Для генетических исследований человек является неудобным объектом, так как у человека: невозможно экспериментальное скрещивание; большое количество хромосом; поздно наступает половая зрелость; малое число потомков в каждой семье; невозможно уравнивание условий жизни для потомства.

В генетике человека используется ряд методов исследования.

Генеалогический метод

Использование этого метода возможно в том случае, когда известны прямые родственники — предки обладателя наследственного признака (пробанда ) по материнской и отцовской линиям в ряду поколений или потомки пробанда также в нескольких поколениях. При составлении родословных в генетике используется определенная система обозначений. После составления родословной проводится ее анализ с целью установления характера наследования изучаемого признака.

Условные обозначения, принятые при составлении родословных:
1 — мужчина; 2 — женщина; 3 — пол не выяснен; 4 — обладатель изучаемого признака; 5 — гетерозиготный носитель изучаемого рецессивного гена; 6 — брак; 7 — брак мужчины с двумя женщинами; 8 — родственный брак; 9 — родители, дети и порядок их рождения; 10 — дизиготные близнецы; 11 — монозиготные близнецы.

Благодаря генеалогическому методу были определены типы наследования многих признаков у человека. Так, по аутосомно-доминантному типу наследуются полидактилия (увеличенное количество пальцев), возможность свертывать язык в трубочку, брахидактилия (короткопалость, обусловленная отсутствием двух фаланг на пальцах), веснушки, раннее облысение, сросшиеся пальцы, заячья губа, волчья пасть, катаракта глаз, хрупкость костей и многие другие. Альбинизм, рыжие волосы, подверженность полиомиелиту, сахарный диабет, врожденная глухота и другие признаки наследуются как аутосомно-рецессивные.

Доминантный признак — способность свертывать язык в трубочку (1) и его рецессивный аллель — отсутствие этой способности (2).
3 — родословная по полидактилии (аутосомно-доминантное наследование).

Целый ряд признаков наследуется сцепленно с полом: Х -сцепленное наследование — гемофилия, дальтонизм; Y -сцепленное — гипертрихоз края ушной раковины, перепончатость пальцев ног. Имеется ряд генов, локализованных в гомологичных участках Х - и Y -хромосом, например общая цветовая слепота.

Использование генеалогического метода показало, что при родственном браке, по сравнению с неродственным, значительно возрастает вероятность появления уродств, мертворождений, ранней смертности в потомстве. В родственных браках рецессивные гены чаще переходят в гомозиготное состояние, в результате развиваются те или иные аномалии. Примером этого является наследование гемофилии в царских домах Европы.

— гемофилик; — женщина-носитель.

Близнецовый метод

1 — монозиготные близ-нецы; 2 — дизигот-ные близ-нецы.

Близнецами называют одновременно родившихся детей. Они бывают монозиготными (однояйцевыми) и дизиготными (разнояйцевыми).

Монозиготные близнецы развиваются из одной зиготы (1), которая на стадии дробления разделилась на две (или более) части. Поэтому такие близнецы генетически идентичны и всегда одного пола. Монозиготные близнецы характеризуются большой степенью сходства (конкордантностью ) по многим признакам.

Дизиготные близнецы развиваются из двух или более одновременно овулировавших и оплодотворенных разными сперматозоидами яйцеклеток (2). Поэтому они имеют различные генотипы и могут быть как одного, так и разного пола. В отличие от монозиготных, дизиготные близнецы характеризуются дискордантностью — несходством по многим признакам. Данные о конкордантности близнецов по некоторым признакам приведены в таблице.

Как видно из таблицы, степень конкордантности монозиготных близнецов по всем приведенным признакам значительно выше, чем у дизиготных, однако она не является абсолютной. Как правило, дискордантность монозиготных близнецов возникает в результате нарушений внутриутробного развития одного из них или под влиянием внешней среды, если она была разной.

Благодаря близнецовому методу, была выяснена наследственная предрасположенность человека к ряду заболеваний: шизофрении, эпилепсии, сахарному диабету и другим.

Наблюдения за монозиготными близнецами дают материал для выяснения роли наследственности и среды в развитии признаков. Причем под внешней средой понимают не только физические факторы среды, но и социальные условия.

Цитогенетический метод

Основан на изучении хромосом человека в норме и при патологии. В норме кариотип человека включает 46 хромосом — 22 пары аутосом и две половые хромосомы. Использование данного метода позволило выявить группу болезней, связанных либо с изменением числа хромосом, либо с изменениями их структуры. Такие болезни получили название хромосомных .

Материалом для кариотипического анализа чаще всего являются лимфоциты крови. Кровь берется у взрослых из вены, у новорожденных — из пальца, мочки уха или пятки. Лимфоциты культивируются в особой питательной среде, в состав которой, в частности, добавлены вещества, «заставляющие» лимфоциты интенсивно делиться митозом. Через некоторое время в культуру клеток добавляют колхицин. Колхицин останавливает митоз на уровне метафазы. Именно во время метафазы хромосомы являются наиболее конденсированными. Далее клетки переносятся на предметные стекла, сушатся и окрашиваются различными красителями. Окраска может быть а) рутинной (хромосомы окрашиваются равномерно), б) дифференциальной (хромосомы приобретают поперечную исчерченность, причем каждая хромосома имеет индивидуальный рисунок). Рутинная окраска позволяет выявить геномные мутации, определить групповую принадлежность хромосомы, узнать, в какой группе изменилось число хромосом. Дифференциальная окраска позволяет выявить хромосомные мутации, определить хромосому до номера, выяснить вид хромосомной мутации.

В тех случаях, когда необходимо провести кариотипический анализ плода, для культивирования берутся клетки амниотической (околоплодной) жидкости — смесь фибробластоподобных и эпителиальных клеток.

К числу хромосомных заболеваний относятся: синдром Клайнфельтера, синдром Тернера-Шерешевского, синдром Дауна, синдром Патау, синдром Эдвардса и другие.

Больные с синдромом Клайнфельтера (47, ХХY ) всегда мужчины. Они характеризуются недоразвитием половых желез, дегенерацией семенных канальцев, часто умственной отсталостью, высоким ростом (за счет непропорционально длинных ног).

Синдром Тернера-Шерешевского (45, Х0 ) наблюдается у женщин. Он проявляется в замедлении полового созревания, недоразвитии половых желез, аменорее (отсутствии менструаций), бесплодии. Женщины с синдромом Тернера-Шерешевского имеют малый рост, тело диспропорционально — более развита верхняя часть тела, плечи широкие, таз узкий — нижние конечности укорочены, шея короткая со складками, «монголоидный» разрез глаз и ряд других признаков.

Синдром Дауна — одна из самых часто встречающихся хромосомных болезней. Она развивается в результате трисомии по 21 хромосоме (47; 21, 21, 21). Болезнь легко диагностируется, так как имеет ряд характерных признаков: укороченные конечности, маленький череп, плоское, широкое переносье, узкие глазные щели с косым разрезом, наличие складки верхнего века, психическая отсталость. Часто наблюдаются и нарушения строения внутренних органов.

Хромосомные болезни возникают и в результате изменения самих хромосом. Так, делеция р -плеча аутосомы №5 приводит к развитию синдрома «крик кошки». У детей с этим синдромом нарушается строение гортани, и они в раннем детстве имеют своеобразный «мяукающий» тембр голоса. Кроме того, наблюдается отсталость психомоторного развития и слабоумие.

Чаще всего хромосомные болезни являются результатом мутаций, произошедших в половых клетках одного из родителей.

Биохимический метод

Позволяет обнаружить нарушения в обмене веществ, вызванные изменением генов и, как следствие, изменением активности различных ферментов. Наследственные болезни обмена веществ подразделяются на болезни углеводного обмена (сахарный диабет), обмена аминокислот, липидов, минералов и др.

Фенилкетонурия относится к болезням аминокислотного обмена. Блокируется превращение незаменимой аминокислоты фенилаланин в тирозин, при этом 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.

Популяционно-статистический метод

Это метод изучения распространения наследственных признаков (наследственных заболеваний) в популяциях. Существенным моментом при использовании этого метода является статистическая обработка получаемых данных. Под популяцией понимают совокупность особей одного вида, длительное время обитающих на определенной территории, свободно скрещивающихся друг с другом, имеющих общее происхождение, определенную генетическую структуру и в той или иной степени изолированных 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.

Изучением генетической структуры популяций занимается особый раздел генетики — популяционная генетика . У человека выделяют три типа популяций: 1) панмиктические, 2) демы, 3) изоляты, которые отличаются друг от друга численностью, частотой внутригрупповых браков, долей иммигрантов, приростом населения. Население крупного города соответствует панмиктической популяции. В генетическую характеристику любой популяции входят следующие показатели: 1) генофонд (совокупность генотипов всех особей популяции), 2) частоты генов, 3) частоты генотипов, 4) частоты фенотипов, система браков, 5) факторы, изменяющие частоты генов.

Для выяснения частот встречаемости тех или иных генов и генотипов используется закон Харди-Вайнберга .

Закон Харди-Вайнберга

В идеальной популяции из поколения в поколение сохраняется строго определенное соотношение частот доминантных и рецессивных генов (1), а также соотношение частот генотипических классов особей (2).

где p — частота встречаемости доминантного гена А ; q — частота встречаемости рецессивного гена а ; р 2 — частота встречаемости гомозигот по доминанте АА ; 2pq — частота встречаемости гетерозигот Аа ; q 2 — 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 q 2 = 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 ): p 2 = 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.

Генетика человека — одна из наиболее интенсивно развивающихся отраслей науки. Она является теоретической основой медицины, раскрывает биологические основы наследственных заболеваний. Знание генетической природы заболеваний позволяет вовремя поставить точный диагноз и осуществить нужное лечение.

Перейти к лекции №21 «Изменчивость»

БИОХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ АНАЛИЗА, методы количественного определения неорганических и органических веществ, основанные на использовании процессов с участием биологических компонентов (ферментов, антител и др.). Аналитический сигнал - конечную концентрацию одного из продуктов реакции либо начальную скорость процесса, положенного в основу методики определения, регистрируют главным образом спектрофотометрическими, люминесцентными, электрохимическими методами. Наиболее распространены ферментативные и иммунохимические биохимические методы анализа.

В ферментативных методах используют зависимость скорости химической реакции, катализируемой ферментом, от концентраций реагирующих веществ и фермента. Достоинства ферментативных биохимических методов анализа: высокая чувствительность, селективность, экспрессность и мягкие условия (25-37 °С, pH 5-10) проведения анализа. Предел обнаружения, нижняя и верхняя границы определяемых содержаний компонентов зависят от кинетических характеристик используемой индикаторной ферментативной реакции и, главным образом, каталитической активности фермента, от способа детектирования аналитического сигнала. Высокая селективность ферментативных биохимических методов анализа обусловлена образованием фермент-субстратного комплекса, требующим структурного соответствия субстрата активному центру фермента. С помощью ферментативных биохимических методов анализа определяют ферменты, субстраты, кофакторы и коферменты, активаторы и ингибиторы ферментов. Известны многочисленные высокочувствительные (нижние границы определяемых содержаний 10 -9 -10 -6 моль/дм 3) и селективные ферментативные биохимические методы анализа определения ионов металлов, неорганических анионов, пестицидов, фенолов, аминокислот, метаболитов, мутагенов, канцерогенов и других биологически активных соединений. Для создания биосенсоров, ферментных реакторов, разработки простых и экспрессных тест-методов определения токсикантов используют иммобилизованные ферменты. Высокая стабильность, возможность многократного использования иммобилизованных ферментов повышают экономичность, экспрессность анализа, позволяют его автоматизировать. Ферментативные биохимические методы анализа применяют в анализе объектов медицины (биологических жидкостей, тканей живых организмов), окружающей среды (природных и сточных вод, почв, воздуха, тканей растений), пищевых продуктов, фармацевтических препаратов, для непрерывного контроля микробиологических и биохимических процессов.

Иммунохимические методы основаны на специфическом связывании определяемого соединения - антигена - соответствующими антителами. Малые концентрации комплекса антиген - антитело определяют, вводя в один из компонентов системы метку, детектируемую соответствующим инструментальным методом. Детектируемый сигнал пропорционален концентрации антигена. Используют изотопные, флуоресцентные, парамагнитные, ферментные метки. Анализ с использованием ферментной метки - иммуноферментный анализ - сочетает высокую чувствительность определения метки (предел обнаружения менее 10 -12 моль/дм 3) с уникальной специфичностью иммунохимического анализа. Иммунохимические биохимические методы анализа применяют для определения белков, пестицидов, гормонов, стероидов, наркотических и лекарственных средств, вирусов и клеток. Достоинства иммунохимического биохимического метода анализа: высокая чувствительность и специфичность определения, возможность использования малых объёмов анализируемой пробы (5-50 мкл). Время анализа - несколько минут. Разработаны диагностические иммуноферментные тест-системы для экспресс-определения биологически активных соединений в медицине, ветеринарии, микробиологической, фармакологической, пищевой промышленности, сельском хозяйстве, в объектах окружающей среды.

Лит.: Долманова И. Ф., Угарова Н. Н. Ферментативные методы анализа // Журнал аналитической химии. 1980. Т. 35. Вып. 8; Кулис Ю. Ю. Аналитические системы на основе иммобилизованных ферментов. Вильнюс, 1981: Теория и практика иммуноферментного анализа. М., 1991.

В самостоятельную науку биологическая химия выделилась почти 100 лет назад, но многие биохимические процессы известны людям с давних времен и использовались в различных областях производства, сначала кустарного, а в последствии и промышленного масштаба. Например, на биохимических реакциях основано хлебопечение, сыроварение, изготовление вин, выделка кожи.
Сыроварением и изготовлением кисломолочных продуктов люди занимались еще до нашей эры, об этом упоминается даже в поэмах Пэмера. В процессе приготовления кисломолочных продуктов большую роль играют молочнокислые бактерии.
Использование лекарственных растений для лечения болезней привело к поиску действующего вещества и заставило задуматься о том, что с ним происходит в организме человека. Употребление плодов, зелени, изготовление растительных красок также привлекло интерес к химическому составу растений. Многие лекарственные вещества различного происхождения описаны в труде великого арабского врачевателя Авиценны «Канон врачебной науки».
Известный итальянский художник Леонардо да Винчи проводил различные опыты и сделал заключение о том, что живые организмы могут существовать только в той атмосфере, в которой может появиться пламя. Теперь уже всем известно, что почти всем жи4
вым организмам необходим кислород, содержащийся в атмосферном воздухе и обеспечивающий процесс горения. В конце XVIII в. было открыто значение дыхания и объяснена роль кислорода для живого организма.
Изучение химического состава живых организмов позволило английскому врачу и химику У. Прауту в 1827 г. разделить молекулы на белки, жиры и углеводы.
Химический состав организма человека вызывал большой интерес в научном мире. Немецкий химик Ф. Велер в 1828 г. впервые получил такое органическое вещество, как мочевина, сначала из аммиака и циановой кислоты, а затем из аммиака и углекислого газа. В 1882 г. ученый И.Я. Горбачевский (Украина) получил мочевую кислоту из глицина, а в дальнейших работах выявил процесс образования мочевой кислоты в живых организмах: мочевина и мочевая кислота образуются в результате превращения белков в организме, и их уровень в крови является важным показателем состояния белкового обмена. И. Я. Горбачевский известен и другими исследованиями в области биохимии (получение метилмочевой кислоты, креатина, открытие ксантиноксидазы). Именно он доказал то, что белки состоят из аминокислот, разработал способ определения азота в моче и других биологических материалах.
В 1854 г. французский химик П. Бертло получил в ходе лабораторных опытов жиры, а в 1861 г. русский химик А. М. Бутлеров высказал теорию строения органических соединений. Изучением микроорганизмов и вызываемого ими брожения занимался французский микробиолог Л. Пастер. Брожение - это расщепление углеводов под воздействием ферментов, происходящее с участием кислорода или без него и приводящее к образованию энергии, которую микроорганизмы используют для своей жизнедеятельности.
В организме человека брожение осуществляется в кишечнике населяющими его микроорганизмами, под воздействием выделяемых ими ферментов. Изучением брожения занимался и немецкий химик Э. Бухнер, который доказал, что процесс расщепление сахара имеет более химическую природу, чем биологическую, так как происходит с участием не только дрожжей (живых грибков), но и экстракта из них.
Большой вклад в изучение белков внес немецкий химик Э. Фишер, определивший строение и свойства большинства аминокислот. Также он установил химическую связь между аминокислотами в белках, что явилось основой пептидной теории строения белков. В 1926 г. американский биохимик Д. Самнер получил уреазу (фермент) и доказал, что он является белком. Дальнейшее изучение ферментов привело к открытию строения витаминов и определило превращение их в организме. Были изучены гликолиз (бескислородное расщепление углеводов) и цикл трикарбоновых кислот (циклические реакции, в ходе которых образуются вещества с большим запасом энергии). Открытие нуклеиновых кислот в составе белков и модели строения ДНК стало прорывом для биологии и медицины (биохимии, генетики). За это в 1953 г. английский врач и биолог Ф. Крик и американский биолог Д. Уотсон были удостоены Нобелевской премии.
Все эти открытия и достижения, а также дальнейшие биохимические исследования позволили описать обмен веществ в организме человека. При различных патологических состояниях происходят изменения химического состава в клетках, тканях, биологических жидкостях и выделениях. Наиболее часто биохимическому анализу подвергают кровь, мочу, кал, слюну, ликвор, желчь и желудочный сок. Реже исследуют химический состав красного костного мозга, околоплодной жидкости, пота, рвотных масс, волос, ногтей и спермы.
Химический состав биологического материала может изменяться как количественно (увеличение или понижение содержания каких-либо веществ, нарушение соотношения между ними), так и качественно (выявление отсутствующих или не определяющихся в норме веществ). В связи с этим биохимический анализ в некоторых случаях проводят прицельно, определяя уровень вещества в исследуемом материале или выявляя только его присутствие.
Многие наследственные заболевания связаны с нарушением обмена веществ. Часто это вызвано генетически обусловленным дефицитом каких-либо ферментов, в таком случае биохимические исследования помогают поставить точный диагноз. Иногда для этого подвергают анализу и кусочки тканей внутренних органов.
Биохимические исследования позволяют выявить некоторые нарушения обмена веществ уже в период внутриутробного развития или сразу после рождения ребенка, при этом возможно раннее начало лечения наследственных заболеваний, что дает возможность нормализовать состояние плода или ребенка, наилучшим образом обеспечить условия для его развития в соответствии с возрастом.
С помощью распространенных биохимических анализов можно выявить наличие нарушений обмена веществ, а для постановки точного диагноза проводят более детальные исследования. Многие биохимические анализы, позволяющие выявить наследственные нарушения обмена веществ, угрожающие жизни или развитию детей, в настоящее время проводят массово в форме скрининг-тестов. Например, всех новорожденных в роддоме обследуют на фенилкетонурию. Кроме того, с помощью биохимических тестов выявляют такие за
болевания, как энзимопатии, гликогенозы, муковисцидоз, адреногенитальный синдром. Исследованию в таких случаях подвергают наиболее доступный материал от больного (кровь и мочу).
После скринингового обследования делают уточняющие биохимические анализы, определяют количество вещества, свидетельствующего о заболевании, в единице исследуемого материала и следят за его уровнем в организме в дальнейшем.
Современные биохимические лаборатории оснащены компьютерами и анализаторами, которые делают возможным проводить одновременно большое число исследований с высокой точностью результатов и их расшифровкой. Биохимические анализы выполняют на основе таких методов, как хроматография, электрофорез и центрифугирование.

Хроматография

Электрофорез

Центрифугирование

С помощью биохимических методов изучают наследственные заболевания, обусловленные генными мутациями, и полиформизм по нормальным первичным продуктам генов. Впервые эти методы генетики человека стали применять в начале ХХ в. В последнее время их широко используют в поиске новых форм мутантных аллелей. С их помощью описано более 1000 врожденных болезней обмена веществ. Для многих из них выявлен дефект первичного генного продукта.

Биохимическую диагностику наследственных нарушений обмена проводят в 2 этапа. На первом этапе отбирают предположительные случаи заболеваний, на втором – более сложными и точными методами уточняют диагноз заболевания. Применение биохимических исследований для диагностики заболеваний в пренатальном периоде или непосредственно после рождения позволяет своевременно выявить патологию и начать специфические медицинские мероприятия.

Транскрипционые факторы - белки, взаимодействующие с определёнными регуляторными сайтами и ускоряющие или замедляющие процесс транскрипции. Соотношение информативной и неинформативной частей в транскриптонах эукариотов составляет в среднем 1:9 (у прокариотов 9:1).Соседние транскриптоны могут быть отделены друг от друга нетранскрибируемыми участками ДНК. Разделение ДНК на множество транскриптонов позволяет осуществлять с разной активностью индивидуальное считывание (транскрипцию) разных генов.

В каждом транскриптоне транскрибируется только одна из двух цепей ДНК, которая называется матричной, вторая, комплементарная ей цепь, называется кодирующей. Синтез цепи РНК идёт от 5"- к З"-концу, при этом матричная цепь ДНК всегда антипараллельна синтезируемой нуклеиновой кислоте

Посттранскрипционные модификации первичноготранскриптатРНК (процессинг тРНК)

ПервичныйтранскрипттРНК содержит около 100 нуклеотидов, а после процессинга - 70-90 нуклеотидньгх остатков. Посттранскрипционные модификации первичныхтранскриптовтРНК происходят при участии РНК-аз (рибонуклеаз). Так, формирование 3"-конца тРНК катализирует РНК-аза, представляющая собой 3"-экзонуклеазу, "отрезающую" по одному нук-леотиду, пока не достигнет последовательности -ССА, одинаковой для всех тРНК. Для некоторых тРНК формирование последовательности -ССА на 3"-конце (акцепторный конец) происходит в результате последовательного присоединения этих трёх нуклеотидов. Пре-тРНК содержит всего один интрон, состоящий из 14-16 нуклеотидов. Удаление интрона и сплайсинг приводят к формированию структуры, называемой "антикодон", - триплета нуклеотидов, обеспечивающего взаимодействие тРНК с комплементарным кодоном мРНК в ходе синтеза белков

Посттранскрипционные модификации (процессинг) первичноготранскриптарРНК. Формирование рибосом

В клетках человека содержится около сотни копий гена рРНК, локализованных группами на пяти хромосомах. Гены рРНК транскрибируются РНК-полимеразой I с образованием идентичныхтранскриптов. Первичныетранскрипты имеют длину около 13 000 нуклеотид-ных остатков (45S рРНК). Прежде чем покинуть ядро в составе рибосомной частицы, молекула 45 S рРНК подвергается процессин-гу, в результате образуется 28S рРНК (около 5000 нуклеотидов), 18S рРНК (около 2000 нуклеотидов) и 5,88 рРНК (около 160 нуклеотидов), которые являются компонентами рибосом (рис. 4-35). Остальная часть транскрипта разрушается в ядре.

Генеалогический метод генетики человека. Основные правила составления и последующего анализа родословных схем (на примере собственной семейной родословной схеме). Значение метода в изучении закономерностей наследования признаков.

Методы генетики человека

Для генетических исследований человек является неудобным объектом, так как у человека: невозможно экспериментальное скрещивание; большое количество хромосом; поздно наступает половая зрелость; малое число потомков в каждой семье; невозможно уравнивание условий жизни для потомства.

В генетике человека используется ряд методов исследования.

Генеалогический метод

Использование этого метода возможно в том случае, когда известны прямые родственники - предки обладателя наследственного признака (пробанда) по материнской и отцовской линиям в ряду поколений или потомки пробанда также в нескольких поколениях. При составлении родословных в генетике используется определенная система обозначений. После составления родословной проводится ее анализ с целью установления характера наследования изучаемого признака.

Условные обозначения, принятые при составлении родословных:

1 - мужчина; 2 - женщина; 3 - пол не выяснен; 4 - обладатель изучаемого признака; 5 - гетерозиготный носитель изучаемого рецессивного гена; 6 - брак; 7 - брак мужчины с двумя женщинами; 8 - родственный брак; 9 - родители, дети и порядок их рождения; 10 - дизиготные близнецы; 11 - монозиготные близнецы.

Благодаря генеалогическому методу были определены типы наследования многих признаков у человека. Так, по аутосомно-доминантному типу наследуются полидактилия (увеличенное количество пальцев), возможность свертывать язык в трубочку, брахидактилия (короткопалость, обусловленная отсутствием двух фаланг на пальцах), веснушки, раннее облысение, сросшиеся пальцы, заячья губа, волчья пасть, катаракта глаз, хрупкость костей и многие другие. Альбинизм, рыжие волосы, подверженность полиомиелиту, сахарный диабет, врожденная глухота и другие признаки наследуются как аутосомно-рецессивные.

Целый ряд признаков наследуется сцепленно с полом: Х-сцепленное наследование - гемофилия, дальтонизм; Y-сцепленное - гипертрихоз края ушной раковины, перепончатость пальцев ног. Имеется ряд генов, локализованных в гомологичных участках Х- и Y-хромосом, например общая цветовая слепота.

метод анализа родословных, является наиболее фундаментальным и универсальным методом изучения наследственности и изменчивости человека. Он заключается в изучении какого-либо нормального или чаще патологического признака в поколениях людей, которые находятся друг с другом в родственных отношениях. Генеалогический метод опирается на генеалогию – учение о родословных. Сутью генеалогического метода является составление и анализ родословных. Генеалогический метод соответствует основному методу генетики - гибридологическому методу, который был впервые разработан Г. Менделем. Но в отличие от него исследователи не подбирают родительские пары для целенаправленного скрещивания, а лишь детально анализируют результаты процесса естественной репродукции людей. Анализу по изучаемому признаку подвергается одна или несколько десятков семей с многочисленными родственниками разных поколений. Использование большого количества семей отчасти компенсирует низкую плодовитость человека и увеличивает число изучаемых потомков.

Похожая информация.

Причиной многочисленных наследственных нарушений обмена веществ являются различные дефекты ферментов, которые возникают вследствие мутаций соответствующих генов. Такие заболевания называют ферментопатия (энзимопатии). Наиболее распространенными е фенилкетонурия, алкаптонурия, галактоземия, муковисцидоз, болезнь Гоше, болезнь Тея - Сакса, альбинизм и др. Биохимические показатели (первичный продукт гена, накопления патологических метаболитов в организме больного) отчетливее отражают сущность болезни по сравнению с клиническим показаниям.

Использование хроматографии, электрофореза, спектроскопии и т.д. позволяет определить любые метаболиты, специфичные для конкретной наследственной болезни.

Хроматография - это способ разделения различных смесей на составляющие. Метод заключается в том, что в неподвижной среде, через которое протекает растворитель, каждый компонент, захваченный им, движется с определенной скоростью, независимой от скоростей других компонентов. Если, например, смесь пигментов, которые определяют зеленый цвет растения, растворить в определенном растворителе и пропустить через недвижимое среду, например через молотый мел, то она разделится на несколько различных пигментов. По такому же принципу определяют наличие определенного фермента в сложной смеси различных веществ организма.

Электрофорез - это модификация хроматографии, позволяет разделить молекулы с различными зарядами. В хроматографическом среде под действием электрического поля различные молекулы смеси движутся в ту или иную сторону в зависимости от их относительных масс и зарядов. Электрофорез широко применяют для выделения и идентификации аминокислот.

Спектроскопия заключается в определении строения молекул различных веществ с помощью специальных приборов - спектроскопов. В зависимости от типа прибора спектроскопию осуществляют в ультрафиолетовой, видимой или инфракрасной частях спектра. Свет пропускают через исследуемое вещество и анализируют его спектр на выходе. Каждый химический элемент имеет характерные линии в спектре, поэтому можно определить химическую структуру молекулы исследуемого вещества. Таким образом идентифицируют определенный фермент или иную химическое соединение в организме или определяют строение ранее не известной вещества.

Объектами биохимических анализов могут быть моча, пот, плазма и клетки крови, культуры клеток (фибробласты, лимфоциты).

Биохимические методы - определение наличия определенных веществ (преимущественно первичных продуктов генов - ферментов и патологических метаболитов с целью диагностики наследственных болезней).

Биохимические методы очень трудоемки, требуют специального оборудования, поэтому их нельзя использовать для массовых популяционных исследований с целью раннего выявления больных с наследственной патологией обмена. В последнее время в разных странах разрабатывают и используют для массовых исследований специальные программы. Первый этап такой программы называют скринингом (англ. Screening - просеивание), которая заключается в выделении среди большого количества обследуемых вероятно больных, которые имеют определенные наследственные отклонения от нормы. На этом этапе обычно применяют простые и доступные экспресс-методы для выявления продуктов обмена в моче, крови. На втором этапе проводят уточнение (подтверждение или опровержение диагноза) с использованием точных хроматографических методов определения ферментов, аминокислот и тому подобное.

Используют также микробиологические тесты, основанные на том, что некоторые штаммы бактерий растут только в средах, содержащих определенные аминокислоты, углеводы. Если в крови или моче есть необходимое для роста вещество, то в чашке Петри вокруг фильтровальной бумаги, пропитанной одной из этих жидкостей, наблюдается активное размножение бактерий, чего не происходит в случае тестирования крови или моче здорового человека.

Биохимические методы применяют также для выявления гетерозиготных носителей наследственных аномалий, которые в фенотипе проявляются невнятно. Это делают с помощью биохимического тестирования, микроскопического исследования клеток крови и тканей, определения активности определенного фермента, измененного в результате мутации и тому подобное. Такие меры необходимы для своевременного лечения и профилактики, а также определение вероятности рождения больного ребенка в генетически риск-ресниц семьи.

Молекулярно-генетический метод

Анализировать фрагменты ДНК, находить и изолировать отдельные гены и их сегменты и определять в них последовательность нуклеотидов позволяет молекулярно-генетический метод.

Молекулярно-генетический метод - использование биохимических реакций, которые осуществляются с помощью соответствующих ферментов, с целью определения структуры генов, их идентификации и локализации, а также характера мутаций.

Этот метод успешно применяют для идентификации генных мутаций, а также изучение генома человека. Распространился он в 70-80-е годы XX в. в связи с развитием молекулярной генетики.

Начальным этапом молекулярно-генетического анализа является получение достаточного количества образцов ДНК через клонирование. Для этого используют геномную ДНК - всю ДНК клетки или отдельные ее фрагменты.

Деспирализации, выявление и вырезания соответствующих фрагментов ДНК осуществляют с помощью особых ферментов - ресшриктаз. Различные рестриктазы распознают только соответствующие последовательности нуклеотидов и разрезают ДНК в определенных местах. Выделенные фрагменты ДНК с помощью специальных ферментов - полимераз - копируют в необходимом количестве.

Копируемые фрагменты ДНК с помощью электрофореза на агаровой или полиакридамидному гели разделяют на фракции по размерам. Под действием электрического поля фрагменты ДНК движутся в геле со скоростью, зависящей от их длины: чем они короче, тем быстрее движутся. В результате этого фрагменты ДНК через некоторое время занимают определенное место на полосе геля в виде отдельных полос. Длину каждого фрагмента определяют путем сравнения расстояний, пройденных им, и стандартным отрезком ДНК (с известными размерами и последовательностью оснований).

Для идентификации выделенных фрагментов ДНК их сначала разделяют на две цепочки, а затем гибридизують с соответствующими маркерными фрагментами ДНК. Если при этом образуется нормальная двойная спираль, то исследуемый фрагмент не имел нарушений. Если спираль имеет дефекты, то исследуемый фрагмент является мутантным.

Различные модификации этого метода позволяют проанализировать в лаборатории даже незначительное количество ДНК, взятую у больного. их используют для пренатальной диагностики наследственных болезней. При этом ДНК получают из клеток, которые содержатся в околоплодной жидкости. Аномальный эмбрион легко распознать, потому что его ДНК гибридизующимся только с маркерным фрагментом ДНК, имеющий комплементарную мутантную последовательность нуклеотидов.

В 90-е годы XX в. с помощью молекулярно-генетической методики были идентифицированы и локализованы гены, ответственные за такие тяжелые наследственные болезни нервной системы человека, как хорея Гентингтона, миотоническая дистрофия, синдром ломкой Х-хромосомы и др. Например, ген хореи Гентингтона локализован в коротком плече 4-й хромосомы. Он имеет участок, где нуклеотидная последовательность представлена многократным повторением трех основ ЦАГ (цитозин - аденин - гуанин). В норме количество таких повторов колеблется от 11 до 34, а у больных вследствие мутации гена их 37-86. Болезнь наследуется по аутосомно-доминантному типу, а признак проявляется во всех носителей гена.

На основе молекулярно-генетического метода в настоящее время успешно разрабатывают технологии генной терапии распространенных наследственных болезней, например муковисцидоза.