Генетика

Вступ

В останні десятиліття значно змінилась структура захворювань населення. Захворювання з екзогенними факторами етіології , як то інфекційні авітамінози , отруєння , відійшли на задній план завдяки значним досягненням мікробіології , імунології і біохімії , а на перший план виступили захворювання з ендогенними факторами етіології , тобто спадкові.

За даними експертів Всесвітньої організації охорони здоров’я (ВООЗ) , одна дитина із 100 новонароджених страждає важким спадковим захворюванням внаслідок уродження хромосом , у 4% дітей спостерігаються різні генетичні дефекти. Генетичні дефекти є також причиною 40% спонтанних абортів. Кожна людина є носієм 15-20 потенційно дефектних генів.

Розроблення сучасних біохімічних , цитологічних і генетичних методів досліджень сприяло розкриттю молекулярної сутності багатьох захворювань. Було встановлено , що в розвитку як спадкових , так і не спадкових (екзогенних) захворювань істотне значення має стан генетичного апарату клітин організму. Сьогодні генетика є базовою для всіх біологічних наук , у тому числі й медичних.

Завданням сучасної медицини є поступовий перехід із сфери лікування хворих у сферу запобігання хворобам і збереження здоров’я населення.

Значення основ медичної генетики потрібно не тільки лікарю , а й середньому медичному працівнику під час догляду за хворими і здійснення запобіжних заходів.

Взаємозв’язок генетики з іншими науками

математика

кібернетика

фізика

хімія

Еволюційне вчення

Практична селекція

генетика

Синтетична теорія еволюциї

біотехнологія

соціологія

Комічна біологія

Молекулярна біологія

медицина

Генна інженерія

1. Короткий історичний нарис розвитку генетики

Уже в 1750 р. французький лікар П.Мопертюї описав характер успадкування багатополості (полідакталії). Проведений ним аналіз успадкування цієї ознакіи багато в чому передував відкриттю Г.Менделя. У 1814 р. Дж.Адамс опублікував працю , в якій розрізняв не спадкові й спадкові захворювання.

За період 1803-1820 р. кілька лікарів описоли тип успадкування

гемофілії. Швейцарський лікар-офтальмолог Й.Горнер у 1876 р. описав тип успадкування дальтонізму (колірної сліпоти). Російський лікар В.М.Флоринський у монографії ,,Вдосконалення і виродження людского роду” (1866 р.) писав , що збереження і покращення її можливе лише за доцільного підбору подружжя.

Генетика людини як наука виникла завдяки працям англійського вченого Ф.Гальтона (1822-1911 рр.). він разом із Г.Менделем є один із засновників генетики як науки. Гальтон вивчав успадкування розумових здібностей , обдарованість , таланту людини , створив особливий напрям генетики ­­­­­– євгеніку , призначення якої – вдосконалити людину і людський рід.

Менделісти поч. ХХ ст. (У.Бетсон , В.Іогенсен) та ін. Вивчали якісні ознаки , які визначаються окремими генами і стверджували , що ці гени визначають характер спадковості людини.

У 1918 р. Фішер довів, одні ознаки людини визначаються якістю , тобто окремими генами, а другі – кількістю.

У 1900 р. К.Ланштейнер відкрив групи крові системи АВО і тим

самим заклав початок вивченню поліморфних ознак людини.

У 1913 р. було описано поліморфізм відносно виявлення здібностей відчувати смак розчину фенілтіосечовини.

Лікар А.Гаррод (1902 р.) розробляв проблему порушення обміну речовин у людини захворюванні алкаптанурією.

Алкаптанурія – спадкове захворювання , яке зумовлено неповноцінністю фермента оксидази гемогентрозинової кислоти. А.Гаррод сформував знамените положення про спадкові дефекту обміну речовин , тобто заклав основи біохімічної генетики.

Дж.Бідл і Є.Теймен , вивчаючи біосинтез тіаміну , встановили , що за синтез кожного ферменту відповідає певний ген. Вони виклали гіпотезу ,,один ген – один фермент” .

У 1908 р. Д.Харді , математик із кембріджського університету , і В.Вайнберг , лікар із Штутгарда , незалежно один від одного заклали основи популяційної генетики і сформулювали закон , який носить їхнє ім’я. Закон Харді-Вайберга було відкрито під час вивчення розподілу різних ознак у популяцій людини.

У 20-х і 30-х рр. такі досліди , як Р.Фішер і Дж.Халдейн в Англії , С.Вайт у США , Г.Дольберг у Швеції , Л.Хогбен і Ф.Берштейн у Німеччині внесли великий вклад теорію генетики і еволюції , в розробку статистичних методів вивчення генетики людини. Ці вчені описали методи аналізу закономірності успадкування , розщеплення , щеплення ознак і визначення частоти мутації.

Великий внесок у розробку проблем загальної генетики і генетики людини в ті роки внесли вчені М.К.Кольцов , О.С.Себеровский , Ю.О.Філіпченко. Професор С.Г.Левіт , який був керівником Московського Медико-генетичного інституту до 1937 р. проводив цінні дослідження з генетики цукрового діабету.

Великий російський фізіолог І.П.Павлов дійшов до висновку , що треба вивчати генетику для кращого знання фізіології.

У 1956 р. Д.Тійло і А.Леван встановили , що кількість хромосом у соматичних клітинах – 46 , після чого були виявлені зміни хромосом при різних захворюваннях. І.Лежен у 1959 р. відкрив зайву 21-шу хромосому при хворобі Дауна.

У 1969 р. Т.Каперсон запропонував диференціальне фарбування хромосом , що дало змогу розрізняти кожну з хромосом окремо і виявляти зміни їх.

Великий внесок у вивчення загальної генетики людини зробили: М.П.Дубинін , Д.Д.Ромашов , А.А.Малиновський , В.П.Єфроїмсон , М.П.Бочков , І.Р.Барляк , М.А.Пілінський.

В Україні питаннями медичної генетики займалися такі відомі вчені , як Т.І.Юдін , Б.М.Манківський.

Юдін займався питаннями євгеніки , а Манківський – лікуванням хворих спадкову м’язову дистрофію і спадковими захворюванями нервової системи.

Етапи становлення генетики

(1865 р.) 1900-1930 – період класичної генетики:

• створення теорії гена хромосомної теорії спадковості;

• формування уявлення про співвідношення генотипу та фенотипу , взаємодію генів , генетичні принципи індивідуального добору селекції;

• залучення генетичних ресурсів для цілей селекції.

1930-1953 рр. – Період неокласичної генетики

• робота в галузі штучного мутагенезу;

• виявлення того , що ген є складною системою , яка дробиться на частини.

• обгрунтування принципів популяційної генетики;

• створення біохімічної генетики , зясування ролі ДНК.

З 1953 р. – епоха синтетичної генетики

• розкриття структури та генетичної значущості ДНК ;

• з’ясування на молекулярному рівні природи гена;

• початок робіт у галузі генної інженерії.

2. Предмет і завдання генетики

Генетика – наука про закономірності спадковості і мінливості. Спадковістю називається властивість повторювати в ряді поколінь потрібні ознаки і забезпечувати специфічний характер індивідуального розвитку в певних умовах середовища. Завдяки спадковості батьки і потомки мають подібний тип біосинтезу , який визначає подібність у хімічному складі тканин , характері обміну речовин , фізіологічних функцій , морфологічних ознак та інших особливостей. Внаслідок цього кожний вид організмів відтворює себе із покоління в покоління.

Мінливість – це явище , певною мірою протилежне спадковості , і виявляється в тому , що у будь-якому поколінні окремі особи чимось відрізняються і одна від одної , і від своїх батьків. Відбувається це тому , що властивості і ознаки кожного організму – це результат взаємодії двох причин : спадкової інформації і конкретних умов зовнішнього середовища , які можуть впливати як на зміну спадкових задатків , так і на варіабельність виявлення їх.

Генетика як наука виникла внаслідок практичних потреб. При розведенні домашніх тварин і культурних рослин здавна використовувалась гібридизація , порід , сортів і відрізняється один від одного якими-небудь ознаками. Порівнюючи гібриди з вихідними формами , практики давно помітили деякі особливості успадкування ознак. Дарвін надавав великого значення вивченню закономірностей спадковості і мінливості і встановив , що вони лежать в основі еволюції органічного світу.

На вивченні генетичних закономірностей ґрунтується селекція тобто створення нових і покращення існуючих порід домашніх тварин , сортів культурних рослин , а також мікроорганізмів які використовуються у фармацевтичній промисловості , медицині і народному господарстві.

Велике значення має генетика для медицини ветеринарії оскільки багато хвороб людини і тварини спадкові і для лікування їх або запобігання потрібні генетичні досліди.

Основні закономірності має успадкування властивостей і ознак були відкриті Г.Менделем (1822-1884). Однак ці дослідження не були зразу належно оцінені і залишалися мало відомими до 1900 р. , коли водночас три дослідники ( Г.де Фріз у Голландії , Т. Корренс у Німеччині , Є.Чермак в Австрії ) незалежно один від одного вдруге відкрили закони спадковості , сформульовані Менделем. Цю дату вважають датою створення експериментальної генетики .

При вивченні закономірностей успадкування звичайно схрещують організми, що відрізняються один від одного альтернативними, тобто контрастуючими проявами ознаки. Наприклад можна взяти горох

(саме його брав Мендель) з насінням жовтого і зеленого кольорів (ознака – колір насіння), зморшкуватим і гладеньким (ознака – форма насіння), забарвленням квіток пурпуровим і білим (ознака – колір квітки), з високим і низьким стеблом (ознака – розмір стебла). Кожна ознака організму визначається одним або кількома генами. Кожний ген може існувати в кількох формах (станах), які називають алелями (алеломофорними парами). Алелі гена розташовані у гомологічних хромосомах в одних і тих самих місцях (локусах).

Гомозиготи і гетерозиготи.

Якщо в обох гемологічних хромосомах містяться однакові алелі (наприклад, обидва кодують жовте забарвлення насіння або обидва – зморшкувату форму насіння тощо), такий організм називається гомозиготним. Якщо ж алелі різні (наприклад в одній із гомологічних хромосомах алель кодує жовтий пігмент, а в іншій, гомологічній їй, хромосомі алель зеленого пігменту або один алель – гладенької форми, а другий – зморшкуватої форми насіння), то такий організм називається гетерозиготним. Можна сказати і так: зигота, яка утворилась злиттям гамет з однаковими алелями одного гена, називається гемозиготною. Гетерозигота утворюється злиттям гамет, які несуть у собі різні алелі даного гена. Один і той самий організм може бути гомозиготним за одним (або кількома) генами (вв, ББ) і гетерозиготним за іншим (іншими: Аа, Гг).

Генотип і фенотип.

Сукупність спадкових факторів організмів (генів) називається генотип. Сукупність всіх ознак і властивостей організму, які є результатом взаємодії генотипу з зовнішнім середовищем називається фенотипом. Ось чому організми з однаковим генотипом можуть відрізнятися один від одного залежно від умов розвитку і існуванням. Межі, в яких змінюються фенотипові прояви генотипу, називаються нормою реакції.

Актуальні проблеми генетики.

Генетика – наука, що об’єднує навколо своєї проблематики багато біологічних дисциплін.

Біохімічна генетика включає біохімію нуклеїнових кислот, білків і ферментів. Тут застосовуються методи, що використовуються біохіміками і молекулярними біологами (хроматографія, аналіз ферментів).

Цитогенетика займається вивченням хромосом тварин і рослин в нормі і при патології.

Класична генетика розглядає успадкування Менделевських ознак і з допомогою статистичних методів досліджує більш складні типи успадкування.

Клінічна генетика вирішує питання діагностики, прогнозування і лікування різних спадкових хвороб.

Предмет і завдання генетики.

Популяційна генетика вивчає поведінку генів в популяціях і дію таких факторів, як дрейф генів, міграції, мутації і добір.

Генетика поведінки – наука, предметом вивчення якої являються спадкові фактори, що визначають поведінку людей.

Соціальна біологія пояснює поведінку людини в суспільстві на сонові біологічних і еволюційних уявлень.

Завдання генетики.

1.Одне з головних завдань сучасної біології – збільшення ресурсів для населення Землі, що постійно зростає.

Генетика являється теоретичною основою селекції, що розробляє ефективні шляхи і методи одержання нових порід тварин і сортів рослин. Найважливішим інструментом селекції став закон гомологічних рядів, відкритий М.І. Вавіловим.

Генетика – селекціонери використовують такий природний процес, як мутагенез, примушуючи його служити людині. Головна задача селекції майбутнього – одержати спрямовані мутації тобто навчитися стріляти по потрібному гену. При цьому використовують радіоактивне випромінювання і хімічні мутагени.

2.Генетика людини більшістю своїх досягнень зобов’язана тому, що опиралась на закони Менделя, і використовувала методи, що розроблялися в різних областях біології (регуляція активності генів, регуляція діяльності імунної системи і роботи мозку, причини спадкових хвороб і т.д.).

3.Пізнання молекулярних основ життєдіяльності організмів призвело до використання біологічних процесів і речовин в промисловості. Народилася нова галузь виробництва – біотехнологія, що являє собою комплект біологічних знань і технічних засобів, які необхідні для одержання продуктів життєдіяльності клітини.

Основні напрямки сучасної біотехнології – біотехнологічний синтез, культивація і використання рослин і клітинних тварин, генна інженерія, наука про білкові речовини клітин (ензімологія).

3.Гібрідологічний метод вивчення спадковості

Основні закономірності спадкування були відкриті Г. Менделем. Він досяг успіху у своїх дослідженнях завдяки зовсім новому, розробленому ним методу, який отримав назву гібридологічного аналізу. Суть гібридологічного методу вивчення спадковості полягає в тому, що про генотип організму судять за ознаками (фенотипу) потомків, отриманих при певних схрещуваннях.

Методи ґрунтуються на таких положеннях:

1.Враховується не весь різноманітний комплекс ознак у батьків і гібридів, а аналізується спадковість за окремими ознаками та їхніми проявами.

2.Проводиться точний кількісний облік спадкування кожного стану ознаки не лише в першому поколінні від схрещування, а в і наступних поколіннях.

Гібридологічний метод знайшов широке застосування в науці і практиці.

Об’єктом для досліджень Мендель брав горох, який має багато сортів, що відрізняються альтернативними проявами ознак. Вибір об’єкта виявився вдалим, оскільки спадкування ознак у гороха відбуваються досить чітко. Гороху звичайно властиве самозапилення, хоч можливе також перехресне запилення. У самозапильної рослини все потомство є потомством одного організму, тобто становить так звану чисту лінію, а здатність до перехресного запилення полегшує гібридизацію. Це дало Менделю можливість проаналізувати потомство як кожної окремої особини, так і в результаті гібридизації. Перш ніж приступити до експериментів Мендель кілька років перевіряв чистоту сорту (гомозиготність), а впевнившись у цьому, розпочав експеримент.

Мендель проаналізував закономірності спадковості як у тих випадках, коли батьківські організми відрізнялися за альтернативним проявом однієї (моногібридне схрещування), так і у тих, коли вони відрізнялися за альтернативними виявами кількох ознак (ди -, три -, полігібридне). Відповідно до рівня науки того часу Мендель не міг ще пов’язати спадкові фактори з певними структурами клітин.

3.1 Перший закон Менделя

У дослідах Менделя при схрещуванні сортів гороху, які мали жовте і зелене насіння, все потомство (тобто гібриди першого покоління) виявилися жовтим насінням. При цьому не мало значення з якого саме насіння (жовтого чи зеленого) виросли материнські (батьківські) рослини. Отже, обидва батьки однаковою мірою здатні передавати свої ознаки потомству.

Аналогічні результати були виявлені і в дослідах, в яких до уваги бралися інші ознаки. Так, при схрещуванні рослин з гладеньким і зморшкуватим насінням все потомство мало гладеньке насіння. При схрещуванні рослин з пурпуровими і білими квітками у всіх гібридів виявилися лише пурпурові пелюстки квітів і т.д.

Виявлена закономірність отримала назву першого законуМенделя, або закон однотипності гібридів першого покоління. Стан (алель) ознаки, який проявляється в першому поколінні, отримав назву домінантного; стан (алель), який в першому поколінні гібридів не проявляється, називається рецесивним.

,,Задатки” ознак (гени) Г. Мендель запропонував позначити літерами латинського алфавіту. Алелі, які належать до однієї пари станів ознаки, позначають однією і тією ж літерою, але домінантний алель – великою, а рецесивний – маленькою. Алель пурпурного забарвлення квітів слід позначити, наприклад, А, алель білого кольору квіток – а, алель жовтого кольору насіння – В, алель зеленого кольору насіння – в і т.д.

Згадаймо, що кожна клітина тіла має диплоїдний набір хромосом. Всі хромосоми парні, алелі ж гена містяться в гомологічних хромосомах. Отже, в зиготі завжди є два алелі і генотипову формулу за будь-якою ознакою слід записувати двома літерами.

Особину, гомозиготну за домінантним алелем, слід записувати АА, рецесивним – аа, гетерозиготну – Аа. Досліди показали, що рецесивний алель проявляє себе лише у гомозиготному стані, а домінантний – як у гомозиготному (АА), так і в гетерозиготному стані (Аа).

Гени розташовані в хромосомах. Отже, в наслідок мейозу гемологічні хромосоми (а з ними алелі гена) розходяться в різні гамети. Але оскільки у гомозиготи обидва алелі однакові, всі гамети несуть один і той самий алель, тобто гомозиготна особина дає лише один тип гамет.

Досліди по схрещуванню запропоновано записувати у вигляді схем. Домовились батьків позначати літерою Р, особин першого покоління – F1, особин другого покоління – F2 і т.д. Схрещування позначють знаком множення (Х), генотипову формулу материнської особини ( ) записують першою, а батьківської ( )- другою. В першому рядку записують генотипові формули батьків, у другому – типи їхніх гамет, у третьому генотипи першого покоління і т.д.

Для прикладу запишемо схему моногібридного схрещування монозиготного гороху з пурпуровими і білими квітками:

Р АА ^х аа

Гамети А а

F1 Аа

Оскільки у першого батька лише один тип гамет (А) і у другого також один тип гамет (а), можливе лише одне сполучення Аа. Всі гібриди першого покоління виявляються однорідними: гетерозиготними за генотипами і домінантними за фенотипом.

Отже, перший закон Менделя, або закон одноманітності гібридів першого покоління, у загальному вигляді можна сформулювати так: при схрещуванні гомозиготних особин, які відрізняються одна від одної за однією парою альтернативних станів ознаки (контрастуючих), усе потомство у першому поколінні одноманітне як за фенотипом, так і за генотипом.

3.2 Другий закон Менделя

При схрещенні гетерозиготних гібридів першого покоління між собою (самозапилення або споріднене схрещування) у другому поколінні з’являються особини як з домінантними, так і з рецесивними станами ознак, тобто виникає розщеплення, яке відбувається в певних відношеннях. Так, у дослідах Менделя на 929 рослинах другого покоління виявилося 705 з пурпуровими квітками і 224 з білими. У досліді, в якому враховується колір насіння, із 8023 насінин гороху, отриманим у другому поколінні, було 6022 жовтих і 2001 зелених, а і з 7324 насінин у відношенні яких враховувалась форма насінини, було отримано 5474 гладенькі і 1850 зморшкуватих. Узагальнюючи фактичний матеріал, Мендель дійшов висновку, що у другому поколінні 75% особин мають домінантний стан ознаки, а 25% - рецесивний (розщеплення 3:1). Ця закономірність отримала назву другого закону Менделя, або закону розщеплення.

Згідно з цим законом та використовуючи сучасну термінологію, можна зробити такі висновки:

а) алелі гена, перебуваючи у гетерозиготному стані, не змінюють структуру один одного;

б) при дозріванні гамет у гібридів утворюється приблизно однакове число гамет з домінантними і рецесивними алелями;

в) при заплідненні чоловічі і жіночі гамети, що несуть домінантні і рецесивні алелі, вільно комбінуються.

При схрещуванні двох гетерозигот (Аа), у кожній і з яких утворюється два типи гамет (половина з домінантним алелем – А, половина – з рецесивним – а), необхідно очікувати чотири можливі поєднання. Яйцеклітина з алелем А може бути запліднена з однаковою часткою ймовірності як сперматозооном з алелем А, так і сперматозооном або з алелм а, а яйцеклітина з алелем а – сперматозооном, або з алелем А, або з алелем а. Отримуються зиготи: АА, Аа, Аа, аа, або АА, Аа, Аа, аа.

За зовнішнім виглядом (фенотипом особини) АА і Аа не відрізняються, тому розщеплення виходить у співвідношенні 3:1.

За генотипом особини розділяються у співвідношенні 1АА:2Аа:1аа. Зрозуміло, що якщо від кожної групи особин другого покоління отримувати потомство лише при самозапилюванні, то перша (АА) і остання (аа) групи (вони гомозиготні) будуть давати лише одноманітне потомство (без розщеплення), а гетерозиготні (Аа) форми будуть давати розщеплення у співвідношенні 3:1.

При схрещуванні двох гібридів першого покоління, які аналізуються за однією альтернативною парою станів ознаки, у потомстві спостерігається розщеплення за фенотипом у співвідношенні 3:1, і за генотипом у співвідношенні 1:2:1.

3.3 Третій закон Менделя

Вивчаючи розщеплення при дигібридному схрещуванні Мендель звернув увагу на таку обставину. При схрещуванні рослин з жовтим гладеньким (АА ВВ) і зеленим зморшкуватим (аа вв) насінням у другому поколінні з’явилися нові комбінації ознак: жовте зморшкувате (А – вв) і зелене гладеньке (аа – В), які не зустрічались у вихідних форм. Із цього спостереження Мендель зробив висновок, що розщеплення за кожною ознакою (за кожною парою алелів) відбувається незалежно від другої ознаки (других пар алелів). У цьому прикладі форма насіння успадкувалася незалежно від їхнього забарвлення. Ця закономірність отримала назву третього закону Менделя, який формується так: при схрещуванні гомозеготних особин, які відрізняються за двома (або більше) ознаками, у другому поколінні (F2) спостерігається незалежне успадкування і комбінування станів ознак, якщо гени, які їх визначають, розташовані у різних парах хромосом. Це можливо тому, що під час мейозу розподіл (комбінування) хромосом у статевих клітинах при їхньому дозріванні йде незалежно і може привести до появи нащадків з комбінацією ознак, відмінних від батьківських і прабатьківських особин.

Оскільки кожна пара алелів розподіляється в гібридів незалежно від іншої пари, то в нашому прикладі у дигеторозиготної особини (Аа Вв) при формуванні гамет алель А може виявитися в одній гаметі як з алелем В, так із алелем в. З такою ж ймовірністю і алель а може потрапити в одну гамету з алелем В, або з алелем в. Отже, у дигеторозиготної особини утворюється чотири можливі комбінації генів у гаметах: АВ, Аа, аВ, ав. Всіх типів гамет буде порівну (по 25%).

Це легко пояснити поведінкою хромосом при мейозі. Для спрощення візьмемо гіпотетичний організм, який має всього дві пари хромосом. Назвемо їх першою і другою парами. Якщо цей організм гетерозиготний за обома генами, то одна