Тема 10 генетика человека

В последнее время интерес к генетике человека особенно возрос в связи с ее огромным практическим значением для человечества. В настоящее время изучен в большей или меньшей степени характер наследования у человека более чем 2000 признаков нормальных и патологических. Установлено, что существуют болезни, обусловленные наследственными факторами. Правильное распознавание этих заболеваний важно для их профилактики и лечения. Эти успехи стали возможны после того, как были разработаны методы генетического исследования человека.

Методы изучения генетики человека

Для генетических исследований человек является очень неудобным объектом: большое количество хромосом, невозможность экспериментального скрещивания, поздно наступающая половая зрелость, малое число потомков в каждой семье.

Для изучения наследственности человека используют ряд методов.

Генеалогический метод. Использование его возможно лишь в том случае, когда известны прямые родственники – предки обладателя наследственного признака по материнской и отцовской линиям в ряду поколений или потомки изучаемого человека также в нескольких поколениях. Проводится анализ родословной с целью установления характера наследования изучаемого признака. Таким путем удалось установить характер наследования многих признаков человека, в том числе многих наследственных заболеваний.

Например:

• по аутосомно-доминантному типу наследуются полидактия (увеличенное количество пальцев), веснушки, раннее облысение, сросшиеся пальцы, катаракта глаз, хрупкость костей и многое другое;

• по аутосомно-рецессивному – альбинизм, рыжие волосы, подверженность полеомилиту, сахарный диабет, врожденная глухота.

Примеры сцепленного с полом наследования:

Х-сцепленное наследование – гемофилия, дальтонизм;

У-сцепленное наследование – гипертрихоз (повышенное оволосение ушной раковины), перепонки между пальцами;

Х- и У-сцепленное наследование – общая цветовая слепота.

Генеалогическим методом установлено, что развитие некоторых способностей человека (например, музыкальности, склонности к математическому мышлению и т.п.) определяется наследственными факторами. Известны исторические факты проявления музыкальной одаренности во многих поколениях. Примером может служить семья Бахов, где в течение ряда поколений было много музыкантов, и их в том числе знаменитый композитор начала ХVIII в. Иоганн Себастьян Бах.

Рис. 39. Наследование гемофилии

Рис. 40. Символы, используемые при составлении родословных (генеалогических) схем.

Благодаря хорошо известной родословной удалось проследить наследование гена гемофилии от английской королевы Виктории. Виктория и ее муж были здоровы. Известно также, что никто из ее предков не страдал гемофилией. Наиболее вероятно, что возникла мутация в гамете одного из родителей Виктории. Вследствие этого королева Виктория стала носительницей гена гемофилии и передала его многим своим потомкам. Все потомки мужского пола, которые получили от Виктории Х-хромосому с мутантным геном, страдали тяжелым недугом – гемофилией.

Использование генеалогического метода показало, что при родственном браке, по сравнению с не родственным браком, значительно возрастает вероятность появления уродств, мертворождений, ранней смертности в потомстве. В родственных браках рецессивные гены чаще переходят в гомозиготное состояние, в результате развиваются те или иные аномалии. Ярким примером этого является наследование гемофилии в царских домах Европы.

Близнецовый метод.

Близнецами называют одновременно родившихся детей. Они бывают монозиготными (однояйцевыми) и дизиготными (разнояйцевыми). Монозиготные близнецы развиваются из одной зиготы, которая на стадии дробления разделилась на две (или более) части. Поэтому такие близнецы генетически идентичны и всегда одного пола.

Дизиготные близнецы развиваются из одновременно овулированных и оплодотворенных разными сперматозоидами яйцеклеток. Поэтому дизиготные близнецы – это просто сестры и братья, только родившиеся одновременно.

Монозиготные близнецы характеризуются большой степенью сходства по многим признакам. Примером монозиготных близнецов могут служить братья Оскар и Джек. Оскар вскоре после рождения в 1932 г. был увезен матерью в Германию, где стал верующим католиком. Джек молодость провел в Палестине и на островах Карибского моря, воспитывался отцом в традициях иудаизма. Братья встретились только спустя 40 лет. Они говорят на разных языках. И, несмотря на все это, в их привычках, характерах, особенностях темперамента удивительно много совпадений. Оба брата носят одинаково подстриженные усы, похожие очки и одежду, любят одну и ту же пищу, оба рассеянны, сходным образом ведут себя в семье.

Рис. 41. Сходство в расположении родинок у идентичных близнецов

Подобные исследования проливают свет на то, какие черты поведения и особенности характера человека возникают под влиянием воспитания, среды, а какие достаются ему "в наследство".

Цитогенетический метод основан на изучении хромосомного набора человека. В норме кариотип человека включает 46 хромосом – 22 пары аутосом и две половые хромосомы. Использование данного метода позволило выявить группу болезней, связанных либо с изменением числа хромосом, либо с изменениями их структуры. Такие болезни получили название хромосомных. К их числу относятся: 1. Больные с синдромом Клайнфельтера (47, ХХУ) всегда мужчины. Они характеризуются недоразвитием половых желез, дегенерацией семенных канальцев, часто умственной отсталостью, высоким ростом (за счет непропорционально длинных ног). 2. Синдром Шерешевского-Тернера (45, Х0) наблюдается у женщин. Он проявляется в замедлении полового созревания, недоразвитии половых желез, отсутствии менструаций, бесплодии. Женщины с синдром Шерешевского-Тернера небольшого роста, плечи широкие, таз узкий, нижние конечности укорочены, шея короткая, со складками, "монголоидный" разрез глаз. 3. Синдром Дауна – одна из часто встречающихся хромосомных болезней. Она развивается в результате трисомии по 21 хромосоме (47, 21, 21, 21). Болезнь легко диагностируется, так как имеет ряд характерных признаков: укороченные конечности, маленький череп, плоское, широкое переносье, узкие глазные щели с косым разрезом, наличие складки верхнего века, психическая отсталость. Часто наблюдается и нарушение строения внутренних органов. Чаще всего хромосомные болезни являются результатом мутаций, произошедших в половых клетках одного из родителей во время мейоза. Биохимический метод позволяет обнаружить нарушения в обмене веществ, вызванные мутациями генов и, как следствие, изменением активности различных ферментов. Наследственные болезни обмена веществ подразделяются на болезни углеводного обмена (сахарный диабет), обмена аминокислот, липидов, минералов и др. Например, фенилкетонурия относится к болезням аминокислотного обмена. При этом блокируется превращение незаменимой аминокислоты фенилаланина в тирозин, и фенилаланин превращается фенилпировиноградную кислоту, которая выводится с мочой. Заболевание приводит к быстрому развитию слабоумия у детей. Ранняя диагностика и диета позволяет приостановить развитие заболевания.

Генетика и медицина

Интерес, проявляемый учеными всего мира к наследственности человека, не случаен. В последние десятилетия человечество тесно соприкасается с чуждыми для него химическими веществами. Число таких веществ, применяемых в быту, сельском хозяйстве, пищевой, фармакологической, косметической промышленности и в других областях деятельности людей, в настоящее время огромно. Среди этих веществ есть и такие, которые вызывают мутации.

Благодаря развитию медицины человек научился бороться с очень многими заболеваниями, уносившими еще не так давно миллионы жизней. Человек успешно защищает себя от большинства очень опасных инфекционных заболеваний. Такие болезни, как оспа, чума, холера, малярия, отмечаются в большинстве стран очень редко. Человеку уже не так страшны туберкулез, скарлатина, коклюш, корь и многие другие заболевания. Биология и медицина интенсивно работают над решением проблемы вирусных заболеваний и рака.

Для обеспечения своего здоровья, здоровья своих детей и всех будущих поколений человеку необходимо научиться бороться с возникновением в его клетках генных и хромосомных мутаций. Для этого ему надо знать свою собственную генетику так же хорошо, как и генетику растений, животных, микроорганизмов. Знание биохимических механизмов развития заболевания позволяет облегчить страдания больного. Например, заболевание сахарным диабетом характеризуется повышенным содержанием сахара в крови вследствие отсутствия в организме инсулина – гормона поджелудочной железы. Это заболевание вызывается рецессивной мутацией. Оно лечится введением в организм инсулина.

Однако следует помнить, что излечивается только болезнь, т.е. фенотипическое проявление "вредного" гена, и вылеченный человек продолжает оставаться его носителем и может передавать этот ген своим потомкам.

Резус-фактор

К числу хорошо изученных признаков человека относится система групп крови. Ген, ответственный за наличие в крови резус-фактора, может быть в двух состояниях: одно из них называется "резус + ", а другое – "резус – ". В браках резус-отрицательных женщин с резус-положительными мужчинами вследствие доминирования резус-положительности плод приобретает это свойство и выделяет в кровеносную систему матери особое вещество, так называемый антиген. Против него в организме матери начинают вырабатываться антитела, разрушающие кроветворную систему плода. В результате реакции между организмами матери и плода может развиваться отравление, как материнского организма, так и плода. Это может быть причиной гибели плода. Выяснение характера наследования этой системы крови и ее биохимической природы позволило разработать медицинские методы, избавившие человечество от огромного количества ежегодных детских смертей.

Нежелательность родственных браков. В современном обществе родственные браки (браки между двоюродными братьями и сестрами) сравнительно редки. Однако есть области, где в силу географических, социальных, экономических или других причин небольшие контингенты населения в течение многих поколений живут изолированно. В таких изолированных популяциях частота родственных браков по понятным причинам бывает значительно выше, чем в обычных "открытых" популяциях. Статистика свидетельствует, что у родителей, состоящих в родстве, вероятность рождения детей, пораженных теми или иными наследственными недугами, или частота ранней детской смертности в десятки, а иногда даже в сотни раз выше, чем в неродственных браках. Родственные браки особенно нежелательны, когда имеется вероятность гетерозиготности супругов по одному и тому же рецессивному вредному гену.

Медико-генетическое консультирование. Знание генетики человека позволяет прогнозировать вероятность рождения детей, страдающих наследственными недугами в случаях, когда один или оба супруга больны или оба родителя здоровы, но наследственное заболевание встречалось у предков супругов. В ряде случаев имеется возможность прогноза вероятности рождения второго здорового ребенка, если первый был поражен наследственным заболеванием.

По мере повышения биологической и особенно генетической образованности широких масс населения родители или молодые супружеские пары, еще не имеющие детей, чаще и чаще обращаются к врачам-генетикам с вопросом о величине риска иметь ребенка, пораженного наследственной аномалией.

Мутационная изменчивость

Мутации – случайно возникшие, стойкие изменения генотипа, затрагивающие целые хромосомы, их части и отдельные гены.

Термин "мутация" впервые ввел в науку голландский генетик Гуго Де Фриз. Проводя опыты с энодермой (декоративное растение), он случайно обнаружил экземпляры, отличающиеся рядом признаков от остальных (большой рост, гладкие, узкие длинные листья, красные жилки листьев и широкая красная полоса на чашечке цветка…). Причем при семенном размножении растения из поколения в поколение стойко сохраняли эти признаки. В результате обобщения своих наблюдений Де Фриз создал мутационную теорию, основные положения которой не утратили своего значения и по сей день:

1. Мутации возникают внезапно, скачкообразно, без всяких переходов.

2. Мутации наследственны, т.е. стойко передаются из поколения в поколение. 3. Мутации не образуют непрерывных рядов, не группируются вокруг среднего типа, они проявляются качественными изменениями. 4. Мутации не направлены – мутировать может любой локус, вызывая изменения как незначительных, так и жизненно важных признаков в любом направлении.

5. Одни и те же мутации могут возникать повторно.

6. Мутации индивидуальны, т.е. возникают у отдельных особей. Процесс возникновения мутаций называют мутагенез, организмы, у которых произошли мутации, – мутантами, а факторы среды, вызывающие появление мутаций, – мутагенами. Существуют несколько классификаций мутаций.

Рис. 42. Классификаций мутаций по месту их возникновения

Мутации

Генеративные

– возникшие в половых клетках. Они не влияют на признаки данного организма, а проявляются только в следующем поколении

Соматические

– возникшие в соматичеких клетках. Эти мутации проявляются у данного организма и не передаются потомству при половом размножении. Сохранить соматические мутации можно только путем бесполого размножения (прежде всего вегетативного)

Рис. 43. Классификаций мутаций по адаптивному значению

Мутации

Полезные

– повышающие жизнеспособность особей

Вредные

– понижающие жизнеспособность особей

Нейтральные

– не влияющие на жизнеспособность особей

Рис. 44. Классификаций мутаций по характеру проявления мутации

Мутации

Спонтанные

– мутации, возникшие естественным путем под действием факторов среды обитания

Индуцированные

– мутации, искусственно вызванные действием мутагенных факторов

Рис. 45. Классификаций мутаций по характеру проявления

Мутации

Доминантные

– проявляющиеся у гетерозигот

Рецессивные

– не проявляющиеся у гетерозигот, поэтому длительное время сохраняющиеся в популяции и образующие резерв наследственной изменчивости

Рис. 46. Классификаций мутаций по характеру изменения генотипа

Мутации

Геномные

Хромосомные

Генные

Мутации могут вызвать различные изменения генотипа, затрагивая отдельно взятые гены, целые хромосомы, или весь геном.

Геномные мутации

Геномными называют мутации, приводящие к изменению числа хромосом. Наиболее распространенным типом геномных мутаций является полиплоидия – кратное изменение числа хромосом. У полиплоидных организмов гаплоидный набор значительно больше – до 10–12 раз. Возникновение полиплоидов связано с нарушением митоза или мейоза. В частности, нерасхождение гомологических хромосом в мейозе приводит к формированию гамет с увеличенным числом хромосом. У диплоидных организмов в результате такого процесса могут образовываться диплоидные гаметы.

В зависимости от характера изменения числа хромосом различают: 1. Полиплоидию – увеличение числа хромосом, кратное генному. Полиплоидия чаще наблюдается у простейших и у растений. В зависимости от числа гаплоидных наборов хромосом, содержащихся в клетках, различают триплоиды (3n), тетраплоиды (4n) и т.д.; они могут быть автополиплоидами – полиплоидами, возникающими в результате умножения геномов одного вида, аллополиплоидами – полиплоидами, возникающими в результате умножения геномов разных видов (характерно для межвидовых гибридов). 2. Гетероплоидию (анеуплоидию) – некратное геному увеличение или уменьшение числа хромосом. Чаще всего наблюдается уменьшение или увеличение числа хромосом на одну (реже две и более). Вследствие нерасхождения какой-либо пары гомологичных хромосом в мейозе 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. Среди анеуплоидов встречаются: трисомики – с набором хромосом 2n+1, моносомики – с набором хромосом 2n-1, например, болезнь Дауна у человека возникает в результате трисомии по 21-ой паре хромосом.

Хромосомные мутации

Хромосомные мутации – это перестройки хромосомы. Многие из хромосомных мутаций доступны изучению под микроскопом. Пути изменения структуры хромосом разнообразны. Участок хромосомы может удвоиться или, наоборот, выпасть. Он может переместиться на другое место и т.д. Рассмотрим основные типы хромосомных мутаций. Хромосомные мутации приводят к изменению функционирования генов. Они играют серьезную роль в эволюционных преобразованиях видов.

Перестройки могут осуществляться как в пределах одной хромосомы – внутрихромосомные мутации, так и между негомологичными хромосомами – межхромосомные мутации.

Внутрихромосомные мутации:

• делеция – утрата части хромосомы (ABCD → АB);

• инверсия – поворот участка хромосомы на 180^o (АВСD → АСВD);

• дубликация – удвоение одного и того же участка хромосомы (ABCD → ABCBCD).

Межхромосомные мутации:

• транслокация – обмен участками между негомологичными хромосомами (АBСD → ABCD 1234).

Генные мутации

Генные, или точковые мутации, – наиболее часто встречающийся класс мутационных изменений. Генные мутации связаны с изменением последовательности нуклеотидов в молекуле ДНК. Они приводят к тому, что мутационный ген либо перестает работать, и тогда не образуются соответствующие РНК и белок, либо синтезируется белок с измененными свойствами, что проявляется в изменении каких-либо признаков организма. Вследствие генной мутации образуются новые аллели. Это имеет важное эволюционное значение. Мутации – редкие события. На 10000–1000000 генов определенного типа в среднем возникает одна новая мутация. Хотя мутационные события происходят редко, но благодаря постоянству естественного мутационного процесса и способности видов накапливать мутации в генотипах всех без исключения особей содержатся значительное количество генных мутаций. В природе постоянно идет спонтанный мутагенез. У человека многие гены мутируют с частотой 1:200000 гамет. Генные мутации следует рассматривать как результат ошибок возникающих в процессе удвоения молекул ДНК.

Экспериментальное получение мутаций. Советские генетики первые обнаружили, что ультрафиолетовые лучи и некоторые вещества – мощные факторы, способны вызывать мутации у самых различных организмов. Резкое повышение числа вновь возникающих мутаций вызывает действие лучей Рентгена. Большую генетическую опасность для всех живых организмов несет радиоактивное излучение, что стало причиной заключения договора о прекращении испытания ядерного оружия в воздухе, на земле и воде.