Биология. Итог по генетике. Генетика как наука. Предмет и задачи генетики. Наследственность и изменчивость (определение). Основные этапы развития генетики, их краткая характеристика. Роль генетики в современной биологии и медицине
 Скачать 1.66 Mb.
|
|
Близнецовый метод и его значение. Генетико-математический анализ в близнецовых исследованиях. Значение метода в изучении наследственности и изменчивости. Биохимический метод как метод диагностики наследственных болезней обмена веществ Близнецовый метод. Генетико-математический анализ в близнецовых исследованиях. Значение метода в изучении наследственности и изменчивости Близнецовый метод основан на изучении фенотипа и генотипа близнецов для определения степени влияния среды на развитие различных признаков. Этот метод в 1876 г. предложил английский исследователь Ф. Гальтон для разграничения влияния наследственности и среды на развитие различных признаков у человека. Близнецовый метод позволяет определить степень проявления признака у пары, влияние наследственности и среды на развитие признаков. Все различия, которые проявляются у однояйцевых близнецов, имеющих одинаковый генотип, связаны с влиянием внешних условий. Большой интерес представляют случаи, когда такая пара была по каким-то причинам разлучена в детстве и близнецы росли и воспитывались в разных условиях. Изучение разнояйцевых близнецов позволяет проанализировать развитие разных генотипов в одинаковых условиях среды. Близнецовый метод позволил установить, что для многих заболеваний значительную роль играют условия среды, при которых происходит формирование фенотипа. Например, такие признаки как группа крови, цвет глаз и волос определяются только генотипом и от среды не зависят. Некоторые заболевания, хотя и вызываются вирусами и бактериями, в некоторой степени зависят от наследственной предрасположенности. Такие заболевания, как гипертония и ревматизм, в значительной степени определяются внешними факторами и в меньшей степени – наследственностью. Таким образом, близнецовый метод позволяет выявить роль генотипа и факторов среды в формировании признака, для чего изучаются и сравниваются степени сходства (конкордантность) и различий (дискордантность) монозиготных и дизиготных близнецов. Этот метод заключается в изучении закономерностей наследования признаков в парах одно- и двуяйцевых близнецов. Он предложен в 1875 г. Гальтоном. В настоящее время этот метод широко применяют в изучении наследственности и изменчивости у человека для определения соотносительной роли наследственности и среды в формировании различных признаков, как нормальных, так и патологических. Он позволяет выявить наследственный характер признака, определить пенетрантность аллеля, оценить эффективность действия на организм некоторых внешних факторов (лекарственных препаратов, обучения, воспитания). Суть метода заключается в сравнении проявления признака в разных группах близнецов при учете сходства или различия их генотипов. Монозиготные близнецы, развивающиеся из одной оплодотворенной яйцеклетки, генетически идентичны, так как имеют 100% общих генов. Поэтому среди монозиготных близнецов наблюдается высокий процент конкордантных пар, в которых признак развивается у обоих близнецов. Сравнение монозиготных близнецов, воспитывающихся в разных условиях постэмбрионального периода, позволяет выявить признаки, в формировании которых существенная роль принадлежит факторам среды. По этим признакам между близнецами наблюдается дискордантность, т.е. различия. Напротив, сохранение сходства между близнецами, несмотря на различия условий их существования, свидетельствует о наследственной обусловленности признака. Сопоставление парной конкордантности по данному признаку у генетически идентичных монозиготных и дизиготных близнецов, которые имеют в среднем около 50% общих генов, дает возможность более объективно судить о роли генотипа в формировании признака. Высокая конкордантность в парах монозиготных близнецов и существенно более низкая конкордантность в парах дизиготных близнецов свидетельствуют о значении наследственных различий в этих парах для определения признака. Сходство показателя конкордантности у моно- и дизиготных близнецов свидетельствует о незначительной роли генетических различий и определяющей роли среды в формировании признака или развития заболевания. Достоверно различающиеся, но достаточно низкие показатели конкордантности в обеих группах близнецов дают возможность судить о наследственной предрасположенности к формированию признака, развивающегося под действием факторов среды. Установление соотносительной роли наследственности и среды в развитии различных патологических состояний позволяет врачу правильно оценить ситуацию и проводить профилактические мероприятия при наследственной предрасположенности к заболеванию или осуществлять вспомогательную терапию при его наследственной обусловленности. Трудности близнецового метода связаны, во-первых, с относительно низкой частотой рождения близнецов в популяции (1:86—1:88), что осложняет подбор достаточного количества пар с данным признаком; во-вторых, с идентификацией монозиготности близнецов, что имеет большое значение для получения достоверных выводов. Для идентификации монозиготности близнецов применяют ряд методов. 1. Полисимптомный метод сравнения близнецов по многим морфологическим признакам (пигментации глаз, волос, кожи, форме волос и особенностям волосяного покрова на голове и теле, форме ушей, носа, губ, ногтей, тела, пальцевым узорам). 2. Методы, основанные на иммунологической идентичности близнецов по эритроцитарным антигенам (системы АВО, MN, резусу), по сывороточным белкам (γ-глобулину). 3. Наиболее достоверный критерий монозиготности предоставляет трансплантационный тест с применением перекрестной пересадки кожи близнецов. Конкордантность (сходство близнецов) - отношение числа близнецов, у которых признак одинаков к общему числу выборки (выражается в процентах). Дискордантность - различия близнецов по изучаемому признаку. Значение: 1. Позволяет определить степень влияния наследственных факторов и среды на формирование признаков. 2. Изучение генетики поведения 3. Используется специалистами по общей и медицинской психологии. Биохимический метод как метод диагностики наследственных болезней обмена веществ Биохимический метод - позволяет выявить наследственно обусловленные нарушения обмена веществ. Введение данного метода в практику связано с открытием английского врача А. Гаррода в начале XX века биохимической природы наследственных болезней обмена веществ которые сам Гэррод назвал врожденными ошибками метаболизма. Изучая алкаптонурию он установил, что данное заболевание наследуется как рецессивный признак и определяется отсутствием специфического фермента. Развитием идеи о механизме действия генов через контроль отдельных этапов метаболизма различных соединений в клетке следует считать работы Д.Бидла и Э. Татума, которые высказали гипотезу “один ген-один фермент”. Позже она модифицирована в гипотезу “один ген-одна полипеп- тидная цепь”. Наследственные заболевания, которые обусловлены генными мутациями, изменяющими структуру или скорость синтеза белков, обычно сопровождаются нарушением углеводного, белкового, липидного и других типов обмена веществ. Наследственные дефекты обмена можно диагностировать посредством определения структуры измененного белка или его количества, выявления дефектных ферментов или обнаружения промежуточных продуктов обмена веществ во внеклеточных жидкостях организма (крови, моче, поте и т.д.). Например, анализ аминокислотных последовательностей мутацонно измененных белковых цепей гемоглобина позволил выявить несколько наследственных дефектов, лежащих в основе ряда заболеваний - гемоглобинозов. Так, при серповидно-клеточной анемии у человека аномальный гемоглобин вследствие мутации отличается от нормального заменой только одной аминокислоты (глутаминовой кислоты на валин). В настоящее время описано более 600 болезней обмена веществ. Например, фенилкетонурия относится к болезням аминокислотного обмена. При этом блокируется превращение незаменимой аминокислоты фенилаланин в тирозин, и фенилаланин превращается в фенилпировиноградную кислоту, которая выводится с мочой. Заболевание приводит к быстрому развитию слабоумия у детей. Ранняя диагностика и диета позволяют приостановить развитие заболевания. В практике здравоохранения кроме выявления гомозиготных носителей мутантных генов существуют методы выявления гетерозиготных носителей некоторых рецессивных генов, что особенно важно при медикогенетическом консультировании. Так, у фенотипически нормальных гетерозигот по фенилкетонурии (аутосомно-рецессивное заболевание; у гомозигот по мутантному гену нарушается обмен аминокислоты фенилаланина, что приводит к умственной отсталости) после приема фенилаланина обнаруживается повышенное его содержание в крови. При гемофилии гетерозиготное носительство мутантного гена может быть установлено с помощью определения активности фермента, измененного в результате мутации. 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, галактоземия. 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. На сегодняшний день в нашей стране внедрена программа обязательного селективного скрининга на определение наследственных болезней обмена веществ. с проведением 14ти тестов анализов мочи и крови: на белок, кетокислоты, цистин и т.д. Популяционно-статистический метод в генетике человека. Закон Харди-Вайнберга. Условия идеальной популяции. Цитогенетический метод, этапы его проведения. Значение метода в изучении наследственности и изменчивости Популяционно-статистический метод в генетике человека. Закон Харди – Вайнберга. Условия идеальной популяции В медико-биологических исследованиях достаточно часто возникает вопрос установления количественных соотношений индивидуумов с раз¬личными генотипами по определенному гену или определения распро¬страненности какого-то гена (в т.ч. патологического) среди населения. Ре¬шение этого вопроса возможно благодаря сформулированному в 1908 го¬ду, независимо друг от друга, английским математиком Харди (Hardy) и немецким врачом Вайнбергом (Weinberg), закону генетической стабильно¬сти популяции. Этот закон в честь ученых, сформулировавших его, полу¬чил название закона Харди-Вайнберга. Сущность закона в следующем. В идеальной популяции сумма генов одной аллельной пары является величиной постоянной и равняется 1. р + q = 1 где р — частота доминантного гена (А), q — частота рецессивного гена (а). Обе величины могут быть выражены в долях единицы или в процентах (тогда р + q = 100%). Частота генотипов в популяции по одной паре аллельных генов также является величиной постоянной и непосредственно определяется частотой доминантного и рецессивного генов в мужской и женской частях популя¬ции. 2 $ (р + q) х (р + q) = 1 Раскрываем скобки и получаем: р2 + 2рq + q2 = 1 Где р2 - частота гомозиготных организмов по доминантному гену (ге¬нотип АА), 2рq - частота гетерозиготных организмов (генотип Аа), q - частота гомозиготных организмов по рецессивному гену (генотип аа). Полная формулировка закона Харди-Вайнберга может быть представ¬лена следующим образом: В идеальной популяции частота гомозигот¬ных организмов, имеющих доминантный признак, равняется квадра¬ту частоты доминантного гена; частота гетерозиготных организмов равняется удвоенному произведению частот доминантного и рецес¬сивного гена; частота гомозиготных организмов, имеющих рецессив¬ный признак, равняется квадрату частоты рецессивного гена, и это соотношение остается неизменным во всех поколениях пока не будут нарушены определенные условия (условия идеальной популяции). Закон Ханди-Вайнберга справедлив для идеальной популяции, кото¬рая характеризуется следующими параметрами (условия идеальной по¬пуляции): 1) большая численность популяции (более 500 организмов); 2) свободное скрещивание (панмиксия) в популяции; 3) отсутствует давление мутаций, миграций, отбора. Популяций, отвечающих полностью требованиям закона Харди- Вайнберга, в природе не существует. В каждой естественной популяции, в том числе и в популяциях человека, происходят мутационный процесс, ес¬тественный отбор, миграционные процессы, имеются ограничения пан- миксии. Однако изменение частот генов под действием элементарных эво¬люционных факторов осуществляется в популяциях очень медленно. По¬этому, хотя и с определенной долей допущений, закон Харди-Вайнберга достаточно широко применяется для оценки генетической структуры (оп-ределение частот генов и генотипов) различных популяций и в том числе популяций человека. Закон Харди-Вайнберга применим и к множественным аллелям, на¬пример, аллелям, детерминирующим группы крови системы АВО (1О, 1А, 1В). Чтобы рассчитать частоты генотипов для локусов с множественными аллелями, исходят из следующей формулы: (p+q+r+...+s)2=1, где р, q, r... s — частоты различных аллелей в популяции. В случае расчета частот аллелей по системе крови АВО конечные формулы будут выглядеть следующим образом: r=VO, p=V(o+a) -Vo, q= V(0+B) -Vo" где r — частота гена IG , p — частота гена 1А, q — частота гена IB ,0 — до¬ля людей с I группой крови, А — доля людей со II группой крови, В — до¬ля людей с III группой крови. Закон Хайди-Вайнберга. Условия идеальной популяции. Для выяснения частот встречаемости тех или иных генов и генотипов используется закон Харди-Вайнберга. Полная формулировка закона Харди-Вайнберга может быть представлена следующим образом: В идеальной популяции частота гомозиготных организмов, имеющих доминантный признак, равняется квадрату частоты доминантного гена; частота гетерозиготных организмов равняется удвоенному произведению частот доминантного и рецессивного гена; частота гомозиготных организмов, имеющих рецессивный признак, равняется квадрату частоты рецессивного гена, и это соотношение остается неизменным во всех поколениях пока не будут нарушены определенные условия (условия идеальной популяции). Закон Ханди-Вайнберга справедлив для идеальной популяции, которая характеризуется следующими параметрами (условия идеальной популяции): 1) большая численность популяции(более500 организмов); 2) свободное скрещивание(панмиксия) в популяции; 3) отсутствует давление мутаций, миграций, отбора. p + q = 1 р2 + 2pq + q2 = 1 где p — частота встречаемости доминантного гена А; q — частота встречаемости рецессивного гена а; р2 — частота встречаемости гомозигот по доминанте АА; 2pq — частота встречаемости гетерозигот Аа; q2 — частота встречаемости гомозигот по рецессиву аа. Идеальной популяцией является достаточно большая, панмиктическая (панмиксия — свободное скрещивание) популяция, в которой отсутствуют мутационный процесс, естественный отбор и другие факторы, нарушающие равновесие генов. Понятно, что идеальных популяций в природе не существует, в реальных популяциях закон Харди-Вайнберга используется с поправками. Закон Харди-Вайнберга, в частности, используется для примерного подсчета носителей рецессивных генов наследственных заболеваний. Например, известно, что в данной популяции фенилкетонурия встречается с частотой 1:10000. Фенилкетонурия наследуется по аутосомно-рецессивному типу, следовательно, больные фенилкетонурией имеют генотип аа, то есть q2 = 0,0001. Отсюда: q = 0,01; p = 1 - 0,01 = 0,99. Носители рецессивного гена имеют генотип Аа, то есть являются гетерозиготами. Частота встречаемости гетерозигот (2pq) составляет 2 · 0,99 · 0,01 ≈ 0,02. Вывод: в данной популяции около 2% населения — носители гена фенилкетонурии. Заодно можно подсчитать частоту встречаемости гомозигот по доминанте (АА): p2 = 0,992, чуть меньше 98%. Изменение равновесия генотипов и аллелей в панмиктической популяции происходит под влиянием постоянно действующих факторов, к которым относятся: мутационный процесс, популяционные волны, изоляция, естественный отбор, дрейф генов, эмиграция, иммиграция, инбридинг. Именно благодаря этим явлениям возникает элементарное эволюционное явление — изменение генетического состава популяции, являющееся начальным этапом процесса видообразования. С помощью популяционно-статистического метода изучают наследственные признаки в больших группах населения, в одном или нескольких поколениях. Существенным моментом при использовании этого метода является статистическая обработка получаемых данных. Этим методом можно рассчитать частоту встречаемости в популяции различных аллелей гена и разных генотипов по этим аллелям, выяснить распространение в ней различных наследственных признаков, в том числе заболеваний. Он позволяет изучать мутационный процесс, роль наследственности и среды в формировании фенотипического полиморфизма человека по нормальным признакам, а также в возникновении болезней, особенно с наследственной предрасположенностью. Этот метод используют и для выяснения значения генетических факторов в антропогенезе, в частности в расообразовании. Популяционно-статистический метод в генетике человека используется для решения следующих проблем: 1) Выяснение степени гетерозиготности и полиморфизма человеческих популяций; 2) Изучение механизмов поддержания частоты генов в популяции 3) Выявление различий частот отдельных генов и генотипов между разными популяциями; 4) Изучение генетической структуры популяций 5) Изучение распространенности наследственных болезней, соотношения между частотами гомозигот и гетерозигот; В популяциях человека в гетерозиготном состоянии находится много мутантных рецессивных аллелей, обуславливающих появление наследственных болезней. Наряду с другими генетическими изменениями организма, сокращающими общий уровень его жизнеспособности, эти мутации составляют генетический груз популяции, который необходимо учитывать при решении многих социальных проблем. Кроме того, частота перехода рецессивных аллелей в гомозиготное состояние возрастает с увеличением степени инбридинга; поэтому рождаемость детей с наследственными аномалиями значительно увеличивается при близкородственных браках. Иногда популяционно-генетические исследования помогают даже специалистам, далеким от биологии: историкам, этнографам, археологам и др. Выясняя и сопоставляя частоту распространения тех или иных антигенов крови, им удалось проследить пути миграции людей в далеком прошлом – цыган, норманов и др. Генетические преобразования в популяции, или микроэволюция (по Ю.А. Филипченко) составляют основу происхождения видов, или микроэволюция. Поэтому результаты исследований в области популяционной генетики лежат в основе развития эволюционной теории. Существует в распределении генов и генотипов внутри генофонда. Она была сформулирована в 1908 году одновременно двумя учеными: английским математиком Харди и немецким врачом Вайнбергом и получила название закона Харди-Вайнберга. Этот закон полностью справедлив только для идеальных популяций, т.е. популяций, отвечающих следующим требованиям: 1) бесконечно большая численность; 2) внутри популяции осуществляется панмиксия (свободное скрещивание); 3) отсутствуют мутации по данному гену; 4) отсутствует приток и отток генов; 5) отсутствует отбор по анализируемому признаку (признак нейтральный!). Природные популяции в большинстве своем приближаются к идеальным, поэтому данный закон находит применение.Закон Харди-Вайнберга имеет математическое и словесное выражения, причем в двух формулировках: Частоты встречаемости генов одной аллельной пары в популяции остаются постоянными из поколения в поколение. p + q = 1,где p – частота встречаемости доминантного аллеля (А), q – частота встречаемости рецессивного аллеля (a). Частоты встречаемости генотипов в одной аллельной паре в популяции остаются постоянными из поколения в поколение, а их распределение соответствует коэффициентам разложения бинома Ньютона 2-й степени.p2 + 2pq +q2 = 1 Эту формулу следует выводить с помощью генетических рассуждений. Допустим, что в генофонде популяции доминантный аллель А встречается с частотой р, а рецессивный аллель а с частотой q. Тогда в этой же популяции женские и мужские гаметы будут нести аллель А с частотой р, а аллель а с частотой q. Запишем полученные генотипы в одну строку: p2AA + 2pqAa + q2aa = 1. В малочисленных популяциях закон Харди-Вайнберга не действует. Там имеет место явление дрейфа генов. Под дрейфом генов понимают случайное изменение частоты встречаемости генов одной аллельной пары в популяции. |