РАЗДЕЛ 2 ОСНОВЫ ОБЩЕЙ И МЕДИЦИНСКОЙ ГЕНЕТИКИ

Генетика - раздел общей биологии, предметом изучения которого являются фундаментальные свойства живого: наследственность и изменчивость.

Наследственность - свойство организмов обеспечивать материальную и функциональную преемственность между поколениями, а также определенную схему индивидуального развития (онтогенез) в специфических условиях среды. Функциональной единицей наследственного материала является ген - фрагмент ДНК, содержащий информацию о последовательности аминокислот в полипептиде. Информация, заключенная в гене, реализуется через биосинтез белка с участием цитоплазмы, с которой ген находится в постоянном взаимодействии.

Признак становится реальностью тогда, когда в цитоплазме появляется продукт активности данного гена. Простой признак развивается как результат определенного типа взаимодействия соответствующих аллельных генов (моногенное наследование). Большинство признаков контролируется совместным действием многих генов (по- лигенное наследование). Совокупность генов организма формирует генотип. Генотип представляет собой исторически сложившуюся сбалансированную систему генов, влияющую на функции и проявление каждого гена. Генотип реализуется в конкретных условиях среды, которые в значительной степени определяют конечный результат проявления генов, изменяя их пенетрантность (частоту проявления гена в признак) и экспрессивность (степень фенотипического проявления данного гена). В результате взаимодействия генотипа и средовых факторов формируются видовые и индивидуальные свойства особи - фенотип.

Изменчивость - свойство организмов приобретать в процессе индивидуального развития новые морфологические и функциональные

признаки, отличающие их от родителей. Фенотипическая (ненаследственная) изменчивость характеризуется формированием разных вариантов признака в ответ на действие внешних факторов. Ее основная форма - модификационная изменчивость, носит приспособительный характер и направлена на выживание организма в данных условиях. Она ограничена нормой реакции. Изменения фенотипа, выходящие за пределы нормы реакции - морфозы, как правило, сопровождаются патологическими проявлениями. Генотипическая изменчивость связана с изменением генотипа на генном, хромосомном и геномном уровнях организации наследственного материала. Она возникает под действием разных факторов, может наследоваться, создает бесчисленное многообразие фенотипических проявлений, лежит в основе эволюционных преобразований организмов.

Генетика человека - раздел общей генетики, представляющий наибольший интерес для врача. С особенностями человека как объекта генетических исследований связано использование специальных методов, таких как генеалогический, близнецовый, культивирование и гибридизация соматических клеток, биологическое и математическое моделирование, с помощью которых устанавливаются тип и характер наследования признаков у человека, их моноили полигенность, пенетрантность и экспрессивность, влияние средовых факторов на их проявление.

Медицинская генетика исследует причины и механизмы развития наследственных болезней, а также болезней с наследственной предрасположенностью, таких как ишемическая, гипертоническая и язвенная болезни, нейродермиты и др. Задача медицинской генетики - раннее распознавание, диагностика наследственных болезней, выявление провоцирующих факторов среды, соответствующее лечение. Особенно важна организация медико-генетического консультирования для прогнозирования, пренатальной диагностики и профилактики наследственных болезней.

Популяционная генетика человека изучает закономерности распределения отдельных генов в популяции человека, генетическую структуру популяций и ее изменения под влиянием элементарных эволюционных факторов. Она выясняет причины распространенности наследственных болезней на планете, а также индивидуальной реакции людей на действие патогенов, лекарственных препаратов и лечебных вмешательств.

Тема 2.1. Закономерности моногенного наследования признаков. Полигенное наследование

Цель. Знать закономерности моногенного и полигенного наследования признаков. Уметь определять виды взаимодействия генов в генотипе по расщеплению признаков у потомков. Научиться решать генетические задачи на моно-, ди- и полигибридное скрещивание.

Задание для студентов

Работа 1. Вероятность проявления признака при моногенном наследовании

Признаки, которые находятся под контролем аллелей одного гена, называются простыми. Наследование таких признаков подчиняется законам Менделя и называется моногенным. К моногенно наследуемым признакам относятся и некоторые наследственные болезни человека, вызванные мутацией одного гена (электронная версия каталога наследственных признаков человека В. Маккьюсика), в том числе и врожденные пороки развития зубов и зубочелюстной системы (см. таблицу).

Некоторые моногеннонаследуемые аномалии зубов и зубочелюстной системы (Акуленко Л.В. и др., 2008).

Примечание: АД - аутосомно-доминантный; АР - аутосомно-рецессивный; Х-сц. - Х-сцепленный

Фенотипическое проявление гена в случае моногенного наследования определяется в значительной степени генотипом особи. Вероятность рождения ребенка с определенным генотипом зависит от генотипа его родителей.

Оцените вероятность проявления наследственного заболевания у потомства при доминантном и рецессивном типах наследования в браке родителей с различными генотипами.

Заполните таблицу.

Вероятность проявления признака у потомков в зависимости от генотипов родителей

Наследование групп крови системы АВ0

Полное доминирование - взаимодействие аллельных генов, при котором фенотипическое проявление доминантного гена не зависит от другого аллельного гена, у гетерозиготных (Аа) и гомозиготных (АА) особей формируется одинаковый фенотип.

1. Парагемофилия (склонность к кожным и носовым кровотечениям, сильным кровотечениям при мелких травмах) наследуется как рецессивный аутосомный признак. Какова вероятность рождения детей с аномалией в семье, где один из супругов страдает парагемофилией, а у другого этим заболеванием страдала мать?

2. Отсутствие малых коренных зубов наследуется как доминантный аутосомный признак. Какова вероятность рождения детей с аномалией в семье, где оба родителя гетерозиготны по анализируемому признаку?

3. Слияние нижних молочных резцов наследуется как аутосомный доминантный признак. В одной семье у первенца обнаружили, что нижние резцы слились. Родители не помнят, была ли у них эта аномалия. Определите возможные генотипы родителей и для каждого варианта вычислите вероятность рождения следующего ребенка без аномалии.

4. Глухонемота наследуется рецессивно. Возможно ли рождение глухонемого ребенка от здоровых родителей?

5. Миоплегия (периодические параличи) наследуются доминантно. В семье, где жена здорова, а муж болен миоплегией, родился здоровый ребенок. Какова вероятность рождения второго здорового ребенка?

6. Фенилкетонурия (нарушение обмена фенилаланина, в результате которого развивается слабоумие) наследуется как рецессивный признак. Возможно ли рождение больного ребенка у здоровых родителей?

7. Альбинизм (отсутствие пигмента в коже, сетчатке и волосах) наследуется у человека как аутосомный рецессивный признак. В семье, где один из супругов альбинос, а другой нормален, родились двуяйцовые близнецы, один из которых нормален, а другой альбинос. Какова вероятность рождения следующего ребенка альбиноса?

8. Мужчина с нормальным цветом зубов женился на женщине с потемневшими зубами, отец которой имел потемневшие зубы, а мать - нормальные. Определите вероятность рождения в этой семье ребенка без аномалий, если известно, что потемнение зубов определяется доминантным геном.

9. Резус-положительность (Rh+) наследуется как аутосомный доминантный признак. Он определяется наличием в эритроцитах резусантигена, который контролируется доминантным аллелем (D). При несоответствии генотипов матери и плода по резус-антигену (мать Rh^-, плод Rh+) может возникать резус-конфликт, который проявляется в гемолитической болезни, связанной с разрушением эритроцитов плода, или в гибели плода.

Определите вероятность резус-конфликта в браках:

а) резус-отрицательной матери и резус-положительного гомозиготного по данной аллельной паре отца;

б) резус-отрицательной матери и резус-положительного гетерозиготного по данной аллельной паре отца.

10. Мужчина левша женился на женщине правше, мать которой была левша.

Какое потомство можно ожидать от этого брака, если известно, что ген преимущественного владения правой рукой доминирует над геном владения левой рукой?

Неполное доминирование - взаимодействие аллельных генов, при котором доминантный ген не полностью подавляет проявление рецессивного гена. У гетерозигот наблюдается промежуточное значение признака.

11. Редкий порок - анофтальмия (отсутствие глазного яблока) обусловлен рецессивным аутосомным геном. У гомозиготных по рецессивному аллелю особей глазные яблоки отсутствуют, у гетерозиготных - они значительно меньше, чем в норме у гомозиготных по доминантному аллелю особей. Какова вероятность рождения здоровых детей в семье, где один из родителей имеет уменьшенные глазные яблоки, а второй - нормальные?

12. Семейная гиперхолестеринемия наследуется как доминантный аутосомный признак. У гетерозигот это заболевание выражается в высоком содержании холестерина в крови, у гомозигот, кроме того, развиваются ксантомы (доброкачественная опухоль) кожи и сухожилий, атеросклероз.

Определите возможную степень развития гиперхолестеринемии у детей в семье, где:

а) оба родителя имеют только высокое содержание холестерина в крови;

б) один из родителей нормален в отношении анализируемого признака, а другой кроме высокого содержания холестерина в крови имеет ксантомы и атеросклероз.

13. Акаталазия (отсутствие каталазы в крови) обусловлена редким аутосомным рецессивным геном. Исследования активности каталазы показали, что у гетерозиготных людей она несколько понижена по сравнению с нормой. У обоих родителей и единственного сына в семье активность каталазы оказалась пониженной. Определите вероятность рождения в этой семье следующего ребенка здоровым.

14. Талассемия - наследственное заболевание крови, при котором у гомозигот (tt) развивается тяжелая форма заболевания - большая талассемия, обычно смертельная в детском возрасте. У гетерозигот (Tt) проявляется менее тяжелая форма - малая талассемия.

У родителей ребенок страдает малой талассемией. Каковы наиболее вероятные генотипы родителей?

Множественный аллелизм - присутствие в генофонде вида одновременно более двух аллелей гена.

Кодоминирование - взаимодействие аллельных генов, при котором аллели не подавляют друг друга и каждый проявляет свое действие. В результате у гетерозиготных особей (Аа) формируется вариант признака отличный от гомозиготных (АА) и (аа).

У человека групповая принадлежность крови по системе АВ0 определяется тремя аллелями гена I (I^A, I^B, I⁰). Гены I^A и I^B доминантны по отношению к гену I⁰ и кодоминантны по отношению друг к другу.

15. У человека ген (HbA) определяет нормальное строение гемоглобина А, однако люди с генотипом (HbA HbA) неустойчивы к малярии.

Серповидноклеточная анемия у человека определяется геном HbS, отвечающим за синтез гемоглобина S. Гомозиготные особи (HbS HbS) умирают, как правило, в раннем детстве. У гетерозигот (HbA HbS) заболевание проявляется субклинически, но они устойчивы к малярии.

а) Какова вероятность рождения детей, устойчивых к малярии, в семье, где один из родителей гетерозиготен в отношении серповидноклеточной анемии, а другой нормален в отношении этого признака?

б) Какова вероятность рождения детей, неустойчивых к малярии, в семье, где оба родителя устойчивы к этому паразиту?

16. У человека группы крови системы АВ0 контролируются серией множественных аллелей одного гена - I⁰, I^A, I^B. Сочетаясь по два, они образуют шесть типов генотипов, которые формируют четыре группы крови.

1. Муж имеет I группу крови, жена - IV. Унаследуют ли дети группы крови своих родителей?

2. Родители гетерозиготны по III группе крови. Определите вероятность рождения ребенка с III группой крови.

3. Супруги имеют группы крови II и III, другая пара - III и IV. Ребенок имеет группу крови I, чей он?

4. В родильном доме перепутали двух мальчиков. Родители одного из них имеют I и II группы крови, родители другого - II и IV. Исследование показало, что дети имеют I и IV группы крови. Определите, кто чей сын?

17. В системе групп крови MN выделяют три фенотипа людей: с группами крови M, MN и N, которые определяются двумя генами L^M и L^N. Укажите, как наследуется группа крови MN. Какие группы крови могут быть у детей родителей с группами крови M и N?

18. Ген C ^m, детерминирующий у человека светлую окраску волос, является рецессивным по отношению к гену темных волос C ^D, но, в свою очередь, доминирует над геном, обуславливающим рыжий цвет волос C ^l. Какой цвет волос может быть у детей, если мужчина блондин, женщина брюнетка, а матери мужчины и женщины рыжеволосые?

Работа 3. Летальное действие гена

Одной из причин возникновения отклонений в расщеплении признаков является разная жизнеспособность зигот. Гены, вызывающие нарушение в развитии организма и приводящие к его гибели, называются летальными. Гибель организма происходит на ранних этапах развития, чаще на стадии зиготы. Сублетальные гены понижают жизнеспособность особи настолько, что она погибает, не достигнув половой зрелости.

Летальные и сублетальные гены могут быть как доминантными, так и рецессивными.

Решите задачи, укажите отклонение в расщеплении признаков по сравнению с полным доминированием.

19. У человека доминантный ген, вызывающий брахидактилию (укорочение пальцев) в гомозиготном состоянии приводит к гибели эмбриона. Какова вероятность рождения ребенка с брахидактилией и вероятность гибели эмбриона при браке гетерозиготных родителей?

20. У мышей ген доминантной желтой пигментации шерсти (А) обладает летальным действием (мыши с генотипом АА погибают в эмбриогенезе). Его рецессивный аллель (а) вызывает черную пигментацию и обеспечивает нормальную жизнедеятельность. Скрещены две желтые особи. Какое расщепление по окраске шерсти ожидается в потомстве?

Работа 4. Плейотропия

Плейотропия - явление, при котором один ген обуславливает развитие нескольких признаков. Плейотропный ген по отношению к одному признаку может быть доминантным, а по отношению к другому - рецессивным.

Решите задачи

21. Синдром Вильямса-Бьюрена - аутосомно-доминантное заболевание, которое характеризуется аномалиями развития сердечнососудистой системы, деформацией грудной клетки, почечной патологией, умственной отсталостью и аномалиями зубов (микродентия и гиподентия). Какова вероятность рождения больного ребенка в семье, где один из родителей гетерозиготен по данному гену, а другой нормален в отношении указанных признаков?

22. Синдром Коэна обусловлен рецессивным аутосомным геном и характеризуется множественными аномалиями: выступающие вперед крупные центральные резцы, гипоплазия верхней челюсти, мышечная гипотония, ожирение, миопия. Определите вероятность рождения ребенка с данным синдромом у гетерозиготных родителей.

Работа 5. Независимое наследование признаков

Изучите и зарисуйте схему распределения хромосом в мейозе при независимом наследовании признаков. Объясните причину разнообразия гамет при независимом наследовании.

Схема 1. Независимое расхождение хромосом в мейозе

Заполните решетку Пеннета (см. таблицу), укажите возможные комбинации генов в потомстве от брака двух дигетерозиготных родителей.

Расщепление признаков у гибридов второго поколения

Решите задачи

23. У человека широкие ноздри доминируют над узкими, а высокая и узкая переносица - над низкой и широкой. Какой нос могут иметь дети от брака дигетерозиготной женщины и мужчины с узкими ноздрями и низкой широкой переносицей?

24. Полидактилия (шестипалость) и отсутствие малых коренных зубов передаются как доминантные признаки. Какова вероятность рождения детей без аномалий в семье, где каждый из родителей имеет только одну аномалию, полученную от одного из своих родителей?

25. Глаукома взрослых наследуется несколькими путями. Одна форма определяется доминантным аутосомным геном, другая - рецессивным, тоже аутосомным, не сцепленным с предыдущим геном.

а) Какова вероятность рождения ребенка с аномалией в случае, если оба родителя гетерозиготны по обеим парам патологических генов?

б) Какова вероятность рождения детей с аномалией в семье, где один из родителей гетерозиготен по обеим парам патологических

генов, а другой - нормален в отношении зрения и гомозиготен по обеим парам генов?

26. У человека имеется два вида слепоты, и каждая обусловлена аутосомным рецессивным геном. Определите вероятность рождения ребенка слепым, если известно:

а) что его родители зрячие, а обе бабушки страдают одинаковым видом наследственной слепоты, по другой паре анализируемых генов они нормальны и гомозиготны, а в родословной со стороны дедушек наследственной слепоты не отмечено;

б) что его родители зрячие, а обе бабушки страдают разными видами наследственной слепоты, по другой паре анализируемых генов они нормальны и гомозиготны, а в родословной со стороны дедушек наследственной слепоты не отмечено.

27. У человека фруктозурия (нарушение усвоения фруктозы) наследуется рецессивно, катаракта - доминантный признак. Какова вероятность рождения больных детей в семье, где муж здоров, а жена гетерозиготна по обеим парам генов? У матери мужа была катаракта, а его отец был здоров по данному признаку.

28. Мать имеет группы крови I и MN, а отец - IV и N. Возможно ли у них рождение детей с группами крови: I и M; II и M; I и MN?

Работа 6. Взаимодействие неаллельных генов

Комплементарность - взаимодействие генов, при котором два доминантных гена из разных аллельных пар обуславливают фенотипическое проявление признака, которое в присутствии доминантного гена только из одной аллельной пары не воспроизводится. Расщепление признаков у потомков зависит от того, имеют ли взаимодействующие гены самостоятельное фенотипическое проявление. Расщепление признаков у гибридов второго поколения может быть

9:3:3:1; 9:7; 9:3:4; 9:6:1.

Решите задачи

29. У кур для развития окраски необходим тирозин (предшественник пигмента меланина) и фермент тирозингидроксилаза, который обеспечивает синтез пигмента из предшественника. Белые минорки с генотипом (ССоо) способны синтезировать тирозин, необходимый для синтеза пигмента, но не способны синтезировать тирозингидроксилазу. Белые шелковистые куры имеют генотип (ссОО). Они не способны син-

тезировать тирозин, но обладают способностью синтезировать фермент тирозингидроксилазу.

При скрещивании белых минорок и белых шелковистых кур все потомки F₁ получаются окрашенными. Определите расщепление по генотипу и фенотипу у гибридов F₂. Объясните результаты.

30. У норок, разводимых в звероводческих хозяйствах, цвет шерсти определяется двумя неаллельными генами. Дикая коричневая окраска проявляется лишь в присутствии двух доминантных генов (A) и (B). Гомозиготность по рецессивному аллелю каждого гена или по двум одновременно обеспечивает платиновую окраску меха.

При каком скрещивании двух платиновых норок потомство (F₁) будет 100% коричневым?

31. От скрещивания белых и голубых кроликов в потомстве Fj получено 28 черных крольчат. В потомстве F₂ получено 67 черных, 27 голубых и 34 белых крольчонка. Как наследуется черная, голубая и белая окраска шерсти у кроликов? Определите генотипы родителей и потомков.

32. У кур встречаются четыре формы гребня, обусловленные взаимодействием двух пар генов (Rr и Pp).

Ген (R) детерминирует розовидный гребень, ген (P) - гороховидный гребень. При сочетании генов (R и P) развивается ореховидный гребень. Птицы, рецессивные по обоим генам, имеют простой (листовидный) гребень.

Гомозиготная особь с розовидным гребнем скрещена с гомозиготной особью с гороховидным гребнем. Какой фенотип будет иметь их потомство в первом, во втором гибридных поколениях?

33. Глухонемота у человека может быть обусловлена недоразвитием нейросенсорного аппарата внутреннего уха и нарушением развития звукопроводящей системы наружного и среднего уха.

В развитии органа слуха участвуют комплементарные гены (А) и (В). Глухонемые родители имеют пятерых детей с нормальным слухом. Определите наиболее вероятные генотипы глухонемых родителей и их детей с нормальным слухом.

Эпистаз - это взаимодействие генов, при котором ген из одной аллельной пары подавляет фенотипическое проявление гена из другой аллельной пары. Ген, оказывающий такое действие, называется супрессором. Он может быть как доминантным (доминантный эпистаз), так и рецессивным (рецессивный эпистаз). Подавляемый ген называется

гипостатичным. Расщепление при эпистазе может быть различным 13:3; 12:3:1; 9:3:4; 9:7. Расщепление зависит от того, имеют ли аллельные гены самостоятельное проявление, имеет ли место одинарный или двойной эпистаз.

34. У кур доминантный ген (C) обуславливает развитие пигментированного оперения, а его рецессивный аллель - белого. Эпистатический ген (I) другой аллельной пары подавляет действие доминантного гена, и пигмент не образуется. Поэтому куры, гомозиготные по рецессивному гену (с) являются белыми вследствие отсутствия пигмента, а при наличии доминантного гена (C) и доминантного гена (I) куры являются белыми вследствие подавления гена пигментации эпистатическим геном. Белый леггорн, гомозиготный по двум парам доминантных генов, скрещен с белым виандотом, гомозиготным по двум парам рецессивных генов. Определить расщепление по окраске оперения в первом и втором поколениях.

35. Плоды тыквы могут иметь три окраски: белую, желтую и зеленую. Ген желтой окраски (A) доминирует над зеленой (я), а доминантный ген (B) белой окраски, относящийся к другой аллели, является эпистатическим по отношению к генам и желтой и зеленой окраски. Тыква с белыми плодами скрещивается с тыквой с зелеными плодами, и в первом поколении все гибриды обладают белой окраской, а во втором поколении происходит расщепление: 12 частей с белыми плодами, 3 - с желтыми и 1 - с зелеными. Каковы генотипы исходных форм?

36. У человека синтез эритроцитарных группоспецифических белков - антигенов А и В определяется доминантными генами (I^A) и (I^B). Неаллельный ген (H) контролирует синтез белка - предшественника антигенов А и В. У гомозиготных по рецессивному аллелю людей (hh) антигены А и В не синтезируются. Фенотипически эти люди имеют I группу крови. У супружеской пары, где муж и жена имеют IV группу крови и гетерозиготны по аллелям гена (И), родился ребенок с I группой крови. Какова вероятность рождения следующих детей с I группой крови?

Полимерия - это взаимодействие генов, при котором признак контролируется несколькими парами генов, и интенсивность проявления признака зависит от количества доминантных генов. По принципу полимерии наследуются цвет кожи, цвет глаз, рост, масса тела и др.

37. У человека различия в цвете кожи обусловлены в основном двумя парами неаллельных генов (В) и (С). Люди с генотипом (ВВСС) имеют черную кожу, с генотипом (ЬЬсс) - белую. Различные сочетания доминантных генов обеспечивают пигментацию кожи разной интенсивности. Любые три доминантных аллеля детерминируют темную кожу, любые два - смуглую, один - светлую.

а) От брака смуглого мужчины и белой женщины родились дети, из которых по ¹/₄ потомства было смуглых и белых, а ¹/₂ - светлокожих. Определите генотипы родителей и потомков.

б) Могут ли быть светлокожими дети у родителей с черной кожей?

в) Могут ли светлокожие родители иметь ребенка с более темной кожей?

38. Рост человека контролируется тремя парами несцепленных генов из разных аллельных пар, взаимодействующих по типу полимерии. Допустив, что в одной из популяций рост самых низких людей, обусловленный всеми рецессивными генами, равен 150 см, а рост самых высоких людей, обусловленный их доминантными аллелями, равен 180 см, определить возможный рост детей от брака низкорослой женщины и мужчины среднего роста, которые имеют взрослого сына маленького роста.

Вопросы для самоподготовки

1. Какие гены называются аллельными?

2. Чем отличаются гомо- и гетерозиготный генотипы?

3. Всегда ли гомозиготные особи имеют одинаковый фенотип?

4. Дайте определение фенотипа и генотипа.

5. В каком случае генотип особи можно определить по ее фенотипу? В каком - это не представляется возможным?

6. Назовите закономерности поведения признаков и аллельных генов при моногибридном скрещивании.

7. Как меняется расщепление признаков при различных взаимодействиях аллельных генов?

8. Что такое множественный аллелизм? Приведите примеры.

9. Закон независимого комбинирования признаков объясняет за-

кономерности моногенного или полигенного наследования? 10.При каких условиях выполняется закон независимого комбинирования признаков?

11.Какие гены называются неаллельными? Как они взаимодействуют?

12. Что такое эпистатическое действие генов? Назовите возможные варианты расщепления признаков при эпистазе.

13. Что такое комплементарное взаимодействие генов? Назовите возможные варианты расщепления признаков при комплементарном взаимодействии генов.

14. Что такое полимерия? Какие виды полимерии существуют?

15. Назовите признаки человека, в наследовании которых проявляется взаимодействие аллельных и неаллельных генов.

Тестовые задания

Выберите один или несколько правильных ответов.

1. НЕАЛЛЕЛЬНЫЕ ГЕНЫ:

1. Располагаются в одинаковых локусах гомологичных хромосом

2. Располагаются в разных локусах одной хромосомы или в разных хромосомах

3. Отвечают за разные признаки

4. Отвечают за один или за разные признаки

5. Не взаимодействуют друг с другом

2. ПРИ КОДОМИНИРОВАНИИ У ГИБРИДОВ ВТОРОГО ПОКОЛЕНИЯ РАСЩЕПЛЕНИЕ ПРИЗНАКОВ В ОТНОШЕНИИ:

1. 1:2:1 по генотипу и фенотипу

2. 1:2:1 по генотипу и 3:1 по фенотипу

3. 3:1 по генотипу и 1:2:1 по фенотипу

4. 1:1 по фенотипу и генотипу

5. Отсутствует

3. СВОЙСТВО ГЕНА СУЩЕСТВОВАТЬ В ВИДЕ АЛЬТЕРНАТИВНЫХ ФОРМ НАЗЫВАЕТСЯ:

1. Плейотропность

2. Дискретность

3. Дозированность

4. Аллельность

5. Специфичность

4. РАСЩЕПЛЕНИЕ ПРИ ДИГИБРИДНОМ СКРЕЩИВАНИИ

В ОТНОШЕНИИ 9:7 ОТМЕЧАЕТСЯ В F₂ ПРИ:

1. Кодоминировании

2. Комплементарности

3. Полимерии

4. Доминантном эпистазе

5. Рецессивном эпистазе

5. ВЕРОЯТНОСТЬ РЕЗУС-КОНФЛИКТА В БРАКЕ Rh^- МАТЕРИ И Rh⁺-ГЕТЕРОЗИГОТНОГО ОТЦА:

1. 0%

2. 25%

3. 50%

4. 75%

5. 100%

6. ОРГАНИЗМЫ, ГЕТЕРОЗИГОТНЫЕ ПО ДВУМ ГЕНАМ,

РАСПОЛОЖЕННЫМ В РАЗНЫХ ХРОМОСОМАХ, ОБРАЗУЮТ

ГАМЕТЫ:

1. AB; Ab

2. AB

3. Ab; ab

4. AB; Ab; aB; ab

5. ab

7. РЕБЕНКА С IV ГРУППОЙ КРОВИ МОГУТ ИМЕТЬ РОДИТЕЛИ С ГРУППАМИ КРОВИ:

1. II и III

2. II и II

3. I и IV

4. II и IV

5. III и III

8. ПРИ КОМПЛЕМЕНТАРНОМ ВЗАИМОДЕЙСТВИИ ГЕНОВ НОВОЕ КАЧЕСТВО ПРИЗНАКА ПРОЯВИТСЯ У ОСОБЕЙ С ГЕНОТИПОМ:

1. AaBB

2. aabb

3. Aabb

4. AABB

5. AaBb

9. «ЧИСТОТА ГАМЕТ» ОБЕСПЕЧИВАЕТСЯ:

1. Независимым расхождением негомологичных хромосом в анафазе I

2. Расхождением сестринских хроматид в анафазе I

3. Расхождением гомологичных хромосом в мейозе I

4. Независимой встречей гамет

5. Случайной встречей родительских пар

Установите соответствие.

10. МОНОГИБРИДНОЕ РАСЩЕПЛЕНИЕ: СКРЕЩИВАНИЕ:

1. Гетерозигот при неполном а) Одинаковое по фенотипу доминировании и генотипу

2. Анализирующее б) Отсутствует

3. Гетерозигот при полном до- в) 3:1 по фенотипу минировании г) 1:2:1 по генотипу

д) 2:1

Литература

Основная

Биология / Под ред. В.Н. Ярыгина - М.: Высшая школа, 2007. -

Кн. 1. - С. 88-90, 155-163, 222-225, 228-230, 234-239.

Пехов А.П. Биология и общая генетика. - М.: Изд-во РУДН, 1993. -

С. 113-131.

Слюсарев А.А. Биология с общей генетикой. - М.: Медицина, 1978. -

С. 113-131.

Дополнительная

Акуленко Л.В., Богомазов Е.А., Захарова О.М. и др. Медицинская и клиническая генетика для стоматологов: учебное пособие / Под ред.

О.О. Янушевича. - М.: ГЭОТАР-Медиа, 2008. - 400 с.

Биология / Под ред. В.Н. Ярыгина. - М.: Медицина, 1984. -

С. 77-83, 87-99, 103, 104, 118, 119.

Генетика: учебник для вузов / Под ред. акад. РАМН В.И. Иванова. - М.: Академкнига, 2006. - 638 с.

Максимов Г.В., Степанов В.И., Василенко В.Н. Сборник задач по генетике. - М.: Вузовская книга, 2001.

Мастюкова Е.М., Московкина А.Г. Основы генетики. Клинико-генетические основы коррекционной педагогики и специальной психологии / Под ред. В.И. Селиверстова, Б.П. Пузанова. - М.: ВЛАДОС,

2005. - 367 с.

Мутовин Г.Р. Основы клинической генетики. - М.: Высшая школа,

2001.

McKusick V.A. On-Line. Manual for Mendelian Inheritance in Man (MIM), Baltimore: The Hopkins University Press (OMIM)/Internet - http:// www.ncbi.nim.nih.gov/omim.

Тема 2.2. Сцепленное наследование. Генетика пола. Сцепленное с полом наследование

Цель. Изучить основные положения хромосомной теории наследственности Т.Х. Моргана. Ознакомиться с методами картирования хромосом человека. Научиться определять расстояние между генами, решать задачи на аутосомное сцепление и сцепленное с полом наследование.

Задание для студентов

Работа 1. Расположение генов в хромосомах при сцепленном наследовании

Изучите и зарисуйте рис. 15.

Рис. 15. Полное и неполное сцепление генов:

а - полное сцепление (гены А и В тесно сцеплены); б - неполное сцепление (расстояние между генами А и В 10 морганид)

Работа 2. Частоты генотипов при анализирующем скрещивании дигетерозигот в случаях независимого и сцепленного наследования

Изучите и перепишите таблицу.

Работа 3. Определение расстояния между генами по результатам анализирующего скрещивания Задача. Черные мухи-дрозофилы с короткими крыльями (рецессивные признаки) скрещены с серыми длиннокрылыми (доминантные признаки). Затем самки F₁ были скрещены с черными самцами, имеющими короткие крылья. В F₂ получено: серых длиннокрылых - 1840 особей, серых с короткими крыльями - 1255, черных длиннокрылых - 1145, черных с короткими крыльями - 1760 особей.

Вычислите расстояние между генами в морганидах по результатам анализирующего скрещивания, используя формулу:

где X-% кроссинговера; а - количество некроссоверных форм; в - количество кроссоверных форм.

Работа 4. Определение порядка расположения генов в хромосоме

Определите порядок расположения генов в хромосоме, если известно, что расстояния между генами равны:

А-В - 3 морганиды; В-С - 5 морганид; А-С - 8 морганид; С-В - 2 морганиды;

А-О - 6 морганид; В-Е - 17 морганид; С-Е - 12 морганид.

Составьте карту хромосомы с учетом того, что А-В = m, В-С = n, тогда А-С = (m + n) или (m - n).

Работа 5. Хромосомный механизм определения пола

Пол большинства организмов определяется сочетанием половых хромосом, которое возникает в зиготе в процессе оплодотворения. При изучении хромосом половых и соматических клеток животных было установлено, что самцы и самки различаются по набору хромосом. Это различие связано с половыми хромосомами, которых в соматических клетках любой особи две. Пол, имеющий две одинаковые половые хромосомы, называется гомогаметным. Пол, у которого половые хромосомы разные, - гетерогаметным.

Изучите и перепишите таблицу.

Работа 6. Геном человека

Международная программа «Геном человека» явилась одним из наиболее значительных научных достижений в настоящее время. Основные результаты программы:

•  полностью расшифрована последовательность нуклеотидов ДНК человека (около 3 млрд пар нуклеотидов);

•  определено около 30 тыс. генов; получены сведения об их строении, функционировании;

•  созданы библиотеки генов, позволяющие использовать отдельные гены человека в генной инженерии и генной терапии;

•  выявлены нарушения в генах, являющиеся причиной наследственных заболеваний человека;

•  усовершенствованы способы диагностики генных заболеваний, стала возможной генетическая паспортизация.

Огромный объем полученной информации сделал невозможными традиционные способы ее обработки и хранения. Для того, чтобы опубликовать данные о последовательности ДНК человека, потребовалось бы напечатать 1,5 тыс. томов по 1000 страниц в каждом, поэтому результаты заносятся в электронные базы данных (Pub Med и Medline). Доступ к этой информации позволяет быстро получить любые данные по геному человека.

Электронная база данных позволяет получить через Интернет информацию о любой хромосоме человека: на цитогенетической карте хромосом указаны гены, расположенные в определенном ее плече и сегменте. Дополнительный запрос дает информацию о конкретном гене и кодируемом им белке, включая последовательность нуклеотидов и последовательность аминокислот в белке.

Ознакомьтесь с генетическими картами хромосом, указывающими расположение аномалий начального отдела пищеварительной системы человека. На рис. 16 представлена локализация этих заболеваний в хромосомах человека.

Рис. 16. Генетические карты хромосом с генами аномалий начального отдела пищеварительной системы человека:

а - Х-хромосома; б - 1-я хромосома; в - 4-я хромосома; г - 10-я хромосома; д - 13-я хромосома; е - 17-я хромосома

Работа 7. Сцепленное с полом наследование

Изучите, как определяют сцепленное с полом наследование, и перепишите задачу.

При наследовании генов, расположенных в половых хромосомах, наблюдается неравномерное распределение этих генов и соответствующих им фенотипических признаков между потомками разных полов. Так, у потомков женского пола нет генов, локализованных в Y-хромосоме (голандрический характер наследования - гены передаются только по мужской линии), а к потомкам мужского пола попадают только материнские аллели генов, локализованных в Х-хромосоме. Наследование признаков, гены которых локализованы в Х-хромосоме, наследуется сцеплено с полом. Сцепленное с полом наследование происходит крестнакрест (крис-кросс): сыновья наследуют фенотипический признак матери, а дочери - признак отца.

Для определения, в какой хромосоме локализован ген (в аутосоме или Х-хромосоме), проводят реципрокное скрещивание. В каждом из этих скрещиваний родительские организмы разного пола имеют противоположные варианты анализируемого признака. Например, у дрозофил скрещиваются красноглазые самки с белоглазыми самцами; белоглазые самки с красноглазыми самцами. Если потомки мужского пола будут иметь признак, характерный для женского пола родительского поколения, можно утверждать, что соответствующий ген локализован в Х-хромосоме.

Задача:

Работа 8. Решите задачи на аутосомное сцепление и сцепленное с полом наследование

1. Слияние нижних молочных резцов наследуется по аутосомнодоминантному типу. Ген находится в 17-й хромосоме. В этой же хромосоме на расстоянии 30 морганид локализован рецессивный ген

конической формы зубов. Какова вероятность рождения детей с двумя аномалиями, если известно, что каждый из родителей имел одну аномалию, полученную от одного из родителей?

2. Одна из форм дефекта зубной эмали контролируется доминантным геном, расположенным в первой хромосоме, в этой же хромосоме расположен рецессивный ген расщелины верхней губы. Гены тесно сцеплены между собой. Что можно ожидать в потомстве: отсутствие аномалий, проявление двух или одной аномалии, если у отца присутствуют обе аномалии, а мать здорова и гомозиготна?

3. У человека тремы и нарушение прикуса наследуются сцепленно, как аутосомно-доминантные признаки. Гены данных аномалий расположены в 3-й паре хромосом на расстоянии 12 морганид. Какова вероятность рождения детей с двумя аномалиями в семье, где отец здоров и гомозиготен, а мать имеет обе аномалии, одну из которых она получила от одного родителя, а другую - от другого?

4. В семье, где родители здоровы, родился ребенок с аномалией полости рта: расщелиной твердого нёба и гипоплазией гортани. Определите, как наследуются признаки, если гены тесно сцеплены и находятся в 22-й хромосоме. Какова вероятность рождения второго ребенка с этими аномалиями?

5. Отсутствие верхних боковых резцов наследуется как рецессивный признак, сцепленный с Х-хромосомой. Отосклероз - аутосомнодоминантный признак с пенетрантностью 30%. Определите вероятность рождения детей с двумя аномалиями, если:

а) мать дигетерозиготна, отец нормален в отношение этих признаков;

б) мать нормальна в отношение этих признаков, отец страдает отосклерозом и не имеет верхних боковых резцов.

6. Одна из форм дефекта зубной эмали контролируется доминантным геном, локализованным в Х-хромосоме. Какова вероятность рождения детей с этим заболеванием, если оно имелось:

а) у отца жены;

б) у отца мужа.

7. Гипоплазия зубной эмали наследуется как сцепленный с Х-хромосомой доминантный признак. В семье, где оба родителя страдали отмеченной аномалией, родился сын с нормальными зубами. Каким будет их второй сын?

8. У человека в Y-хромосоме локализован ген, определяющий развитие перепонки между II и III пальцами ног. Определите, какие будут дети и внуки у мужчины, имеющего этот признак, и здоровой женщины.

9. Аллергическое заболевание - геморрагический диатез у человека наследуется как рецессивный признак. Аллели этого гена расположены в Х-хромосоме и в Y-хромосоме. Каких детей можно ожидать от брака больной женщины и здорового мужчины?

10. Потемнение зубов может определяться двумя доминантными генами, один из которых расположен в аутосоме, другой в Х-хромосоме. В семье родителей, имеющих темные зубы, родились дочь и сын с нормальным цветом зубов. Определите вероятность рождения в этой семье следующего ребенка без аномалий, если установлено, что темные зубы матери обусловлены лишь геном, сцепленным с Х-хромосомой, а темные зубы отца - аутосомным геном, по которому он гетерозиготен.

Тестовые задания

Выберите один правильный ответ.

1. КОЛИЧЕСТВО ГРУПП СЦЕПЛЕНИЯ У ЧЕЛОВЕКА:

1. 23

2. 24

3. 45

4. 46

2. НАРУШАЕТ СЦЕПЛЕНИЕ ГЕНОВ:

1. Репликация ДНК

2. Репарация

3. Конъюгация хромосом

4. Кроссинговер

3. Х-СЦЕПЛЕННЫМИ ПРИЗНАКАМИ МОГУТ ОБЛАДАТЬ:

1. Только женщины

2. Только мужчины

3. Женщины и мужчины с равной вероятностью

4. Женщины и мужчины с разной вероятностью

Выберите несколько правильных ответов.

4. ЕСЛИ В АУТОСОМЕ РАССТОЯНИЕ МЕЖДУ ГЕНАМИ А И В СОСТАВЛЯЕТ 40 МОРГАНИД, ТО ДИГЕТЕРОЗИГОТНЫЙ

ОРГАНИЗМ ОБРАЗУЕТ КЛАССОВ ГАМЕТ:

1. По 25% всех типов

2. 60% некроссоверных

3. 40% некроссоверных

4. 20% кроссоверных

5. 40% кроссоверных

5. КОЛИЧЕСТВО ГЕНОВ, СЦЕПЛЕННЫХ С Х-ХРОМОСОМОЙ

У ЧЕЛОВЕКА:

1. Постоянно

2. Может меняться

3. Такое же, как сцепленных с Y-хромосомой

4. Больше, чем сцепленных с Y-хромосомой

6. У МУЖЧИН ЧАЩЕ, ЧЕМ У ЖЕНЩИН, ВСТРЕЧАЮТСЯ

ПРИЗНАКИ, НАСЛЕДУЕМЫЕ:

1. Аутосомно-доминантно

2. Х-сцепленно-доминантно

3. Х-сцепленно-рецессивно

4. Y-сцепленно.

7. В СЕМЬЕ, ГДЕ ОБА РОДИТЕЛЯ СТРАДАЮТ ДАЛЬТОНИЗМОМ, ДЕТИ МОГУТ БЫТЬ:

1. Девочки только здоровые

2. Мальчики только здоровые

3. 100% больных девочек

4. 100% больных мальчиков

8. В СОМАТИЧЕСКИХ КЛЕТКАХ МУЖСКИХ ОСОБЕЙ НАБОР

ПОЛОВЫХ ХРОМОСОМ МОЖЕТ БЫТЬ:

1. XX

2. ХY

3. ХО

4. YY

Установите соответствие.

9. ПРИ СКРЕЩИВАНИИ АаВb x aabb У ГИБРИДОВ ПЕРВОГО ПОКОЛЕНИЯ ВОЗМОЖНО РАСЩЕПЛЕНИЕ:

ТИП НАСЛЕДОВАНИЯ:

1. Независимое наследование

2. Полное сцепление

3. Неполное сцепление

РАСЩЕПЛЕНИЕ:

а) АаВb: АаВb: ааbb: ааbb

в равном соотношении

б) АаВb: АаВb: ааbb: ааbb в разном соотношении

в) АаВb: ааbb

в равном соотношении

г) АаВb: ааbb в равном соотношении

10. ПРЕДСТАВИТЕЛИ:

1. Млекопитающие

2. Птицы

3. Клоп Рrо1епоr

ГЕТЕРОГАМЕТНОСТЬ:

а) Женская

б) Мужская

в) XY

г) ХО

Литература

Основная

Биология / Под ред. В.Н. Ярыгина. - М.: Высшая школа, 2001. - Кн. 1. - С. 115-117, 137, 138, 212-218, 226, 227, 231-233.

Пехов А.П. Биология и общая генетика. - М.: Изд-во РУДН, 1993. - С. 83, 84, 131-143, 187-190.

Дополнительная

Горбунова В.Н., Баранов В.С. Введение в молекулярную диагностику и генотерапию наследственных заболеваний. - СПб.: Специальная литература, 1997.

Жимулев И.Ф. Общая и молекулярная генетика. - Новосибирск: Изд-во Новосибирского ун-та, 2002.

Козлова С.И., Демикова Н.С. Наследственные синдромы и медикогенетическое консультирование. - М.: Товарищество научных изданий

КМК, 2007.

Тема 2.3. Изменчивость

Цель. Знать основные формы изменчивости, механизмы их возникновения, значение для адаптации к условиям среды при эволюции видов и индивидуальном развитии организмов. Иметь представление о роли среды в проявлении генов при развитии признаков. Освоить вариационно-статистический метод изучения модификационной изменчивости. Уметь распознавать хромосомные мутации на цитогенетических препаратах клеток человека. Знать медицинское значение мутаций, в том числе вызывающих патологии зубочелюстной системы человека.

Задание для студентов

Работа 1. Основные формы изменчивости

Изменчивость является одним из основных свойств биосистем. Изменчивость обеспечивает приспособление организмов к условиям среды, эволюцию и многообразие форм жизни.

Изучите и перепишите таблицу.

Работа 2. Формы изменчивости

Решите задачи и укажите наблюдаемую форму изменчивости.

1. У человека карие глаза доминируют над голубыми, а способность лучше владеть правой рукой - над левой. Какие новые сочетания признаков могут появиться у потомства в результате брака родителей, гетерозиготных по обоим признакам? Известно, что аллельные гены этих признаков находятся в разных парах хромосом.

2. В семье, где мать и отец здоровы, родились однояйцовые близнецы, у одного из которых обнаружены кисты на слизистой оболочке губы, расщелина губы и нёба, а у второго - только кисты губы.

Детям был поставлен диагноз - синдром Ван дер Вуда (аутосомнодоминантное заболевание). Каковы возможные причины возникновения заболевания у детей? Как можно объяснить различия в пороках развития у близнецов?

3. Два рода на протяжении многих поколений состояли из фенотипически здоровых людей. В одном из них родился сын, у которого развился остеомиелит нижней челюсти, остеосклероз костей черепа и таза. Во второй семье родилась дочь, у которой наблюдался остеосклероз и позднее прорезывание зубов аномальной формы. В обоих случаях был поставлен диагноз «остеопетроз». Однако в первой семье заболевание вызвал доминантный ген, расположенный в 16-й хромосоме, а во второй - рецессивный ген, расположенный в 11-й хромосоме. Каковы причины развития заболеваний у детей в этих семьях? Определите вероятности рождения следующих больных детей.

4. Мужчина, несколько лет проработавший у атомного реактора, стал отцом мальчика, страдающего гемофилией - единственный случай этого заболевания как в его роду, так и у предков его жены.

Правы ли супруги, приписавшие возникновение аномалии у ребенка неблагоприятному действию среды, в которой находился отец ребенка?

Работа 3. Классификация мутаций

Перепишите таблицу. Приведите примеры.

Работа 5. Влияние возраста матери на частоту хромосомных болезней у человека

Большинство геномных и хромосомных мутаций у человека приводят к значительным нарушениям эмбрионального развития, выкидышам или смерти вскоре после рождения. Из мутаций, изменяющих количество аутосом, у новорожденных встречаются трисомии по 21-й (синдром Дауна), 13-й (синдром Патау) и 18-й (синдром Эдвардса) хромосомам. Как правило, они обусловлены нерасхождением хромосом в мейозе. Вероятность такого нерасхождения значительно увеличивается с возрастом матери, что связано с особенностями овогенеза у женщин.

Изучите таблицу.

Риск хромосомных болезней, вызванных трисомиями 13-й, 18-й и 21-й хромосом

Примечание. Около 90% из трех болезней составляет синдром Дауна.

Работа 6. Хромосомные аберрации в клетках человека

Одним из основных методов определения мутаций у человека является анализ метафазных пластинок на цитогенетических препаратах и выявление на них нарушений (аберраций) хромосом. Метод позволяет определить величину мутагенного воздействия на человека, например при работе на вредном производстве или после аварий, ведущих к загрязнению окружающей среды. Использование лимфоцитов крови, культивируемых в питательной среде (метод in vitro), дает возможность проводить экспериментальные исследования и определять мутагенную опасность лекарств, пищевых добавок, пестицидов и других факторов, что позволяет предотвратить их воздействие на человека и избежать возникновения генетических патологий.

Методика проведения работы

Рассмотрите под малым увеличением цитогенетический препарат лимфоцитов крови человека, подвергнутых in vitro мутагенному воздействию. Найдите метафазные пластинки. Рассмотрите их под большим увеличением (иммерсионный объектив X 90). Найдите метафазу с хромосомными нарушениями. Зарисуйте в тетрадь аберрантные хромосомы, определите тип мутации, используя рис. 1 и атлас хромосом человека (Захаров А.Ф. и др., 1982).

Рис. 1. Детали метафазных пластинок с хромосомными аберрациями. Снизу представлены реконструкции аберраций с хроматидными обменами (по А.Ф. Захарову и др., 1982)

Работа 7. Мутации у человека Решите задачи

5. В двух семьях у здоровых родителей родились дети с синдромом Дауна, обусловленным трисомией по 21-й хромосоме. Первая семья живет в экологически благополучном регионе, профессиональная деятельность родителей не связана с мутагенным воздействием. В семье имеются здоровые дети 7, 14 и 23 лет. Во второй семье мать после окончания школы в течение трех лет работала на вредном производстве, связанном с мутагенным воздействием (изготовление строительных материалов с использованием асбеста). С производства ушла за четыре месяца до рождения больного ребенка, который является первым в этой семье. Каковы вероятности рождения следующего ребенка с синдромом Дауна в первой и второй семьях?

6. Синдром Крузона (деформация черепа, гипоплазия верхней челюсти, иногда - расщелина язычка или нёба, редкие шиповидные зубы) - аутосомно-доминантное заболевание, встречающееся с часто-

той 16 на 1 млн новорожденных. 25% всех случаев обусловлены новой мутацией. Какова вероятность рождения больного ребенка в семье, где болен один из родителей? В семье здоровых родителей?

7. В процессе эволюции человека произошло уменьшение набора хромосом на одну пару. Как правило, отсутствие даже одной хромосомы является летальной мутацией. Какие мутации, произошедшие у наших предков, изменили кариотип человека? Почему эти мутации не привели к потере нужных генов и снижению жизнеспособности?

Работа 8. Моделирование изменений генетической информации при мутации гена

Участок полипептидной цепи белковой молекулы контролируется полинуклеотидной цепью ДНК -

ТАЦАТАГЦАТЦГАЦЦЦЦАГАТТЦАААААЦГ. Как изменится структура белка в случаях:

а) замены в пятом нуклеотиде основания Т на А;

б) при выпадении восьмого нуклеотида;

в) добавления нуклеотида с основанием Ц после третьего нуклеотида?

Работа 9. Вариационно-статистический метод изучения модификационной изменчивости Цель метода. Определение нормы реакции изучаемого признака, его среднего значения и возможные вариационные отклонения. В качестве примера изучить: длину игл сосны и частоту пульса человека.

Методика проведения работы

1. С помощью линейки измерьте длину сосновых игл одной ветки (не менее 50 игл). Размеры запишите в таблицу. Составьте не менее 5 возможных вариант-классов, определите частоту встречаемости признака в каждом классе и среднее значение каждого класса. Данные запишите в таблицу.

Решите задачи

8. Рецессивный ген (d) обуславливает предрасположение к сахарному диабету. Пенетрантность этого признака равна 20% (т.е. из лиц с генотипом dd заболевает только 20%). Определите вероятность предрасположения и вероятность заболевания диабетом ребенка в семье гетерозиготных родителей.

9. При синдроме Ван дер Вуда (аутосомно-доминантный тип наследования) у 20% больных выявляется расщелина губы или нёба. Какова вероятность предрасположенности к заболеванию и вероятность развития расщелины у ребенка в семье, где болен один из родителей?

10. Рецессивный ген COH1, расположенный в 8-й хромосоме, обуславливает предрасположение к развитию выступающих резцов. Пенетрантность признака равна 65%. Определите вероятность, что у ребенка разовьется аномалия зубов, если известно, что выступающие резцы были у матери ребенка и деда по отцовской линии.

11. Отосклероз (поражение слуховых косточек) наследуется как аутосомно-доминантный признак с пенетрантностью 30%. Отсутствие верхних боковых резцов наследуется как сцепленный с Х-хромосомой рецессивный признак с полной пенетрантностью. Определите вероятность рождения детей с обеими аномалиями одновременно в семье, где

мать гетерозиготна в отношении обоих признаков, а отец нормален по обеим парам.

12. Синдром Ван дер Хеве определяется доминантным аутосомным плейотропным геном, вызывающим голубую окраску склер, хрупкость костей и глухоту. Пенетрантность признака изменчива. В ряде случаев (Штерн К., 1965) она составляет по голубой склере 100%, хрупкости костей - 63%, глухоте - 60%. В брак вступают два гетерозиготных носителя голубой склеры, нормальные в отношении других признаков синдрома. Определите вероятность рождения в этой семье глухих.

13. Полидактилия обусловлена аутосомно-доминантным геном с полной пенетрантностью, сахарный диабет - рецессивным геном, пенетрантность которого 20%. Определите вероятность одновременного проявления двух аномалий у детей в семье, где отец страдает сахарным диабетом, но нормален в отношении кисти, а у жены - полидактилия, но нормальный углеводный обмен. Известно, что у отца жены была полидактилия, а у матери - сахарный диабет.

II. Экспрессивность - различная степень выраженности признака. Например, при полидактилии (аутосомно-доминантный тип наследования) может наблюдаться различное увеличение числа пальцев кистей рук и стоп ног. Проследите наследование полидактилии по родословной. Цифры у носителя признака: верхние указывают на число пальцев на руках, нижние - на число пальцев на ногах.

Решите задачи

14. Синдром Томпсона вызывается аутосомным доминантным геном с различной экспрессивностью. В 35% случаев у больных наблюдается арковидное нёбо или расщелина нёба, в 78% случаев - гипоплазия нижней челюсти, в 5% - умственная отсталость. Определите вероятность, что у ребенка, родившегося в семье, где болен один из родителей, будет тяжелая форма заболевания с проявлением всех перечисленных аномалий? Какова вероятность, что у ребенка не проявится ни одной аномалии?

15. Синдром Гольтца (локальная атрофия кожи, недоразвитие нижней челюсти, агенезия и аномальное расположение зубов, дефект эмали, расщелина губы) обусловлен Х-сцепленным доминантным геном с различной экспрессивностью для женщин и летальностью для плодов мужского пола. Какова вероятность рождения больного ребенка у матери, страдающей заболеванием?

Работа 11. Наследственные синдромы с аномалиями развития зубочелюстной системы у человека

В настоящее время выявлено несколько тысяч наследственных заболеваний, значительная часть которых сопровождается различными нарушениями развития зубов и челюстно-лицевой области. Все эти заболевания обусловлены мутациями нормальных генов, прямо или опосредованно определяющих развитие зубочелюстной системы. Мутантные гены могут быть как доминантными, так и рецессивными, иметь различную пенетрантность и экспрессивность, располагаться в аутосомах или половых хромосомах. Рецессивные мутации могли произойти много поколений назад, пополнив «генетический груз» популяций человека. Существенную долю доминантных заболеваний составляют новые мутации, возникшие при гаметогенезе у родителей больного (спорадические случаи). Доля таких мутаций пропорциональна тяжести заболевания, степени нарушения репродуктивной функции и больше при высокой пенетрантности генов.

Изучите таблицу.

Примечание. После названия аномалии в скобках указана пенетрантность признака.

Вопросы для самоподготовки

1. Определение изменчивости и ее основных форм.

2. Что такое норма реакции, какова ее зависимость от генотипа?

3. Примеры модификационной изменчивости признаков у человека.

4. Значение модификаций для адаптации организмов.

5. В чем суть статистического метода изучения модификационной изменчивости?

6. Каковы отличия мутаций от модификаций?

7. Виды генотипической изменчивости.

8. Комбинативная изменчивость, ее причины и значение.

9. Принципы классификации мутаций.

10. Каковы причины мутаций?

11. Какое значение имеют мутации для человека?

12. Роль мутаций в развитии аномалий зубочелюстной системы у человека.

13. Какое эволюционное значение имеют разные формы изменчивости?

Тестовые задания

Выберите один правильный ответ.

1. НОРМА РЕАКЦИИ ОПРЕДЕЛЯЕТСЯ:

1. Генотипом

2. Средой

3. Фенотипом

4. Кроссинговером

5. Сцеплением генов

2. СТЕПЕНЬ ВЫРАЖЕННОСТИ ПРИЗНАКА:

1. Экспрессивность

2. Пенетрантность

3. Комплементарность

4. Плейотропия

5. Полимерия

3. В ТЕЧЕНИЕ НЕСКОЛЬКИХ ПОКОЛЕНИЙ МОГУТ

ПЕРЕДАВАТЬСЯ И ВЫЗЫВАТЬ НАСЛЕДСТВЕННЫЕ

ЗАБОЛЕВАНИЯ МУТАЦИИ:

1. Генеративные генные

2. Соматические генные

3. Генеративные геномные

4. Соматические геномные

5. Доминантные летальные

4. ЗАБОЛЕВАНИЯ ЧЕЛОВЕКА, ВЫЗВАННЫЕ ГЕНОМНЫМИ МУТАЦИЯМИ:

1. Мультифакториальные

2. Генные

3. Геномные

4. Хромосомные

5. РЕЗЕРВ НАСЛЕДСТВЕННОЙ ИЗМЕНЧИВОСТИ ФОРМИРУЮТ

МУТАЦИИ:

1. Рецессивные

2. Доминантные

3. Геномные

4. Хромосомные

5. Соматические

Выберите несколько правильных ответов.

6. К ГЕНОМНЫМ МУТАЦИЯМ ОТНОСЯТСЯ:

1. Делеции

2. Трисомии

3. Транслокации

4. Полиплоидии

5. Моносомии

6. Инверсии

7. ЗНАЧЕНИЕ КОМБИНАТИВНОЙ ИЗМЕНЧИВОСТИ:

1. Приспособление организмов к постоянно меняющимся условиям среды

2. Увеличение материала для естественного отбора

3. Проявление вредных рецессивных генов

4. Появление вредных рецессивных генов

5. Накопление генетического груза

Установите соответствие

8. МУТАЦИИ:

1. Генные

2. Хромосомные

3. Геномные

ИЗМЕНЕНИЯ:

а) Поворот хромосомы на 180°

б) Замена нуклеотидов

в) Увеличение количества хромосом на одну

г) Кроссинговер

д) Обмен участками негомологичных хромосом

е) Уменьшение набора хромосом в мейозе I

9. ИЗМЕНЧИВОСТЬ:

1. Модификационная

2. Комбинативная

3. Мутационная

МЕХАНИЗМ:

а) Кроссинговер

б) Репарация ДНК

в) Амплификация

г) Изменение активности генов

д) Нерасхождение гомологичных хромосом в мейозе 1

е) Репликация ДНК

10. ИЗМЕНЕНИЯ В ГЕНЕ:

1. Замена нуклеотида в экзоне

2. Замена нуклеотида в интроне

3. Выпадение нуклеотида в экзоне

4. Выпадение нуклеотида в интроне

ИЗМЕНЕНИЯ В СТРУКТУРЕ БЕЛКА:

а) Отсутствуют

б) Замена 1 аминокислоты

в) Замена многих аминокислот

г) Увеличение на 1 аминокислоту

д) Уменьшение на 1 аминокислоту

Литература

Основная

Биология / Под ред. В.Н. Ярыгина. - М.: Высшая школа, 2001. - Т. 1. - С. 61-64, 84-90, 128-133, 145-147, 209-212.

Пехов А.П. Биология и общая генетика. - М.: Изд-во РУДН, 1993. -

С. 86-92, 155-163, 180-183.

Дополнительная

Медицинская и клиническая генетика для стоматологов / Под ред.

О.О. Янушевича. - М.: ГЭОТАР-Медиа, 2008.

Жимулев И.Ф. Общая и молекулярная генетика. - Новосибирск: Изд-во Новосибирского ун-та, 2002.

Дурнев А.Д., Серединин С.Б. Мутагены. - М.: Медицина, 1998. Захаров А.Ф. и др. Хромосомы человека: Атлас. - М.: Медицина,

1982.

Козлова С.И., Демикова Н.С. Наследственные синдромы и медикогенетическое консультирование. - М.: Товарищество научных изданий

КМК, 2007.

Тема 2.4. Методы изучения генетики человека

Цель. Изучить методы медицинской генетики. Уметь составлять родословные, устанавливать тип наследования признака и прогнозировать наследственные заболевания у потомства. Знать методы исследования кариотипа, хромосомные болезни, обусловленные нарушением числа и структуры хромосом. Уметь выявлять соотносительную роль генетических и средовых факторов в формировании признака. Знать основы генетики популяций, уметь рассчитать частоты генов и генотипов в популяции. Изучить современные методы молекулярной генетики.

Человек как объект генетических исследований обладает рядом особенностей, представляющих трудности для изучения: к нему не применим метод экспериментальной гибридизации, у человека немногочисленное потомство, не всегда возможно одновременное обследование трех и более поколений семьи. Вместе с тем генетический анализ у человека существенно облегчается благодаря высокой степени изученности у него морфологических, биохимических, физиологических, молекулярных и других процессов. Учитывая все эти особенности, генетиками разработаны приемы и методы, позволяющие изучать закономерности наследственности и изменчивости у людей, роль наследственных и средовых факторов в возникновении болезней, мутагенез, распространение мутантных генов в человеческих популяциях, молекулярно-генетические процессы у человека.

Один из первых методов генетики человека - генеалогический, предложенный в конце XIX века Ф. Гальтоном, основан на составлении родословных. Несмотря на появление новых современных методов, анализ родословных не потерял своей актуальности и успешно применяется для установления наследственного характера признака и типа наследования. Значительного прогресса в области генетики человека удалось достигнуть в 50-е годы XX столетия, когда были разработаны методы изучения кариотипа. Именно в это время выявлены и охарактеризованы основные синдромы трисомий по аутосомам и половым хромосомам. Однако революционный прорыв в генетических исследованиях стал возможен благодаря молекулярно-генетическим методам. В этой области важным достижением стала разработка методов секвенирования, т.е. определения последовательности нуклеотидов в ДНК человека. В начале XXI века была завершена международная программа «Геном человека», результатом которой было секвенирование 3 млрд пар ну-

клеотидов и идентификация большинства генов. Показано, что общее число генов у человека составляет около 30000, что намного меньше, чем предполагалось ранее, и всего в два раза больше, чем число генов у плодовой мушки-дрозофилы или микроскопического круглого червя - почвенной нематоды. Из общего количества генов более 20 тыс. идентифицировано, примерно половина из них картирована на индивидуальных хромосомах. Использование молекулярных подходов позволило не только картировать гены, но и идентифицировать в них основные типы мутаций, обуславливающих развитие наследственных заболеваний. К настоящему времени картировано более 1000 генов человека, контролирующих возникновение той или иной патологии, большая часть этих генов клонирована. Сейчас перед генетиками стоят задачи идентификации новых генов, выяснения их функций, разработки методов генной терапии с целью исправления генетических дефектов.

Задание для студентов

Работа 1. Методы генетики человека

Изучите и перепишите таблицу.

Окончание табл.

Изучите символы, наиболее часто используемые при составлении родословных.

Изучите и перепишите особенности родословных при различных типах наследования (рис. 1-5).

I. Для родословных при аутосомно-доминантном типе наследования характерно:

•  при достаточном числе потомков признак обнаруживается в каждом поколении;

•  наследуется признак примерно половиною детей;

•  потомки мужского и женского пола наследуют признак одинаково часто;

•  оба родителя в равной мере передают признаки детям.

Рис. 1. Родословная семьи с несовершенным амелогенезом (нарушение формирования эмали зубов, гипокальцификация эмали)

Пробанд (IV - 3), ее брат (IV - 2) унаследовали заболевание от отца (III - 4). Все члены семьи, имеющие признак, гетерозиготны по гену несовершенного амелогенеза. Степень риска проявления признака в потомстве пробанда составляет 50%.

II. Для родословных при аутосомно-рецессивном типе наследования характерно:

•  признак может отсутствовать в поколении детей, но проявляется у внуков;

•  признак может проявляться у детей при отсутствии его у родителей;

•  признак наследуется всеми детьми, если оба родителя имеют его;

•  признак наследуется потомками мужского и женского пола одинаково часто.

Пробанд (IV - 3), его сестра (IV - 2), ее прадед (I - 2) больны галактоземией. Мать и отец пробанда (III - 3 и III - 4) двоюродные сибсы, гетерозиготны по гену галактоземии и унаследовали его от своих родителей. Степень риска проявления галактоземии в потомстве пробанда равна:

- 0 при условии отсутствия гена галактоземии у жены пробанда;

- 50%, если жена пробанда гетерозиготна по гену галактоземии.

Рис. 2. Родословная семьи с галактоземией (дефицит фермента расщепляющего лактозу, накопление продуктов неполного распада лактозы)

III. Для родословных при Х-сцепленном доминантном типе наследования характерно:

•  при достаточном числе потомков признак обнаруживается в каждом поколении;

•  признак прослеживается и у мужчин и у женщин, но женщины имеют его чаще;

•  мужчины могут наследовать признак только от матери;

•  женщины передают признак половине дочерей и половине сыновей;

•  мужчины передают признак всем дочерям и не передают ни одному из сыновей.

Рис. 3. Родословная семьи с рахитом, резистентным к витамину D (нарушение фосфорно-кальциевого гомеостаза)

Пробанд (IV - 5), его сестра (IV - 7) унаследовали ген рахита от матери (III - 13). У деда (II - 8) и двоюродного деда (II - 2) пробанда все дочери имеют рахит, все сыновья здоровы. Степень риска заболевания рахитом в потомстве пробанда равна 0 среди сыновей и 100% среди дочерей.

IV. Для родословных при Х-сцепленном рецессивном типе наследования характерно:

•  признак проявляется преимущественно у гемизиготных мужчин;

•  у женщин признак проявляется лишь в гомозиготном состоянии;

•  у гетерозиготных матерей примерно половина сыновей имеет признак, а половина дочерей - носители;

•  у гемизиготных мужчин все дочери являются гетерозиготными носителями.

Пробанд (III - 3), его дядя (II - 7) больны гемофилией. Мать (II - 6) и бабушка пробанда (I - 3) здоровы, но являются гетерозиготными носителями гена гемофилии. Степень риска проявления в потомстве пробанда гемофилии равна:

- 0 при условии отсутствия гена гемофилии у будущей жены пробанда;

- 50% больных среди девочек и 50% среди мальчиков при наличии гена гемофилии у будущей жены пробанда.

Рис. 4. Родословная с гемофилией А

V. Для родословных при Y-сцепленном типе наследования характерно:

•  фенотипическое проявление у лиц мужского пола;

•  передача признака осуществляется от отца к сыну;

•  среди сыновей распространение признака в 100% случаев.

Рис. 5. Родословная при голандрическом типе наследования гипертрихоза ушной раковины

Пробанд (V - 4), его брат (V - 5), отец (IV - 6), дяди (IV - 4 и IV - 7), дед (III - 3), прадед (II - 2), прапрадед (I - 2) имеют в У хромосоме ген гипертрихоза. Вероятность проявления этого признака в потомстве пробанда равна 100% среди сыновей.

Работа 3. Анализ родословных

В представленных родословных определите:

- тип наследования признака;

- генотипы членов семьи;

- степень риска проявления признака в потомстве пробанда.

Работа 4. Составление родословных

1. Пробанд - мужчина, имеющий заболевание - несовершенный дентиногенез (нарушение формирования твердых тканей зубов). Жена пробанда не имеет этой аномалии. У них трое детей: девочка с несовершенным дентиногенезом и два мальчика без аномалии дентина. Мать пробанда не имеет этого заболевания, а отец - с несовершенным дентиногенезом. По линии отца пробанд имеет двух теток без аномалий дентина, одну тетю и дядю с несовершенным дентиногенезом. Тетя, имеющая несовершенный дентиноге-

нез, замужем за мужчиной без этой аномалии. У них есть дочь с несовершенным дентиногенезом. Тетя пробанда, не имеющая аномалий дентина, замужем. Ее муж, два сына и две дочери - без аномалий дентина. Дядя с несовершенным дентиногенезом женат на женщине без аномалий дентина. У него два сына без аномалий дентина и дочь с несовершенным дентиногенезом. Дедушка по линии отца пробанда имел это заболевание, а бабушка не имела. Составьте родословную, определите тип наследования заболевания и генотип пробанда.

2. Нарушение прикуса является составляющей частью многих наследственных синдромов, имеющих различные типы наследования: аутосомно-доминантный, аутосомно-рецесивный, Х-сцепленный. В семье пробанд - женщина, имеющая синдром с нарушением прикуса. У нее два здоровых брата и сестра с синдромом, сопровождающимся нарушением прикуса. Мать пробанда здорова, отец пробанда здоров и является двоюродным братом своей жены. Дедушка пробанда со стороны отца и бабушка пробанда со стороны матери - родные сестра и брат - здоровы. Общий дед отца и матери пробанда имеет синдром с нарушением прикуса. Общая бабка не имеет этой аномалии. У матери пробанда здоровая сестра замужем за здоровым мужчиной. Сын и дочь от этого брака, двоюродные сибсы пробанда, здоровы. Отец имеет здоровых двух братьев и двух сестер. Составьте родословную и определите тип наследования синдрома в данной семье.

3. Агенезия зубов (врожденное отсутствие одного или более зубов) может наследоваться по аутосомно-доминантному, аутосомнорецессивному и Х-сцепленному типам. В приведенной ниже родословной прослеживается наследование одной из форм агенезии - отсутствие вторых премоляров и третьих моляров. Пробанд - мужчина имеет агенезию зубов. У брата пробанда и отца пробанда этой аномалии не отмечено. Мать пробанда с агенезией зубов имеет трех сестер: две сестры с агенезией зубов и одна без аномалии. Все сестры матери пробанда замужем, их мужья без аномалии зубов. Одна из теток со стороны матери пробанда с агенезией зубов имеет сына с агенезией зубов. У второй тети с агенезией зубов - сын и дочь с агенезией и дочь без аномалии зубов. Третья тетка со стороны матери без аномалии зубов имеет двух сыновей и одну дочь с нормальным количеством зубов.

Дед пробанда по линии матери и двое его братьев имели агенезию зубов, и еще двое братьев были без этой аномалии. Отец деда со стороны матери пробанда также имел агенезию зубов, у его жены этой аномалии не было. Составьте родословную и определите тип наследования агенезии этого типа, генотип пробанда. 4. Здоровые муж и жена - двоюродные сибсы имеют больного диабетом ребенка. Мать мужа и отец жены (родные сибсы) - здоровы. Брат мужа и две сестры жены здоровы. Общий дядя супругов тоже здоров. Их общая бабка была здорова, а дед страдал диабетом. Все родственники со стороны отца мужа: два дяди, двоюродная сестра, дед и бабка - здоровы. Все родственники со стороны матери жены: тетка, двоюродный брат, дед и бабка - здоровы. Определите тип наследования диабета и отметьте членов семьи, гетерозиготных по гену диабета.

Работа 5. Принципы ориентировочной идентификации хромосом. Денверская классификация хромосом человека

В основу существующей унифицированной классификации хромосом (г. Денвер, 1960) положены различия в длине хромосом и расположении центромеры. На основании различий в длине выделены 23 пары хромосом. Существуют группы метацентрических, субметацентрических и акроцентрических хромосом. Отношение хромосом к тому или иному типу производится на основе расчета центромерного индекса - отношение длины короткого плеча к длине всей хромосомы. В группе метацентрических хромосом короткие и длинные плечи приблизительно равны и центромерный индекс приближается к 0,5, в субметацентрических хромосомах он составляет от 0,25 до 0,35, в акроцентрических не превышает 0,2.

Используя разборную модель кариотипа, расположите пары гомологичных хромосом в порядке убывания их длины с учетом расположения центромер. Выделите 7 групп хромосом. Оцените диагностические возможности такого хромосомного анализа.

Изучите и перепишите таблицу.

Работа 7. Дифференциальное окрашивание метафазных хромосом человека

Специальные методы окрашивания и обработки хромосом позволяют проводить их точную идентификацию и выявлять структурные перестройки.

На фотографиях препаратов метафазных пластинок, подвергнутых воздействию различных красителей, температур, солевых растворов,

флюорохромов, изучите рисунок поперечной исчерченности по длине хромосом. Расположение и толщина темных и светлых полос строго индивидуальны для каждой хромосомы.

Зарисуйте схему сегментации Х-хромосомы человека, показывающую расположение полос, при дифференциальном окрашивании (в соответствии с номенклатурой ISCN - 1995).

Работа 8. Хромосомные болезни

Изучите и перепишите таблицу.

Работа 9. Близнецовый метод в генетических исследованиях

Близнецовые исследования включают определение конкордантности пар и коэффициента наследуемости, показывающего соотносительную роль генетических и средовых факторов в развитии признака.

Конкордантность (С) - показатель идентичности близнецовой пары по определенному признаку, вычисляется по формуле:

где: C_MZ - конкордантность в парах монозиготных близнецов; C_DZ - конкордантность в парах дизиготных близнецов; n - число пар близнецов соответствующей группы, у которых признак отмечен у обоих партнеров; N - общее число обследуемых близнецовых пар этой же группы.

Используя данные таблицы (см. ниже), вычислите коэффициент наследуемости (Н) по формуле Хольцингера для приведенных в таблице признаков:

При Н > 0,7 - решающая роль в проявлении признака принадлежит наследственным факторам; при Н=0,3-0,7 - на проявление признака оказывают влияние как наследственные, так и средовые факторы; при Н < 0,3 - основная роль принадлежит факторам внешней среды.

Перепишите таблицу и укажите, какой из факторов - наследственный или средовой - играет решающую роль в проявлении каждого из перечисленных признаков.

Работа 10. Изучение распространения некоторых менделирующих признаков в популяциях человека

Подсчитайте число студентов в группе:

1) способных складывать язык трубочкой (аутосомно-доминантный признак) и не способных складывать язык трубочкой (аутосомнорецессивный признак);

2) имеющих свободную мочку уха (аутосомно-доминантный признак) и приросшую мочку уха (аутосомно-рецессивный признак).

Полученные данные внесите в таблицу и с учетом некоторых допущений рассчитайте генетический состав популяций.

Работа 11. Определение генетической структуры популяций Решите задачи

1. В популяциях людей, населяющих Европу, на 40 000 человек встречается 1 альбинос. Определите генетическую структуру популяции, если известно, что альбинизм - рецессивный признак.

2. Рахит витамин-Б-зависимый сопровождается типичными для рахита признаками, а также задержкой прорезывания зубов, гипоплазией эмали и ранним кариесом. Наследование аутосомно-рецессивное. В одном из районов Канады частота встречаемости гена рахита очень высока и составляет 4/100. Вычислить частоту встречаемости гомо- и гетерозигот в этом районе.

3. Таудентизм «бычий зуб» - аномалия развития зуба, характеризующаяся большой пульповой камерой. Наследование аутосомнодоминантное. В одной из стран Европы заболевание встречается с частотой 1%. Определите возможное количество людей, гомозиготных по рецессивному гену, в городе, включающем 10 000 жителей.

4. При несоответствии генотипов матери и плода по группе крови (мать - Rh^-, плод - Rh+) у новорожденных может проявиться тяжелая гемолитическая болезнь, связанная с разрушением эритроцитов и приводящая к гибели. Рассчитайте частоту гомо- и гетерозигот Rh+, если известно, что Rh^- лица встречаются с частотой, близкой к 16%, и вычислите частоту резус-конфликтных беременностей в панмиксической популяции.

5. Врожденный вывих бедра наследуется доминантно, средняя пенетрантность 25%, заболевание встречается с частотой 6 : 10 000. Определите число гомозигот по рецессивному гену.

Работа 12. Молекулярно-генетические методы

Молекулярно-генетические методы используются для изучения генома, структуры и функции генов, последовательности нуклеотидов в гене, генных мутаций. С помощью анализа ДНК можно выявить патологические гены, диагностировать болезни, определить заболевание пренатально, выявить гетерозиготное носительство.

Исходным этапом всех молекулярно-генетических исследований является получение ДНК. Хромосомную ДНК можно выделить из любых ядросодержащих клеток, чаще всего у человека для этой цели используют лейкоциты крови. Получение ДНК включает несколько этапов: быстрый лизис клеток, удаление фрагментов клеточных органелл, ферментативное разрушение и экстрагирование белков, осаждение молекул ДНК в этаноле с последующим их растворением в буферном растворе. К наиболее важным методам молекулярной генетики, лежащим в основе геномных технологий и ДНК-диагностики, относятся: рестрикция ДНК, полимеразная цепная реакция (ПЦР), гибридизация с ДНК-зондами, клонирование, секвенирование.

Изучите данные таблицы.

Более подробное изложение молекулярно-генетических методов см. в Приложении.

Приложение

Рестрикция ДНК

Получить фрагмент геномной ДНК с целью последующего изучения можно путем рестрикции ДНК. Выделенная из клеток органов ДНК подвергается расщеплению рестрикционными эндонуклеазами (рестриктазами). Это ферменты бактериального происхождения, участвующие в распознавании чужеродных молекул ДНК и их уничтожении. Каждый такой фермент способен узнавать в любой двухцепочечной молекуле ДНК специфическую последовательность из 4-12 нуклеотидов. Такие последовательности часто являются палиндромными, т.е. последовательности нуклеотидов в них читаются в обоих направлениях одинаково. Две цепи ДНК разрезаются в участке узнавания или вблизи от него, причем цепи во многих случаях разрезаются не прямо друг против друга, а наискосок, образуя в результате «липкие» концы. Эти одноцепочечные концевые участки способны образовывать комплементарные пары оснований с любыми другими

одноцепочечными концевыми участками, полученными с помощью того же фермента.

Известно более 500 различных типов рестриктаз, каждая из которых способна разрезать молекулу ДНК в определенном месте - сайте рестрикции. Длина рестрикционных фрагментов зависит от распределения сайтов в исходной молекуле ДНК: чем чаще расположены сайты, тем образующиеся фрагменты короче. В зависимости от частоты расположения сайтов рестрикции выделяют три класса рестриктаз: частощепящие, узнающие короткие специфические последовательности длиной в 4-5 нуклеотидов, среднещепящие, узнают последовательности 6-7 пар нуклеотидов, редкощепящие, узнают последовательности 8-12 пар нуклеотидов.

После обработки участка ДНК несколькими рестриктазами образуются рестрикционные фрагменты, и с помощью специального анализа можно определить расположение этих фрагментов относительно друг друга в молекуле ДНК, т.е. построить рестрикционную карту.

Рис. 1. Схема рестрикции ДНК

Полимеразная цепная реакция

В генетических исследованиях в ряде случаев необходимо изучить небольшой фрагмент ДНК. Для этого должно быть достаточное коли-

чество копий фрагмента, т.е. фрагмент необходимо «размножить», или амплифицировать.

Полимеразная цепная реакция (ПЦР) (рис. 2) - метод амплификации фрагментов ДНК in vitro, позволяющий получить огромное число копий за счет постоянно повторяющихся циклов синтеза исследуемого фрагмента ДНК.

Рис. 2. Схема полимеразной цепной реакции (ПЦР) [Mullis K., 1990]

Для проведения ПЦР необходимы: исследуемый фрагмент ДНК, два искусственно синтезированных праймера - олигонуклеотидных последовательностей ДНК длиной до 30 нуклеотидов, четыре вида дезоксирибонуклеотидов и термостабильная ДНК-полимераза, сохраняющая свою активность при температуре 94 °С.

ПЦР состоит из повторяющихся циклов, в каждом из которых выделяют три этапа. На первом этапе исходный фрагмент молекулы ДНК нагревают до температуры 94 °С. В результате водородные связи, соединяющие комплементарные цепи, разрушаются и образуются одноцепочечные формы. На втором этапе реакционную смесь охлаждают до температуры 37-68 °С в присутствии двух праймеров. Один праймер комплементарен участку ДНК слева от изучаемого фрагмента, второй - участку другой нити справа от изучаемого фрагмента. Праймеры ориентированы З'-концами навстречу друг другу. Длина амплифицируемого фрагмента определяется расстоянием между праймерами. На третьем этапе при участии ДНК-полимеразы происходит синтез последовательности, комплементарной матричной ДНК при температуре 72 °С.

В следующем цикле реакционную смесь с полученными нитями ДНК вновь прогревают, и синтезированные нити ДНК используют в качестве матрицы. Новые праймеры гибридизируются с соответствующими участками, и происходит синтез новых цепей.

При последующем изучении амплифицированных фрагментов ДНК путем электрофореза в агарозном или акриламидном геле возможно выявление мутаций. Электрофорез позволяет разделить фрагменты ДНК с разной молекулярной массой. Небольшие по размеру и молекулярной массе фрагменты продвигаются легче сквозь поры в геле, и длина пробега у них будет больше по сравнению с крупными. Если происходит мутация, связанная с изменением длины фрагмента ДНК - делеция или инсерция, то на электрофореграмме выявляется изменение положения фрагмента по сравнению с нормой (рис. 3).

Рис. 3. Схема опыта по анализу фрагментов ДНК:

М - маркер молекулярной массы фрагментов ДНК; 1 - нормальный образец ДНК; 2 - изучаемый мутантный образец ДНК

Гибридизация с ДНК-зондами

С помощью этого метода возможны идентификация специфических нуклеотидных последовательностей ДНК, определение положения гена, диагностика генных болезней, картирование хромосомных перестроек.

ДНК-зонд представляет одноцепочечную ДНК с известной последовательностью нуклеотидов длиной до 30 нуклеотидов. Зонд используется для поиска комплементарных последовательностей в молекуле большего размера.

Фрагменты исследуемой ДНК получают с помощью рестрикционных эндонуклеаз и путем электрофореза разделяют по относительной молекулярной массе в агарозном геле. ДНК в геле денатурируют, т.е. переводят в одноцепочечные формы и переносят на плотный носитель (фильтр). Фиксированную на этом носителе ДНК гибридизируют с радиоактивно меченным ДНК-зондом. Зонд связывается с комплементарным фрагментом ДНК. Положение этого фрагмента на фильтре определяют методом автографии (на рентгеновской пленке выявляют участок засветки).

Гибридизацию с ДНК-зондами проводят и на хромосомных препаратах (гибридизация in situ). Меченный флюорохромами ДНК-зонд наносят на препараты дифференциально окрашенных и приготовленных для гибридизации (денатурированных) метафазных хромосом. После специфической обработки препарата места хромосомной локализации последовательностей ДНК, комплементарных ДНК-зондам, выявляются в виде характерных светящихся участков.

Методы гибридизации с ДНК-зондами и амплификация (ПЦР) с последующим анализом образцов ДНК лежат в основе ДНКдиагностики наследственных заболеваний человека. Основная задача ДНК-диагностики - исследование генов с целью выявления мутаций.

Рис. 4. Схема гибридизации с ДНК-зондами

Клонирование ДНК

Метод клонирования позволяет получать фрагменты ДНК любого происхождения в неограниченном количестве. Для клонирования в прокариотических клетках используют плазмиды и фаги, в эукариотических клетках - дрожжевые плазмиды.

Плазмиды представляют небольшие кольцевые молекулы двухцепочечной ДНК, которые часто несут жизненно важные для клетки гены, например гены устойчивости к антибиотикам. Присутствие таких генов-маркеров позволяет использовать плазмиды в геномных технологиях.

На первом этапе клонирования плазмидную ДНК выделяют из клеток и используют в качестве вектора клонирования. С помощью рестрикционной эндонуклеазы плазмидную ДНК разрезают в одной точке и встраивают в нее фрагмент ДНК, который необходимо клонировать. Образующуюся при этом гибридную (рекомбинантную) ДНК вводят в бактериальную клетку-хозяина. Предварительно производят специальную обработку клеток-хозяев для того, чтобы на короткое время они стали проницаемы для макромолекул. Плазмиды проникают только в некоторые из обработанных клеток. На следующем этапе эти клетки легко выделяют в селективной среде, так как только они могут расти в присутствии антибиотиков, поскольку вместе с плазмидой получили соответствующий ген устойчивости. Далее клетки, содержащие рекомбинантную ДНК, размножают (собственно клонирование). При их делении плазмиды также реплицируются, образуя огромное количество копий исходного фрагмента ДНК. В конце периода пролиферации из клеток выделяют гибридные молекулы плазмидной ДНК и, обрабатывая их повторно той же рестриктирующей эндонуклеазой, вырезают копии исходных фрагментов ДНК. При необходимости индуцируют экспрессию клонированного фрагмента ДНК (гена) и получают кодируемый им белок.

Коллекция клонов ДНК, содержащая хотя бы по одному экземпляру каждого из фрагментов ДНК, входящих в состав генома данного вида, называется геномной библиотекой.

Рис. 5. Схема клонирования

Вопросы для самоподготовки

1. Цели и возможности генеалогического метода. Чем характеризуются родословные при различных типах наследования?

2. Что такое кариотип? Как изучают кариотип человека?

3. Назовите известные классификации хромосом. Что позволяет определить дифференциальное окрашивание хромосом по сравнению с рутинной окраской?

4. Что такое половой хроматин?

5. Назовите хромосомные болезни, обусловленные изменением числа аутосом, половых хромосом, структуры хромосом.

6. В чем суть близнецового метода? Как определить конкордантность в парах близнецов?

7. Приведите формулу для вычисления коэффициента наследуемости, показывающего влияние среды и генотипа в развитии признака.

8. Назовите возможности биохимического метода в генетических исследованиях.

9. Приведите закон Харди-Вайнберга. Что характеризует идеальную и реальную популяцию?

10. Перечислите системы браков в человеческих популяциях. Какие возможны последствия близкородственных браков?

11. Что такое рестрикция ДНК? Охарактеризуйте действие рестрикта.

12. В чем суть полимеразной цепной реакции?

13. Какие методы молекулярной генетики лежат в основе ДНКдиагностики?

14. Что такое рекомбинация ДНК? Как производят клонирование

ДНК?

15. Задачи медико-генетического консультирования.

Тестовые задания

Выберите один правильный ответ.

1. В РОДОСЛОВНОЙ СЕМЬИ С БРАХИДАКТИЛИЕЙ

ОТМЕЧАЕТСЯ РАВНАЯ ВЕРОЯТНОСТЬ ВСТРЕЧАЕМОСТИ ДАННОЙ АНОМАЛИИ КАК У МУЖЧИН, ТАК И У ЖЕНЩИН. ПРИЗНАК ОБНАРУЖИВАЕТСЯ В КАЖДОМ ПОКОЛЕНИИ И НАСЛЕДУЕТСЯ ПРИМЕРНО ПОЛОВИНОЮ ДЕТЕЙ. ТИП НАСЛЕДОВАНИЯ БРАХИДАКТИЛИИ:

1. Аутосомно-доминантный

2. Аутосомно-рецессивный

3. Рецессивный Х-сцепленный

4. Y-сцепленный

2. КАРИОТИП ЧЕЛОВЕКА ПРЕИМУЩЕСТВЕННО ИЗУЧАЮТ

В ПЕРИОДЕ МИТОТИЧЕСКОГО ЦИКЛА:

1. Пресинтетическом

2. Синтетическом

3. Постсинтетическом

4. Метафазе митоза

5. Анафазе митоза

3. ДЕНВЕРСКАЯ КЛАССИФИКАЦИЯ ОСНОВАНА НА:

1. Дифференциальном окрашивании хромосом

2. Определении размеров хромосом и положении центромеры

3. Выявлении локализации генов и их комплексов

4. СООТНОСИТЕЛЬНУЮ РОЛЬ ГЕНОТИПА И СРЕДЫ

В ФОРМИРОВАНИИ ПРИЗНАКА МОЖНО ОПРЕДЕЛИТЬ С ПОМОЩЬЮ МЕТОДА:

1. Генеалогического

2. Биохимического

3. Близнецового

4. Цитогенетического

5. В ПОПУЛЯЦИЯХ ЧЕЛОВЕКА РЕЗУС-ОТРИЦАТЕЛЬНЫЕ ЛИЦА

ВСТРЕЧАЮТСЯ С ЧАСТОТОЙ 16%.

ЧАСТОТА ВСТРЕЧАЕМОСТИ РЕЗУС-ПОЛОЖИТЕЛЬНЫХ ГОМОЗИГОТ В %:

1. 36

2. 16

3. 4

4. 48

Выберите несколько правильных ответов.

6. С ПОМОЩЬЮ ГЕНЕАЛОГИЧЕСКОГО МЕТОДА ИЗУЧАЮТ:

1. Кариотип в норме и патологии

2. Тип и характер наследования признака

3. Экспрессивность и пенетрантность гена

4. Генетическую структуру популяций

5. Кожные узоры пальцев и ладоней

7. В РОДОСЛОВНОЙ ПРИ Х-СЦЕПЛЕННОМ ДОМИНАНТНОМ ТИПЕ НАСЛЕДОВАНИЯ, МУЖЧИНЫ ПЕРЕДАЮТ ПРИЗНАК:

1. Всем дочерям

2. Всем сыновьям

3. Ни одному из сыновей

4. Половине дочерей и половине сыновей

5. Мужчины в родословной имеют признак чаще, чем женщины

8. ЗАБОЛЕВАНИЯ ОБМЕНА ВЕЩЕСТВ, ВЫЗВАННЫЕ ГЕННЫМИ МУТАЦИЯМИ, МОЖНО ВЫЯВИТЬ МЕТОДАМИ:

1. Близнецовым

2. Биохимическим

3. Молекулярно-генетическим

4. Популяционно-статистическим

5. Генеалогическим

9. РОДСТВЕННЫЕ БРАКИ В ИЗОЛИРОВАННОЙ ПОПУЛЯЦИИ

ПРИВОДЯТ К:

1. Увеличению по многим локусам гетерозиготности

2. Утрате гетерозиготности

3. Росту гомозигот по локусам рецессивных аллелей

4. Повышению вероятности детской смертности

5. Повышению жизнеспособности потомков

Установить соответствие. 10. КАРИОТИП:

1. 47, XXY

2. 47, XXX

3. 45, X0

СИНДРОМ:

а) Дауна

б) Кляйнфельтера

в) Трипло-Х

г) Шерешевского-Тернера

д) Эдвардса

Литература

Основная

Биология: в 2-х кн. / Под ред. В.Н. Ярыгина. - М.: Высшая школа,

2005.

Дополнительная

Жимулев И.Ф. Общая и молекулярная генетики. - Н.: Сибирское университетское изд-во, 2003.

Геномика - медицине: Научное издание / Под ред. В.И. Иванова. - М.: Академкнига, 2005.