Тема 2. Основы цитогенетики (3 часа)

Ученые продолжают пересматривать отношение к той части ДНК, которую нередко именуют «мусорной». Профессор Эдвард Рубин из Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли обнаружил, что такие участки (составляющие до 90% всей последовательности) имеют определенный «смысл», сыгравший огромную роль в человеческой эволюции. Исследователи изучили 110549 нуклеотидных последовательностей, сохранившихся в ДНК в процессе эволюции. С помощью статистических методов Рубин с коллегами нашёл среди них 992 таких, которые претерпели изменения, причем не случайным образом, а в ходе естественного отбора. Затем ученые провели сравнение этих последовательностей с генами из баз данных. Целью было сделать предположение о том, какими функциями могла бы обладать последовательность. Среди этих последовательностей ученые нашли 69 таких, которые очень похожи на гены, ответственные за контакт нейронов между собой. Поэтому коллектив исследователей уверен в том, что эти благодаря этим «кускам» человек приобрёл многие познавательные навыки. Как пояснил Эдвард Рубин, контакт нейронов играет основную роль при обучении, в процессах, связанных с памятью, письмом и прочими. К примеру, как рассказал профессор, одна из последовательностей напоминает ген CNTN4, который вовлечен в развитие вербальной и невербальной коммуникации, а еще одна- ген CHL1, отвечающий за познавательные процессы. Профессор Аджит Варки из университета Калифорнии в Сан-Диего сказал, что исследование выглядит «интересным и правдоподобным». Однако он предупредил о том, что результатами этой работы следует пользоваться с осторожностью, так как использованные в ней базы данных дают лишь общее представление о функциях генов, но не говорят, какой конкретно деятельностью занят каждый из них.

Урок 7-8. Кариотип человека в норме

Цель: Познакомить учащихся с особенностями хромосомного набора человека и стандартной номенклатурой хромосом ISCN-1978.

Метод: лекция

Содержательная часть урока:

Диплоидное число хромосом человека, равное 46, было определено только в 1956 году, в работе шведских ученых И.Тио и А.Левана. До этого считалось, что хромосом у человека 48.

По инициативе американских генетиков в 1988 году создана международная организация «Геном человека», а в 2003 году работа по расшифровке генома человека уже была завершена.

Впервые хромосомы человека были классифицированы на основании двух критериев: длины хромосомы и центромерного индекса (отношение длины короткого плеча к общей длине хромосомы).

В настоящее время приняты правила описания и обозначения хромосом, закрепленные в стандарте International systems for human cytogenetics nomenclature (ISCN-1978). Группам хромосом были присвоены буквенные обозначения: А(1-3), В(4-5), С(6-12), D(13-15), Е (16-18), F(19-20), G(21-22). В скобках указаны номера хромосом каждой группы.

При специальном окрашивании хромосом видны темные и светлые полосы, закономерно чередующиеся и создающие специфический для каждой хромосомы рисунок. Более темные участки называются гетерохроматиновыми, светлые – эухроматиновыми. Гетерохроматиновые участки более спирализованы, и поэтому при окраске они захватывают больше частиц красителя и выглядят более темными. Нормальный кариотип человека представлен в приложении.

Выяснено, что набор хромосом (кариотип) человекообразных обезьян отличается по количеству хромосом от кариотипа человека на одну пару (23 пары хромосом человека и 24 пары шимпанзе). У человека и шимпанзе идентичны 13 пар хромосом. Хромосома 2-й пары человека точно соответствует двум соединенным с хромосомам шимпанзе, а остальные хромосомы отличаются друг от друга незначительно. Так, хромосома 5-й пары шимпанзе соответствует такой же хромосоме человека, но небольшой ее перицентрический участок инвертирован на 180º по сравнению с человеческой хромосомой. Инверсии такого рода обнаружены в кариотипах человека и шимпанзе еще в восьми хромосомах. Эти данные вместе с указаниями на сходство белков человека и шимпанзе свидетельствуют об их значительной эволюционной близости. Сопоставление кариотипов людей, происходящих из разных популяций, приводит к выводу о полиморфизме хромосом, в первую очередь по размерам гетерохроматиновых участков. Наследуемость индивидуальных вариаций хромосом и их неравномерное распределение в разных популяциях (в частности, расовые различия по размерам длинного плеча У-хромосомы) делают возможным популяционно-цитогенетический подход в изучении эволюции современного человека.

Гибридизация ДНК между большими выборками представителей малых рас в рамках одной большой показала высокую степень гомологии нуклеотидных последовательностей. Гибридизация ДНК представителей пар разных больших рас выявляет их значительную отдаленность друг от друга. Изучение гомологии нуклеотидных последовательностей западных европеоидов и представителей малой уральской расы и центрально-азиатских монголоидов с той же самой уральской расой дает среднее значение. Эти данные свидетельствуют о том, что переходные малые расы совмещают в себе не только морфологические признаки в соответствии с их промежуточным положением, но оказываются промежуточными и в отношении генетическом. Из этого следует, что они либо гибридогенны, либо сохранили в своей организации более древние черты, характерные для этапа существования человечества, предшествующего формированию больших рас. До верхнего палеолита на территориях, обитаемых людьми, практически нигде не сформировались расовые типы человека, с которыми были бы генетически связаны современные большие расы.

Таким образом, от тотального генетического полиморфизма человечества расовые признаки составляют только 8%, в то время как основная доля генетического разнообразия определяется многообразием отдельных индивидуумов. Иными словами, немец может быть генетически гораздо ближе к полинезийцу, чем к другому немцу, живущему в соседней квартире. Изучение геногеографии популяций человека показало, что географическое распределение частот генов групп крови системы ABO, MN, Lutheran, Duffy, Diego и др., а также различных форм ферментов и иммуноглобулинов не соответствует ареалам расселения ни одной из рас. Так, по группам крови АВО и MN жители Европы оказываются ближе к африканцам, в то время как по системе иммуноглобулинов они ближе к монголоидам Азии. Сходные результаты получены и в отношении распределения в популяциях вариантов митохондриальной ДНК.

Эти данные свидетельствуют о том, что биохимический полиморфизм человека эволюционно возник раньше и развивался дольше по сравнению с возникновением комплексов расовых признаков. Из этого следует, что расы не представляют собой особых изолированных групп людей, характеризующихся наборами специфических генов. Расовые же характеристики являются не более чем отдельными проявлениями общего генетического полиморфизма, выражающегося в первую очередь в сложных морфологических признаках. Некоторые из них адаптивны, другие сформировались на основе коррелятивной изменчивости, но все они касаются лишь ряда второстепенных особенностей.

На основании определения числа аллелей, свойственных той или иной группе организмов, возможно определение генетического расстояния между ними. Эта величина для больших рас человека составляет 0,03. Она гораздо ниже цифр, характерных для истинных подвидов (0,17-0,22), и еще более мала по сравнению с межвидовым расстоянием (0,5-0,6 и более). В животном мире генетическое расстояние, равное 0,03, соответствует обычно генетическим отличиям местных популяций друг от друга.

Кариотип описывается числом хромосом, дополнительно указываются половые хромосомы: 46, ХУ – кариотип нормального мужчины; 46, ХХ – кариотип нормальной женщины. Аутосомы специально обозначают только тогда, когда их количество изменено. Если число хромосом (аутосом) изменено, используют символ «+», если уменьшено, – «-». Короткое плечо обозначают буквой « p», длинное обозначают буквой « q».

Исследование кариотипа показано в следующих случаях: у детей с множественными пороками развития; при олигофрении в сочетании с чертами дизэмбриогенеза и врожденными пороками развития или выраженным физическим недоразвитием, гипогенитализмом; у женщин, страдающих повторными спонтанными абортами, имеющим в анамнезе мертворожденных детей с пороками развития (обследованию подлежат и их мужья); у родителей умерших детей с множественными врожденными пороками развития или установленным хромосомным синдромом; у всех лиц с выявленной патологией полового хроматина.

Урок 9 – 10. Виды генетической патологии.

Классификация мутаций

Цель: ознакомить учащихся с видами генетической патологии, различными формами наследственной изменчивости.

Методы: лекция, сообщения учащихся.

Содержательная часть урока:

Наибольшее значение из всех видов наследственной изменчивости имеют мутации.

Теория мутаций составляет одну из основ генетики. Её базовые положения были разработаны ещё Г. де Фризом в начале 20 века. Мутации – это наследственные изменения генетического материала. Они характеризуются как редкие, случайные, ненаправленные события. Большая часть мутаций приводит к различным нарушениям нормального развития, некоторые из них летальны, однако вместе с тем многие мутации являются исходным материалом для естественного отбора и биологической эволюции.

Частота мутаций возрастает под действием определённых факторов – мутагенов, способных изменять материал наследственности. В зависимости от их природы мутагены делятся на физические (ионизирующее излучение, УФ-излучение и др.), химические (большое число различных химических соединений), биологические (вирусы, мобильные генетические элементы, некоторые ферменты). Весьма условно деление мутагенов на эндогенные и экзогенные. Так, ионизирующее излучение, помимо первичного повреждения ДНК, образует в клетке нестабильные ионы (свободные радикалы), способные вторично вызвать повреждения генетического материала. Многие физические и химические мутагены являются также канцерогенами, т. е. индуцируют злокачественный рост клеток.

Частота мутаций подчиняется распределению Пуассона, применяемому в биометрии, когда вероятность отдельного события очень мала, а выборка, в которой может возникнуть событие, велика. Вероятность мутаций в отдельном гене довольно низкая, однако число генов в организме велико, а в генофонде популяции – огромно.

В литературе можно встретить различные классификации мутаций: по проявлению в гетерозиготе (доминантные, рецессивные), по инициирующему фактору (спонтанные, индуцированные), по локализации (генеративные, соматические), по фенотипическому проявлению (биохимические, морфологические, поведенческие, летальные и др.).

Классифицируются мутации и по характеру изменений генома. По этому показателю выделяют 4 группы мутаций.

Генные – изменения нуклеотидного состава ДНК отдельных генов.

Хромосомные (аберрации) – изменения структуры хромосом.

Геномные – изменения числа хромосом.

Цитоплазматические – изменения неядерных генов, включая митохондриальные.

Каждая группа мутаций имеет свои разновидности.

Генные мутации

Мутационные изменения генов могут происходить в одной точке (односайтовые мутации) либо в нескольких разных точках (многосайтовые мутации). Термин сайт в генетике обозначает определённое место (точку) в цепи молекулы ДНК. Современные методы молекулярной генетики позволили определить два основных процесса формирования генных мутаций – это замена нуклеотидов и сдвиг рамки считывания, каждый из которых имеет свои варианты.

Транзиции – при замене сохраняется месторасположение пуриновых и пиримидиновых нуклеотидов (АТ- ГЦ, ГЦ – АТ и т. п.).

Трансверсии – при замене пуриновые и пиримидиновые нуклеотиды меняются местами (АТ – ЦГ, АТ – ТА и т. п.).

Мутации вследствие сдвига рамки считывания встречаются более часто. Они проявляются в двух вариантах: инсерция (вставка) и делеция – утеря одного или нескольких нуклеотидов. Необходимо отметить, что вставка сдвигает рамку считывания в одном направлении, а делеция – в противоположном.

Механизм возникновения генных мутаций наиболее детально изучен у вирусов и бактерий. Согласно концепции американского генетика Р. фон Борстела генные мутации возникают в результате ошибок «трёх Р»: репликации, репарации и рекомбинации.

В процессе репликации возможна замена нуклеотидов вследствие некоторой неоднозначности принципа комплементарности. Азотистые основания нуклеотидов ДНК могут существовать в нескольких таутомерных формах. Таутомеризация – это изменение положения водорода в молекуле, меняющее её физические свойства.

Некоторые таутомеры нуклеотидов меняют способность формировать водородные связи с другими нуклеотидами. У аналогов нуклеотидов таутомерия происходит значительно чаще, чем у типичных форм, что объясняет их мутагенный эффект. Примером может служить аналог тимидмна 5-бромурацил, который способен в некоторых таутомерных формах вступать в связь с гуанином.

Большинство мутаций со сдвигом рамки считывания обнаружено в участках ДНК, состоящих из одинаковых нуклеотидов. Существует гипотеза возникновения этих мутаций вследствие диссоциации и неправильного восстановления нитей в данных участках.

Резкое увеличение количества мутаций при нарушении системы репарации и взаимосвязь мутационного и рекомбинационного процессов продемонстрированы в многочисленных исследованиях. Процессы репарации и рекомбинации мы рассмотрим ниже.

Генные болезни человека

Генные болезни человека обусловлены генными мутациями, механизм которых был рассмотрен ранее. Молекулярной основой этой наследственной патологии являются изменения состава нуклеотидов, структурных генов и регуляторных участков. Большинство патологий характеризуются многообразием фенотипических проявлений – так называемым клиническим полиморфизмом, что обусловлено многочисленными факторами, влияющими на пенетрантность и экспрессивность генов, вызывающих патологию.

В диагностике генных болезней человека широко применяются биохимические методы, поскольку их патогенез обычно связан с нарушением метаболизма. Классификация генных болезней отражает тип наследования признака и локализацию соответствующего ему гена.

По аутосомно-доминантному принципу наследуются:

Ретинобластома – злокачественная опухоль глаз, обусловленная мутантным геном 13 хромосомы;

Хорея Гентингтона – характеризуется дегенеративными изменениями мозга и прогрессирующим слабоумием. Признаки заболевания обычно проявляются после 40 лет, и у гомозигот выражены значительно сильнее;

Синдром Марфана – типичны длинные тонкие конечности, высокий рост, сколиоз. Это мутация гена, кодирующего белок фибрилин, участвующий в формировании коллагена. Характеризуется различными нарушениями развития скелета и связочного аппарата.

Большинство генных болезней человека наследуются по аутосомно-рецессивному типу. Существует их классификация по характеру нарушения обмена веществ (Щипков, Кривошеина, 2003).

1. Нарушения аминокислотного обмена. Наиболее известны болезни, причиной которой являются дефекты метаболизма аминокислоты фенилалонина. Накопление промежуточных продуктов обмена нарушает общее развитие организма, особенно нервной системы. Летальный исход наступает в зависимости от токсичности промежуточного продукта. К этой группе относятся: фенилкетонурия, тирозинэмия, алкаптонурия. Более безобидным заболеванием является альбинизм, при котором нарушен этап превращения тирозина в меланин, но недостаток меланина может явиться и причиной рака кожи. Другими болезнями этой группы являются нарушения обмена лейцина, изолейцина и валина (проявляются как накопление кетоновых тел в моче, кетоацидурия), нарушения обмена метионина – гомоцистинурия и нарушение обмена гистидина – гистидинемия.

2. Нарушения углеводного обмена. Наиболее известное заболевание – галактоземия, при которой блокируется метаболизм галактозы материнского молока. Симптомы заболевания проявляются сразу после начала кормления ребёнка в виде желтухи, рвоты, поноса. Частота заболевания – 1/35 000. Аналогичные явления наблюдаются при фруктоземии. Симптомы возникают после подкармливания ребёнка фруктовыми соками.

Особую группу заболеваний составляют гликогенозы, связанные с дефектами ферментов обмена гликогена. Прогноз их неблагоприятен.

Так же множество заболеваний содержит группа мукополисахаридозов – нарушения обмена гликозаминогликанов. В организме они, взаимодействуя с белками, образуют комплексы, входящие во многие виды соединительной ткани. Болезни проявляются в нарушении формирования опорно-двигательного аппарата и внутренних органов. Многие болезни имеют неблагоприятный прогноз.

3. Нарушения липидного обмена. Ганглиозидозы: накопление ганглиозида, поражающие клетки головного мозга. Наиболее известна болезнь Тея – Сакса. Заболевание сопровождается прогрессирующей слабостью, снижением работоспособности и развитием слепоты. В итоге наступает смерть. Заболевание известно также под названием амавротической семейной идиотии. Лейкодистрофии – нарушения метаболизма миелина, приводящие к гибели клеток и поражению головного мозга.

4. Другие нарушения метаболизма – это заболевания, связанные с нарушениями обмена металлов, желчных пигментов, кортикостероидов и т. д.

Адреногенитальный синдром. Характерно резкое повышение содержания АКТГ в крови, что приводит к гиперплазии надпочечников и интенсивной секреции андрогенов, что является основной причиной женского гермафродитизма, а у мальчиков он стимулирует преждевременное половое созревание.

Гемоглобинопатии – это мутации в глобиновых цепочках гемоглобина: серповидно-клеточная анемия (образуется дефектный гемоглобин), талассемии, приводящие к инактивации нескольких копий генов альфа-глобина или бета-глобина. Гомозиготы погибают в раннем детстве, у гетерозигот наблюдается анемия разной степени тяжести, но у гетерозигот есть преимущество – снижение риска заболевания малярией.

Муковисцидоз – это мутация гена, кодирующего белок, который регулирует мембранный транспорт эпителиалных клеток. Болезнь проявляется хроническими инфекциями пищеварительной и дыхательной систем. Прогноз обычно неблагоприятен.

Генные болезни, обусловленные сцепленным

с полом наследованием

Наиболее известным заболеванием является гемофилия, проявляющаяся в нарушении свёртываемости крови. Частота у мальчиков 1/5 000, у девочек частота в сотни раз меньше. Миодистрофия Дюшенна – это мутация гена белка дистрофина, участвующего в формировании мышечного волокна. Проявляется прогрессирующей слабостью скелетных мышц, нарушением работы сердца. Встречаемость миотонической дистрофии составляет 1 на 8000. Это заболевание наследуется как аутосомное доминантное заболевание и представляет собой наиболее часто встречающуюся форму мышечной дистрофии у взрослых. Клинически это заболевание крайне разнообразно; его симптомы включают: миотонию, прогрессирующую слабость, атрофию мышц, расстройства сердечно-дыхательной системы, катаракты, раннее облысение, умственную отсталость и атрофию половых органов. Обычно первые клинические проявления МД наблюдаются в 30-40 лет, однако в некоторых случаях она развивается с момента рождения, и тогда ее симптоматика намного тяжелее. Врожденная МД отличается высокой смертностью, у выживших же детей классическая симптоматика МД обнаруживается уже к 10-летнему возрасту.

Мутация, вызывающая развитие МД, была выявлена, описана и картирована. Биологический механизм этой мутации связан с нестабильной природой повторяющейся последовательности азотистых оснований на участке гена, расположенном на длинном плече хромосомы 19. Генетический механизм нестабильных повторяющихся последовательностей был открыт сравнительно недавно. По неизвестной до сих пор причине короткие сегменты ДНК, состоящие из 2, 3 и 4 нуклеотидов, выстраивают повторяющиеся последовательности, которые включают от двух до нескольких сотен таких сегментов, Повторяющуюся последовательность можно представить следующим образом:

АСАСТ– сегмент повторяющейся последовательности;

АСАСТ АСАСТ АСАСТ АСАСТ АСАСТ- повторяющаяся последовательность из 5 сегментов;

(А) АСАСТ АСАСТ, (а) АСАСТ АСАСТ АСАСТ АСАСТ – 2 разных аллеля (А и а) локуса, содержащего повторяющуюся последовательность. На языке генетики это означает, аллель А содержит 2 повтора (2 сегмента нуклеотидов), а аллель а содержит 4 повтора (4 сегмента нуклеотидов), Сегодня эти повторяющиеся последовательности найдены более чем в 50 000 локусов человеческого генома. Каждый локус содержит несколько (иногда до 20 и более) аллелей, включающих разное количество таких повторяющихся последовательностей. Эти аллели обычно наследуются по законам Менделя, однако были обнаружены и отклоняющиеся от них случаи, когда при переходе от одного поколения к другому количество повторяющихся сегментов меняется. Благодаря этому, а также высокой вариативности аллелей в каждом локусе, повторяющиеся последовательности привлекают особое внимание генетиков, занимающихся картированием и локализацией генов в геноме человека.

Было замечено, что чем больше количество повторяющихся последовательностей (т.е. чем длиннее вся повторяющаяся последовательность) у больных с МД, тем тяжелее протекает заболевание (см. табл.).

Как правило, здоровые люди являются носителями повторяющихся последовательностей длиной в 5–35 сегментов. Аллели больных, страдающих легкой формой МД, содержат 50-150 повторов. Аллели больных с классическим МД фенотипом (обычно это больные, у которых клинические симптомы появляются в 30-40-летнем возрасте) содержат от 100 до 1000 повторов, а аллели больных МД, симптоматика которых проявляется при рождении, могут содержать более 2000 повторов. В целом, чем длиннее повторяющаяся последовательность (чем больше повторов она содержит), тем раньше обнаруживает себя заболевание и тем тяжелее оно протекает. Это явление известно под названием «генетическая антиципация». Генетическая антиципация характерна не только для МД, но и для ряда других заболеваний (например, хореи Гентингтона и синдрома «ломкой» Х-хромосомы – второго, после синдрома Дауна, по частоте встречаемости среди умственно отсталых).