Институт физиологии им. И.П. Павлова
Российской Академии Наук

ПРОГРАММА-МИНИМУМ

кандидатского экзамена по специальности

03.00.15- «Генетика»

по биологическим и медицинским наукам

Введение

Основу программы составляют как ставшие классическими наблю дения ученых конца XIX начала XX вв. по наследованию признаков и их молекулярному детерминированию, так и современные сведения о при роде генов и механизмах их функционирования.

Программа разработана экспертным советом Высшей аттестаци онной комиссии по биологическим наукам при участии Московского го сударственного университета им. М.В. Ломоносова.

1. Общие сведения

Предмет генетики. Истоки генетики. Понятия: ген, генотип, фено тип, мутации. Место генетики среди биологических наук. Истоки генети­ ки. Роль отечественных ученых в развитии генетики и селекции (Н.И. Вавилов, А.С. Серебровский, Н.К. Кольцов, Ю. А. Филипченко, С.С. Четвериков и др.).

Место генетики среди биологических наук. Значение генетики для решения задач селекции, медицины, биотехнологии, экологии.

2. Материальные основы наследственности

Понятие о генетической информации. Доказательства роли ядра и хромосом в явлениях наследственности. Локализация генов в хромосо­ мах. Роль цитоплазматических факторов в передаче наследственной ин­ формации.

Деление клетки и воспроизведение. Митотический цикл и фазы митоза. Мейоз и образование гамет. Конъюгация хромосом. Редукция числа хромосом. Генетическая роль митоза и мейоза, Кариотип. Парность хро­ мосом в соматических клетках. Гомологичные хромосомы. Специфич­ность морфологии и числа хромосом.

Молекулярные основы наследственности. Истоки биохимической генетики. Концепция «один ген - один полипептид». Белок как элементар­ ный признак.

Доказательства генетической роли нуклеиновых кислот (трансфор­ мация у бактерий, опыты с вирусами). Структура ДНК и РНК. Модель ДНК Уотсона и Крика. Функции нуклеиновых кислот в реализации генетической информации: репликация, транскрипция и трансляция. Методологическое значение принципа передачи генетической информации: ДНКЫРНКЮбе лок. Свойства генетического кода. Доказательства триплетности кода. Рас­шифровка кодонов. Вырожденность кода. Терминирующие кодоны. Поня­ тие о генетической супрессии. Универсальность кода.

Строение хромосом: хроматида, хромомеры, эухроматические и гетерохроматические районы хромосом. Изменения в организации мор­ фологии хромосом в ходе митоза и мейоза. Репликация хромосом. Поли­ тения. Онтогенетическая изменчивость хромосом. Молекулярная органи­ зация хромосом прокариот и эукариот. Компоненты хроматина: ДНК, РНК, гистоны, другие белки. Уровни упаковки хроматина, нуклеосомы.

3. Генетический анализ

Основные закономерности наследования. Цели и принципы ге­нетического анализа. Методы: гибридологический, мутационный, ци тогенетический, генеалогический, популяционный, близнецовый, био химический.

Основы гибридологического метода: выбор объекта, отбор материала для скрещиваний, анализ признаков, применение статистического метода. Разрешающая способность гибридологического метода. Генетическая символика.

3.1. Моногибридные и полигибридные скрещивания

Закономерности наследования при моногибридном скрещивании, открытые Г. Менделем: единообразие гибридов первого поколения, рас щепление во втором поколении. Представление Г. Менделя о дискретной наследственности (факториальная гипотеза).

Представление об аллелях и их взаимодействиях: полное и неполное доминирование, кодоминирование. Закон «чистоты гамет». Гомозиготность и гетерозиготность. Анализирующее скрещивание, анализ типов и анализ соотношения гамет у гибридов. Расщепление по фенотипу и генотипу во втором поколении и анализирующем скрещивании при моногенном контроле при знака и разных типах аллельных взаимодействий (3:1,1:2,1:1).

Относительный характер доминирования. Возможные биохимические механизмы доминирования.

Закономерности наследования в ди- и полигибридных скрещиваниях при моногенном контроле каждого признака: единообразие первого поколения и расщепление во втором поколении. Закон независимого на следования генов. Статистический характер расщеплений. Общая форму ла расщеплений при независимом наследовании. Значение мейоза в oc у ществлении законов «чистоты гамет» и независимого наследования. Усло вия осуществления «менделевских» расщеплений.

Отклонения от «менделевских» расщеплений при ди- и поли генном контроле признаков. Неаллельные взаимодействия: комплементарность, эпистаз, полимерия. Биохимические основы неаллельных вза имодействий.

Особенности наследования количественных признаков (полигенное наследование). Использование статистических методов при изучении ко личественных признаков.

Представление о генотипе как сложной системе аллельных и неа ллельных взаимодействий генов. Плейотропное действие генов. Пенетрантность и экспрессивность.

3.2. Хромосомное определение пола и наследование признаков,
сцепленных с полом

Половые хромосомы, гомо- и гетерогаметный пол; типы хромо­ сомного определения пола. Наследование признаков, сцепленных с по­ лом. Значение реципрокных скрещиваний для изучения сцепленных с по­лом признаков. Наследование при нерасхождении половых хромосом. Ба­ лансовая теория определения пола. Гинандроморфизм.

3.3. Сцепленное наследование и кроссинговер

Значение работ школы Т. Моргана в изучении сцепленного насле­ дования признаков. Особенности наследования при сцеплении. Группы сцепления.

Кроссинговер. Доказательства происхождения кроссинговера в мейозе и митозе на стадии четырех нитей. Значение анализирующего скре­ щивания и тетрадного анализа при изучении кроссинговера. Цитологи­ ческие доказательства кроссинговера.

Множественные перекресты. Интерференция. Линейное располо­ жение генов в хромосомах. Основные положения хромосомной теории наследственности по Т. Моргану.

Генетические карты, принцип их построения у эукариот. Использо­вание данных цитогенетического анализа для локализации генов. Цитоло­гические карты хромосом. Митотический кроссинговер и его использова­ ние для картирования хромосом. Построение физических карт хромосом с помощью методов молекулярной биологии.

3.4. Генетический анализ у прокариот

Особенности микроорганизмов как объекта генетических исследо­ваний. Организация генетического аппарата у бактерий. Представление о плазмидах, эписомах и мигрирующих генетических элементах (инсерци онные последовательности, транспозоны).

Методы, применяемые в генетическом анализе у бактерий и бакте­риофагов: клональный анализ, метод селективных сред, метод отпечатков и др. Особенности процессов, ведущих к рекомбинации у прокариот. Конъ­ югация у бактерий: половой фактор кишечной палочки. Методы генети­ ческого картирования при конъюгации. Кольцевая карта хромосом прока риот. Генетическая рекомбинация при трансформации. Трансдукция у бактерий. Общая и специфическая трансдукция. Использование транс­ формации и трансдукции для картирования генов.

4. Внеядерное наследование

Закономерности нехромосомного наследования, отличие от хромо­сомного наследования. Методы изучения: реципрокные, возвратные и по­ глощающие скрещивания, метод трансплантации, биохимические методы.

Материнский аффект цитоплазмы. Наследование завитка у моллюс­ков. Пластидная наследственность. Наследование пестролистности у рас­ тений. Наследование устойчивости к антибиотикам у хламидомонады. Митохондриальная наследственность. Наследование дыхательной недоста­ точности у дрожжей.

Взаимодействие ядерных и внеядерных генов. Цитоплазматическая мужская стерильность у растений.

Инфекционные факторы в неядерной наследственности. Наследо­вание каппа-частиц у парамеций при разных способах размножения (при нормальной и продленной конъюгации, при аутогамии). Наследование сигма-фактора у дрозофилы.

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

Значение изучения нехромосомного наследования в понимании проблем эволюции клеток высших организмов, происхождения клеточ­ ных органелл (пластид и митохондрий). Эндосимбиоз.

5. Генетическая изменчивость

Понятие о наследственной и ненаследственной (модификационной) изменчивости. Формирование признаков как результат взаимодействия генотипа и факторов среды. Норма реакции генотипа. Адаптивный харак тер модификаций. Комбинативная изменчивость, механизм ее возникно­ вения, роль в эволюции и селекции.

Геномные изменения: полиплоидия, анеуплоидия. Автополиплои ды, особенности мейоза и характер наследования. Аллополиплоиды. Ам фидиплоидия как механизм возникновения плодовитых аллополиплоидов. Роль полиплоидии в эволюции и селекции. Анеуплоидия: нуллисомики, моносомики, полисомики, их использование в генетическом анализе. Осо­ бенности мейоза и образования гамет у анеуплоидов, их жизнеспособ­ ность и плодовитость.

Хромосомные перестройки. Внутри- и межхромосомные пере­ стройки; делеции, дупликации, инверсии, транслокации, транспозиции. Механизмы их возникновения, использование в генетическом анализе для локализации отдельных генов и составления генетических карт. Особенно­ сти мейоза при различных типах перестроек.

Классификация генных мутаций. Представление о прямых и обрат­ ных, генеративных и соматических, адаптивных и нейтральных, летальных и условно летальных, ядерных и неядерных, спонтанных и индуцирован­ ных мутациях. Общая характеристика молекулярной природы возникно­ вения генных мутаций: замена оснований; выпадение или вставка основа­ний (нонсенс, миссенс и фрэймшифт типа). Роль мобильных генетических элементов в возникновении генных мутаций и хромосомных перестроек.

Спонтанный и индуцированный мутационный процесс. Количе­ ственная оценка частот возникновения мутаций. Многоэтапность и ге­ нетический контроль мутационного процесса. Радиационный мутаге­ нез: генетические эффекты ионизирующего излучения и УФ-лучей. За­ кономерности «доза - эффект». Химический мутагенез. Особенности мутагенного действия химических агентов. Факторы, модифицирующие мутационный процесс. Антимутагены. Мутагены окружающей среды и методы их тестирования

6. Теория гена. Структура генома

Представление школы Моргана о строении и функции гена. Функ­циональный и ре- комбинационный критерии аллелизма. Множественный аллелизм. Мутационная и рекомбинационная делимость гена. Работы школы Серебровского по ступенчатому аллелизму. Псевдоаллелизм. Функциональный тест на аллелизм (цис-транс-тест).

Исследование тонкой структуры гена на примере фага Т4 (Бен зер). Сопоставление физических и генетических размеров единиц карты для установления размеров гена и минимальной единицы мутирования и рекомбинации. Ген как единица функции (цистрон). Явление межал лельной комплементации, относительность критериев аллелизма. Молекулярно-генетические подходы в исследовании тонкого строения генов. Перекрывание генов в одном участке ДНК. Интрон-экзонная организа­ция генов эукариот, сплайсинг. Структурная организация генома эука риот. Классификация повторяющихся элементов генома. Семейства ге­ нов. Псевдогены. Регуляторные элементы генома. Молекулярно-генетические методы картирования генома. Проблемы происхождения и моле­ кулярной эволюции генов. Понятие о структурной, функциональной и эволюционной геномике.

7. Молекулярные механизмы генетических процессов

Преемственность проблем «классической» и молекулярной гене­ тики. Мутационные модели.

Генетический контроль и молекулярные механизмы репликации. Полуконсервативный способ репликации ДНК. Полигенный контроль про­ цесса репликации. Схема событий в вилке репликации. Понятие о репли коне. Особенности организации и репликации хромосом эукариот. Систе­ мы рестрикции и модификации. Рестрикционные эндонуклеазы.

Проблемы стабильности генетического материала. Типы структур­ных повреждений в ДНК и репарационные процессы. Генетический конт­ роль и механизмы эксцизионной и пострепликативной репарации, репара­ ция неспаренных оснований, репаративный синтез ДНК. Роль репарацион­ ных систем в обеспечении генетических процессов. Нарушения в процес­ сах репарации как причина наследственных молекулярных болезней.

Рекомбинация: гомологический кроссинговер, сайт-специфи­ческая рекомбинация, транспозиции. Доказательство механизма об­щей рекомбинации по схеме «разрыв - воссоединение». Молекуляр ная модель рекомбинации по Холлидею. Генная конверсия. Сайт-специ­ фическая рекомбинация: схема интеграции и исключения ДНК фага 1. Ге­ нетический контроль и механизмы процессов транспозиции.

Генетический контроль мутационного процесса. Связь мутабиль ности с функциями аппарата репликации. Механизмы спонтанного мута­ генеза; гены мутаторы и антимутаторы. Механизмы действия аналогов оснований, азотистой кислоты, акридиновых красителей, алкилирующих агентов. Понятие о мутагенных индуцибельных путях репарации; УФ-му тагенез. Мутагенез, опосредованный через процессы рекомбинации. Ме­ ханизмы автономной нестабильности генома, роль мобильных генети­ ческих элементов.

Молекулярные механизмы регуляции действия генов. Регуляция транскрипции на уровне промотора, функций РНК-полимеразы. Принци­пы негативного и позитивного контроля. Системная регуляция; роль цик­ лической АМФ и гуанозинтрифосфата. Оперонные системы регуляции (теория Жакоба и Моно). Генетический анализ лактозного оперона. Регу­ ляция транскрипции на уровне терминации на примере триптофанового оперона.

Принципы регуляции действия генов у эукариот. Транскрипцион но активный хроматин. Регуляторная роль гистонов, негистоновых белков, гормонов. Особенности организации промоторной области у эукариот. Посттранскрипционный уровень регуляции синтеза белков. Роль мигри­ рующих генетических элементов в регуляции генного действия.

8. Генетика развития

Онтогенез как реализация наследственно детерминированной про­ граммы развития. Стабильность генома и дифференциальная активность генов в ходе индивидуального развития. Первичная дифференцировка цитоплазмы, действие генов в раннем эмбриогенезе, амплификация ге­нов. Роль гомейозисных генов в онтогенезе. Опыты по трансплантации ядер. Методы клонирования генетически идентичных организмов.

Тканеспецифическая активность генов. Функциональные измене­ ния хромосом в онтогенезе (пуффы, «ламповые щетки»); роль гормонов, эмбриональных индукторов.

Факторы, определяющие становление признаков в онтогенезе: плей отропное действие генов, взаимодействие генов и клеток, детерминация. Компенсация дозы генов. Взаимоотношения клеток в морфогенезе.

Генетика соматических клеток. Гетерокарионы. Применение мето­ да соматической гибридизации для изучения процессов дифференциров ки и для генетического картирования. Химерные (аллофенные) животные. Совместимость и несовместимость тканей. Генетика иммунитета. Онкоге­ ны, онкобелки. Генетический контроль дифференцировки пола. Роль ге­ нов Y -хромосомы в определении мужского пола у млеко питающих. Мута­ ции, переопределяющие пол в ходе онтогенеза. Гормональное переопре­ деление пола.

9. Основы генетической инженерии

Задачи и методология генетической инженерии. Методы выделе­ ния и синтеза генов. Понятие о векторах. Векторы на основе плазмид и ДНК фагов. Геномные библиотеки. Способы получения рекомбинантных молекул ДНК, методы клонирования генов. Проблема экспрессии гетерологических генов. Получение с помощью генетической инженерии транс­ генных организмов.

Векторы эукариот. Дрожжи как объекты генетической инжене­ рии. Основы генетической инженерии растений и животных: трансфор­ мация клеток высших организмов, введение генов в зародышевые и со­ матические клетки животных. Проблемы генотерании. Значение генети­ ческой инженерии для решения задач биотехнологии, сельского хозяй­ ства, медицины и различных отраслей народного хозяйства. Использова­ ние методов генетической инженерии для изучения фундаментальных проблем генетики и других биологических наук. Социальные аспекты генетической инженерии.

10. Популяционная и эволюционная генетика

Понятие о виде и популяции. Популяция как естественно-истори­ ческая структура. Понятие о частотах генов и генотипов. Математические модели в популяционной генетике. Закон Харди-Вайнберга, возможнос­ ти его применения. С.С. Четвериков - основоположник эксперименталь­ ной популяционной генетики.

Генетическая гетерогенность популяций. Методы изучения при­ родных популяций. Факторы динамики генетического состава попу­ ляции {дрейф генов), мутационный процесс, межпопуляционные миг­ рации, действие отбора. Взаимодействие факторов динамики генети­ ческой структуры в природных популяциях. Понятие о внутрипопуля- ционном генетическом полиморфизме и генетическом грузе. Есте­ ственный отбор как направляющий фактор эволюции популяций. По­ нятие о приспособленности и коэффициенте отбора. Формы отбора: движущий, стабилизирующий, дизруптивный. Роль генетических фак­ торов в эволюции.

Молекулярно-генетические основы эволюции. Задачи геносистематики. Значение генетики популяций для медицинской генетики, селекции, решения проблем сохранения генофонда и биологического разнообразия.

11. Генетические основы селекции

Предмет и методология селекции. Генетика как теоретическая ос­ нова селекции. Учение об исходном материале. Центры происхождения культурных растений по Н.И. Вавилову. Понятие о породе, сорте, штам­ме. Сохранение генофонда ценных культурных и диких форм растений и животных.

Закон гомологических рядов в наследственной изменчивости (Н.И. Вавилов). Значение наследственной изменчивости организмов для селекционного процесса и эволюции.

Роль частной генетики отдельных видов организмов в селекции. Использование индуцированных мутаций и комбинативной изменчивос­ ти в селекции растений, животных и микроорганизмов. Роль полиплоидии в повышении продуктивности растений.

Системы скрещиваний в селекции растений и животных. Аутбридинг. Инбридинг. Коэффициент инбридинга – показатель степени гомозиготности организмов. Линейная селекция. Отдаленная гибридизация. Особенности межвидовой и межродовой гибридизации; скрещиваемость, фертильность и особенности расщепления у гибридов. Пути преодоления нескрещиваемости.

Явление гетерозиса и его генетические механизмы. Использова­ ние простых и двойных межлинейных гибридов в растениеводстве и животноводстве. Производство гибридных семян на основе цитоплаз матической мужской стерильности. Коэффициенты наследуемости и повторяемости и их использование в селекционном процессе. Методы отбора: индивидуальный и массовый отбор. Отбор по фенотипу и ге­ нотипу (оценка по родословной и качеству потомства). Сибселекция. Влияние условий внешней среды на эффективность отбора. Перспек­ тивы методов генетической и клеточной инженерии в селекции и био­ технологии.

12. Генетика человека

Особенности человека как объекта генетических исследований. Методы изучения генетики человека: генеалогический, близнецовый, цитогенетический, биохимический, онтогенетический, популяционный. Ис­пользование метода гибридизации соматических клеток для генетическо­ го картирования. Изучение структуры и активности генома человека с помощью методов молекулярной генетики. Программа «Геном челове­ка». Проблемы геногеографии.

Проблемы медицинской генетики. Врожденные и наследственные болезни, их распространение в человеческих популяциях. Хромосомные и генные болезни. Болезни с наследственной предрасположенностью. Скри­ нинг генных дефектов. Использование биохимических методов для выяв­ ления гетерозиготных носителей и диагностики наследственных заболева­ ний. Причины возникновения наследственных и врожденных заболева­ ний. Генетическая опасность радиации и химических веществ. Генотокси кология. Перспективы лечения наследственных болезней. Задачи медико- генетических консультаций.

Роль генетических и социальных факторов в эволюции человека

Литература

•  Инге-Вечтомов С.Г. Генетика с основами селекции. М.: Высшая школа, 1989.

•  Айала Ф., Кайгер Дж. Современная генетика. В 3 т., пер. с англ. М.: Мир, 1987-1988.

•  Фогель Ф., Мотульски А. Генетика человека. В 3 т., пер. с англ. М.: Мир, 1989-1990.

Дополнительная литература

1. Рыбчин В.Н. Основы генетической инженерии. СПб.: изд. СПбГУ, 1999.

2. Смирнов В.Г. Цитогенетика. М.: Высшая школа, 1991.

3. Кайданов Л.З. Генетика популяций. М.: Высшая школа, 1996.

4. Современные концепции эволюционной генетики (ред. В.К. Шум ный, А.Л. Маркель). ИЦиГ СО РАН, 2002