повдига забавен философски въпрос - какво е човешкият геном). Наименувани са абсолютно правилно полиморфни позиции- и наистина, всяка такава позиция проявява алтернативна променливост - тоест полиморфизъм - по отношение на това кой от четирите нуклеотида може да бъде заета. Но тук по някакъв начин се получи подмяна на понятията. „Полиморфизъм“ започва да се нарича специфичен нуклеотид в специфична полиморфна позиция (това, което трябва да се нарича „морф“). Те започнаха да казват нещо подобно: „Ние секвенирахме такъв и такъв ген в едни и същи хора и открихме дванадесет полиморфизма, два в позиция такава и такава, шест в такава и такава и четири в такава и такава. Два от полиморфизмите в такава и такава позиция показват значителна връзка с такъв и такъв синдром. Най-вероятно такова заместване е настъпило на нивото на лабораторния жаргон, който съществува във всяка научна работа и се състои в опростяване на терминологията, често неграмотна. Студентите, идващи в лабораторията, понякога бъркат жаргона с терминология и започват да го използват напълно сериозно. В един момент се случва и авторът на статията, и рецензентите в научно списание да са свикнали с един и същ жаргон, след това той прониква в научната преса и с известна вероятност се налага. (Картината, между другото, е повече от позната от популационната генетика и напълно копира процеса на видообразуване - когато в изолирана популация произволно възникват аномалии в системата за разпознаване на подходящи сексуални партньори, съвпадат при различни полове и се записват, което стават норма в нов вид и водят до неговата несъвместимост със стария.) В допълнение към етимологичното противоречие (една единствена морфа се нарича дума, показваща, че има много морфи) и лошия вкус, подобно заместване също има следствието, че изследователите, които използват този жаргон, са се лишили от термина "полиморфизъм" в правилното му значение. И когато възникне необходимост да се изрази съответното понятие (което не е изчезнало), вместо еднозначен термин, те трябва да прибягнат до многословни описания. Да кажем, че в ситуации, за които съществува терминът "балансиран полиморфизъм" - когато единият от морфите има предимство при едни условия, другият при други, така че те съществуват съвместно и не се изместват един друг - те винаги трябва да прибягват до дълги описания като дадения.
За да ви запознаем с традиционната и не винаги последователна генетична терминология, е необходимо да споменем един доста забавен термин маркер. Този термин е въведен за локуси, които са важни за нас не сами по себе си, а доколкото маркират определен участък от хромозомата. Появата на такъв термин е свързана с дълъг период от време, когато не са били известни много генетични локуси. Това беше необходимо в ситуации, когато трябваше да се постави на карта новооткрит ген или, колкото и парадоксално да звучи, да се работи с гени, които все още не бяха открити. Да приемем, че природата на гените, които контролират икономически ценните количествени характеристики на растенията и животните, е била напълно неизвестна дълго време и дори сега малко се знае за тях. В същото време няма съмнение, че тези гени съществуват и са разположени на хромозоми. Чрез манипулиране на известни локуси - маркери - беше възможно да се идентифицират области от хромозоми, които са свързани с определени ефекти върху количествените характеристики, и да се използват в развъдната работа. Първоначално това са били предимно „видими маркери“ – локуси, които имат алели с видим ефект. По-късно обаче този подход получи сериозно развитие поради включването в генетичен анализ на биохимични признаци (като правило също функционално не свързани с икономически ценни признаци), а впоследствие и поради появата на възможността да се работи с полиморфизма на ДНК на самите хромозоми. Това доведе до появата на понятието „молекулен маркер“. По този начин терминът „маркер“ е само синоним на термина „локус“, но подчертава, че този локус ни интересува не като такъв, а само като ориентир в хромозомата. Хората обаче толкова свикнаха с термина, че той започна да се използва в случаите, когато локусът е пряко изследваният обект. Парадоксално, в изследванията на молекулярната филогения самите анализирани последователности също обикновено се наричат маркери. Тук може да се подразбира, че те са просто ориентири във времето и нуклеотидните замествания в тях бележат еволюционни събития, които, разбира се, не се свеждат до промени само в анализираните последователности.
Гените (по-точно локусите) обикновено се обозначават със съкращения, състоящи се от латински букви и цифри. Зад тези обозначения обаче стоят пълните имена на гените, латински или по-често английски. Както пълните имена, така и съкратените имена на гени винаги се изписват в курсив. За гени с видима експресия това обикновено е думата, която описва мутантния фенотип: w – бяло(бели очи на муха), г – жълто(жълто тяло на муха), а – антоцианин инхибиране(на грах) оп – яйцеклетка pistilloida(на грах) bth – биторакс- не е много добро име за мутацията на Drosophila, при която се появява втори чифт крила на метаторакса (меторакса) (както на мезоторакса) - но се пише така, сякаш гръдната тагма се е удвоила. Има дори мутация на Drosophila с официално име фуши таразу(кратък символ - ftz) - японски. Весели американци назоваха един от гените майки срещу декапентаплегик, по аналогия с организации като „майки срещу войната в Ирак“ - женски плодови мушици, носещи тази мутация, няма да оцелеят потомци, носещи гена декапентаплегик. Съкращението за този ген звучи също толкова добре: луд. Понякога, и не за най-популярните обекти, официалното име на гена и съкратеното му обозначение нямат връзка едно с друго: мутацията, която превръща граховите зърна в листа, има обозначението tl(от безгрижен), а името е ключица. Ако един ген е познат по неговия молекулярен продукт (протеин или РНК), тогава самият ген ще бъде наречен по своя продукт: mtTrnK – митохондриална транспорт R.N.A. за лизин, RbcL – рибулоза бифосфат карбоксилаза голям подединица. Важно е, че всеки вид има напълно независима официална номенклатура на генните символи, което води до някои трудности в момента, когато броят на обектите с развита частна генетика се е увеличил и броят на обектите, чиито гени не се изучават по генетичен път експерименти, но чрез директно четене на ДНК последователности – расте лавинообразно (напр. проектът „10 000 генома на гръбначни“ вече е в действие).
Генетиката започва със случаи, когато са известни само два алела във всеки локус и е възможно да се разграничат чрез писане с главна или малка буква, което е започнато от Мендел. Използвана е главна буква за доминиращ алел (знаете какво означава това от училище, по-късно ще се докоснем до феномена на доминирането по-подробно) - като правило това е алел от див тип; както бихме казали сега - алел с нормална, а не нарушена молекулярна функция. Локусът беше обозначен с малка буква, т.е. неговото обозначение съвпадаше с това на рецесивния, тоест мутантен, нефункционален алел, тъй като именно от съществуването на такъв алел учените за първи път научиха за съществуването на локус. В редки случаи, когато мутантният алел се оказва доминиращ, той и самият локус се обозначават с главна буква.
Когато и много скоро стана ясно, че в един локус има много алели (сега знаем, че са много), бяха въведени обозначенията на алелите, които се изписват в горен индекс след обозначението на локусите. Символът „+“ често се използва като такъв индекс за алел от див тип; понякога няма индекс. Да кажем в първото известно място на Drosophila бяло (w) алелът от див тип е обозначен w+ , алелът, отговорен за белите очи – w, а отговорникът за кайсиите е wa (пълно име - бялоаприкос).
Бих искал да обърна внимание на факта, че за традиционните генетични обекти с развита частна генетика все още съществуват различни традиции в писането на обозначенията на локусите и техните алели. Досега съм намерил три от тях:
Локусите с видимо проявление се пишат с малка или главна буква, в зависимост от това дали локусът е описан с помощта на рецесивен или доминантен алел спрямо дивия тип; и се пише с главни букви, ако мястото е известно чрез молекулярна функция. В същото време за локуси с видимо проявление и доминиране остава традицията рецесивните алели да се пишат с малка буква, а доминантните с главна буква. Това е генетичната номенклатура например на граха и мишките. Например локусът на грах а, отговорен за цвета на цветята има алели АИ а.
Както в предишния случай, но главните и малките букви в обозначението на локуса и неговите алели са строго фиксирани. Тази система се използва при Drosophila. Ето обозначенията wИ Упринадлежат към напълно различни локуси - бялоИ Набръчкана. Алелът от див тип винаги се обозначава тук с индекса "+". (Любопитно е, че генетиците на дрозофили и мишки, свикнали със системата, възприета от техните субекти, обикновено дори не подозират съществуването на различна система за обозначаване на локуси.)
Всички букви в обозначенията на локусите винаги са главни. Тази система сега се използва в човешката генетика и беше приета съвсем наскоро.
Същите обозначения на алели се използват за обозначаване на фенотипове, но винаги без курсив. И така, ако опишете резултатите от експеримент, в който сте наблюдавали толкова много грахови растения с лилави цветя и толкова много с бели цветя, и знаете, че белият цъфтеж в експеримента е свързан с локуса а, тогава ще посочите растенията с лилави и бели цветя като A и a в таблицата за срещане, дори ако не знаете техния генотип. Същото се прави, ако се установи наличието на електрофоретични варианти на някой изоензим: там съответствието на фенотипа с генотипа е по-голямо, но не винаги е еднозначно.
1.4. Понятията „хомозигота“, „хетерозигота“, „хемизигота“.
Във всеки диплоиден организъм всяка хромозома (с изключение на половите хромозоми) е представена в две копия - хомолози, получени съответно от бащата и майката. Всеки от хомолозите има еднакъв набор от локуси и във всеки от хомолозите всеки локус е зает от някакъв алел. Следователно всеки диплоиден организъм носи два алела от всеки локус. Когато записваме неговия генотип, обозначенията на двата алела, присъстващи в локуса (локусите), които ни интересуват, се изписват на ред, например, ако присъстват в локуса аграхови алели АИ аИма три възможни генотипа: А А, А аИ а а.
Ако и в двата хомолоза локусът е представен от един и същ алел, тогава се казва, че индивидът е хомозиготенза този алел или за този локус. Освен това, когато казват, че са хомозиготни за локус, акцентът е върху факта, че няма разлики в двата хомолога, но когато казват, че са хомозиготни за алел, акцентът е върху кой конкретен алел. Ако и в двата хомолоза локусът е представен от различни алели, тогава индивидът хетерозиготнина това място. За простота се наричат съответно хомозиготен и хетерозиготен индивид хомозиготенИ хетерозиготни. Имайки предвид казаното по-горе за идентичността/разликите на алелите, истинските хомозиготи не са много често срещани в природата. Въпреки това, в конкретен експеримент, никой не си прави труда да игнорира разликите, които не са открити или не могат да бъдат идентифицирани в този експеримент, и счита индивидите, при които и двете копия на локуса имат идентична фенотипна проява, като хомозиготи. В проучвания, включващи свързани индивиди, има известни хомозиготи - индивиди, при които и двата алела на локус са идентични по произход. В такива изследвания те често оперират с понятието средна хетерозиготност– делът на хетерозиготните локуси сред всички локуси.
Нека добавим още един термин хемизигота- това е индивид, който очевидно има не два, а само един алел. Е, например, вероятно знаете, че мъжете имат само една полова Х хромозома, а втората полова хромозома, Y хромозомата, не е хомоложна с нея (с изключение на малки участъци), тъй като не е лишена от повечето региони, наситени с генетични информация. Следователно, алелите от онези региони на X хромозомата, които не са представени на Y хромозомата, нямат хомолози в ядрото, тоест те са хемизиготни. Понякога хромозомата губи част от своите фрагменти заедно с гените, разположени в нея (или един ген). В този случай алелите на тези гени на хомоложната хромозома също се оказват хемизиготни. Въпреки това, в генетичен експеримент, ние често не знаем какво се е случило в хромозомите и съдим за гените само по техния фенотип. В този случай отсъствието на ген може да не се различава от неговото „счупване“ - загубата на неговата функция. И докато ние не знаем, така да се каже, молекулярния фон, но по някакъв начин заключаваме, че молекулярната функция е загубена, ние ще говорим само за алела или „нулевия алел“.
Разграничаването между хомозигота, хетерозигота и хемизигота може да бъде важно при диплоидните организми, тъй като дозасъответният алел в генома в този случай се различава наполовина (например, в случай на локус на X хромозомата, две копия на геном при жените и едно при мъжете), което може да бъде важно. Молекулярната генетика обикновено се абстрахира от хомозиготността/хетерозиготността на своите обекти. Концепцията обаче често се използва тук генна доза, тоест броят на алелите с ненарушена молекулярна функция в генома - обикновено варира от 0 до 2, но може да бъде увеличен чрез генетична модификация, тоест изкуствено въвеждане на допълнителни копия в генома.
В случай на хаплоидни организми е обичайно да се казва, че като цяло всички алели на всички гени са хемизиготни. Какви хаплоидни организми имаме? Прокариоти, нисши гъби и аскомицети, растителни гаметофити. Нека отбележим една подробност - хаплоиди не са тези, които имат строго един хаплоиден геном в клетка. Повечето бактериални клетки имат няколко нуклеоида, които все още не са имали време да се разделят - но всички те са идентични (до мутации, възникнали de novo). При нисшите гъби хифите често изобщо не са разделени на отделни клетки. Важното е, че хаплоидният организъм има един единствен вариант на хаплоидния геном в своите клетки. И накрая, някои животни - като Hymenoptera - имат хаплоиден пол - вероятно знаете, че търтеевите пчели са хаплоидни. В същото време в соматичните клетки наборът от хромозоми се удвоява, поради което те не престават да бъдат хаплоиди. Митохондриите и пластидите често се наследяват само от майката, така че клетките са хемизиготни за гените, открити в геномите на тези органели. Въпреки това, в много растения пластидите понякога имат двуродителско наследяване, в други това се случва от време на време и е изключително рядко бащините митохондрии също да проникнат в зиготата. В такива случаи потомството получава от двамата родители определена различна част от тези органели, която не е непременно равна на 1/2. В такива случаи е прието да се говори за хетероплазмия.
