Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Основы генетики. Учебное пособие
.pdf
По подсчетам эпидемиологов курение вызывает до трети всех
злокачественных опухолей легкого. За многие годы курения
в легочных клетках у курильщиков возникает целая серия
мутаций. Обычно, чтобы возникла опухолевая трансформация, нужно, чтобы в нормальной клетке в определенных
генах накопилось около десятка мутаций. Если прекратить
курение до того, как эти мутации накопились, можно предотвратить развитие опухоли. Это только некоторые из известных мутагенов нашей среды, и наверняка есть много таких,
о которых еще ничего не известно.
Практическая работа
Задание 3.5. Точковые мутации с заменой пар оснований
в ДНК.
Задача 1.
1) Рассмотрите рис. 3.5, изображающий схему мутации,
вызванной нитрозамином и приведшей после двух циклов
репликации ДНК к замене одной пары оснований в ДНК на
другую.
2) Изобразите участок ДНК со следующей последователь-
ностью оснований в матричной цепи: АААТГЦТТАЦГА.
3) Достройте к ней вторую цепь по правилу комплементар-
ности оснований А-Т и Ц-Г.
4) Изобразите тот же участок после того, как один из гуани-
нов под влиянием нитрозамина превратился в метилгуанин.
5) Изобразите далее, какие изменения произойдут в ДНК
в процессе репликации этого участка, если метилгуанин образует пару с тимином вместо цитозина.
6) Как будет выглядеть ДНК в следующем раунде реплика-
ции цепи, содержащей этот тимин?
Задача 2. Начальный фрагмент молекулы ДНК β-цепи
нормального гемоглобина HbA состоит из последовательности ЦААГТАГАААЦЦГГГЦТТЦТТТТЦАГАЦГАЦАА, что
соответствует аминокислотной последовательности в белке
ВалГисЛейТриПроГлуГлуЛизСерАлаВал. Методами молекулярно-генетического анализа у трех (а, б и в) больных
серповидноклеточной анемией выявлено, что этот фрагмент
видоизменен в следующий:
а) ЦААГТАГАААЦЦГГГЦАТЦТТТТЦАГАЦГАЦАА;
б) ЦААГТАГАААЦЦГГГЦТТЦТТТТЦАЦГЦГАЦАА;
в) ЦААГТАГАААЦЦГГГТТТЦТТТТЦАГАЦГАЦАА.
81
1) Определите номер аномального триплета в молекуле ДНК
в случаях а), б) и в).
2) Определите, в какой триплет он будет перекодирован
в мРНК.
3) Воспользовавшись табл. 3.2, определите, какую аминокислоту аномальный триплет будет кодировать в мутантном
гемоглобине.
4) Определите, воспользовавшись табл. 3.3, к какому типу
относится гемоглобин этих больных.
Задание 3.6. Мутации экспансии.
Задача 1. При миотонической дистрофии вместо нормального белка мышц синтезируется аномальный белок
дистрофин. Как показали молекулярно-генетические исследования, в матричной цепи гена при этом заболевании
появляется участок, состоящий из многократных повторов
триплета ГАЦ.
Определите, какие аминокислоты имеются в дистрофине
в избытке по сравнению с нормальным белком.
Задача 2. При хорее Гентингтона в кодирующей цепи гена
белка гентингтина и в его мРНК появляется от 9 до 35 повторов триплета ЦАГ.
1) Определите, из каких аминокислот состоит дополнитель-
ный участок в этом белке.
2) Выскажите предположение, почему такой белок оказы-
вается для организма вредным.
Задание 3.7. Точковые мутации со сдвигом рамки считывания.
Задача. Ген, кодирующий белок гормона роста, имеет
фрагмент матричной цепи со следующей последовательностью
нуклеотидов:
ААТАТЦЦАЦТЦГГАТЦЦТАГГЦТГЦТТАГТ.
1) Какую последовательность аминокислот кодирует этот
фрагмент?
2) Какую последовательность аминокислот будет кодировать этот фрагмент, если из 2-го триплета спонтанно выпадет
аденин?
82
3. ДЕЙСТВИЕ ГЕНОВ В ОНТОГЕНЕЗЕ
Как выяснили биологи, большинство генов взрослым орга-
низмом не используется, они необходимы для его развития.
Это касается и продуктов многих генов: они встречаются
только у эмбрионов. Примером может служить эмбрионспецифический белок альфа-фетопротеин (от fetus — плод), вырабатываемый печенью. Он является главным компонентом
эмбриональной сыворотки. Вскоре после рождения у человека
и других млекопитающих его синтез прекращается на всю последующую жизнь. Поскольку мутировать могут любые гены,
в том числе и гены раннего развития, то изучение наследственных болезней, особенно врожденных, невозможно без анализа
действия мутантных генов на развитие плода. Этим занимается молекулярная биология развития.
Чтобы понять, что делают гены в развитии, требуются
некоторые сведения из области эмбриологии — науки о процессах индивидуального развития организма. Эмбрион развивается из одной единственной клетки — зиготы — и постепенно превращается во множество специализированных
клеток. Ранний этап развития из зиготы многоклеточного
организма называется дроблением и осуществляется митотическими делениями: митозы быстро следуют один за другим за счет сокращения интерфазы. Клетки, образующиеся
в ходе дробления, называются бластомерами. Дробление
завершается образованием однослойного сферического зародыша — бластулы.
После завершения дробления начинается гаструляция. Во
время нее клетки зародыша перераспределяются и располагаются в два слоя — наружный и внутренний. Затем в ходе
гаструляции обособляются зародышевые листки — группы
родственных клеток, дающие определенные органы. У человека, как и большинства других животных, имеются три
зародышевых листка — эктодерма, энтодерма и мезодерма.
У всех животных из одного и того же зародышевого листка
получаются одинаковые органы. Эктодерма дает внешние
покровы и нервную систему. Из энтодермы образуется пищеварительный тракт и пищеварительные железы (у позвоночных — печень, поджелудочная железа, а также легкие).
Мезодерма формирует остальные органы: мышцы, выстилку
вторичной полости тела, органы кровеносной, выделительной
и половой систем, внутренний скелет (рис. 3.7).
83
Рис. 3.7. Поперечный срез зародыша человека месячного возраста,
проходящий через область туловища
Зародыш достигает всего 3 мм в длину, но уже имеет нервную трубку (производную эктодермы) и сомиты (производные мезодермы). Из спинного отдела нервной трубки выделяются клетки нервного гребня. Сомиты через некоторое время
станут источником развития костей скелета, скелетных мышц
и соединительной ткани кожи. Клетки нервной трубки образуют головной и спинной мозг. Из клеток нервного гребня будет
образована периферическая нервная система: чувствительные
нейроны спинно-мозговых ганглиев, ганглиев черепно-мозговых нервов, спирального и вестибулярного ганглиев, а также
пигментных клеток — меланоцитов.
Сейчас понятно, что врожденные наследственные патологии
могут быть обусловлены нарушениями еще на стадии закладки
органа или ткани. Если дифференциация клеток происходит
неверно, в эмбрионе возникает много проблем с дальнейшим
развитием, что приводит к развитию тяжелых заболеваний.
Ученые идентифицировали целый ряд генов, активность которых отвечает за раннее развитие зародышей. Пока, однако, это
далеко не все. Особый интерес для эмбриологов представляет
развитие нервной системы.
С 20-х годов нашего столетия известно, что определяющим
событием для образования нервной ткани является взаимодействие эктодермы и части лежащей под ней мезодермы.
84
Во время этого взаимодействия происходит перенос веществ
из мезодермы в эктодерму, в результате чего недифференцированная ткань эктодермы превращается в нервную пластинку
и оказывается необратимо вовлеченной в формирование нервной ткани. Такого рода индукции встречаются в развитии
органов и тканей организма неоднократно. Нервная пластинка
появляется у зародыша человека на 3-й неделе после зачатия (рис. 3.8, А) и от нее берет начало вся нервная система.
Пластинка впоследствии замыкается в полую структуру,
называемую нервной трубкой (рис. 3.8, Б, В). Головной конец
центрального канала расширяется, образуя желудочки, или
полости головного мозга (рис. 3.8, Г). Головной мозг перехо-
дит в спинной. Периферическая нервная система формируется
в основном из клеток нервного гребня и из волокон двигательных нервов, выходящих из нижних участков каждого сегмента будущего спинного мозга. Пространственное разграничение
нервной пластинки на будущий головной и спинной мозг определяется тем, какие участки мезодермы взаимодействуют
с эктодермой. Передняя часть мезодермы, входя в контакт
с эктодермой, специфически индуцирует структуры перед-
него головного мозга, следующая за ней часть обеспечивает
формирование структур среднего и заднего мозга, и, наконец,
задняя ее часть, расположенная под эктодермой, ответственна
за происходящее позднее формирование спинного мозга.
Белки, определяющие закладку нервной системы, и гены,
их кодирующие, остаются в большой степени неизвестными.
Но некоторая информация по их поводу все же имеется. Это
касается, например, процесса образования нервной трубки.
Изменение формы нервной пластинки в нервную трубку происходит у млекопитающих постепенно, начиная с головного
отдела, и требует сложной генетической программы, в которую вовлечены не менее чем 13 генов. Мутации в них приводят у человека к дефектам формы нервной трубки и таким
серьезным уродствам, как неполное закрытие спинного мозга
и раздвоение позвоночника. Частота таких уродств у новорожденных достаточно велика.
Дифференциация зародыша происходит не один-единствен-
ный раз: по мере развития зародыша его структура все более
детализируется. Развитие глаза представляет собой один из
примеров постепенной детализации структуры головного
мозга. Глаза появляются очень рано в виде боковых выростов
переднего мозга — глазных пузырей, которые растут в стороны, пока не соприкоснутся с головной эктодермой. В это
85
На рисунках А-Г показана серия изображений развивающегося зародыша
человека на 3-й — 4-й неделе после зачатия (слева) и соответствующие
поперечные срезы на уровне середины будущего спинного мозга
(справа); они иллюстрируют происхождение нервной системы
Рис. 3.8. Развитие нервной системы.
из эктодермы
86
Хрусталик формируется из эктодермы только в области глазного пузыря
Если глазной пузырь пересадить в другое место под эктодерму,
Рис. 3.9. Индукция хрусталика глазным пузырем.
(слева). При его удалении (справа) хрусталик не формируется.
он также индуцирует хрусталик (внизу слева)
время происходит индукция хрусталика. Глазной пузырь
сохраняет связь с передним мозгом при помощи глазных
стебельков и постепенно видоизменяется в глазной бокал. На
его дне развивается сетчатка и пигментный эпителий. Внутрь
глазного бокала попадает и хрусталик. Развитие этой сложной
структуры зависит от взаимодействия ее отдельных частей.
От нормального развития глазного пузыря в большой степени
зависит образование и развитие хрусталика, от развития хрусталика и сетчатки — формирование роговицы, от развития
сетчатки — образование пигментного эпителия и т. д. Один
из наиболее детально изученных этапов развития глаза — индукция хрусталика глаза глазным пузырем (рис. 3.9). На дне
глазного пузыря развивается сетчатка глаза. Под их совместным влиянием в головной эктодерме формируется впячивание,
которое отшнуровывается и становится хрусталиком. Клетки
хрусталика сильно видоизменяются и начинают синтезировать
особые белки — кристаллины. Если глазной пузырь удалить,
развития хрусталика не происходит. Если же глазной пузырь
пересадить в другую область, то из покровного слоя в этом
87
месте формируется хрусталик (хотя в норме этот слой развился
бы просто в эпидермис кожи), т. е. глазной пузырь является
индуктором хрусталика. В свою очередь хрусталик тоже становится индуктором: под его воздействием покровы над будущим
глазом становятся прозрачными и превращаются в роговицу.
Наследственные дефекты глаза могут быть обусловлены
нарушением любого звена этой цепи событий. В зависимости
от стадии нарушения возникают аномалии всего глаза или его
отдельных компонентов. Установлены критические периоды
развития как для развития глаза в целом, так и для его отдельных структур. Так, поражение зачатка глаза (это могут быть
не только дефектные гены, но и облучение, гипервитаминоз
А, недостаточность диеты и др.) на стадиях обособления его от
мозга и формирования глазного пузыря вызывают аномалии
всего глаза: анофтальмию — врожденное отсутствие одного
или двух глаз, микрофтальмию — уменьшение размеров глаз,
а на более поздних стадиях развития — заболевания сетчатки,
зрительного нерва или хрусталика. Для эмбриолога очень
важно иметь информация о том, когда эмбрион подвергся тому
или иному воздействию, это дает возможность определить, что
могло с ним в результате этого случиться.
За последние 20 лет в изучении молекулярных процессов,
определяющих развитие организма, произошел огромный
прогресс. Сейчас очевидно, что развитие регулируется генетической программой, которая следит за тем, чтобы «нужные
гены работали в нужное время и в нужном месте». Мы еще не
знаем до конца, как именно клетки получают информацию
«о месте и времени». По-видимому, такая информация содержится в индукторах, которые одни клетки получают от других. В зависимости от полученных сигналов клетка реализует
ту или иную частную программу развития. Приблизительно
картина выглядит следующим образом: одна из групп клеток
вырабатывает определенные белки, которые взаимодействуют
с белками соседних клеток, включая в них один набор генов
и выключая другой. Следует, однако, признать, что существуют разные механизмы развития, среди которых упомянутый
здесь лишь самый распространенный.
Еще один пример того, как современная молекулярная
биология развития помогает вскрыть причины наследственных заболеваний, дает изучение раннего детского аутизма.
Аутизм — это заболевание головного мозга, проявляющееся
в сложных поведенческих отклонениях. Оно возникает под
влиянием разных причин, но во всех случаях имеет явную на-
88
следственную предрасположенность. При аутизме отсутствует
потребность в общении и нарушена сама возможность общения. Ребенок как бы погружен в мир собственных переживаний, отгорожен от внешнего мира. Детям свойственно отставание в развитии речи и постепенная утрата речевых навыков.
В присутствии других людей недоразвитие речевых навыков
часто сильно выражено, однако при этом дети могут иногда
разговаривать сами с собой или во сне. Может ли современная
генетика ответить на вопрос: с какими генами ассоциировано
это сложное для физиологической интерпретации заболевание,
и когда эти гены впервые себя проявляют?
Первое, что удалось выяснить ученым, это то, что при ау-
тизме изменения нередко затрагивают ствол мозга, а именно,
ту его область, которая расположена чуть выше места контакта головного и спинного мозга. Ствол становится короче, чем
в норме, и в нем отсутствует довольно значительная полоска
мозгового вещества. Кроме этой области недоразвитыми оказываются некоторые ядра ствола. Ученые высказали предположение, что многие дефекты при аутизме, если не все, имеют
начало в эмбриогенезе, на первом месяце после зачатия. Чтобы
проверить это, понадобилось провести экспериментальные исследования на животных. Как оказалось, изменения в структуре мозга, аналогичные тем, которые были обнаружены
у человека, наблюдаются на ранних стадиях развития нервной
системы у мышей, имеющих мутацию в гене Hoxa1. Человеческий аналог этого гена называется HoxA1. Он расположен
на 7-й хромосоме и является наиболее вероятным кандидатом
на роль гена, способствующего аутизму. Вероятно, однако, что
ген HoxA1 не единственный эмбриональный ген, причастный
к аутизму, которое представляет собой мультифакториальное
заболевание.
Практическая работа
Задание 3.8. Действие генов на ранних стадиях развития
организма.
Задача 1. При некоторых наследственных формах глухоты
болезнь развивается из-за деформации наружного уха, слуховых проходов и, как следствие, — нарушения звукопроведения. Аномалии уха могут варьировать от внешне незначительных изменений до почти полного отсутствия ушной раковины.
Понять, на каких этапах развития плода начинают оказывать
свое вредоносное действие мутантные гены, помогают наблю-
89
дения эффектов разных химических веществ. Веществом,
А
вызывавшим изменения ушной раковины, сходные с наследственными, был печально известный медицинский препаратснотворное талидомид. Его применение беременными женщинами Европы привело в 60-е годы к различным уродствам
у новорожденных, включая и аномалии строения уха. Спектр
дефектов у детей сильно варьировал в зависимости от того, на
каких сроках беременности этот препарат принимался.
На рис. 3.10 приведена диаграмма дефектов у детей, вызванных талидомидом, и ее сопоставление со сроками беременности, на которые пришелся прием препарата матерью.
Ответьте на вопросы:
1) На каких сроках развития плода вероятнее всего активны
гены, вызывающие разные аномалии слухового прохода и, как
следствие, глухоту?
2) Как вы можете объяснить синдромы, при которых у глухих детей имеются не только деформации ушей, но и аномалии
формы пальцев рук?
Задача 2. Часто дети рождаются со светлыми волосами, но
вскоре после рождения у них отрастают темные волосы.
Чем бы вы объяснили такое явление? (Примите во внимание, что наличие определенного гена в генотипе ребенка не
обязывает его сразу же функционировать в полную силу.)
20 21 22 23 24 25 26 27 28 29
Б
отсутствие маленькие уши или их деформация
ушей
недоразвитие рук
Рис. 3.10. Морфологические нарушения у ребенка,
вызываемые талидомидом.
А. Возраст плода в днях.
Б. Наблюдаемые нарушения развития у ребенка
90
недоразвитие
ног
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]