Диплоидный набор хромосом, а также совокупность генов, находящихся в гаплоидном наборе хромосом, называют геномом. Мутации, связанные с изменением числа хромосом, получили название геномных. К ним относятся полиплоидия и гетероплоидия.
Полиплоидия – увеличение диплоидного числа хромосом путем добавления целых хромосомных наборов в результате нарушения мейоза. Полиплоидные формы фенотипически отличаются от диплоидной: вместе с изменением числа хромосом изменяются и наследственные свойства. У полиплоидов клетки обычно крупные; иногда растения имеют гигантские размеры. Формы, возникшие в результате умножения хромосом одного генома, носят название полиплоидии . Однако известна и другая форма полиплоидии – аллоплоидия , при которой умножается число хромосом двух разных геномов.
В результате нарушений процессов мейоза и синтеза ДНК число хромосом может изменяться и становиться некратным гаплоидному набору . Явление, когда какая-либо из хромосом, вместо того чтобы быть парной, оказывается тройной, получило название трисомии.
Если наблюдается трисомия по одной хромосоме, то такой организм называется трисомиком, а его хромосомный набор записывается как 2n+1.
Явление, противоположное трисомии, т. е. утрата одной хромосомы из пары в диплоидном наборе, называется моносомией , а такой организм – моносомиком; его генотипическая формула записывается как 2n-1. Если из диплоидного набора выпадают обе гомологические хромосомы, организм называется нуллисомиком .
Анэуплоидия , т. е. нарушение нормального числа хромосом, приводит к изменениям в строении и снижению жизнеспособности организма.
Вопрос 73. Хромосомные аберрации
1.
Типы хромосомных аберраций
Хромосомные аберрации возникают в результате перестройки хромосом. Они являются следствием разрыва хромосом, приводящего к образованию фрагментов, которые в дальнейшем воссоединяются, но при этом нормальное строение хромосом не восстанавливается.
Различают 4 основных типа хромосомных аберраций : нехватки, удвоения, инверсии и транслокации. Нехватки возникают вследствие потери хромосомой того или иного участка. Нехватки в средней части хромосомы принято называть делециями.
Потеря значительной части хромосомы приводит организм к гибели, утрата незначительных участков вызывает изменение наследственных свойств. Так, при нехватке участка одной их хромосом у кукурузы ее проростки лишаются хлорофилла.
Удвоение связано с включением дополнительного (лишнего) дублирующего участка хромосомы. Это также ведет к появлению новых признаков .
2.
Инверсия
Инверсия наблюдается при разрыве хромосомы и переворачивании оторвавшегося участка на 1800. Если разрыв произошел в одном месте, образовавшийся фрагмент прикрепляется к хромосоме противоположным концом, если же разрыв случился в двух местах, то средний фрагмент, перевернувшись, прикрепляется к местам разрыва, но другими концами.
3.
Транслокация
Транслокация возникает в тех случаях, когда участок хромосомы из одной пары прикрепляется к негомологичной хромосоме, т. е. хромосоме из другой пары. Транслокация участка одной из хромосом известна у человека: она может быть причиной болезни Дауна. Большинство транслокаций, затрагивающих крупные участки хромосом, делает организм нежизнеспособным.
Вопрос 74. Генные (точковые) мутации
1.
Изменение участков молекулы ДНК
Генные мутации затрагивают структуру самого гена. Мутации могут изменять участки молекулы ДНК различной длины. Наименьший участок, изменение которого приводит к появлению мутации, назван мутоном. Его может составить только одна пара нуклеотидов. Изменение последовательности нуклеотидов в конечном итоге может вызвать нарушения в программе синтеза белка. Следует помнить, что нарушения в структуре ДНК приводят к мутациям только тогда, когда не осуществляется репарация.
Большинство мутаций, с которыми связана эволюция органического мира, – генные. Гены, которые возникли в результате мутации одного локуса, как известно, являются аллельными. Появление мутации для каждого генного локуса – событие довольно редкое. Различные аллели имеют неодинаковую частоту мутирования. Для каждой аллели частота мутирования более или менее постоянна и колеблется в пределах 10-5—10-7. Однако ввиду огромного числа генов у каждого организма мутации довольно часты.
2.
Соматические мутации
Мутации возникают в любых клетках, поэтому их делят на соматические и генеративные. Биологическое значение их неравноценно и связано с характером размножения организмов. При делении мутировавшей соматической клетки новые свойства передаются ее потомкам.
При половом размножении признаки, появившиеся в результате соматических мутаций, потомкам не передаются и в процессе эволюции никакой роли не играют. Однако в индивидуальном развитии они могут влиять на формирование признака: чем в более ранней стадии развития возникает соматическая мутация, тем больше участок ткани, несущий данную мутацию. Такие особи называются мозаиками.
Если мутация происходит в клетках , из которых развивается гаметы, или в половой клетке, то новый признак проявится в ближайшем или последующих поколениях.
3.
Влияние мутации на организм
Наблюдения показывают, что многие мутации вредны для организма . Это объясняется тем, что функционирование каждого органа сбалансировано в отношении как других органов, так и внешней среды. Нарушение существующего равновесия обычно ведет к снижению жизнедеятельности или гибели организма. Мутации, снижающие жизнедеятельность, называются семилетальными, или полулетальными. Мутации, не совместимые с жизнью, носят название летальных.
Однако часть мутаций оказывается полезной . Такие мутации являются материалом для прогрессивной эволюции, а также для селекции ценных пород домашних животных и растений. Мутации делятся на спонтанные и индуцированные. Спонтанными называют мутации, возникшие под влиянием неизвестных природных факторов, чаще всего как результат ошибок при репликации ДНК.
4.
Индуцированные мутации
Индуцированные мутации вызываются специальными направленными воздействиями, повышающими мутационный процесс. Факторы, способные индуцировать мутационный эффект, получили название мутагенных.
Важнейшими мутагенными факторами являются некоторые химические соединения, различные виды излучений внутренней среды, которые могут нарушить гомеостаз, способны вызвать мутацию и биологические факторы.
Вопрос 75. Химический и радиационный мутагенез. Гомологические ряды в наследственной изменчивости
1.
Мутагенная роль химических веществ
Химические мутагены должны обладать тремя качествами : высокой проникающей способностью, свойством изменять коллоидное состояние хромосом, определенным действием на состояние гена или хромосомы. Открыты сотни химических мутагенов. Некоторые из них усиливают мутагенный эффект во много раз по сравнению со спонтанными. Они получили название супермутагенов.
В экспериментах мутации индуцируются разнообразными химическими агентами. Этот факт свидетельствует о том, что, по-видимому, и в естественных условиях подобные факторы также служат причиной появления спонтанных мутаций у различных организмов, в том числе и у человека.
Доказана мутагенная роль различных химических веществ и даже некоторых лекарственных препаратов. Это говорит о необходимости изучения мутагенного действия новых фармакологических веществ и других химических соединений, широко используемых в медицине и сельском хозяйстве. Индуцированные мутации, вызванные облучением (радиацией), впервые были обнаружены советскими учеными Г.А. Надсоном и Г.С.
2.
Излучения
Для вызывания искусственных мутаций часто используются гамма-лучи , источником которых может быть, например, радиоактивный кобальт. Облучение индуцирует как генные мутации, так и структурные хромосомные перестройки всех описанных выше типов – нехватки, инверсии, удвоения и т. д. Все структурные изменения связаны с разрывом хромосом. Причиной этого являются некоторые особенности процессов, происходящих в тканях при действии излучения.
Жесткие излучения вызывают в тканях ионизацию, в результате которой одни атомы теряют электроны, а другие присоединяют их, в результате чего образуются положительно или отрицательно заряженные ионы. Подобный процесс внутримолекулярной перестройки, если он происходит в хромосомах, может привести к их фрагментации.
В последнее время доказано, что связь между облучением и мутационными изменениями может носить и непрямой характер . По-видимому, энергия излучения может вызывать в среде, окружающей хромосому, химические изменения, которые ведут к индуцированию генных мутаций и структурных перестроек в хромосомах.
Одним из самых опасных последствий облучения является образование свободных радикалов ОН или НО2 при радиолизе находящейся в тканях воды. Эти радикалы обладают высокой реакционной способностью и могут расщеплять многие органические вещества, в том числе нуклеиновые кислоты.
3.
Закон гомологических рядов
Известно, что мутирование происходит в различных направлениях . Однако это многообразие подчиняется определенным закономерностям, впервые обнаруженным в 1920 г. Н.И. Вавиловым . При сравнении признаков различных сортов культурных растений и близких к ним диких видов обнаружилось много общих наследственных изменений. Это позволило Вавилову сформулировать закон гомологических рядов в наследственной изменчивости: «Виды и роды, генетически близкие, характеризуются сходными рядами наследственной изменчивости с такой правильностью, что, зная ряд форм в пределах одного вида, можно предвидеть существование параллельных форм у других видов и родов». Вавилов указывал, что гомологические ряды часто выходят за пределы родов и даже семейств.
Закон гомологических рядов в наследственной изменчивости имеет прямое отношение к изучению наследственных болезней у человека. Вопросы лечения и профилактики наследственных заболеваний не могут быть решены без широкомасштабных исследований на животных с наследственными аномалиями.
Согласно закону Вавилова , мутации, аналогичные наследственным болезням человека, должны встречаться у животных. Так, у собак наблюдается гемофилия, сцепленная с полом. Альбинизм зарегистрирован у многих видов грызунов, кошек, собак и птиц. Моделями для изучения мышечной дистрофии могут служить мыши и крупный рогатый скот, эпилепсии – кролики и крысы, аномалий в строении глаз – многие виды грызунов, собаки и свиньи. Наследственная глухота обнаруживается у морских свинок, мышей и собак. Аномалии, аналогичные заячьей губе и волчьей пасти, бывают у мышей, собак, свиней.
Вопрос 76. Особенности генетики человека. Методы изучения наследственности у человека
1.
Локализация генов
Можно предполагать, что у человека имеется около 1 млн генов , однако тип наследования установлен не более чем у нескольких сотен из них. По характеру наследования признаков человек имеет ряд особенностей, отличающих его от других организмов. У него преобладают гены с неполным доминированием, важный фактор в проявлении многих доминантных и рецессивных генов. Многие признаки обусловлены полимерными генами.
У человека установлены все 24 теоретически возможные группы сцепления генов ; из них 22 локализованы в аутосомах, в каждой из которых содержится по несколько генов.
Более 100 генов локализовано в половых хромосомах . Однако и по наследованию через половые хромосомы человек также отличается от других животных. У млекопитающих, в том числе и у человека, Х– и Y-хромосомы имеют гомологический участок, в котором происходит их синопсис и возможен кроссинговер. Все гены, локализованные в половых хромосомах человека, можно разделить на 3 группы в зависимости от того, в каких участках половых хромосом они находятся.
2.
Гены, сцепленные с полом
Первая группа сцеплена с полом. В нее входят гены, локализованные в той части Х-хромосомы, которая не имеет гомологического участка в Y-хромосоме. Они полностью сцеплены с полом и передаются исключительно через Х-хромосому. К их числу относятся гены гемофилии, дальтонизма, атрофии зрительного нерва и т. д. Доминантные гены из этого участка одинаково проявляются у обоих полов, рецессивные же – только в гомозиготном состоянии у женщин и только в гетерозиготном – у мужчин.
3.
Вторая и третья группа генов
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 гены волосатости ушей, ихтиоза, перепончатых пальцев на ногах.
Третья группа – это гены, расположенные в парном сегменте половых хромосом, т. е. гомологичном для Х– и Y-хромосомы. 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. Если такие гены находятся в Х-хромосоме , то в ряду поколений они ведут себя как сцепленные с полом, т. е. рецессивные гены у женщин проявляются лишь в гомозиготном состоянии, а у мужчин – в гетерозиготном. Однако в результате кроссинговера эти гены могут попасть в Y-хромосому и составить с ней одну группу сцепления. Тогда они будут вести себя как сцепленные с полом и передаваться от отца только к сыновьям до тех пор, пока не произойдет кроссинговер. К этой группе относится большинство генов, локализованных в половых хромосомах. Таковы, например, гены общей цветной слепоты.
4.
Методы изучения наследственности у человека
Морфологические, физиологические и патологические признаки ни у одного из видов организмов не изучены столь детально, как у человека, поэтому, казалось бы, человек должен быть наиболее удобным объектом для изучения наследственных болезней.
Однако у человека такие исследования связаны с рядом трудностей . Низкая плодовитость, медленная смена поколений, невозможность постановки специальных экспериментов, а также большое число хромосом – все это делает человека весьма непростым объектом для генетических исследований. Однако в этом отношении человек подчиняется тем же законам наследственности, что и все другие организмы. В предыдущих разделах генетические явления не раз иллюстрировались примерами, показывающими единство закономерностей наследования для всего органического мира.
5.
Семейно-генеалогический анализ
Один из основных методов изучения наследственности заключается в сборе сведений о наличии признаков в отдельных семьях на протяжении нескольких поколений (семейно-генеалогический метод ). По семейным и архивным материалам составляют родословные. Лицо, с которого начинается составление родословной, принято называть пробандом, его братьев и сестер – сибсами, а если у пробанда есть братья и сестры от другого брака одного из родителей, их называют полусибсами.
Генеалогический анализ позволяет установить :
• характер признака (наследственный или ненаследственный);
• тип наследования (доминантный или рецессивный);
• зиготность пробанда (гомо– или гетерозиготность) по данному признаку;
• степень пенетрантности и экспрессивности изучаемого гена.
Благодаря генеалогическому методу известно , что дальтонизм и гемофилия контролируются рецессивными генами, локализованными в Х-хромосоме. Цвет волос человека зависит от нескольких генов, находящихся в аутосомах. Темный цвет доминирует над светлыми. Рыжий цвет рецессивен по отношению к «нерыжему». Цвет глаз тоже обусловлен несколькими генами, контролирующими количество и характер расположения пигмента в радужной оболочке, но в общем темная окраска превалирует над светлой. Полное отсутствие пигмента (альбинизм) наследуется рецессивно по отношению к наличию пигмента.
Этим же методом выяснена наследственная природа многих болезней и пороков развития у человека . Оказывается, что по аутосомно-доминантному типу наследуются близорукость, косолапость, полидактилия. По аутосомно-рецессивному – эпилепсия, сахарный диабет и др.
6.
Близнецовый метод
Большую роль играет и «близнецовый» метод , дающий возможность дифференцировать роль среды и генотипа в развитии морфологических признаков, предрасположения к заболеваниям, психических особенностей индивида и т. д.
Для дифференцировки роли наследственности и среды в проявлении различных признаков сравнивают одно– и двуяйцевых близнецов. Различия , обнаруживаемые у разнояйцевых близнецов и не отмеченные у однояйцевых, рассматриваются как результат различной наследственности. Если в сходных условиях среды признаки различны у партнеров двуяйцевой пары, но сходны у партнеров однояйцевой пары, их следует признать наследственными.
Близнецов, сходных по фенотипу, называют конкордантными, или сходными. Изучение конкордантности на близнецовых парах позволило прийти к выводу, что, например, группы крови всецело определяются генотипом. В случаях шизофрении, эпилепсии, диабета важная роль принадлежит наследственности, но наряду с ней большое значение имеют и провоцирующие факторы среды.
Вопрос 77. Популяционно-статистический метод. Биохимический метод
1.
Метод изучения распространенности генов
Этот метод использует математическую обработку материала и заключается в изучении распространенности тех или иных генов по определенным критериям.
В этом отношении все гены делятся на следующие 2 группы:
• I. Имеющие универсальное распространение (ген амавротической миопатии который в рецессивном состоянии встречается почти у 1 % населения Европы; ген дальтонизма, который проявляется у 7 % мужчин и 0,5 % женщин, но в гетерозиготном состоянии обнаруживается уже у 13 % женщин).
• II. Встречающиеся локально, преимущественно в строго определенных районах. К ним относятся ген серповидноклеточной анемии, распространенный в странах Африки и Средиземноморья, и ген врожденного вывиха бедра, имеющий высокую концентрацию у аборигенов северо-восточных регионов нашей страны.
Благодаря методам, разработанным в последние годы, стало широко применяться изучение кариотипа (цитологический метод). Установлено, что многие заболевания и дефекты развития связаны с нарушением числа и строения хромосом (так называемые хромосомные болезни).
2.
Цитологический метод
Цитологический метод связан с временными культурами тканей (обычно лейкоцитов) и получением метафазных ядер с укороченными хромосомами в них вследствие воздействия ядом колхицином. Если нарушение касается половых хромосом , то для диагностики с успехом применяется метод исследования полового хроматина в соматических клетках. Для определения мужского ядерного пола выявляют Y-хромосому в соматических клетках, что возможно в силу ее способности флюоресцировать при специальном окрашивании. Исследование полового хроматина и обнаружение Y-хромосомы с помощью флюоресцентной окраски являются экспресс-методами.
3.
Роль биохимического метода
В настоящее время установлено около 500 болезней обмена веществ . Оказалось, что наследственная патология, связанная с нарушениями в ферментативных системах, представляет собой рецессивные, а затрагивающая структурные белки – доминантные формы . В практической деятельности врача большое значение имеет тот факт, что в ряде случаев биохимическими методами удается выявить у пациента наследственную предрасположенность к заболеванию, а это нередко дает возможность своевременно предупредить развитие болезни.
