10. Оплодотворение. Партеногенез (формы, распространенность в природе). Половой диморфизм. Биологический аспект репродукции человека.

Оплодотворение. Это соединение двух гамет, в результате чего образу­ется оплодотворенное яйцо, или зигота (гр. zygota — соединенная в пару) — начальная стадия развития нового организма.

Оплодотворение влечет за собой два важных следствия: активацию яйца, т. е. побуждение к развитию, и синка-рногамию, т. е. образование дипло­идного ядра зиготы в результате слия­ния гаплоидных ядер половых кле­ток, несущих генетическую информа­цию двух родительских организмов.

Встрече гамет способствует то, что яйцеклетки растений и животных вы­деляют в окружающую среду химиче­ские вещества — гамоны, активизирую­щие сперматозооны. Возможно, что активизирующие вещества выделяются и клетками женских половых путей млекопитающих. Установлено, что сперматозооны млекопитающих могут проникнуть в яйцеклетку только в том случае, если находились в женском половом тракте не менее 1 ч.

У спермиев ряда низших растений обнаружен положительный хемотак­сис к веществам, выделяемым яйце­клеткой. Убедительных доказательств хемотаксиса у сперматозоонов жи­вотных не существует. Они двигаются беспорядочно и с яйцеклеткой сталки­ваются случайно.

В оболочке яйцеклетки некоторых животных существует крошечное от­верстие — микропиле, через которое проникает сперматозоон. У большин­ства видов микропиле отсутствует, проникновение сперматозоона осуще­ствляется благодаря акросомной реак­ции, обнаруженной с помощью элек­тронной микроскопии. Расположенная на переднем конце сперматозоона ак-росомная область окружена мембра­ной. При контакте с яйцом оболочка акросомы разрушается. Из нее выбрасы­вается акросомная нить, выделяются фермент, растворяющий оболочку яйце­клетки, и фермент гиалуронидаза, раз­рушающий фолликулярные клетки, окружающие яйцо. Акросомная нить проникает через растворенную зону яйцевых оболочек и сливается с мем­браной яйцеклетки. В этом месте из цитоплазмы яйцеклетки образуется воспринимающий бугорок. Он захва­тывает ядро, центриоли и митохондрии сперматозоона и увлекает их вглубь яйца. Плазматическая мембрана спер­матозоона встраивается в поверхност­ную мембрану яйца, образуя мозаич­ную наружную мембрану зиготы.

Проникновение сперматозоона в яйцеклетку изменяет ее обмен веществ, показателем чего является ряд морфологических и физиологических преобразований. Повышается проницае­мость клеточной мембраны, усиливает­ся поглощение из окружающей среды фосфора и калия, выделяется кальций, увеличивается обмен углеводов, акти­вируется синтез белка. У ряда живот­ных возрастает потребность в кислоро­де. Так, у морского ежа в первую же минуту после оплодотворения погло­щение кислорода повышается в 80 раз. Меняются коллоидные свойства про­топлазмы. Вязкость увеличивается в 6—8 раз.

В наружном слое яйца изме­няются эластичность и оптические свойства. На поверхности отслаивается оболочка оплодотворения; между ней и поверхностью яйца образуется сво­бодное, наполненное жидкостью, про­странство. Под ним образуется обо­лочка, которая обеспечивает скрепле­ние клеток, возникающих в результате дробления яйца. После образования оболочки оплодотворения другие спер­матозооны уже не могут проникнуть в яйцеклетку.

Показателем изменения обмена ве­ществ является и то, что у ряда видов животных созревание яйца заканчи­вается только после проникновения в него сперматозоона. У круглых чер­вей и моллюсков

лишь в оплодотво­ренных яйцеклетках выделяется вто­ричный полоцит. У человека сперматозооны проникают в яйцеклетки, находящиеся еще в периоде созрева­ния. Первичный полоцит выделяется через 10 ч, вторичный — только через 1 сутки после проникновения сперма­тозоона.

Кульминационным моментом в про­цессе оплодотворения является слия­ние ядер. Ядро сперматозоона (муж­ской пронуклеус) в цитоплазме яйца набухает и достигает величины ядра яйцеклетки (женского пронуклеуса). Одновременно мужской пронуклеус поворачивается на 180° и центросомой вперед движется в сторону женского пронуклеуса; последний также пере­мещается ему навстречу. После встречи ядра сливаются. В результате синка-риогамии восстанавливается диплоид­ный набор хромосом. После образова­ния синкариона яйцо приступает к дроблению.

Изучение физиологии оплодотворе­ния позволяет понять роль большого числа сперматозоонов, участвующих в оплодотворении. Установлено, что если при искусственном осеменении кроли­ков в семенной жидкости содержится менее 1000 сперматозоонов, оплодо­творения не наступает. Точно так же не происходит оплодотворения при вве­дении очень большого числа спермато­зоонов (более 100 млн). Это объясня­ется в первом случае недостаточным, а во втором — избыточным количест­вом ферментов, необходимых для про­никновения сперматозоонов в яйце­клетку.

Разработаны методики искусствен­ного оплодотворения яйцеклеток чело­века вне организма и в ряде случаев это осуществлялось по медицинским показаниям. Накануне овуляции хи­рургическим путем яйцеклетку извле­кают из яичника. Ее помещают в спе­циально разработанную химическую среду со сперматозоонами, где и проис­ходит слияние половых клеток. Заро­дыш на стадии 8—16 бластомеров им­плантируется в матку женщины и нормально развивается.

Моноспермия и полиспермия. В яйцеклетку проникает, как правило, один сперматозоон (моноспермия). Од­нако у насекомых, рыб, птиц и неко­торых других животных в цитоплазму яйцеклетки их может попасть не­сколько. Это явление получило назва­ние полиспермии. Роль полиспермии не совсем ясна, но установлено, что ядро лишь одного из сперматозоонов (муж­ской пронуклеус) сливается с женским пронуклеусом. Следовательно, в пере­даче наследственной информации при­нимает участие только этот сперматозоон. Ядра других подвергаются раз­рушению.

Партеногенез. Особую форму по­лового размножения представляет со­бой партеногенез (гр. parthenos — девственница, genos — рождение) т. е. развитие организма из неоплодо­творенных яйцевых клеток. Эта форма размножения была обнаружена в се­редине XVIII в. швейцарским нату­ралистом Ш. Бонне (1720—1793). В настоящее время известен не только естественный, но и искусственный пар­теногенез.

Естественный партеногенез суще­ствует у ряда растений, червей, насе­комых, ракообразных. У некоторых животных любое яйцо способно разви­ваться как без оплодотворения, так и после него. Это так называемый фа­культативный партеногенез. Он встре­чается у пчел, муравьев, коловраток, у которых из оплодотворенных яиц развиваются самки, а из неопло­дотворенных — самцы. У этих живот­ных партеногенез возник как приспо­собление для регулирования численно­го соотношения полов.

При облигатном, т. е. обязательном, партеногенезе яйца развиваются без оплодотворения. Этот вид партеногене­за известен, например, у кавказской скальной ящерицы. У многих видов партеногенез носит циклический ха­рактер. У тлей, дафний, коловраток в летнее время существуют лишь сам­ки, размножающиеся партеногенетически, а осенью партеногенез сменяет­ся размножением с оплодотворением (это явление получило название гетерогении). Облигатный и ци­клический партеногенез исторически развивался у тех видов животных, которые погибали в большом количе­стве (тли, дафнии) или у которых была затруднена встреча особей различного пола (скальные ящерицы). Вид кав­казской скальной ящерицы сохранил­ся лишь благодаря появлению парте­ногенеза, так как встреча двух осо­бей, обитающих на скалах, отделенных глубокими ущельями, затруднена. В на­стоящее время все особи этого вида представлены лишь самками, размно­жающимися партеногенетически.

Установлено существование парте­ногенеза у птиц. У одной из пород индеек многие яйца развиваются пар­теногенетически; из них появляются только самцы.

В ядрах соматических клеток осо­бей, развившихся из неоплодотворен­ных яиц, в ряде случаев имеется гап­лоидный набор хромосом (таковы сам­цы коловраток), в других — диплоид­ный (тли, дафнии). Широко распро­странен партеногенез у личиночных стадий сосальщиков и других парази­тов, что обеспечивает им интенсивное размножение и выживание несмотря на массовую гибель на различных эта­пах жизненного цикла.

Искусственный партеногенез иссле­довал А. А. Тихомиров. Он добился развития неоплодотворенных яиц ту­тового шелкопряда, раздражая их тон­кой кисточкой или обрабатывая в тече­ние нескольких секунд серной кис­лотой.

Тот факт, что дробление яйца начи­нается только после его оплодотворе­ния, получил объяснение благодаря опытам с искусственным партеногене­зом. Они показали, что для развития яйца необходима активация. Она явля­ется следствием тех сдвигов в обмене веществ, которые сопутствуют оплодо­творению. В естественных условиях эти сдвиги происходят после проникно­вения сперматозоона в яйцеклетку, но в эксперименте могут быть вызваны разнообразными воздействиями: хи­мическими, механическими, электриче­скими, термическими и др. Все они, так же, как проникновение сперматозо­она, влекут за собой обратимые повре­ждения протоплазмы яйцеклетки, что изменяет метаболизм и оказывает ак­тивирующее воздействие.

Оказалось, что сравнительно легко поддаются активации яйца млекопи­тающих. Извлеченные из тела неопло­дотворенные яйца кролика были акти­вированы воздействием пониженной температуры. После пересадки в матку другой крольчихи они развились в нормальных крольчат. Предпринима­лись опыты по активированию неоп­лодотворенного яйца человека; полу­чены ранние стадии развития зародыша.

Б. Л. Астауров (1904—1974) в 1940-1960 гг. разработал промышленный способ получения партеногенетическо-го потомства у тутового шелкопряда.

Половой диморфизм. Под половым диморфизмом понимаются различия между самцами и самками в строении тела, окраске, инстинктах и ряде дру­гих признаков. Половой диморфизм проявляется уже на ранних ступенях эволюции. У круглых червей самки крупнее самцов. У многих из них, например у аскариды, самец имеет спикулы и загнутый в брюшную сторо­ну задний конец тела.

У представителей всех классов чле­нистоногих половой диморфизм ярко выражен. Для большинства предста­вителей этого типа характерно то, что самки крупнее самцов. Самцы и самки бабочек, как правило, различно окра­шены. Самцы у жуков (например, жук-носорог, жук-олень и др.) обла­дают специальными органами.

Хорошо выражен половой димор­физм у многих видов позвоночных. У некоторых видов рыб он проявляется в величине, особенностях строения тела и окраске. Из земноводных он ярко выражен у тритонов. Самцы этих животных в брачный период имеют яркую окраску брюха и зубчатый гре­бень на спине.

У большинства видов птиц самцы су­щественно отличаются от самок, осо­бенно в брачный период. Так, самец болотного кулика турухтана в обыч­ном оперении мало отличается от сам­ки, но весной в его оперении появляется украшение, резко отличающее его от самки и характеризующееся удиви­тельным разнообразием как формы, так и окраски.

Выражен половой диморфизм и у человека. В среднем рост, массивность костей скелета и мускулатуры, величи­на черепа у мужчин больше, чем у жен­щин. При одинаковой длине корпуса длина конечностей (особенно ног) у женщин меньше, чем у мужчин, у жен­щин меньше ширина плеч и больше ширина таза. Для мужчин характерна растительность на лице, низкий тембр голоса, выступающий вперед щитовид­ный хрящ гортани (кадык). Для жен­щин типично развитие грудных желез и большее развитие подкожной жиро­вой клетчатки. У мужчин в таком же объеме крови, как у женщин, выше содержание гемоглобина и число эритроцитов. Имеются отличия и в ряде других признаков.

Половой диморфизм явился след­ствием особой формы естественного отбора, названного Ч. Дарвиным по­ловым отбором. Предпосылкой дей­ствия полового отбора было различие в опознавательных признаках самца и самки, чем облегчалась встреча раз­нополых особей одного вида и препятствовалось скрещивание с представите­лями других видов.

Признаки, по которым один пол отличается от другого, принято делить на первичные и вторичные. К первич­ным относятся половые железы, все остальные признаки полового димор­физма — вторичные. У насекомых эти признаки определяются генотипом, у большинства высших беспозвоночных и всех позвоночных связаны с эндо­кринной системой.

Паразитическое ракообразное сак­кулина, поселяясь в организме краба, приводит своего .хозяина в состояние, получившее название паразитической кастрации, при которой разрушается половая железа. В результате самец внешне становится сходным с самкой. У самцов лягушек на большом пальце передних конечностей имеется утол­щение — «брачная мозоль». Однако у кастрированных особей это образова­ние не развивается. Если же кастрату пересадить семенник или только инъ­ецировать мужской половой гормон, то мозоль появляется.

М. М. Завадовский (1891—1957) про­вел интересные опыты на курах. После кастрации петухов (удаление половых желез) гребень перестает расти, блед­неет и сморщивается, исчезает бородка, утрачивается способность петь, теря­ется половой инстинкт, но сохраняется характерное для петухов яркое опе­рение. Кастрированная курица ли_: шается полового инстинкта, а после линьки приобретает петушиное опе­рение. При пересадке кастрату (неза­висимо от того, был ли он прежде сам­цом или самкой) семенника у него развиваются все признаки петуха, а если пересажен яичник — то курицы.

Из этих демонстративных опытов видно, что не все вторичные половые признаки обусловлены половыми гор­монами. Следует различать зависимые и независимые вторичные половые признаки. Зависимыми от мужского полового гормона у петуха оказались гребень, бородка, голос, поведение, независимым признаком — яркая ок­раска оперения. У курицы скромное оперение и особенности поведения яв­ляются зависимыми от половых гор­монов признаками.

О влиянии половых желез на раз­витие вторичных половых признаков у человека можно судить на основании многочисленных наблюдений.

Известно, что кастрированный (т. е. лишенный половых желез) мужчина приобретает внешнее сходство с жен­щиной. Это выражается в характере оволосения, отсутствии растительности на лице, отложении жира на груди и в области таза и т. д. Если операция произведена в раннем детстве, то тембр голоса не меняется. Половое влечение у кастратов отсутствует.

Особенности полового поведения животных обычно обусловлены гормо­нами половых желез и наиболее выра­жены в брачный период; таковы токо­вание птиц, «турнирные бои» самцов птиц и млекопитающих, ухаживание самцов за самками.

У человека после наступления по­лового созревания появляются вто­ричные половые признаки и половое влечение. Но у человека в отличие от животных биологический пол еще не превращает индивида в мужчину или женщину и не обеспечивает соответ­ствующего полового поведения. Для этого требуется еще чтобы человек осознал свою половую принадлеж­ность и усвоил соответствующее сво­ему полу поведение. В этом заключает­ся одна из важнейших сторон формиро­вания личности. Ребенок обычно к 1,5— 2 годам знает свой пол и в дальней­шем в соответствии с этим направляет свое поведение. По мере полового созревания возникают сексуальные интересы, но на все поведение опять-таки большую формирующую роль оказывает социальная среда.

Биологические особенности репро­дукции человека. Способность к репродукции становится возможной пос­ле полового созревания. Призна­ком наступления полового созревания у человека являются первые поллю­ции (непроизвольное выделение сперматозоонов) у мальчиков и первые менструации у девочек. Половая зре­лость наступает у лиц женского пола в возрасте 16—18 лет, мужского — в 18—20 лет. Сохраняется способность к репродукции у женщин до 40—45 лет (в редких случаях — дольше), а у мужчин до старости, возможно в тече­ние всей жизни.

Продукция гамет у представителей обоих полов совершенно различна: зрелый семенник непрерывно выраба­тывает огромное количество сперматозоонов; половозрелый яичник перио­дически (один раз в лунный месяц) выделяет зрелую яйцеклетку, созре­вающую из числа овоцитов, которые закладываются на ранних этапах он­тогенеза и запасы которых убывают в течение жизни женщины. Значение того, что овоциты закладываются еще до рождения, состоит в том, что по­томство, появляющееся к концу репродуктивного периода, развивается из овоцитов, в которых за длительный срок жизни женщины могли возникнуть генетические дефекты. Следствием это­го является то, что у пожилых матерей относительно чаще рождаются дети с врожденными дефектами. Необходи­мо подчеркнуть, что основную опас­ность представляет не сам возраст ма­тери, а мутагенные факторы и факто­ры, влияющие на развитие плода.

У человека, как и у других организ­мов, имеющих внутреннее оплодотво­рение, мужские половые клетки при половом акте (коитусе) вводятся в половые органы женщины. Во время извержения семенной жидкости (эяку­ляция) у человека выделяется около 200 млн. сперматозоонов, но только один из них оплодотворяет яйцеклетку. Встреча женских и мужских гамет про­исходит в верхних отделах маточных труб. Потребность в колоссальном количестве сперматозсонов объясня­ется случайным, ненаправленным их движением, непродолжительной жизнеспособностью, массовой гибелью при продвижении по женским половым путям. В результате этого верхних отделов маточной трубы достигает лишь около 100 сперматозоонов. Пе­ремещение их осуществляется благо­даря собственной подвижности, а так­же в результате мышечных сокраще­ний стенок полового тракта и направ­ленного движения ресничек слизистой оболочки маточных труб. Спермато-зооны в женских половых путях сохра­няют способность к оплодотворению в течение 1—2 суток, яйцеклетки — на протяжении суток после овуляции. Оплодотворение осуществляется обычно в течение первых 12 ч после ову­ляции. В процессе проникновения сперматозоона через барьер фоллику­лярных клеток, окружающих яйце­клетку и ее оболочку, большую роль играет акросомная реакция. Вслед за проникновением сперматозоона в яйце­клетку образуется оболочка оплодо­творения, препятствующая проникно­вению других сперматозоонов. Зигота опускается по маточным трубам и на восьмые — десятые сутки зародыш внедряется в стенку матки. Если опло­дотворение не наступило, яйцеклетка удаляется из организма.

(11) ВВЕДЕНИЕ В ГЕНЕТИКУ. В последовательных поколениях возникают особи, подобные друг яругу по морфологическим, физиологическим, биологическим и другим признакам, что обусловливается наследственностью — фундаментальной характеристикой живых форм, под которой понима­ют их свойство обеспечивать структурную и функциональную преем­ственность между поколениями. Поскольку структурные, функцио­нальные и иные признаки организма формируются в процессе онтогенеза, наследственность является также механизмом передачи в ряду поколений способности к процессу индивидуального развития, типичному для особей конкретного биологического вида. Каждый вид организмов сохраняет в ряду поколений характерные черты строения и физиологии: утка выводит утят, пшеница воспроизводит пшеницу, человек рождает человека. Особо важная роль в обеспечении свойства структурно-функциональной преемственности между поколениями при­надлежит хромосомам. Соответственно этому в качестве главной формы выделяют хромосомную или ядерную наследственность. Пере­дачапотомку некоторых признаков и свойств происходит при помощи наследственных задатков цитоплазмы. Это дает право говорить о цитоплазматической или внеядерной наследственности. Принципи­альных различий между механизмами хромосомной и цитоплазматиче­ской наследственности не существует — обе формы основываются на передаче в ряду поколений дискретных единиц наследственности генов.

Организмы дочернего и родительского поколений, как правило, не бывают точными копиями друг друга вследствие и з-менчивости, которая, как и наследственность, служит фунда­ментальной характеристикой живого. Изменчивость проявляется в из­менении от особи к особи или между особями разных поколений наслед­ственных задатков (генов), их сочетаний, индивидуального развития. Закономерности наследственности и изменчивости, биологические механизмы, их обеспечивающие, изучает генетика.

Наследственность и изменчивость тесно связаны с размножением и индивидуальным развитием и служат необходимыми предпосылками процесса эволюции. Благодаря изменчивости существует разнообразие живых форм и, следовательно, возможность освоения различных сред обитания, «всюдность жизни» (В. И. Вернадский). Наследственность сохраняет эволюционный опыт биологического вида в поколениях.

Первые генетические представления формировались в связи с сельскохозяйственной и медицинской деятельностью людей. Историче­ские документы свидетельствуют, что уже 6000 лет назад в животно­водстве составлялись родословные (рис. 27). Наблюдения о наследуе­мых патологических признаках, например повышенной кровоточивости у лиц мужского пола, отражены в религиозных документах, в частно­сти, в Талмуде (4—5 век до н. э.). Развитие племенного дела и семено­водства во второй половине XIX века, опубликование Ч. Дарвином учения о происхождении видов стали стимулами к изучению явлений наследственности и изменчивости. Совершается ряд открытий, за­нявших в последующем важное место в системе генетических знаний. Так, описывается непрямое деление соматических клеток, обращается внимание на особые ядерные структуры хромосомы, устанавливается постоянство их числа и индивидуальных морфологических черт в клетках организмов одного вида, а также редукция числа хромосом

вдвое при образовании половых клеток. В 1865 г. Г. Мендель опублико­вал работу «Опыты над растительными гибридами», в которой сформулировал ряд фундаментальных генетических законов.

Официальной датой рождения генетики считают 1900 г., когда были опубликованы данные Г. де Фриза, К. Корренса и К. Чермака, фактиче­ски переоткрывших закономерности наследования признаков, установлен­ные Г. Менделем, и сделавшие их до­стоянием науки. Первые десятилетия XX века оказались исключительно плодотворными в развитии основных положений и направлений генетики. Было сформулировано представление о мутациях (Г. де Фриз), популяциях и чистых линиях организмов (В. Иоганнсен), хромосомная теория наслед­ственности (Т. Г. Морган), открыт закон гомологичных рядов (Н. И. Вавилов), получены данные о том, что рентгеновские лучи вызывают наслед­ственные изменения (Г. С. Филиппов, Г. Меллер). Высказывается предполо­жение о том, что химическую основу гена составляют биологические макро­молекулы (Н. К. Колыши), указывается на связь между генами и ферментами (А. Гаррод). Была начата разработка основ генетики популяций организмов (Г. Гарди, В. Вайнберг, С. С. Четвериков). Устанавливается наследственная природа и проводится Клинический анализ некоторых наследственных заболеваний. Разрабатывается методика медико-генетического консультирования населения (С. Н. Дадиденксш).

Решающее значение для развития генетики на настоящем этапе имеют открытие «вещества наследственно­сти» — ДНК, расшифровка биологи­ческого кода, описание механизма биосинтеза белка.

Основные направления генетики человека. Исторически интерес медицины к генетике формировался первоначально в связи с наблюдениями за наследуе­мыми патологическими признаками. Во второй половине XIX века англий­ский биолог Ф. Гальтон выделил наследственность человека как самостоятельный предмет ис­следования. Он же предложил ряд специальных методов генетического анализа — генеалогический, близнецо­вый, статистический. Изучение закономерностей наследования нормальных и патологических признаков и сейчас занимает ведущее место в генетике человека. При этом предметом непосредственного изучения служат как качественные (дискретные), так и количественные показатели организма. Долгое время маркерами в исследованиях генетических закономерностей были морфологические или клинические признаки. Обнаружение взаимосвязи между генами и ферментами привело к созданию биохимической и молекулярной генетики. Тот факт, что белок является первичным продуктом функциональной активности гена, обусловило интенсивное развитие этого направления в наши дни. Аналогично объясняется прогресс иммуногенетики, изучающей генетические основы иммунных реакций организма человека. Выяснение первичного биохимического нарушения, приводящего через ряд промежуточных этапов к наслед­ственному заболеванию, облегчает поиск путей коррекции соответству­ющих клинических проявлений. Так, заболевание фенилкетонурия, обусловленное недостаточным синтезом фермента фенилаланингидроксилазы и, следовательно, нарушенным обменом аминокислоты фенилаланина, поддается лечению, если из пищи исключить эту амино­кислоту.

Наряду с наследственными болезнями выявлены заболевания с наследственным предрасположением (сахарный диабет, язвенная и гиперто­ническая болезни, некоторые формы психических болезней). Изучение соотносительной роли генетических факторов и факторов среды в развитии заболеваний с наследственным предрасположением пред­ставляет собой один из ведущих разделов меди ц и некой генетики.

Наследственные болезни и заболевания с генетической предрасполо­женностью зависят от наличия неблагоприятных аллелей генов или их сочетаний. Популяционная генетика изучает распределе­ние аллелей отдельных генов в группах людей, закономерности изменения этого распределения во времени и по территории, причины неравномерного распределения аллелей. Это позволяет прогнозировать число некоторых наследственных заболеваний в поколениях и целе­направленно планировать медицинские мероприятия. Так, аллель, обусловливающий развитие фенилкетонурии, о которой шла речь выше, встречается существенно чаще в генотипах ирландцев и шотландцев, чем англичан. При этом предки многих семей, например из юго-восточной Англии, в которых наблюдаются больные фенилкетонурией, - также выходцы из Ирландии и Шотландии. Большая или меньшая заболеваемость болезнью с наследственным предрасположе­нием (степень риска) в различных группах людей также может зависеть от неравномерного распределения в популяциях тех или иных аллелей. К развитию ишемической болезни сердца предрасполагает, например, повышенное содержание в крови холестерина. Этот признак контроли­руется доминантным аллелем определенного гена. У лиц с названным аллелем рано (до 30 лет) появляются приступы стенокардии, к 50-ти годам у них развивается ишемическая болезнь сердца и около половины подобных больных к 60-ти годам погибает.

В эукариотических клетках гены распределены между хромосомами. Разработка методов хромосомного анализа, изучение структурно-функциональных характеристик хромосом, их картирование по присут­ствию генов, выяснение роли отдельных хромосом в индивидуальном развитии составляют задачи цитогенетики. Достижения цито-генетики используются для диагностики и изучения хромосомных болезней, которые представляют собой пороки развития вследствие изменений в клетках числа хромосомных наборов, количества хромосом или их структуры.

Изменения в генетическом материале могут возникнуть под воздействием факторов окружающей среды, которые необходимо исследовать на мутагенное действие. Важными разделами этого направления являются радиационная генетика и исследо­вания по мутагенному действию химических соединений. Значение последнего раздела видно из того факта, что около 10% веществ, ежегодно поступающих в обращение в виде средств борьбы с насекомы­ми, промышленных соединений, лекарств, пищевых добавок, способны вызывать в клетках человека мутации.

Индивидуальные и групповые особенности реакций людей, различающихся генетически, на терапевтические воздействия изучает фармакогенетика. Она вскрывает наследственные факторы изменчивости, эффективности и выраженности побочных действий лекарств у разных лиц.

Наряду с проблемами генетики человека существенный вопрос для медицины представляют генетические вопросы биологии возбудителей инфекционныхзаболеваний вирусов, бактерий. Важное место занимают проблемы изменчивости и разнообразия штаммов (разновидностей) возбудителей, выработки иммунитета, устойчивости к антибиотикам и другим лекарственным препаратам. Изучение генетики микроорга­низмов имеет большое значение в микробиологической промышленно­сти для организации производства биохимических продуктов путем синтеза их подходящими штаммами бактерий.

14. Человек как специфический объект генетического анализа. Методы изучения наследственности человека: генеалогический, близнецовый, цитогенетический, биохимический, популяционно-статистический, метод генетики соматических клеток, математического моделирования, дерматоглифика. Задачи медико-генетического консультирования.

Ис­следование генетики человека связано с большими трудностями, причины которых связаны с невозможностью экспериментального скрещивания, мед­ленной сменой поколений, малым ко­личеством потомков в каждой семье. Кроме того, в отличие от классических объектов, изучаемых в общей генетике, у человека сложный кариотип, боль­шое число групп сцепления. Однако, несмотря на все эти затруднения, гене­тика человека успешно развивается.

Невозможность экспериментально­го скрещивания компенсируется тем, что исследователь, наблюдая обширную человеческую популяцию, может выбрать из тысяч брачных пар те, кото­рые необходимы для генетического анализа. Метод гибридизации сомати­ческих клеток позволяет эксперимен­тально изучать локализацию генов в хромосомах, проводить анализ групп сцепления.

При изучении генетики человека используются следующие методы: генеалогический, близнецовый, популяционно-статистический, дерматоглифический, биохимический, цитогенетический, гибридизации соматических клеток и методы моделирования.

У человека установлены все 24 тео­ретически возможные группы сцепле­ния генов; из них 22 локализованы в аутосомах, в каждой из которых содер­жится по нескольку сот генов. Более 100 генов локализовано в половых хромосомах.

У млекопитающих, в том числе и человека, Х-, и Y-хромосомы имеют гомологичный участок, в котором про­исходит их синапсис и возможен крое-синговер. Все гены, локализованные в половых хромосомах человека, можно разделить на три группы в зависимо­сти от того, в каких участках половых хромосом они находятся.

Первая группа — сцепленная с полом. В нее входят гены, локализованные в той части Х-хромосомы, которая не имеет гомологичного участка в Y-хромосоме. Они полностью сцеплены с по­лом, передаются исключительно через Х-хромосому. К их числу относятся рецессивные гены гемофилии, дальто­низма, атрофии зрительного нерва и др. Доминантные гены из этого участка одинаково проявляются у обоих полов, рецессивные же — у женщин только в гомозиготном, а у мужчин — и в гемизнготном состоянии.

Вторую группу составляет неболь­шое число генов, расположенных в не­парном участке Y-хромосомы. Они могут встречаться только у лиц мужского пола и передаются от отца к сыну. К ним относятся: волосатость ушей, ихтиоз (кожа в виде рыбьей чешуи), перепончатые пальцы на ногах.

Третья группа — гены, расположен­ные в парном сегменте половых хро­мосом, т. е. гомологичном для Х-и У-хромосом. Их называют неполно или частично сцепленными с полом. Они могут передаваться как с Х-, так и с Y-хромосомой и переходить из одной в другую в результате кроссинговера.

Методы изучения наследственности у человека. Генеалогический метод. Этот метод основан на прослеживании какого-либо нормального или патоло­гического признака в ряде поколений с указанием родственных связей между членами родословной. Генеалогия в широком смысле слова — родословная человека.

Генеалогический метод был введен в науку в конце XIX в. Ф. Гальтоном. Суть его состоит в том, чтобы выяснить родственные связи и проследить на­личие нормального или патологиче­ского признака среди близких и даль­них родственников в данной семье.

Сбор сведений начинается от пробанда. Пробандом называется лицо, родословную которого необходимо со­ставить. Им может быть больной или здоровый человек — носитель какого-либо признака или лицо, обратившееся за советом к врачу-генетику. Братья и сестры пробанда называются сибсами. Обычно родословная составля­ется по одному или нескольким при­знакам. Метод включает два этапа: сбор сведений о семье и генеалогиче­ский анализ. Генеалогический метод является основным связующим звеном между теоретической генетикой чело­века и применением ее достижений в медицинской практике.

Хотя генеалогический метод явля­ется одним из самых давних, его воз­можности далеко не исчерпаны бла­годаря использованию новых, более со­вершенных методов анализа фенотипа, выявлению гетерозиготных носителей, учету влияния факторов среды и т. п.

Для составления родословной прово­дят краткие записи о каждом члене родословной с точным указанием его-родства по отношению к пробанду. За­тем делают графическое изображение родословной; для составления схемы приняты стандартные символы.

Генеалогический метод тем информа­тивнее,- чем больше имеется досто­верных сведений о здоровье родственников больного.

После составления родословной на­чинается второй этап — генеалогиче­ский анализ, целью которого является установление генетических закономер­ностей. Вначале требуется установить, имеет ли признак наследственный ха­рактер. Если какой-либо признак встречался в родословной несколько раз, то можно думать о его наследствен­ной природе. Однако это может быть и не так.

В случае обнаружения наследствен­ного характера признака необходимо установить тип наследования: доми­нантный, рецессивный, сцепленный с полом.

Основные признаки аутосомно-доми-наитного наследования следующие: проявление признака в равной мере у представителей обоих полов, наличие больных во всех поколениях (по верти­кали) и при относительно большом ко­личестве сибсов и по горизонтали (у сес­тер и братьев пробанда). У гетерози­готного родителя вероятность рожде­ния больного ребенка (если второй родитель здоров) составляет 50 %. Следует учесть, что и при доминантном типе наследования может быть про­пуск в поколениях за счет слабо выра­женных, «стертых» форм заболевания (малая экспрессивность мутантного гена) или за счет его низкой пенетрантности (когда у носителя данного гена признак отсутствует).

Основные признаки рецессивного на­следования: относительно небольшое число больных в родословной, нали­чие больных «по горизонтали» (боле­ют сибсы — родные, двоюродные). Родители больного ребенка чаще фенотипически здоровы, но являются гетерозиготными носителями рецес­сивного гена. Вероятность рождения больного ребенка составляет 25 %. При проявлении рецессивных заболева­ний нередко встречается кровное род­ство родителей больных. Следует иметь в виду, что наличие отдаленного родства бывает неизвестно членам семьи. Прихо­дится учитывать косвенные соображе­ния, например, происхождение из од­ного и того же малонаселенного пункта или принадлежность к какой-либо изо­лированной этнической или социальной группе.

Рецессивный признак проявляется тогда, когда в генотипе имеются оба рецессивных аллеля. Кроме описан­ного варианта, когда родители имеют генотипы Аа и Аа, возможны и другие варианты исходных генотипов. Оба родителя — рецессивные гомозиготы; в этом случае (безусловно, редком) все дети будут больны. Один из родителей болен, а другой — здоров, но имеет в генотипе мутантный ген в гетерози­готном состоянии (аа и Аа). В этом случае наблюдается симуляция доми­нантного наследования (теоретически возможное расщепление 1:1). Однако наиболее часто наблюдаются варианты рождения больного ребенка у фенотипически нормальных родителей и на­личие больных по боковым линиям родословной.

Существует тип наследования, сцеп­ленного с полом. Заболевания, обус­ловленные геном, локализованным в Х-хромосоме, могут быть как доминант­ными, так и рецессивными. При доминантном Х-сцепленном наследовании заболевание одинаково проявляется как у мужчин, так и у женщин и в дальнейшем может передаваться по­томству. В этом случае женщина мо­жет передать этот ген половине до­черей и половине сыновей (ее генотип — Х^АХ^а, вероятность передачи Х-хромосомы с доминантным мутантным геном — 50 %). Мужчина же пере­дает этот ген с Х-хромосомой всем дочерям. Понятно, что сыновья, имею­щие в генотипе только одну материн­скую Х-хромосому, этот ген от отца унаследовать не могут. Примером тако­го заболевания является особая форма рахита, устойчивого к лечению каль­циферолами (вит. D).

Близнецовый метод. Это один из наиболее ранних методов изучения генетики человека, однако он не утра­тил своего значения и в настоящее время. Близнецовый метод был вве­ден Ф. Гальтоном, который выделил среди близнецов две группы: однояйцо­вые (монозиготные) и двуяйцовые (ди-зиготные). Как правило, у человека ро­ждается один ребенок, но в среднем один случай на 84 новорожденных со­ставляют двойни. Около одной трети их числа — монозиготные близнецы. Они развиваются из разъединившихся бластомеров одной оплодотворенной яйцеклетки и, следовательно, имеют одинаковый генотип. Монозиготные близнецы при нормальном эмбрио­нальном развитии всегда одного пола.

Дизиготные близнецы рождаются ча­ще (2/3 общего количества двоен), они развиваются из двух одновремен­но созревших и оплодотворенных яйце­клеток. Такие близнецы могут быть и однополые, и разнополые. Если изучаемый пригнан проявляется у обоих близнецов пары, их называют конкчрдаятными (лат. сопсогйаге — быть согласным, сходным). Конкор­да нтность — это процент сходства по изучаемому признаку. Отсутствие при­знака у одного из близнецов — дискордантность.

В настоящее время для более точно­го определения зиготности кроме мор­фологических признаков используют исследование групп крови (по системе АВО, К,h, MN) и белков плазмы крови.

Близнецовый метод используется в генетике человека для того, чтобы оце­нить степень влияния наследственно­сти и среды на развитие какого-либо нормального или патологического при­знака. Поскольку у монозиготных близнецов одинаковые генотипы, то имеющееся несходство вызывается ус­ловиями среды в период либо внутри­утробного развития, либо формирова­ния организма после рождения.

Для оценки роли наследственности в развитии того или иного признака производят расчет по формуле: Н= (% сходства ОБ - % сходства ДБ) / (100 - % сходства ДБ). Где Н – коэф.нас-ти, ОБ – однояй.близ., ДБ – двуяй.близ.

При Н, равном единице, признак полностью определяется наследствен­ным компонентом; при Н, равном ну­лю, определяющую роль играет влия­ние среды. Коэффициент, близкий к 0,5, свидетельствует о примерно оди­наковом влиянии наследственности и среды на формирование признака.

Метод дерматоглифики. Дер­матоглифика (гр. derma — кожа, gliphe — рисовать) — это изучение релье­фа кожи на пальцах, ладонях и подо­швенных поверхностях стоп. В отличие от других частей тела здесь име­ются эпидермальные выступы — греб­ни, которые образуют сложные узоры. В 1892 г. Ф. Гальтон предложил классификацию этих узоров, позволившую использо­вать этот метод для идентификации личности в криминалистике. Таким образом, выделился один из разде­лов дерматоглифики — дактилоскопия (изучение узоров на подушечках пальцев). Другие разделы дермато­глифики — пальмоскопия (рисунки на ладонях) и плантоскопия (изучение дерматоглифики подошвенной поверх­ности стопы).

Дактилоскопия. Гребни на коже пальцев рук соответствуют со­сочкам дермы (от лат. papilla — со­сочек), поэтому их называют также па­пиллярными линиями, рельеф этих выступов повторяет пласт эпидермиса. Межсосочковые углубления образуют бороздки. На поверхности гребней открываются выводные протоки пото­вых желез, а в толще соединительно­тканного сосочка находятся чувстви­тельные нервные окончания. Поверх­ность, покрытая гребневой кожей, от­личается высокой тактильной чувстви­тельностью.

Дерматоглифические исследования имеют важное значение в определе­нии зиготности близнецов, в диагно­стике некоторых наследственных забо­леваний, в судебной медицине, в кри­миналистике для идентификации лич­ности. Папиллярные линии на паль­цевых подушечках образуют токи раз­личного направления. Узоры обычно изучают на отпечатках, сделанных на бумаге после смазывания кожи типо­графской краской. Детальное исследо­вание узора проводят с помощью лупы. Папиллярные линии разных токов ни­когда не пересекаются, но могут сбли­жаться в определенных пунктах, об­разуя трирадиусы, или дельты. На пальцевых поду­шечках различают линии центрально­го узора и линии рамки, которые окай­мляют центральный узор. Выдел.3 основ.типа: дуги А (англ. аrch — дуга); петли L (англ. 1оор — петля) и завитковые узоры W (англ. wor1— завиток). Ду­говые узоры встречаются реже осталь­ных (6 %), в этом узоре имеется лишь один поток папиллярных линий.

Петлевые узоры являются наиболее распростра­ненными (около 60 %). Это замкнутый с одной стороны узор. Петли имеют одну дельту. Если петля открывается в сторону лучевой кости, она называется радиальной, если в сторону локтевой кости,—ульнарной (L^r; L^u).

Завитковые узоры занимают среднее место по распространенности (34 %). Они имеют вид концентрических кру­гов, овалов, спиралей, снизу и сверху центральная часть узора окаймлена двумя потоками линий. Завитки име­ют две дельты.

Пальмоскопия. Ладонный ре­льеф очень сложный, в нем выделяют ряд полей, подушечек и ладонных ли­ний. Центральную ладонную ямку окружают шесть возвышений — поду­шечек. У основания большого паль­ца — тенар, у противоположного края ладони — гипотенар, против межпальцевых промежутков находят­ся четыре межпальцевые подушечки. У основания II, III, IV и V пальцев находятся пальцевые трирадиусы – точки, где сходятся три разнонаправ­ленных тока папиллярных линий.

У правшей более сложные узоры встречаются на правой руке, у лев­шей — на левой, У женщин частота завитковых узоров ниже, чем у муж­чин, меньше гребневой счет, а частота петлевых и дуговых — выше. На подошвенной поверхности стоп также имеются кожные узоры. Их изучение составляет предмет плантоскопии.

Биохимические методы. Эти ме­тоды используются для диагностики болезней обмена веществ, причиной которых является изменение активно­сти определенных ферментов. С помо­щью биохимических методов открыто около 500 молекулярных болезней, являющихся следствием проявления мутантных генов. При различных ти­пах заболеваний удается либо опре­делить сам аномальный белок-фермент, либо промежуточные продукты обмена.

Применяют также микробиологиче­ские тесты, они основаны на том, что некоторые штаммы бактерий могут расти только на средах, содержащих определенные аминокислоты, углево­ды. Удалось получить штаммы по веществам, являющимся субстратами

или промежуточными метаболитами у больных при нарушении обмена. Если в крови или моче есть требуемое для роста вещество, то в чашке Петри во­круг фильтровальной бумаги, пропи­танной одной из этих жидкостей, на­блюдается активное размножение мик­робов, чего не бывает в случае анализа у здорового человека. Разрабатыва­ются различные варианты микробиоло­гических методов.

Популяционно-статистиче­ский метод позволяет изучать рас­пространение отдельных генов в челове­ческих популяциях. Одним из наиболее простых и уни­версальных математических методов яв­ляется метод, предложенный Г. Харди и В. Вайнбергом (см. гл. 11). Имеется и ряд других специальных математи­ческих методов. В результате становит­ся возможным определить частоту генов в различных группах населения, ча­стоту гетерозиготных носителей ряда наследственных аномалий и болезней.

Исследуемые популяции могут раз­личаться по биологическим призна­кам, географическим условиям жизни, экономическому состоянию. Изучение распространенности генов на опре­деленных территориях показывает, что в этом отношении их можно разделить на две категории: 1) имеющие универ­сальное распространение (к их числу относится большинство известных ге­нов); примером могут служить рецес­сивные гены фенилкетоиурии; 2) встречающиеся локально, преимущественно в определенных ра­йонах (ген серповидноклеточной анемии).

Популяционно-статистический метод позволяет определить генетиче­скую структуру популяций (соотноше­ние между частотой гомозигот и гетерозигот). Новые возможности для про­ведения генетического анализа откры­вает применение электронно-вычисли­тельной техники. Знание генетического состава популяций населения имеет большое значение для социальной ги­гиены и профилактической медицины.

Цитогенетическпй метод. Принципы цитогенетических исследова­ний сформировались в течение 20—30-х годов на классическом объекте генети­ки — дрозофиле и на некоторых расте ниях. Метод основан на микроскопиче­ском исследовании хромосом.

Нормальный кариотнп человека включает 46 хромосом, из них 22 пары аутосом и 2 половые хромосомы. Это удалось шведским ученым Д. Тийо и А. Левану. К этому времени в лабора­тории успешно

производили культиви­рование клеток человека (клетки кост­ного мозга, культуры фибробластов или лейкоцитов периферической кро­ви, стимулированных к делению фитогемагглютинином). Важнейшая задача со­стоит в умении различать индивидуаль­ные хромосомы в данной метафазной пластинке. Непосредственно, путем ви­зуального наблюдения под микроско­пом это сделать трудно, поэтому обыч­но делают микрофотографии, а затем вырезают отдельные хромосомы и рас­полагают их в порядке убывающей величины (построение кариограммы).

Для идентификации хромосом при­меняют количественный морфометриче-ский анализ. С этой целью проводят измерение длины хромосомы в микро­метрах. Определяют также соотноше­ние длины короткого плеча к длине всей хромосомы (центромерный ин­декс).

В настоящее время разработано не­сколько методов выявления структур­ной неоднородности по длине хромосом человека. Основу всех методов состав­ляют произведенные на препаратах процессы денатурации и ренатурации ДНК хромосом. Если после денатура­ции ДНК, вызванной нагреванием и некоторыми другими факторами, про­вести затем ее ренатурацию— восста­новление исходной двунитчатой струк­туры, а затем окрасить хромосомы кра­сителем Гимзы, то в них выявляется четкая дифференцировка на темноокра-шенные и светлые полосы — диски. Последовательность расположения этих дисков, их рисунок строго спе­цифичен для каждой хромосомы. В ре­зультате различных вариантов метода удается выявить центромерный и око­лоцентромер ный гетерохроматин (С-диски), диски, расположенные по дли­не хромосом (собственно Гимзы-диски, G-диски).

Если нарушения касаются половых хромосом, то диагностика упрощается. В этом случае проводится не полное кариотипирование, а применяется ме­тод исследования полового хроматина в соматических клетках.

Половой хроматин — это небольшое дисковидное тельце, интенсивно окра­шивающееся гематоксилином и други­ми основными красителями. Оно обна­руживается в интерфазных клеточных ядрах млекопитающих и человека, не­посредственно под ядерной мембраной.

Впоследствии было уточнено, что половой хроматин имеется в большинстве клеточных ядер самок (60—70 %), у самцов его обычно нет, либо встреча­ется очень редко (3—5 %).

Половой хроматин можно определить и на мазках крови, в ядрах нейтрофилоцитов эти тельца имеют харак­терный вид барабанных палочек, от­ходящих от сложно-дольчатого ядра этих лейкоцитов. В норме у женщин эти структуры обнаруживаются в 3— 7 % нейтрофилоцнтов, а у мужчин они вообще отсутствуют.

Методы гибридизации сома­тических клеток. Соматические клетки содержат весь объем генетиче­ской информации. Это дает возможность изучать многие вопросы генетики чело-

века, которые невозможно исследовать на целом организме. Благодаря мето­дам генетики соматических клеток че­ловек стал как бы одним из эксперимен­тальных объектов. Соматические клет­ки человека получают из разных орга­нов (кожа, костный мозг, клетки кро­ви, ткани эмбрионов). Чаще всего ис­пользуют клетки соединительной тка­ни (фибробласты) и лимфоциты крови. Культивирование клеток вне

организ­ма позволяет получить достаточное ко­личество материала для исследования, что не всегда можно взять у человека без ущерба для здоровья.

В 1960 г. французский биолог Ж. Барский, выращивая вне организма в культуре ткани клетки двух линий мышей, обнаружил, что некоторые клет­ки по своим морфологическим и биохи­мическим признакам были промежуточ­ными между исходными родительскими клетками. Эти клетки оказались гибридными.

Гибридизация соматических клеток проводится в широких пределах не только между разными видами, но и типами: человек х мышь, человек х комар, мышь х курица и т. п. В за­висимости от целей анализа исследова­ние проводят на гетерокарионах или синкарионах. Синкарионы обычно уда­ется получить при гибридизации в пре­делах класса. Это истинные гибридные клетки, так как в них произошло объединение двух геномов. Происходит постепенная элиминация хромосом того организма, клетки ко­торого имеют более медленный темп размножения.

Применение метода генетики сома­тических клеток дает возможность изу­чать механизмы первичного действия генов и взаимодействия генов.

Методы моделирования. Теоре­тическую основу биологического моде­лирования в генетике дает закон гомо­логических рядов наследственной из­менчивости, открытый Н. И. Вавило­вым, согласно которому генетически близкие виды и роды характеризуются сходными рядами наследственной из­менчивости. Исходя из этого закона, можно предвидеть, что в пределах класса млекопитающих (и даже за его пределами) можно обнаружить мно­гие мутации, вызывающие такие же изменения фенотипических призна­ков, как и у человека. Для моделирова­ния определенных наследственных ано­малий человека подбирают и изучают мутантные линии животных, имеющих сходные нарушения.

Многие мутантные линии животных путем возвратного скрещивания пере­ведены в генетически близкие, в ре­зультате получены линии, различаю­щиеся только по аллелям одного ло-куса. Это дает возможность уточнить механизм развития данной аномалии. Безусловно, у человека могут быть свойственные только ему заболевания и в результате взаимодействия генов у человека фенотипический эффект мо­жет значительно изменяться. Мутантные линии животных не являются точ­ным воспроизведением наследственных болезней человека.