План
1.Введение
2.Что же такое молекулярно-генетические маркеры?
3.Какие же бывают маркеры?
4.Как и для чего могут использоваться молекулярные маркеры?
5.Заключение
ВВЕДЕНИЕ
Со времён зарождения животноводства человек, волей-неволей, получал большое количество пород различных животных. Изначально селекция животных была процессом спонтанным, человек оставлял и разводил тех животных, которые меньше его боялись и давали необходимую ему продукцию. Со временем человек уловил некоторые закономерности в передаче каких-либо признаков от предков к потомкам, и селекция становилась всё продуманней и эффективней. К моменту зарождения генетики человек уже сам мог планировать отбор и подбор по фенотипическим признакам с достаточно большой эффективностью и уже мог целенаправленно выводить новые породы. Появление генетики означало новый виток в разведении животных, понятие глубинны принципов наследования поставило разведение на научный фундамент.
В настоящее время разведение животных это развитая наука, охватывающая широкий спектр задач и методов их решения в животноводстве. Как основные инструменты селекции можно выделить оценку животных, отбор и подбор. Наиболее сложный и важнейший процесс – это оценка животных, от точности оценки во многом зависит дальнейший успех селекционных мероприятий (ключевое слово здесь «во многом»). На данный момент пользуются оценкой животных по экстерьеру и по продуктивным качествам (надой молока за лактацию, скороспелость поросят и т.д.), в обоих случаях пользуются фенотипическими показателями, по этому, для использования этих признаков в расчётах, необходимо знать их коэфициэнт наследуемости, но даже в этом случае мы будем иметь дело с вероятностью генетического обоснования любого признака.
Наука не стоит на месте, а в последние десятилетия её прогресс достигает вообще колоссальной скорости, это не обошло стороной и животноводство. Развитие высоких технологий в оптике, электронике, математике и в других науках открыло огромные возможности в изучении молекулярной биологии, позволило в большой мере изучить глубинные механизмы жизни и наследуемости. Совокупность новых знаний послужила фундаментом для рождения новой науки – селекции при помощи маркеров (Marker Assisted Selection – MAS). У селекционера появилась возможность исключить факторы действия среды на признаки из оценки животного и пользоваться голой генетической составляющей фенотипа.
2. Что же такое молекулярно-генетические маркеры?
Молекулярными маркерами называют такие биохимические особенности обмена веществ и, непосредственно, структурные особенности генома организма животного, растения, бактерии или гриба, которые тесно коррелируют с какими либо физиологическими показателями организма (например, активностью ферментов), связанными с хозяйственно полезными признаками этого существа. Используя молекулярно-генетические маркеры селекционер может, с огромной точностью, выбирать из популяции только животных обладающих определённым аллелем, необходимого ему, гена, такого как, например ген устойчивости к лейкозу у коров, и создавать стада устойчивые к заболеваниям, с животными генетическим здоровыми и высоко продуктивными.
В селекции при помощи маркеров используются только природные комплексы генов, характерные для данного вида животных. Эти комплексы прошли через сито естественного отбора у предков домашних животных, поэтому их присутствие в геноме животных является естественным и безопасным как для самого животного, так и для человека потребляющего продукцию от него.
Используемые маркеры должны обладать определёнными свойствами и отвечать ряду требований, к ним относятся:
1. Фенотипические проявления аллельных вариантов должны быть доступны для идентификации у различных особей;
2. Аллельные замещения в одном локусе должны быть отличимы от аллельных вариантов в других локусах;
3. Существенная часть аллельных замещений в каждом изучаемом локусе должны быть доступна для идентификации;
4. Изучаемые локусы должны представлять случайную выборку генов в отношении их физиологических эффектов и степеней изменчивости;
5. Маркеры должны обладать равномерным распределением по локализации в геноме;
6. Маркеры должны обладать лёгкой выявляемостью и воспроизводимостью;
7. Получаемые данные должны быть сопоставимы в разных лабораториях;
8. Необходима возможность автоматизации их выявления;
9. Маркеры должны обладать относительной нейтральностью.[1]
Очевидно, что не существует такого стандартного набора маркеров, который отвечал бы всем этим требованиям.
3. Какие же бывают маркеры?
Впервые идею применения маркеров в селекции теоретически обосновал А.С.Серебровский ещё в 20-х годах, тогда он говорил о морфологических моногенно наследуемых признаках.
На сегодняшний день известно уже немало различных по природе маркеров. Наиболее простые маркеры – это различия в морфологическом строении хромосом. Наличие каких-либо перетяжек на хромосоме, спутников или каких-нибудь других особенностей морфологического строения хромосом, может коррелировать с положением гена в определённой аллели. Идея неплохая, самое главное новая и достаточно достоверная, но проблема заключается в том, что очень незначительное количество признаков коррелирует с такими морфологическими особенностями хромосом, которые можно увидеть на метафазной пластинке через микроскоп. По этой причине морфологическими различиями хромосом, как генетические маркеры, используются мало.
Следующим шагом в MAS стало открытие значительной степени полиморфизма макромолекул в организмах, в основном белков. Т.е. один и тот же белок (имеется в виду отвечающий за одни и те же функции и имеющий одинаковое происхождение) может иметь различную электрофоретическую подвижность у разных животных (а иногда и у одного и того же животного) и обладать различной активностью в метаболической цепи. Такие варианты называются аллельными и происходят из-за аминокислотных замен в полипептидной цепи белка, приводящей к изменению длины или заряда белка, что в свою очередь является следствием нуклеотидной замены (или каких либо других точковых мутаций) в цепи ДНК гена, кодирующего этот белок. Сразу же после открытия высокой полиморфности белков между исследователями началась дискуссия по поводу адаптивного или нейтрального действия аллельных вариантов белков. Эта дискуссия продолжается и сейчас, но большинство исследований свидетельствуют о том, что полиморфные белки могут использоваться в качестве эффективных молекулярно-генетических маркеров в селекции организмов.
Поскольку только некоторые варианты белков отличаются по размеру и/или электрическому заряду, то генетические вариации, которые могут быть выделены такими методами, представляют только 25% от общего количества вариантов на генном уровне.
В качестве молекулярных маркеров животных могут использоваться системы групп крови, существует множество работ по определению влияния групп крови на продуктивность животных и их устойчивость к заболеваниям, но об этом попозже.
Достижения в молекулярной генетике за последние 28 лет позволяют проводить оценку полиморфизма аллельных генов на уровне ДНК. ДНК полиморфизм может быть тестирован различными способами – это и непосредственное определение нуклеотидной последовательности интересующего гена (Сиквенирование, наиболее дорогой, долгий, сложный и точный метод), и составление рестрикционных карт организмов (ПДРФ), и амплификация различных участков ДНК (RAPD-PCR, ISSR-PCR), и гибридизация ДНК (FISH, GISH, блоттинги) и т.д. Эти методы являются наиболее чувствительными и достоверными, они позволяют выявить полиморфизм не только экспресирующих последовательностей, но и регуляторных, и неэкспресирующих (например, комплекс генов «молочности» быка).
Это было вполне научное вступление к моей работе, а теперь я предлагаю приступить к делу.
4. Как и для чего могут использоваться молекулярные маркеры?
Хочется, хоть это и немного несистематично, сделать небольшое вступление (предисловие). Откуда же вообще появляется полиморфизм ДНК и белков? На этот вопрос отвечает эволюционная теория, основы которой заложил ещё Чарльз Дарвин. Образование различных аллелей генов, новых генов и вообще видов животных процесс, большинством, медленный и постепенный, основная действующая сила это мутации и естественный отбор. Мутации могут появляться по различным причинам – это ионизирующее излучение, коротковолновый ультрафиолет, химические мутагены (к коим относится и обычный для нас анальгин!), ошибки ДНК-полимеразы (частота появления ошибки 1*10-9 нуклеотидов, если не ошибаюсь) и по некоторым другим причинам. Мутации образуются в случайных местах на ДНК, и, чаще всего, оказываются вредными или бесполезными для организма, механизм «выживает сильнейший» постепенно (а иногда и сразу) исключает животных имеющих злокачественные мутации из популяции (конечно если это не рецессивная аллель, тогда всё сложнее, но это курсовая не по популяционной генетике). В случае же если в процессе мутагенеза появляются животные более приспособленные, мутация подхватывается отбором и число таких животных в популяции растёт. В данной работе мы будем говорить, преимущественно о генных мутациях – это мутации связанные с изменением в последовательности нуклеотидной цепи в пределах одного гена (ну и ещё немного о дупликации генов). Это может быть перестановка нуклеотидов местами, замена одного нуклеотида на другой и, самое страшное, потеря или вставка нуклеотидов (особенно их числа, некратного трём).
Так вот представим себе, что у нас имеется популяция животных (пусть это будут козы) с абсолютно идентичным геномом, гены не имеют аллелей (не аллельны). Наши козы пасутся на равнине под тёплы солнышком и щиплют сочную травку. Беды, как говориться, не чают. Геном наших животных настолько специализирован, для проживания в этих условиях, что если возникает какая-то мутация у любого животного, то его потомство становится очень плохо приспособленным и, неизбежно, гибнет (это мои условия). И вот они едят, плодятся и их популяция всё увеличивается и увеличивается, а, между тем, солнышко престаёт греть так хорошо как раньше, травки становиться всё меньше (в общем, говоря, изменяются условия среды обитания) и животным становиться уже не так хорошо как раньше, а в дальнейшем всё хуже и хуже. Наши козы оказались умнее, чем можно было предположить, и они не стали ждать у моря погоды, а разделились на несколько групп и начали мигрировать, но небольшая часть осталась на прежнем месте и сказала: «Будь, что будет!». Часть животных отправилась искать лучшей жизни в гористую местность, а другая, напротив, направилась в низину на берег моря, четвёртой группе повезло меньше всех, их блуждания завели в болото и про них нам больше ничего не известно. Так, что же происходило в пути с нашими животными?