Антипов Е. В. Сборник задач по молекулярной биологии и медицинской генетике с
 Скачать 0.98 Mb.
|
|
Пример решения задачи на анализ родословных Задача 8.1 Пробанд страдает ночной слепотой. Его два брата также больны. По линии отца пробанда страдающих ночной слепотой не было. Мать про- банда больна. Две сестры и два брата матери пробанда здоровы. Они имеют только здоровых детей. По материнской линии дальше известно, что бабушка больна, дедушка здоров, сестра бабушки больна, а брат здоров, прадедушка (отец бабушки) страдал ночной слепотой, сестра и брат прадедушки были больны, прапрадедушка болен, его брат, имею- щий больную дочь и двух больных сыновей, также болен. Жена пробан- да, ее родители и родственники здоровы. Определите вероятность рож- дения больных детей в семье пробанда. Дано: В родословной присутствует заболевание – ночная слепота Решение: Вероятность рождения больных детей в семье пробанда I II III IV V Анализ родословной: а) ночная слепота – заболевание наследственное б) пробанд получил заболевание по материнской линии в) тип наследования ночной слепоты – аутосомно-доминантный г) пробанд и все его больные родственники – гетерозиготные по ге- нотипу 133 д) супруга пробанда – здоровая, следовательно, гомозиготная по до- минантному гену. Для ответа на поставленный в задаче вопрос мы должны провести анализ гамет супругов и зигот. А – ночная слепота а – норма Р ♀ аa × ♂ Аa G а А, а F 1 Аа аа 50% 50% Ответ: если пробанд страдает ночной слепотой и он гетерозиготен, а его супруга здорова, то вероятность рождения больных детей в этой се- мье составит 50% безотносительно к полу. Задачи на анализ родословных Задача 8.2 Пробанд имеет нормальные по окраске зубы. У его сестры зубы ко- ричневые. У матери пробанда зубы коричневые, у отца – нормальной окраски. Семь сестер матери пробанда с коричневыми зубами, а четыре брата – с нормальными. Одна тетя пробанда по линии матери, имеющая коричневые зубы, замужем за мужчиной с нормальными зубами. У них трое детей: дочь и сын с коричневыми зубами и дочь с нормальными. Два дяди пробанда по линии матери женаты на женщинах без аномалии в окраске зубов. У одного из них два сына и дочь, у другого – две доче- ри и сын. Все они с нормальными зубами. Коричневые зубы имел де- душка пробанда по линии матери, а у бабушки по линии матери были нормальные зубы. Два брата дедушки по линии матери с нормальной окраской зубов. Прабабушка (мать деда по линии матери) и прапраба- бушка (мать этой прабабушки) имели коричневые зубы, а их мужья бы- ли с нормальной окраской зубов. Определите, какие дети могут быть у пробанда, если он вступит в брак с женщиной, гетерозиготной по этому признаку. 134 Задача 8.3 Молодожены нормально владеют правой рукой. В семье женщины было две сестры, нормально владеющие правой рукой и три брата – лев- ши. Мать женщины – правша, отец – левша. У отца есть сестра и брат – левши, и сестра и два брата – правши. Дед по линии отца – правша, бабушка – левша. У матери женщины есть два брата и сестра – все правши. Мать мужа – правша, отец – левша. Бабушки и дедушки со сто- роны матери и отца мужа нормально владеют правой рукой. Определите вероятность рождения в этой семье детей, владеющих левой рукой. Задача 8.4 Пробанд – здоровая женщина – имеет двух здоровых братьев и двух братьев, больных алькаптонурией. Мать пробанда здорова и имеет двух здоровых братьев. Отец пробанда болен алькаптонурией и является двоюродным дядей своей жены. У него есть здоровый брат и здоровая сестра. Бабушка по линии отца была больной и состояла в браке со сво- им двоюродным здоровым братом. Бабушка и дедушка пробанда по ли- нии матери здоровы, при этом мать деда – родная сестра деда пробанда со стороны отца. Определите вероятность рождения больных алькапто- нурией детей в семье пробанда при условии, что она выйдет замуж за здорового мужчину, мать которого страдала алькаптонурией. Задача 8.5 Пробанд – нормальная женщина – имеет пять сестер, две из которых однояйцевые близнецы, две – двуяйцевые близнецы. Все сестры имеют шесть пальцев на руке. Мать пробанда нормальна, отец – шестипалый. Со стороны матери все предки нормальны. У отца два брата и четыре сестры – все пятипалые. Бабушка по линии отца – шестипалая. У нее было две шестипалые сестры и одна пятипалая. Дедушка по линии отца и все его родственники – нормально пятипалые. Определите вероят- ность рождения в семье пробанда шестипалых детей при условии, если она выйдет замуж за нормального мужчину. Задача 8.6 Пробанд – здоровая женщина. Ее сестра также здорова, а два брата страдают дальтонизмом. Мать и отец пробанда здоровы. Четыре сестры 135 матери пробанда здоровы, мужья их также здоровы. О двоюродных се- страх со стороны матери пробанда известно: в одной семье один боль- ной брат, две сестры и брат здоровы, в двух других семьях по одному больному брату и по одной здоровой сестре, в четвертой семье – одна здоровая сестра. Бабушка пробанда со стороны матери здорова, дедушка страдал дальтонизмом. Со стороны отца пробанда больных дальтониз- мом не отмечено. Определите вероятность рождения у пробанда боль- ных дальтонизмом детей при условии, если она выйдет замуж за здоро- вого мужчину. Задача 8.7 Пробанд и пять его братьев здоровы. Мать пробанда и отец глухо- немые. Два дяди и тетка со стороны отца также глухонемые, со стороны матери четыре тетки и дядя здоровы и одна тетка и один дядя глухоне- мые. Бабушка и дедушка со стороны матери здоровы. Бабушка и дедуш- ка по отцу глухонемые. Бабушка по отцу имеет глухонемого брата и двух глухонемых сестер. Дедушка по отцу имеет двух братьев, один из которых здоров, другой глухонемой и пять сестер. Дедушка по отцу имеет двух братьев, один из которых здоров, другой глухонемой и пять сестер, две из которых глухонемые. Мать и отец дедушки со стороны отца здоровы, мать и отец бабушки со стороны отца глухонемые. Опре- делите вероятность рождения детей глухонемыми в семье пробанда, ес- ли он вступит в брак с нормальной в отношении глухонемоты женщи- ной, происходящей из благополучной в отношении этого заболевания семьи. Задача 8.8 Пробанд здоров. Отец пробанда болен эпидермолизом булезным. Мать и ее родственники здоровы. Две сестры пробанда здоровы, один брат болен. Три дяди со стороны отца и их дети здоровы, а три дяди и одна тетка – больны. У одного больного дяди от первого брака есть больной сын и здоровая дочь, а от второго брака – больные дочь и сын. У второго больного дяди есть две здоровые дочери и больной сын. У третьего больного дяди – два больных сына и две больные дочери. Ба- бушка по отцу больна, а дедушка здоров, здоровы были три сестры и два 136 брата бабушки. Определите вероятность рождения больных детей в се- мье пробанда при условии, что он вступит в брак со здоровой женщи- ной. Задача 8.9 Пробанд имеет белый локон в волосах надо лбом. Брат пробанда без локона. По линии отца пробанда аномалии не отмечено. Мать пробанда с белым локоном. Она имеет трех сестер. Две сестры с локоном, одна без локона. У одной из теток пробанда со стороны матери – сын с локо- ном и дочь без локона. У второй – сын и дочь с локоном и дочь без ло- кона. Третья тетка пробанда со стороны матери – без локона имеет двух сыновей и одну дочь без локона. Дед пробанда по линии матери и двое его братьев имели белые локоны, а еще двое были без локона. Прадед и прапрадед также имели белый локон надо лбом. Определите вероятность рождения детей с белыми локонами надо лбом в случае, если пробанд вступит в брак со своей двоюродной сест- рой, имеющей этот локон. Задача 8.10 Пробанд болен врожденной катарактой. Он состоит в браке со здоро- вой женщиной и имеет больную дочь и здорового сына. Отец пробанда болен катарактой, а мать здорова. Мать пробанда имеет здоровую сестру и здоровых родителей. Дедушка по линии отца болен, а бабушка здоро- ва. Пробанд имеет по линии отца здоровых родных – тетю и дядю. Дядя женат на здоровой женщине. Их три сына (двоюродные братья пробанда по линии отца) здоровы. Какова вероятность появления в семье дочери пробанда больных внуков, если она выйдет замуж за гетерозиготного по катаракте этого типа мужчину? Задача 8.11 Пробанд страдает дефектом ногтей и коленной чашечки, а его брат нормален. Этот синдром был у отца пробанда, а мать была здорова. Де- душка пробанда по линии отца с синдромом, а бабушка здорова. Отец пробанда имеет трех братьев и четырех сестер, из них два брата и две сестры с синдромом дефекта ногтей и коленной чашечки. Больной дядя 137 по линии отца женат на здоровой женщине и имеет двух дочерей и сына. Все они здоровы. Определите вероятность появления детей с заболева- нием в семье пробанда, если его супруга не будет страдать дефектом ногтей и коленной чашечки. Задача 8.12 Роза и Алла – родные сестры и обе, как и их родители, страдают ноч- ной слепотой. У них есть еще сестра с нормальным зрением, а также сестра и брат, страдающие ночной слепотой. Роза и Алла вышли замуж за мужчин с нормальным зрением. У Аллы было две девочки и четыре мальчика, страдающих ночной слепотой. У Розы – два сына и дочь с нормальным зрением и еще один сын, страдающий ночной слепотой. 1) Определите генотипы Розы и Аллы, их родителей и всех детей. 2) Какова вероятность появления у Розы и Аллы внуков, страдающих ночной слепотой, при условии, что все их дети вступят в брак с лицами, нормальными в отношении зрения? Задача 8.13 Пробанд нормального роста имеет сестру с ахондроплазией. Мать пробанда нормальна, а отец страдает ахондроплазией. По линии отца пробанд имеет двух нормальных теток, одну тетку с ахондроплазией и одного дядю с ахондроплазией. Тетя имеет ахондроплазию, замужем за здоровым мужчиной. У них есть сын – карлик. Здоровая тетя от здоро- вого мужа имеет двух мальчиков и двух девочек – все они здоровы. Дя- дя – карлик женат на здоровой женщине. У него две нормальные девоч- ки и сын карлик. Дедушка по линии отца карлик, а бабушка нормальная. 1) Определите вероятность появления карликов в семье пробанда, ес- ли его жена будет иметь такой же генотип, как и он сам. 2) Какова вероятность появления карликов в семье сестры пробанда, если она вступит в брак со здоровым мужчиной? Задача 8.14 Одна из форм рахита не излечивается обычными дозами витамина. Пробанд – юноша, страдающий этой формой рахита. Его сестра здорова. Мать пробанда больна рахитом, отец здоров. У матери пробанда было 138 трое братьев – все здоровы. Дед пробанда по линии матери болен, бабка здорова. Дед имел двух здоровых братьев и одного больного. У здоро- вых братьев деда от здоровых жен было пять здоровых сыновей: (у од- ного четыре сына, у другого один). У больного брата деда жена была здорова. У них было три больные дочери и два здоровых сына. У двух больных дочерей брата деда пробанда от здоровых мужей было по од- ной здоровой дочери. Еще у одной больной дочери брата деда пробанда, состоящей в браке со здоровым мужчиной, два сына, один из которых болен, и больная дочь. У здоровых сыновей брата деда пробанда жены здоровы, здоровы и их дети. Определите вероятность рождения больных рахитом детей в семье пробанда в случае, если он вступит в брак со сво- ей больной троюродной сестрой. Задача 8.15 О пробанде известно следующее: он и его сестра являются альбино- сами; два их брата и сестра – нормальны; альбиносом была их мать, а также две ее сестры и брат; отец пробанда и его сибсы, а также их роди- тели, бабки и деды были нормальными; бабка и дед пробанда по мате- ринской линии, а также один из прадедушек были альбиносами. Супру- га пробанда является нормальной, альбиносов в ее родне никогда не бы- ло. Какова вероятность рождения у пробанда мальчиков-альбиносов? Могут ли внуки или внучки пробанда болеть альбинизмом? 9. Популяционная генетика Популяционная генетика исследует закономерности распределения генов и генотипов в популяциях. Популяционная генетика возникла из попыток соединить дарвиновскую теорию эволюции и менделевское учение о наследственности. По этой причине популяционная генетика в первую очередь изучает наследственные изменения, происходящие в ряду поколений. Отдельно взятая особь имеет неизменный на протяже- нии жизни генотип, поэтому она не может рассматриваться как элемен- тарная эволюционирующая единица. В качестве таковой выступает по- пуляция –совокупность особей одного вида, скрещивающихся между собой и имеющих определенный ареал обитания. 139 Обычно говоря о популяции, мы имеем в виду, что ее члены не толь- ко в той или иной степени связаны родственными узами, но и в значи- тельной степени доступны друг другу как брачные партнеры. Нельзя рассматривать жителей Москвы и Варшавы как единую популяцию. Это различные популяции, связанные незначительными миграционными потоками. Частичная репродуктивная изоляция отдельных популяций, как правило, обусловлена их географической разобщенностью. В единой популяции всевозможные варианты скрещиваний должны быть пример- но равновероятны. При полной случайности внутрипопуляционных скрещиваний говорят о панмиксии. Введение этого специального тер- мина оправдано исключительной важностью случайности скрещиваний для построения теорий эволюции частот менделирующих генов. Часто популяция, являясь панмиктической по отношению к одной группе локусов, не является таковой по отношению к другой группе признаков. Например, для человеческих популяций характерна положи- тельная ассортивность скрещиваний в отношении цвета кожи (преиму- щественное вступление в брак людей одной расы). Вместе с тем, те же популяции можно считать панмиктическими по отношению ко многим другим локусам, например, определяющим группу крови брачных парт- неров. Для панмиктических популяций справедливы определенные соотно- шения, связывающие частоты аллельных генов (закон Харди- Вайнберга). Более того, предположение о случайности скрещиваний позволяет рассматривать генотипы всех особей, образующих популя- цию, как единую совокупность генов, отвлекаясь при этом от их носите- лей. Говорят, что панмиктическая популяция имеет единый генофонд. Генофонд диплоидной популяции, насчитывающей N особей, состоит из 2N гаплоидных геномов, то есть содержит 2N генов каждого локуса и N пар гомологичных хромосом. Исключение составляют половые хромосомы и локализованные на них гены, которые представлены в одном экземпляре. В медицинской практике часто появляется необходимость установить количественные соотношения людей с различными генотипами по какому-либо аллелю, включающему патологический ген, или частоту встречаемости этого гена среди населения. Расчеты 140 производятся в соответствии с положениями закона Харди-Вайнберга. Этот закон разработан для популяций, которые отвечают следующим условиям: 1) свободное скрещивание, то есть отсутствие специального подбора пар по каким-либо отдельным признакам; 2) отсутствие оттока генов за счет отбора или миграции особей за пределы данной популяции; 3) отсутствие притока генов за счет мутаций или миграции особей в данную популяцию извне; 4) равная плодовитость гомозигот и гетерозигот. Такая популяция называется равновесной. Первое положение закона Харди-Вайнберга: сумма частот генов одного аллеля в данной популяции есть величина постоянная. Математически это записывается так: p + q = 1, где p – число доминантных генов аллеля А, q – число рецессивных генов того же аллеля а. Обе величины обычно принято выражать в долях единицы, реже – в процентах (тогда p + q = 100). Например, в популяции из 100 000 особей аллельных генов одного какого-то локуса всегда определенное количество, то есть 200 000. Но среди них доминантные и рецессивные распределяются не обязательно поровну. Соотношение их может быть разнообразным. Доминантных может быть 60%, рецессивных 40%, (p = 0,6, q = 0,4) или 90 и 10% ((p = 0,9, q = 0,1). Иногда один ген из аллельной пары встречается крайне редко и составляет десятитысячные и даже миллионные доли единицы. Та или иная частота гена в популяции зависит от адаптивной значимости того признака, который он определяет. Следовательно, частоты определенных пар генов устанавливаются естественным отбором в ряде предшествовавших поколений. Второе положение закона Харди-Вайнберга: сумма частот генотипов по одному аллелю в данной популяции есть величина постоянная, а распределение их соответствует коэффициентам бинома Ньютона второй степени. 141 Следствие закона Харди-Вайнберга позволяет рассчитать в идеальной популяции частоты встречаемости признаков по следующей формуле: p 2 + 2pq + q 2 = 1, где p 2 – число гомозиготных особей по доминантному гену (генотип АА), 2pq – число гетерозигот (генотип Аа), q 2 – число гомозиготных особей по рецессивному гену (генотип аа). Эта формула выводится следующим образом. В равновесной популяции женские и мужские особи дают одинаковое число гамет как с геном А, так и с геном а, которое может быть записано как p + q. Тогда число генотипов рассчитывается или путем перемножения числа женских гамет (p + q) на число мужских гамет (p + q): (p + q) × (p + q) = p 2 + 2pq + q 2 = 1, или по решетке: А = p a = q А = p AA p 2 Aa pq a = q Aa pq Aa q 2 Если взять один из приведенных числовых примеров: p = 0,6, q = 0,4, то, подставляя эти значения в формулу p 2 + 2pq + q 2 = 1 получим: p 2 = 0,36, 2pq = 0,48, q 2 = 0,16, то есть доминантных гомозигот АА в популяции 36%, гетерозигот Аа – 48%, рецессивных гомозигот аа – 16%. Закон Харди-Вайнберга включает еще одно важное следствие: в равновесной популяции частоты генов и частоты генотипов сохраняются в ряде поколений. Например, при частоте доминантного гена p = 0,6, а рецессивного q = 0,4 генотипы распределяются следующим образом: АА (p 2 ) = 0,36; Аа (2pq) = 0,48; аа (q 2 ) = 0,16. В следующем поколении распределение генов по гаметам будет идти следующим образом. 0,36 гамет с геном А дадут гомозиготы по доминантному гену и 0,24 таких же гамет дадут гетерозиготы. Следовательно, р = 0,36 + 0,24 = 0,6. Гаметы с рецессивным геном а будут формироваться: 0,24 за счет гетерозигот и 0,16 за счет гомозигот по рецессивным генам. Тогда q = 0,24 + 0,16 = 0,4. 142 То есть, и во втором поколении сохраняется то же соотношение, которое было в предыдущем. Установившиеся соотношения генов и генотипов могут изменяться в том случае, если популяция теряет равновесие. Нарушение равновесия может быть вызвано различными причинами. Например, из-за изменений условий существования, при которых признак теряет свое приспособительное значение. Тогда особи с таким признаком, потеряв преимущества, будут элиминированы отбором, а ген, определяющий этот признак, будет сокращаться в своей численности. Через несколько поколений установится новое соотношение генов, которое соответствует приспособительной значимости их в новых условиях. Еще одна причина потери равновесия популяцией – появление новых мутаций, имеющих определенную адаптационную значимость. Анализ популяций с позиций закона Харди-Вайнберга и следствий из него позволяет наглядно представить весь механизм различных форм естественного отбора, а по изменениям частот генов в ряде последовательных поколений выяснить направление изменчивости конкретной популяции. Идеальных популяций в природе не существует, однако, например, к населению крупного города данный закон с известной долей приближения можно применить. На практике с помощью закона Харди-Вайнберга подсчитывают генетическую структуру популяций, высчитывают частоты полезных и вредных генов в искусственно созданных популяциях, прогнозируют развитие эпидемий, имеющих наследственную составляющую, изучают распространение аномалий в популяциях человека, исследуют начальные этапы микроэволюции. В случае множественного аллелизма положения закона Харди- Вайнберга также применимы. Тогда в случае трех аллельных генов их частоты и частоты генотипов могут быть выражены следующим образом: p + q + r = 1 p 2 + q 2 + r 2 + 2pq + 2pr + 2qr = 1 |