§ 30. Цитоплазматична спадковість. Регуляція активності генів

• До змісту відповідей

БІОЛОГІЧНИЙ ДЕТЕКТИВ

Чи однакову кількість генів отримує нащадок від батьківського і материнського організму? Проаналізуй причини можливих відмінностей.

Ні, нащадок отримує більше генів від материнського організму. Крім ядерної ДНК, яку передають порівну обоє батьків, нащадок успадковує цитоплазму яйцеклітини з мітохондріями. Вони мають власну кільцеву ДНК, тоді як сперматозоїд цитоплазму майже не передає.

ТРЕНУЙСЯ ДУМАТИ

1. Які особливості успадкування ознаки Х у родоводі (мал. 30.1)? Запропонуй можливі механізми успадкування такої ознаки.

Ознака Х передається від матері до всіх її дітей незалежно від їхньої статі. Батько з ознакою Х не передає її жодному з нащадків. Це свідчить про мітохондріальну спадковість, оскільки мітохондрії потрапляють у зиготу тільки разом із цитоплазмою материнської яйцеклітини.

2. У багатьох дорослих людей спостерігається непереносимість лактози, що зазвичай пов’язано з нестачею ферменту лактази. Проте у дитинстві вони нормально переносили молоко. Поміркуй, чи може це бути наслідком мутацій структурного гена фермента лактази. Запропонуй різні варіанти можливих причин таких змін.

Це не є наслідком мутацій структурного гена лактази, адже послідовність нуклеотидів ДНК у клітинах не змінюється з віком. Причиною є регуляція активності генів: з дорослішанням транскрипція гена слабшає через дію регуляторних білків, метилювання цитозину в ДНК або компактизацію хроматину навколо цього гена.

30.5. Відео

Чи однаковий геном монозиготних близнят? Чи однаковий їхній фенотип у дорослому віці? Чому?

Геном у монозиготних близнят однаковий, оскільки вони утворюються з однієї заплідненої яйцеклітини. Проте їхній фенотип у дорослому віці відрізняється через епігенетичні зміни. Під впливом різного способу життя та довкілля на їхній ДНК з’являються різні хімічні мітки, які вмикають або вимикають окремі гени, тому з роками накопичуються відмінності у зовнішності, схильності до хвороб і старінні.

Які зовнішні чинники впливають на експресію генів?

1. Харчування та якість спожитої їжі.
2. Контакт із хімічними речовинами і забрудненням довкілля.
3. Вживання медикаментів.
4. Соціальний досвід, рівень стресу та піклування в дитинстві.
5. Рівень фізичної активності.

Які зміни в регуляції генів можуть формуватися внаслідок дії забруднення середовища?

Забруднювачі можуть додавати до ДНК або білків-гістонів метильні чи інші хімічні мітки. Це змушує нитку ДНК щільніше скручуватися та блокує зчитування корисних генів — наприклад, вимикає гени білків-супресорів пухлин, що значно підвищує ризик розвитку онкологічних або серцево-судинних захворювань.

Як фізичне навантаження, гіподинамія, харчування можуть змінювати регуляцію генів?

Збалансоване харчування та регулярні фізичні навантаження розкручують потрібні ділянки ДНК і полегшують синтез захисних білків, що знижує рівень запалення та формує здоровий епігеном. Навпаки, гіподинамія та шкідлива їжа призводять до небажаного метилювання, блокуючи гени обміну речовин і підвищуючи ризик діабету, ожиріння та хвороб серця.

ЗАПИТАННЯ І ЗАВДАННЯ

1. У кого з родичів однакова мітохондріальна ДНК: а) у чоловіка і дружини; б) у матері та її синів; в) у батька та його синів; г) в онука і бабусі (матері його матері); д) в онучки і бабусі (матері її батька)?

Однакова мітохондріальна ДНК спостерігається у варіантах: б) у матері та її синів; г) в онука і бабусі (матері його матері). Ця ДНК успадковується нащадками виключно по материнській лінії.

2. Поміркуй, які переваги і недоліки ДНК-ідентифікації за мітохондріальною ДНК та як її використовують у криміналістиці.

Головна перевага мітохондріальної ДНК полягає в її високій кількості копій у клітині та стійкості, тому її можна виділити з давніх кісток, зубів або стрижнів волосся без цибулини. Недолік полягає в тому, що вона цілком однакова в усіх родичів за материнською лінією і не дає змоги розрізнити братів і сестер. У криміналістиці цей метод застосовують для встановлення материнської спорідненості та ідентифікації сильно пошкоджених останків.

3. У рослин одного виду спостерігають два варіанти забарвлення листя: А — з білими смугами, Б — суцільне зелене. Якщо рослини А запилити пилком рослин Б, у нащадків листки мають білі смуги. Якщо рослини Б запилюють пилком А, отримують рослин із суцільним зеленим листям. Поясни механізм успадкування.

Забарвлення листя визначають гени пластид (хлоропластів), які містяться в цитоплазмі клітини. Пилок батьківської рослини цитоплазму не передає, тому пластиди надходять у зиготу виключно від яйцеклітини матері. Через це нащадки завжди повністю успадковують тип забарвлення материнської рослини.

4. Що досліджує епігенетика? В чому відмінність між генетичними і епігенетичними змінами?

Епігенетика досліджує зміни активності генів, які відбуваються без змін у самій послідовності нуклеотидів ДНК. Генетичні зміни (мутації) змінюють первинну будову ДНК і є стійкими, а епігенетичні зміни (метилювання ДНК, модифікація гістонів) лише регулюють доступ до зчитування інформації та є потенційно оборотними.

5. Опрацюй інформацію про вплив харчування та способу життя на епігеном. Виконай в e-додатку завдання 30.6.

Які речовини, що є компонентами їжі суттєво впливають на епігенетичні зміни? У яких продуктах вони містяться (відкрий таблицю з характеристикою таких поживних речовин)

На епігенетичні зміни впливають донори метильних груп, які беруть участь у метилюванні ДНК і вимиканні генів: фолієва кислота (вітамін B9), інші вітаміни групи B, холін та сполука SAM-e (S-аденозилметіонін).

Як раціон матері у час вагітності впливає на епігеном дитини?

Харчування матері визначає метилювання генів плоду в утробі, формуючи здоров’я дитини на все доросле життя.

Досліди на мишах показали: коли вагітні самки з неметильованим геном агуті отримували їжу, багату на метильні групи (фолієву кислоту, вітаміни B), у них народжувалися здорові коричневі мишенята з нормальним обміном речовин, тоді як дефіцит цих речовин або вплив токсину бісфенолу А (BPA) робив потомство жовтим, схильним до ожиріння, діабету та пухлин.

Які докази впливу харчування дідусів по батьківській лінії на тривалість життя онуків виявили науковці?

Аналіз історичних записів про врожаї у шведській громаді показав, що харчування дідуся у критичний період розвитку (від 9 до 12 років) безпосередньо впливає на тривалість життя його онуків.

Нестача їжі в дідуся в цьому віці збільшувала тривалість життя його онуків, тоді як надлишок їжі та постійне переїдання дідуся призводили до ранньої смерті онуків від цукрового діабету чи серцево-судинних хвороб через успадковані епігенетичні мітки.

Як впливає харчування на розвиток матки і робочих бджіл у бджолиних сім’ях?

Личинки матки та робочих бджіл мають однаковий геном, а їхній розвиток повністю визначається дієтою.

Личинка, яку вигодовують маточним молочком, блокує фермент Dnmt3, унаслідок чого активуються «гени матки» — у неї розвиваються органи розмноження, велике черевце і специфічна поведінка королеви; якщо ж личинку годують звичайним кормом, фермент Dnmt3 працює, вимикає «гени матки», і розвивається безплідна робоча бджола.

6. За малюнком 30.3 поясни, на яких етапах реалізації спадкової інформації може відбуватися регуляція активності генів.

Регуляція активності генів згідно з малюнком відбувається на п’яти етапах:

1. Транскрипція — утворення молекули пре-мРНК на матриці ДНК в ядрі.
2. Сплайсинг — дозрівання пре-мРНК із видаленням неінформативних ділянок.
3. Переміщення мРНК — транспорт зрілої мРНК крізь пори ядра в цитоплазму.
4. Трансляція — синтез ланцюга білка на рибосомах.
5. Дозрівання білка — остаточна видозміна та згортання білкової молекули у функціональну форму.

СКЛАДАЄМО БІОЛОГІЧНІ ПАЗЛИ (РЕФЛЕКСІЯ)

1. Назви три факти, які ти дізнався/дізналася після опанування параграфа.

• Мітохондріальна ДНК має кільцеву будову, містить 37 генів і передається виключно від матері.
• Епігенетичні чинники керують роботою генів без зміни нуклеотидної послідовності молекули ДНК.
• У процесі ембріонального розвитку працюють гени плодового гемоглобіну, а після народження вони вимикаються і замінюються генами дорослого гемоглобіну.

2. Закінчи одне з речень: Я став/стала більш обізнаним/обізнаною щодо… Мене здивувало… Я побачив/побачила зв’язок…
Я став більш обізнаним щодо того, як якість харчування та спосіб життя впливають на активність власних генів через епігенетичні механізми.

3. З якими перешкодами ти зіткнувся/зіткнулася під час опанування параграфа? Як ти подолав/подолала труднощі?
Спочатку було важко розібратися з етапами посттранскрипційної регуляції, але уважний аналіз схеми на малюнку 30.3 допоміг зрозуміти весь шлях дозрівання мРНК та білка.

4. Де і як ти зможеш використати знання і набутий досвід?
Ці знання допоможуть мені свідомо дбати про режим дня, уникати токсичних речовин і стресу для збереження власного здоров’я.