Методы антропогенетики
 Скачать 1.9 Mb.
|
|
Задание № 5 синдром Дауна 33 МЕТОДЫ ГЕНЕТИКИ СОМАТИЧЕСКИХ КЛЕТОК Методы генетики соматических клеток в значительной мере компенси- руют невозможность применения к человеку метода гибридологического ана- лиза. Благодаря разработке методов генетики соматических клеток человек ока- зался включенным в группу объектов экспериментальной генетики. Существуют следующие методы генетики соматических клеток человека: простое культивирование – использование культуры клеток различных тканей и органов для изучения наследственности и изменчивости соматических клеток; клонирование – получение потомков одной клетки, например гибри- дом. Гибридома – это клеточный гибрид, полученный путем слияния нормаль- ного лимфоцита и опухолевой клетки, способный производить моноклональные антитела одного типа; селекция – отбор клеток с заранее заданными свойствами; гибридизация. Для гибридизации могут использоваться клетки от раз- ных людей, а также от человека и других животных (мыши, крысы, морской свинки и др.). Гибридные клетки при делении обычно «теряют» хромосомы од- ного из видов. Например, в гибридных клетках «человек-мышь» постепенно утрачиваются все хромосомы человека, а в клетках «человек-крыса» - сохраня- ются все хромосомы человека и одна хромосома крысы. Таким образом, можно получать клетки с желаемым набором хромосом, что дает возможность изучать сцепление генов и их локализацию, изучать механизмы первичного действия и взаимодействия генов, регуляцию генной активности. Методы генетики соматических клеток основаны на том, что соматиче- ские клетки быстро размножаются на питательной среде, они успешно клони- руются, могут сливаться и образовывать гибридные клоны, давая идентичное потомство. Соматические клетки подвергаются селекционному отбору на питатель- ных средах и могут долго сохраняться при глубоком замораживании. Методы генетики соматических клеток дают возможность судить о гене- тической гетерогенности наследственных болезней, изучать их патогенез на молекулярном и клеточном уровнях. Для этих методов используют культуры соматических клеток, получен- ных из биопсийного материала (кожа, опухолевая ткань, ткань эмбрионов, клетки из околоплодной жидкости) для генетических исследований человека. Эти методы применяют для пренатальной диагностики патологии плода. 34 БЛИЗНЕЦОВЫЙ МЕТОД Метод предложен Ф. Гальтоном (1875 г.) первоначально для оценки роли наследственности и среды в развитии психических признаков человека. В настоящее время близнецовый метод широко применяется в изучении наслед- ственности и изменчивости человека для определения соотносительной роли наследственности и среды в формировании патологических признаков и в фар- макогенетике. Метод основан на изучении сходства признаков у близнецов. Близнецы – это два и более ребенка рожденные одной матерью почти одновременно. Тер- мин «близнецы» используется по отношению к человеку и тем млекопитаю- щим, у которых в норме чаще рождается один ребенок. Различают однояйцо- вых и разнояйцовых близнецов (рис. 21). Рис. 21. Разнояйцовые близнецы (А), однояйцовые близнецы (Б) Однояйцовые (монозиготные, идентичные) близнецы возникают на са- мых ранних стадиях дробления зиготы, когда два или четыре бластомера со- храняют способность при обособлении развиться в отдельный полноценный организм (рис. 21). Поскольку зигота делится митозом, генотипы однояйцовых близнецов совершенно идентичны. Однояйцовые близнецы всегда одного пола, в период внутриутробного развития у них одна плацента. Разнояйцовые (дизиготные, неидентичные) близнецы возникают при оплодотворении двух или нескольких одновременно созревших яйцеклеток (рис. 21). Таким образом, они не имеют одинакового генотипа. Они подобны обычным братьям и сестрам по своей генетической конституции и могут быть как однополыми, так и разнополыми. 35 Трудности близнецового метода связаны с низкой рождаемостью близне- цов в популяциях человека (частота 1:86 – 1:88). Для идентификации монозиготности применяют полисимптомный метод сравнения близнецов по многим признакам. Более достоверный критерий – трансплантационный тест с применением перекрестной пересадки кожи. Наиболее распространены методы основанные на иммунологической идентичности близнецов по эритроцитарным антигенам (АВ0, МN, резус), по сывороточным белкам ( -глобулину). Сходство между однояйцовыми близнецами определяется одинаковыми генотипами и сходными условиями внутриутробного развития. Сходство между разнояйцовыми близнецами определяется только одинаковыми условиями внутриутробного развития. Поэтому при сравнении однояйцовых и разнояйцо- вых близнецов, воспитанных в одной и той же среде, можно сделать заключе- ние о роли генов в развитии признаков. Поскольку монозиготные близнецы генетически идентичны, среди моно- зиготных близнецов наблюдается высокий процент конкордантных пар (табл. 4). Таблица 4 Конкордантность нормальных признаков человека Признаки Конкордантность монозиготных близнецов, % Конкордантность дизиготных близнецов, % Группа крови, АВ0 100 46 Цвет глаз 99 28 Цвет волос 97 23 Цвет кожи 100 45 Форма волос 100 79 Форма носа 98 20 Форма грудной клетки 96 60 Папиллярные линии 92 40 Как видно из таблицы 5, степень конкордантности монозиготных близне- цов по всем приведенным признакам значительно выше, чем у дизиготных. Существуют таблицы конкордантности монозиготных (МБ) и дизиготных (ДБ) близнецов по различным заболеваниям (табл. 5, 6). 36 Таблица 5 Встречаемость некоторых заболеваний среди пар монозиготных и дизиготных близнецов Заболевание Конкордантность мо- нозиготных близнецов, % Конкордантность дизиготных близнецов, % Эндемический зоб 71 70 Рахит 88 22 Аллергический дерматит 28 8 Сахарный диабет 84 37 Как видно из таблицы 6, степень конкордантности монозиготных близне- цов по всем приведенным мультифакториальным заболеваниям также выше, чем у дизиготных. Таблица 6 Встречаемость инфекционных заболеваний у близнецов Заболевание Конкордантность монозиготных близнецов, % Конкордантность дизиготных близнецов, % Ангина 51 39 Дифтерия 50 37 Инфекционный гепатит 45 18 Корь 97 95 Коклюш 97 92 Пневмония 32 18 Полиомиелит 35 6 Ревматизм 26 10 Скарлатина 54 47 Туберкулез 32 20 Паротит 82 74 По признакам, в формировании которых ведущая роль принадлежит фак- торам среды, между близнецами наблюдается дискордантность. Для вычисления наследуемости признаков сравнивают степень сходства (конкордантности) или различия (дискордантности) по ряду признаков у близ- нецов разного типа. Доля наследственности выражают в процентах. 37 Количественную оценку относительной роли наследственности и среды можно сделать с помощью формулы К. Хольцингера на основе расчета коэф- фициента наследственности Н (heredity) и коэффициента влияния среды Е (en- vironment): Е = 100% - Н где К МБ – конкордантность признака (в %) для МБ; К ДБ – то же для ДБ. Если Н = 100%, то можно считать, что экспрессия признака определяется только генотипом индивидуума. Если Н = 70% значит, в формирование признака 70% отводится наследственности, а 30% - факторам среды (Е = 100% - 70% = 30%). Благодаря близнецовому методу, была выяснена наследственная предрас- положенность человека к ряду многофакторных заболеваний: шизофрении, эпилепсии, сахарному диабету, гипертонии и другим. Особый интерес пред- ставляет наследование социально значимых признаков: агрессивности, альтру- изма, творческих, исследовательских, организаторских способностей. Считает- ся, что перечисленные социально значимые признаки примерно на 80 % обу- словлены генотипом. Кроме того с помощью близнецового метода выявляют наследственный характер признака, определяют пенетрантность аллеля, оценивают эффектив- ность действия на организм некоторых внешних факторов (лекарственных пре- паратов, обучения, воспитания). Самостоятельная работа Задание № 1. В таблице 6 приведены степени конкордантности монозиготных (МБ) и дизиготных (ДБ) близнецов по различным инфекционным заболеваниям. Опре- делите роль наследственности в заболеваемости туберкулезом. Задание № 2. В таблице 5 приведены степени конкордантности монозиготных (МБ) и дизиготных (ДБ) близнецов по различным соматическим заболеваниям. Опре- делите роль наследственности в заболеваемости туберкулезом. Ответы на задания Задание № 1 Ответ: 15%. Задание № 2 Ответ: 75%. 38 ПОПУЛЯЦИОННО-СТАТИСТИЧЕСКИЙ МЕТОД Метод, используемый для установления частот генов и генотипов в попу- ляции и демонстрирующий характер их изменения под влиянием различных факторов, называется популяционно-статистическим. С помощью этого метода можно: проанализировать генетическую структуру популяции; определить частоты аллелей генов и генотипов в популяциях; определить степень межпопуляционного генетического разнообразия; изучить генетический груз; выявить распространение наследственных признаков (наследственных заболеваний) в популяциях. На основе изучения распространения генов среди населения различных географических регионов (геногеография) можно установить центры проис- хождения различных этнических групп и их миграции, определить степень рис- ка появления той или иной наследственной патологии в конкретном регионе. Изучением генетической структуры популяций занимается особый раздел генетики – генетика популяций. Популяция - это совокупность особей одного вида, длительное время оби- тающих на определенной территории, свободно скрещивающихся друг с дру- гом (панмиксия — свободное скрещивание), имеющих общее происхождение, определенную генетическую структуру и в той или иной степени изолирован- ных от других таких совокупностей особей данного вида. Популяция является не только формой существования вида, но и единицей эволюции, поскольку в основе микроэволюционных процессов, завершающихся образованием вида, лежат генетические преобразования в популяциях. В реальных популяциях (реальная популяция – действительно существу- ющая в природе) человека наблюдается высокий уровень генетического поли- морфизма, где один и тот же ген может быть представлен разными аллелями. Это приводит к существованию нескольких генотипов и соответственно разных фенотипов. Благодаря полиморфизму в популяции невозможно найти даже двух генетически одинаковых людей. В реальных популяциях происходит изменение равновесия генотипов и аллелей под влиянием постоянно действующих факторов. К ним относятся: му- 39 тационный процесс, популяционные волны, изоляция, естественный отбор, дрейф генов, эмиграция, иммиграция, инбридинг. Именно благодаря этих факто- ров возникает элементарное эволюционное явление — изменение генетического состава популяции, являющееся начальным этапом процесса видообразования. У человека выделяют три типа реальных популяций, которые отличаются друг от друга численностью, частотой внутригрупповых браков, долей имми- грантов, приростом населения: 1) большие (с численностью более 4 тыс), 2) демы (1,5- 3,5 тыс населения), 3) изоляты (<1,5 тыс). Популяции человека также подразделяют на панмиксические (с возмож- ностью свободного вступления в брак, со случайными браками) и инбредными (с высокой частотой кровнородственных браков). Население крупного города соответствует панмиктической популяции. Идеальной - является достаточно большая (панмиктическая) популяция, в которой отсутствуют давление мутационного процесса, естественного отбора и миграции, нарушающие равновесие генов. Понятно, что идеальных популяций в природе не существует. Для выяснения частот встречаемости генов и генотипов в больших (условно принятых за идеальные) популяциях человека используется закон Харди-Вайнберга: «В идеальной популяции из поколения в поколение сохраняется строго определенное соотношение частот доминантных и рецессивных аллелей генов, а также соотношение частот генотипических классов» Закон Харди-Вайнберга: p(А)+q(а)=1(100%) р 2 (АА)+2pq(Аа)+q 2 (аа)=1(100%) где p - частота встречаемости доминантного аллеля А; q - частота встречаемости рецессивного аллеля а; р 2 - частота встречаемости гомозигот по доминанте АА; 2pq - частота встречаемости гетерозигот Аа; q 2 - частота встречаемости гомозигот по рецессиву аа. Закон Харди-Вайнберга употребляется для примерного подсчета носите- лей рецессивных аллелей генов наследственных заболеваний. 40 Пример: Известно, что в одной популяции фенилкетонурия встречается с ча- стотой 1:10000. Фенилкетонурия наследуется по аутосомно-рецессивному типу, следовательно, больные фенилкетонурией имеют генотип аа, то есть q 2 =0,0001. Отсюда: q=0,01; p=1-0,01=0,99. Гетерозиготные носители рецессив- ного гена имеют генотип Аа. Частота встречаемости гетерозигот (2pq) со- ставляет 2·0,99·0,01≈0,02. Вывод: в данной популяции около 2% населения — фе- нотипически здоровые носители гена фенилкетонурии. Частота встречаемости здоровых людей с гомозиготным геном по доминанте (АА): p 2 =0,992 ≈ 98%. В том случае, если ген в генофонде представлен несколькими аллелями (например ген группы крови системы АВ0), то принцип Харди-Вайнберга оста- ется в силе. Соотношение различных генотипов выражается формулой: pI A + qI B + rI 0 = 100% Например: на Ближнем Востоке группы крови системы АВ0 встречаются в следующем процентном соотношении: 0(I) - 27,3% A(II) - 38,5% B(III) - 25,5% AB(IV) - 8,7% Определить частоту аллелей I A , I B , I 0 и разных генотипов в этой популя- ции можем, воспользовавшись следующими формулами при решении задачи: ; ( ; , где А – частота группы крови А(II); 0 – частота группы крови 0(I); В – ча- стота группы крови В(III). ; ( ; Таким образом, частота аллелей pI A = 52%; qI B = 28%; rI 0 = 20%. 41 Для сбора материала используется обзорный метод, с помощью которого можно исследовать всю наследственную патологию, или отдельную группу за- болеваний, или только одно заболевание, но изучая при этом все население вы- бранного региона. Для получения достоверных результатов популяция должна быть доста- точно большой, для генетических исследований оптимальным является размер популяции с численностью от 0,5 до 5,0 млн. человек. Исследования доказали, что распределение частот аллелей и их измене- ние в популяциях, зависят от влияния движущих сил эволюции: мутагенеза, дрейфа генов, миграционного процесса, изоляции и естественного отбора. Возьмем пример действия естественного отбора на популяцию человека. Отбор действует как во внутриутробном состоянии, так и в последующие пери- оды онтогенеза. Наиболее выражен стабилизирующий отбор, направленный против неблагоприятных мутаций (например, хромосомных перестроек). Клас- сический пример отбора в пользу гетерозигот – распространение серповидно- клеточной анемии. У людей больных серповидноклеточной анемией наблюда- ется гетерозиготный генотип, так как гомозиготы погибают еще в детстве. Наследственные заболевания распределены по различным регионам зем- ного шара, среди разных рас и народностей неравномерно. Данные о распро- странении заболеваний и количестве гетерозиготных носителей в конкретном регионе имеет большое практическое значение, т.к. способствуют эффективной организации профилактических мероприятий. Самостоятельная работа Задание № 1. Альбинизм у человека обусловлен редким рецессивным геном, распро- страненным в популяции людей (Европейской части) с частотой 1 на 10000. Определите генетическую структуру популяции. Задание № 2. Частота групп крови системы АВ0 среди людей в разных популяциях су- щественно отличается (табл.7). 42 Таблица 7 Частота групп крови системы АВ0 Популяция Группа крови системы АВ0 0 А В АВ Индейцы 77 22 0 0 Немцы 36 61 2 0,5 Полинезийцы 37 42 15 7 Египтяне 27 39 25 8 Определите, в какой из представленных в таблице 7 групп населения наиболее часто встречается аллель pI A Ответы на задания Задание № 1 Решение. Если аллель нормальной пигментации обозначить А, аллель аль- бинизма а, то генотип альбиносов будет аа, а генотипы нормально пигментиро- ванных людей – АА и Аа. По условию задания в популяции частота альбиносов составляет 1 на 10000. Согласно закону Харди-Вайнберга, в данной популяции частота гомозигот q 2 (аа)=1:10000=0,0001 (0,01%), а частота рецессивного аллеля =0,01. Частота доминантного аллеля р(А)=1-q(a)=1-0,01=0,99. Частота нор- мально пигментированных людей составляет р 2 (АА)=0,992=0,98(98%), а частота гетерозигот 2pq(Аа)=2 0,99 0,1=0,198(1,98%). Задание №2 Ответ: У полинезийцев 38% (индейцы 11%; немцы 29%; египтяне 29%). 43 ДЕРМАТОГЛИФИЧЕСКИЙ МЕТОД Пуркинье Я. (1823 г.) изучил рельеф кожных узоров и разработал основы их классификации. Ф. Гальтон установил, что кожные узоры являются индиви- дуальной характеристикой человека и не изменяются в течение его жизни. Гальтон дополнил классификацию кожных узоров и в 1892 г. предложил дер- матоглифический метод. Основан метод на изучении кожных узоров (папиллярных линий) паль- цев, ладоней (рис. 22) и подошвенных поверхностей стоп, образованных эпи- дермальными выступами (гребнями). Рис. 22. Папиллярные линии пальцев и ладоней. Разделы дерматоглифики |