Страница 35 из 134
Пример ненаследственной модификационной изменчивости у человека — это, например, акселерация, которая проявилась после войны в разных странах. Например, средний рост японцев стал больше на 20 см, хотя понятно, что частоты аллелей генов, и генотипов в этой популяции мало изменились за два поколения, прошедших после войны.
В генетически однородной группе индивидов отбор не эффективен (Иогансен, 1903), Различия, приобретенные в индивидуальном развитии, не наследуются
Если популяция генетически гетерогенна (потомство второго поколения, F2), то отбор по фенотипу расчленяет ее на неперекрывающиеся группы с различающимися генотипами уже за два поколения (потомство четвертого поколения F4). На рисунке это проиллюстрировано для длины венчика у табака. В одной группе велся отбор растений с длинным венчиком, в другой — с коротким. То сеть отбор при генетическом разнообразии в популяции возможен.
Если популяция генетически гетерогенна (F2), то отбор по фенотипу расчленяет ее на неперекрывающиеся группы с различающимися генотипами уже за два поколения (F4) (длина венчика у табака)
Отбор естественный и искусственный действует только на генетически гетерогенные группы индивидов. Эволюция — это отражение сдвига частот аллелей в популяции. Индивид, как уже упоминалось, не эволюционирует
Когда проводится отбор, очень важно отличить размах вариаций признака, который связан с внешней средой, от размаха вариаций, причиной которого является генетическое разнообразие. Селекция (отбор на племя) более эффективна при оценке величины признака по генотипу (т. е. по потомству или у братьев-сестер), чем по оценке признака по фенотипу (т. е. у самого индивида).
В таблице видно, что решение по оценке генотипа (оставить на племя курицу № 12 потомство которой более яйценоское) правильное, хотя сразу неочевидное. Решение по оценке фенотипа (оставить на племя № 4 6 как более яйценоскую в данном поколении) — неправильное, хотя кажется очевидным.
Геномика
Лекция № 19
Геномика — комплексная наука, изучающая геномы.
Разделы геномики:
1. структурная геномика — содержание и организация геномной информации;
2. функциональная геномика — реализация информации, записанной в геноме, от гена — к признаку;
3. сравнительная геномика — сравнительные исследования содержания и организации геномов разных организмов;
Все эти разделы геномики вносят вклад в фундаментальную биологию (индивидуальное развитие, эволюция), здравоохранение, сельское хозяйство и биотехнологию.
Итог структурной геномики — получение последовательности нуклеотидов (сиквенс от англ. sequence), которая представляла бы полностью каждую из хромосом с первого нуклеотида до последнего.
Для того, чтобы получить такой сиквенс, сегодня приходится определять последовательность нуклеотидов в достаточно коротких отрезках ДНК, длиной примерно 1000 позиций. В геноме человека 3 миллиарда позиций, значит, его надо разбить на куски, которые и будут «читаться». Затем нужно восстановить единую последовательность нуклеотидов из сравнения отдельных прочтенных отрезков текста. Восстановление основано на сравнении определенных последовательностей и выявлении в них перекрывающихся (идентичных) участков текста. Длина участка перекрывания должна превышать длину последовательности, которая может встретиться в данном геноме по причинам случайного характера. Например, в геноме человека 3*109 п.н. случайно может встретится последовательность длиной 15 нуклеотидов — поскольку в каждой позиции может находится один из четырех нуклеотидов, то вероятность того, что заданные нуклеотиды окажутся в 15 позициях подряд 415 = 230 что примерно равно 109. То есть в отрезке длиной 109 позиций заданная 15-нуклеотидная последовательность может встретиться 1 раз по причинам случайного характера.
Но дело в том, что в ДНК нуклеотиды расположены не случайно, и это является проблемой для восстановления последовательности из перекрывания отрезков. Если две последовательности из 1000 нуклеотидов перекрываются на 20 нуклеотидов или сто — это еще ничего не значит, так как весь этот фрагмент из 1000 нуклеотидов может быть несколько раз повторен в геноме. Поэтому нужно было сначала расставить вдоль генома фрагменты, а уже потом выявлять их перекрывание на основе сиквенса. Таков был путь мирового сообщества при секвенировании генома человека (секвенированием в русскоязычной литературе называют процесс определения последовательности нуклеотидов. Этот термин также является калькой с английского названия).
Как это можно было сделать? Нужно было поставить какие-нибудь «буйки» в геноме человека, какой участок стоит за каким. Последовательность таких участков и составляет карту генома. Первой такой картой стала карта генетическая. Она показана на рисунке слева.
Рядом показана окрашенная хромосома, на которой видны поперечные полоски. Поперечная окрашенность индивидуальна для каждой хромосомы, каждая полоска имеет собственный номер, который представляет собой "адрес" данного участка на хромосоме. Ясно, что в каждом таком участке миллионы пар нуклеотидов, последовательность которых мы должны определить. Были получены полиморфные маркеры, то есть найдены такие участки хромосомы, которые у разных людей (или на разных хромосомах одного человека) содержат неидентичные последовательности нуклеотидов. В прошлой лекции упоминалось, что для генетической карты с интервалом в 10 % рекомбинации нужно 300 равноудаленных маркеров. Эти маркеры нужны для различения одной хромосомы от другой в данном локусе.
В основе детекции ДНК маркеров лежит метод амплификации (размножения) фрагментов ДНК in vitro с точностью до нуклеотида методом полимеразной цепной реакции (ПЦР). Методом ПЦР можно синтезировать фрагмент ДНК in vitro (в пробирке) и получить его как химически чистое вещество. Для синтеза используются короткие синтетические отрезки ДНК, называемые праймерами (затравка для синтеза). С 3'-конца праймера начинается синтез фрагмента ДНК по матричной нити, на которую он отжигается (прилипает при комплементарном взаимодействии между нуклеотидами праймера и матрицы). За один цикл достройки ДНК из двух нитей ДНК получили 4. В следующем цикле из 4 нитей получится уже 8 и т. д. Каждый цикл занимает несколько минут. За 30 циклов ПЦР целевой фрагмент размножится в 1 миллиард раз, что позволяет наблюдать фрагмент (после окраски). Время проведения каждого этапа ПЦР в будущем сократится на 2–3 порядка, таким образом, что каждый цикл будет проводиться за секунды.
Для различения папиной и маминой хромосом использовали так называемые STR-маркеры (Short Tandem Repeat), состоящие из одинаковых звеньев, чаще всего звено состояло из пары нуклеотидов ЦА. То есть нашли места в геноме, где повторялись эти вкрапленные звенья. Допустим в папиной хромосоме в фрагменте из 100 пар нуклеотидов была вставка из 20 звеньев, а в таком же месте маминой хромосомы было вставлено 22 звена. Этот фрагмент ДНК размножили in vitro, с точностью до нуклеотида методом полимеразной цепной реакции (ПЦР). Длина этих фрагментов будет у папы 100 + 20*2 = 140, а у мамы — 100 + 22*2 = 144. При фракционировании образованных фрагментов в геле под действием постоянного тока (электрофорез) мы можем провести разделение фрагментов по размеру. Чем тяжелее фрагмент, тем меньше его электрофоретическая подвижность и тем ближе к старту он будет находиться. Если у родителей ребенка длины фрагментов составляли (как указано в примере выше) 140 и 144 п.н., то и у ребенка будут эти полоски присутствовать.