Biologia_-_materialy_dlya_samopodgotovki

вороной масти: (В-сс); рыжей: (bbсс). Рецессивным эпистазом объясняется развитие альбинизма у животных и человека. У грызунов ген А контролирует зональное распределение пигмента (в корне волоса и особи имеют серый цвет шерсти), ген а – равномерное его распределение по всей длине волос (особи – черные). Ген С контролирует синтез пигмента, при рецес- сивномсостояниигена(с-эпистатическийген) синтезапигментанепроисходит(животные– альбиносы). Генотипыособейссеройокраскойшерсти: (А-С-); счерной: (ааС-); сбелой: (А-ссиаасс). Учеловекаальбиносы– рецессивныегомозиготы. Этотгенврецессивномсостоянииподавляетфунк- циювсехгеновР1-Р4, которыеопределяютколичествопигментамеланина.

Разделение на комплементарность и эпистаз – искусственно, т. к. во всех случаях сложный признак является результатом сочетания в генотипе определенных аллелей соответствующих генов, которые обеспечивают синтезпродуктов, участвующихвцепибиохимическихпреобразованийна разных уровнях формирования сложного признака.

Эффект положения. Этот вид взаимодействия характерен для генов однойхромосомы, занимающихсоседниелокусы. Эффектположенияпроявляется в изменении функциональной активности гена в зависимости от того, какой аллель находится в соседнем локусе.

Например, формирование резус-фактора крови контролируются у че- ловека3-мяпарамигеновC, D иE, которыенаходятсявсоседнихлокусах. ДоминантныйгенD обязательноприсутствуетурезус-положительныхлю- дей, ноегоактивностьможетбытьснижена, есливэтойжехромосомеоказывается доминантный ген С. Соседство аллеля Е снижает функциональную активность гена С. Поэтому, при одинаковом генотипе (СcDDЕe) степень развития резус-конфликта может быть разной. В случае, если доми-

нантные гены С и Е оказываются в одной хромосоме CDEcDe , то антигена Е образуется больше, чем антигена С и резус-конфликт будет выраженным.

Придругомсочетаниигеновводнойхромосоме CDecDE синтезируетсябольше антигена С и степень развития резус-конфликта будет минимальной.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ

1. Понятие полного доминирования. Значение анализирующего скрещивания в определении генотипа при полном доминировании. 2. Неполное доминирование. 3. Особенности наследования признаков при кодоминировании. 4. Аллельноеисключениеисверхдоминирование. 5. Цитологическиеосновыполимерииикомплементарности. 6. Эпистаз, виды, генотипыприкоторыхонпроявляется. 7. Эффектположения, примеручеловека.

51

ИЗМЕНЧИВОСТЬ ОРГАНИЗМОВ

Ключевые слова и понятия: генотипическая и фенотипическая (модификационная) изменчивость; мутационная и комбинативная изменчивость; норма реакции; геномные, хромосомные и генные мутации; полиплоидия; гетероплоидия; хромосомные аберрации: делеция, дупликация, инверсия, транслокация; спонтанные и индуцированные, соматические и генеративные мутации; мутагены.

Генетика, наряду с явлением наследственности, изучает и изменчивость. Изменчивость – это свойство организмов приобретать в онтогенезе отличия от родительских форм в результате изменения генов или их проявления в фенотипе под влиянием внешней среды. Изменчивость приводит к возникновению различий между особями, что позволяет отличить один организм от другого. Выделяют два вида изменчивости: фенотипическую и генотипическую.

Фенотипическая (модификационная) – это изменение фенотипа под действием факторов внешней среды без изменения генотипа. Отдельные изменения фенотипа называются модификации; они не наследуются, поэтому не имеют значения для эволюции; исчезают после прекращения воздействия фактора, вызвавшего их; имеют значение только для самого организма, а не вида, они всегда полезны, поэтому обеспечивают приспособленность организма к изменяющимся условиям среды. Например, количество эритроцитов в 1 мм3 крови человека увеличивается в 2 раза при подъеменавысоту4 тыс. м, апослеспускавозвращаетсякнорме. Возникновение модификаций связано с воздействием внешней среды на один из последних этапов реализации гена в признак (на протекание биохимических реакций). Поэтому, один и тот же генотип может в разных условиях средыдаватьразноепроявлениепризнака. Границыизменчивостипризнакаопределяютсянормойреакции. Нормареакции– этодиапазонизменений, в пределах которого один и тот же генотип способен дать различные фенотипы. Норма реакции наследуется.

Генотипическая изменчивость возникает при изменении генотипа с последующим изменением фенотипа. Она разделяется на 2 вида: комбинативная и мутационная. Комбинативная изменчивость связана с образованием новых комбинаций генов в генотипе, сами гены при этом не изменяются. Различные сочетания генов в генотипе приводят к появлению организмов с новым фенотипом. Перекомбинация генов возникает в результате кроссинговера; независимого расхождения хромосом при мейозе в процессе гаметогенеза; случайной встречи гамет при оплодотворении;

52

случайного подбора родительских пар. Примером комбинативной изменчивостиучеловекаявляетсяпоявлениеуродителейсI иIV группамикрови детей со II и III группами:

Таким образом, в результате комбинативной изменчивости создается разнообразие генотипов. Однако новые комбинации генов не только часто и легко возникают, но также легко и разрушаются.

Мутационная изменчивость – это изменения самих наследственных структур (генов, хромосом) вследствие чего изменяется генотип. Этот вид изменчивости наследуется и является материалом для отбора. Отдельные изменения называются мутации, процесс их возникновения – мутагенез. Организм, приобретший новые признаки в результате мутаций, называется мутантным.

Термин «мутации» был предложен де Фризом в 1901–1903 г. в его труде «Мутационная теория». Основные положения этой теории: мутации возникаютвнезапно, скачкообразно; являютсяустойчивыми, наследуются; необразуютнепрерывныхрядовинегруппируютсявокругсреднеготипа; идут в разных направлениях (могут быть полезными и вредными); затрагивают все признаки и свойства организма (любой генный локус); одни и те же мутации могут возникать повторно. Таким образом, мутации представляют собой редкие, случайные и ненаправленные изменения в генотипе. Мутациимогутбытьдоминантнымиирецессивными. Доминантные проявляются сразу в фенотипе, если эта мутация вредная, то организм нежизнеспособен, погибает и мутация устраняется. Большинство мутаций рецессивны, они накапливаются в генофонде популяции и проявляются в фенотипе только у рецессивных гомозигот.

Существует несколько классификаций мутаций. По характеру проявления мутации могут быть доминантными и рецессивными. Доминантныемутациисразупроявляютсявфенотипедажеугетерозигот. Рецессивные мутации (их большинство) проявляются только у рецессивных гомозигот, они способны накапливаться в генофонде популяции, формируя генетический груз.

Вторая классификация в качестве критерия использует изменения в генетическом аппарате клетки. Различают 3 типа мутаций: геномные, хромосомные и генные. Геномные мутации – изменение количества хромосом кариотипа. Они возникают в результате нерасхождения хромосом в

53

мейозе гаметогенеза и делятся на полиплоидию и гетероплоидию. Эти изменения видны в световой микроскоп. Полиплоидия – увеличение числа хромосомвкариотипенаколичество, кратноегаплоидномунабору(2n+n). Уполиплоидныхорганизмовболеекрупныеклетки, поэтомуcелекционеры специально получают полиплоидные растения, которые характеризуются более крупными размерами листьев, цветов, плодов и семян. У человека и животных полиплоидия не совместима с жизнью (спонтанные аборты, мертворождение), частотаихвозникновениянизка. Гетероплоидия(анеуплоидия) – этоизменениечислахромосомнаколичество, некратноегаплоидному набору (2n±1). Возникает вследствие нерасхождения какой-либо пары хромосом в мейозе (у человека чаще всего акроцентрических хромосом). Встречается чаще, чем полоиплоидия. Различают трисомии – появление в кариотипе дополнительной хромосомы того или иного номера (3 копии одной хромосомы – 2n+1) и моносомии – потеря одной из гомологичных хромосом (в диплоидном наборе отсутствует одна из пары хромосом– 2n-1). Этотвидмутацийявляетсяпричинойвозникновенияхромосомныхнаследственныхболезней. Примеромтрисомиипоаутосоме21 является синдром Дауна (у больного человека в кариотипе не 46, а 47 хромосом). Примером моносомии является синдром Шерешевского-Тернера (больные– женщиныскариотипом45,Х0). Трисомиивозможныполюбой хромосоме, но с жизнью у человека совместимы только трисомии 13, 18 и 21. При нарушении расхождения хромосом в 2-х и более последовательных делениях возникают тетрасомии и полисомии.

Хромосомныемутациивызваныизменениемструктурыхромосоминазываютсяхромосомнымиаберрациями. Онимогутизменятьдозугенов, их локализациюилиперераспределениегеновмеждухромосомами. Этотвид мутацийтакжеприводиткпоявлениюхромосомныхнаследственныхболезней. Различаютнескольковидовхромосомныхперестроек: делеция– выпадениеучасткахромосомы, приэтомменяетсядозагена; дупликация– удвоение участка хромосомы (меняется доза гена); инверсия – поворот участка хромосомы на 180°; транслокация – обмен участками между негомологичными хромосомами или перемещение участка одной хромосомы на другую (обычно между акроцентрическими хромосомами).

Генные (или точковые) мутации вызваны изменением последовательности нуклеотидов (замена, вставка, выпадение) в молекуле ДНК в пределах одного гена. В результате изменяется структура гена и соответствующего белка. Эти мутации возникают наиболее часто и являются причиной моногенныхнаследственныхболезней(дальтонизм, альбинизмидр.). Врезультатегенныхмутацийвозникаютновыеаллелиилисериимножественныхаллелей. Однаконевсегенныемутацииприводяткизменениюструк-

54

туры генов. В клетках существуют механизмы восстановления повреждений молекулы ДНК, т. е. явление репарации.

По 2-й классификации, основанной на причинах возникновения, различают спонтанные и индуцированные мутации. Спонтанные мутации развиваютсявприродеподвлияниемнеизвестногофакторасреды, безучастия человека (спонтанный мутагенез). Индуцированные мутации вызывает сам человек, воздействуя на организм известным ему фактором (индуцированный мутагенез).

По 3-й классификации, в зависимости от клеток, в которых возникают, мутации делят на соматические и генеративные. Соматические (телесные) мутации возникают в группе соматических клеток, определенном клоне, которыйпроизошелотмутантнойклетки. Мутантнымявляетсясам организм, мутациинепередаютсяпотомствуприполовомразмножении, но снижаютжизнеспособностьорганизма, вкоторомонивозникли. Примером соматических мутаций у человека является появление лейкодермических пятен на коже с возрастом; возникновение онкологических заболеваний. Генеративныемутациипроисходятвгаметах, наследуются, т. е. приводят к появлению мутантного потомства, все клетки которого будут содержать мутацию. Такие мутации ведут к развитию наследственных заболеваний.

Повлияниюнажизнеспособностьорганизмаразличаютполезные, нейтральныеивредныемутации. Полезныемутацииповышаютжизнеспособность организма и продолжительность его жизни. Нейтральные мутации приводяткпоявлениюновыхсостоянийпризнаков(различныегруппыкрови, цвет глаз, волос). Вредные мутации снижают жизнеспособность особей(полулетальныемутации), либоприводяткгибелиорганизманаранних стадиях эмбрионального развития, или рождению детей с аномалиями, несовместимыми с жизнью (летальные мутации). Примерами полулетальных мутаций у человека служат различные формы гемофилии, фенилкетонурия, синдром Дауна.

Факторысреды, которыевызываютмутации, называютсямутагенами. Различают следующие группы мутагенов: физические, химические, биологические и фармакологические. К физическим мутагенам относятся все виды ионизирующего, электромагнитного, лазерного, ультрафиолетового, рентгеновское, ά-, β-, γ- излучения, температура и т. д. Этот вид мутагенов является самым сильным. Обладает большой проникающей способностью, вызывает образование свободных радикалов из воды, находящейся в клетке, разрыв нитей ахроматинового веретена. Радикалы могут вызывать разрыв цепи ДНК, изменять азотистые основания, расщеплять органические вещества. Облучение вызывает генные и хромосомные мутации. Особенно опасна ионизирующая радиация, т. к. она характеризует-

55

ся отсутствием пороговой дозы, кумулятивным (накопительным) эффектом, причем мутации могут проявляться в последующих поколениях. Изменения клеток организма под действием излучения называются радио-

генетическим эффектом.

Кхимическим мутагенам относятся все химические вещества, которыеделятсяна2 группы: органическиеинеорганические(кислоты, щелочи, перекиси, соли металлов, формальдегид, пестициды, гербициды, колхицин). Мутагены органической природы в основном вызывают генные мутации, неорганической – хромосомные аберрации. Химические мутагены могут изменять коллоидноесостояние хромосом, вступать в реакции

сДНК, угнетать ее синтез.

Кбиологическим мутагенам относятся вирусы, бактерии и их токсины, вакцины, сыворотки, стероидные гормоны, неполноценное питание. Вирусы могут встраиваться в геном клетки-хозяина, изменяя структуру и функцию ее ДНК. Бактерии, грибы, простейшие и гельминты и продукты ихметаболизмадействуюткакхимическиемутагены. Например, афлотоксин – продукт жизнедеятельности плесневых грибов, паразитирующих на злаковых растениях и арахисе, является причиной развития рака печени. Вирусы оспы, гепатита, краснухи могут стимулировать мутагенез в клетках хозяина, вызывая хромосомные перестройки.

Кфармакологическим мутагенам относятся лекарственные препараты. Например, некоторые антибиотики (тетрациклин, левомицитин) обладают мутагенной активностью, т. к. , связываясь с молекулой ДНК, вызываютрепрессиюгеновипроцессбиосинтезабелка. Некоторыелекарственные вещества сами не являются мутагенами, но продукты их метаболизма становятся мутагенами. Для предотвращения негативных последствий действия мутагенов, проводят мероприятия, снижающие вероятность возникновения новых мутаций; используют антимутагены. В настоящее время известно около 200 природных и синтетических антимутагенов: аминокислоты (гистидин, метионин), витамины (токоферол, каротин, ретинол, аскорбиновая кислота), ферменты (оксидаза, каталаза), интерферон.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ

1. Определение изменчивости и ее виды. 2. Виды генотипической изменчивости, их характеристика. 3. Понятие и примеры комбинативной изменчивости. 4. Фенотипическая изменчивость, примеры. 5. Понятие нормы реакции. 6. Классификация мутаций в зависимости от изменений в генотипеклетки. 7. Характеристикаспонтанныхииндуцированных, соматических и генеративных мутаций. 8. Классификация мутаций по значению для организма. 9. Определение, группы и примеры мутагенов.

56

МЕДИЦИНСКАЯ ГЕНЕТИКА. ОСНОВНЫЕ МЕТОДЫ ИЗУЧЕНИЯ НАСЛЕДСТВЕННОСТИ ЧЕЛОВЕКА

Ключевые слова и понятия: генные и хромосомные наследственные болезни; цитогенетические методы; Х иY половой хроматин; дерматоглифика; амниоцентез; генеалогический анализ; биохимический, иммунологический, близнецовый, популяционно-статистическийметоды; методмоделирования.

Основные генетические закономерности имеют универсальное значение и в полной мере применимы к человеку. Однако, человек, как объект генетических исследований, имеет специфические особенности, которые создают значительные трудности в изучении его генетики. Нельзя применять метод гибридологического анализа, проводить прямые эксперименты, обеспечитьодинаковыеусловиядляразвитияпотомковотразныхбраков, длительная смена поколений (в среднем 25 лет), позднее половое созревание, малочисленность потомства, сложный кариотип (много хромосом и генов). Преимущество человека как объекта генетики состоит в том, что его фенотип изучен очень хорошо. Генетика человека изучает закономерности наследственности и изменчивости у людей в норме и при патологии. Раздел генетики человека, изучающий роль генетических факторов и среды в развитии наследственных заболеваний, а также методы их диагностики и коррекции, называется медицинской генетикой. Наследственные болезни (НБ) – это заболевания, этиологическим фактором которых являются мутации. НБ встречаются среди близких родственников в ряду поколений и развиваются под влиянием условий среды безвредных для подавляющего большинства людей. Наследственные болезни следует отличать от профессиональных и экологических: они могут повторять-

ся среди родственников нескольких поколений, но возникают под влияниемвредныхфакторовпроизводстваисреды(вшахтерскихдинастиях– антракоз легких).

Поддействиемфакторовсредыможетсформироватьсяпризнак, копирующий проявление мутантного гена. В этом случае возникают фенокопии – болезни, фенотипически сходные с наследственными, но без нарушений в генотипе. Так, хроническое отравление солями тяжелых метал- ловимеетсходнуюклиническуюкартинуссерповидно-клеточнойанеми- ей. Примерами фенокопий также являются врожденные пороки развития (ВПР), возникшие под влиянием тератогенных факторов (оказывающих негативное воздействие на процессы эмбриогенеза). Установить причину ВПР (наследственные или экзогенные факторы) можно только с по-

57

мощью специальных исследований. Генокопии – это НБ, имеющие одинаковую клиническую картину, но обусловленные мутациями разных генов (гемофилия А и В; доминантные и рецессивные формы наследственной глухоты).

Медицинская генетика использует несколько специфических методов, которые можно условно разделить на 2 группы: диагностические и имеющиевосновномнаучноезначение. Сдиагностическойцельюиспользуютсяцитогенетические, биохимические, иммунологическиеметоды. Методы близнецовый, моделирования и популяционно-статистический применяются для установления генетических закономерностей и медицинских научных исследований. Одним из важнейших диагностических методов является цитогенетический, основанный на микроскопическом исследованиихромосом. Задачиметода: диагностикахромосомныхболезней; изучение хромосомного полиморфизма в популяциях людей. Существует 2 модификации метода: кариотипирование и определение полового хроматина (экспресс-диагностика).

Кариотипирование состоит в изучении хромосом в клетках человека настадииметафазымитоза. Материаломдляисследованияслужатклетки, способныекмитозу(лейкоцитыкрови, фибробластысоединительнойткани). Для выявления хромосом в клетках используются 2 способа окрашивания: рутинныйидифференциальный. Прирутинном(обычном) окрашиванииможновыявитьвсехромосомы, ноидентифицироватьтолько1, 2, 3, 9, 16 и Y хромосомы кариотипа. Дифференциальное окрашивание позволяет выявить эухроматин и гетерохроматин, по специфическому рисунку которыхможноидентифицироватьвсехромосомыкариотипа. Данныйметод позволяет выявить геномные и хромосомные мутации в клетках человека и диагностировать болезни, которые они вызывают. Используется метод при рождении детей с аномалиями развития и спонтанных абортах (изучается кариотипы плода и родителей).

Методопределенияполового(ХиY) хроматина. Материаломдляис-

следования служат лейкоциты крови, клетки эпителия слизистой оболочкиполостиртавинтерфазномсостоянии. Ххроматин(тельцеБарра) представляетсобойгетерохроматизированную(неактивную) Ххромосомуиобнаруживается в ядрах клеток эпителия полости рта в виде глыбки хроматина, расположенной пристеночно у кариолеммы. В нейтрофильных лейкоцитах Х хроматин выявляется как дополнительный сегмент ядра в виде «барабанной палочки». Если в кариотипе Х хромосом более чем 1, то все остальные гетерохроматизируются. Поэтому по числу телец Барра можно определитьколичествоХхромосомвкариотипе(количествоХхромосом= числу телец Барра+1). В норме в 20–70% соматических клеток женщины

58

выявляется одно тельце Барра, у мужчин оно обнаруживается в 2–4% клеток. В связи с этим определение Х хроматина используют при диагностике заболеваний, связанных с нарушением количества Х хромосом. Например, есливядресоматическойклеткимужчиныобнаруженотельцеБарра, значит, в его кариотипе присутствуют две Х хромосомы.

Y хроматин – это гетерохроматизированное длинное плечоY хромосомы. Выявляется в ядрах клетках после специального окрашивания флюоресцентнымикрасителямивлюминисцентноммикроскопе. Материал– те же клетки. Y хроматин выявляется в виде светящегося участка длинного плеча Y хромосомы. Количество Y хромосом в ядрах клеток равно количеству флюоресцирующих телецY хроматина. У мужчин он выявляется в 100% клеток, уженщин– отсутствует. Показаниемкопределениюполового хроматина является рождение детей с неясным полом, бесплодие мужчиниженщин, наличиевсемьедетейсхромосомнымиболезнями, связанными с изменением числа гоносом.

Биохимическийметодзаключаетсявизученииконцентрациивеществ илиактивностиферментов(проведениекачественнойреакциинакакое-либо вещество, например, продукт какой-либо реакции) в биологических средах организма человека (плазма крови, слюна, моча, околоплодные воды и др). Задачи: выявить первичный ферментативный дефект, то есть установить «блок» (отсутствие) какого либо фермента; отличить НБ, связанные с нарушением различных видов обмена веществ от энзимопатий (болезней обмена веществ ненаследственной природы); выявить гетерозигот при рецессивном типе наследования. В этом случае гетерозиготами являются родители больных детей. Выявление гетерозигот дает возможность проводить профилактику НБ. Биохимический метод является диагностическим для генных НБ.

Локализация мутаций в ДНК, являющихся причиной генных НБ, мо-

жетбытьвыявленаспомощьюмолекулярно-генетическихметодов. Вна-

стоящее время наибольшее распространение нашел метод полимеразной цепной реакции синтеза ДНК (ПЦР). Это метод многократного копирования небольших фрагментов ДНК, выделенных из клеток человека, в особых условиях. После получения достаточного количества ДНК-копий их разделяют и идентифицируют с помощью электрофореза.

Иммунологическийметод. Используютсяиммунологическиереакции дляопределенияспецифическогобелковогосоставатканей. Задачи: изучение генетических механизмов несовместимости тканей; закономерностей наследованияантигенов(можноопределитьантигеннуюнесовместимость матери и плода по системе резус и АВ0); генетических механизмов самих иммунных реакций (основан на иммунных реакциях антиген-антитело).

59

Методыпренатальной(дородовой) диагностикиразнообразны: отУЗИ до фетоскопии (прямое рассматривание плода через специальный зонд). Ксобственногенетическимметодамотносятся: хорионбиопсия(на8-йне- делебеременности) иплацентобиопсия(на12-йнеделе) – отборклеточного материалаизворсинокхорионаиплаценты; амниоцентез(на15–18-йнеде- ле) – отборматериалаизамниотическойжидкости; кордоцентез(на18–22-й неделе) – отбор материала из кровеносных сосудов пуповины. Хорионбиопсия и плацентобиопсия позволяют производить наиболее раннюю диагоностику, но риск осложнений достигает 3%. Кордоцентез производится слишком поздно, что затрудняет повторные исследования в случае сомнений. Поэтому среди методов, позволяющих диагностировать заболевание до рождения ребенка, ведущее место занимает амниоцентез – получение амниотическойжидкостииклетокплодаспомощьюпроколаплодногопузыря под контролем УЗИ – простейшей, не травмирующей плод хирургической операции. Этим методом диагностируют многие хромосомные болезни и некоторые заболевания, в основе которых лежат генные мутации. Риск осложнений относительно невелик – примерно 0,2%.

Полученныйматериалпутемцентрифугированияразделяетсяна2 фракции: клетки(изучаютсяцитогенетическимиметодами) ижидкость(изучаетсябиохимическимииммунологическимметодами). Показаниякприменениюамниоцентеза: наличиеуодногоизродителейхромосомныхболезней; болезни, наследующейся по доминантному типу; наличие в семье детей с рецессивным заболеванием; если первый ребенок у женщины в возрасте старше 35 лет; при врожденных пороках у детей или спонтанных абортах.

Метод дерматоглифики – изучение кожного рисунка концевых фаланг пальцев, ладоней и подошвенной поверхности стоп. Задача: использование изменений структуры кожного рельефа как дополнительного критерия диагностики хромосомных болезней. При исследовании папиллярных узоров (дактилоскопия) выявлено 3 их типа: дуга, петля, завиток. На ладони определяютглавныйладонныйуголatd поточкам-трирадиусам(уздоровогоче- ловеканепревышает57°); флексорные(сгибательные) бороздыладони– поперечная, косая и большого пальца. Иногда косая сливается с поперечной в одну четырехпальцевую, частота ее встречаемости в норме около 5%.

Метод является вспомогательным, т. к. некоторые из хромосомных болезней характеризуются сходными изменениями показателей дерматоглифики, отличающимися от нормы. Например, при синдромах Дауна и Шерешевского-Тернера наблюдается увеличение угла atd; появление четырехпальцевой борозды на ладони.

Близнецовыйметод. Задачи: оценитьсоотношениегенетическихисредовых факторов в проявлении признаков человека.

60