Значение генетики для медицины

Интерес медицины к генетике формировался первоначально в связи с наблюдениями за наследованием патологических признаков. Выявлен целый ряд наследственных заболеваний и заболеваний с наследственной предрасположенностью. Зная причины их возникновения, медики могут прогнозировать число некоторых наследственных болезней и целенаправленно планировать медицинские мероприятия.

Наряду с проблемами генетики человека существенный вопрос для медицины представляют генетические аспекты биологии возбудителей инфекционных заболеваний – вирусов, бактерий.

Важное место занимают проблемы изменчивости и разнообразия штаммов возбудителей, выработки иммунитета, устойчивости к антибиотикам и другим лекарственным препаратам; организации производства биохимических продуктов путем синтеза их подходящими штаммами бактерий.

Основные закономерности наследования признаков

Основные законы наследования признаков были открыты Г. Менделем, который проводил опыты по скрещиванию растений (чаще всего душистого горошка).

Еще задолго до Г. Менделя селекционеры использовали в своей работе скрещивание для получения нужных им сортов растений и пород животных. Но лишь Г. Мендель разработал гибридологический метод изучения наследственности. Сущность этого метода состоит в следующем: 1) подбираются родители, отличающиеся одной или несколькими парами взаимоисключающих (альтернативных) признаков; 2) производится точный количественный учет всех организмов, различающихся по каждой паре изучаемых признаков, в ряде последовательных поколений; 3) производится индивидуальный анализ потомства от каждого скрещивания в ряде последовательных поколений.

Скрещивание, в котором родительские особи анализировались по одной паре альтернативных признаков, называется моногибридным, по двум – дигибридным, по трем и более – полигибридным. Скрещивание гомозиготы по рецессивному аллелю с особью с неизвестным генотипом –анализирующие, возвратное. Мендель предложил записывать опыты по скрещиванию в виде схем, используя буквенную символику латинского алфавита. Родительские особи обозначаются буквой Р, особи первого поколения F1, второго – F2, гаметы – G, скрещивание – знаком умножения х. Под генотипами родителей записываются генотипы гамет.

Проводя опыты с растениями гороха, Мендель брал растения с желтыми и зелеными горошинами. В результате скрещивания гомозиготных растений с желтыми горошинами (АА) с гомозиготными растениями с зелеными горошинами (аа) все первое поколение получилось фенотипически с желтыми горошинами. Математически этот опыт Мендель выразил так:

Р АА х аа

G А а

F₁ Аа

Исходя из полученных результатов, он сформулировал первый закон – закон единообразия первого поколения (правило доминирования):

«При скрещивании двух гомозиготных родителей, отличающихся по одной паре альтернативных признаков, все первое поколение будет единообразно как по фенотипу, так и по генотипу». И действительно, все растения первого поколения были с желтыми горошинами, а по генотипу – гетерозиготными. Фенотипически проявлял свое действие доминантный ген желтого цвета горошин (явление полного доминирования).

В опытах на других объектах Мендель не получал полного проявления доминантного гена. Например, при скрещивании растений ночной красавицы с красными цветками (АА) с растениями белоцветковыми (аа) гибриды первого поколения (Аа) имели розовую окраску цветков, т.е. промежуточную. Такое наследование признаков назвали неполным доминированием.

Опыты по скрещиванию гетерозиготных гибридов первого поколения между собой показали, что каждая гибридная особь может образовывать два типа гамет, которые после оплодотворения могут дать особи как с доминантными (75%), так и с рецессивными (25%) признаками. Таким образом, получается расщепление по фенотину в отношении З:1, а по генотипу – 1:2:1. Математически это может быть выражено так:

Р Аа х Аа

G А,а А,а

F₂ АА,Аа,Аа,аа

Исходя из результатов этих опытов, Мендель сформулировал второй закон – закон расщепления: «При скрещивании двух гетерозиготных родителей, анализиpуемых по одной паре альтернативных признаков, в первом поколении наблюдается расщепление по фенотипу в соотношении 3:1, а по генотипу – 1:2:1». Чтобы объяснить результаты такого расщепления, Мендель выдвинул гипотезу «чистоты гамет», согласно которой развитие того или иного признака зависит от присутствия соответствующего наследственного фактора, обуславливающего развитие данного признака. По мнению Менделя, при образовании половых клеток у гибридов в каждую половую клетку может попасть лишь один из этих факторов, только в таком случае возможно полученное расщепление. Позже, в 1902 году, У. Бэтсон сделал обобщение, вошедшее в генетику под названием закона «чистоты гамет»: «гены в гаметах у гибридных особей не гибридны, а чисты».

Законы Менделя и закон «чистоты гамет», с цитологической точки зрения, можно объяснить тем, что у гибридов каждая пара аллельных генов находится в идентичных локусах гомологичных хромосом, одна из которых материнская, другая отцовская. При гаметогенезе в анафазу I мейоза гомологичные хромосомы расходятся в разные гаметы, при этом в каждой гамете из пары располагается только одна хромосома с аллельным геном в «чистом» виде. В результате оплодотворения женские и мужские гаметы обоих типов могут соединяться с равной вероятностью, после чего осуществляется расщепление в соотношении 1АА:2Аа:1аа.

Для дигибридного скрещивания Мендель брал гомозиготные растения гороха, отличающиеся по двум парам альтернативных признаков. Одно растение – с желтыми гладкими горошинами (ААВВ), а другое – с зелеными морщинистыми горошинами (аавв). В первом поколении все растения были фенотипически желтыми и гладкими, а по генотипу – гетерозиготными (АаВв). Следовательно, у них желтый цвет доминировал над зеленым, а гладкая форма – над морщинистой. Поскольку гены окраски семян и их формы располагаются в разных парах хромосом и проявляются разными признаками, они получили название неаллельных генов. При скрещивании дигетерозиготных гибридов между собой каждый из них может образовывать четыре типа гамет: АВ, Ав, аВ, ав. При равновероятном их слиянии во втором поколении образуется 16 вариантов генотипов. Английский генетик Р. Пиннет в 1906 году для удобства анализа второго поколения при дигибридном скрещивании предложил записывать образующиеся генотипы в виде решетки, которую назвали решеткой Пиннета. Таким образом, опыты по дигибридному скрещиванию можно записать так:

Р ААВВ х аавв

G АВ ав

F₁ AaBв

Р₁ АаВв х АаВв

F₂

Фенотипически это расщепление по форме и цвету семян дает 9 частей желтых гладких, 3 части желтых морщинистых, 3 части зеленых гладких, 1 часть зеленых морщинистых (соотношение 9:3:3:1).

Таким образом, проанализировав наследование признаков у гибридов второго поколения, Мендель установил, что наследование окраски горошин не зависит от наследования их формы, т.е. расщепление по каждому признаку (по каждой аллельной паре генов) происходит независимо от другого признака (других пар аллельных генов) в соотношении 3:1.

Как результат этих опытов, Мендель формулирует третий закон – закон независимого наследования признаков: «При скрещивании двух гомозиготных родителей, отличающихся по двум парам альтернативных признаков, во втором поколении наблюдается независимое наследование и комбинирование признаков в сочетаниях, не свойственных родительским особям».

Цитологическими основами третьего закона Менделя является свободное расхождение и независимое комбинирование отцовских и материнских хромосом в анафазу I мейоза при образовании гамет гибридами. Поэтому гибриды первого поколения (АаВв) могут образовывать с одинаковой вероятностью четыре типа гамет (АВ, Ав, аВ, ав). При оплодотворении гаметы соединяются по правилам случайных сочетаний с равной вероятностью для каждой, благодаря чему во втором поколении возникают все возможные типы зигот в таком же соотношении, как и при скрещивании.

Для объяснения открытых законов Мендель использовал математические методы, исходя из теории вероятности. Он полагал, что гаметы при оплодотворении сливаются друг с другом в зиготу по законам случая.

Характер наследования признаков у гибридов зависит от воздействия множества факторов внешней и внутренней среды. Так, если в основе расщепления лежат биологические механизмы (мейоз), то конечный результат (количество особей, особенности их фенотипов и генотипов и др.) определяется суммарным воздействием многих внутренних и внешних факторов и носит случайный или статистический характер.