Взаимодействие ядерных и цитоплазматических генов в детерминации морфогенетических процессов у эукариот

НАЦИОНАЛЬНЫЙ БАНК РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ

 

Учреждение образования

«ПОЛЕССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

 

БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ  ФАКУЛЬТЕТ

 

КАФЕДРА БИОТЕХНОЛОГИИ

 

 

 

взаимодействие ядерных и цитоплазматических генов в детерминации морфогенетических  процессов у эукариот

 

Курсовая работа

Специальность 1-31 01 01 Биология (по направлению)

направление специальности 1-31 01 01-03 Биология (биотехнология)

 

 

 

 

 

Исполнитель: 

студентка 3 курса 931411 группы

дневной формы обучения       _________   Кононович Ольга Михайловна

 

Научный руководитель:  

канд. с/х. наук, доцент           _________   Епишко Ольга Александровна                                                                                  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Пинск 201_

 

Реферат

 

Курсовая работа: 36 страниц, 1 таблица, 3 рисунка, 1 схема.

Ключевые слова : хлоропласты, митохондрии, ДНК, РНК, ядерные гены, цитоплазматические гены, ЦМС, АТФ, наследственность генотипическая предетерминация, эндосимбионты, фактор молока.

Цель работы: изучить особенности взаимодействия ядерных и цитоплазматических генов в детерминации морфогенетических процессов, а также подчеркнуть значение данного феномена для эукариот.

Задачи работы: проанализировать литературу по организации пластидного и митохондриального генома эукариот , а также определить какие элементы цитоплазмы также влияют на морфогенетические особенности . Выявить какое значение данная тема представляет для науки и человечества.

Информация об взаимодействия ядерных и цитоплазматических генов в детерминации морфогенетических процессов у эукариот широко раскрыта в научных трудах отечественных и зарубежных ученых. При этом в учебных пособиях практически не встречается.

Рассмотрение данной темы является актуальной в современном  развивающемся мире и позволит изучить влияние цитоплазматических генов у различных представителей эукариот, а также определить его роль для медицины и сельского хозяйства.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

 

Дезоксирибонуклеиновая  кислота  хлоропластов                                     хлДНК

 

Дезоксирибонуклеиновая  кислота  митохондрий                                     мтДНК  

                                                 

Цитоплазматическая мужская  стерильность                                            ЦМС

 

Рибонуклеиновая кислота                                                                           РНК

 

пары нуклеотидов                                                                                        п.н.

 

Нормальная цитоплазма                                                                             ЦИТn

 

 

 Стерильная цитоплазма                                                                             ЦИТs

 

Аденозинтрифосфат                                                                                     АТФ

 

Англ. Leber's hereditary optic neuropathy

(Наследственная оптическая нейропатия Лебера)                                    LHON

 

Англ. Wolff-Parkinson-White syndrome

(Синдром Вольфа-Паркинсона-Уайта)                                                       WPW

 

Англ. Neuropathy, ataxia, retinitis pigmentosa, and ptosis

( Нейропатия, атаксия, тунельное зрение и потеря зрения, птоз)             NARP

 

Англ.  Mitochondrial neurogastrointestinal encephalomyopathy

(Митохондриальная нейрогастроинтенстинальная энцефалопатия)        MNGIE       

 

 

 

 

 

 

 

ОГЛАВЛЕНИЕ

Стр.

ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ………………………………………3

ВВЕДЕНИЕ…………………………………………………………………………..6

ГЛАВА 1  Взаимодействие цитоплазматических и ядерных генов.  Общие сведения………………………………………………………………………………7

ГЛАВА 2. Взаимодействие пластидных (хлоропластных) и ядерных генов………………………………………………………………..…9

2.1 Организация генетического материала пластид (хлоропластов)………..9

2.2 Наследование пестролистности у растений……………………………..11

ГЛАВА 3 Взаимодействие митохондриальных и ядерных генов у  растений, грибов и человека…………………………….…14

3.1 Общие сведения о строении митохондрий………………………………………………………………….…….14

3.2 Организация генетического материала митохондрий растений и взаимодействие его с генетическим материалом ядра…………….…………….15

3.2.1 Митохондриальный геном растений……………………………15

3.2.2 Цитоплазматическая мужская стерильность……………….…..16

3.3. Организация генетического материала митохондрий дрожжей……....21

3.3.1 Митохондриальный геном дрожжей…………………………...21

3.3.2 Дыхательная недостаточность у дрожжей……………………..22

3.4 Организация генетического материала митохондрий человека…..….. 23

3.4.1 Митохондриальный геном человека……………………….…...23

3.4.2 Митохондриальные заболевания………………………………..24

ГЛАВА 4  Генотипическая предетерминация, как взаимодействие ядерных и цитоплазматических генов у  животных……………………………………………………………………….28

ГЛАВА 5  Наследование через инфекцию, как взаимодействие ядерных и цитоплазматических генов у  животных…………………………………………………………………….…31

ГЛАВА 6  Наследование через эндосимбионтов, как взаимодействие ядерных и цитоплазматических у  животных………………………………………………………………………32

ЗАКЛЮЧЕНИЕ……………………………………………………………………34

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ …………………………..…35

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Взаимодействие ядерных и цитоплазматических генов - это уникальный процесс, обуславливающий детерминацию различных признаков у живых организмов.

Генетическая информация в эукариотических клетках поделена между двумя системами, одна их которых находится в ядре (хромосомы), а другая в ДНК пластид (хлоропласта) и митохондрий.

В этой теоретической  работе представлены основные типы данного  взаимодействия, их место и роль в генетическом материале растений, животных, грибов и человека.

Изначально рассмотрены  общие закономерности данного взаимодействия, характерные для всех эукариот, а далее конкретные особенности у отдельных групп организмов.

Актуальность исследования проблемы обуславливается особым вниманием  к человеческому геному, к возможности диагностирования наследственных заболеваний передающиеся посредством митохондрий. А также к наследственным патологиям у животных и растений, особенно у используемых в хозяйстве видов.

Однако митохондрии и хлоропласты не являются единственными носителями генетической информации влияющей на протекающие в организмах морфогенетические процессы.

Обращая внимание на данные положения, следует уточнить: как именно взаимодействуют между собой цитоплазматические и ядерные гены? Как происходит передача признаков от поколения к поколению? Какие принимаются методы для диагностики данных признаков у разных видов эукариот? Какие еще есть способы передачи генетической информации через цитоплазму?

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ГЛАВА 1

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ЦИТОПЛАЗМАТИЧЕСКИХ И ЯДЕРНЫХ ГЕНОВ.  ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ.

 

Хромосомная теория наследственности установила ведущую роль ядра и находящихся  в нем хромосом в явлениях наследственности. Но в то же  время уже в первые годы формирования генетики как науки были известны факты, показывающие, что наследования некоторых признаков связано с нехромосомными компонентами клетки и не подчиняется менделеевским закономерностям, основанным на распределении хромосом во время мейоза [1], [3], [10], [29].

В 1909 г. К. Корренс на Mirabilis jalapa (ночной красавице) и Э. Баур на Pelargonium zonale (герани) обнаружили, что наследование пестролистности этих растений (чередование белых и зеленых участков на листьях) не подчиняется законам Менделя. Первоначально такой тип наследования назвали цитоплазматическим, позднее появились и другие термины: нехромосомная, внеядерная или неменделевская наследственность. В 1962-1964 гг было установлено, что носителем генетической информации в случае внеядерной наследственности является ДНК цитоплазматических органелл (хлоропластов или митохондрий). Таким образом, выяснилось, что генетическая информация в эукариотических клетках поделена между двумя системами, одна их которых находится в ядре (хромосомы), а другая в ДНК пластид (хлоропласта) и митохондрий. Нехромосомная ДНК имеется и у прокариот (плазмиды). Кроме того, оказалось, что и у эукариот, и у прокариот есть как постоянные, так и факультативные генетические элементы не только в ядре (нуклеоиде у прокариот), но и во внеядерных структурах [4], [7] .

Дальнейшее изучение явлений наследственности привело  к необходимости установить не только механизм передачи генов хромосом от одного поколения организмов другому, но и то, как эти гены контролируют процессы клеточного метаболизма и  развитие определенных признаков и свойств. Поэтому клетку стали рассматривать как единую целостную систему, определяющую передачу и воспроизведение признаков в потомстве в результате взаимодействия компонентов ядра (генов хромосом) и цитоплазмы [4].

Генетическому материалу хромосомного набора (геному) соответствует плазмон, включающий весь генетический материал цитоплазмы. Подобно генам хромосом, в структурных элементах цитоплазмы – пластидах, кинетосомах, митохондриях, центросомах и основном ее веществе находятся материальные носители нехромосомной наследственности – плазмогены. Они могут определять развитие некоторых признаков клетки, способны удваивать их воспроизвести, при делении материнской клетки они распределяются между дочерними клетками [10], [17] .

Возможно, что цитоплазматическая наследственность обусловлена также долгоживущими молекулами и-РНК или с избирательной трнскрипцией молекул и-РНК только с генов материнской хромосомы.

Облигатная генетическая система эукариот включает не только рассмотренную ДНК, находящуюся в ядре, но и ДНК цитоплазматических органелл - митохондрий и хлоропластов (цитотип).

Наряду с постоянными генетическими элементами у эукариот имеются факультативные элементы, как с ядерной, так и с цитоплазматической локализацией.

Факультативные генетические элементы у эукариот представлены мобильными диспергированными генами (МДГ), транспозонами, вирусами; для всех этих элементов характерна смена мест локализации [1], [13].

В эукариотических клетках могут присутствовать вирусы, бактерии и экстрахромосомные элементы. Генетические системы хозяина и «гостя» взаимодействуют по-разному. Один из вариантов их взаимоотношений - симбиоз, например, между бактериям и рода Rhisobium и бобовыми растения помогающий последним усваивать азот. [22], [34].

К паразитизму можно отнести взаимодействие агробактерий и растений, поскольку бактерии заставляют растительные клетки синтезировать опины, используются: агробактериями как источник  углерода и азота. При этом у растений образуются опухоли, в которых синтезируются опины. Эта трансформация контролируется генами, локализованными в ДНК Тi-плазмид агробактерий [34].

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ГЛАВА 2

Взаимодействие пластидных (хлоропластных) и ядерных генов

 

2.1 Организация генетического материала пластид (хлоропластов)

 

Среди органоидов цитоплазмы генетическая непрерывность впервые была установлена для пластид [1], [2], [4].

Хлоролластами являются цитоплазматические органеллы растений и водорослей с собственной, хотя и полуавтономной, генетической системой. Синтез соединений, входящих в состав мембран хлоропластов, и процессы, происходящие в ее субкомпартментах, находятся под контролем двух генетических систем: ядра и хлоропласта. Поэтому кратко остановимся на структурных особенностях и специфике функционирования этой клеточной органеллы [7], [11].

Хлоролласты представляют собой внутриклеточные органеллы растений и водорослей, имеющие три типа мембран: высокопроницаемую наружную и менее проницаемую внутреннюю мембрану. Эти две мембраны разделены межмембранным пространством. Внутренняя мембрана окружает центральную область — строму, содержащую ферменты, рибосомы, РНК и ДНК. В хлоропластах имеются также тилакоиды - структуры, напоминающие уплощенные пузырьки, уложенные в стопки (гранулы). В третьей — тилакоидной мембране находятся фотосистемы II и I, электрон-транспортная цепь, связывающая эти системы, и АТФ-синтетаза.