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.
|
|
Цитогенетический метод, этапы его проведения. Цитогенетический метод - метод изучения кариотипа человека, основанный на микроскопическом изучении хромосом. Цитогенетический метод активно начал использоваться в практике с 1956 года, когда Дж.-К. Тио и А. Леван установили, что диплоидное число хромосом человека равно 46 (23 пары). В 1959 г. французские ученые Д. Лежен, Р. Тюрпен и М. Готье установили хромосомную природу болезни Дауна. В последующие годы были описаны многие другие хромосомные синдромы. С помощью цитогенетического метода все хромосомы по положению центромеры и длины плеч разделены на три типа: метацентрические, суб- метацентрические, акроцентрические. Однако хромосомы не очень легко отличать одну от другой. Цитогенетики с целью унификации методов идентификации хромосом на конференции в 1960 г. в г. Денвере (США) предложили классификацию, учитывающую величину хромосом и расположение центромеры. Патау в том же году дополнил эту классификацию и предложил разделить хромосомы на 7 групп. Согласно этой классификации к группе А (1,2,3) относятся самые крупные 1 и 3 почти метацентрические и 2 крупная субметацентрическая, В (4,5) крупные субметацентрические, С (6-12) средние субметацентриче- ские, D (13-15) средние акроцентрические, E (16-18) мелкие субметацентрические, F (19-20) самые мелкие метацентрические, G (21-22) самые мелкие акроцентрические, Х-хромосома относится к С группе - средняя почти метацентрическая, Y-хромосома - мелкая акроцентрическая, относится к группе G. В конце 60-х годов прошлого века были разработаны методы дифференциального окрашивания хромосом человека, которые показали, что каждая пара хромосом имеет свой специфический характер чередования неокрашенных, светло- и темноокрашенных участков. Этот метод дифференциального окрашивания хромосом был положен в основу Парижской классификации хромосом (1971 г.), по которой хромосомы идентифицируются по наличию в них эу- и гетерохромных участков. Для каждой пары ауто- сом характерна индивидуальная последовательность распределения и закономерность расположения светлых (эухроматиновых) и темных (гетерохроматиновых) участков. Цитогенетический метод используется для определения истинного пола ребенка и диагностике заболеваний, связанных с изменением числа хромосом и их структуры. Цитогенетический метод (метод хромосомного анализа) основывается на микроскопическом исследовании структуры и количества хромосом. Он получил широкое применение в 20-е годы XX века, когда были получены первые сведения о количестве хромосом у человека. В 1956 г. шведские ученые Дж. Тийо и А. Леван впервые доказали, что у человека 46 хромосом. Цитогенетический метод используют для: • изучение кариотипов организмов; • уточнение числа хромосомных наборов, количества и морфологии хромосом для диагностики хромосомных болезней; • составление карт хромосом; Цитогенетический метод включает кариотипирование и определение полового хроматина. а) Кариотипирование проводится для получения метафазных хромосом. Кариотип- это диплоидный набор хромосом в соматических клетках на стадии метафазы, характерный для данного вида. Кариотип, представленный в виде диаграммы, называется идиограмма, кариограмма или хромосомный комплекс. Для кариотипирования наиболее удобным источником клеток являются лимфоциты. Вначале получают достаточное количество делящихся клеток (стимуляция ФГА), а затем метафазные пластинки (для остановки деления на стадии метафазы используют колхицин) с раздельно лежащими хромосомами (гипотонический раствор). Препараты окрашивают и фотографируют, хромосомы вырезают и раскладывают. Для систематизации хромосом используют две стандартные классификации: Денверскую и Парижскую. б) Определение Х-полового хроматина. Половой хроматин (тельце Барра) - компактная темная глыбка, которая имеется в интерфазном ядре соматических клеток нормальных женщин. Половой хроматин представляет спирализованную Х-хромосому. Инактивация одной из Х-хромосом является механизмом, выравнивающим баланс генов в мужском и женском организме. Согласно гипотезе Марии Лайон, инактивация Х-хромосомы происходит на ранних стадиях эмбриогенеза (14 день. По числу глыбок полового хроматина можно судить о числе Х-хромосом При любом числе Х-хромосом в активном состоянии будет только одна Х-хромосома. Этапы: 1. Культивирование клеток крови на питательных средах 2. Стимуляция митотических делений 3. Добавление колхицина для разрушения нитей веретена деления, остановка деления на стадии метафазы 4. Обработка клеток гипотоническим раствором для свободного расположения хромосом 5. Окрашивание 6. Микроскопирование и фотографирование 7. Построение идиограммы 21. Классификация наследственной патологии человека. Генные болезни. Причины и основные механизмы их проявления и наследования. Хромосомные болезни. Мультифакториальные болезни человека. Характеристика, особенности фенотипического проявления Классификация наследственной патологии человека. Классификация заболеваний человека: 1) Наследственные болезни Генетический и этимологический фактор – мутации (генные и хромосомные) Роль средовых факторов – только в выраженности, влияет на течение этих заболеваний. Фенилкетонурия и синдром Дауна (транслокационный механизм) 2) Болезни с наследственным расположением моногенного типа Наличие мутантного гена. Для проявления гена необходимы факторы окружающей среды Падагра (нек.формы) и диабет 3) Мультифакториальные болезни Несколько генов в сочетании с факторами внешней среды. Около 90% всех заболеваний человека. 4) Болезни, обусловленные действием только средовых факторов Возникают только под действием средовых факторов, на течение может влиять и генетические факторы (Травмы, ожоги т.д.) Генные болезни. Причины и основные механизмы их проявления и наследования Генные болезни - это разнородная по клиническим проявлениям группа заболеваний, обусловленных мутациями на генном уровне. Частота 1-2% Имеется большое количество наследственных заболеваний человека, обусловленных изменениями генов (генные мутации). Частота генных болезней составляет около 1%. Генные заболевания наследуются в соответствии с законами Г. Менделя. По типу наследования они делятся на ауто- сомно-доминантные, аутосомно-рецессивные, сцепленные с Х- или Y-хромосомами. Генная патология обусловлена мутациями как структурных, так и в регуляторных генах. Генные мутации могут приводить к следующим эффектам: - синтез аномального белка; - выработка избыточного количества генного продукта; - отсутствие выработки первичного продукта; - выработка уменьшенного количества нормального первичного продукта. Замена одной пары азотистых оснований способно вызвать замещение одной аминокислоты на другую. Такой тип мутации называется миссенс- мутации. Мутации, вызывающие образование стоп-кодонов, называют нонсенс-мутациями. Другой класс молекулярных мутаций - делеции (утрата) или инсерция (вставка) нуклеотидов. Если в результате делеции или инсерции вставляется или утрачивается число нуклеотидов, не кратное трем, то меняется смысл всех последующих кодонов. Такие мутации приводят к сдвигу рамки считывания. К генным болезням у человека относятся многочисленные болезни обмена веществ. Они могут быть связаны с нарушением обмена углеводов, липидов, стероидов, пуринов и пиримидинов, билирубина и др. Наследственные болезни аминокислотного обмена это самая многочисленная группа наследственных болезней обмена веществ. Почти все они наследуются по аутосомно-рецессивному типу наследования и связаны с недостаточностью того или иного фермента, отвечающего за синтез аминокислот. К наследственным болезням с нарушением аминокислотного обмена относятся фенилкетонурия, галактоземия, альбинизм и др. Фенилкетонурия - заболевание, связанное с нарушением синтеза фермента фенилаланингидроксидазы, который превращает аминокислоту фенилаланин в тирозин. При нарушении этого процесса фенилаланин окисляется в фенилпировиноградную кислоту и действует токсически на головной мозг, развивается умственная отсталость. При своевременной ранней диагностике предупредить слабоумие можно назначением специальной диеты с ограничением фенилаланина. Галактоземия относится к наследственным заболеваниям, связанным с нарушением обмена углеводов. При галактоземиии нарушен синтез фермента галактозо-1-фосфатуридилтранферазы, который превращает галактозу в глюкозу. Ребенок не переносит молочный сахар. В крови и тканях накапливается галактоза и галактоза-1-фосфат. Развивается умственная и физическая отсталость. С помощью соответствующей диеты можно предупредить развитие последствий болезни. Типы наследования генных болезней. Примеры. Болезни с аутосомно-доминантным типом наследования характеризуются тем, что для их развития достаточно унаследовать мутантный аллель от одного родителя. Для большинства болезней этого типа характерны такие патологические состояния, которые не наносят серьезного ущерба здоровью человека и в большинстве случаев не влияют на его способность иметь потомство. Болезни с аутосомно-рецессивным типом наследования проявляются у лиц только в гомозиготном состоянии. Гетерозиготы фенотипически (клинически) не отличаются от здоровых лиц с двумя нормальными аллелями. Болезни с Х-сцепленным доминантным типом наследования. Особенности наследования этих болезней обусловлены тем, что у женщин имеются 2 Х-хромосомы, а у мужчин – 1 Х-хромосома. Следовательно, женщина, унаследовав от одного из родителей патологический аллель, является гетерозиготной, а мужчина – гемизиготным. Болезни с Х-сцепленным рецессивным типом наследования встречаются редко. При этом женщины практически всегда гетерозиготны, т.е. фенотипически нормальны (здоровы) и являются носителями. Больными бывают только мужчины. Характерные особенности болезней этого типа различны в зависимости от нарушения репродукции. Y-сцепленный тип наследования. Длительное время полагали, что Y-хромосома содержит только гетерохромативные участки (без генов). Новейшие исследования позволили обнаружить и локализовать ряд генов в Y-хромосоме, ген, детерминирующий развитие семенников, отвечающий за сперматогенез (фактор азооспермии), контролирующий интенсивность роста тела, конечностей и зубов и др. Оволосение ушной раковины контролируется геном, расположенным в Y-хромосоме. На этом признаке можно видеть характерные черты Y-сцепленного типа передачи. Признак передается всем мальчикам. Естественно, что патологические мутации, затрагивающие формирование семенников или сперматогенез, не могут наследоваться, потому что эти индивиды стерильны. Для митохондриальной наследственности характерны следующие признаки (необходимо помнить, что митохондрии передаются с цитоплазмой овоцитов; спермии не имеют митохондрий, поскольку цитоплазма элиминируется при созревании мужских половых клеток): •болезнь передается только от матери; •больны и девочки, и мальчики; •больные отцы не передают болезни ни дочерям, ни сыновьям. Рассмотрите на примере известных вам генных болезней механизмы их развития. Рассмотрим генную болезнь - фенилкетонурию, которая связанна с нарушением аминокислотного обмена. Фенилкетонурия встречается в различных популяциях людей с частотой 1:6000-1:10 000. В норме аминокислота фенилаланин (незаменимая аминокислота) с помощью фермента фенилаланингидроксилазы превращается в аминокислоту тирозин, которая в свою очередь под действием фермента тирозиназы может превращаться в пигмент меланин. При нарушении активности этих ферментов развиваются наследственные заболевания человека фенилкетонурия и альбинизм. Фенилкетонурия наследуется по аутосомно-рецессивному типу. В зависимости от гена, который подвергается мутации выделяют несколько форм фенилкетонурии: форма I - генный дефект (мутация гена фенилаланингидроксилазы) локализуется на длинном плече 12-й хромосомы, участке 12q24.1, форма II - генный дефект локализуется в коротком плече 4-й хромосомы, участке 4р15.3., форма III - связана с недостаточностью 6-пирувоил-тетрагидроптерина синтазы, которая участвует в синтезе тетра- гидробиоптерина из дигидронеоптерина трифосфата. В результате какого-либо ферментативного дефекта фенилаланин не превращается в тирозин, а накапливается в сыворотке крови в больших количествах в виде фенилпировиноградной кислоты, которая выделяется с мочой и потом, вследствие чего от больных исходит "мышиный" запах. Высокая концентрация фенилпировиноградной приводит к нарушению формирования миелиновой оболочки вокруг аксонов в центральной нервной системе. Дети с фенилкетонурией рождаются здоровыми, но в первые же недели жизни у них развиваются клинические проявления заболевания. Фенилпировиноградная кислота является нейротропным ядом, в результате чего повышаются возбудимость, тонус мышц, развиваются гиперрефлексия, тремор, судорожные эпилептиформные припадки. Позже присоединяются нарушения высшей нервной деятельности, умственная отсталость, микроцефалия. У больных наблюдается слабая пигментация из-за нарушения синтеза меланина. Хромосомные болезни. Хромосомные болезни - большая группа врожденных заболеваний обусловленных изменением структуры отдельных хромосом или их количества в кариотипе и характеризующихся множественными пороками развития. В настоящее время различают около 1000 хромосомных синдромов. Их вклад в спонтанные аборты, неонатальную смертность и заболеваемость весьма значительный. Не менее 50% всех спонтанных абортов обусловлены хромосомными мутациями, частота хромосомных аномалий среди новорожденных составляет 0,8%, а среди мертворожденных - 5%. Причиной возникновения хромосомных болезней являются хромосомные и геномные мутации. Все хромосомные болезни подразделяются на две группы: 1. Болезни, связанные с аномалиями числа хромосом а) болезни, обусловленные нарушением числа аутосом. б) болезни, связанные с увеличением или уменьшением числа половых X и Y-хромосом. 2. Болезни, связанные со структурными нарушениями (аберрациями) хромосом Выделяют следующие разновидности хромосомных мутаций: • Транслокация - перенос генетического материала с одной хромосомы на другую; • Инверсия - поворот участка хромосомы на 180°. • Делеция - потеря участка хромосомы; • Дупликация - удвоение участка хромосомы; Хромосомные мутации Это изменения структуры хромосом. Перестройки могут осуществляться как в пределах одной хромосомы — внутрихромосомные мутации (делеция, инверсия, дупликация, инсерция), так и между хромосомами — межхромосомные мутации (транслокация). Выделяют: Делеции – утрата участка хромосомы; Дубликации – удвоение участка хромосомы; Инверсии – разворот на 180°; Транслокации– обмен участками между негомологичными хромосомами. Заболевания, причиной которых являются хромосомные мутации, относятся к категории хромосомных болезней. К таким заболеваниям относятся синдром «крика кошки» (46, 5р-), транслокационный вариант синдрома Дауна (46, 21 t2121) и др. Синдром Дауна (47ХХ / 47ХУ) В 1866 английским врачом Дауном В 1959 Лежен установил цитогенетическую природу Частота 1:700 – 1:800 родов, соотношение м/ж 1:1 Один из факторов – возраст матери. Старше 45 лет – вероятность увеличивается (1:12) Причины: - 95% - (классический) трисомия по 21 хромосоме - 3% - транслокация 21-й хромосомы на другую (чаще на 18-ю) - 2% - мозаицизм – мутации не в гамете, а на стадии зиготы Клинические проявления: - 90% плоское лицо - 80% скошенный затылок - 80% косые глазные щели - 80% эпиканд (нависающее веко) - 70% короткие конечности - 65% полуоткрытый рот с большим высунутым языком - 67% пороки мочеполовой системы - 60% пороки сердца - 40% короткий нос с широкой плотной переносицей - 40% мелкие деформированные уши - 40% характерная поперечная складка на ладони - около 30% косые глаза - 8% пороки кишечника Риск появления данного заболевания для потомства – транслокация и мозаицизм. Трисомия по наследству не передается Примерно в 60% случаев трисомия 21 является причиной гибели плода, около 30% родившихся умирает на первом году жизни. Продолжительность жизни около 30 лет (благодаря современной медицине), ранее – до 20-25 лет Среди других аутосомных трисомий известны трисомии по 13-й хромосоме — Синдром Патау, а также по 18-й хромосоме — синдром Эдвардса, при которых жизнеспособность новорожденных резко снижена. Они гибнут в первые месяцы жизни из-за множественных пороков развития. Достаточно часто у человека встречаются анэуплоидии по половым хромосомам. В отличие от анэуплоидии по аутосомам дефекты умственного развития у больных выражены не столь отчетливо, у многих оно в пределах нормы, а иногда даже выше среднего. Вместе с тем у них постоянно наблюдаются нарушения развития половых органов и гормонозависимого роста тела. Реже встречаются пороки развития других систем. Относительно благоприятные последствия увеличения числа Х- хромосом, видимо, связаны с возможностью компенсации дозы соответствующих генов благодаря естественной генетической инактивации этих хромосом, а также мозаичному характеру такой инактивации. Синдром Клайнфельтера (♂47,ХХУ) Встречается только у мужчин с частотой 1:500 – 1:750 В 1942 – впервые описан В 1959 – установлена цитогенетическая природа Признаки: - Высокий рост - Снижение уровня тестостерона - Повышенный уровень гонадотропина - Гинекомастия – развитие молочных желез по женскому типу - Дегенерация семенных канальцев, бесплодие - Снижение умственной активности Синдром Шерешевского-Тернера (♀47,ХО) Встречается только у женщин с частотой 1:1000 – 1:5000 Описал в 1925 Шерешевский, через 5 лет Тернер В 1959 – установлена цитогенетическая природа Признаки: - Низкий рост - Изменения в строении грудной клетки - Крыловидная складка на шее - Недоразвитость половых органов (первичных и вторичных) - Может быть полное отсутствие гонад - Первичная аменорея (отсутствие менструаций) - Бесплодие - Пороки развития почек и сердца Трисомия ХХХ (только женщины) Нормальны, способны к деторождению (70%), у некоторых психические и гормональные изменения. Синдром кошачьего крика (делеция короткого плеча 5-й хромосомы) - Наблюдается сразу после рождения - Низкая масса тела при рождении - Общее и умственное отставание в развитии - Лунообразное лицо с широко расставленными глазами - Характерный плач ребенка, напоминающий кошачье мяукание, причиной которого является недоразвитие гортани |