Лекция. тема 6: Генетика. Закономерности изменчивости

ТЕМА 6

Генетика. Закономерности изменчивости признаков.

Вид занятия: лекция (90 минут).

Цель занятия – раскрыть сущность наследственной изменчивости, охарактеризовать её разновидности.

План занятия:

1. Приветствие и контроль посещаемости

2. Терминологическая эстафета (экспресс-опрос)

3. Ознакомление с теоретической частью.

• Модификационная изменчивость.

• Наследственная изменчивость.

• Генетика человека. Генетика и медицина.

4. Постановка задач на следующее занятие и задание на дом.

Ход занятия:

1). Терминологическая эстафета.

Задание: дать определение понятиям. (Текст предлагается группе учащихся на слайдах, в скобках – правильные ответы.)

- Все особи одного вида похожи друг на друга вследствие проявления свойства наследственности. Наследственность - это …

- Индивидуальные биологические признаки каждой особи определяются специфическим набором белков. Белки – это …

- Последовательность аминокислот закодирована в гене. Ген – это …

- Гены образуют линейные структуры – хромосомы. Хромосома – это …

- Хромосомный набор, несущий информацию, программу развития организма, представлен генотипом. Генотип – это …

- Наследственный материал находится не только в ядре клетки, но и в цитоплазме, образуя плазмоном. Плазмоном – это совокупность генов, расположенных в цитоплазматических нуклеиновых кислотах).

- совокупность наследственной информации, заложенной в зиготе, реализуется у организма в виде фенотипа. Фенотип – это …

- каждая особь индивидуальна и отличается от другой благодаря проявлению свойства изменчивости. Изменчивость – это … .

2). Теоретический материал.

Наследственность – это способность живых организмов передавать неизменными свои признаки в поколениях.

Изменчивость – способность живых организмов приобретать признаки, отличающие их от родителей.

Изменчивость приводит к разнообразию свойств и признаков у особей различной степени родства. Изменения фенотипа могут быть связаны либо с влиянием среды на экспрессию генов, либо с изменениями самого генетического материала. В зависимости от этого различают ненаследственную (модификационную) изменчивость и наследственную (генетическую) изменчивость.

Модификационная изменчивость не наследуется.

Наследственная изменчивость может быть обусловлена половым процессом, тогда она будет называться комбинативной. Основное предназначение разделения полов – это и есть обеспечение комбинативной изменчивости.

Второй тип наследственной изменчивости – мутационная. 

Мутация – это нарушение нуклеотидной последовательности молекулы ДНК – носителя генетической информации. Мутации возникают случайно и ненаправленно, чаще всего они не приносят пользы организму, а оказываются губительными. Иногда мутации приводят к остро необходимым изменениям, такие особи получают конкурентное преимущество, и заменившийся признак закрепляется в потомстве.

Изменчивость требуется для лучшей приспособляемости к изменчивым факторам среды.

НЕНАСЛЕДСТВЕННАЯ (МОДИФИКАЦИОННАЯ) ИЗМЕНЧИВОСТЬ

Модификационная изменчивость. Изменчивость, которая возникает без изменений в генотипе, называют модификационной (от лат. modus – "мера", "вид" и facio – "делаю") или ненаследственной (фенотипической).

• затрагивает только фенотип (генотип не изменяется);

• не передаётся по наследству;

• носит приспособительный характер к условиям среды.

Модификационная изменчивость проявляется в модификациях – изменениях признаков организма (его фенотипа) под воздействием факторов внешней среды. Она не связана с изменением генотипа, но определяется им. Внешние воздействия могут вызывать у особи изменения, которые могут быть для нее вредными, безразличными или полезными – приспособительные адаптации (лат. adaptatio – "прилаживание", "приспосабливание"). Однако все модификации имеют относительный характер, действуют лишь в конкретных условиях и не сохраняются в иных условиях, так как не закреплены в генотипе и не наследуются.

Модификации проявляются в течение всей жизни организма, позволяя ему существовать в конкретных условиях среды.

В основе модификационной изменчивости лежит то обстоятельство, что наследуется не сам признак, а лишь способность к его развитию. В зависимости от условий среды признак может проявляться в различной степени. Границы варьирования (изменчивости) признака называют нормой реакции. Норма реакции зависит от генов, а условия среды определяют, какой вариант в пределах этой нормы реакции реализуется в данном случае.

Нормы реакции различных признаков неодинаковы. Как правило, качественные признаки обладают узкой нормой реакции (например, группа крови), количественные — широкой (например, рост и масса тела).

Дать объективную оценку изменчивому признаку можно, только проанализировав большое количество особей. Для оценки признака строят вариационную кривую и находят среднюю величину признака. Значения величины признака образуют непрерывный ряд вокруг средней величины. Наиболее часто встречаются особи со средними значениями развития признака, и чем больше признак отклоняется от среднего значения, тем меньше особей им обладают.

Как было отмечено, генотип — это не механический набор генов, то есть если есть ген, то обязательно должен развиться признак. От взаимодействия генов в генотипе и влияния окружающей среды зависят степень выраженности и частота проявления отдельных генов в фенотипе.

Любая пара организмов одного вида всегда чем–то отличается друг от друга. В лесу, на опушке, на лесной поляне или в поле рядом растущие растения одного вида различаются между собой (размером, скоростью роста, формой кроны, соцветий и др.), потому что они развиваются в неравных условиях среды: получают неодинаковое количество света, воды, минеральных веществ, соприкасаются с разным составом соседствующих видов. Такая же картина характерна для особей грибов, животных и всех других организмов.

Примеров модификационной изменчивости очень много. Они показывают, что даже организмы с одинаковым генотипом, но выросшие в разных условиях всегда различаются между собой по проявлению признаков, т.е. фенотипически. Такие признаки не передаются по наследству, так как не закрепляются в генотипе.

Под влиянием условий среды у некоторых видов животных может меняться даже пол. Например, у морского червя бонеллии зеленой самцы и самки имеют одинаковый генотип. Если только что вылупившиеся из яиц личинки развиваются изолированно, то все они будут самками, но если личинки оказываются рядом с половозрелыми самками, то становятся самцами. Через хоботок самки они проникают внутрь ее организма, мигрируют через ткани (как паразиты, питаются за счет самки), оседают в половых органах самки и оплодотворяют ее яйцеклетки. Пол самца бонеллии – это фенотипическое свойство, проявляющееся в присутствии взрослой самки, а пол самки – фенотип развития особи в местах, где нет взрослых червей.

О бычно подчеркивается обратимый характер модификации признаков. Например, человек под действием ультрафиолетовых (УФ) лучей приобретает защитное свойство – загар (т. е. усиленную пигментацию кожи). Степень загара у разных людей различна, но с прекращением действия УФ–лучей загар постепенно исчезает. У некоторых рыб встречается смена пола на противоположный и обратно, причем иногда этот процесс занимает всего несколько минут (например, у окуней серанусов). В большинстве случаев модификации нестойки и исчезают, как только прекратится действие вызвавших их факторов, но они дают особям возможность выжить в конкретных изменившихся условиях.

Модификации – это ненаследуемые приспособительные реакции организма (и клеток) на изменения условий среды.

Роль модификационной изменчивости в природе велика, так как она обеспечивает организмам возможность в течение их онтогенеза адаптироваться (приспособиться) к изменяющимся условиям внешней среды.

Онтогенетическая изменчивость. Онтогенетической, или возрастной, изменчивостью называют закономерные изменения организма, произошедшие в ходе его индивидуального развития (онтогенеза). При такой изменчивости генотип остается неизменным, поэтому ее относят к ненаследственной. Однако, все онтогенетические изменения предопределены наследственными свойствами (генотипом), которые часто изменяются в ходе онтогенеза. В результате появляются новые свойства в генотипе. Это приближает онтогенетическую изменчивость к наследственной. Таким образом, онтогенетическая изменчивость занимает промежуточное положение между наследственной и ненаследственной изменчивостью.

НАСЛЕДСТВЕННАЯ, ИЛИ ГЕНОТИПИЧЕСКАЯ, ИЗМЕНЧИВОСТЬ

Наследственная, или генотипическая, изменчивость – изменения признаков организма, обусловленные изменением генотипа.

• затрагивает генотип;

• передаётся по наследству;

• носит случайный характер.

Наследственная изменчивость, в свою очередь, подразделяется на комбинативную и мутационную. Комбинативная изменчивость возникает вследствие перекомбинации наследственного материала (генов и хромосом) во время гаметогенеза и полового размножения. Мутационная изменчивость возникает в результате изменения структуры наследственного материала.

Комбинативная изменчивость это результат перекомбинации (перемешивании) генов отца и матери.

Источниками комбинативной изменчивости являются

1. Кроссинговер при мейозе (гомологичные хромосомы тесно сближаются и меняются участками).

2. Независимое расхождение хромосом при мейозе.

3. Случайное слияние гамет при оплодотворении. 

Таким образом, в процессе комбинативной изменчивости молекулярная структура генов не изменяется, однако новые сочетания аллелей в генотипах приводят к появлению организмов с новыми фенотипами.

Мутационная изменчивость возникает в результате мутаций. Мутации – качественные или количественные изменения ДНК организмов, приводящие к изменениям их генотипа.

Мутации — это стойкие внезапно возникшие изменения структуры наследственного материала на различных уровнях его организации, приводящие к изменению тех или иных признаков организма.

Мутации характеризуются следующими свойствами:

• это внезапные скачкообразные изменения в наследственности;

• это стойкие изменения наследственного материала (передаются по наследству);

• это качественные (дискретные) изменения (не образуют непрерывного ряда вокруг средней величины);

• это ненаправленные изменения (носят случайный характер);

• могут быть полезными (очень редко), вредными (большинство мутаций) и нейтральными (безразличными для данных условий существования организма);

• могут повторяться (сходные мутации могут возникать неоднократно).

• мутации индивидуальны, то есть возникают у отдельных особей.

Процесс возникновения мутаций называют мутагенезом, а факторы среды, вызывающие появление мутаций, — мутагенами.

Существует несколько принципов классификации мутаций:

• по изменению генотипа: а) генные; б) хромосомные; в) геномные;

• по изменению фенотипа: а) морфологические; б) биохимические; в) физиологические; г) летальные и др.;

• по отношению к генеративному пути: а) соматические; б) генеративные;

• по проявлению мутации в гетерозиготе: а) доминантные; б) рецессивные;

• по локализации в клетке: а) ядерные, б) цитоплазматические;

• по причинам возникновения: а) спонтанные, б) индуцированные.

• по адаптивному значению выделяют: полезные, вредные (летальные, полулетальные) и нейтральные мутации. 

Полезные — повышают жизнеспособность, летальные — вызывают гибель, полулетальные — снижают жизнеспособность, нейтральные — не влияют на жизнеспособность особей. Следует отметить, что одна и та же мутация в одних условиях может быть полезной, а в других — вредной.

По характеру проявления мутации могут быть доминантными и рецессивными. Если доминантная мутация является вредной, то она может вызвать гибель ее обладателя на ранних этапах онтогенеза. Рецессивные мутации не проявляются у гетерозигот, поэтому длительное время сохраняются в популяции в «скрытом» состоянии и образуют резерв наследственной изменчивости. При изменении условий среды обитания носители таких мутаций могут получить преимущество в борьбе за существование.

В зависимости от того, выявлен ли мутаген, вызвавший данную мутацию, или нет, различают индуцированные и спонтанные мутации. Обычно спонтанные мутации возникают естественным путем, индуцированные — вызываются искусственно.

По типу клеток, в которых мутации произошли, различают: генеративные и соматические мутации.

Генеративные мутации возникают в половых клетках, не влияют на признаки данного организма, проявляются только в следующем поколении.

Соматические мутации возникают в соматических клетках, проявляются у данного организма и не передаются потомству при половом размножении. Сохранить соматические мутации можно только путем бесполого размножения (прежде всего вегетативного).

В зависимости от уровня наследственного материала, на котором произошла мутация, выделяют: генные, хромосомные и геномные мутации.

Генные (точковые) мутации — изменения структуры генов. Поскольку ген представляет собой участок молекулы ДНК, то генные мутации связаны с изменением нуклеотидной последовательности ДНК одного гена. Существуют два основных механизма генных мутаций: замена одного нуклеотида на другой и выпадение или вставка одного из них. В результате происходит изменение в транскрипции РНК и синтезе белков, что обусловливает появление новых или изменённых признаков. Вставка и выпадение нуклеотидов приводят к более значительным последствиям, чем их замена, так как происходит сдвиг триплетов и изменяется не одна аминокислота, а вся дальнейшая последовательность аминокислот.

Генные мутации могут происходить в результате:

1) замены одного или нескольких нуклеотидов на другие;

2) вставки нуклеотидов;

3) потери нуклеотидов;

4) удвоения нуклеотидов;

5) изменения порядка чередования нуклеотидов.

Благодаря генным мутациям часто возникают множественные аллели одного и того же гена.

Заболевания, причиной которых являются генные мутации, называются генными (фенилкетонурия, серповидноклеточная анемия, гемофилия и т.д.). Наследование генных болезней подчиняется законам Менделя.

Хромосомные мутации связаны с перемещением участков хромосом. В изменении структуры хромосом могут быть задействованы участки одной хромосомы или разных, негомологичных, хромосом. Механизм хромосомных мутаций заключается в образовании при воздействии мутагенов разрывов хромосом с возможной утратой некоторых фрагментов и воссоединении частей хромосомы в ином порядке по сравнению с исходной хромосомой. Различают разные виды хромосомных мутаций:

Если перестройки осуществляются в пределах одной хромосомы — внутрихромосомные мутации (делеция, инверсия, дупликация, инсерция), если между хромосомами — межхромосомные мутации (транслокация).

Делеция — утрата участка хромосомы (2);

Дупликация — удвоение одного и того же участка хромосомы (3);

Инверсия — поворот участка хромосомы на 180° (4, 5);

Инсерция — перестановка участка (6).

Транслокация — перенос участка одной хромосомы или целой хромосомы на другую хромосому.

Заболевания, причиной которых являются хромосомные мутации, относятся к категории хромосомных болезней. К таким заболеваниям относятся синдром «крика кошки», транслокационный вариант синдрома Дауна и др.

Геномной мутацией называется изменение числа хромосом. Геномные мутации возникают в результате нарушения нормального хода митоза или мейоза.

Различают полиплоидию и гетероплоидию. 

Гаплоидия — уменьшение числа полных гаплоидных наборов хромосом.

Полиплоидия — увеличение числа хромосом, кратное гаплоидному набору (3n — триплоидия, 4n — тетраплоидия и т. д.). Причины полиплоидии могут быть различны: образование в процессе мейоза гамет с нередуцированным числом хромосом; слияние соматических клеток или их ядер; удвоение хромосом без последующего деления клеток. Полиплоидия часто встречается у растений и редко у животных.  Получение полиплоидов широко используется в селекции растений

Гетероплоидия — изменение числа хромосом, не кратное гаплоидному набору (2n-1 — моносомия; 2n+1 — трисомия; полисомия и др. по отдельным хромосомам). Чаще всего наблюдается уменьшение или увеличение числа хромосом на одну (реже две и более). Причина гетероплоидии — нерасхождение отдельных гомологичных хромосом при гаметогенезе, в результате чего появляются гаметы, в которых некоторые хромосомы либо отсутствуют, либо представлены в двойном количестве.

В этом случае одна из образовавшихся гамет содержит на одну хромосому меньше, а другая — на одну больше. Слияние таких гамет с нормальной гаплоидной гаметой при оплодотворении приводит к образованию зиготы с меньшим или большим числом хромосом по сравнению с диплоидным набором, характерным для данного вида: нулесомия (2n - 2), моносомия (2n - 1), трисомия (2n + 1), тетрасомия (2n + 2) и т.д.

Изменение числа хромосом часто вызывает нарушение развития, или даже летальность. Например, болезнь Дауна обусловлена наличием трёх хромосом в 21 паре.

На генетических схемах, приведенных ниже, показано, что рождение ребенка с синдромом Клайнфельтера или синдромом Тернера-Шерешевского можно объяснить нерасхождением половых хромосом во время анафазы 1 мейоза у матери или у отца.

1) Нерасхождение половых хромосом во время мейоза у матери

2) Нерасхождение половых хромосом во время мейоза у отца

Заболевания, причиной которых являются геномные мутации, также относятся к категории хромосомных. Их наследование не подчиняется законам Менделя. Кроме вышеназванных синдромов Клайнфельтера или Тернера-Шерешевского, к таким болезням относятся синдромы Дауна (47, +21), Эдвардса (+18), Патау (47, +15).

Мутагенные факторы

Мутагенные факторы можно разделить на две группы. С одной стороны, мутации могут происходить самопроизвольно вследствие ошибок в ходе репликации, репарации и рекомбинации ДНК. С другой стороны, они могут быть вызваны внешними причинами — мутагенами.

Мутагены — факторы внешней (окружающей) среды, вызывающие мутацию. Их делят на физические (ультрафиолетовые, рентгеновские и гамма-лучи, повышенная или пониженная температура), химические (бензопирен, азотистая кислота), биологические (некоторые вирусы).

В настоящее время в результате производственной деятельности человека усиливается загрязнение окружающей среды мутагенами. В результате растёт число мутаций, как среди людей, так и среди других живых организмов. Подавляющее большинство мутаций носит вредный характер, то есть увеличивает заболеваемость и смертность.

Зачастую мутагены одновременно являются и канцерогенами — факторами, вызывающими развитие злокачественных опухолей.

Изменчивость, т.е. способность организмов существовать в разных вариациях, в виде особей с разными свойствами, – один из важнейших факторов жизни, обеспечивающий приспособленность организмов (популяций и видов) к изменяющимся условиям существования и обусловливающий эволюцию видов.

ГЕНЕТИКА ЧЕЛОВЕКА. ГЕНЕТИКА И МЕДИЦИНА:

Генетика человека изучает явления наследственности и изменчивости в популяциях людей, особенности наследования признаков в норме и их изменения под действием условий окружающей среды. Целью медицинской генетики является разработка методов диагностики, лечения и профилактики наследственной патологии человека.

Задачами генетики человека являются:

1) определение локализации всех генов человека и создание их банка;

2) ранняя диагностика наследственной патологии путем совершенствования методов пренатальной и экспресс-диагностики;

3) широкое внедрение медико-генетического консультирования;

4) разработка методов генной терапии наследственных заболеваний на основе генной инженерии;

5) выявление генетически опасных факторов внешней среды и разработка методов их нейтрализации.

Человек как специфический объект генетического анализа.

Изучение генетики человека связано с большими трудностями:

1) сложный кариотип - много хромосом и групп сцепления;

2) позднее половое созревание и редкая смена поколений;

3) малое количество потомков;

4) невозможность экспериментирования;

5) невозможность создания одинаковых условий жизни.

Несмотря на перечисленные трудности, генетика человека изучена на сегодня лучше, чем генетика многих других организмов (например, млекопитающих) благодаря потребностям медицины и разнообразным современным методам исследования.

Основные методы исследования генетики человека:

1. Клинико-генеалогический метод был введен в конце ХIХ века Ф. Гальтоном. Он основан на построении родословных и прослеживании в ряду поколений передачи определенного признака.

Этапы генеалогического анализа:

1)сбор данных о всех родственниках обследуемого (анамнез);

2)построение родословной;

3) анализ родословной и выводы.

Сложность сбора анамнеза заключается в том, что пробанд должен хорошо знать, по возможности, большинство своих родственников и состояние их здоровья.

Метод позволяет установить:

1)является ли данный признак наследственным;

2)тип и характер наследования;

3)зиготность лиц родословной;

4)пенетрантность гена,

5)вероятность рождения ребенка с данной наследственной патологией.

Типы наследования.

1.Аутосомно-доминантный тип наследования характеризуется следующими признаками:

1)больные в каждом поколении;

2)больной ребенок у больных родителей;

3)болеют в равной степени мужчины и женщины;

4)наследование идет по вертикали и по горизонтали;

5)вероятность наследования 100%, 75% и 50%.

Следует подчеркнуть, что вышеперечисленные признаки аутосомнодоминантного типа наследования будут проявляться только при полном доминировании. Так наследуется у человека полидактилия (шестипалость), веснушки, курчавые волосы, карий цвет глаз и др. При неполном доминировании у гибридов будет проявляться промежуточная форма наследования. При неполной пенетрантности гена больные могут быть не в каждом поколении.

2. Аутосомно-рецессивный тип наследования характеризуется следующими признаками:

1)больные не в каждом поколении;

2)у здоровых родителей больной ребенок;

3)болеют в равной степени мужчины и женщины;

4)наследование идет преимущественно по горизонтали;

5)вероятность наследования 25%, 50% и 100%.

Чаще всего вероятность наследования болезни аутосомно-рецессивного типа составляет 25%, так как вследствие тяжести заболевания такие больные либо не доживают до детородного возраста, либо не вступают в брак. Так наследуется у человека фенилкетонурия,серповидно-клеточная анемия, голубой цвет глаз и др.

3. Х-сцепленный рецессивный тип наследования характеризуется следующими признаками:

1)больные не в каждом поколении;

2)у здоровых родителей больной ребенок;

3)болеют преимущественно мужчины;

4)наследование идет в основном по горизонтали;

5)вероятность наследования 25% от всех детей и 50% у мальчиков. Так наследуются у человека гемофилия, дальтонизм, наследственная анемия, мышечная дистрофия и др.

4. Х-сцепленный доминантный тип наследования сходен с ауто-сомно-доминантным, за исключением того, что мужчина передает этот признак всем дочерям (сыновья получают от отца Y-хромосому, они здоровы). Примером такого заболевания является особая форма рахита, устойчивая к лечению витамином D.

5. Голандрический тип наследования характеризуется следующими признаками:

1)больные во всех поколениях;

2)болеют только мужчины;

3)у больного отца больны все его сыновья;

4)вероятность наследования 100% у мальчиков.

Так наследуются у человека ихтиоз кожи, обволошенность наружных слуховых проходов и средних фаланг пальцев, перепонки между пальцами на ногах и др. Голандрические признаки не имеют существенного значения в наследственной патологии человека.

2.2. Близнецовый метод изучения генетики человека введен в медицинскую практику Ф. Гальтоном в 1876 г. Он позволяет определить роль генотипа и среды в проявлении признаков.

Различают моно- и дизиготных близнецов. 

Монозиготные(однояйцевые)близнецы развиваются из одной оплодотворенной яйцеклетки. Монозиготные близнецы имеют совершенно одинаковый генотип и, если они отличаются фенотипически, то это обусловлено воздействием факторов внешней среды.

Дизиготные (двуяйцевые) близнецы развиваются после оплодотворения сперматозоидами нескольких одновременно созревших яйцеклеток. Близнецы будут иметь разный генотип и их фенотипические различия обусловлены как генотипом, так и факторами внешней среды.

Монозиготные близнецы имеют большую степень сходства по признакам, которые определяются в основном генотипом. Например, монозиготные близнецы всегда однополы, у них одинаковые группы крови по разным системам (АВ0, Rh, MN и др.), одинаковый цвет глаз, однотипны дерматоглифические показатели на пальцах и ладонях и др. Эти фенотипические признаки и используются в качестве критериев диагностики зиготности близнецов.

Процент сходства группы близнецов по изучаемому признаку называется конкордантностью, а процент различия -дискордантностью. Так как монозиготные близнецы имеют одинаковый генотип, то конкордантность их выше, чем у дизиготных.

Для оценки роли наследственности и среды в развитии того или иного признака используют формулу Хольцингера:

КМБ% - КДБ%

Н=

100% - КДБ%

где Н - доля наследственности, КМБ% - конкордантность монозиготных близнецов, КДБ% - конкордантность дизиготных близнецов.

2.3.Популяционно-статистическийметод изучения генетики человека основан на использовании закона Харди-Вайнберга. Он позволяет определять частоту генов и генотипов в популяциях людей. Например, гомозиготы по гену HbS в Беларуси практически не встречаются, а в странах Западной Африки частота их варьирует от 25% в Камеруне до 40% в Танзании (Ф. Фогель, А. Мотульски, 1990). Изучение распространения генов среди населения различных географических зон (геногеография) дает возможность установить центры происхождения различных этнических групп и их миграции, определить степень риска появления наследственных болезней у отдельных индивидуумов.

2.4.Цитогенетический метод основан на микроскопическом исследовании кариотипа. Этапы метода:

1) культивирование клеток человека (чаще лимфоцитов) на искусственных питательных средах;

2) стимуляция митозов фитогемагглютинином (ФГА);

3) добавление колхицина (разрушает нити веретена деления) для остановки митоза на стадии метафазы;

4) обработка клеток гипотоническим раствором, вследствие чего хромосомы рассыпаются и лежат свободно;

5) окрашивание хромосом;

6) изучение под микроскопом и фотографирование;

7) вырезание отдельных хромосом и построение идиограммы.

В 70-егоды были разработаны методы дифференциального окрашивания хромосом человека, которые показали, что каждая пара хромосом имеет специфический характер чередования неокрашенных, светло- и темноокрашенных дисков (Парижская классификация).

Метод позволяет выявлять геномные (например, болезнь Дауна) и хромосомные (например, синдром кошачьего крика) мутации. Хромосомные аберрации обозначают номером хромосомы, короткого или длинного плеча и избытком (+) или нехваткой (-)генетического материала. Например, синдром кошачьего крика обозначают:5р-.

2.5. Биохимические методы основаны на изучении активности ферментных систем (либо по активности самого фермента, либо по количеству конечных продуктов реакции, катализируемой данным ферментом). Они позволяют выявлять генные мутации - причины болезней обмена веществ (например, фенилкетонурия, серповидно-клеточнаяанемия).

Аналогично проводятся тесты, выявляющие предрасположенность к сахарному диабету, гипертонии и др. болезням.

2.6. Методы рекомбинантной ДНК. Эти методы позволяют анализировать фрагменты ДНК, находить и изолировать отдельные гены и сегменты генов и устанавливать в них последовательность нуклеотидов.

2.6.1. Метод клонирования ДНК позволяет изолировать отдельные гены или их части, транскрибировать (создавать их копии) и транслировать изолированные гены. Это стало возможным благодаря открытию ферментоврестриктаз. Эти ферменты узнают определенную специфическую олигонуклеотидную последовательность в двух нитевой ДНК и разрезают ее в данном сайте (месте) (см. лекцию 8). Разные рестриктазы распознают различные последовательности нуклеотидов и разрезают ДНК в разных сайтах.

2.6.2. Гибридизация нуклеиновых кислот. При этом методе линейные отрезки двухцепочечной ДНК подвергают тепловой обработке и получают одноцепочечные фрагменты (денатурирование). Денатурированную ДНК инкубируют при таких условиях (t - 37о C), когда происходит гибридизация, т.е. взаимное распознавание двух комплементарных нитей посредством спаривания азотистых оснований. Часто для идентификации порядка нуклеотидов используют в качестве «зонда» одну радиоактивную нить ДНК. Можно идентифицировать как полностью, так и частично гомологичные последовательности. Специфичность гибридизации нуклеиновых кислот, позволяет обнаружить единственный ген среди десятков тысяч. Различные модификации этого метода позволяют в клинике анализировать очень малые количества ДНК, взятые у больного.

Для широкого применения в практическом здравоохранении методов рекомбинантной ДНК необходимо создание библиотек радиоактивных зондов всех последовательностей ДНК генома человека, что в настоящее время успешно делается.

2.7. Методы генетики соматических клетокдают возможность изучать многие вопросы генетики человека в эксперименте. Для культивирования чаще используют клетки соединительной ткани (фибробласты) и лимфоциты крови. На искусственных питательных средах их можно клонировать, т.е. получать потомков одной клетки. Все они будут иметь одинаковый генотип (как монозиготные близнецы) и, следовательно, на клеточном уровне можно изучать роль генотипа и среды в проявлении признаков.

Можно проводить селекцию клеток - отбор клеток с заранее заданными свойствами. Для этого используют селективные питательные среды. Например, если в питательную среду добавить не лактозу, а другие сахара, то из большого числа клеток найдется несколько, которые смогут существовать без лактозы, и в дальнейшем можно получить клон таких клеток.

Наибольший интерес для генетики человека представляет метод гибридизации соматических клеток. В 1960 г. французский ученый Ж. Барский, выращивая в культуре клетки двух линий мышей, обнаружил, что некоторые из них по своим морфологическим и биохимическим свойствам оказались промежуточными между исходными родительскими клетками. Это были гибридные клетки.

Гибридизация возможна не только между клетками организмов разных видов, но и типов: человек-мышь, человек-комари др. Синкарионы обычно удается получать при гибридизации клеток разных видов, относящихся к одному классу. В таких синкарионах происходит объединение геномов двух видов. Например, гибридные клетки человека и мыши имеют 43 пары хромосом: 23 - от человека и 20 - от мыши. В дальнейшем происходит постепенное удаление хромосом того организма, клетки которого имеют более медленный темп размножения. У гибридных клеток человек-мышь удаляются хромосомы человека.

В гибридных клетках функционируют хромосомы как человека, так и мыши, гены которых детерминируют синтез соответствующих белков. Морфологически можно отличить каждую из хромосом (дифференциальное окрашивание).

Если в гибридной клетке отсутствует какая-либо хромосома и не происходит синтезкаких-тобелков, то можно предположить, что гены, детерминирующие синтез этих белков, локализованы в данной хромосоме. Таким образом, метод позволяет устанавливать группы сцепления у человека, а используя нехватки и транслокации выяснять и последовательность расположения генов, т.е. строить генетические карты хромосом человека.

2.8.Биологическое моделирование определенных наследственных аномалий человека можно проводить на мутантных линиях животных, имеющих сходные нарушения. Например, у собак встречается гемофилия, обусловленная рецессивным сцепленным с Х-хромосомой (с полом) геном, несращение губы и неба у мышей сходно с аналогичными аномалиями человека, у хомяков и крыс встречаются сахарный диабет, ахондроплазия, мышечная дистрофия и др.

Хотя мутантные линии животных не дают точную картину наследственных болезней человека, даже частичное воспроизведение их фрагментов в ряде случаев позволяет изучить механизмы первичного отклонения от нормы. Закон гомологичных рядов Н. И. Вавилова (виды и роды генетически близкие обладают сходными рядами наследственной изменчивости) позволяет с определенными ограничениями экстраполировать экспериментальные данные на человека.

2.9.Математическое моделирование - это метод создания и изучения математических моделей. Его применяют для расчетов частот генов в популяциях при различных воздействиях и изменениях окружающей среды. Математические методы широко применяются в тех случаях, когда невозможно использование экспериментальных методов (например, анализ большого количества сцепленных генов у человека).

В последние годы медицинская генетика развивается особенно интенсивно. Это связано не только с совершенствованием техники исследований, но и с тем, что целый ряд отклонений от нормы и заболеваний человека имеет генотипическую природу.

Установлено, что многие наследственные заболевания связаны с изменением числа хромосом или с изменением структуры отдельных хромосом. Речь идет о группе хромосомных мутаций. У человека известно свыше 100 аномалий, связанных с изменением числа хромосом и их строения. Подобные нарушения обусловливают заболевания, называемые хромосомными болезнями.

С помощью медицинской генетики возможно прогнозировать вероятность рождения детей с наследственными заболеваниями, причем в некоторых случаях передающихся через поколение. В 1869 г. Английским антропологом Фрэнсисом Гальтоном было создано учение о наследственном здоровье человека и путях его улучшения, получившее впоследствии название евгеники. В современной науке эти проблемы решаются в рамках медицинской генетики.

В связи с этим большое значение приобретает медико – генетическое консультирование. Показано, что в крови « резус» — ген, ответственный за резус – фактор, бывает в двух состояниях: « резус » и « резус ». Если, например, женщина резус – отрицательная, а мужчина резус – положителен, то плод может быть резус – положителен. Такой плод выделяет в кровеносную систему матери антиген, а организм матери начинает вырабатывать защитные антитела, разрушающие кровеносную систему плода. Подобная реакция может привести к гибели плода и отравлению материнского организма. Такие браки нежелательны.

Домашнее задание

Задание 1. Заполнить пробелы в предлагаемом ниже тексте.

1) Хром...сомы – органоиды клеточного ядра, являющиеся носителями ……….. и определяющие………………. .

2) Ген…тип – совокупность……………организма или клетки.

3) Ген…ративные мутации возникают…………… .

4) Полипл…идия - тип геномных мутаций, связанных с ……………… .

5) М…дификационная изменчивость - способность организмов изменять …… под влиянием ………. .

Задание 2. Заполнить таблицу: Сравнение модификационной и мутационной изменчивости

Задание 3. Среди приведенных утверждений выбрать правильные.

Мутации могут вызываться:

1) рентгеновскими лучами

2) избыточным питанием

3) ультрафиолетовыми лучами

4) ультразвуком

5) переохлаждением

6) радиоактивным излучением

7) нитратами

8) вредными промышленными выбросами

9) переутомлением

10) кислотами

11) высокой температурой

Задание 4. Заполнить схему

Задание 5. Установите соответствие между характеристикой изменчивости и её примерами: к каждой позиции – признаки организма, подберите соответствующую позицию среди рисунков. Подсказка: так проявляется действие среды на организм.

ПРИЗНАКИ ОРГАНИЗМА

А) изменчивость носит групповой характер;

Б) приводит к созданию новых генотипов;

В) наследуется;

Г) проявляется в новых комбинациях признаков;

Д) изменения носят только фенотипический характер;

Е) изменения определяются

нормой реакции.

Задание 6*.

Придумайте предложения, в которых используются термины и понятия:

1.-Признак молочности у коров обладает …(широкой нормой реакции, узкой нормой реакции).

2.-Разнообразие окраски перьев у голубей служит примером … (комбинативной изменчивости, цитоплазматической)

3.- Многие сорта плодовых и ягодных культур, размножающихся вегетативно, были получены на основе …(соматических мутаций, генеративных).

4.- Многие мутации - причины появления у человека и животных …(различных уродств, отклонений в развитии).

5.-В наборе хромосом зиготы содержатся парные – …( гомологичные хромосомы, негомологичные хромосомы).

6.-Пол, который образует гаметы, одинаковые по половой хромосоме называют… (гомогаметным, гетерогаметным).

Задание 7*. Используя элементы схемы, включающую подробную информацию об изменчивости организмов, составьте связный логический рассказ. Приведите примеры различных видов изменчивости и методов изучения изменчивости человека.

Элементы Схемы:

Изменчивость

Ненаследственная Цитоплазматическая

Модификационная

-не затрагивает генотип - затрагивает плазмоном

- зависит от условий среды

- проявляется в пределах нормы реакции

Наследственная

Генотипическая

Затрагивает генотип

Мутационная Комбинативная

1- Геномная разнообразие генотипов основано на:

2- Генная

1-независимом расхождении хромосом в 1-м делении мейоза

3- Хромосомная.

2- кроссинговере.

3 - случайной встрече гамет при оплодотворении

17