Тақырып. Генетикалық инженерия, оның теориялық және
практикалық маңызы. Генетикалық инженерияның
даму тарихы. Ген нженериясы.
Лекция жоспары:
1. Генетикалық инженерияның мақсаты мен зерттеу әдістері.
2. Генетикалық инженерияның даму тарихы.
3. Гендік инженерияның қалыптасуы.
4. Гендік инженерияның әдістері.
5. Клеткалық инженерия.
Лекция мақсаты:студенттерге генетикалық инженерияның мақсаты, зерттеу әдістері, даму тарихы, гендік инженерия және оның әдістері, клеткалық инженерия туралы түсініктер беру.
Лекция мәтіні:
1.Молекулалық генетика мен молекулалық биологияның қол жеткен табыстарының негізінде биология ғылымының жаңа бір саласы - генетикалық инженерия қалыптасты.
Бұл ғылымның мақсаты практика мен теория үшін қажетті генетикалық программаның жобасын жасап, оны тірі организмге енгізу. Мұндай тәсіл тіршілікті меңгеруде жаңа мүмкіндіктер туғызады.
Генетикалық инженерияның көздеген мақсаты мен зерттеу әдістеріне байланысты мынадай деңгейлерін ажыратуға болады: 1) молекулалық; 2) гендік; 3) хромосомалық; 4) клеткалық; 5) ұлпалық; 6) организмдік; 7) популяциялық.
2. Басқа биологиялық ғылымдар сияқты генетикалық инженерияның да даму тарихы бар. Бұл саладағы алғашқы зерттеулердің қатарына Н.Дубининнің 1934 ж. дрозофила шыбындарының хромосома санын рентген сәулелерімен өзгерту бағытында жүргізген жұмыстары жатады.
1956 ж. Е.Сирс рентген сәулесінің көмегімен жабайы этилопс өсімдігі жапырағының сары дақ ауруына төзімділігін анықтайтын генді жұмсақ бидайдың хромосомасына апарып салған. Нәтижесінде жұмсақ бидайдың сары дақ ауруына төзімді формасы алынған.
1971 ж. В.Струнников ген және хромосома деңгейіндегі генетикалық инженерия әдістерін жібек құртында пайдаланды.
Клетка деңгейінде жүргізілетін жұмыстардың ішінде сомалық клеткаларды гибридизациялау әдісі кеңінен қолданылады. 1960 ж. Ж.Барский жануарлардың сомалық клеткаларының бір-бірімен қосылып, екі клеткадағы генетикалық информацияны біріктіруге қабілетті екендігін көрсетті.
1973 ж. К.Гржешин көп жыл бойы лабораторияда жүргізілген зерттеулерінің нәтижесінде сомалық клеткалардың түрішілік және түр аралық гибридтерін алды. Сомалық клеткаларды гибридизациялау өсімдіктермен де жүргізілді.
Генетикалық инженерияның клеткалық және организмдікдеңгейлері бір-бірімен тығыз байланысты. Жануар клеткаларымен жүргізілген тәжірибелер бір клетканың ядросын екіншісімен алмастыруға, екі немесе бірнеше эмбриондарды қосып біріктіруге, оларды бірнеше бөлікке бөлшектеуге болатындығын анықтады. Мысалы: генотиптері әртүрлі ұлпалардың клеткаларын біріктіру арқылы тышқанның аллофенді особьтары алынды. Ол үшін дамудың бастапқы бластомерлі кезеңіндегі эмбриондар алынады және оларды бөліп алған соң проноза ферментінің көмегімен жеке-жеке бластомерлерға бөлшектейді. Содан соң екі немесе бірнеше ұрықтың бластомерлерін қосып, соның негізінде тұтас бір комплексті эмбрион жасалынады. Сөйтіп ақ және қара тышқандардың бластомерлерінің бірігуі нәтижеде аллофенді ұрық дамиды. Гаструла стадиясында ұрық пробиркадан алынып аналық тышқанға жіберіледі. Одан туатын ұрпақ екі түрлі ата-ана фенотиптерін біріктіретін аллофенді болып шығады.
3. Соңғы кездерде нуклеин қышқылдарын алмастырудың түбегейлі әдістері жасалды. Соның негізінде молекулалық биология мен генетиканың жаңа бір саласы - гендік инженерия қалыптасып дамуда. Гендік инженерия одан бұрынырақ қалыптасқан хромосоманы, генотипті өзгертуге қарағанда ДНҚ-ны рекомбинациялау арқылы ген қызметіне араласуға мол мүмкіндіктер туғызады. Гендік және генетикалық инженерия дегендер егіз ұғымдар, дегенмен соңғысының жеке гендерден гөрі геномның ірі бөлшектеріне қатысы көбірек.
Гендік инженерияның қалыптасуы 1972 жылдан басталады деуге болады, себебі сол жылы америка оқымыстысы П.Берг тұңғыш рет маймылдың онкогенді вирусының, яғни
бактериофагтың және Е.сoli бактериясының геномдарының түрлі бөліктерін біріктіру арқылы рекомбинантты ДНҚ алды. Бірақ мұндай құрастырмалы ДНҚ-ның функциональдық активтілігі әрі қарай зерттелген жоқ, себебі мұндай жолмен адам өміріне қауіпті бактериялар алынуы мүмкін деген күдік туды. Кейінірек зиянды зардаптары жоқ рекомбинантты ДНҚ алудың жаңа тәсілдері табылды.
Қызмет жағынан активті гибридті ДНҚ молекуласын ең бірінші болып 1974 жылы С.Коэн, Д.Хелинский, Г.Бойер алды. Сондай- ақ кейін осындай ДНҚ-ны совет ғалымдары С.И.Алиханян, мен А.А.Баев құрастырды.
4. Гендік инженерия әдістерімен рекомбинантты ДНҚ құрамына енетін жекелеген гендерді мынадай жолдармен алуға болады: 1) табиғи ортадан (клетка, организм) тікелей бөліп алу; 2) химиялық жолмен синтездеу арқылы; 3) белгілі бір генге сәйкес келетін и-РНҚ-ның көшірмесін алу.
Бірінші әдіс гендік инженерия дамуының бастапқы кезеңінде кеңінен қолданылды. Түрлі организмдердің клеткаларынан бөлініп алынған тұтас ДНҚ молекулалары рестриктаза ферменттерінің көмегімен бөлшектелді, реципиент-клеткаларға жіберілді және гибрид молекулалардан тұратын иондар алынды. Бұл әдіс осы күнге дейін өз мәнін жойған жоқ (мысалы қазір гендердің банкаларын жасау үшін пайдаланылуда).
Екінші әдіспен генді химиялық жолмен қолдан синтездеу тұңғыш рет 1969 жылы Г.Корананың лабораториясында жүзеге асырылды. Корана өзінің қызметтестерімен бірге ашыту бактериясының аланинді т-РНҚ генін синтездеп алды. Ол ген бар-жоғы 77 нуклеотидтен тұрған және реттеуші механизмі жоқ болғандықтан активті қызмет атқара алмаған. Кейіннен олар функционалдық жағынан активті 200 нуклеотидтен тұратын тирозинді т-РНҚ генін синтездеді. Қазіргі кезде қолдан синтезделген гендердің ішіндегі ең ұзыны адамның өсу гормоны, ол 584 нуклеотидтен тұрады.
Үшінші әдіспен генді жасанды жолмен алу кері транскрипция арқылы жүретін ферментативті синтезге негізделген. Бұл ең алғаш онкогенді вирус РНҚ-сының репликациясын зерттеу барысында анықталды. Сонда кері транскриптаза ферментінің көмегімен и-РНҚ матриксінің негізінде ген синтезделген.
Осындай жолмен адамның, жануарлардың және құстардың глобулиндерін, жұмыртқа белогын т.б. кодалайтын гендер алынды. Бұл әдіс адам интерферонының генін бөліп алып бактерия клеткасына жіберу үшін де қолданылды. Интерферон – вирустық инфекциямен және басқа аурулармен, соның ішінде қатерлі ісікпен күресу үшін қолданылатын тиімді дәрілік препарат. Интерферон жануарлар мен адам клеткасында жасалады. Ю.А.Овчинников пен В.Г.Дебабов адам интерферонын синтездейтін микроорганизмді алды. Алдымен олар адам интерферонын синтездеуге қабілетті рекомбинантты ДНҚ-ны құрастырып алды да, содан соң оны бактерия клеткасына жіберді. Ондай бактериялар 1литр суспензияға шаққанда 5 мг интерферон синтездей алады. Бұл 1 литр қанның құрамындағыдан 5000 есе көп.
Гендік инженерияның аса көрнекті жетістіктерінің бірі В.Г.Дебабовтың басшылығымен треонин амин қышқылын бөліп шығаратын бактерия штаммын жасау болды. Треонинді лизин сияқты мал азығын, астық дақылдарын байытуға қолданады, себебі бидайдың, сұлының, күріштің т.б. дақылдардың белогында осы амин қышқылы жетіспейді.
5. Клеткалық инженерия сома (дене) клеткаларын будандастыруға, яғни жынысқа қатысы жоқ клеткалардың қосылып, біртұтас бірлік беруіне негізделген. Клеткалардың қосылуы толық немесе жартылай, яғни реципиент-клетка донор-клетканың цитоплазмасын, митохондрияларын, хлоропласттарын, ядроның геномын немесе оның кесек бөлшектерін қабылдауы мүмкін.
Генетикалық информацияның аз ғана бөліктерін беру генетикалық инженерия әдістері арқылы жүзеге асырылады. Жыныстық шағылыстыруға қарағанда сомалық будандастыру филогенездік жағынан бір-бірінен алыс түрлерді қосуға кең мүмкіншілік береді. Осы әдіспен әр түрлі өсімдіктердің клеткасын бір-бірімен қосып қалыпты будандар, мысалы темекі мен картоптың, капуста мен турнекстің т.с.с. будандар алынды.
Будан клеткалар ұзақ уақыт бойы өсіп өнеді, бірақ оларда түр аралық сиымсыздық кездеседі. Яғни біраз уақыт өткеннен кейін клеткалар культурасында екінші түрдің хромосомаларын жоғалтқан клондар пайда болады. Мысалы адам мен тышқан клеткаларының буданы клетканың жүз рет бөлінуінен кейін адамның хромосомаларын мүлдем жоғалтады.
Сомалық будандастырудың негізінде антиденелер шығаратын гибридомалық технологиясы жасалды. Бұл технология бір клонды (моноклонды) антиденелер алуға мүмкіндік берді.
Бақылау сұрақтары:
1. Генетикалық инженерияның мақсаты қандай?
2. Генетикалық инженерияның зерттеу әдістері қандай?
3. Генетикалық инженерияның даму тарихы қай кезден басталады?
4. Гендік инженерия және оның зерттеу әдістері қандай?
5. Клеткалық инженерияның жетістіктері қандай?
Тақырып. Онтогенездің генетикалық негіздері. Жіктелудің (дифференцировканың) генетикалық негіздері. Онтогенездегі хромосомдардың функциональдық өзгерісі. Онтогенезді меңгеру. Онтогенездің дискреттілігі.
Лекция жоспары:
1. Онтогенездің генетикалық негіздері.
2. Дифференцировканың генетикалық негіздері.
3. Алғашқы жіктелу.
4. Жіктелудің генетикалық механизмдері.
5. Геннің әрекеті.
6. Онтогенетикалық адаптация.
7. Онтогенездін дискреттілігі (оқшаулығы).
Лекция мақсаты:студенттерге онтогенез және ондағы жіктелудің генетикалық негіздері және генетикалық механизмдері, геннің әрекеті, онтогенетикалық адаптация, онтогенездің дискреттілігі туралы түсініктер беру.
Лекция мәтіні:
1. Организмнің жеке дамуы, яғни онтогенез – биология ғылымының негізгі мәселелерінің бірі болып табылады Диаметрі небары 130–140 микрон, ал салмағы 0,0015 мг адамның жұмырқа клеткасынан ұрықтанғаннан кейін салмағы шамамен 3 кг–дай адам баласы дамиды. Содан біраз күндер, айлар, жылдар өткеннен кейін адам өзін қоршаған дүниені танып, оны өзгерте алу қабілетіне ие болады. Табиғаттың бұл ғажайып жұмбағын шешу үшін ғалымдар организмнің даму процесінің генетикалық заңдылықтарын зерттеуде.
Жеке организмнің дамуы әрқашан ұрықтанған жұмыртқа жасушасынан басталады. Сонда жұмыртқа жасушасында немесе сперматозоидта болашақ ағзаның белгілері дайын күйінде сақталып тұрмайды. Оларда тек оның дамуының бағдарламасы болып және ол бағдарлама белгілі қолайлы бір ішкі және сыртқы орта жағдайларында ғана жүзеге асады.
Сөйтіп, онтогенез деген ұғымға жұмыртқа клеткасының ұрықтануынан бастап, ағза өз тіршілігін жойғанға дейінгі даму процесі жатады. Онтогенездің тұқым қуалау негіздерін зерттейтін генетиканың саласын онтогенетика деп атайды.
2. Көп клеткалы ағзаның жеке дамуының және өсуінің негізінде клеткалардың митоздық бөлінуі жатады. Ағзаның әртүрлі ұлпаларының, атап айтқанда бұлшықеттің, терінің, бауырдың тағы басқа мүшелердің жасушаларының бөліну жолдары бірдей, яғни митоздық жолмен бөлінеді, соған байланысты олардың генотиптері де ұқсас болуы керек. Ол бұлай болған жағдайда онтогенез барысында ұлпалар мен жасушалардың жіктелуінің генетикалық механизмі қандай деген сұрақ туады? Мұндай күрделі сұраққа жауап бере алатын тек онтогенетика.
Онтогенезді генетикалық тұрғыдан зерттеу белгінің қалыптасуына геннің тигізетін әсеріне талдау жасаудан басталады. Ол бір ген бір белгі деген принципте жүргізіледі. Бұл мәселені соңғы деректер тұрғысынан былайша жазуға болады: ген - ДНҚ (РНҚ) - ақуыз -.....белгі.
3. Ағзалардың онтогенезі кезінде өсу, ұлпалардың жіктелуі және морфогенез, яғни мүшелердің қалыптасуы сияқты процестер жүреді.
Жануарларда алғашқы морфологиялық жіктелу жұмыртқа жасушаның цитоплазмасы мен оның үстіңгі қабатының (кортекстің) құрылымына байланысты болады.
Мұның дәлелі ретінде, мысалы кейбір омыртқасыздар мен қосмекенділердің ядросыз жұмырқаларының өзі бластула сатысына дейін даму қабілетін сақтай алады. Кортекстің өзі дискретті (оқшау) түрде қызмет атқара алады. Оның эктодерма, мезодерма және гаструляция процесі басталатын зоналары болады. Сонымен жұмыртқа жасушасы ұрықтануға дейін де жіктеледі. Жұмыртқа ұрықтанғаннан кейін одан әрі тағы да жіктеледі, соның негізінде ұрық дамиды. Сөйтіп жұмыртқа жасушасының қалыптасуына аналық диплоидты ағзадағы барлық гендердің жиынтығы қатысады. Ал мейоздік бөлінуден кейін онда хромосомалардың гаплоидты жиынтығы ғана сақталады. Сонымен қатар диплоидты аналық ағзада түзілген гендік өнімдер цитоплазмада да болады және олар жұмыртқа жасушасының дамуының алғашқы кезеңін қамтамасыз етеді. Себебі, цитоплазмада аналық ағза алдын-ала әзірленген, ұрықтың дамуына қажетті ақуыздың синтезіне матрица болып есептелетін ДНҚ мен ақпаратты РНҚ болады. Сөйтіп, жасушаның кейбір цитоплазмалық органоидтарының өзінде тұқым қуалайтын ақпаратты алып жүре алатын, ядролық нуклеин қышқылдары сияқты ДНҚ , РНҚ–лар кездеседі.
Нағыз онтогенез ұрықтанудан басталады, аталық ағзадан келген гендер де сол сәттен бастап қызмет атқара бастайды.
Егер гендер бүкіл онтогенезді, яғни ағзаның барлық белгілері мен қасиеттерінің қалыптасуын бақылап отырады десек, дамудың әртүрлі кезеңдерінде бір мезгілде бүкіл гендер ме, не болмаса олардың кейбіреулері ғана қызмет атқара ма және ол немен аяқталады деген сұрақтар туады? Бұл сұрақтарға жауап беру үшін мынадай тәжірибелердің нәтижесін келтіруге болады. Бақаның жұмыртқа жасушасының ядросын алып тастап, оның орнына микропипетканың көмегімен дамудың соңғы сатысындағы (бластула, гаструла сияқты) ұрық жасушасының ядросы салынған жағдайда егер донор жасушасының ядросы жіктелу процесін өткерген болса, онда оны алмастырып салғанда реципиент (қабылдап алушы) – жұмыртқадан қалыпты ұрық дамымайды. Ал егер донор жасушасының ядросы жіктелмеген болса, онда реципиент жұмыртқа жасушасынан қалыпты ұрық дами алады. Бұдан гаструляция кезінде ядроның жіктелетіндігін және оның қайтымсыз процесс екендігін көреміз. Ал мұнан шығатын қорытынды: дамудың әр кезеңінде белгілі бір арнаулы гендер ғана қызмет атқара алады.
Одан әрі қарай ұпалардың арасында индукциялық байланыс туады, яғни бір ұлпа екінші ұлпаның дамуына әсер етеді. Мысалы: омыртқалыларда хорданың бастамасы гастуляцияның барысында эктодермоның белгілі бір бөлімімен байланысады, соның нәтижесінде эпидермалды жасушалар эктодерманың басқа бөлімдері сияқты тері эпителиясына жіктелмейді, жүйке жүйесіне жіктеледі.
4. Қазіргі кезде генетиктердің алдында тұрған маңызды бір мәселе жасушаның жіктелуінің генетикалық механизмдерін анықтау. Митоз процесінің нәтижесінде ағзадағы
барлық жасушалар хромосомалардың барлық жиынтығын ала алатындығы белгілі. Бірақ ересек ағза жасушасының құрылымдары мен қызметтері бірдей болмайды. Оған дәлел, мысалы өсімдік жапырақтарында хлорофилл, ал күлте жапырақ жасушаларында антоцион т.б. пигменттер синтезделеді. Ал осы жасушалардағы заттардың синтезделу белсенділігінің жіктелуі қалай реттеледі дейтін болсақ, ол әртүрлі жасушалардағы түрлі гендердің белсенділігіне байланысты.
Бактерия жасушаларында бірдей мезгілде белсеніп, қажетті ферменттердің комплексін жасап шығара алатын гендер тобы бар хромосома табылған. Бұл сол бактерия өсетін ортада белгілі бір қоректік зат, мысалы қант болғанда ғана пайда болады.
Осы тәжірибенің негізінде 50-ші жылдардың аяғында француз ғалымдары Жакоб пен Моно клеткадағы гендер активтілігінің реттелу механизмінің схемасын жасады. Ол схема үш түрлі гендерден тұрады. Олар: ақуыз ферменттердің синтездеріне жауап беретін құрылымдық гендер, ген оператор және реттеуші ген. Ген оператор және онымен тығыз байланысты болып келген құрылымдық гендерді бірге қосып оперон деп атайды. Индукция жағдайында реттеуші ген ақуыз–репрессор жасап шығарады. Ол ген операторға келіп, оперонның қызметін бөгейді. Бірақ жасушада белгілі бір метаболит (зат алмасу өнімі) жинақталып, ақуыз-репрессорға қосылып, оны ген оператордан ажыратып алады, сөйтіп оперонға жұмыс істеуге мүмкіндік туады. Ал репрессия жағдайында ақуыз–репрессор бос күйінде өздігінен ген операторға әсер ете алмайды. Оған белгілі бір метаболит қосылғанда барып оперонның жұмысына бөгет бола алады, соның салдарынан синтез тоқталады.
5. Онтогенетиканың негізгі проблемасы белгінің қалыптасуына геннің тигізетін әсеріне талдау жасау және ген-белгі тізбегіндегі аралық звеноларды тауып фенотип өзгереді. Мұны микроорганизмдермен жүргізілген тәжірибеден көруге болады. Мысалы, нейроспорада болатын никотин қышқылының синтезделуіне зерттеу жүргізгенде оның кейбір мутантты формаларының бұл қышқылды синтездеуге қабілетінің болмайтындығы анықталған. Ал никотин қышқылы синтезінің өзі бірнеше кезеңнен тұрады. Содан мутацияның әсерінен соның біреуінде генетикалық кедергі болған.
Биохимиялық жіктелу әрқашанда морфологиялық жіктелудің алдында жүреді. Сондықтан әрекетінің бастапқы биохимиялық кезеңін зерттеу өте күрделі болғанымен ген қызметінің механизмін түсіндірудің бірден-бір дұрыс жолы болып есептеледі.
Морфогенез және әрбір ұлпалар мен органдардың жіктелуі біртұтас жүйе болып организмнің басқа ұлпаларымен байланысты болады. Сондықтан кез-келген ұлпаның жіктелуін оның басқа ұлпалармен күрделі қарым-қатынаста болуының нәтижесі деп қарастыруға болады. Мысалы, тышқандарда тапалдық (карлик) мутация кездеседі. Зерттей келгенде олардың тапал болуының себебі гипофиздің өсу гормоны питуитринді жасап шығара алмайтындығына байланысты екендігі анықталған.
Сонда бұл жағдайда тапалдықты анықтайтын геннің әсерінен алдымен гипофиздың секторлық клеткалары дұрыс дамымайды. Соның салдарынан бойдың өсу қарқыны баяулайды. Егер жаңа туған тапал тышқанның баласына гипофиздің экстрактын жіберсе, онда оның бойы қалыпты болып өседі. Сөйтіп онтогенезді қолдан реттеп отыруға болады. Мысалы, түрлі витаминдердің көмегімен жануардың, сол сияқты түрлі препараттардың көмегімен өсімдіктердің өсіп дамуын реттеуге болады.
Мутантты геннің өзі әртүрлі организмде түрліше эффект көрсетуі мүмкін. Ол онтогенез процесі жүретін сыртқы орта жағдайларына және генотипке байланысты нәрсе. Геннің фенотиптік көрінісі, яғни белгінің айқын көріну дәрежесі әртүрлі болып келеді. Бұл құбылысты экспрессивтілік деп атайды. Мысалы, тауықтарда рецессивті “қалшылдауық” (дрожанка) мутация кездеседі.
Осы мутация бойынша гомозиготалы балапандардың арасынан қалшылдауықтың аз білінетінін немесе айқын білінетінін кездестіруге болады. Және осы белгі біреулерінде бар болғанымен басқаларында мүлдем болмауы мүмкін. Бұл құбылыс пенетранттылық деп аталады. Экспрессивтілік пен пенетранттылық генотип құрамындағы гендердің өзара әрекеттесуіне және генотиптің сыртқы орта факторларына әртүрлі жауап беруіне байланысты.
6. Ортаға бейімделу - тіршіліктің барлық формаларына тән қасиет. Бейімделу барысында организмнің болсын, клетканың болсын функциональдық қасиеті өзгереді. Организмнің жеке дамуы барысында өзін қоршаған сыртқы орта жағдайларына бейімделу қабілетін онтогенетикалық адаптация дейді. Организм онтогенез барысында тұрақты болып тұратын және өзгеріп отыратын факторларға да бейімделе алады. Онтогенетикалық адаптацияның өзін ұлпалық, клеткалық және организмдік деп бөледі. Клеткалық немесе ұлпалық адаптацияға мысалы, бақаның бұлшық етін жеке бөліп алып, жоғары температураға апарып қойса оның клеткаларында белоктың денатурациясына төзімділік қасиеті пайда болады. Сол сияқты инфузорияны улы ертінділерде немесе жоғары температурада өсірсе кейін соған төзімділігі артады.
Онтогенетикалық адаптацияны көп клеткалардан, соның ішінде жануардан анығырақ байқауға болады. Оны ең алдымен организмнің ішкі ортасының тұрақтылығын қамтамасыз етіп тұратын физиологиялық күйі басқарып отырады. Көп клеткалы организмде басқа да бейімделу механизмдері бар.
Мысалы иммунитет, яғни организмнің өзінде бар иммунологиялық қасиетті инфекцияға қарсы жұмсауы да онтогенездегі аса маңызды адаптациялық механизмге жатады. Жануардың мінез-құлқының да олардың ортаға бейімделуіне қатысы бар. Сондықтан мінез-құлыққа генетикалық, физиологиялық тұрғыдан анализ жасаудың онтогенезді зерттеуге тікелей қатысы бар.
Эволюция процесінде жануарларда да сыртқы шартты рефлекстер арқылы бейімделу механизмі пайда болған. Жануарларда шартты рефлекстердің пайда болу мүмкіндігінің өзі генотип арқылы анықталады. Ол жануарларда туғаннан бастап-ақ қалыптаса бастайды, яғни олар өзі қабылдай алатын сыртқы тітіргендіргіштердің бәріне де жауап береді. Мысалы, араларда өсімдіктің түсіне, иісіне шартты рефлекс жасалады. Егер оларды бір көк түсті тақтайшаның қасына қоректенуге дағдыландырса, олар адаспай сол жерге келіп тұрады, ал тақтайшаны басқа бір жерге ауыстырып қойса, олар оны тез арада тауып алады.
Белгілі бір шартты рефлексті бірнеше буын бойы қайталап отыру арқылы сондай шартты рефлекске тән генотипті сұрыптап алуға болады. Мысалы, тышқандарда ұзақ уақыт бойы қалыптасқан оңға бұрылып қозғалу шартты рефлексін сұрыптап алу арқылы генотипі тұрғысынан тек гені анотомиялық, физиологиялық жағынан да сәйкес келетін линиясын алуға болады. Соның нәтижесінде оларда оңға бұрылып қозғалу тұқым қуалайтын қасиетке айналады.
Жануарларда шартты рефлекспен қатар туа пайда болған шартсыз рефлекс те бар. Мысалы: барлық жануарлар ешбір үйретусіз-ақ өз ұрпақтарына қамқорлық жасайды, қоректендіреді. Сол сияқты тағы да басқа әрекеттер жасайды. Бұлар ата-анадан тұқым қуалап алған мінез-құлық типіне жатады, оны “инстинкт” дейді.
Онтогенетикалық адаптацияның механизмін түсіндіру үшін сигналдық тұқым қуалауды алуға болады. Мысалы, жұмыртқадан жаңа шыққан балапандар өз енесінің берген сигналдарын қабыл алады. Ал егер инкубатордан шыққан балапандарды тауыққа ертсе, олар оның сигналын қабыл алмайды. Бұл жағдайда енесі мен оның ұрпағының арасында сигналдық байланыс жоқ екенін көреміз. Сол сияқты егер кейбір әнші құстардың балапандары басқа құстардың ұясында өссе олардың дауысы сол кейінгі өгей ата-енелердің дауысына ұқсап кетеді.
Атақты генетик М.Е.Лобашев ата-анадан ұрпаққа берілетін информацияның бұл формасы, яғни сигналдық информация тұқым қуалаушылыққа жатпайды, себебі ол ген арқылы анықталмайды. Бірақ организмнің сигналдық қабылдау қабілеті тұқым қуалайтын қасиет, соған байланысты шартты түрде сигналдық тұқым қуалайды деуге де болады. Мұның жануарлар эволюциясында маңызы зор деген.
Сигналдық тұқым қуалаудың жас ұрпақты оқытып тәрбиелеудегі ролі де жоғарғы бағаланады.
7. Онтогенез барысында организм біртұтас система болып тіршілік етеді. Сондықтан қандай болмасын құрылым мен функциялар бір-біріне тығыз байланысты. Дегенмен онтогенез барысында оқшаулылық, яғни дискреттілігі байқалады. Бұл жағдайда жеке даму процесі бір қалыпты өтпей өсу мен дамудың сипаты өзгеріп отырады. Мысалы, өсімдіктердегі даму стадияларын алуға болады.
Бірінші яровизация стадиясы - ол тұқым өне бастағаннан басталады. Бұл кезде организм үшін қажетті негізгі фактор температура болып есептеледі. Мысалы, жаздық бидай бұл стадиядан 5-12 температурада 7-15 күнге, ал күздік бидай 0-10 температурада 30-70 күнге өтеді.
Келесі жарық стадиясы. Бұл стадияда дамуды анықтайтын басты фактор жарық, яғни күн ұзақтығы. Мысалы, жүгері, мақта сияқты өсімдіктер қысқы күнде өсетін, ал қара бидай, брюква т.б. ұзақ күн өсімдіктеріне жатады. Егер өсімдік яровизация стадиясында тиісті температура алмай, белгілі бір жарық режимінде өссе, ол өзінің дамуын толық аяқтай алмайды. Стадиялық өзгерістер міндетті түрде бірінен-соң бірі кезектесіп келеді, жарық стадиясы тек яровизация стадиясынан соң жүреді.
Онтогенездің дискреттілігі дамудың кейбір құбылмалы кезеңдерінде де (критический период) байқалады. “Құбылмалы кезең” деген ұғым тұтас организмге емес белгілі бір органдар мен ұлпаларға тән. Кез-келген орган бұл кезеңге морфогенез процесі қарқынды түрде жүріп жатқан кезде кезігеді. Және дәл сол кезде ол сол сияқты орта факторларына сезімтал келеді. Сондықтан сыртқы факторлар құбылмалы кезеңде түрін оп-оңай фенотиптік өзгеріске ұшырата алады.
Жеке дамудың белгілі бір кезеңінде организмге сыртқы орта факторының әсер етуінен пайда болатын тұқым қуалайтын фенотиптік өзгерістерді морфоз деп атайды. Кейбір морфоздар мутацияға өте ұқсас болып келеді, оның фенокопия дейді.
Мысалы, дрозофила шыбындары личинкаларының дамуының құбылмалы кезеңінде химиялық мутагенмен не температурамен әсер ету арқылы қанаттарының тілігі бар, яғни морфозға ұшыраған ұрпақтар алуға болады.
Күздің күнгі температураның төмендеуіне байланысты табиғатта фенокопиялық өзгерістер байқалады. Мысалы, өсімдіктердің жапырақтары сарғаяды.
Бақылау сұрақтары:
1. Онтогенез деген не?
2.Онтогенездің генетикалық негіздерін қандай биология саласы зерттейді?
3. Жіктелудің генетикалық негіздері қандай?
4. Алғашқы жіктелу қалай жүреді?
5. Жіктелудің генетикалық механиздері қалай өтеді?
6. Экспрессивтілік құбылысы.
7. Пенетранттылық құбылысы.
8. Онтогенетикалық адаптация деген не?
9. Дискреттілік деген не?
10.Морфоз және фенокопия деген не?
12-тақырып. Популяциялар генетикасы және эволюцияның генетикалық негіздері. Популяция және оның генетикалық құрылымы. Популяциялардағы генетикалық эволюцияның негізгі факторлары. Генофонд жөнінде ұғым.
Лекция жоспары:
1. Популяциялық генетика және эволюцияның генетикалық негіздері.
2. Популяция және оның генетикалық құрылымы.
3. Популяциялардағы генетикалық эволюцияның негізгі факторлары.
4. Генофонд жөнінде ұғым.
Лекция мақсаты:студенттерге популяция және оның генетикалық құрылымы, популяциялардағы генетикалық эволюцияның негізгі факторлары, генофонд туралы түсініктер беру.
Лекция мәтіні:
Популяциялық генетика – тұқым қуалаушылық құбылысын дарақтарда, яғни популяцияда зерттейтін генетиканың бөлімі. Генетик-популяционистер популяцияның генетикалық құрылымын және осы құрылымның ұрпақтан ұрпаққа өзгеруін зерттейді.
Эволюция процесін зерттегенде, біз популяцияда жүретін генетикалық процестерді қарастырамыз. Генетикалық тұрғыдан эволюция дегеніміз – белгілі популяциядағы гендер жиілігінің өзгеруі. Сондықтан да популяциялық генетиканы эволюциялық генетиканың бір бөлігі ретінде де қарауға болады. Бірақ бұл екі бөлімді әйтсе де жеке бөлу қажет, өйткені популяциялар генетикасының зерттеу тақырыбы нақты түрдің популяциялары болса, ал эволюциялық генетиканың тақырыбы болып бір немесе әр алуан түрлерге жататын кез келген популяция саналады.
Түр дегеніміз морфологиялық жағынан өте ұқсас, шыққан тегі бір және табиғи жағдайда бір-бірімен шағылысатын, белгілі бір ареалға тараған, сыртқы орта жағдайларына да бейімделуі ұқсас ағзалардың тарихи қалыптасқан жиынтығы.
Бір түрге жататын ағзалардың өзіне тән фенотипі және генотипі болады. Кейбір түрлердің таралу ареалы кең, оған бірнеше географиялық нәсілдер немесе түр тармақтары енеді, оларды политипті деп атайды. Ал енді біреулерінің ареалы шектеулі болып келеді де, географиялық нәсілдер құрай алмайды, ондай түрлерді монотипті деп атайды. Белгілі бір түрге жататын әрбір ағзаның сол түрге тән жалпы қасиеттерімен қатар өзіндік жеке генотиптік ерекшеліктері болады. Бір түрге жататын өкілдер бір-бірімен жақын немесе бірге жүруі шарт емес. Олар бір-бірінен оқшауланып, жекеленген топтар – популяциялар құрауы мүмкін.
Жеке алынған дарақ эволюциялық процестің бірлігі бола алмайды, себебі оның генотипі өмір бойы өзгермейді және де оның өмір сүру уақытысы шектелген. Сонымен эволюциялық процестің қарапайым бірлігінің негізін жеке организм емес, популяция құрайды. Популяция дегеніміз белгілі бір ареалды мекендейтін, өзара еркін будандаса алу қабілеті бар бір түр ішіндегі организмдер тобы болып саналады. Мысалы, Колгуев аралындағы бұғылар Қиыр Солтүстік материктегі бұғылардан теңізбен бөлінген. Осының нәтижесінде Колгуев бұғыларының ерекше популяциясы пайда болған, олар осы түрдің қалған бұғыларымен салыстырғанда генотипі де, фенотипі де өзгеше, ірі және өмір сүргіштігі жоғары. Популяция - түрдің бір бөлігі. Популяция сонымен бірге мәдени өсімдіктерде және үй жануарларында кездеседі. Популяциялар үздіксіз ұрпақтардың қатары болып табылады. Бұдан басқа, популяцияның генетикалық құрылымы өзгеруі мүмкін, яғни ұрпақтан ұрпаққа эволюция жолымен дами алады.
Мал шаруашылығында популяция деп белгілі санымен және нақты ареалда таралумен сипатталатын мал тобын түсінеді. Мұндай популяция басқа популяциялардан генетикалық құрылымы, өнімділік сапасы және т.б. белгілері бойынша айырмашылық жасайды. Егер мал шаруашылығы малдың белгілі бір тұқымымен айналысса, популяция малдың сол бір тұқымынан ғана құралуы мүмкін. Сондай-ақ популяцияның құрамына әр түрлі тұқымдар кіруі мүмкін. Әдетте популяция – тұйықталған топ, себебі малды басқа популяциядан, шеттен әкелу және шетке шығару шектелген, өйткені көпшілік жағдайда популяциядағы малдардың көбеюі, сол популяциядағы аналық және аталық малды жұптау арқылы іске асады.
Популяциялардың екі түрін – табиғи және жасанды популяцияларды ажыратады. Табиғи популяцияның генетикалық құрамы негізінен табиғи сұрыпталудың нәтижесінде анықталса, ал жасанды популяцияның қалыптасуы адам арқылы жүретін қолдан сұрыптау арқылы іске асады. Осыған байланысты ауыл шаруашылығында өсірілетін малдар тұқымын алуан түрлі жасанды популяциялар ретінде қарауға болады.
Өздігінен ұрықтанатын организмдер популяциясының генетикалық құрылымы.Популяцияның құрылымын генетикалық және статистикалық әдістермен зерттеуді алғашқы рет 1903 жылы В.Иоганнсен қолданды.
Иоганнсен зерттеу обьектісі ретінде жекелеген өсімдіктердің ұрпақтарын топқа оңай бөлуге келетін, яғни таза линияларды бөліп алуға болатын өздігінен тозаңданатын өсімдіктер популяциясын алды. Полигенді анықталатын және сыртқы орта факторларының әсеріне күшті ұшырайтын бұршақ тұқымының (Phasealus vulgaris) массасын зерттеді.
Иоганнсен бұршақтың бір сортының тұқымын өлшеп, ол көрсеткіш бойынша вариациялық қатар жасады. Массасы 150-ден 750 мг-ға дейін болды. Онан әрі массасы 250-350 және 550-650 мг болған тұқымдар бөлек себілді. Өсірілген әр өсімдіктің тұқымы қайта өлшенілді. Популяция жасап отырған сорттан таңдап алынған ауыр (550-650 мг) және жеңіл (250-350 мг) тұқымдар бөлек егілді, олардан массасы әртүрлі өсімдіктер алынды. Ауыр тұқымдардан өскен өсімдіктер тұқымының орташа массасы 518,7 мг, ал жеңіл тұқымнан өскендерінікі – 443,4 мг болды. Осы арқылы бұршақтың сорты – популяциясы әрқайсысы таза линияның басы бола алатын генетикалық әр түрлі өсімдіктерден тұратындығы көрсетілді.
Иоганнсен 6-7 ұрпақ бойында әрбір өсімдіктен ауыр және жеңіл тұқымды бөлек жинап отырды. Бірде-бір линияда тұқым массасының айтарлықтай өзгерісі болмады. Таза линияның ішіндегі тұқым көлемдерінің өзгеруі тұқым қуаламайтын, модификациялық өзгергіштік болып табылады.
Сонымен, өздігінен тозаңданатын өсімдіктердің популяциясы генотиптік жағынан алғанда әр түрлі линиялардан тұрады, өйткені мұндай популяцияның өсімдіктері өзара будандаспайды.
Жеке организм өздігінен ұрықтанғанда жаңа нәсілдің, сондай-ақ сорттың немесе тұқымның басы бола алады. Мысалы, популяциядан таңдап алынған бір дәннен бидайдың жаңа сорты шығарылуы мүмкін.
Айқас ұрықтанатын организмдер популяциясының құрылымы.Табиғатта айқас ұрықтанатын организмдердің популяциясы генотипі әр түрлі особьтардың еркін будандасуы жолымен, яғни панмиксия негізінде қалыптасады. Панмиксия популяциясының құрылымын ашып көрсету үшін Д.Джонс және Е.Ист ұсынған қолдан жасалған будан популяциясының модельді тәжірибесін қарастырып көрейік. Олар күлтесінің биіктігі (қысқа және ұзын) әр түрлі болатын темекінің екі түрін өзара будандастырды. Бірінші ұрпақ өсімдіктері өзара будандастырылды, ал екінші ұрпақтың осы белгі бойынша өзгергіштігі ұқсас болған А және В линиялары алынды. Күлтенің ұзындығын көп гендер анықтайды, ол екінші ұрпақта (F2) 52-ден 88 мм-ге дейінгі мөлшерде. Алынған линиялар ұрпақтарында бес ұрпақ бойы сұрыптау жүргізілді: сұрыптау А линиясында қысқа күлтеге, В линиясында ұзын күлтеге жүргізілді. Екі линияның ішінде әрбір ұрпақта іріктеп алынған формалар өзара будандастырылды. Зерттеу нәтижесі бойынша, бесінші ұрпақтың өзінде А және В линиялары арасындағы айырмашылық орасан зор болды. А линиясындағы күлтенің ең биігінің ұзындығы В линиясындағы күлтенің ең аласасының ұзындығынан кем түсті, бұлардың арасында бірін-бірі басу (трансгрессия) болмады.
Демек, іріктеп алынған формаларды сұрыптау және будандастыру арқылы бастапқы популяцияға қарағанда басқаша белгілері бар линиялар жасауға болады. Бұл оның гетерогендігін көрсетеді. Бұл тәжірибеде қолдан сұрыптау бір белгі бойынша жүргізілді. Ал табиғатта табиғи сұрыптау көптеген белгілер бойынша жүргізіледі.
Популяциялардағы генетикалық эволюцияның негізгі факторларынамиграция және гендер дрейфі жатады.Миграциянемесе гендер ағыны деп бір популяция дарақтарының екінші популяцияға еніп, ондағы дарақтармен шағылысуын айтады. Гендер ағыны түгел түрдің аллельдер жиілігін өзгерте алмайды, алайда, бұл жиілік жергілікті популяцияда өзгеруі мүмкін, кірме және жергілікті дарақтардың аллельдер жиілігі әртүрлі болса.
Популяция гені жиілігінің өзгеру дәрежесінің екінші себебі иммиграция жылдымдығына байланысты. Ген ағынының жылдымдығы (m) 0-ден 1-ге дейін ауытқиды. Егер m ═ 0 болса, онда иммиграциялық аллельдің жоқ екенін, ал m ═ 1 болса, онда ол жергілікті популяция аллелінің бір ұрпақ аралығында иммиграциялық аллельге толық ауысқанын білдіреді. Ген ағынының жылдамдығын мына формула арқылы анықтайды:
бір ұрпақтағы кірме дарақтар саны
m ═ -----------------------------------------------
популяцияның жалпы саны
Жергілікті популяцияның қайсыбір аллелінің жиілігін q0 деп, ал кірме дарақтардың аллелінің жиілігін qm деп белгілейік. Онда бұл аллельдің аралас популяциядағы жиілігі мынадай болуы керек:
q ═ m (qm - q0 )
Мысалы, жергілікті популяцияда бір аллельдің жиілігі q0 ═ 0,5-ке, ал кірме дарақтар арасында qm ═ 0,6-ға тең болсын дейік. Ген ағынының жылдамдығы - m ═ 0,002. Миграция нәтижесінде бір ұрпақ аралығындағы аллельдің өзгеруі жиілігін есептеу керек:
q ═ 0,002 (0,6-0,5) ═ 0,0002
Мал шаруашылығында гендер ағынымен селекционерлер жиі кездеседі, өйткені жергілікті мал тұқымының сапасын жақсарту үшін басқа популяциядан (кейде шет елден) әкелінген асыл нәсілді басқа мал тұқымын немесе ұрығын қолдану мал тұқымын асылдандыру жұмысының қажетті тармағы болып саналады.
Әртүрлі популяцияларда мутацияның таралуы осы миграция арқылы жүруі мүмкін. Әсіресе мал шаруашылығында бұл басқа жерлерден, мемлекеттерден мал әкелу, әсіресе аталық малды (бұқа, қошқар, айғыр және т.б.) немесе олардың спермаларын әкеліп пайдаланумен байланысты. Мысалы, голштинофриз тұқымын АҚШ-тан ФРГ-ге әкелу, немістің қарала тұқымына кіндіктен болатын жарық кемістігін таратты. Біздің елде бір асыл тұқымды мал зауытында 1/29 хромосомының транслокациясы бар бұқалардың басқа жерлерге сатылуын айтуға болады. Бұл уақытында ескертілмегенде зиянды мутацияның таралуына себеп болушы еді.
Гендер дрейфідеп аллельдер жиілігінің кездейсоқ себептерге, мысалы, популяция санының аз болуына байланысты өзгеруін түсінеді. Популяцияның саны туралы жүйелі түсінікті популяция дарақтарының жалпы саны емес, келесі ұрпақты беретін дарақтар саны береді, өйткені келесі ұрпақтың генофондына барлық популяция емес, өзара шағылысатын даралар ғана үлесін қоса алады.
Популяцияның әрбір келесі ұрпағының генофонды олардың бастамасын берген ата-аналық ұрпақтың іріктемесі болып саналады. Сондықтан мутация, сұрыптау және миграцияның әсері болмағанның өзінде популяцияның генетикалық құрылымы іріктеме қателігі арқылы өзгеруі мүмкін. Мұндай өзгерістің ауытқуы іріктеме (популяциядағы өзара шағылысатын дарақтар саны) кеміген сайын арта түседі. Демек, гендер дрейфінің әсері шағын популяцияда жиі байқалады.
Айталық қайсыбір аллельдің жиілігі р ═ 0,5-ке тең ата-аналық популяциядан 5000 ұрпақ алынатын болса, онда осы аллельдің кездейсоқ себептердің әсерінен (бұл аллельге сұрыптаудың әсері жоқ) ауытқуы 0,48-0,52 аралығынан аспайды. Егерде ата-аналық популяция аз болып, 50 ғана ұрпақ беретін болса, онда аллельдің ұрпақтағы ауытқу жиілігі 0,30-0,70 аралығында болады.
Шағын популяцияда іріктеме қателігі күрт артады да ген жиілігі кең көлемде ауытқиды. Ақыр аяғында бұл аллельдің түгелдей жойылуына (р ═ 0) немесе геннің басқа аллелінің толық ығысуына (р ═ 1) әкелуі мүмкін. Сондықтан гендер дрейфі шағын популяциялардың генофондысының қалыптасуында үлкен роль атқарады.
Гендердің кездейсоқ дрейфі арқылы пайда болған өзгеріс популяцияның бейімділігін едәуір деңгейде төмендететін болса, онда мұндай популяция жойылып кетуі де мүмкін. Сондықтан кездейсоқ дрейф арқылы пайда болған барлық өзгерістер сақтала алмайды.
Гендер дрейфінің шегі болып бірнеше ғана даралардан тұратын жаңа популяцияның пайда болуы саналады. Мұндай популяция санаулы ғана даралардың иммиграциясы нәтижесінде пайда болады да, онда бастапқы популяцияның көптеген гендері жоғалып кетеді. Бұл процесс Э.Майрдың ұсынысы бойынша “негізін салушының әсері” деп аталады және ол эволюцияда маңызды роль атқаруы мүмкін. Әдетте гендер дрейфі популяцияның генетикалық өзгергіштігін азайтады. Шағын популяция ішіндегі ұзақ уақыт аралығындағы шағылысу гетерозиготалардың бөлігін азайтып, гомозиготалардың бөлігін көбейтеді.
3. Табиғи мутациялық процестің және сұрыптаудың нәтижесінде әрбір популяция өзіне тән нәсілдік қасиеттерімен, хромосома құрылымымен сипатталады. Осы тұқым қуалайтын бірліктердің (гендердің) популяциядағы жиынтығын генофонддеп атайды. Генофонд деген теориялық қана емес, практикалық маңызы бар ұғым.
Малдың әрбір тұқымы басқа тұқымдардан ең бірінші генофонды арқылы ерекшеленеді. Әр тұқымның өнім дәрежелері, сыртқы пішіні, физиологиялық ерекшеліктері және анатомиялық құрылысы осы гендер жиынтығымен анықталады. Егер тұқымның генофондында бағалы нәсілдік бастама болмаса немесе құнды гендер шоғыры өте аз болса, онда бұл тұқымды қажетті бағытта жетілдіру өте қиынға түседі. Мысалы, сүттілігі, сырт пішіні және салмағы өте жақсы қара ала тұқымды сиырлардың сүті өте сұйық, жоғары майлылығы сирек болады. Ал осы белгі бойынша тұқымды жақсарту үшін сүт майлылығы жоғары басқа тұқыммен шағылыстыру керек. Бұл жұмыс зоотехникті көп ойландырады, себебі жаңа тұқым шығару үшін қажетті бастапқы материалды (тұқымды) дұрыс алу қажет.
Бақылау сұрақтары:
1. Түр дегеніміз не?
2. Генофонд деген не?
3. Популяция деген не?
4. Өздігінен ұрықтанатын организмдер популяциясының генетикалық құрылымы.
5. Айқас ұрықтанатын организмдер популяциясының құрылымы.
6. Панмиксия деген не? Трансгрессия деген не?
7. Миграция немесе гендер ағыны дегеніміз не?
8. Популяция құрылымының өзгеруіне миграцияның әсері қандай?
9. Гендер дрейфі деген не?