Методы антропогенетики
 Скачать 1.9 Mb.
|
|
Цитоплазматическое наследование Цитоплазматическое наследование – это наследование локализованных в ДНК митохондрий генов. Митохондрии передаются в зиготу с цитоплазмой яй- цеклеток (в каждой яйцеклетке – 25 000 митохондрий, содержащих от 2 до 4 кольцевых ДНК хромосом). Для цитоплазматического наследования характерно: 1) признак передается потомкам только от матери; 2) мать, несущая признак, передает его всему потомству (реже только части потомства); 3) признак одинаково часто встречается у представителей обоих полов. Генные мутации в митохондриальной ДНК обнаружены при атрофии зрительного нерва Лебера, митохондриальных миопатиях, доброкачественной опухоли (онкоцитоме), при прогрессирующих офтальмоплегиях (нарушениях зрения). Пенетрантность и экспрессивность Понятиепенетрантность отражает частоту фенотипического проявления генотипа в популяции. Пенетрантность выражается в процентах особей, у кото- рых анализируемый генотип фенотипически проявляется. П = (ПВ : ТВ)×100%, где П – пенетрантность, ПВ – практическая вероятность, ТВ – теоретиче- ская вероятность. Пенетрантность может быть полной (100%) и неполной ( 100%). Низкая пенетрантность обусловлена тем, что в процессе онтогенеза не все гены реализуются в признак. На некоторые из них оказывают влияние другие аллели генов. У человека часто встречаются гены, реализация которых в при- знак, обуславливается взаимодействием аллелей одного или нескольких генов. Например, при: кодоминировании, неполном доминировании, комплементар- ности, эпистазе, полимерии. При анализе родословной и определении генетического прогноза потом- ства необходимо учитывать значение пенетрантности признака. Например: арахнодактилия (укорочение пальцев, рис. 11) наследуется как доминантный аутосомный признак с пенетрантностью 30%; праворукость – аутосомно- доминантный признак с полной (100%) пенетрантностью. 16 Рис. 11. Арахнодактилия Экспрессивность – степень выраженности признака в фенотипе. Напри- мер, арахнодактилия может проявиться даже у членов одной семьи в разной степени тяжести. Самостоятельная работа Проанализируйте родословные, представленные ниже, и определите тип наследования патологического признака. Задание № 1. 17 Задание № 2. Задание № 3. Задание № 4. 18 Задание № 5. Ответы на задания Задание № 1 аутосомно-рецессивный тип наследования Задание № 2 аутосомно доминантный тип наследования Задание № 3 Х- сцепленный рецессивный тип наследования. Задание № 4 Х- сцепленный доминантный тип наследования. Задание № 5 У- сцепленный тип наследования 19 ЦИТОГЕНЕТИЧЕСКИЙ МЕТОД Цитогенетический метод основан на изучении числа и структуры хромо- сом в клетках человека. Начал применяться с 1956 г., когда Д. Тио и Л. Леван микроскопически установили, что в клетках человека находится 46 хромосом. Метод включает кариотипирование и определение X- и Y-полового хро- матина. Он позволяет изучать нормальную морфологию хромосом и кариотипа в целом, определять генетический пол организма, диагностировать хромосом- ные болезни, связанные с изменением числа хромосом или с нарушением це- лостности хромосом. Метод кариотипирования включает три основных этапа: 1) культивирование клеток; 2) окраска; 3) микроскопический анализ. Материалом для кариотипирования чаще всего являются лимфоциты пе- риферической крови. Кровь берется у взрослых из вены, у новорожденных — из пальца, мочки уха или пятки. Лимфоциты культивируются в особой пита- тельной среде, в состав которой, добавляют фитогемагглютинин (ФГА), стиму- лирующий митотическое деление лимфоцитов. Через 72 часа в культуру клеток добавляют колхицин. Колхицин способен разрушать митотическое веретено деления, останавливая митоз на уровне метафазы. Именно во время метафазы хромосомы являются наиболее конденсированными. Далее клетки переносят на предметные стекла, сушат, фиксируют и окрашивают различными красителями. Окраска может быть сплошной (рутинной), когда хромосомы окрашива- ются равномерно по всей длине. Окраска позволяет выявить геномные мутации, определить групповую принадлежность хромосом. Для систематизации хромосом используют две стандартные классифика- ции: Международную Денверскую (1960 г.) и Парижскую (1971 г.) номенкла- туры. В соответствии с Международной Денверской классификацией хромосо- мы человека систематизированы в 7 групп, обозначаемых буквами английского алфавита: A, B, C, D, E, F, G на основании их размеров, морфологии и центро- мерного индекса (табл. 1, рис. 12). 20 A B C D E F G Рис. 12. Хромосомы человека Таблица 1 Денверская классификация хромосом человека № Клас- сифи- кация Пары хромосом Форма хромосом Центромер- ный индекс 1 A 1 - 3 Самые крупные, Метацентрические 0,40-0,49 2 B 4 - 5 Крупные, Субметацентрические 0,24-0,30 3 C 6-12 и Х - половая хромосома Средние метацентрические и субмета- центрические 0,28-0,43 21 4 D 13 - 15 Средние акроцентрические, наличие спутников на коротких плечах до 0,15 5 E 16-18 Небольшие метацентрические и субметацентрические 0,26-0,40 6 F 19 - 20 Малые метацентрические 0,36-0,46 7 G 21 – 22 и Y - хромосома Малые метацентрические. Наличие спутников на корот- ких плечах 0,13-0,33 В настоящее время для идентификации хромосом, в соответствии с па- рижской номенклатурой, используется дифференциальное окрашивание, выяв- ляющее характерный индивидуальный рисунок на хромосомах. Рисунок пред- ставляет собой полосы поперечной исчерченности разного цвета, благодаря ко- торым можно более точно выявить хромосомные абберации. Впервые метод дифференцированного окрашивания хромосом был разра- ботан в 1969 г. Т. Касперсоном (рис. 13). Рис. 13. Дифференцированное окрашивание хромосом 22 Дифференциальная окраска используется для выявления структурной пе- рестройки хромосом (хромосомные мутации). Расположение и длина темных и светлых полос строго индивидуальна для каждой хромосомы, благодаря этому можно провести более точную идентификацию гомологичных пар и выявить перестройки хромосом. Наиболее эффективен G-метод дифференциального окрашивания, для которого используют краситель Гимзы. При этом окрашивании темные полосы на хромосомах появляются в области гетерохроматина, а светлые – в участках эухроматина. При таком окрашивании количество полос на хромосомах в ме- тафазных пластинках достигает 400. R-окраска - противоположная G-окраске. Q-окраска – такая же как G, но используются красители содержащие флюоро- хромы, в результате под микроскопом виден светящийся гетерохроматин. С – окраска - прокрашивает только конститутивный гетерохроматин в основном в области центромер. Для дифференциальной окраски используют также FISH-метод, при ко- торой хромосомы окрашиваются в разные цвета. Использование цитогенетического метода позволило выявить группу бо- лезней, связанных с изменением числа и структуры хромосом. Такие болезни получили название хромосомных. Для описания кариотипа человека используется универсальная схема и специальные символы. Например, запись 46,ХХ – обозначает нормальный ка- риотип женщины, а 46,ХУ – нормальный кариотип мужчины (рис. 14). Для выявления аномалий кариотипа плода используют различные кле- точные культуры. Их выбор определяется сроком беременности: до 12 недель – используют клетки ворсин хориона, а в более поздние сроки – клетки плода, выделенные из амниотической жидкости, пуповинной крови и плаценты. Согласно рекомендаций IV Международного конгресса по генетике чело- века (Париж, 1971 г.), при описании геномных мутаций, номер добавочных хромосом помещают после общего числа аутосом и половых хромосом со зна- ком «плюс» или «минус». Например, запись 47,ХХ+21 обозначает кариотип с трисомией по 21 паре хромосом у женщины. Кариотип мужчины с двумя Х- хромосомами изображают как 47,ХХY. Примеры: Кариотип Тип мутации 47,ХХ+13 Синдром Патау 47,XY+18 Синдром Эдвардса 47, XX+21 Синдром Дауна 23 Рис. 14. Нормальный кариотип женщины (слева), и мужчины (справа ) При описании хромосомных мутаций знак «плюс» или «минус» ставят после номера хромосомы, чтобы указать удлинение или укорочение ее плеча. Буква q символизирует длинное плечо, а p – короткое (табл. 2). Таблица 2 Обозначение мутаций кариотипа человека Символическая запись Тип мутации Синдром 46,ХY,1q+ dup (дупликация) длин- ного плеча хромосомы 1 не жизнеспособен 46,ХY,15t 21+ t (транслокация) Дауна 46,XY,5р- del (делеция) короткого плеча хромосомы 5 «кошачьего крика» Сокращения – dup (дупликация), del (делеция), inv (инверсия), r (кольце- видная хромосома) и t (транслокация) – обозначают хромосомные аберрации. Номера хромосомы помещают после сокращений в скобках. Например, запись 46,ХХ,r(18) обозначает, что кариотип женщины с 46 хромосомами, включает r- 24 хромосому 18. Например, запись 46,ХY,1q+ указывает на увеличение длинного плеча хромосомы 1 мужчины. Формула 47,ХY+14р+ указывает на кариотип мужчины с 47 хромосомами, включая и дополнительную хромосому 14 и удли- нение ее короткого плеча. Чаще при изучении хромосом обнаруживают полиморфизм, который ха- рактерен для акроцентрических хромосом и, как правило, отражает вариабель- ность коротких плеч, размеров гетерохроматиновых сегментов, наличие спут- ников и их величину. Примеры: 1 46,ХХ,9qh+ Увеличение размера гетерохроматинового участка в длинном плече хромосомы 9 женщины (h – heterochromatine) 2 46,XY,Yqh- Уменьшение размера гетерохроматинового района на длинном плече Y хромосомы у мужчины 3 46,XX,15pss Появление двойных спутников на коротком плече хро- мосомы 15 у женщины (s – sputnic) 4 46,XX,21ps+ Увеличение размера спутников на коротком плече хро- мосомы 21 у женщины. Установлено, что среди супружеских пар, у которых наблюдалось рожде- ние детей с пороками развития, а также страдающих бесплодием и привычным невынашиванием беременности, чаще обнаруживается носительство хромосом с крупными гетерохроматиновыми блоками. Преобладание лиц с увеличенны- ми гетерохроматиновыми сегментами в акроцентрических хромосомах, а также в хромосомах 1, 9 и 16 наблюдается у детей с врожденными пороками развития. Метод определения полового хроматина М. Барр и Ч. Бертрам (1949 г.), изучая нейроны кошки, обратили внимание на то, что в интерфазном ядре клеток содержится интенсивно окрашиваемое тельце, причем оно присутствует только в ядрах клеток самок и отсутствует у самцов. Замечено было, что между числом телец полового хроматина и числом X-половыххромосом имеется прямая связь. Это тельце получило название полового хроматина, или тельце Барра. У ряда позвоночных и у человека оно появляется в раннем онтогенезе на стадии гаструлы, но раньше развития половых желез. Половой хроматин в интерфазных ядрах обусловлен спирализацией одной из Х-половыххромосом. 25 На локализацию, форму и структуру полового хроматина не влияют половые гормоны, следовательно, он не является вторичным половым признаком. Несколько исследователей одновременно высказали предположение, что одна из Х-хромосом у нормальных женщин относительно не активна в генетическом отношении. В 1961 году английская исследовательница М. Лайон выдвинула гипотезу о механизмах инактивации одной из Х-половыххромосом у женщин. Основные положения этой гипотезы следующие: 1. Одна из двух Х-хромосом клеток женщины неактивна. Неактивная хромосома может быть отцовского или материнского организма. 2. Инактивация является механизмом, выравнивающим баланс генов половых хромосом в клетках мужчин и женщин. 3. Инактивация происходит в раннем эмбриогенезе и сохраняется во время дальнейшего размножения и развития клеточной линии. Если у женщин в ядре клетки несколько Х-половых хромосом, то и несколько телец Барра, активной остается лишь одна Х-хромосома. Х- хромосома не вся инактивируется, часть короткого плеча остается генетически активной. При увеличении количества Х-хромосом в кариотипе организма образуются тельца Барра в количестве на единицу меньше числа Х-хромосом. По наличию лишнего или отсутствию тельца Барра можно диагностировать некоторые виды наследственных заболеваний (табл. 3). Таблица 3 Количество телец Барра при геномных мутациях Кариотип Синдром Количество телец Барра 45,Х0 Шерешевского – Тернера 0 47,XХY Клайнфельтера 1 47,XYY Джейкобса 0 47,XХХ трисомии Х 2 48,XХХХ тетрасомии Х 3 Клетки не содержащие половой хроматин (хроматин-отрицательные клетки) обнаруживаются у здоровых мужчин и у женщин, имеющих набор хромосом 45, ХО. 26 Например, у мужчины с кариотипом 47,ХХУ обнаруживается одно тельце Барра (рис. 15), у кариотипа 48,ХХХУ - два тельца Барра. Три тельца Барра встречается при тяжелом синдроме Клайнфельтера с кариотипом 49,ХХХХУ. Рис. 15. Тельце Бара Часто в ядрах клеток нормального мужского организма встречается не- сколько псевдотелец Барра (конденсированных участков аутосом) и спирализованных Y-хромосом, имеющих меньшие размеры. Поэтому, при диагностике различных хромосомных заболеваний необходимо уметь отличать эти образования от истинного Х-полового хроматина. Хромосомные болезни Синдромы, обусловленные хромосомными аберрациями, исключительно разнообразны, но каждый из них встречается сравнительно редко (1 случай на десятки тысяч новорожденных). Геномные мутации, обусловленные изменени- ем числа хромосом менее разнообразны, но встречаются чаще. Нарушения числа или структуры хромосом возникают в время гаметоге- неза у родителей. Чаще хромосомные болезни являются результатом мутаций, произошедших в половых клетках одного из родителей. В большинстве случаев хромосомные болезни не наследуются. Синдром Дауна Это одна из самых часто встречающихся хромосомных болезней. Дети с синдромом Дауна рождаются с достаточно высокой частотой – 1 на 750 ново- рожденных. Болезнь легко диагностируется, так как имеет ряд характерных призна- ков: маленький череп, плоское и широкое переносье, узкие глазные щели с ко- сым разрезом, наличие складки верхнего века, укороченные конечности, пси- 27 хическая отсталость. Часто наблюдаются врожденные пороки развития внут- ренних органов. Развивается при мутации - трисомия 21 хромосомы (рис. 16). В 80% слу- чаев непосредственной причиной является нерасхождение хромосом в I-ом де- лении мейоза. Рис. 16. Синдром Дауна Главным морфологическим признаком болезни Дауна можно считать де- формации лица, физиологическим - умственную отсталость, проявляющуюся в широком диапазоне: от полной идиотии до сравнительно легких степеней де- бильности. При синдроме Дауна описаны пороки сердца и крупных сосудов, пороки органов пищеварительного тракта, черты преждевременного старения, сниже- ние продолжительности жизни в 5-10 раз, отклонения в дерматоглифике, имму- нодефицитные состояния, нарушения репарации молекулярных повреждений ДНК. Чаще дети с синдромом Дауна рождаются у матерей в возрасте старше 35 лет. Синдром Клайнфельтера Обусловлен увеличением числа Х-половых хромосом у мужчины (рис. 17, 18). 28 Рис. 17. Синдром Клайнфельтера (47,ХХY) Они характеризуются недоразвитием мужских половых органов, дегене- рацией семенных канальцев, часто умственной отсталостью, высоким ростом (за счет непропорционально длинных ног), гинекомастией (рис. 18). Рис. 18. Гинекомастия у мужчины с синдромом Клайнфельтера Синдром Шерешевского-Тернера Синдром 45,Х0 проявляется у женщин в виде замедления полового созре- вания, недоразвития половых желез, аменореи (отсутствии менструаций), бес- плодия. Женщины с синдромом Шерешевского-Тернера имеют малый рост, диспропорциональное тело: более развитая верхняя часть тела, укороченные 29 нижние конечности, плечи широкие и узкий таз, короткая шея с крыловидной складкой и ряд других признаков (рис. 19). Рис. 19. Синдром Тернера-Шерешевского Синдром трисомии Х Трисомия Х – геномная мутация, обусловленная лишней Х – половой хромосомой, проявляется у женщин параклинически (рис. 20). Рис. 20. Синдром трисомии Х 30 Синдром характеризуется недоразвитием половых желез, бесплодием, ча- сто умственной отсталостью, высоким ростом (за счет непропорционально длинных ног), тело диспропорционально. При тетрасомии Х (48,ХХХХ) наблюдаются выраженные нарушения. Синдром «кошачьего крика» Хромосомные болезни возникают и в результате изменения структуры хромосом. Так, делеция р-плеча 5 пары аутосом приводит к развитию синдрома «кошачьего крика». Частота встречаемости: 1 на 50 000 новорожденных. У де- тей нарушается строение гортани, и они в раннем детстве имеют своеобразный «мяукающий» тембр голоса. Наблюдается отставание психомоторного развития и слабоумие. Сопутствующие признаки: лунообразное лицо, «антимонголоид- ный» разрез глаз, микроцефалия, синдактилия, врожденные пороки сердца. Самостоятельная работа Определите нарушение кариотипа (синдром) на представленных ниже ка- риограммах. Задание № 1. 31 Задание № 2. Задание № 3. |