Методы генетики мутагенеза

Мутационный процесс у человека у человека, как и у всех других организмов, ведет к возникновению аллелей и хромосомных перестроек, отрицательно влияющих на здоровье.

Генные мутации. Около 1% новорожденных заболевают вследствие генных мутаций, из которых часть вновь возникшие. Темп мутирования различных генов в генотипе человека неодинаков. Известны гены, которые мутирует с частотой 10–4 на гамету на поколение. Однако большинство других генов мутируют с частотой, в сотни раз меньшей (10–6). Ниже приведены примеры наиболее частых генных мутаций у человека:

Хромосомные и геномные мутации в абсолютном большинстве возникают в половых клетках родителей. Один из 150 новорожденных несет хромосомную мутацию. Около 50% ранних абортов обусловлено хромосомными мутациями. Это связано с тем, что одна из 10 гамет человека является носителем структурных мутаций. Возраст родителей, особенно возраст матерей, играет важную роль в увеличении частоты хромосомных, а возможно, и генных мутаций.

Полиплоидия у человека встречается очень редко. Известны случая рождения триплоидов – эти новорожденные рано умирают. Тетраплоиды обнаружены среди абортированных зародышей.

В настоящее время мутационный процесс у человека характеризуется тем, что протекает на фоне повышенной концентрации мутагенных факторов, созданной производственной деятельностью самого человека. Важнейшая задача сегодняшнего дня – выявление мутагенных свойств загрязнителей, особенно новых химических веществ (лекарств, пестицидов, пищевых добавок, различных видов топлива и т.д.), и разработка методов технологии, позволяющих предотвратить возникновение опасных концентраций этих агентов. Одним из сильнейших мутагенов является радиация (ионизирующие излучения). Доказано, что не существует пороговой дозы ионизирующих излучений. Другими словами, индукция мутаций может быть достигнута при действии любых доз, а при увеличении дозы пропорционально растет число мутаций. Мутагенным действием на клетки человека обладают и некоторые вирусы, причем даже в ослабленной форме, которая используется для приготовления вакцин. Известно также, что большинство мутагенов обладают и канцерогенными свойствами, то есть они могут индуцировать развитие злокачественных опухолей (см. ниже).

В то же время существуют факторы, которые снижают частоту мутаций – антимутагены. К антимутагенам относятся некоторые витамины–антиоксиданты (например, витамин Е, ненасыщенные жирные кислоты), серосодержащие аминокислоты, а также различные биологически активные вещества, которые повышают активность репарационных систем.

Популяционные методы

Главными чертами человеческих популяций являются: общность территории, на которой живет данная группа людей, и возможность свободного вступления в брак. Факторами изоляции, т. е. ограничения свободы выбора супругов, у человека могут быть не только географические, но и религиозные и социальные барьеры.

В популяциях человека наблюдается высокий уровень полиморфизма по многим генам: то есть один и тот же ген представлен разными аллелями, что приводит к существованию нескольких генотипов и соответствующих фенотипов. Таким образом, все члены популяции отличаются друг от друга в генетическом отношении: практически в популяции невозможно найти даже двух генетически одинаковых людей (за исключением монозиготных близнецов).

В популяциях человека действуют различные формы естественного отбора. Отбор действует как во внутриутробном состоянии, так и в последующие периоды онтогенеза. Наиболее выражен стабилизирующий отбор, направленный против неблагоприятных мутаций (например, хромосомных перестроек). Классический пример отбора в пользу гетерозигот – распространение серповидноклеточной анемии (см. ниже).

Популяционные методы позволяют оценить частоты одних и тех же аллелей в разных популяциях. Кроме того, популяционные методы позволяют изучать мутационный процесс у человека.

Практическая работа №7.

ГЕНЕТИЧЕСКИЕ ЗАДАЧИ

И ПРИНЦИПЫ ИХ РЕШЕНИЯ

1. МОНОГИБРИДНОЕ СКРЕЩИВАНИЕ.

Моногибридным скрещиванием называется скрещивание организмов, отличающихся друг от друга одной парой альтернативных (взаимоисключающих) признаков. Примером пары альтернативных признаков может служить желтая и зеленая окраска семян у гороха; нормальные и рудиментарные крылья у дрозофилы, пятипалая (нормальная) или шестипалая кисть руки (полидактилия) человека. Альтернативные признаки обусловливаются (детерминируются) парой аллельных (аллеломорфных) генов, представляющих собой мутантные формы (варианты) одного и того же гена.

Закономерности моногибридного скрещивания были установлены в 1865 году основоположником экспериментальной генетики Г. Менделем. Основная закономерность генетики - закон чистоты гамет – утверждает, что в зиготе и соматических клетках имеется по два аллеля, от каждой пары аллельных генов, один из которых получен от отца, другой – от матери. Если от отца и матери получены разные гены данной пары, то зигота и соматические клетки будут иметь гибридный характер. В отличие от них половые клетки (гаметы) никогда не бывают гибридными; они генетически чисты, так как содержат от каждой пары аллельных генов только один ген.

В генетических схемах гены принято обозначать буквами. Аллельные гены обозначают одной и той же буквой. Например, если ген, детерминирурующий желтую окраску семян гороха (доминантный признак), обозначить буквой А, то аллельный ген - зеленой окраски семян (рецессивный признак) - нужно обозначить буквой а. Организм, получивший от отца и матери одинаковые гены, например, АА или аа, называется гомозиготным, а получивший разные гены данной аллельной пары - Аа – гетерозиготным.

У организмов аллельные гены взаимодействуют друг с другом. При этом у гетерозигот обычно действие одного из них на развитие признака преобладает, доминирует, над действием другого. Ген из аллельной пары, чей фенотипический эффект не проявляется у гетерозигот, называется рецессивным. При таком виде взаимодействия доминирующий ген обозначают большой буквой (А), а рецессивный - малой (а). Например, у гороха гетерозиготы (Аа), несмотря на наличие генов и желтой (А) и зеленой (а) окраски, имеют чисто желтую окраску семян, не отличаясь по фенотипу от гомозиготного доминанта (АА).

Другим видом взаимодействия аллельных генов (А и а) является промежуточное наследование, при котором у гетерозиготных организмов проявляют действие оба аллеля. Например, у ночной красавицы (Мirabilis jalapра) аллель A обусловливает красную окраску цветков. Аллело-морфный ген a определяет белую окраску. Гетерозиготные растения Аа имеют розовые цветки.

Совокупность генов организма обозначается термином - генотип, а совокупность наблюдаемых признаков - термином фенотип. Фенотип является внешним проявлением генотипа в определенных условиях среды. Например, растения гороха с генотипом аа – фенотипически имеют зеленые семена, а растения с генотипом АА - желтые семена.

Фенотип не всегда полностью отражает генотипическую конституцию организма. Выше было сказано, что фенотипу - желтый цвет семян – соответствуют два генотипа АА и Аа.

При решении генетических задач составляются схемы, в которых используется определенная генетическая символика. Родители обозначаются латинской буквой Р, за которой выписываются пол и генотипы родителей. Между ними ставится знак умножения (X), обозначающий скрещивание. В строке ниже родителей выписываются все типы производимых ими гамет. Детей обозначают буквой F1 (первое поколение потомков), внуков - знаком F2 (второе поколение потомков). В строке, где поставлены эти знаки, выписываются соответственно генотипы детей и внуков (см. схему 1).

P AA X aa

Гаметы (G)

Фенотип

и генотип F1 Aa

F1 Aa Х Aa

Гаметы F1

Гаметы	А	а
А	АА	Аа
а	Аа	аа

Фенотипы F2: 3/4 – желтые; 1/4 - зеленые

Генотипы F2: 1/4 – АА; 2/4 – Аа; ¼ - аа

Схема 1. Моногибридное скрещивание.

На этой же схеме показаны генотипы родительских организмов, определяющие развитие изучаемых признаков: желтой окраски семян горох (АА) и зеленой окраски (аа). Первое из этих растений, взятое в качестве материнской особи, образует один тип гамет (яйцеклеток), которые несут один аллель А. Второй родитель, от которого взята пыльца, образует один тип спермиев с аллелем а.

Схема 1 иллюстрирует первое правило (закон) Менделя - закон единообразия первого гибридного поколения. Оно гласит: при скрещивании гомозиготных организмов, отличающихся друг от друга одной (или несколькими) парой аллельных генов, все гибриды первого поколения единообразны по фенотипу и генотипу.

В качестве примера приведем схему моногибридного скрещивания гомозиготных растений гороха, дающих желтые и зеленые семена (схема 1).

При скрещивании гибридов первого поколения (F1) между собой, во втором поколении гибридов (F2) появляются потомки с желтыми и зелеными семенами. При этом расщепление по фенотипу составляет 3/4 желтых к 1/4 зеленых (то есть 75% желтых и 25% зеленых), а по генотипу 1 АА: 2Аа:1аа (то есть 25%АА : 50%Аа : 25%аа).

Эти результаты составляют суть второго правила Менделя, или закона расщепления. Оно гласит: потомство от скрещивания гетерозиготных особей неоднородно как по генотипу, так и по фенотипу. Расщепление по генотипу выражается отношением: 1 гомозиготный доминант (АА), 2 гетерозиготных (Аа) и к 1 гомозиготному рецессиву (аа):

1АА:2Аа:1аа =1: 2: 1.

Расщепление по фенотипу при полном доминировании А над а выражается отношением: 3/4 особей с доминирующим признаком к 1/4 особей с рецессивным признаком, то есть отношением 3 : 1.