Lektsii-biologia

Генетика изучает два основных свойства живых существ - на - следственность и изменчивость.

Изменчивость - свойство организмов приобретать новые при - знаки и особенности индивидуального развития под влиянием факторов среды.

Изменчивость - один из важнейших факторов эволюции, обеспе - чивающих все многообразие живой природы.

Различают два вида изменчивости:

1.Фенотипическую (ненаследственную, модификационную);

2.Генотипическую (наследственную):

а) комбинативную; б) мутационную.

Модификационная изменчивость – форма изменчивости, не связанная с изменением генотипа и вызванная влиянием факторов среды.

Модификационная изменчивость имеет особенности:

-не затрагивает наследственную основу организма и поэтому мо - дификации не передаются по наследству, то есть от родителей к потомству,

-изменения направлены, происходят закономерно, их можно предсказать,

-имеют адаптивное (приспособительное) значение,

-имеют массовый (групповой) и обратимый характер,

- определенный фактор внешней среды вызывает сходное изме	-
нение у всех особей данного вида.
Модификационная изменчивость имеет предел. Границы измен	-

чивости признака, обусловленные генотипом называются нормой реакции. Она может быть узкой, когда признак изменяется незна - чительно (цвет глаз), и широкой, когда признак изменяется в ши - роких пределах (рост, масса тела).

В медицине часто приходится устанавливать норму реакции для оценки max и min количественных показателей (уровень гормо - нов, ферментов, гемоглобина и др.)

Комбинативная изменчивость – это наследственная изменчи -

вость, обусловленная перекомбинацией имеющихся генов и хро - мосом, без изменения структуры генов и хромосом (наследствен -

101D

ного материала). Этот тип изменчивости проявляется уже на ста - дии образования половых клеток.

Источниками комбинативной изменчивости являются процессы, происходящие в мейозе и в результате оплодотворения:

1.Рекомбинация генов при кроссинговере в профазе1 мейоза.

2.Рекомбинация хромосом в ходе мейоза (независимое расхожде - ние хромосом и хроматид при мейозе)

3.Комбинация хромосом в результате слияния гамет при оплодо - творении (случайное сочетание гамет при оплодотворении). Комбинативная изменчивость обеспечивает генотипическое раз - нообразие людей, объясняет наличие признаков у детей и внуков от родственников по отцовской и материнской линии.

Мутационная изменчивость – способность генетического (на -

следственного) материала изменяться и эти изменения наследу - ются в потомстве.

В основе мутационной изменчивости лежат мутации. Мутации – это внезапные изменения генетического материала под влиянием среды и передающиеся по наследству.

Частота мутаций зависит от вида организма, от возраста, от фазы онтогенеза, стадии гаметогенеза, может происходить в половых и соматических клетках, иметь рецессивный и доминантный харак - тер. Например, у человека до 6% гамет несут мутантные гены.

Процесс образования мутаций называется мутагенезом. Факторы, вызывающие мутации называются мутагенными. Мутации первоначально действуют на генетический материал особи, а через генотип изменяется и фенотип.

Мутагенные факторы

Факторы, вызывающие мутации называются мутагенными фак - торами (мутагенами) и подразделяются на:

1.Физические;

2.Химические;

3.Биологические.

Кфизическим мутагенным факторам относятся различные виды излучений, температура, влажность и др. Наиболее сильное мутагенное действие оказывает ионизирующее излучение – рент -

102D

геновские лучи, α-, β-, γ- лучи. Они обладают большой проника - ющей способностью.

При действии их на организм они вызывают:

а) ионизацию тканей – образование свободных радикалов (ОН) или (Н) из воды, находящейся в тканях. Эти ионы вступают в хи - мическое взаимодействие с ДНК, расщепляют нуклеиновую кис - лоту и другие органические вещества; б) ультрафиолетовое излучение характеризуется меньшей энерги -

ей, проникает только через поверхностные слои кожи и не вызы - вает ионизацию тканей, но приводит к образованию димеров (химические связи между двумя пиримидиновыми основаниями одной цепочки, чаще Т-Т). Присутствие димеров в ДНК приводит

к ошибкам при ее репликации, нарушает считывание генетиче	-
ской информации;
в) разрыв нитей веретена деления;
г) нарушение структуры генов и хромосом, т.е. образование ген	-
ных и хромосомных мутаций.

Кхимическим мутагенам относятся:

-природные органические и неорганические вещества (нитриты, нитраты, алкалоиды, гормоны, ферменты и др.);

-синтетические вещества, ранее не встречавшиеся в природе (пе - стициды, инсектициды, пищевые консерванты, лекарственные вещества).

-продукты промышленной переработки природных соединений – угля, нефти.

Механизмы их действия:

а) дезаминирование – отщепление аминогруппы от молекулы аминокислот; б) подавление синтеза нуклеиновых кислот;

в) замена азотистых оснований их аналогами.

Химические мутагены вызывают преимущественно генные мута - ции и действуют в период репликации ДНК.

Кбиологическим мутагенам относятся:

-Вирусы (гриппа, краснухи, кори)

-Невирусные паразитические организмы (грибы, бактерии, про - стейшие, гельминты)

Механизмы их действия:

103D

а) вирусы встраивают свою ДНК в ДНК клеток хозяина.

б) продукты жизнедеятельности паразитов-возбудителей болез - ней действуют как химические мутагены.

Биологические мутагены вызывают генные и хромосомные мута - ции.

Классификация мутаций

Различают следующие основные типы мутаций:

1. По способу возникновения их подразделяют на спонтанные и индуцированные.

Спонтанные – происходят под действием естественных мутаген - ных факторов внешней среды без вмешательства человека. Они возникают в условиях естественного радиоактивного фона Земли в виде космического излучения, радиоактивных элементов на по - верхности земли.

Индуцированные мутации вызываются искусственно воздействи - ем определенных мутагенных факторов.

2. По мутировавшим клеткам мутации подразделяются на гене - ративные и соматические.

Генеративные – происходят в половых клетках, передаются по наследству при половом размножении.

Соматические – происходят в соматических клетках и передают - ся только тем клеткам, которые возникают из этой соматической клетки. Они не передаются по наследству.

3. По влиянию на организм:

Отрицательные мутации – летальные (несовместимые с жизнью); полулетальные (снижающие жизнеспособность организма); ней - тральные (не влияющие на процессы жизнедеятельности); поло - жительные (повышающие жизнеспособность). Положительные мутации возникают редко, но имеют большое значение для про - грессивной эволюции.

4. По изменениям генетического материала мутации подразделя - ются на геномные, хромосомные и генные.

Геномные мутации – это мутации, вызванные изменением числа хромосом. Могут появляться лишние гомологичные хромосомы. В хромосомном наборе на месте двух гомологичных хромосом

104D

оказываются три – это трисомия. В случае моносомии наблюда	-
ется утрата одной хромосомы из пары. При полиплоидии проис	-
ходит кратное гаплоидному увеличение числа хромосом. Еще
один вариант геномной мутации – гаплоидия, при которой оста	-
ется только одна хромосома из каждой пары.
Хромосомные мутации связаны с нарушением структуры хромо	-

сом. К таким мутациям относятся утраты участков хромосом (де - леции), добавление участков (дупликация) и поворот участка хромосом на 180° (инверсия).

Генные мутации, при которых изменения происходят на уровне отдельных генов, т.е. участков молекулы ДНК. Это может быть утрата нуклеотидов, замена одного основания на другое, переста - новка нуклеотидов или добавление новых.

Устойчивость и репарация генетического материала

Устойчивость к изменениям генетического материала обеспечи - вается:

1.Диплоидным набором хромосом.

2.Двойной спиралью ДНК.

3.Вырожденностью (избыточностью) генетического кода

4.Повтором некоторых генов.

5.Репарацией нарушений структуры ДНК

Наличие механизмов репарации – обязательное условие суще - ствования биологических существ.

Репарация генетического материала – это процесс, обеспечива -

ющий восстановление поврежденной структуры молекулы ДНК. В ДНК клетки ежедневно происходит множество случайных из - менений.

Большинство эффективно исправляются (репарируются) с помо - щью специальных ферментных систем.

Впервые репарация молекулы ДНК была установлена в 1948 году. А в 1962 году был описан один из способов репарации – световая репарация или фотореактивация.

Было установлено, что при ультрафиолетовом облучении виру - сов-фагов, бактерий и простейших наблюдается резкое снижение их жизнедеятельности, даже гибель.

105D

Если воздействовать на них видимым светом, то выживаемость их значительно увеличивается.

Оказалось, что под действием ультрафиолета в молекуле ДНК об - разуются димеры (химические связи между двумя основаниями одной цепочки, чаще Т-Т), образование димеров препятствует считыванию информации.

Видимый свет активирует ферменты, разрушающие димеры. Второй способ репарации – темновая репарация, была изучена в 50-е годы ХХ века.

Темновая репарация протекает в четыре стадии с участием четы - рех групп ферментов. Ферменты образовались в ходе эволюции и направлены на поддержание стабильности генетической инфор - мации клетки.

1.Фермент эндонуклеаза находит поврежденный участок и рядом с ним разрывает нить ДНК.

2.Фермент эктонуклеаза «вырезает» (удаляет) поврежденный участок.

3.ДНК-полимераза по принципу комплементарности синтезирует фрагмент ДНК на месте разрушенного.

4. Лигаза «сшивает» синтезированный фрагмент с основной ни - тью ДНК.

Доказана возможность репарации ДНК при повреждении обеих ее нитей. При этом информация может быть получена с и-РНК (фермент ревертаза).

Закон гомологических рядов наследственной изменчивости Н.И.Вавилова

Известно, что мутирование происходит в различных направле - ниях. Однако, это многообразие подчиняется определенной зако -

номерности, обнаруженной в 1920 году Н.И.Вавиловым. Он
сформулировал закон гомологических рядов наследственной из	-
менчивости: «Виды и роды, генетически близкие, характеризу	-
ются сходными рядами наследственной изменчивости с такой

правильностью, что зная ряд форм в пределах одного вида, мож - но предвидеть существование параллельных форм у других видов и родов».

106D

Можно сказать, что у родственных видов, имеющих общее происхождение возникают сходные мутации.

Одни и те же болезни встречаются у животных и у человека. Так, например, альбинизм наблюдается во всех классах позвоночных животных и человека. Брахидактилия (короткопалость) отмечена у крыс, овец, собак, человека. Мышечная дистрофия – у мышей, крыс, лошадей, человека.

Закон гомологических рядов позволяет предвидеть возможность появления мутаций, которые могут быть использованы в селек - ции для создания новых ценных для хозяйства форм.

Лекция 13

Методы изучения генетики человека

План

1.Генеалогический метод.

2.Близнецовый метод.

3.Метод дерматоглифики.

107D

4.Цитогенетический метод.

5.Метод гибридизации соматических клеток.

6.Онтогенетический метод.

7.Популяционно-статистический метод.

8.Метод моделирования.

9.Иммунологический метод.

10.Биохимический метод.

Генеалогический метод

Типы наследования и формы проявления генетических задат - ков у человека весьма многообразны и для дифференциации между ними требуются специальные методы анализа, в первую очередь – генеалогический, предложенный Ф.Гальтоном.

Генеалогический метод или изучение родословных предусмат -

ривает прослеживание признака в семье или роду с указанием
типа родственных связей между членами родословной. В меди	-
цинской генетике этот метод обычно называют клинико-генеало	-
гическим, поскольку речь идет о наблюдении патологических
признаков с помощью приёмов клинического обследования. Ге	-

неалогический метод относится к наиболее универсальным мето - дам в генетике человека. Он широко применяется при решении теоретических и практических проблем:

1)для установления наследственного характера признака,

2)при определении типа наследования и пенетрантности геноти - па,

3)выявление сцепления генов и картирование хромосом,

4)при изучении интенсивности мутационного процесса,

5)при расшифровке механизмов взаимодействия генов,

6)при медико-генетическом консультировании.

Суть генеалогического метода сводится к выяснению род - ственных связей и прослеживанию признака среди близких и дальних прямых и непрямых родственников. Технически он скла - дывается из двух этапов: составления родословных и генеалоги - ческого анализа.

Составление родословной

108D

Сбор сведений о семье начинается с пробанда, которым назы - вается лицо, первым попавшее в поле зрения исследователя.

Дети одной родительской пары (родные братья и сестры) назы - ваются сибсами. Семьей в узком смысле, или ядерной семьей, на - зывают родительскую пару и их детей. Более широкий круг кров - ных родственников лучше обозначать термином «род». Чем больше поколений вовлекается в родословную, тем она обшир - нее. Это влечёт за собой неточность полученных сведений и, сле - довательно, неточность родословной в целом. Часто люди не знают даже числа своих двоюродных братьев и сестер, не говоря уже о каких-то признаках у них и их детей.

Для наглядности готовят графическое изображение родослов - ной. Для этого обычно пользуются стандартными символами. Если рассматриваемых признаков в родословной много, то можно прибегать к буквенным или штриховым различиям внутри сим - волов. Схема родословной обязательно сопровождается описани - ем обозначений под рисунком – легендой, что исключает возмож - ность неправильных истолкований.

Генеалогический анализ

Целью генеалогического анализа является установление гене - тических закономерностей.

1 этап – установление наследственного характера признака. Если в родословной встречается один и тот же признак несколько раз, то можно думать о наследственной его природе. Однако надо прежде всего исключить возможность экзогенного накопления случаев в семье или роду. Например, если один и тот же патоген -

ный фактор действовал на женщину во время всех беременно	-
стей, то у нее могут родиться несколько детей с одинаковыми
аномалиями. Или же какой-то фактор действовал на многих чле	-
нов семьи, необходимо сличить действие сходных внешних фак	-
торов. С помощью генеалогического метода были описаны все
наследственные болезни.
2 этап – установление типа наследования и пенетрантности гена.

Для этого используют принципы как генетического анализа, так и статистические методы обработки данных из родословной.

3 этап – определение групп сцепления и картирования хромосом, до недавнего времени основывающегося только на генеалогиче -

109D

ском методе. Выясняют сцепленные признаки и процесс кроссин - говера. Этому способствуют разработанные математические ме - тоды.

4 этап – изучение мутационного процесса. Он применяется в трех направлениях: при изучении механизмов возникновения мутаций, интенсивности мутационного процесса и факторов, вызывающих мутации. Особенно широко генеалогический метод применяется при изучении спонтанных мутаций, когда надо различать «спора - дически» возникшие случаи от «семейных».

5 этап – анализ взаимодействия генов в клинической генетике был сделан С.Н.Давиденковым (1934, 1947) по анализу полимор -

физма заболеваний нервной системы.
6 этап – в медико-генетическом консультировании для составле	-
ния прогноза без генеалогического метода обойтись нельзя. Вы	-
ясняют гомоили гетерозиготность родителей и рассматривают
вероятность рождения детей с теми или иными признаками.

Близнецовый метод исследования

Исследование близнецов – один из основных методов генетики человека. Существуют однояйцевые близнецы, возникающие из одной яйцеклетки, оплодотворенной одним сперматозоидом. Воз - никают они из-за разделения зиготы на два генетически идентич - ных друг другу и всегда однополых зародыша.

Разнояйцовые близнецы развиваются из разных яйцеклеток, оплодотворенных разными сперматозоидами. Генетически они различаются как братья и сестры одних родителей.

При помощи близнецового метода можно изучить:

1) Роль наследственности и среды в формировании физиологиче - ских и патологических особенностей организма. В частности, изучение наследственной передачи людьми некоторых болезней. Изучение экспрессивности и пенетрантности генов, вызывающих наследственные заболевания.

110D