Предмет
и задачи цитогенетики. Основные этапы формирования цитогене-тики как
науки. Создание хромосомной теории наследственности. Роль
отечест-венных ученых в становлении цитогенетики. С. Г. Навашин и его
школа. Хромо-сома как предмет цитогенетических исследований. Функции
хромосом в процессе реализации наследственной программы: информативная,
репликативная, сегрега-ционная, рекомбинационная, транскрипционная.
Митоз и мейоз - цитогенетические механизмы реализации наследственности
в онто-филогенезе. Цитогенетический анализ.
Методы
цитогенетического анализа: световая микроскопия, электронная
микроскопия, цитофотометрия, авторадиография, дифференциальное
окрашивание, гибридизация in situ, иммунохимия, автоматизированный
анализ хромосом, ис-пользование статистических методов и компьютеров,
методы клеточной селекции, скрещивание, отбор. Основные направления
современной цитогенетики.
Изучение структурно-функциональной
организации хромосом, проблема цитоген-тической нестабильности,
генетический контроль поведения хромосом в митозе и мейозе, хромосомная
инженерия. направления прикладной цитогенетики: кариоти-пирование диких
и сельскохозяйственных растений и животных, цитогенетический мониторинг
и его задачи, разработка методов клеточной селекции. Задачи и
возможности цитогенетики в связи с развитием клеточной биологии и
биотехнологии и интенсификацией процессов селекции.
Проблема цитологического аналога гена. Гипотеза «один диск (хромомер) -
один ген».
Сегрегационная
организация хромосом. Цитологические механизмы сегрегации. Способы
сегрегации хромосом эукариотов - митоз, мейоз и их сравнительные
ха-рактеристики. Эволюционная концепция сегрегации хромосом. Митоз и
проблемы онтогенеза клетки. Мейоз в жизненном цикле организма.
Рекомбинационная
организация хромосом. Цитологические механизмы рекомби-нации. Мейоз как
механизм рекомбинации. Цитологические основы закономерно-стей
наследования. Стадии мейоза и их характеристики. Кроссинговер, его
цитоло-гические основы. Основные гипотезы и механизмы кроссинговера.
Современные представления о молекулярных механизмах рекомбинации.
неравный кроссинговер и его генетическое значение.
Конъюгация
хромосом - центральное событие мейоза. Механизмы конъюгации.
Синаптонемальный комплекс, ультраструктурные особенности и
биохимическая организация, преобразование в мейозе и функции. Биохимия
мейоза. Зиготенная и пахитенная организация ДНК, гистоны мейоза, их
характеристики и функции.
Генетический контроль мейоза. Мейотические мутации и их характеристики.
Пус-ковые механизмы
Изменения
хромосомного набора. Структурные изменения хромосом и их классификация.
Возможные механизмы возникновения перестроек хромосом. Хромосомные и
хроматидные аберрации. Анафазный и метафазный анализ пере-строек
хромосом. Делеции и дупликации генетического материала, их
возникнове-ние и проявление в митозе, мейозе. Инверсия. Генетические и
цитологические ме-тоды выявления инверсий. Эволюционное значение
инверсии. трмнслокации. Воз-никновение, эволюционное значение.
Цитологические и генетические методы вы-явления транслокаций.
Сестринские хроматидные обмены (СХО), их происхождение, природа и
прикладное значение. Явление синтении.
Численные изменения хромосом.
Мутации, связанные с изменением числа хромосом. Полиплоидия. Механизмы
образования и методы получения. Классификация полиплоидов: эуплоиды,
гаплоиды, триплоиды, тетраплоиды, их теоретическое и прикладное
значение. Аллоплоиды. Их получение и использование. Цитологические и
гистологические критерии гомологии и гомеологии хромосом и геномов
(геномный анализ). Полиплоидные ряды у растений. Полиплоиды у животных.
Ресинтез видов и синтез видовых и родовых форм у пшеницы и других
растений. Анеуплоиды. Механизмы их возникновения. Создание и
использование серий анеуплоидов (моносомиков, нуллисомиков, трисомиков
и тетрасомиков) в цитологических исследованиях. Использование
полиплоидов и анеуплоидов в селекции. Дополнительные, или В-хромосомы.
Кариотип
и его эволюция. Цитологические характеристики кариотипа.
Структурно-пространственная организация как одна из характеристик
кариотипа. Видовые и индивидуальные характеристики кариотипа. Методы
получения хромосомных наборов. Методы систематизации хромосом. Метод
морфометрического анализа и его критерии: индекс спирализации,
относительная и абсолютная длины хромосом, центромерные индексы. Метод
дифференциального окрашивания. Fish –метод, его модификации и
применение. Метод анализа синаптонемального комплекса. Кариограмма,
кариотип, идиограмма.
Характеристика и систематизация хромосомного
набора человека при дифференциальном окрашивании. Хромосомные нарушения
и наследственная патология.
Эволюция кариотипа. Преобразование
кариотипа в филогенезе. Пути эволюционных преобразований кариотипа:
структурные перестройки (роль делеций, дупликаций, робертсоновских
слияний, транслокаций).
Дислокационная гипотеза М. С. Навашина.
Основные положения, эксперименты по ее доказательству. Численные
изменения хромосом: диплоидия, политения. Изменения количества ДНК.
Гетерохроматин и эволюция кариотипа.
Преобразования кариотипа в
онтогенезе. Типы хромосомных преобразований в онтогенезе. Эндомитоз,
политения, полиплоидия. Их роль в процессах дифференцировки. Диминуция
и элиминация. Проблема цитогенетической нестабильности хромосомного
набора в культуре клеток. Феномен и генетическое значение. Генетическое
значение смены плоидности. Цитологическая нестабильность как механизм
адаптации. Мобильные диспергированные элементы и вирусы как факторы
цитогенетической нестабильности.
Злокачественные и доброкачественные новообразования как следствия
хромосомных аббераций.
План лекций
Лекция 1
Цитогенктика как наука. История изучения митоза и хромосом прокариот и
эукариот.
Понятия:
геном, кариотип, кариом. Морфологические характеристики хромосом,
доступные при светомикроскопическом изучении кариотипа. Методы изучения
хромосом. Прижизненные наблюдения, различные методы получения
хромосомных препаратов, ткани животных и растений, используемые для
этого. Использование митогенов.
Лекция 2
Геномы вирусов,
бактерий, пластид, митохондрий. Размер, количество структурных и
регуляторных генов, особенности компактизации, особенности репликации.
Количество копий генома пластид и митохондрий на клетку. Белки,
ассоциированные с примитивными геномами. Цитоплазматическая
наследственность. Исследования материнского наследования генома
митохондрий человека.
Лекция 3
Структура генома эукариот.
Главное отличие – избыточность ДНК. Уникальные последовательности,
среднечастотные и высокочастотные повторы. Методы их изучения. Принцип
интерсперсии. Построение геномов по типам Xenopus и Drosophila. Изохоры.
Морфологические
проявления структуры генома эукариот. Дифференциальные методы окраски.
История их разработки, виды дифокрасок. Содержание C, G, R. Q полос.
Лекция 4.
Гетерохроматин.
История открытия и изучения. Отличия гх от эухроматина. Современные
взгляды на состав и свойства гх. Расположение гх в хромосомах различных
организмов, методы изучения. Роль модифицированных форм гистонов в гх.
Особенности специфических, негистоновых белков хроматина, присущие гх
районам хромосом. Возникновение и поддержание гетерохроматизации района
хромосомы. Генетический контроль гх районов, инсуляторы.
Лекция 5
Особенности
строения хромосом в процессе функционирования – транскрипции.
Политенные хромосомы, встречаемость в природе, степень полиплоидности,
методы изучения, морфология. Гомологичный синапсис пх, пуфы, кольца
Бальбиани. ДНК-пуфы.
Хромосомы типа ламповых щеток. Методы получения, морфология, активность
транскрипции.
Лекция 6
Хромосомные
перестройки. История изучения, виды встречающихся перестроек. Явление
синтении. Причины возникновения перестроек, роль гетерохроматина в этом
процессе. Роль транслокаций и др. перестроек в процессе зволюции
кариотипов. Роды Drosophila, Rattus как примеры процесса
видообразования путем хромосомных перестроек.
Лекция 7
Половые
хромосомы. Половые хромосомы различных групп организмов. Гомо- и
гетерогаметный пол. Механизм определения пола: история изучения,
балансовая теория Бриджеса. Определение пола у Drosophila, ключевой ген
Sxl, молекулярные механизмы.
Определение пола у млекопитающих, ген
SRY, альтернативные каскады событий, приводящие к различной
дифференцировке гонад. Пол у растений, варианты хромосомного
определения.
Лекция 8
Дозовая компенсация при различных
вариантах определения пола. Тельце Барра млекопитающих. Процесс
инактивации Х хромосомы, локус Xic. Роль нетранслируемых РНК (Xist,
Tsix). Эпигенетический контроль процесса инактивации Х хромосомы,
варианты модифицирования свободных «хвостов» гистонов, значение этого
процесса.
Лекция 9
Морфология мейоза. Типы мейоза, ткани
организмов, где протекает мейотическое деление. Фазы мейоза, деление
профазы I деления на стадии. Синаптонемный комплекс: морфология,
присутствие у разных организмов и варианты строения; этапы
формирования. Белки СК. Половые хромосомы в мейозе, особенности
коньюгации.
Лекция10
Молекулярные основы кроссинговера.
Рекомбинационные узелки в СК – мультиферментные комплексы,
обеспечивающие генетическую рекомбинацию. Схема протекания
рекомбинационного процесса в мейозе, структуры Холидея. Белки
рекомбинационных узелков. Гены, контролирующие мейоз.
Явление сестринских хроматиновых обменов, методы их обнаружения.
Лекция11
Сверхчисленные
(В) хромосомы. Морфология, число и постоянство состава В-хромосом у
разных организмов. Особенности ДНК и генного состава В-хромосом.
Происхождение «добавочных» хромосом, их возможное участие в эволюции
кариотипов.
Лекция 12
Явление диминуции хроматина. История
открытия, С-парадокс. Примеры протекания диминуции хроматина у разных
организмов: диминуция у инфузорий, у низших ракообразных (циклопов), у
двукрылых насекомых. Элиминация хромосом и определение пола у
двукрылых. Состав элиминирующейся ДНК, связь этого процесса с
биологической изоляцией близких видов и с эволюционными процессами.
Промежуточные аттестации
Промежуточными
аттестациями являются 2-3 семинарских занятия, проводимые внутри курса
«Цитогенетика» по самым актуальным и обширным темам курса, например:
структура генома эукариот, регуляция мейотического деления и т.д. На
этих занятиях выясняется, насколько понятен студентам изложенный на
предыдущих лекциях материал.
Итоговая аттестация
1.
Понятия: геном, кариотип, кариом. Морфологические характеристики
хромосом, доступные при светомикроскопическом изучении кариотипа.
Методы изучения хромосом.
2. Геномы вирусов, бактерий,
пластид, митохондрий. Размер, количество структурных и регуляторных
генов, особенности компактизации, особенности репликации.
3. Гистоноподобные белки, ассоциированные с примитивными геномами.
Цитоплазматическая наследственность.
4.
Структура генома эукариот. Уникальные последовательности,
среднечастотные и высокочастотные повторы. Методы их изучения. Принцип
интерсперсии. Построение геномов по типам Xenopus и Drosophila
5.
Морфологические проявления структуры генома эукариот. Дифференциальные
методы окраски. История их разработки, виды дифокрасок. Содержание C,
G, R. Q полос.
6. Гетерохроматин. Отличия гх от эухроматина.
Современные взгляды на состав и свойства гх. Расположение гх в
хромосомах различных организмов, методы изучения.
7. Роль
модифицированных форм гистонов в поддержании структуры гетерохроматина.
Особенности специфических, негистоновых белков хроматина, присущие гх
районам хромосом.
8. Политенные хромосомы, встречаемость в
природе, степень полиплоидности, методы изучения, морфология. Хромосомы
типа ламповых щеток. Методы получения, морфология, активность
транскрипции
9. Хромосомные перестройки. Виды встречающихся
перестроек. Явление синтении. Причины возникновения перестроек, роль
гетерохроматина в этом процессе. Роль транслокаций и др. перестроек в
процессе зволюции кариотипов.
10. Половые хромосомы. Половые
хромосомы различных групп организмов. Гомо- и гетерогаметный пол.
Механизм определения пола: балансовая теория Бриджеса. Определение пола
у Drosophila, у млекопитающих
11. Дозовая компенсация при
различных вариантах определения пола. Процесс инактивации Х хромосомы.
Эпигенетический контроль процесса инактивации Х хромосомы, варианты
модифицирования свободных «хвостов» гистонов, значение этого процесса.
12.
Морфология мейоза. Типы мейоза, ткани организмов, где протекает
мейотическое деление. Фазы мейоза, деление профазы I деления на стадии.
Синаптонемный комплекс: морфология, присутствие у разных организмов и
варианты строения.
13. Молекулярные основы кроссинговера.
Рекомбинационные узелки в СК – мультиферментные комплексы,
обеспечивающие генетическую рекомбинацию. Схема протекания
рекомбинационного процесса в мейозе.
14. Сверхчисленные (В)
хромосомы. Морфология, число и постоянство состава В-хромосом у разных
организмов. Особенности ДНК и генного состава В-хромосом.
15.
Явление диминуции хроматина. Примеры протекания диминуции хроматина у
разных организмов. Состав элиминирующейся ДНК, связь этого процесса с
биологической изоляцией близких видов и с эволюционными процессами.
Литература
Жимулев И.Ф. Общая и молекулярная генетика. Изд.2-ое, Новосибирск, 2003
Захаров А.Ф. Хромосомы человека, М., “Медицина”, 1977.
Коряков Д.Е., Жимулев И.Ф. Хромосомы. Структура и функции. Новосибирск,
Изд-во Сибирского отделения РАН, 2009.
Прокофьева- Бельговская А.А. Гетерохроматические районы хромосом. М.,
«Наука»,1986.
Макгрегор Г., Варли Дж. Методы работы с хромосомами животных. М., «Мир»
1986.
Alberts B., Johnson A., Lewis J., Raff M., Roberts K., Walter P.
Molecular Biology of the Cell. 5-th edition. 2007.
Компетенции
Прослушав
курс «Цитогенетика» и сдав зачет, студент должен обладать знаниями,
охватывающими общую структуру морфологической организации генетически
значимых структур про- и эукариотических организмов. Кроме того,
студент должен представлять себе общие принципы функционирования
геномов различных организмов, а также основные факторы, обеспечивающие
протекание сложных таких процессов, как мейоз, хромосомные перестройки
и т.д.
