Методи генетики

Головним методом вивчення характеру дії і кількості ге­нів, які визначають успадкування данної ознаки, є генетичний аналіз, засновником якого є Г.Мендель (1865 р.). За допомогою генетичного аналізу досліджують якісний і кількісний склад генотипу, проводиться аналіз його структури та функціонування. Задача генетичного аналізу – визначення системи генотипу організма або генотипової структури популяції. Методи генаналізу численні, але основним є гібридологічний аналіз, або метод схрещувань.

Об’єкти генетичного аналізу – всі організми від вірусів до людини. Але при експериментальному дослідженні спадковості та мінливості використовуються модельні об’єкти. До них відносяться бактерії – кишкова паличка Escherichia coli, дріжджі, наприклад, Saccharomyces cerevisiae, пліснявий гриб нейроспора (Neurospora crassa), арабідопсис, кукурудза (Zea mays), горох (Pisum sanivum), дрозофіла (Drosofila melanogaster), миша (Mus muskulus). Модельні об’єкти повинні відповідати певним вимогам: легко розмножуватися в лабораторії, мати короткий життєвий цикл, бути плодючими, їх утримання не повинно бути коштовним, умови життя та розмноження легко контролюватися людиною. Перш ніж причислити об’єкт до модельних, необхідно впевнитися в тому, що він відтворює процеси, аналогічні тим, що відбуваються в інших організмах. Велике значення для успішного проведення генаналізу має різноманіття проявлень тієї ж ознаки в особин одного виду. Ось чому створюються генетичні колекції форм і банки генів. Перехід із популяційного та організменого рівня аналіза (традиційні при вивченні генотипів тварин і рослин) до клітинного, хромосомного та молекулярного рівнів (сучасні методи клітинної біології) набагато прискорює роботу та дозволяє не тільки визначити локалізацію генів, але й описати їхню структуру. Отже, задача генетичного аналіза заключається в розшифровці генотипа особин.

Принципи генетичного аналізу передбачають: висунення гіпотез, вибір матеріалу та методів, перевірку гіпотез під час експерименту. У залежності від результату досліду гіпотеза приймається або відкидається. В останньому випадку висувається нова гіпотеза та здійснюється її перевірка. Для встановлення сутності явища (причинно-наслідкових зв'язків) необхідний експеримент, тобто відтворення явища в штучних умовах, при повторенні цих умов.

Найважливішим принципом генаналізу є вивчення характеру спадкування окремих пар ознак. Для цього необхідно визначити: 1) чи успадковується ознака? Для цього необхідно мати хоча б дві форми з альтернативним проявленням ознаки; 2) загальну кількість генів, що визначають ознаку (для цього необхідна велика колекція різноманітних форм); 3) яким чином взаємодіють альтернативні алелі генів при гібридизації? 4) якщо ознака контролюється декількома генами, визначити особливості їхньої взаємодії; 5) групу зчеплення та місцезнаходження генів; 6) структуру генів та закономірності їхньої експресії.

Засновником гібридологічного аналізу по праву вважають Г.Менделя. Попередники Менделя (І.Г.Кельрейтер, Т.Найт, О.Сажре, Ш.Ноден, Ч.Дарвін) також описували явища одноманітності гібридів першого покоління та розщеплення ознак у гібридному потомстві, але їм не вдалося зрозуміти значущість цих явищ, оскільки ознаки не відтворювалися при повторних експериментах. Саме Г.Мендель заклав підґрунтя генетичного аналізу, сформулювавши необхідні умови його проведення: 1) перевірка гомозиготності ознаки протягом 2-3 поколінь (якщо вона не дає розщеплення, констатується гомозиготність вихідного матеріалу за цією ознакою); 2) вивчення розщеплення кожної пари ознак окремо; 3) кількісний облік розщеплення: 4) аналіз всього потомства гібридів (а не його частини, як це робили попередники Менделя). Дотримуючись цих правил, можна одержувати добре відтворювані результати, отже, вивчати закономірності спадкування ознак, проводити генетичний аналіз.

Нині генетика вміло поєднує традиційні методи, що сформувалися з часів розвитку менделізму, із сучасними методами цитогенетики, молекулярної біології, біохимії та інших наук. Найпоширенішими з них є наступні методи:

1. генеалогічний або метод аналізу родоводів;

2. близнюковий;

3. цитогенетичний;

4. біохімічний;

5. молекулярно-генетичний;

6. онтогенетичний;

7. популяційно-статистичний.

Метод аналізу родоводів (або генеалогічний метод) дозволяє вивчити спадково обумовлені властивості людини за даними складеного родоводу та його аналізу. Вперше цей метод був запропонований у 1865 році засновником генетики людини, англійським вченим Френсісом Гальтоном (двоюрідним братом Чарльза Дарвіна) і грунтується на відстежуванні хвороби (або ознаки) в сім'ї або роду із зазначенням типу родинних зв'язків між членами родоводу (метод педигрі). Генеалогічний метод широко використовується для вирішення як наукових, так і прикладних проблем:

- встановлення спадкової обумовленості ознаки;

- визначення типу спадкування та пенетрантності гена;

- аналіз положення гена на хромосомі та проведення картування хромосом;

- вивчення інтенсивності мутаційного процесу;

- розшифровка механізмів взаємодії генів;

- встановлення зчепленого спадкування;

-проведення медико-генетичного консультування генних захворювань (не хромосомних хвороб!).

Близнюковий метод використовується у генетиці людини для оцінки ступеню впливу спадковості та середовища на розвиток будь-якої нормальної або патологічної ознаки (найчастіше психологічних характеристик людини: інтелекту, темпераменту, моторики, нейротицизму тощо). Це один з найбільш ранніх методів вивчення генетики людини, проте він не втратив свого значення донині. Близнюковий метод був введений Ф. Гальтоном, який серед близнят виділив дві групи: однояйцеві (монозиготні) та двояйцеві (дизиготні). Монозиготні близнюки завжди однієї статі та генетично ідентичні. Вони утворюються на ранніх стадіях дробіння зиготи, коли з двох або більшої кількості (що буває рідко) бластомерів розвиваються повноцінні організми. Оскільки спадковий матеріал клітин монозиготних (МЗ) близнюків однаковий, то відмінності, що виникають між ними, залежать від впливу умов середовища на експресію генів генотипу.

Дизиготні близнюки народжуються частіше (2/3 загальної кількості двоєн), вони розвиваються з двох одночасно дозрілих і запліднених різними сперматозоїдами яйцеклітин. Такі близнята можуть бути одностатевими та різностатевими, вони є схожими між собою не більше, ніж брати і сестри, народжені в різний час. З генетичної точки зору вони подібні як звичайні сібси, але у них більша спільність факторів середовища у внутрішньоутробному (пренатальному) та частково в постнатальному періодах.

Якщо досліджувана ознака виявляється в обох близнят однієї пари, їх називають конкордантними. Конкордантность - це відсоток подібності близнюків за ознакою, що досліджується. Відсутність ознаки у одного з близнюків називається дискордантністю. Для з'ясування факту генетичної обумовленості ознаки та ступеню її мінливості в залежності від середовища, необхідно визначити міру подібності (конкордантності) та ступеню відмінності (дисконкордантності) МЗ близнюків. Дизиготні (ДЗ) близнюки, як і монозиготні, розвиваються приблизно в однакових умовах, але мають лише половину спільних за походженням генів; їх використовують як контроль. Зрозуміло, що конкордатність МЗ близнюків вище, ніж у ДЗ близнюків, але ступінь подібності для кожної з ознак є неоднаковою. Це дає можливість з'ясувати роль генотипу і середовища в їх проявленні. Порівняння частоти подібності за низкою ознак у парах МЗ та ДЗ близнюків дозволяє оцінити значення спадкових і середовищних факторів у розвитку фенотипу людини.

Ознаки	Конкордантність (подібність), %
	Монозиготні близнюки	Дизиготні близнюки
Нормальні:
Група крові (АВ0)	100	46
Колір очей	99,5	28
Колір волосся	97	23
Патологічні:
Клишоногість	32	3
«Заяча губа»	33	5
Бронхіальна астма	19	4,8
Кір	98	94
Туберкульоз	37	15
Епілепсія	67	3
Шизофренія	70	13

Як видно з таблиці, ступінь конкордантності монозиготних близнюків за всіма наведеними ознаками значно вище, ніж у дизиготних. Як правило, дискордантность монозиготных близнюків виникає в результаті порушень внутрішньоутробного розвитку одного з них або під впливом зовнішнього середовища, якщо воно було різним.

Для оцінки внеску спадкових факторів у розвиток тієї чи іншої ознаки розраховують коефіцієнт успадковуваності (Н) за формулою:

Н = % подібності МЗ - % подібності ДЗ

100 - % подібності ДЗ

де МЗ – монозиготні (однояйцеві) близнюки; ДБ – дизиготні (двояйцеві) близнюки.

Якщо Н = 1, то це означає, що ознака повністю контролюється спадковістю;

якщо Н = 0, ознака визначається впливом середовища;

при Н = 0,5 розвиток ознаки контролюється приблизно однаковим впливом спадковості та середовища.

Нині кращим методом ідентифікації близнюковості є порівняння близнюків за декількома спадковими ознаками, що мають повну пенетрантність і не змінюються під впливом середовищних факторів (стать, колір волосся та очей, групи крові ABO, MN, резус, дерматологічний малюнок та інші). Хоча жодна з цих ознак сама по собі не є достатньою для судження про ідентичність або не ідентичність близнюків, проте вони разом дають можливість скласти такий висновок.

Завдяки близнюковому методу була з'ясована спадкова схильність людини до ряду захворювань: шизофренії, епілепсії, цукрового діабету та інших.

Отже, за допомогою близнюкового методу можна визначити:

1.співвідносну роль спадковості та середовища у формуванні фізіологічних і психологічних особливостей організму;

2. коефіцієнт успадковуваності ознаки;

3. гетерогенність популяції щодо досліджуваних генів;

4. конкретні чинники, які посилюють або послаблюють вплив зовнішнього середовища на розвиток спадкових ознак;

5. роль середовища у зміні ступеню мінливості ознак;

6. кореляцію окремих ознак і функцій організму.

Цитологічний метод дозволяє вивчити будову окремих хромосом, а також особливості каріотипу організму. У випадку деяких хромосомних аномалій використовують цитологічний метод у сполученні з генеалогічним та встановлюють зв'язок фенотипового ефекту з певним типом хромосомних змін. У цьому випадку метод називають цитогенетичним. Якщо ж такої можливості немає та носії хромосомних аномалій є безплідними, цей метод більш коректно називати цитологічним.

Цитогенетичний метод є цінним для визначення статі людини, для діагностики хромосомних хвороб. Він дозволяє виявляти значні аномалії хромосом, що виникають як у статевих, так і в соматичних клітинах. Завдяки розробці методів культивування клітин людини in vitro та диференційного забарвлення хромосом можна отримати цінну інформацію про каріотип людини під час мітозу та при дослідженні інтерфазних клітин. Каріотипування ( цитогенетичне дослідження) — це аналіз каріотипу клітин людини, що діляться в культурі, шляхом мікроскопічного дослідження забарвлених хромосом.

Каріотипування використовується для визначення: 1) причини вроджених дефектів або хвороби дитини; 2) чи є хромосоми у дорослої людини аномальними, як це впливає на її здоров'я і як це може вплинути на здоров'я її майбутньої дитини; 3) чи є дефект хромосоми причиною безпліддя жінки або причиною викидня; 4) чи присутні аномальні хромосоми у плода;

5) чи саме хромосомні проблеми є причиною внутрішньоутробної загибелі плоду; 6) для допомоги у виборі відповідного лікування деяких видів пухлин; 7) для визначення статі людини за наявністю статевого хроматину. Це може бути зроблено, якщо стать новонародженого не може бути виявлена (гермафродитизм).

Отже, цитогенетичний метод використовується при:

1. виявленні числових і структурних аномалій хромосом, дослідженні зв’язків хромосомних порушень з репродуктивною здатністю, продуктивністю, життєздатністю, захворюваністю тварин;

2. встановленні філогенетичних звязків між групами рослин або тварин;

3. вивченні еволюції каріотипів;

4. побудові карт хромосом;

5. клонуванні рослин і тварин;

6. використанні хромосомних порушень в якості теста на пошкоджуючу дію фізичних, хімічних і біологічних факторів.

Цитогенетичний метод успішно використовується в медичній генетиці і в практиці медико-генетичного консультування для наступних цілей: 1. Діагностика хромосомних захворювань людини; 2. Вивчення причин мимовільних викиднів (оскільки вони у 40 - 80 % випадків спричинені хромосомними аномаліями); 3. Складання карт хромосом; 4. Вивчення мутаційного процесу; 5. Вивчення нормального хромосомного поліморфізму в людських популяціях.