Генетика. Вопросы к зачёту. 1. Влияние факторов среды на формирование и степень выраженности признаков. Понятие о факторах среды I-го и II-го порядка. Фенотип индивидуума является результатом реализации его наследственной информации в определенных условиях среды. На формирование и степень выраженности большинства признаков человека могут оказывать влияние различные средовые факторы: абиотические, биотические, антропогенные. При изучении роли среды на функцию и структуру генотипа следует выделить два основных эффекта: изменение проявления действия генов при влиянии на организм определенных факторов среды; изменение генетического материала особей. Модификационная изменчивость– это изменчивость фенотипа, которая является реакцией конкретного генотипа на изменяющиеся условия среды. Они не передаются по наследству,адаптация. Типы модификационной изменчивости: возрастные, сезонные и экологические модификации. Следует отметить, что четкой границы между ними нет. Возрастные, или онтогенетические, модификации выражаются в виде постоянной смены признаков в процессе развития особи. У человека в процессе развития наблюдаются модификации морфофизиологических и психических признаков. Например, ребенок не сможет правильно развиваться и физически, и интеллектуально, если в раннем детстве на него не будут оказывать влияние нормальные внешние социальные факторы. Онтогенетическая изменчивость, как и сам онтогенез, детерминируется генотипом, но особенности формирования фенотипа в онтогенезе обусловлены взаимодействием генотипа и среды. Сезонные модификации проявляются в виде генетически детерминированной смены признаков (изменение окраски шерсти, горностаевый кролик). Модификации, индуцирующиеся физическими и химическими факторами, - морфозы. Среда 1 порядка – это непосредственное окружение, в котором осуществляют свои функции отдельные гены и генотип в целом. Оно образовано всей совокупностью факторов внутренней среды организма: клеточное содержимое (исключая ДНК), характер прямых межклеточных взаимодействий, биологически активные вещества (гормоны). Особенно большое влияние на функцию генотипа факторы этой среды оказывают в период активных формообразовательных процессов, прежде всего в эмбриогенезе. Среда 1 порядка адекватно отвечает изменениям в среде 2 порядка. Основную роль здесь играет эндокринная система. Так, гормоны непосредственно влияют на экспрессивность генов, и если по каким-либо причинам гормон поступает в кровь в ненормальном количестве, то и признак будет выражен по-другому. С другой стороны, выделяют понятие окружающей среды, или среды 2-го порядка, как совокупности внешних по отношению к организму факторов. Один из классических примеров у животных – опыты Ильина с изменением окраски у горностаевых кроликов. У этой породы мех белый, но отдельные части тела - лапы, уши, кончики морды, хвост - черные. Если на спине кролика, которая покрыта белой шерстью, выбрить небольшой участок и поместить животное в условия пониженной температуры, то на оголенном месте вырастает черная шерсть. Этот факт наглядно свидетельствует о роли одного из физических факторов внешней среды – температуры в формировании такого признака, как окраска шерсти кролика. 2. Количественная и качественная специфика проявления генов: пенетрантность, экспрессивность, плейотропия, генокопии. Особенности проявления доминантных патологических генов. Зависимость нескольких признаков от одного гена - плейотропия, т. е. наблюдается проявление множественных эффектов одного гена. Это явление было впервые обнаружено Менделем, хотя он специально его не исследовал. По его наблюдениям у растений с пурпурными цветками всегда имелась красная окраска в основании черешков листьев, а кожура семян была бурого цвета. Эти три признака определялись действием одного гена. Плейотропное действие гена может быть первичным и вторичным. При первичной плейотропии ген одновременно проявляет свое 1 множественное действие. Например, измененный белок взаимодействует с цитоплазмой различных клеточных систем или изменяет свойства мембран в клетках из нескольких органов. При вторичной плейотропии имеется одно первичное фенотипическое проявление гена, вслед за которым развивается ступенчатый процесс вторичных проявлений, приводящих к множественным эффектам (серповидно-клеточная анемия). При плейотропии ген, влияя на какойто один основной признак, может также изменять, модифицировать проявление других генов, в связи с чем введено понятие о генах-модификаторах. Последние усиливают или ослабляют развитие признаков, кодируемых «основным» геном. Количественный показатель фенотипического проявления гена - пенетрантность. Пенетрантность характеризуется процентом особей, у которых проявляется в фенотипе данный ген, по отношению к общему числу особей, у которых ген мог бы проявиться (если учитывается рецессивный ген, то у гомозигот, если доминантный — то у доминантных гомозигот и гетерозигот). Если, например, мутантный ген проявляется у всех особей, говорят о 100 % пенетрантности, в остальных случаях — о неполной и указывают процент особей, проявляющих ген. Экспрессивность — степень проявления (выраженности) в фенотипе различных особей одного и того же аллеля определённого гена. Количественные показатели экспрессивности измеряются на основе статистических данных. Экспрессивность и пенетрантность поддерживаются естественным отбором. Обе закономерности необходимо иметь в виду при изучении наследственности у человека. Следует помнить, что гены, контролирующие патологические признаки, могут иметь различную пенетрантность и экспрессивность, т. е. проявляться не у всех носителей аномального гена, и что у болеющих степень болезненного состояния неодинакова. Изменяя условия среды, можно влиять на проявление признаков. Ряд сходных по фенотипическому проявлению признаков, в том числе и патологических, может вызываться различными неаллельными генами - генокопии. Генокопии обусловливают генетическую неоднородность ряда заболеваний. Примером генокопий могут служить различные виды гемофилии. Проявление доминантных патологических генов: у гомозиготных заболевание обычно протекает тяжелее, чем у гетерозиготных. Активность патологических генов часто блокируется другими генами (явление эпистаз). Частота встречаемости низкая и зависит от эффекта гена. 3. Генетический полиморфизм – основа индивидуальных реакций на воздействия факторов среды. Множественный аллелизм как фактор способствующий генетическому полиморфизму. Основная гипотеза, объясняющая индивидуальные реакции организма, заключается в том, что каждый организм (за исключением монозиготных близнецов) имеет свой уникальный набор генов, который определяет не только индивидуальность его внешних признаков, но и индивидуальные биохимические, иммунологические, морфологические и другие особенности. Генетический полиморфизм (наличие в популяции особей с различными генотипами) является основой индивидуальных реакций особей в популяции на действие конкретного фактора среды. Ранее подчеркивалось, что генотип организма целиком зависит от генетического разнообразия генофонда популяции, в которой обитает индивид, а также что, любой ген в популяции может быть представлен разными аллелями: минимально двумя (доминантным и рецессивным), максимально – без ограничений (множественные аллели). Последние исследования генетиков позволили сделать вывод, что около 25% всех генов в популяции представлены множественными аллелями, а каждый аллель отвечает за индивидуальность какого-либо белка (структурного белка, фермента). Генный полиморфизм представлен в организме аллелями в количестве более одного, ярким примером этого может стать кровь. Хромосомный представляет собой различия в пределах хромосом, который происходит за счет аберраций. При этом в гетерохроматиновых участках есть различия. Переходный полиморфизм возникает в том случае, когда в популяции происходит замещение аллеля, который когда-то был обычным, другим, который обеспечивает своего носителя большей приспосабливаемостью (это также называется множественным аллелизмом). 2 Последствия генеративных и соматических генных мутаций оказываются различными: генеративные – накапливаются в генофонде популяции, соматические - приводят к возникновению клеточного мозаицизма. Множественный аллелизм определяет в человеческих популяциях фенотипическую гетерогенность. Она, в свою очередь, являет собой одну из основ многообразия генофонда. Множественный аллелизм обусловлен генными мутациями, которые изменяют последовательность в азотистых основаниях ДНК-молекулы на участке, который соответствует определенному гену. Данные мутации могут быть вредными, полезными либо нейтральными. Вредные превращения провоцируют наследственные патологии, с которыми связан множественный аллелизм. Многократное мутирование одного и того же гена образует серию множественных аллелей, а само явление называется явлением множественного аллелизма. Оно имеет широкое распространение: окраска шерсти у кроликов, цвет глаз у дрозофилы, система групп крови АВО у человека. Имеются определенные закономерности множественного аллелизма: каждый ген может иметь большое число аллелей; любой аллель может возникнуть в результате прямой и обратной мутации любого члена серии множественных аллелей или от аллеля дикого типа; в диплоидном организме могут одновременно находиться два любых аллеля из серии множественных аллелей; аллели находятся в сложных доминантно-рецессивных отношениях между собой: один и тот же аллель может быть доминантным по отношению к одному аллелю и рецессивным по отношению к другому, а между иными аллелями доминирование может отсутствовать, и наблюдается кодоминирование. 4. Генетика пола. Генетические механизмы детерминации пола. Пол - совокупность признаков, обеспечивающих половое размножение и отличающих женские и мужские особи. Развитие пола контролируется генами половых хромосом. Кроме генов, определяющих пол, в половых хромосомах размещены и другие гены: 1) гены, которые есть и в Xи в Y-хромосомах, 2) гены, которые есть в Х-хромосомах, но отсутствуют Y-хромосомах (обусловливают гомозиготные признаки), 3) гены, которые есть в Y - хромосомах, но отсутствуют в X - хромосомах (обусловливают голандрические признаки). Признаками, определяющими пол, являются: первичные половые признаки - наличие половых органов (гонады, половые пути, наружные половые органы), которые принимают непосредственное участие в воспроизведении; вторичные половые признаки - признаки, которые непосредственно не участвуют в процессе воспроизведения, но определяют внешнее отличие между мужским и женским полом; третичные половые признаки - признаки, сцепленные с полом, т.е. те, которые определяются генами, расположенными в половых хромосомах. Хромосомные наборы самцов и самок различаются по строению одной из пар, поэтому у раздельнополых организмов различают аутосомы и половые хромосомы. Аутосомы (неполовые хромосомы) – это хромосомы, одинаковые у представителей мужского и женского полов. Половые хромосомы – это хромосомы, которыми мужской и женский пол отличается друг от друга. Эти хромосомы имеют особую форму, что и обусловило их название: X-и Y-хромосомы. У определенного пола половые хромосомы могут быть одинаковыми или разными. В зависимости от этого различают гомогаметные и гетерогаметные пола. У большинства раздельнополых организмов пол будущей особи определяется в момент оплодотворения и зависит от того, сколько и какие из половых хромосом соединятся в зиготе. Определение пола, или детерминация пола — биологический процесс, в ходе которого развиваются половые характеристики организма. Во многих случаях пол определяется генетически. Генетическая детерминация пола — наиболее распространённый способ определения пола у животных и растений, пол при этом может определяться серией аллелей одного или нескольких аутосомных генов, или детерминация пола может происходить при помощи половых хромосом с полопределяющими генами. При хромосомном определении пола набор половых хромосом у самцов и самок, как правило, разный из-за их гетероморфности, и пол определяется комбинациями половых хромосом. В половых хромосомах женского организма кроме генов, 3 контролирующих пол потомка, находятся еще и другие гены, передающиеся сцеплено с полом. Например, в Х-хромосоме человека сосредоточены доминантные гены, контролирующие свертываемость крови и нормальное цветовосприятие, но такие гены отсутствуют в У-хромосоме. Если в Х-хромосоме клеток мужского организма содержатся дефектные гены, проявится заболевание гемофилия (кровоточивость) или дальтонизм (неспособность различать красный и зеленый цвета), либо обе аномалии вместе. При сингамном определении пол дочерней особи определяется в момент слияния гамет. Это наиболее распространенный тип детерминации пола, характерный для животных всех видов. + есть теория Коренса и пол бывает: генетический, гаметный, гонадный, психический. 5. Понятие об истинном и ложном гермафродитизме. Нарушения формирования пола человека. Гермафродитизм — одновременное или последовательное наличие у организма мужских и женских половых признаков и репродуктивных органов. Гермафродитизмом называют состояние, при котором у живого организма проявляются анатомические и/или физиологические признаки обоих полов. Гермафродитизм у людей встречается достаточно редко. Иногда о гермафродитизме говорят при некоторых генетических нарушениях, которые сопровождаются слабо развитыми первичными или вторичными половыми признаками. Различают истинный и ложный гермафродитизм у людей. При истинном гермафродитизме в организме одновременно присутствуют и женские и мужские половые хромосомы. Вследствие этого половые железы имеют признаки и мужского и женского организма, а наружные половые органы формируются по смешанному типу. Характеризуется одновременным наличием мужских и женских половых органов, наряду с этим имеются одновременно мужские и женские половые железы. Яички и яичники при истинном гермафродитизме могут быть или объединены в одну смешанную половую железу, или располагаются отдельно. Вторичные половые признаки имеют элементы обоих полов: низкий тембр голоса, смешаный (бисексуальный) тип фигуры, в той или иной мере развитые молочные железы. Очень редок. При ложном гермафродитизме у людей половые железы отвечают какому-либо одному полу, а наружные половые органы могут быть сформированы по другому полу либо иметь смешанное развитие, имеющее и мужские и женские черты. Имеет место, когда налицо противоречие между внутренними (хромосомными и гонадными) и внешними (строение половых органов) признаками пола (бисексуальное развитие), то есть половые железы сформированы правильно по мужскому или женскому типу, но наружные половые органы имеют признаки двуполости. Классификация нарушений полового развития у человека. Нарушения хромосомного пола: синдром Клайнфелтера(генетическое заболевание, характеризующееся дополнительной женской половой хромосомой Х) ; мужчины с кариотипом ХХ; дисгенезия гонад(группа заболеваний, связанных с нарушениями эмбрионального развития половых желез в результате хромосомных количественных или структурных аббераций, генных мутаций) ;смешанная дисгенезия гонад (дефект развития половых желез); истинный гермафродитизм(присутствие женских и мужских хромосом одновременно). Нарушения гонадного пола: чистая дисгенезия гонад; синдром отсутствия тестикул(крипторхизм); нарушения фенотипического пола (по причине хромосомных мутаций, мутации генов, кодирующих половые гормоны). Женский псевдогермафродитизм: врожденная гиперплазия надпочечников (группа заболеваний, наследуемых по аутосомно-рецессивному пути, при которых нарушается выработка кортизола; нарушения развития мюллеровых протоков (нарушение развития матки и маточных труб). Мужской псевдогермафродитизм: нарушения синтеза и действия андрогенов; синдром персистенции мюллеровых протоков (одна из наиболее редких форм нарушения половой дифференцировки, наличие матки и маточных труб); нарушение развития мужских гениталий. 4 6. Особенности Х-сцепленного и голандрического наследования. Ограниченное полом наследование. Если в х – хромосоме локализуется рецессивный ген, то такой тип наследования называется х – сцепленный рецессивный. Болеет преимущественно лицо мужского пола. Больные дети рождаются от фенотипически здоровых родителей, но мать больного являлась гетерозиготой наследования патологичного гена. Больные мужчины не передают заболевания своим сыновьям, но их дочери становятся носительницами гена. Редкий случай заболевания женщин возможен если их отец болен, а мать носительница. Если в брак вступит здоровый м и гетерозиготная ж, то вероятность рождения больного м в данной семье составляет 50% всех м или 25% от всех детей. А девочки этих родителей будут здоровы, но половина из них станут носительницами патологического гена. В случае если в брак вступает больной мужчина и здоровая женщина все дети будут здоровы, но дочери получают от отца мутантный аллель и стонут носительницами патогенного гена. Заболевания: гемофилия, дальтонизм, миопатия Дюшена (слабость мышц, специфическая походка). Особенности наследования при Х-сцепленном доминантном типе наследования. Заболевание прослеживается в каждом поколении. Если болен отец, то все его дочери будут больными, а все сыновья здоровыми. Если больна мать, то вероятность рождения больного ребенка равна 50% независимо от пола. Болеют как женщины ток и мужчины, но женщины болеют в 2 раза чаще чем мужчины. Заболевания: витамин-Д-резистентный рахит, рото-лице-пальцевый синдром (множественные гиперплазированные уздечки языка, расщелины губы и нёба, гипоплазия крыльев носа, асимметричное укорочение пальцев). Голандрический тип наследования. При этом наследовании гены, ответственные за развитие патологического признака, локализованы в Y-хромосоме. Голандрические признаки, которые вызывают нарушение развития организма, передаются от отца ко всем его сыновьям, и только к сыновьям. Патологические мутации, обусловливающие нарушения формирования семенников или сперматогенеза, не наследуются в связи со стерильностью их носителей. Примеры признаков: гипертрихоз ушных раковин (волосы на ушных каровинах), избыточный рост волос на средних фалангах пальцев кистей, азооспермия (отсуствие сперматозидов в эякуляте). Гены, имеющиеся в кариотипе обоих полов, но проявляющиеся преимущественно лишь у одного пола, называются ограниченные полом. Эти гены могут быть не сцеплены с половыми хромосомами и локализованы в любой аутосомной хромосоме. Вот пример строгой ограниченности полом. Если S и s представляют собой два аллеля, выражение которых ограничено полом, то три генотипа SS; Ss; ss оказываются неразличимыми у одного пола, но дают два или три различных фенотипа у другого пола, в зависимости от того, сходна ли гетерозигота с одной из гомозигот или отличается от обеих. Грубо говоря, гены есть у обоих полов, но проявление есть только у одного пола. 7. Наследование групп крови системы АВО и резус-фактора. Условия возникновения, клинические проявления и профилактика резус-конфликта. На эритроцитах имеются специальные белки - антигены групп крови. В плазме к этим антигенам имеются антитела. В крови одного человека не встречаются одноименные антиген и антитело. Их комбинация - группа крови. Антигены и антитела групп крови, как все белки организма, наследуются, поэтому комбинация этих белков у детей может отличаться от комбинации у родителей. Наследование: ген IA кодирует синтез белка А, IB - белка В, i не кодирует синтез белков. I (0). Генотип ii. Отсутствие антигенов на эритроцитах, присутствие обоих антител в плазме. II (А). Генотип IA\IA или IА\i. Антиген А на эритроцитах, антитело бета в плазме. III (В). Генотип IB\IB или IВ\i. Антиген В на эритроцитах, антитело альфа в плазме. IV (АВ). Генотип IA\IB. Оба антигена на эритроцитах, отсутствие антител в плазме. РФ- белок на мембране эритроцитов. Родители резус + (RR, Rr) - ребенок может быть резус + (RR, Rr) или резус - (rr). Один родитель резус + (RR, Rr), другой резус - (rr) - ребенок может быть резус + (Rr) или резус - (rr). Родители резус -, ребенок может быть только резус -. При попадании РФв кровь резус - человека, к нему образуются 5 антирезусные антитела, которые склеивают резус + эритроциты в монетные столбики. Резусконфликт. Возникает при беременности резус - женщины резус + плодом (РФ от отца). При попадании эритроцитов плода в кровоток матери, против рф у нее образуются антирезусные антитела. В норме кровоток матери и плода смешивается только во время родов, поэтому теоретически возможным РФ считается во вторую и последующие беременности резус + плодом. Практически в современных условиях часто происходит повышение проницаемости сосудов плаценты, различные патологии беременности, приводящие к попаданию эритроцитов плода в кровь матери и во время первой беременности. Поэтому антирезусные антитела необходимо определять при любой беременности у резус- женщины начиная с 8 недель (время образования РФ у плода). Для предотвращения их образования во время родов, в течение 72 часов после любого окончания беременности срока более 8 недель вводят антирезусный иммуноглобулин. 8. Изменчивость как свойство живых организмов. Классификация форм изменчивости. Изменчивость – это универсальное свойство живых организмов приобретать новые признаки под действием среды (как внешней, так и внутренней). Эти изменения исключительно многообразны по своим проявлениям и их можно выявить на любом уровне организации живого. В последнее время внимание ученых все больше привлекают формы проявления индивидуальной изменчивости: биохимической, физиологической, иммунологической, поведенческой, адаптационной, поскольку совокупность всех этих отличий и определяет уникальную индивидуальность любого организма. Сейчас появились новые термины для обозначения форм изменчивости: ненаследственная и наследственная. Однако в настоящее время такое разделение является не совсем корректным, поскольку абсолютное большинство признаков и свойств организмов в той или иной степени наследственно обусловлены. Модификационная изменчивость не вызывает изменений генотипа, она связана с реакцией данного, одного и того же генотипа на изменение внешней среды: в оптимальных условиях выявляется максимум возможностей, присущих данному генотипу. Так, продуктивность беспородных животных в условиях улучшенного содержания и ухода повышается (надои молока, нагул мяса). В этом случае все особи с одинаковым генотипом отвечают на внешние условия одинаково. Фенотип формируется в результате взаимодействий генотипа и факторов среды, признаки не наследуются. Генотипическая изменчивость подразделяется на мутационную и комбинативную. Мутациями называются скачкообразные и устойчивые изменения единиц наследственности – генов, влекущие за собой изменения наследственных признаков. Мутации обязательно вызывают изменения генотипа, которые наследуются потомством и не связаны со скрещиванием и рекомбинацией генов. Свойства мутаций: мутации возникают внезапно, скачкообразно; мутации передаются из поколения в поколение; мутации ненаправленны – мутировать может любой локус; мутации могут возникать повторно; мутации могут быть полезными и вредными, доминантными и рецессивными. Комбинативная наследственная изменчивость возникает в результате обмена гомологичными участками гомологичных хромосом в процессе мейоза, а также как следствие независимого расхождения хромосом при мейозе и случайного их сочетания при скрещивании. Новые комбинации генов возникают: 1) при кроссинговере, во время профазы первого мейотического деления; 2) во время независимого расхождения гомологичных хромосом в анафазе первого мейотического деления; 3) во время независимого расхождения дочерних хромосом в анафазе второго мейотического деления; 4) при слиянии разных половых клеток. 9. Фенотипическая изменчивость. Норма реакции генетически обусловленных признаков. Адаптивный характер модификаций. Понятие о случайной изменчивости. Модификационная (фенотипическая) изменчивость — изменения в организме, связанные с изменением фенотипа вследствие влияния окружающей среды и носящие, в большинстве случаев, адаптивный характер. Генотип при этом не изменяется. Норма реакции — способность генотипа формировать в онтогенезе, в зависимости от условий среды, разные фенотипы. Она 6 характеризует долю участия среды в реализации признака и определяет модификационную изменчивость вида. Чем шире норма реакции, тем больше влияние среды и тем меньше влияние генотипа в онтогенезе. Характерной особенностью модификаций является то, что одно и то же воздействие вызывает одинаковое изменение у всех особей, которые ему подвергались. По этой причине Ч. Дарвин назвал модификационную изменчивость определенной. Модификации особенно хорошо наблюдать у особей, идентичных по генотипу, но помещенных в разные условия обитания. Формируясь на основе исторически сложившегося генотипа, модификации обычно носят адаптивный характер, так как они всегда являются результатом ответных реакций развивающегося организма на воздействующие на него экологические факторы. Некоторые модификации, возникающие под действием облучения, экстремальных температур и других сильнодействующих факторов, имитируют специфические мутации. Такие модификации носят название фенокопий. Адаптивный характер модификаций обусловлен нормой реакции генотипа, которая позволяет изменяться признаку без нарушения структуры соответствующего гена. Чем шире норма реакции, тем выше адаптационный потенциал особи, популяции или вида. Норма реакции генетически детерминирована и наследуется. Для разных изменений есть разные пределы нормы реакции. Фенотипическая изменчивость делится на случайную и модификационную. Случайная возникает в результате совместного действия на организм многих факторов внешней среды. Она затрагивает разные признаки и не носит приспособительного 10. Комбинативная изменчивость: механизмы возникновения, фенотипические проявления и значение в обеспечении генетического разнообразия популяций. Комбинативной называют изменчивость, в основе которой лежит образование рекомбинаций, т. е. таких комбинаций генов, которых не было у родителей. В основе комбинативной изменчивости лежит половое размножение организмов, вследствие которого возникает огромное разнообразие генотипов. Практически неограниченными источниками генетической изменчивости служат три процесса: независимое расхождение гомологичных хромосом в первом мейотическом делении. Именно независимое комбинирование хромосом при мейозе является основой третьего закона Менделя. Появление зеленых гладких и желтых морщинистых семян гороха во втором поколении от скрещивания растений с желтыми гладкими и зелеными морщинистыми семенами — пример комбинативной изменчивости; взаимный обмен участками гомологичных хромосом, или кроссинговер. Он создает новые группы сцепления, т. е. служит важным источником генетической рекомбинации аллелей. Рекомбинантные хромосомы, оказавшись в зиготе, способствуют появлению признаков, нетипичных для каждого из родителей; случайная встреча половых гамет, а вследствие этого и сочетания хромосом во время оплодотворения. Эти источники комбинативной изменчивости действуют независимо и одновременно, обеспечивая при этом постоянную «перетасовку» генов, что приводит к появлению организмов с другими генотипом и фенотипом. Однако новые комбинации генов довольно легко распадаются при передаче из поколения в поколение. Комбинативная изменчивость является важнейшим источником всего колоссального наследственного разнообразия, характерного для живых организмов. На наследственной изменчивости основано всё разнообразие индивидуальных различий, которые включают: как резкие качественные различия, не связанные друг с другом переходными формами, так и чисто количественные различия, образующие непрерывные ряды, в которых близкие члены ряда могут отличаться друг от друга сколь угодно мало; как изменения отдельных признаков и свойств (независимая изменчивость), так и взаимосвязанные изменения ряда признаков (коррелятивная изменчивость); как изменения, имеющие приспособительное значение (адаптивная изменчивость), так и изменения «безразличные» или даже снижающие жизнеспособность их носителей (неадаптивная изменчивость). 7 11. Общие закономерности мутагенеза. Мутагенные факторы среды. Понятие об антимутагенных факторах. Мутации возникают не мгновенно. Вначале под воздействием мутагенов возникает предмутационное состояние клетки. Различные репарационные системы стремятся устранить это состояние, и тогда мутация не реализуется. Основу репарационных систем составляют различные ферменты, закодированные в генотипе клетки (организма). Таким образом, мутагенез находится под генетическим контролем клетки; это – не физико-химический, а биологический процесс. Например, ферментные системы репарации вырезают поврежденный участок ДНК, если повреждена только одна нить (эту операцию выполняют ферменты эндонуклеазы), затем вновь достраивается участок ДНК, комплементарный по отношению к сохранившейся нити (эту операцию выполняют ДНК-полимеразы), затем восстановленный участок сшивается с концами нити, оставшимися после вырезания поврежденного участка (эту операцию выполняют лигазы). Существуют и более тонкие механизмы репарации. Однако при большом числе повреждений ДНК они могут стать необратимыми. Это связано с тем, что: во-первых, репарационные системы могут просто не успевать исправлять повреждения, а во-вторых, могут повреждаться сами ферменты систем репарации, необратимые повреждения ДНК приводят к появлению мутаций – стойких изменений наследственной информации. Мутагенные факторы можно классифицировать на: а) физические, б)химические, в)биологические. а) к физическим мутагенным факторам относятся все виды ионизирующего облучения (а,р\у лучи), ультрафиолетовое облучение, электромагнитное и т.д. Для искусственных мутаций используются у -лучи, источником которых в лабораториях является радиоактивный кобальт (Со), а также нейтроны, для которых характерна большая проникающая способность. б) химическими мутагенными факторами являются формалин, этиленимин, нитриты, нитраты, иприт, производные хлора, образующиеся при хлорировании воды, выбросы в атмосферу химических производств, выхлопные газы. Мутагены химического происхождения усиливают мутационный эффект в сотни раз по сравнению со спонтанными (самопроизвольными) мутациями. Многие из них используются для получения высокоактивных штаммов одноклеточных организмов - продуцентов антибиотиков. Химические мутагены используются для получения мутагенных форм плесневых грибков, актиномицетов, бактерий, которые продуцируют антибиотики, а также используют для повышения ферментативной активности у микроорганизмов для получения искусственного белка. в) к биологическим мутагенам относятся вирусы, а также токсины - продукты жизнедеятельности бактерий и плесневых грибков. В начале века учёными было обнаружено, что причиной ряда форм рака оказались вирусы, вызывающие, например, лейкозы и саркомы у кур. Такие вирусы получили название онкогенных, или ретровирусов, так как их генетическая информация может интегрироваться с ДНК человека и млекопитающих и вызывать перерождение нормальных клеток в раковые клетки. Таким образом, вирусы являются не только возбудителями многих болезней растений, человека и животных, но и являются причиной многих спонтанных мутаций. Продукты жизнедеятельности многих плесневых грибов также могут обладать канцерогенным эффектом, т.е. изменять наследственный аппарат клетки, способствуя перерождению её в раковуо клетку. Антимутагенез – это механизм, снижающий неблагоприятный эффект мутаций. В результате мутаций изменяется смысл биологической информации, что негативно отражается на выживаемости организмов, поэтому важная роль принадлежит антимутационным механизмам, которые ограничивают неблагоприятные последствия мутаций, возникающие в процессе эволюции. К факторам защиты наследственного аппарата от мутаций относятся: 1) репарация ДНК(способность повреждённой ДНК к самоисправлению); 2) вырожденность генетического кода( заключается в том, что несколько триплетов кодируют одну аминокислоту, и замена одной пары нуклеотидов в кодоне на другую не может привести к замене аминокислоты); 3) парность 8 хромосом в диплоидном кариотипе (парность аллелей генов препятствует фенотипическому проявлению мутаций, если они имеют рецессивный характер); 4) иммунная система. 12. Классификации мутаций в зависимости от типа клеток, уровня организации наследственного материала, причин возникновения и биологических последствий. Мутации – внезапные скачкообразные изменения наследственных факторов. Представляют собой стойкие изменения наследственного материала. Представляют собой ненаправленные изменения генотипа – они могут быть полезными (очень редко), вредными (большинство мутаций) и безразличными для данных условий существования организма. Могут повторяться. Возникающие мутации могут передаваться по наследству в ряду поколений. Типы мутаций: - по изменению генотипа: а) генные(замена, утрата, перемещение нуклеотида); б) хромосомные(делеция – а) хромосомная мутация, при которой утрачивается участок хромосомы; б) тип генной мутации, при которой выпадает участок молекулы ДНК; дефишенси – хромосомная мутация, при которой происходит утрата концевого участка хромосомы; дупликация – а) хромосомная мутация, при которой удваивается какой-либо участок хромосомы; б) тип генной мутации, при которой удвоен какой-либо участок ДНК; инверсия – хромосомная мутация, при которой происходит разрыв в двух участках хромосомы с последующим восстановлением ее целостности, так что вырезанный участок оказывается перевернутым на 180°; инцерсия (или вставка) – мутация, при которой имеется вставка отрезка ДНК в структуру гена, или сегмента хромосомы в структуру другой хромосомы); в) геномные(полиплоидия — увеличение числа наборов хромосом, кратное гаплоидному; анеуплоидия — изменение (уменьшение — моносомия, увеличение — трисомия) числахромосом в диплоидном наборе, т.е. не кратное гаплоидному; трисомия — наличие трёх гомологичных хромосом в кариотипе (например, по 21-й паре, что приводит к развитию синдрома Дауна; по 18-й паре — синдрома Эдвардса; по 13-й паре - синдрома Патау); моносомия — наличие только одной из двух гомологичных хромосом). - по изменению фенотипа: а) морфологические(изменяется характер роста и изменение органов, рецессивная мутация по гену «белый» в дрозофилы – белый цвет глаз вместо красного) ; б) биохимические(тормозят или изменяют синтез определенных химических веществ в организме, мутации актичности ферментов) ; в) физиологические(повышается (понижается) жизнеспособность; мутации, влияющие на жизнедеятельность организмов, их развитие); г) летальные и т.д. - по отношению к генеративному пути: а) соматические(происходят в соматических клетках, не наследуются) ; б) генеративные(происходят в половых клетках, наследуются). - по локализации в клетке: а) ядерные(мутация возникла в генетическом материале клетки – ядре); б) цитоплазматические(мутация возникла в цитоплазме, причем они появляются в составе цитоплазматических ДНК-содержащих структур). - по причинам возникновения: а) спонтанные(возникают в естественных условиях вследствие воздействия на генетический материал живых организмов мутагенных факторов окружающей среды, таких как ультрафиолет, радиация, химические мутагены); б)индуцированные(возникновение наследственных изменений под влиянием специального воздействия мутагенных факторов внешней и внутренней среды (специально вызваны человеком). Мутации, которые ухудшают деятельность клетки в многоклеточном организме, часто приводят к уничтожению клетки. Мутация в соматической клетке сложного многоклеточного организма может привести к злокачественным или доброкачественным новообразованиям, мутация в половой клетке — к изменению свойств всего организма-потомка. В стабильных условиях существования большинство особей имеют близкий к оптимальному генотип, а мутации вызывают нарушение функций организма, снижают его приспособленность и могут привести к смерти особи. 9 13. Фенотипические проявления мутационной изменчивости. Проявление мутаций зависит прежде всего от той генетической среды, в которую попадает мутантный аллель. Один и тот же мутантный ген у разных особей может обладать неодинаковым фенотипическим проявлением: экспрессивностью (выраженностью степени развития определяемого этим геном признака) в зависимости от условий, в которые он попадает, и пенетрантностью (частота проявления) аллеля, определяемой по проценту особей популяции из числа несущих данный аллель (у которых он проявился с любой экспрессивностью). Любой признак, который мы исследуем, — это результат взаимодействия генетической программы и той среды, где происходило развитие особи. Наследственность определяет спектр возможных состояний данного признака — его норму реакции, но возникновение вариантов этой нормы определяет взаимодействие генотипа и среды. Мутация bar («лентовидная») вызывает редукцию передних и задних фасеток глаза у дрозофилы, в результате чего глаз представляет собой вертикальную полоску фасеток. Степень проявления этой мутации строго зависит от температуры: чем ниже температура, при которой развивались личинки мутантных дрозофил, тем большее число фасеток остается в глазу. Экспрессивность и пенетрантность обусловлены взаимодействием генов в генотипе и различной реакцией каждого генотипа на внешние условия. Например, у наездника известен ген со 100%-ной пенетрантностью как леталь при 30°C и почти нулевой пенетрантностью при низкой температуре. Подобная зависимость проявления мутаций от условий обнаружена в большинстве случаев у растений, животных, грибов и микроорганизмов. Поскольку мутации со значительным фенотипическим эффектом (рано выявляющиеся в онтогенезе) имеют гораздо меньше шансов на сохранение, чем более поздно выявляющиеся малые мутации, онтогенез в целом приобретает тенденцию оставаться консервативным из поколения в поколение. В наибольшей степени это относится к основным процессам формообразования (установление общего плана строения, морфогенез важнейших органов), которые протекают чрезвычайно сходно у всех родственных видов в пределах очень крупных таксономических групп, таких, как классы и даже типы. 14. Естественные биологические антимутационные механизмы. Антимутагенез – это механизм, снижающий неблагоприятный эффект мутаций. В результате мутаций изменяется смысл биологической информации, что негативно отражается на выживаемости организмов, поэтому важная роль принадлежит антимутационным механизмам, которые ограничивают неблагоприятные последствия мутаций, возникающие в процессе эволюции. К факторам защиты наследственного аппарата от мутаций относятся: 1) репарация ДНК; 2) вырожденность генетического кода; 3) парность хромосом в диплоидном кариотипе; 4) иммунная система. 1. Репарация – это способность повреждённой ДНК к самоисправлению: а) световая - происходит активация фермента фотонами света, в состав фермента входит витамин В12; б) темновая - участвуют ферменты, не требующие активации светом. При световой репарации исправляются повреждения, которые возникают при действии ультрафиолетового излучения, а при темновой репарации - повреждения, которые возникают под действием ионизирующего облучения, химических факторов и других. Темновая репарация наблюдается как у прокариот, так и эукариот. Этапы темновой репарации: 1) «узнавание» повреждённого участка ДНК специальным ферментом эндонуклеазой; 2) действие эндонуклеазы на разрыв одной цепочки молекулы ДНК вблизи повреждения; 3) «вырезание» поврежденного участка ДНК; 4) матричный синтез нового участка молекулы ДНК (репаративная репликация); 5) соединение новообразованного участка с ниткой ДНК с помощью ферментов лигазы. 2.Вырожденность - несколько триплетов кодируют одну аминокислоту, и замена одной пары нуклеотидов в кодоне на другую не может привести к замене аминокислоты. 3.Триплетность - допускает минимальное число замен внутри триплета, ведущих к искажению информации. 4. Фактором защиты против неблагоприятных последствий генных мутаций служит парность хромосом в диплоидном кариотипе соматических клеток эукариот. 10 Парность аллельных генов препятствует фенотипическому проявлению мутаций, если они имеют рецессивный характер. 5. В снижение вредных последствий генных мутаций вносит явление экстракопирование генов, кодирующих жизненно важные макромолекулы. 15. Особенности человека как объекта генетических исследований. Раздел генетики, изучающий наследственность и изменчивость у человека, называется антропогенетикой или генетикой человека. Генетика человека – это наука о наследственно обусловленных различиях между людьми. Из генетики человека выделяется медицинская генетика, исследующая механизмы развития наследственных болезней, возможности их лечения и профилактики. В настоящее время человек хорошо изучен морфологически, физиологически, биохимически, что способствует рассмотрению его генетических особенностей. Изучение генетики человека связано с биологическими и социальноэтическими особенностями. Биологические особенности: позднее половое созревание, малочисленное потомство у одной пары родителей, в основном моноплодная беременность (исключение - близнецы); большой срок беременности, медленная смена поколений (20 - 25 лет), особенности кариотипа (большое число хромосом и др.), фенотипический полиморфизм. Социально-этические особенности: невозможность направленных скрещиваний в интересах исследователя, отсутствие точной регистрации наследственных признаков (проводится не всегда и не везде), невозможность создания одинаковых условий жизни для всех людей. У человека есть и преимущества перед другими генетическими объектами: способность воспринимать информацию и абстрактно мыслить; значительное число и разнообразие мутаций; высокая численность популяций, доступных для изучения; возможность регистрации наследственных признаков в течение длительного времени; использование гибридизации соматических клеток для генетического анализа. Однако генетиками разработаны методы, позволяющие изучать наследование и изменчивость признаков человека, несмотря не перечисленные ограничения. 16. Особенности проявления патологических доминантных генов. Частота встречаемости низкая и зависит от эффекта гена. Ахондроплазия 1:100000. Проявление гена может быть в любом периоде онтогенеза. Дефект форментов - в течение 1 года. Дефект рецепторов от 1 года до 15-16. Хорея Гентингтона - у пожилых. У гомозиготных заболевание обычно протекает тяжелее, чем у гетерозиготных. Активность патологических генов часто блокируется другими генами (явление эпистаз). Пенетрантность - способность гена проявить себя в фенотипе. Степень выраженности признака может быть различной. 17. Аутосомно-доминантное наследование признаков (характерные особенности, примеры). При аутосомно-доминантном типе наследования аллель гена, определяющий признак, находится в одной из аутосом (неполовых хромосомах) и является доминантным. Такой признак будет проявляться во всех поколениях. Даже при скрещивании генотипов Aa и aa, он будет наблюдаться у половины потомства. Аутосомно-доминантный тип характеризуется следующими признаками: • В большинстве случаев у пробанда болен родитель. • Вероятность заболеть одинакова для мужчин и женщин. • Больной может передать болезнь потомству с вероятностью 50:50. Непораженные члены семьи, как правило, не передают заболевание потомству. • Приблизительно половина членов семьи больны, остальные здоровы. • При анализе родословной можно выявить вертикальную передачу заболевания, которое проявляется в каждом из последующих поколений. Примеры болезней с аутосомно-доминантным наследованием – хорея Хантингтона, синдром Марфана. 18. Аутосомно-рецессивное наследование признаков (характерные особенности, примеры). В случае аутосомно-рецессивного типа признак может не проявляться у одних поколений и проявиться у других. Если родители гетерозиготы (Aa), то они являются носителями рецессивного аллеля, но обладают доминантным признаком. При скрещивании Aa и Aa, ¾ потомков будут 11 иметь доминантный признак, а ¼ рецессивный. При скрещивании Aa и aa у ½ рецессивный аллель гена проявит себя у половины потомков. Аутосомные признаки проявляются с одинаковой частотой у обоих полов. Для возникновения редких аутосомно-рецессивных заболеваний характерны следующие условия: 1) родители больного ребенка, как правило, здоровы; 2) мальчики и девочки заболевают одинаково часто; 3) повторный риск рождения ребенка с аутосомно-рецессивным заболеванием составляет 25%; 4) отмечается «горизонтальное» распределение больных в родословной, т. е. пациенты чаще встречаются в рамках одного сибства; 5) наблюдается увеличение частоты больных детей в группах родителей, связанных родством. Болезнь Тея — Сакса, болезнь Гоше, болезнь Ниманна — Пика. 19. Х-сцепленное доминантное, Х-сцепленное рецессивное, голандрическое наследование признаков (характерные особенности, примеры). Ограниченное полом наследование. Если в х – хромосоме локализуется рецессивный ген, то такой тип наследования называется х – сцепленный рецессивный. Болеет преимущественно лицо мужского пола. Больные дети рождаются от фенотипически здоровых родителей, но мать больного являлась гетерозиготой наследования патологичного гена. Больные мужчины не передают заболевания своим сыновьям, но их дочери становятся носительницами гена. Редкий случай заболевания женщин возможен если их отец болен, а мать носительница. Если в брак вступит здоровый м и гетерозиготная ж, то вероятность рождения больного м в данной семье составляет 50% всех м или 25% от всех детей. А девочки этих родителей будут здоровы, но половина из них станут носительницами патологического гена. В случае если в брак вступает больной мужчина и здоровая женщина все дети будут здоровы, но дочери получают от отца мутантный аллель и стонут носительницами патогенного гена. Заболевания: гемофилия, дальтонизм, миопатия Дюшена (слабость мышц, специфическая походка). Особенности наследования при Х-сцепленном доминантном типе наследования. Заболевание прослеживается в каждом поколении. Если болен отец, то все его дочери будут больными, а все сыновья здоровыми. Если больна мать, то вероятность рождения больного ребенка равна 50% независимо от пола. Болеют как женщины ток и мужчины, но женщины болеют в 2 раза чаще чем мужчины. Заболевания: витамин-Д-резистентный рахит, рото-лице-пальцевый синдром (множественные гиперплазированные уздечки языка, расщелины губы и нёба, гипоплазия крыльев носа, асимметричное укорочение пальцев). Голандрический тип наследования. При этом наследовании гены, ответственные за развитие патологического признака, локализованы в Y-хромосоме. Голандрические признаки, которые вызывают нарушение развития организма, передаются от отца ко всем его сыновьям, и только к сыновьям. Патологические мутации, обусловливающие нарушения формирования семенников или сперматогенеза, не наследуются в связи со стерильностью их носителей. Примеры признаков: гипертрихоз ушных раковин (волосы на ушных каровинах), избыточный рост волос на средних фалангах пальцев кистей, азооспермия (отсуствие сперматозидов в эякуляте). Гены, имеющиеся в кариотипе обоих полов, но проявляющиеся преимущественно лишь у одного пола, называются ограниченные полом. Эти гены могут быть не сцеплены с половыми хромосомами и локализованы в любой аутосомной хромосоме. Вот пример строгой ограниченности полом. Если S и s представляют собой два аллеля, выражение которых ограничено полом, то три генотипа SS; Ss; ss оказываются неразличимыми у одного пола, но дают два или три различных фенотипа у другого пола, в зависимости от того, сходна ли гетерозигота с одной из гомозигот или отличается от обеих. 20. Хромосомные болезни человека, обусловленные аномалиями аутосом (причины возникновения, характерные клинические проявления, методы лабораторной диагностики, способы возможной помощи больным). Есть анеуплоидии – моносомии и трисомии, клеточный мозаицизм, полиплоидия. Моносомия относится к генетическим аномалиям, для которых характерно изменение кариотипа. В норме у человека определяется 23 хромосомы, каждая из которых имеет гомологичную пару. Если одна из них лишается своей пары, то развивается моносомия. Моносомия по любой из 12 аутосом обычно приводит к внутриутробной гибели плода. Моносомия - самый частый вариант хромосомной аномалии при самопроизвольных абортах (может считаться синдром Шер.-Тёрн. низкорослость, гипогонадизм, деформация суставов, крыловидные складки кожи на шее). В большинстве случаев трисомии возникают случайно в результате нарушения расхождения хромосом в процессе клеточного деления при образовании половых клеток родителей. На одной из стадий мейоза (анафазе) обе хромосомы вместо того, чтобы разойтись, идут к одному полюсу. Второй причиной трисомии является мутация, возникшая уже после оплодотворения, на ранних этапах эмбриогенеза. В этом случае только часть клеток будет аномальный набор хромосом. Трисомии по аутосомам характеризуются меньшей летальностью, но вызывают тяжелейшие пороки развития у детей, родившихся живыми (по 21-й паре, что приводит к развитию синдрома Дауна - плоское лицо с раскосыми глазами, широкими губами, широким плоским языком. Голова круглая, скошенный узкий лоб, ушные раковины уменьшены в вертикальном направлении, с приросшей мочкой, глаза с пятнистой радужной оболочкой; по 18-й паре — синдрома Эдвардса - долихоцефалическая форма черепа, микрофтальмия, недоразвитие ушных раковин, аномалии опорно-двигательной, сердечно-сосудистой, пищеварительной, мочеполовой системы, ЦНС; по 13-й паре — синдрома Патау – расщелина нёба, верхней губы, полидактилия, низкий скошенный лоб). Перераспределения (кроссинговер) в соматических клетках, соматических мутаций в зиготе или на ранних стадиях дробления; неправильного расхождения хромосом при делении клеточного ядра (митозе). У больных с мозаицизмом клиническая картина менее выражена, а выживаемость выше, чем при полной форме трисомии. Полиплоидия - в каждой клетке геном представлен более чем дважды (триплоидные зародыши, нежизнеспособны). Для подтверждения (или установления) диагноза хромосомной болезни используют цитогенетические методы: метод кариотипирования; метод определения полового хроматина. Кариотипирование позволяет изучить кариотип в целом (т.е. число и структуру хромосом). Кариотип изучают в делящихся клетках на стадии метафазы митоза, т.к. в этой стадии хромосомы максимально спирализованы и хорошо видны в световой микроскоп. Препараты изготавливают из лимфоцитов периферической крови. Определение полового хроматина. Половой хроматин – это спирализованная Х-хромосома. Одна из Ххромосом у женщин инактивируется на 16-19 сутки эмбрионального развития, а вторая остается активной. Спирализованная Х-хромосома обнаруживается в ядрах соматическихклеток в виде темной, хорошо окрашивающейся глыбки. Метод используют для диагностики хромосомных болезней, связанных с изменением числа Х-хромосом. Существует также методика определения У-хроматина, которая используется для диагностики синдрома полисомии У. Лечение хромосомной патологии в основном симптоматическое. Цель такой терапии заключается в том, чтобы скорректировать такие фенотипические проявления, как умственная отсталость, замедленный рост, недостаточная феминизация или маскулинизация, недоразвитие гонад. Используют анаболические гормоны, андрогены и эстрогены, гормоны гипофиза и щитовидной железы, различные витамины. Применяется хирургическое симптоматическое лечение: удаление катаракты, лишнего пальца, операции при незаращении верхней губы и/или неба. 21. Хромосомные болезни человека, обусловленные аномалиями половых хромосом (причины возникновения, характерные клинические особенности, методы лабораторной диагностики, способы возможной помощи больным). Хромосомные болезни возникают в результате мутаций в половых клетках одного из родителей. Болезни, связанные с нарушением числа половых хромосом. Синдром Шерешевского — Тёрнера — отсутствие одной Х-хромосомы у женщин (45 Х0) вследствие нарушения расхождения половых хромосом; к признакам относится низкорослость, половой инфантилизм и бесплодие, различные соматические нарушения (микрогнатия, короткая шея и др.). Полисомия по Х-хромосоме — включает трисомию (кариотип 47, XXX), тетрасомию (48, ХХХХ), пентасомию 13 (49, ХХХХХ), отмечается незначительное снижение интеллекта, повышенная вероятность развития психозов и шизофрении с неблагоприятным типом течения. Полисомия по Y-хромосоме — как и полисомия по X-хромосоме, включает трисомию (кариотип 47, XYY), тетрасомию (48, ХYYY), пентасомию (49, ХYYYY), клинические проявления также схожи с полисомией Xхромосомы. Синдром Клайнфельтера — полисомия по X-хромосомам у мальчиков (47, XXY), признаки: евнухоидный тип сложения, гинекомастия, слабый рост волос на лице, в подмышечных впадинах и на лобке, половой инфантилизм, бесплодие; умственное развитие отстает, однако иногда интеллект нормальный. Полноценная генетическая диагностика. Ее можно провести как для родителей, так и для плода в пренатальный период. Высокая точность результатов и попутное получение обширных сведений о состоянии здоровья также являются сильной стороной генетического тестирования. Кроме того, по результатам тестирования родителей специалист по генетическому консультированию сможет произвести расчет риска появления различных заболеваний у будущих детей. К первой группе относятся инвазивные методы, предполагающие проникновение сквозь оболочку плода. Наиболее ранним вариантом является биопсия ворсинок хориона. Ее допускается проводить уже на 8-12 неделе беременности. Для этого потребуется проникнуть в матку и взять небольшой фрагмент одной из оболочек плода. На 14-18 неделе, становится доступным метод амниоцентеза - для исследования необходимо взять не пробу ткани, а определенное количество околоплодных вод. Выполняется аккуратный прокол брюшины специальной иглой. После того, как необходимое количество жидкости набрано, игла извлекается, а материал отправляется на генетическое исследование. Третий вариант, кордоцентез - проводится еще позднее, обычно уже на 20 неделе беременности. В этом случае исследуются не ткани и даже не околоплодные воды. Проба берется из кровеносного русла сосуда, проходящего в пуповине. 22. Моногенные болезни человека (причины возникновения, клинические особенности, методы лабораторной диагностики, способы возможной помощи больным). Моногенные болезни (МБ) - заболевания, в основе этиологии которых лежит единичная генная мутация. МБ наследуются в соответствии с законами Менделя. В настоящее время описано около 5000 нозологических единиц МБ. Они выявляются у 3-6% новорожденных. Наследуются соответственно с типами наследования: - аутосомно-рецессивный; заболевание – муковисцидоз (отмечаются тяжёлые повторные бронхиты и пневмонии с затяжным течением, постоянный кашель, кишечный синдром и резкие расстройства питания. Берут кровь из пяточки малыша и отправляют ее на исследование в специальный диагностический центр. Если ответ будет положительным, то анализ повторяют на 21-28 сутки, затем исследуют пот малыша, поскольку у больных он густой. Лечение симптоматическое, важную роль играет питание, в котором должно присутствовать много белков и ограниченное количество жиров(диетотерапия); - аутосомно-доминантный; заболевания - синдром Марфана(высокий рост, длинные руки, сколиоз, близорукость. Семейный анамнез, наличие у больного типичных диагностических признаков по результатам физикального осмотра, ЭКГ и ЭхоКГ, офтальмологического и рентгенологического обследования. ЭКГ - нарушение ритма сердца, выраженную гипертрофию миокарда; ЭхоКГ - обнаружить увеличение размеров левого желудочка, дилатацию аорты. На рентгенографии грудной клетки можно увидеть расширение корня и дуги аорты. При синдроме Марфана проводится коррекция зрения с помощью подбора очков и контактных линз, при необходимости – лазерное или хирургическое лечение глаукомы, удаление смещенного хрусталика); - Х-сцепленное рецессивное; гемофилия (несвёртываемость крови при незначительных травмах. Возможно проведение пренатальной диагностики гемофилии с помощью биопсии хориона или амниоцентеза и исследования ДНК клеточного материала. После рождения диагноз подтверждается лаб.иссл. гемостаза. Основные изменения показателей – увеличение времени 14 свертывания крови, АЧТВ, тромбинового времени. Гемостатическая терапия); - Х-сцепленное доминантное; рото-лице-пальцевый синдром (множественные гиперплазированные уздечки языка, расщелины губы и нёба. Особо не диагностируют и не лечат, редко встр.); - У-сцеплленное: гипертрихоз ушных раковин (волосы на ушных раковинах. Проявление у новорождённого волос на ушной раковине. Гормональные препараты, либо эпиляция). 23. Болезни с наследственной предрасположенностью. Роль среды и наследственности в развитии заболеваний. Особенности прогнозирования мультифакторных болезней. Болезни с наследственной предрасположенностью проявляются в результате совместного действия генетических факторов и факторов среды. Необходимо подчеркнуть, что граница этой группы с ранее рассмотренными «генетическими» болезнями, с одной стороны, и «ненаследственными» заболеваниями – с другой, весьма условна. Практически все болезни человека, в том числе инфекционные, имеют генетическую составляющую, а наследственные заболевания в той или иной мере зависят от внешней среды, часто определяющей их экспрессивность. Болезни с наследственной предрасположенностью (мультифакториальные) характеризуются широким клиническим полиморфизмом, обусловленным различным соотношением генетических и средовых факторов в их патогенезе. Обычно они имеют полигенную природу, хотя роль разных генов в проявлении заболевания различна. Гены, полиморфизм которых обнаруживает связь с определенными заболеваниями, называются «генами предрасположенности». Таким образом, мультифакториальные заболевания являются следствием суммарного действия нескольких генов, фенотипический эффект которых обусловлен взаимодействием с факторами внешней среды. К этой группе принадлежит большинство психопатологий. Сложный характер таких болезней затрудняет изучение их молекулярных механизмов. Относительную роль генотипа в патогенезе мультифакториальных заболеваний позволяет установить расчет коэффициента наследственности Хольцингера (Н). Если Н = 0,5, то это показывает, что роль генотипа и среды в этиологии заболевания примерно одинакова. Диагностика мультифакториальных заболеваний осложняется возможным наличием генокопий (сходных фенотипов, возникающих при экспрессии разных генов) и фенокопий (модификаций, сходных по своему проявлению с определенными мутациями). Как примеры рассмотрим заболевания человека, связанные с психической сферой – болезнь Альцгеймера, шизофрения. Генетический прогноз при мультифакториальных заболеваниях зависит от следующих факторов: чем ниже частота болезни в популяции, тем выше риск для родственников пробанда; чем сильнее степень выраженности болезни у пробанда, тем больше риск развития болезни у его родственников; риск для родственников пробанда зависит от степени родства с пораженным членом семьи; риск для родственников будет выше, если пробанд относится к менее поражаемому полу. 24. Генеалогический метод изучения наследственности человека. Этапы работы и возможности метода. В основе генеалогического метода лежит составление родословных, на основании выявления всех членов анализируемой семьи, установления степени их родства, и прослеживания того или иного признака в ряду поколений. Применительно к целям медицинской генетики этот метод часто называют клинико-генеалогическим, так как наибольший интерес исследователей в этой области вызывает изучение патологического симптома или болезни. Метод наиболее универсальный и поэтому используется для решения широкого круга задач медицинской генетики. Он демонстрирует генетическую гетерогенность многих заболеваний: альбинизм, тугоухость. В последние годы возросла роль метода при проведении анализа сцепления локуса заболевания с полиморфными маркерами ДНК. Именно тщательно собранные родословные и идентификация генетического статуса всех ее членов могут быть основой для локализации генов и их последующей идентификации. Применение метода может быть полезным и при изучении 15 интенсивности мутационного процесса. Консультирование немыслимо без клиникогенеалогического метода, поскольку именно он позволяет выявить в родословной лиц, являющихся гетерозиготными носителями мутантного гена, и определить прогноз потомства в семье, где имеется или предполагается рождение ребенка с наследственной патологией. Клинико-генеалогический метод включает три основных этапа: клиническое обследование, составление родословной и генеалогический анализ. При составлении родословной желательно получить сведения о максимальном количестве родственников. Чаще всего родословная бывает представлена последовательными, соединенными между собой горизонтальными рядами. Все члены одного поколения располагаются строго в одном ряду. Необходимо указывать возраст всех членов родословной, так как некоторые заболевания проявляются в различные периоды жизни. Супруги родственников пробанда, если они здоровы, могут не изображаться. Далее, внизу под родословной записывается легенда (данные о состоянии здоровья родственников, причинах и возрасте смерти) и указывается дата составления этого документа. Использование метода предполагает обследование всех членов родословной с целью выявлена у них стертых или атипичных признаков заболевания. Полученные данные записываются в этой последовательности в медико-генетическую карту. Чем больше родственников пробанда будет непосредственно опрошено или обследовано, тем выше шансы на получение более достоверных и полезных сведений, так как наследственные заболевания в семье часто скрываются или неправильно диагностируются. 3аключительный этап - анализ родословной требует хорошего знания критериев типов наследования. Кроме того, необходимо учитывать возможность фенокопий наследственных заболеваний. 25. Цитогенетический метод изучения наследственности человека. Методика приготовления препаратов, возможности метода. Метод определения полового хроматина. Это микроскопический анализ хромосом (кариотипа) позволяет выявить числовые и структурные изменения хромосом (перестройки). Хромосомы изучают в делящихся клетках костного мозга, лимфоцитах крови, реже кожи, мышц. Хромосомы можно изучать и будущего ребёнка (эмбриона): ворсины хориона, клетки плаценты, пуповинной крови, околоплодных вод. Клетки отбирают, выращивают на питательной среде, добавляют колхитин. Он останавливает митоз на стадии метафазы. Микропрепараты обязательно окрашивают. Существует различные методики цитогенетической диагностики. Показания к методу: у пробанда, его родителей или родственников при подозрении на хромосомную болезнь; при тяжёлых психических расстройствах; при первичной аменореи (отсутствие менструации) бесплодии; при спонтанных абортах, мёртворожденных; у детей с множественными пороками развития, не подходящими под какую либо болезнь; при изучении мутагенного действия, каких либо факторов (лекарственные средства, наркотики, радиация); при проведении консультирования. Метод приводит к более точной диагностике, к своевременному лечению и предупреждению рождения больного ребёнка. Для проведения кариотипирования обычно используют венозную кровь, но также может использоваться амниотическая жидкость или фрагмент плаценты. Специалистыцитогенетики внимательно рассматривают клетки под микроскопом. Они подсчитывают число хромосом и изучают их структуру – для того, чтобы упростить эту процедуру, хромосомы специальным образом окрашивают. Наиболее простым и широко используемым методом является цитологическое исследование полового хроматина в клетках эпителия полости рта, окрашивают ацетоарсеином, затем всё окрашивается в зелёный, становится видна глыбка Х-хромосомы, либо длинное плечо Y-хромосомы. 26. Близнецовый метод изучения наследственности человека. Причины рождения монозиготных и дизиготных близнецов, их особенности. Возможности близнецового метода. Это метод изучения генетических закономерностей на близнецах, дает возможность определить вклад генетических (наследственных) и средовых факторов (климат, питание, обучение) в развитии конкретных признаков или заболеваний у человека. При использовании близнецового 16 метода проводится сравнение: 1) монозиготных (однояйцевых) близнецов — МБ с дизиготными (разнояйцевыми) близнецами — ДБ; 2) партнеров в монозиготных парах между собой; 3) данных анализа близнецовой выборки с обшей популяцией. Монозиготные близнецы образуются из одной зиготы, разделившейся на стадии дробления на две (или более) части. С генетической точки зрения они идентичны, обладают одинаковыми генотипами. Монозиготные близнецы всегда одного пола. Имеют одну плаценту. Особую группу среди МБ составляют необычные типы близнецов: двухголовые, каспофаги ("сиамские близнецы"). Дизиготные близнецы развиваются в том случае, если одновременно две яйцеклетки оплодотворены двумя сперматозоидами. Естественно, дизиготные близнецы имеют различные генотипы. Они сходны между собой не более, чем братья и сестры, т.к. имеют около 50 % идентичных генов. Близнецовый метод включает в себя диагностику зиготности близнецов. В настоящее время используются следующие методы для ее установления. 1. Полисимптомный метод - сравнение пары близнецов по внешним признакам (форма бровей, носа, губ). Метод может давать ошибки. 2. Иммуногенетический метод. Основывается на анализе групп крови, белков сыворотки крови лейкоцитарных антигенов. Если у обоих близнецов по этим признакам различий - монозиготные. 3. Достоверным критерием зиготности близнецов является приживляемость кусочков кожи. У дизиготных близнецов - отторжение, у монозиготных - высокая приживляемость трансплантантов. 4. Метод дерматоглифики заключается в изучении папиллярных узоров пальцев, ладоней и стоп. Эти признаки строго индивидуальны и не изменяются в течение всей жизни человека. 5. Близнецовый метод включает также сопоставление групп моно- и дизиготных близнецов по изучаемому признаку. Если какой-либо признак встречается у обоих близнецов одной пары, то она называется конкордантной, если же у одного из них, то пара близнецов называется дискордантной (конкордантность — степень сходства, дискордантность — степень различия). 27. Биохимический и молекулярно-генетический методы изучения наследственности человека, возможности и показания к использованию. Биохимический метод является основным в диагностике многих моногенных болезней, приводящих к нарушению обмена веществ. Объектами биохимической диагностики являются биологические жидкости: кровь, моча, пот, амниотическая жидкость и т.д. С помощью данного метода можно определить в биологических жидкостях активность ферментов или содержание некоторых продуктов метаболизма. Практически во всех случаях биохимическая диагностика включает 2 уровня: первичный и уточняющий. Целью первичного уровня диагностики является исключение здоровых индивидов из дальнейшего обследования, для этого используют 2 вида программ диагностики: массовые и селективные. Массовые просеивающие программы применяют для диагностики у новорожденных таких заболеваний как фенилкетонурия, врожденный гипотериоз, муковисцедоз. Например, для диагностики фенилкетонурии кровь новорожденных берут на 3-5 день после рождения. Капли крови помещают на хроматографическую или фильтровальную бумагу и пересылают в лабораторию для определения фенилаланина. Селективные диагностические программы предусматривают проверку биохимических аномалий обмена у пациентов с подозрением на генные наследственные болезни. В селективных программах могут использоваться простые качественные реакции (например, тест с хлоридом железа для выявления фенилкетонурии или тест с динитрофенилгидрозином для выявления кетокислот в моче). Широкое применение нашел биохимический метод в пренатальной диагностике врожденных пороков развития. Биохимические методы включают определение уровня альфа- фетопротеина(при дефектах невральной трубки повышается уровень альфа-фетопротеина). Молекулярно-генетические методы (методы ДНК –диагностики) – это большая и разнообразная группа методов, предназначенная для выявления вариаций в структуре исследуемого участка ДНК. ДНК- методы используются в следующих направлениях: 1) для диагностики моногенных и 17 мультифакториальных наследственных болезней; 2)для пренатальной диагностики моногенных болезней или пола плода (в случаях Х – сцепленного наследования); 3) в судебной медицине для идентификации личности и установления родства; 4) для диагностики инфекционных заболеваний; 5) для диагностики онкологических заболеваний. Прямая диагностика проводится в тех случаях, когда строение гена уже изучено. Она включает секвенирование ДНК (позволяет определить строение гена и выявить любую мутацию), регистрацию изменения электрофоретической подвижности мутантных молекул ДНК, трансляцию белкового продукта in vitro. Косвенное выявление мутаций применяется в тех случаях, когда строение гена не известно и вместе с тем имеется информация о других структурах, находящихся рядом с геном. Позже широкое развитие получили различные способы изучения последовательностей ДНК с помощью олигонуклеотидных зондов - искусственно синтезированных коротких цепей нуклеотидов, меченных радиоактивными метками. Зонды могут специфически связываться с комплементарными последовательностями в анализируемой ДНК, свидетельствуя тем самым о присутствии искомого фрагмента. 28. Использование популяционно-статистического метода для анализа генетической структуры популяции. Закон Харди-Вайнберга. Существенным моментом при использовании этого метода является статистическая обработка получаемых данных. Популяция - совокупность особей одного вида, длительное время обитающих на определенной территории, свободно скрещивающихся друг с другом, имеющих общее происхождение, определенную генетическую структуру. Популяция является не только формой существования вида, но и единицей эволюции, поскольку в основе микроэволюционных процессов, завершающихся образованием вида, лежат генетические преобразования в популяциях. Изучением генетической структуры популяций занимается особый раздел генетики — популяционная генетика. У человека выделяют три типа популяций: 1) панмиктические; 2) демы; 3) изоляты. Отличаются друг от друга численностью, частотой внутригрупповых браков, долей иммигрантов, приростом населения. Население крупного города соответствует панмиктической популяции. В генетическую характеристику любой популяции входят следующие показатели: 1) генофонд (совокупность генотипов всех особей популяции); 2) частоты генов; 3) частоты генотипов; 4) частоты фенотипов; 5) факторы, изменяющие частоты генов. Для выяснения частот встречаемости тех или иных генов и генотипов используется закон Харди-Вайнберга. В идеальной популяции из поколения в поколение сохраняется строго определенное соотношение частот доминантных и рецессивных генов (1), а также соотношение частот генотипических классов особей (2). p + q = 1, (1) р2 + 2pq + q2 = 1, (2), где p — частота встречаемости А; q — частота встречаемости а; р2 — частота встречаемости гомозигот АА; 2pq — частота встречаемости Аа; q2 — частота встречаемости аа. Идеальна популяция - панмиктическая (панмиксия — свободное скрещивание), в ней отсутствуют мутационный процесс, естественный отбор и другие факторы, нарушающие равновесие генов. В природе не существует. Влияние наследственности на заболевания определяют по формуле Хольцингера: Н + Е = 1; Н = (КМБ – КДБ): (100 – КДБ) (в процентах), КМБ – коэффициент парной конкордантности для монозигот, КДБ – для дизигот. Н от 1 до 0,7 – наследственные факторы доминируют в раз. болезни. Н от 0,4 до 0,7 – действует в осн. факторы среды + ген.предрасположенность. 29. Пренатальная диагностика наследственных болезней человека. ПД— комплексная дородовая диагностика с целью обнаружения патологии на стадии внутриутробного развития. Позволяет обнаружить более 98 % плодов с синдромом Дауна; более 40 % нарушений развития сердца и др. Полноценная генетическая диагностика. Ее можно провести как для родителей, так и для плода в пренатальный период. Высокая точность результатов и попутное получение обширных сведений о 18 состоянии здоровья также являются сильной стороной генетического тестирования. Кроме того, по результатам тестирования родителей специалист по генетическому консультированию сможет произвести расчет риска появления различных заболеваний у будущих детей. К первой группе относятся инвазивные методы, предполагающие проникновение сквозь оболочку плода. Наиболее ранним вариантом является биопсия ворсинок хориона. Ее допускается проводить уже на 8-12 неделе беременности. Для этого потребуется проникнуть в матку и взять небольшой фрагмент одной из оболочек плода. На 14-18 неделе, становится доступным метод амниоцентеза - для исследования необходимо взять не пробу ткани, а определенное количество околоплодных вод. Выполняется аккуратный прокол брюшины специальной иглой. После того, как необходимое количество жидкости набрано, игла извлекается, а материал отправляется на генетическое исследование. Третий вариант, кордоцентез - проводится еще позднее, обычно уже на 20 неделе беременности. В этом случае исследуются не ткани и даже не околоплодные воды. Проба берется из кровеносного русла сосуда, проходящего в пуповине. Далее родители принимают решение оставить ребёнка или нет. 29.Пренатальная (дородовая) диагностика. Многие болезни можно выявит еще до рождения ребенка. При обнаружении тяжелых заболеваний у плода, врач предлагает семье искусственное прерывание беременности. Окончательное решение вопроса об этом должна принять семья. К методам дородовой диагностики относятся: 1. Биопсия ворсин хориона. Производится на 7-9 неделе беременности. Служит для выявления хромосомных дефектов, активности ферментов с целью диагностики наследственных болезней обмена и ДНК- диагностики. 2. Амниоцентез (взятие околоплодной жидкости с содержащимися в ней клетками). Производится начиная с 12-14 недель беременности. 3. Кордоцентез (взятие крови из пупочных сосудов) производится на 20-25 неделе беременности и используется для тех же целей. 4. Анализ крови матери. Выявление α-фетопротеина (белок, который вырабатывается печенью плода и проникает через плацентарный барьер в кровь матери). Увеличение его в несколько раз на 16 неделе беременности может указывать на дефекты нервной трубки. Снижение его концентрации по отношении к норме может указывать на синдром Дауна. 5. Ультразвуковое исследование плода производится на всех сроках беременности. УЗИ исследование – главный метод визуального определения пороков развития плода и состояния плаценты. УЗИ исследование рекомендуется проводить всем женщинам не менее 2 раз в течение беременности. Пренатальное обследование проводится в случаях: 1) при обнаружении транслокаций хромосом у одного из родителей; 2) при наличии у родителей АД заболевания; 3) при наличии в семье детей с АР; 4) при возрасте матери старше 35 лет; 5) при привычных выкидышах; 6) при наличии в семье детей с врожденными пороками развития. 30. Медико-генетическое консультирование. МГК является наиболее распространенным видом профилактики наследственных болезней. Суть его заключается в прогнозировании рождения ребёнка с наследственной патологией, объяснении вероятности этого события консультирующимся и помощи семье в принятии решения о дальнейшем деторождении. МГК как способ профилактики врождённой или наследственной патологии особенно эффективен до зачатия или на самых ранних сроках беременности. Включает 3 этапа: уточнение диагноза с использованием специальных генетических методов: генеалогическое обследование и составление родословной, биохимико-генетические методы, позволяющие выявить генетически обусловленные изменения обмена веществ, диагностика гетерозиготного носительства рецессивных аллелей, пренатальная диагностика (УЗИ, биохимический скрининг маркерных белков в сыворотке беременной, амниоцентез — забор околоплодной жидкости для кариотипирования плода). Определение прогноза потомства, 19 который основывается на данных о типе и варианте наследования патологического состояния, результата пренатальной диагностики. Формулирование заключения и объяснение заинтересованным лицам в доступной форме смысла генетического риска. Прямыми показаниями для направления к специалисту-генетику являются: установленная или подозреваемая наследственная болезнь в семье; кровнородственные браки; воздействие возможных мутагенов, или тератогенов, до или в течение первых трёх месяцев беременности. 20
