Хромосомна теорія спадковості. Генетика статі.

 

 

1. Зчеплене успадкування. Генетика статі.

1.      Основні положення хромосомної теорії спадковості.

2.      Зчеплене успадкування генів: групи зчеплення генів, повне і неповне зчеплення, кросинговер, кросоверні гамети, некросоверні гамети, рекомбінанти, нерекомбінанти.

3.      Генетичні карти хромосом людини. Нехромосомна спадковість.

4.      Основні поняття успадкування статі: гомогаметна стать, гетерогаметна стать, гемізиготність.

5.      Закономірності успадкування ознак: зчеплених з Х-хромосомою, зчеплених з У-хромосомою.

6.      Ознаки, обмежені статтю, залежні від статі.

7.      Механізми генетичного визначення та диференціації статі в розвитку (поєднання статевих хромосом в зиготі).

 

 

         Генетика – наука про спадковість і мінливість

Генетика (грец. genetikоs – який відноситься до походження) – біологічна наука, предметом вивчення якої є спадковість і мінливість. Спадковість і мінливість – основні властивості всіх живих організмів. Термін “генетика”  вперше в 1906 р. запропонував англійськй учений В.Бетсон.

Спадковість – властивість організмів передавати свої ознаки і особливості розвитку потомству; властивість забезпечувати матеріальну і функціональну наступність між поколіннями. Спадковість реалізується при розмноженні. Кожний вид організмів зберігає і відтворює собі подібне в ряді поколінь. Проте в процесі розмноження відтворюється не лише подібне, але виникає й нове. Діти завжди схожі на своїх батьків, проте ніколи не бувають їхніми точними копіями. Вони відрізняються як від своїх батьків, так і між собою. Спадковість завжди супроводжується мінливістю.

Мінливість – властивість організмів набувати нових ознак або втрачати попередні в процесі розвитку. Мінливістю називають також відмінності між особинами того самого виду. Мінливість забезпечує різноманітність форм органічного світу і пристосованість їх до мінливих умов середовища. Мінливість протилежна спадковості, але тісно пов’язана з нею. Разом вони становлять основу еволюції.

Основне завдання генетики – вивчити закономірності спадковості і мінливості з метою розробки способів управління ними в інтересах всього людства. Для здійснення цього завдання генетика використовує ряд методів, основний з них – генетичний аналіз. Це суто генетичний метод, який властивий лише генетиці і не властивий іншим наукам. Його основу складає гібридологічний метод – вивчення закономірностей успадкування ознак шляхом гібридизації (схрещування). Метод розробив Г.Мендель (1865). Гібридологічний метод – дуже точний метод, а генетика – точна наука. Генетика застосовує також методи інших наук: мікроскопічний, ультрамікроскопічний, статистичний, фізико-хімічний, популяційний, кібернетичний. Вивчення спадковості проводиться на різних об’єктах і на різних рівнях (молекулярному, хромосомному, клітинному, організмовому, популяційному). Різноманітність об’єктів і методів дослідження обумовила виникнення наступних розділів генетики: генетика мікроорганізмів, генетика рослин, генетика тварин, генетика людини, цитогенетика, молекулярна генетика, біохімічна генетика, радіаційна генетика, популяційна генетика. Існує також такий розділ як генетика поведінки. Особливість сучасної генетики – проникнення в усі її галузі молекулярного рівня досліджень, поглиблення зв’язків з іншими науками.

Значення. Генетичні закономірності лежать в основі всіх біологічних явищ. Генетика є провідною наукою сучасного природознавства. Вона становить теоретичну основу селекції. За допомогою генетичних методів створені нові породи тварин, сорти рослин, штами мікроорганізмів. Методи генетики застосовуються для розвязання продовольчих, екологічних, космічних та інших глобальних проблем людства. Генетичні знання є складовою частиною всіх наукових програм з охорони природи і здоров’я населення.

Генетика тісно пов’язана з медициною, адже близько 5 % дітей народжуються з різними генетичними дефектами. Для медицини важливе значення мають усі генетичні науки. Це пов’язано з універсальністю законів генетики, які вперше були встановлені на експериментальних об’єктах, а потім виявилися прийнятними і для людини також. Дані експериментальної генетики застосовуються для діагностики, лікування і профілактики спадкових хвороб. За допомогою методів генетичної інженерії і біотехнології одержують іn vitro (поза організмом) в промислових кількостях інсулін, інтерферон, антибіотики, необхідні для практичної медицини.

Основні наукові напрямки розвитку сучасної генетики людини: Цитогенетика вивчає хромосоми людини, їх структурно-функціональну організацію, картування, розробляє методи хромосомного аналізу. Досягнення цитогенетики застосовуються для діагностики хромосомних хвороб людини. Популяційна генетика досліджує генетичну структуру людських популяцій, частоту алелей окремих генів (нормальних і патологічних) у популяціях людей, прогнозує і оцінює генетичні наслідки забруднення довкілля, вплив антропогенних факторів середовища на біологічні процеси, що перебігають у людських популяціях (мутаційний процес). Ці дослідження дозволяють прогнозувати частоту деяких спадкових хвороб у поколіннях і планувати профілактичні заходи. Біохімічна генетика вивчає біохімічними методами шляхи реалізації генетичної інформації від гена до ознаки. За допомогою біохімічних методів розроблені експрес-методи діагностики ряду спадкових хвороб, у тому числі методи пренатальної (допологової) діагностики. Розробка системи захисту генофонду  людей від іонізуючої радіації – одне з основних завдань радіаційної генетики. Імунологічна генетика (імуногенетика) вивчає генетичну обумовленість імунологічних ознак організму, імунних реакцій.  Фармакологічна генетика(фармакогенетика)  досліджує  генетичну обумовленість реакцій окремих людей на лікарські засоби та дію останніх на спадковий апарат.

                    Основні етапи розвитку генетики

Генетика як наука розвинулася з потреб практики – сільськогосподарської, медичної. Перші генетичні уявлення виникли в глибоку давнину. Уже тоді люди застосовували властивості спадковості і мінливості для поліпшення ознак тварин, рослин, не маючи уявлення про природу цих властивостей. Основні закономірності успадкування ознак вперше відкрив чеський учений Г. Мендель (1865).

Мендель Грегор Іоганн (1822-1884) народився в с.Хайцендорф (Австро-Угорщина). У 1843 р. вступив до Августинського монастиря в м.Брюнне (тепер Чехія, м.Брно), де прийняв духовний сан. Два роки вивчав природничу історію у Віденському університеті. Після повернення, працюючи один на невеликій ділянці (35х7м) в саду монастиря протягом 8 років, проводив досліди з гібридизації різних сортів посівного гороху (Pisum sativum). Г.Мендель встановив, шо ознаки визначаються дискретними спадковими факторами, які датський генетик В.Йогансен назвав генами (1909). При схрещуванні ці фактори, поєднуючись у зиготі, не зливаються, не змішуються на зразок двох різнозабарвлених рідин, як до того уявляли собі спадковість (гіпотеза злитої спадковості), і, не втрачаючи своєї індивідуальності, перерозподіляються в потомстві за певними статистичними закономірностями. Спадковість має дискретний характер. 

Про результати своїх досліджень Г.Мендель доповів у 1865 р. на засіданні Товариства природодослідників у м.Брно, а в 1866 р. в “Працях” цього ж товариства опублікував статтю “Досліди над рослинними гібридами”. Стаття набагато випередила стан біологічної науки того часу і не привернула уваги сучасників. Визнання прийшло через 35 років, коли в 1900 р. троє учених незалежно один від одного, на різних об’єктах і в різних країнах Г. де Фріз (Голландія), К.Корренс (Німеччина) і Е.Чермак (Австрія) вдруге відкрили закономірності, встановлені  Г.Менделем. 1900-й рік – офіційна дата народження генетики.

Протягом останніх 10 років ХХ ст. була завершена фантастична робота з реалізації проекту “Геном людини”, метою якого було визначення (секвенування) послідовності нуклеотидів ДНК людини. У 2001 р. геном людини був розшифрований, побудовані карти усіх хромосом людини, стали відомі гени багатьох спадкових хвороб людини. У певних ділянках хромосом картовано понад 1100 клінічних хвороб. Сформувалася нова наука – геноміка, яка вивчає структуру і функцію генів, інвентаризує гени і створює геномні карти живих істот. Акцент досліджень у даний час змістився від людини і тварин до дослідження геномів мікроорганізмів (у першу чергу патогенних). Ці роботи будуть мати величезне значення в боротьбі з інфекційними захворюваннями людини, тварин, рослин. Виникла наука – протеоміка, яка займається інвентаризацією білків, використовуючи для цього комбінацію методів: двомірного електрофорезу, мас-спектрофотометрії та біоінформатики. За допомогою цих методів можна створити карту білків будь-якого біологічного матеріалу, яка є фенотиповим проявом геному клітини, тканини, органу. Важливість інформаційних знань про білки визначається тим, що білки здійснюють всі основні біологічні функції.

Медична генетика – розділ генетики людини, який вивчає роль спадковості в патології людини. Предметом вивчення медичної генетики є спадкові хвороби людини і хвороби із спадковою схильністю. Медична генетика вивчає етіологію і патогенез спадкових хвороб, розробляє методи діагностики, лікування і профілактики, досліджує співвідносну роль спадкових і неспадкових факторів в розвитку хвороб із спадковою схильністю.Основне завдання медичної генетики – вивчення спадкових хвороб людини з метою попередження їх розвитку в ряді поколінь, охорона спадковості людини від шкідливих факторів середовища. Об’єктом медичної генетики є людина із спадковою патологією, а також її сім’я, здорові і хворі родичі. Лікар і медична сестра будь-якої спеціальності зустрічаються із спадковими хворобами. За каталогами МакКьюсік, опублікованими за останні роки, у 1966 р. було відомо 1487, 1982 р. – близько 4000, 1994 р. – 6678 спадкових хвороб.

Медична генетика пов’язана з усіма клінічними науками. Розділом медичної генетики є клінічна генетика. Кінцева мета в них єдина – надати допомогу хворому, запобігти появі спадкових хвороб у поколіннях. Проте кожна клінічна наука вивчає конкретні спадкові хвороби відповідно до свого профілю. Медична генетика досліджує генетичні закономірності, спільні для всіх спадкових хвороб або великої групи їх. При цьому вона спирається на генетику людини: розвивається в тих самих напрямках і застосовує ті ж методи дослідження, що і генетика людини.

Сучасна медична генетика і медицина в боротьбі за здоров’я людей у кожному поколінні орієнтуються насамперед на профілактику спадкових хвороб шляхом пренатальної (допологової) діагностики, медико-генетичного консультування, виявлення гетерозиготних носіїв патологічних генів, порад подружнім парам з підвищеним ризиком народження хворої дитини, розробці законодавчих актів, спрямованих проти забруднення довкілля мутагенами. Медична генетика досліджує будову генів людини, здійснює штучний синтез їх, розробляє разом з клінічними науками способи лікування спадкових хвороб за допомогою генів (генотерапія і генохірургія).

Вивчення спадкових хвороб започаткував англійський лікар А.Гаррод (1908). Досліджуючи родоводи хворих на алкаптонурію, він встановив спадковий характер цієї хвороби і запропонував генетичну гіпотезу походження спадкових хвороб обміну речовин як  “уроджених помилок метаболізму”, що виникають внаслідок генетично обумовленого дефіциту певного фермента. Ця ідея в наступному була реалізована у вигляді положення “один ген – один фермент” (Дж.Бідл, Е.Татум, 1941).

Алкаптонурія – спадкова хвороба з автосомно-рецесивним типом успадкування, яка обумовлена недостатністю фермента оксидази гомогентизинової кислоти. Через недостатність фермента гомогентизинова кислота нагромаджується в організмі і виділяється з сечею, яка на повітрі і особливо в лужному середовищі набуває темного забарвлення.  Гомогентизинова кислота відкладається також в сполучній тканині. Суглобові хрящі набувають жовто-оранжевого кольору (охроноз), хрящі вушних раковин і носа темніють, у похилому віці розвиваються артрити.

Клон – сукупність генетично однорідних особин (клітин), які утворилися шляхом безстатевого розмноження від однієї вихідної особини (клітини). Клонуванням є утворення монозиготних близнюків у людини, які виникають з однієї зиготи на ранніх стадіях її дроблення шляхом мітозу. Клонування клітин застосовують у клітинній інженерії,  мікробіологічній промисловості для одержання корисних штамів мікроорганізмів. 

         

       Структура, типи і властивості метафазних хромосом

Хромосоми –  структури ядра клітини, в яких знаходяться гени (ДНК). Хромосоми здатні до самовідтворення. Перед кожним  клітинним поділом вони подвоюються, а потім точно порівну розподіляються між дочірніми клітинами. Назву їм дав німецький гістолог В.Вальдейєр (1888) за здатність інтенсивно забарвлюватися основними барвниками (грец. chroma – колір, soma – тіло).

 Головні хімічні компоненти хромосом –  ДНК, основні  (гістонові) і кислі  (негістонові) білки, частки яких складають відповідно 40, 40 і близько 20 %. У невеликій кількості містяться РНК, ліпіди, полісахариди, іони металів. Хромосоми разом з позахромосомними структурами забезпечують збереження, відтворення, реалізацію і передачу генетичної  інформації в ряді поколінь.  

Хромосоми здатні до спіралізації (конденсації) і деспіралізації (деконденсації). При цьому лінійні розміри (довжина, товщина) хромосом змінюються. Спіралізований стан властивий хромосомам під час мітозу (мітотичні хромосоми), деспіралізований – між поділами (інтерфазні хромосоми). Мітотичні хромосоми видно в світловий мікроскоп у вигляді ниток, паличок, які сильно забарвлюються основними барвниками. Функція мітотичних хромосом – транспортна: точний розподіл і перенесення генетичного матеріалу в дочірні ядра. Інтерфазні хромосоми максимально деспіралізовані, індивідуально не розрізняються і займають весь об’єм ядра, утворюючи хроматин.   Функція інтерфазних хромосом – синтетична: синтез ДНК (реплікація) і синтез РНК (транскрипція).

Будову хромосом вивчають у метафазі, коли вони найбільш конденсовані і їх добре видно в світловий мікроскоп. Метафазна хромосома  складається з двох сестринських хроматид, які розташовані поруч і з’єднані між собою в ділянці первинної перетяжки (центромери). Центромера – звужена, незабарвлена і найменш спіралізована ділянка хромосоми. Вона містить кінетохор (грец. kinesis – рух, phoros – несучий), до якого прикріплюються мікротрубочки веретена поділу. Центромера поділяє хромосому на два плеча. Кінці плеч називаються теломерами. Це  ділянки із щільно упакованою ДНК, які перешкоджають з’єднанню хромосом між собою або з їхніми фрагментами. Позбавлений теломери кінець хромосоми стає “липким” і легко приєднує фрагменти хромосом.

За положенням центромери розрізняють метацентричні, субметацентричні та акроцентричні хромосоми

Метацентричні – рівноплечі хромосоми, в яких центромера знаходиться посередині хромосоми і плечі рівної або майже рівної довжини.Субметацентричні – нерівноплечі хромосоми, в яких центромера зміщена від середини і одне плече довге, а друге коротке. Акроцентричні – паличкоподібні хромосоми, в яких центромера розміщена близько до одного з кінців і одне плече довге, а друге дуже коротке і часто малопомітне. Можуть виникати і телоцентричні хромосоми в результаті втрати одного плеча, у них лишається тільки одне плече з центромерою на кінці. У нормі такі хромосоми не зустрічаються. Деякі хромосоми мають вторинні перетяжки, які знаходяться в прицентромерних районах довгих плечей (хромосоми 1, 9, 16)  і на кінцевих ділянках коротких плеч (хромосоми 13-15 і 21,22). Вторинні перетяжки хромосом 13-15 і 21,22 відокремлюють тонкою ниткою від основної частини невеликі кінцеві ділянки, які називаютьсясупутниками, а самі хромосоми – супутниковими. У зоні вторинних перетяжок деяких хромосом розташовані ядерцеві організатори – місце утворення ядерець.

Ультраструктурна організація хромосом. Кожна однохроматидна хромосома містить одну суперспіралізовану молекулу ДНК.  Рівнів суперспіралізації існує декілька. На першому рівні молекула ДНК і гістонові білки формують нитку діаметром 10-13 нм,  по довжині якої, як намистини на нитці, розташовані нуклеосоми. Нуклеосома має серцевину, або ядро, яке складається з 8 молекул гістонів (гістоновий октамер, гістоновий кор).  Біспіраль ДНК  (146 пар нуклеотидів) робить 1,75 витків на ній і  переходить на серцевину наступної нуклеосоми. Міжнуклеосомні ділянки ДНК  (лінкери) з’єднуються гістоном НІ. Закручування молекули ДНК на гістонові тільця зменшує довжину її біспіралі приблизно в 7 разів. На наступному рівні спіралізацїї виникає нитка діаметром 20-25 нм. Загальна довжина ДНК на цьому рівні зменшується в 40 разів. Шляхом наступної суперспіралізації з утворенням петель і багаторазового поздовжнього складування формуються мітотичні хромосоми. Пучки фібрил утворюють хромосомні  хромонеми. Вздовж хромонем розміщені ділянки (вузлики) більш щільної компактизації ДНК– хромомери. Завдяки суперспіралізаціі досягається щільна упаковка генетичного матеріалу, що дуже важливо при переміщеннях хромосом у мітозі. Про щільність упаковки свідчать наступні цифри. Довжина  найбільшої, першої, хромосоми людини – 11 мкм, а довжина її молекули ДНК в розгорнутому вигляді – близько 7 см. У надкомпактному стані хромосоми неактивні: ферментам або білкам-регуляторам тяжко підійти до активних груп ДНК. Необхідною умовою експресії будь-якого району хромосом є його деконденсація.