2. Радиационные мутации. Генетическая опасность загрязнения окружающей среды.

Радиационные мутации это мутации, вызванные радиацией. В 1927 году американский генетик, Генрих Мелёр впервые показал, что облучение рентгеновскими лучами приводит к существенному увеличению частоты мутаций у дрозофилы. Эта работа положила начало новому направлению в биологии – радиационной генетике. Благодаря многочисленным работам, проведенным за последние десятилетия, мы теперь знаем, что при попадании элементарные частицы (кванты, электроны, протоны и нейтроны) могут вызывать ионизация молекул воды с образованием свободных радикалов (ОН^-, О₂^-). Обладая большой химической активностью свободные радикалы вызывают разрывы ДНК, повреждение нуклеотидов или их разрушение; всё это приводит к возникновению мутаций.

Так как человек является открытой системой, то различные факторы загрязнения окружающей среды могут попадать в человеческий организм. Многие из этих факторов могут изменять или повреждать наследственный материал живых клеток. Последствия воздействия этих факторов столь серьезны, что человечество не может игнорировать загрязнение окружающей среды.

2. Мутагенез и канцерогенез.

Впервые мутационную теорию рака в 1901 году предложил Гюго Де Фриз. В наши дни существует много теорий канцерогенеза.

Одна из них генная теория канцерогенеза. Известно, что в геноме человека содержится более 60 онкогенов, способных регулировать клеточное деление. Они находятся в неактивном состоянии в виде протоонкогенов. Под действием различных мутагенных факторов протоонкогены активируются и переходят в состояние онкогенов, которые вызывают интенсивную пролиферацию клеток и развитие опухолей.

ЛЕКЦИЯ 11 Мутации числа хромосом.

Гаплоидия, полиплоидия, анеуплоидия.

1. Сущность мутаций числа хромосом, причины и механизмы возникновения.

Каждый вид организмов характеризуется своим кариотипом. Постоянство кариотипа в ряду поколений поддерживается благодаря процессам митоза и мейоза. Иногда в ходе митоза или мейоза нарушается расхождение хромосом, в результате возникают клетки с измененным числом хромосом. В клетках может изменяться число целых гаплоидных наборов хромосом, в таком случае возникают такие мутации как:

Гаплоидия – одинарный набор хромосомa (n)

Полиплоидия – увеличение числа хромосом кратное гаплоидному набору (3n, 4n и т.д.)

Анэуплоидия – изменение числа отдельных хромосом (46 +1).

Набор хромосом может измениться как в соматических клетках, так и в половых клетках.

Причины нарушения расхождения хромосом:

• увеличение вязкости цитоплазмы

• изменение полярности клетки

• нарушение функции веретена деления.

Все эти причины приводят к так называемому явлению “анафазного отставания”.

Это значит, что в анафазу митоза или мейоза хромосомы распределяются неравномерно, т.е. какая-то хромосома или группа хромосом не успевают за остальными хромосомами и теряется для одной из дочерних клеток.

2. Гаплоидия, характер изменения кариотипа, распространенность, феноти­пическое проявление.

Гаплоидия – это уменьшение числа хромосом в клетках организма до гаплоидного. В клетках резко уменьшается количество хромосом и доза генов, то есть изменяется система генотипа, а значит, изменяется и фенотип.

В естественных условиях такие организмы появляются при партеногенезе. Чаще всего Гаплоидия чаще встречается у растений (пшеница, кукуруза, дурман). Эти растения имеют маленькие размеры, сниженную жизнеспособность, ибо у них фенотипически проявляются вредные рецессивные гены. У животных и человека такие мутации не встречаются.

3. Полиплоидия, характер изменения кариотипа. Митотическая, зиготичес­кая и мейотическая полиплоидизация.

Полиплоидия – это увеличение числа гаплоидных наборов хромосом в клетках. В клетках организма вместо диплоидного набора хромосом может содержаться трёх, четырёх, шестиплоидный (до 12n) набор хромосом.

При этом увеличивается доза генов, а значит, изменяется генотип и фенотип. Такие мутации могут возникать в результате нарушения расхождения хромосом при митозе, при первом делении зиготы, а также в результате нарушения расхождения хромосом при мейозе. Поэтому различают митотическую, зиготическую и мейотическую полиплоидию.

Митотическая полиплоидия. Если нарушается расхождение хромосом в анафазу митоза, то в результате часть клеток в организме будут мутантными, а часть нормальными. Такое явление называется – мозаичная форма полиплоидии или мозаицизм.

Накануне митоза происходит репликация ДНК, и клетка вступает в митоз с удвоенным набором хромосом. Однако в анафазу хромосомы не расходятся к полюсам клетки, а остаются в одной клетке.

2n

2n  интерфаза  4n

зигота 2n

норма

0

2n  интерфаза  4n 4n

зигота 4n  интерфаза  8n

тетраплоидная 4n

клетка тетраплоидные

клетки

В результате образуется тетраплоидная клетка, далее в результате ее деления в организме образуется группа тетраплоидных клеток.

Зиготическая полиплоидия. Механизм такой же, как и при митотической полиплоидии, но хромосомы не расходятся при самом первом делении зиготы. В итоге образуется организм, у которого все клетки будут тетраплоидными.

Мейотическая полиплоидия. Нарушение расхождения хромосом может быть во время анафазы мейоза 1 или во время анафазы мейоза 2.

Р 2n x 2n P 2n x 2n

Г Г

F₁ 2n F₁ 3n n

норма триплоид гаплоид

После слияния гамет образуется триплоидная или тетраплоидная зигота, из которой разовьется соответствующий организм.

В живой природе тетраплоидных организмов больше, чем триплоидных, и тому есть несколько причин:

• тетраплоидные растения могут размножаться не только вегетативно, но и половым путем.

• тетраплоидные растения могут возникать не только за счёт мейотической полиплоидии, но и за счёт зиготической полиплоидии.

• большее количество цепей ДНК создает больше возможностей для скрытия рецессивных мутаций в гетерозиготном состоянии

4. Распространенность полиплоидии в живой природе. Фенотипическое про­явление.

В живой природе полиплоидия встречается у растений и используется в селекции растений. Полиплоидные растения имеют большую массу, в их клетках много питательных веществ, они более устойчивы во внешней среде. Полиплоидия используется в селекции растений для преодоления бесплодия у межвидовых гибридов.

У высших животных и человека полиплоидия встречается чаще в виде мозаичных форм, но всегда эта мутация приводит к гибели организма на ранних стадиях развития.

5. Анэуплоидия, механизмы возникновения. Мозаичные формы анеуплоидий у человека.

Анэуплоидия – это изменение числа отдельных хромосом в клетках организма. Такая мутация возникает в результате нарушения расхождения отдельных хромосом во время митоза или мейоза (чаще во время мейоза 1).

Если нарушается расхождение хромосом во время деления соматических клеток, то возникают мозаичные формы анеуплоидии. Чем больше мутантных клеток, тем ярче выражено то или иное заболевание.

Если нарушается расхождение хромосом во время мейоза 1, то возникают гаметы с измененным числом хромосом.

Если гамета несет лишнюю хромосому и сливается с нормальной гаметой, то образуется зигота, которая содержит лишнюю хромосому. Такая мутация называется – полисомия. Разновидностью полисомии является трисомия, когда зигота содержит на 1 хромосому больше и развивающийся из неё организм имеет набор хромосом 2n + 1.

Если гамета несет на 1 хромосому меньше и сливается с нормальной гаметой, то возникает зигота, которая содержит на 1 хромосому меньше и развивающийся из неё организм имеет набор хромосом 2n – 1. Такая мутация называется – моносомия.

Р 46 х 46 Р 46 х 46

Г Г

F ₁ 46 F₁ 47 45

норма 2n + 1 2n – 1

трисомия моносомия

Анэуплоидии встречаются у всех организмов, у человека они являются причиной хромосомных болезней.

Анэуплоидии по половым хромосомам

Р 44ХY х 44ХХ Р 44ХY х 44ХХ

Г 22Х 22Y 22Х 22Х Г 22ХY 220 22Х 22Х

F ₁ 44ХХ; 44ХY F₁ 44ХХY 44Х

норма 2n + 1 2n – 1

трисомия моносомия

(с. Кляйнфельтера) (с. Шерешевского- Тернера)

Р 44ХY х 44ХХ 0 – отсутствие половых хромосом

Г 22Х 22Y 22ХХ 220

F₁ 44ХХХ , 44Y

2n + 1 2n – 1

Трисомия моносомия

(с. трисомии Х) (леталь)

При нарушении мейоза 1 половые хромосомы не расходятся к полюсам клетки и попадают в одну гамету: 22ХY, 22ХХ. Другая гамета лишена половых хромосом и содержит только аутосомы – 220.

При слиянии гамет с набором хромосом 22ХY, 220 и 22ХХ с нормальными гаметами образуются зиготы, из которых развиваются дети с синдромами Кляйнфельтера, Шерешевского – Тернера, трисомии Х.

6. Общая характеристика фенотипического проявления анэуплоидий у чело­века.

Если возникает моносомия по аутосомам, то такой организм погибает на ранних стадиях развития (чаще на стадии зиготы). Трисомии сопровождаются множественными пороками развития.

Больные, как правило, рано погибают или же страдают бесплодием, что не позволяет передавать анэуплоидию по наследству.

7. Хромосомные болезни, механизмы их развития, наследования, частота возникновения. Примеры наиболее распространенных хромосомных болез­ней, связанных с хромосомными абберациями и мутациями числа хромо­сом.

Хромосомные болезни – это наследственные болезни, причиной которых могут являться структурные мутации хромосом или мутации числа хромосом.

1. Синдром кошачьего крика (синдром Лежена). Частота рождения 1: 40- 50000.Вызывается делецией короткого плеча пятой хромосомы. Был так назван потому, что дети, страдающие этим заболеванием, имеют особый, жалобный, «мяукающий» тембр голоса.

2. Синдром Шерешевского-Тернера. Частота рождения 1:5000.У больных отсутствует одна Х-хромосома. Болеют только женщины. Их кариотип 45, ХО.

3. Синдром Клайнфельтера. В классическом варианте 47, ХХУ; (46 + Х). Частота рождения 1:500.

Кроме синдрома Клайнфельтера с двумя Х-хромосомами описаны его варианты с тремя и четырьмя Х-хромосомами: 48, ХХХУ; 49, ХХХХУ. Чем больше Х-хромосом в кариотипе больных, тем больше выражены фенотипические признаки заболевания и степень дебильности

4. Трисомия Х (ХХХ); 47 хр. (46 + Х). Частота рождения 1:5-7.000

Впервые описан в 1959 году у женщины с наличием двух телец полового хроматина,

Её кариотип которой состоял из 47 хромосом с тремя Х-хромосомами.

5. Синдром Дауна. В классическом варианте трисомия 21; 47 хр. (46 + третья 21 хр.). У 5-7% больных наблюдается транслокационный синдром. Частота рождения 1:700

6. Синдром Патау. Трисомия 13; 47 хр. (46 + третья 13 хр.). Частота рождения 1:5-7.000

7. Синдром Эдвардса. Трисомия 18. Частота рождения 1:7 – 10.000

Выявление хромосомных болезней:

• кариотипирование.

• выявление полового хроматина, или телец Барра (в случае анеуплоидии по половым хромосомам). Количество Х-хромосом на единицу больше количества телец Барра. (или количество телец Барра на одну единицу меньше количества Х-хромосом).

ЛЕКЦИЯ 12 Основные методы изучения наследственности человека.

1. Генетика человека, определение.

Генетика человека – это наука, изучающая наследственность и изменчивость человека.

Ежегодно в мире рождается 5–7 % детей с наследственными заболеваниями.

У человека известно большое количество заболеваний, имеющих в своей основе наследственную предрасположенность. Например: сахарный диабет, язвенная болезнь, гипертоническая болезнь. Таким образом, очевидно, что какие-то поломки в наследственном аппарате кочуют из одного поколения в другое.

Генетика человека подразделяеется на:

• собственно генетику человека, которая изучает наследственность и изменчивость человека в норме.

• медицинскую генетику, которая изучает причины и механизмы возникновения наследственных заболеваний, а также разрабатывает пути лечения и профилактики этих заболеваний.

2. Человек как специфический объект генетического анализа.

1. у человека известно большое количество хромосом и генов, что обеспечивает большое генетическое разнообразие людей.

2. в генетике человека не используется гибридологический метод, т.к. невозможно подбирать родительские пары для скрещивания.

3. человек поздно достигает половой зрелости

4. у человека малочисленное потомство, а у дрозофилы 1.000 потомков.

5. для человека характерна медленная сменяемость поколений. Например, у дрозофилы каждые 2 недели происходит смена поколения, а у человека только через ≈ 25 лет.

Пункты 3, 4, 5 затрудняют статистический анализ потомства

3. Основные методы изучения наследственности человека:

а) генеалогический

Это метод родословных, который давно используется в генетике человека. Человек, который первым попадает в поле зрения врача генетика, называется – пробанд. В отношении этого человека составляется родословная. Дети одной супружеской пары называются – сибсы.

Этот метод позволяет:

• определить является ли признак наследственным или он не наследственный (фенокопия).

• определить пенетрантность гена (степень проявления гена в признак, количественный показатель).

• определить тип наследования.

Типы наследования признаков.

Аутосомно-доминантный (карий цвет глаз, праворукость, многопалость, короткопалость).

• один из родителей больного ребенка, как правило, болен.

• признак проявляется в каждом поколении, то есть наследуется по вертикали.

• носителей рецессивного гена нет.

• признак в равной степени проявляется у обоих полов

• ген проявляется в признак в гетерозиготном состоянии

Аутосомно-рецессивный (голубой цвет глаз, леворукость, пятипалость, глухонемота, катаракта, муковисцидоз, галактоземия, фенилкетонурия).

• оба родителя могут быть здоровыми (гетерозиготные носители рецессивного гена).

• признак проявляется не в каждом поколении, то есть наследуется по горизонтали.

• вероятность рождения больного ребенка у гетерозиготных родителей 25%.

• признак в равной степени проявляется у обоих полов.

• ген проявляется в признак в гомозиготном состоянии, вероятность рождения больных детей увеличивается при близкородственных браках.

Х-сцепленный доминантный (цилиндроматоз – рак волосистой части головы).

• в 100% случаев отец больной, и передает заболевание дочерям.

• больной отец никогда не передает заболевание сыновьям.

Х-сцепленный рецессивный (гемофилия, дальтонизм)

• признак наследуется гораздо чаще мужчинами

• у матери ребенка этот признак может отсутствовать (носительница рецессивного гена)

• признак проявляется не в каждом поколении (через 1-2 поколения)

• в семье рождается половина мальчиков больными, половина девочек являются носительницами мутантно гена.

У-сцепленный, или голандрический (оволоснение ушной раковины, перепонки между пальцами, дифференцировка гонад по мужскому типу)

• признак наследуется только мужчинами

• признак проявляется в каждом поколении (все мальчики рождаются больными)

• отец ребёнка обязательно имеет этот признак.

б) близнецовый

На земле 1,5-2% близнецов. Бывают однояйцевые (монозиготные), и разнояйцевые (дизиготные) близнецы.

Монозиготные близнецы развиваются из одной зиготы, имеют одинаковый генотип. Дизиготные близнецы развиваются из разных зигот и имеют разный генотип.

Если признаки у близнецов совпадают, то говорят о конкордантности признака.

Если признаки не совпадают, то говорят о дискордантности признака.

Этот метод позволяет:

• установить в какой мере признак обусловлен наследственностью, а в какой мере он обусловлен влиянием внешней среды

• установить степень пенетрантности (количественного проявления) и экспрессивности гена (степени выраженности, качественного проявления).

в) цитогенетический

Основан на изучение хромосом на стадии метафазы митоза. Для исследований чаще берут лейкоциты крови или фибробласты кожи. Клетки, которые выделили, помещают в питательную среду, добавляют специальные вещества (митогены), которые вызывают митоз. Через 48 часов лейкоциты будут на стадии метафазы митоза. Деление клеток останавливают колхицином, который разрушает нити веретена деления. Далее хромосомы окрашивают и микроскопируют. Для идентификации хромосом используется дифференциальное окрашивание (у каждой хромосомы свой рисунок).

Этот метод применяется в диагностике хромосомных болезней, ибо он позволяет:

• установить число хромосом и их структуру

• установить число телец полового хроматина (телец Барра) в интерфазных ядрах.

г) популяционно-статистический

Он основан на законе Харди - Вайнберга. Математическое выражение закона: (Р+ g)² = P² + 2Pg + g² = 1

Р – частота встречае­мости доминантного гена

g – частота встречаемости рецессивно­го гена.

Суммы всех частот аллельных генов (и генотипов) = 1.

Этот метод позволяет:

• рассчитать частоту доминантного и рецессивного гена в популяции

• рассчитать частоту встречаемости гомозигот и гетерозигот в популяции

• установить степень пенетрантности и экспрессивности гена.

д) методы генетики соматических клеток

Из организма выделяют соматические клетки и помещают их в питательную среду. В питательной среде клетки живут, функционируют и выделяют продукты функциональной активности генов (белки). Эти продукты изучают и делают выводы о работе соответствующих генов.

Кроме того, можно провести гибридизацию клеток (in vitro – в стекле), т.е. соединить соматические клетки различных видов организмов и получить гибридные клетки. Чаще всего проводят гибридизацию клеток человека и мышей.

Полученная гибридная клетка начинает делиться, и при каждом делении из ядра выталкиваются хромосомы человека и разрушаются в цитоплазме. Наступает момент, когда гибридная клетка будет содержать все хромосомы мыши и только 1 хромосому человека. Гены, которые находятся в данной (человеческой) хромосоме обеспечивают синтез соответствующих белков, которые выделяются в питательную среду. Эти белки изучают и делают вывод о том, в какой именно хромосоме локализованы гены.

Этот метод используется для:

• построения генетических карт хромосом человека

• изучения работы генов

• выявления генных мутаций

е) методы моделирования

В его основе лежит закон Н. И. Вавилова. Близкородственные животные используются как модели различных наследственных заболеваний (на собаках изучают наследование альбинизма, на кошках – гемофилии, на мышах – катаракты, на морских свинках – врождённой глухоты)

ж) дерматоглифический метод

Изучают рисунок на коже ладоней и подошв. За этот рисунок отвечают соответствующие гены и на основании этого рисунка можно заподозрить то или иное наследственное заболевание.

з) биохимический метод (диагностика галактоземии)

Любая мутация отражается либо на наличии определённого белка в организме, либо на его активности. Поэтому по изменению количества или активности белка можно судить о наличии мутации. В крови новорождённого содержится моносахарид галактоза, который образуется при расщеплении дисахарида молока лактозы на глюкозу и галактозу. Галактоза непосредственно не усваивается организмом, она должна быть переведена специальным ферментом в усваиваемую форму – глюкоза-1-фосфат.

Наследственная болезнь галактоземия обусловлена нарушением функции гена, контролирующего синтез белка-фермента, превращающего галактозу в усваиваемую форму. В крови больных детей будет очень мало этого фермента и много галактозы, что устанавливается биохимическим анализом.

и) иммунологический метод

Изучают антигенный состав клеток различных тканей и органов человека. Антигены находятся на поверхности клеток, это чаще гликопротеиды, иногда мукополисахариды. За антигены отвечают соответствующие гены, и если антигенный состав меняется, то делают вывод о соответствующих генных мутациях. Метод важен при пересадке органов и переливании крови (гены групп крови по системе АВО находятся в 9 хромосоме).

к) метод ДНК–диагностики

Экспериментально получают ДНК зонды или РНК зонды, представляющие определенную последовательность нуклеотидов. Их метят радиоактивной меткой (Р₃₂).

Затем из клеток человека выделяют интересующие врача фрагменты ДНК, и с помощью полимеразной цепной реакции в течение 1 ч в пробирке получают миллионы копий этих фрагментов. Затем к фрагментам исследуемой ДНК подводят зонды. Если фрагмент ДНК и зонд взаимодействуют (по принципу комплементарности), то на рентгеновской пленке появится характерное свечение. Зная последовательность нуклеотидов в зонде можно узнать последовательность нуклеотидов во фрагменте ДНК человека. Если взаимодействия нет, можно сделать вывод о генной мутации. В настоящее время получены зонды к 21 хромосоме и к У-хромосоме. Метод удобен тем, что диагностику хромосомных болезней можно проводить на стадии интерфазы митоза.