Наследование устойчивости к антибиотикам у хламидомонады. Митохондриальная наследственность. Наследование дыхательной недостаточности у дрожжей и нейроспоры

Хламидомонада содержит одно ядро (обычно гаплоидное), один хлоропласт и 20 митохондрий. Это облигатный аэробный организм, растет на свету, используя СО2 в качестве источника С. Кроме того, он способен к гетеротрофному росту в темноте за счет ацетата натрия как источника углерода и к миксотрофному с использованием и ацетата натрия, и СО2 на свету. Жизненный цикл хламидомонады включает бесполую фазу с рядом митозов и половую, когда две морфологически идентичные особи (гаметы) противоположных типов (mt+ и mt-) объединяются, при этом сливаются два гаплоидных ядра и два хлоропласта. После образования зиготы обычно сразу происходит мейоз, а следовательно, и расщепление ядерных генов в отношении 1: 1. Наиб. изуч. мут., характеризующие разл. степень устойчивости к антибиотикам (стрептомицину и эритромицину). Эти мутации или наследуются строго по материнской линии, или проявляют неменделевское расщепление. Кроме того, у этой водоросли могут быть многочисленные ядерные мутации-àнеспособность к фототрофному росту из-за нарушений отдельных звеньев фотосинтеза, но возм-ть миксотрофного и гетеротрофного роста. + пластидныуе мут. Пр-р: результаты скрещивания двух рас, одна из которых устойчива к стрептомицину (SГ), а другая чувствительна к нему (SS). При реципрокных скрещиваниях устойчивость или чувствительность потомков к стрептомицину опред. искл. тем, к какому половому типу (mt+ и mt-) принадлежит клетка расы SS или SГ. Свойство передается только по материнской линии, т. е. от родителя (mt+). Подобное насл. обнаруж.более 100 пластидных генов хламидомонады. Передача признаков по материнской линии объясняется тем, что все пластидные гены, привносимые в зиготу отцовской клеткой (mt-), каким-то образом элиминируются и не попадают в образующиеся после мейоза четыре дочерние клетки. В ред. случаях (менее 1 %) зигота несет пластидные гены обоих родителей. В отличие от яд. гетерозигот их называют ц/п, или сокращенно цитогетами. При мейозе, происходящем у цитогет, пластидные гены не расщепляются, так что все клетки образующейся тетрады также являются цитогетами. В ходе дельнейших митотических делений, т. е. при бесполом размн. этих особей, постепенно выщепляются оба родительских пластидных гена и возникают клоны клеток, несущих либо SГ либо SS. Частоту появл. цитогет можно повысить до 50%, облучая жен. гаметы (mt+) УФ непосред-о перед копуляцией. При образовании цитогет все хлоропластные маркеры, вводимые в скрещивание, наследуются не по материнской линии, а от обоих родителей, т. е. mt+ и mt. В отличие от яд. генов, обнаруж. мейотическое расщепление в тетрадах (октадах) 2:2 (4:4), хлоропластные гены у цитогет расщепляются не в мейозе, а при каждом митотическом делении зооспор, пока не выйдут в гомозиготу. Расщепление происходит в результате обменов на стадии четырех нитей, т. е. в момент, когда молекулы хлоропластной ДНК уже удвоены, но еще не разошлись в доч. кл. При этом наблюдаются реципрокная рекомбинация, как при митотическом кроссинговере на участке ген — центромера, и конверсия. Роль центромеры при этом играет точка прикрепления хлоропластной ДНК к мембране, управляющая расхождением нитей ДНК при делении пластиды. Картирование генов у цитогет ведется тремя способами: 1) по частоте реципрокных обменов на участке ген — точка прикрепления (она рассматривается как центромера); 2) по частоте реципрокных обменов на участках между генами; 3) по частоте коконверсии генов. Карта, построенная таким образом, имеет кольцевую форму. Первые сведения о приз., контр-х митохондриями, были получены у дрожжей Saccharomyces cerevistae в конце 40-х годов в лаборатории Б. Эфрусси. У этих гр. известны мутантные формы, образующие на глюкозе мелкие колонии- Petite-мутанты, фенотип которых обозначают Pet. Мутанты Pet не растут на неферментируемых источниках углерода, поскольку не способны к дыханию. Скрещивая гаплоидные клетки Pet- Х Реt+, можно получить гибриды дикого типа, способные к дыханию. Тетрадный анализ таких гибридов показывает, что признак Pet — от независимо полученных мутантов наследуется по-разному. Одни гибриды показывают нормальное расщепление (2Pet+:2Pet-), а другие не обнаруживают расщепления в тетрадах (4Pet+:0Pet-). Очевидно, в первом случае неспособность к дых. опр-ся хромосомной мутацией, а во втором — нехромосомной, по-видимому, ц/п. Эти два типа мутантов Pet- были названы соответственно генеративными и вегетативными. Вегетативные Pet — -мутанты возникают спонтанно. Иногда они составляют до 1% культуры. Их появление стимулируют высокая температура, бромистый этидий в одинаковой степени у гаплоидов и диплоидов. При пересевах эти мутанты никогда не ревертируют к фенотипу Pet+ в отличие от генеративных Pet-. Указанные воздействия не индуцируют генеративных мутантов Pet. Все это заставило предположить, что вегетативные Pet – рез-т потери детерминанта, наход-ся в ц/п-митохондрии. Сравнение мтДНК из штаммов дикого типа и из вегетативных мутантов Pet— показало, что последние несут делеции мтДНК различной протяженности вплоть до полной ее утраты. В даль-м в качестве генотипического символа обозначение pet сохранили только для рецессивных аллелей ядерных генов, которых теперь известно более 20. Позже мтДНК дрожжей была маркирована мутациями устойчивости к ряду антибиотиков (эритромицин, хлорамфеникол), подавляющих синтез белка у бактерий, а также устойчивости к агентам, подавляющим дыхание (олигомицин).

Взаимодействие ядерных и внеядерных генов. Цитоплазматическая мужская стерильность у растений. Инфекционные факторы внеядерной наследственности. Наследование каппа-частиц у парамеции при разных способах размножения (при нормальной продленной конъюгации, при аутогамии).

Один из самых ярких примеров цитоплазматического наследования — явление цитоплазматической мужской стерильности (ЦMC), обнаруженное у многих растений — кукурузы, лука, свеклы, льна и др. Цитоплазматическая мужская стерильность у кукурузы была открыта в 30-х годах одновременно в СССР М. И. Хаджиновым и в США М. Родсом. Кукуруза — однодомное растение, женские, цветки у нее собраны в початок, мужские — в метелку. У некоторых сортов кукурузы были, обнаружены растения, имевшие в метелках недоразвитые пыльники, часто совершенно пустые, а иногда с недоразвитой стерильной пыльцой. Оказалось, что этот признак определяется особенностями цитоплазмы. Опыление растений с мужской стерильностью нормальной пыльцой с других растений в большинстве случаев дает в потомстве растения со стерильной пыльцой. При повторении этого скрещивания в течение ряда поколений признак мужской стерильности не исчезает, передаваясь по материнской линии. Даже тогда, когда все 10 пар хромосом растений со стерильной пыльцой замещаются хромосомами от растений с фертильной пыльцой, мужская стерильность сохраняется. Это послужило убедительным доказательством того, что наследование данного признака осуществляется через цитоплазму. Цитоплазма, обусловливающая стерильность пыльцы, была обозначена символом цит^S (стерильна цитоплазма), а цитоплазма растений с фертильной пыльцой символом цит^N (нормальная цитоплазма). Установлено, что генотип растения может оказывать определенное влияние на действие стерильной цитоплазмы. Цитоплазма цит^S может обусловить стерильность пыльцы только при наличии в генотипе растения рецессивного гена rf в гомозиготном состоянии Rf. Если же этот ген представлен доминантной аллелью Rf то растение цит^S RfRf или цит^S Rfrf имеет нормальную пыльцу. Следовательно, фертильную пыльцу могут иметь растения и цит^Nrfrf и цит^NRf-, и цит^SRf-, а полностью стерильную – только растения цит^Srfrf. Многократное повторение скрещивания ♀ цит^Srfrf Х ♂ цит^Nrfrf всегда дает потомство с полностью стерильной пыльцой. И только в скрещиваниях ♀ цит^Srfrf Х ♂ цит^Srfrf или цит^Nrfrf может быть получено потомство, где все растения будут иметь нормальную пыльцу, несмотря на наличие цитоплазмы цит^S. Аллель Rf является, таким образом, восстановителем фертильности пыльцы. Следует еще раз подчеркнуть, что ген Rf не изменяет структуру и специфичность цитоплазмы цит^S, а лишь тормозит проявление ее действия. Через цитоплазму могут передаваться различные симбионты клетки, которые обладают свойством саморепродуцироваться и в силу этого способны имитировать цитоплазматическое наследование. Наследование через инфекцию. У мышей имеется линия с наследственной предрасположенностью к развитию рака молочной железы, которая передается по материнской линии и только при выкармливании потомства. Если к матерям-кормилицам из раковых линий подсадить мышат из нераковой линии, то такие мышата также становятся предрасположенными к раку молочной железы. Если мышат из раковой линии с момента рождения, вскармливают нормальные кормилицы, то мышата остаются здоровыми. Таким образом, опухоли в данном случае вызываются инфекцией через молоко матери. Этот инфекционный агент был назван фактором молока. Установлено, что он имеет вирусную природу. Наследование через эндосимбионтов. У инфузорий Раrаmecium аureliа известны линии, которые содержат в цитоплазме и выделяют в среду специфические частицы, называемые каппа-частицами. Сами носители каппа-частиц («убийцы») от них не страдают, но парамеции из других линий (чувствительные) под их действием погибают. Недавно было показано, что каппа-частицы представляют собой бактерии (Caudobacter taeniospirafis), являющиеся по отношению к парамеции эндосимбионтам. Они содержат своеобразную белковую ленту, на которой находятся фаги - симбионты бактерий. Таким образом, здесь имеет место, своеобразный тройной симбиоз: инфузория — бактерия — фаг. При попадании каппа-частиц в пищеварительную вакуоль чувствительной инфузории белковая лента бактерии разворачивается. В результате жизнедеятельности вырабатываются вещества белковой природы, являющиеся, по-видимому, причиной гибели инфузорий. Сохранение каппа-частиц в цитоплазме и выделение их инфузорией-«убийцей» контролируется доминантным геном К; его рецессивная аллель k не способствует их сохранению. При прямом делении инфузории-«убийцы» постоянно дают однотипный К клон со свойствами «убийц». При соответствующих условиях удается произвести скрещивание, т.е. вызвать конъюгацию двух клеток — «убийцы» и чувствительной клетки.

Плазмидное наследование. Свойства плазмид: трансмиссивность, несовместимость, детерминирование признаков устойчивости к антибиотикам и другим лекарственным препаратам, образование колицинов и др. Использование плазмид в генетических исследованиях.

Плазмиды — дополнительные факторы наследственности, расположенные в клетках вне хромосом и представляющие собой кольцевые (замкнутые) или линейные молекулы ДНК. Плазмиды способны реплицироваться автономно, но при этом они эксплуатируют репликационную систему клетки хозяина. Большинство плазмид имеет специальные белки – инициаторы репликации. Эти белки начинают процесс репликации, который затем подхватывается и продолжается репликационной системой клетки. фактор фертильности (F). При конъюгации бактерии генетический материал от клетки-донора передается клетке реципиенту. Клетки-доноры называют мужскими (F⁺). Эти клетки имеют эписому (F⁺). Женские клетки лишены эписомы (F^-). Эта кольцевая структура имеет длину 94,5 т.п.н. и содержит ряд генов: а) tra (transfer) – гены, необходимые для переноса ДНК из бактерии донора а бактерию – реципиент, б) гены, необходимые для репликации, в) четыре IS – элемента: две копии IS3, одну копию IS2 и один элемент – γδ. Некоторые плазмиды не способны включаться в бактериальную хромосому и соответственно не могут передаваться от клетки к клетке при конъюгации. Их называют нетрансмиссибельными, и если ген оказался в такой плазмиде, он не может легко передаваться. Примером может служить плазмида R, имеющая гены, которые определяют устойчивость клеток бактерий к антибиотикам. Плазмида R имеет те же tra – гены, гены, необходимые для репликации ДНК, две копии IS 1 и трм гена резистентности к антибиотикам – amp (ампициллин), kan (канамицин) и tet (тетрациклин). Col-плазмиды обеспечивают устойчивость бактериальных клеток к действию сульфаниламидным препаратам, в. (колициногенных факторах) локализованы гены синтеза колицинов (бактериоцинов) – токсичных белков, к-рые не действуют на производящую их клетку, но убивают др. бактерии. Вне зависимости от типа, все плазмиды содержат точку инициации репликации. Плазмиды широко используются в генной инженерии для переноса генетической информации и генетических манипуляций. Для этого создаются искусственные плазмиды — векторы, состоящие из частей, взятых из разных генетических источников, а также из искусственно созданных фрагментов ДНК. Присутствие плазмид в клетках может быть объяснено преимуществами, которые дают плазмидные гены клетке-хозяину (возможность расти в присутствии антибиотика, использование более широкого круга субстратов, защита от бактериофагов, устранение конкурентов путем синтеза бактериоцинов) или же теорией эгоистичной ДНК, как в случае криптических плазмид (т. е. плазмида поддерживается благодаря своей приспособленности к условиям внутри клетки).

Понятие о наследственной и ненаследственной (модификационной) изменчивости. Формирование признаков как результат взаимодействия генотипа и факторов среды. Норма реакции генотипа. Адаптивный хар-ер модификаций.

Генотипическая (наследственная) изменчивость – изменчивость, обусловленная возникновением мутаций и ихкомбинаций при скрещивании. Мутации – это изменение свойств и признаков организма из-за изменениий гена или других элементов генетического аппарата клетки. Мутации возникают скачкообразно в отдельных половых клетках и сохраняются в поколениях. Примером может служить появление в потомстве гомозиготных белых кроликов черного, у остистой пшеницы безостых форм, у зеленой водоросли хлореллы салатных и т. д. Фенотипическая изменчивость – изменения морфологических, физиологических, биохимических и других особенностей организма во время роста и развития. Время и порядок появления этих изменений в онтогенезе строго определяются генотипом. Такую изменчивость называют возрастной или онтогенетической. Примеры - физическое и умственное развитие человека. Онтогенетическая изменчивость отличается отгенотипической тем, что организмы, несмотря на их возрастные различия, сохраняют одинаковый генотип. Разнообразие в проявлении одинаковых генотипов в различных условиях среды называют модификационной изменчивостью. Для модификаций характерны следующие признаки: 1. ненаследственный характер модификаций, они не передаются по наследству. 2. степень выраженности модификации прямо пропорциональна силе и продолжительности воздействия на организм фактора, вызывающего модификацию. 3. в большинстве случаев модификация представляет собой приспособительную реакцию организма на какой-либо фактор и т.д. Границы модификационной изменчивости, которые определяются генотипом, называются нормой реакции. Нормой реакции называют генотипически обусловленную способность организма варьировать степень выраженности признака в определенных пределах в зависимости от условий внешней среды.