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 элементарных частиц (кванты, электроны, протоны и нейтроны) в ядро происходит ионизация молекул воды с образованием свободных радикалов (ОН^-, О₂^-). Обладая большой химической активностью, они 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 хромосом (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.

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.

Такие мутации встречаются у растений. Эти растения имеют маленькие размеры, у них снижена жизнеспособность, так как 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 3n, 4n, 5n и т.д. набор хромосом.

В клетках резко увеличивается количество хромосом, увеличивается доза генов, а значит, изменяется генотип и фенотип. Такие мутации могут возникать в результате нарушения расхождения хромосом при митозе или при первом делении зиготы. 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 будет образовываться 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, 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 репарации повреждений ДНК.

• 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 лишние хромосомы. 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

F₁ 46 F₁ 47 45

норма 2n + 1 2n – 1

трисомия моносомия

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

6. Общая характеристика фенотипического проявления анэуплоидий у чело­века.

У человека анэуплоидия проявляется множественными пороками развития. Больные, как правило, погибают на ранних стадиях развития 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.

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

1. Синдром кошачьего крика (синдром Лежена). Вызывается делецией короткого плеча пятой хромосомы.

Впервые описан в 1963 году и был так назван потому, что дети, страдающие этим заболеванием, имеют особый, жалобный, «мяукающий» тембр голоса.

2. Синдром. Шерешевского-Тернера

Впервые описан Н.Шерешевским в 1925 году, а затем Г.Тернером в 1938 году. В 1959 году Форд установил, что у больных с этим синдромом отсутствует одна Х-хромосома. Болеют женщины. Их кариотип 45, ХО.

3. Синдром. Клайнфельтера. В классическом варианте 47, ХХУ; (46 + Х). 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);

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.)

Это заболевание впервые описано Дауном в 1866г.

6. Синдром Патау. Трисомия 13; 47 хр. (46 + третья 13 хр.). 1960г.

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.

В настоящее время ученые интенсивно изучают работу гена на разных этапах онтогенеза.

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 возможные пути лечения и

профилактики наследственных заболеваний.

2. Человек как специфический объект генетического анализа.

• у человека известно большое количество хромосом и генов, что обеспечивает большое генетическое разнообразие людей. В кариотипе человека 46 хромосом, а количество генов примерно 23.000.

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

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

• в генетике человека не используется гибридологический метод, так как над человеком нельзя ставить опыты.

3. Основные методы изучения наследственности человека:

а) генеалогический

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

Значение этого метода:

• метод позволяет ответить на вопрос, является ли признак наследственным или он не наследственный (фенокопия).

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

• определить тип наследования.

Типы наследования признаков.

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

• ген проявляется в признак в гетерозиготном состоянии.

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

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

• носителей нет.

• чаще болеют в равной степени оба пола.

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

• ген проявляется в признак в гомозиготном состоянии.

• присутствуют носители рецессивного гена, они гетерозиготны поэтому фенотипически здоровы.

• признак проявляется не в каждом поколении.

• признак распространяется по горизонтали.

• вероятность рождения больного ребенка у гетерозиготных родителей 25%.

• признак в равной степени проявляется у обоих полов.

• вероятность рождения больных детей увеличивается при близкородственных браках.

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

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

• больной отец никогда не передает заболевание сыновьям.

• х рецессивный тип (гемофилия, дальтонизм).

• женщины являются носительницами рецессивного гена.

• признак от матери носительницы передается сыновьям.

• болеют, как правило, мужчины.

Х-сцепленный рецессивный тип (гемофилия, дальтонизм)

• признак наследуется гораздо чаще мужчинами

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

• у матери ребенка этот признак может отсутствовать

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

У-сцепленный тип, или голандрический тип (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.

Если признаки не совпадают, то говорят о дискордантности признаков.

Значение этого метода:

• Метод позволяет установить роль наследственности (генотипа) и внешней среды в формировании фенотипа.

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

в) цитогенетический

Позволяет изучить число хромосом и их структуру, а также установить число телец полового хроматина (телец Барра) в интерфазных ядрах. Метод применяется в диагностике хромосомных болезней.

Хромосомы изучают 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 в пределах каждой группы используется дифференциальное окрашивание хромосом. У каждой хромосомы свой специфический рисунок.

г) популяционно-статистический

Этот метод основан на законе Харди – Вайнберга.

Его математическое выражение: (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.

Метод позволяет рассчитать частоту доминантного и рецессивного гена в популяции. Так же частоту встречаемости гомозигот и гетерозигот в популяции, а так же 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.

В питательную среду обязательно добавляют вещества или вирусы, которые способствуют сближению плазматических мембран.

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 (или 2) хромосомы 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

• позволяет изучать работу генов

• позволяет выявлять генные мутации.

е) методы моделирования

В природе существуют естественные модели различных наследственных заболеваний, их изучают на животных и только потом на людях (гемофилия и альбинизм встречается у собак и человека).

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 фрагменты ДНК, и к каждому фрагменту подводят зонд. 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.