Закон гомологических рядов наследственной изменчивости Н.И.Вавилова

Известно, что мутирование происходит в различных направлениях. Однако, это многообразие подчиняется определенной закономерности, обнаруженной в 1920 году Н.И.Вавиловым. Он сформулировал закон гомологических рядов наследственной изменчивости: «Виды и роды, генетически близкие, характеризуются сходными рядами наследственной изменчивости с такой правильностью, что зная ряд форм в пределах одного вида, можно предвидеть существование параллельных форм у других видов и родов».

Можно сказать, что у родственных видов, имеющих общее происхождение возникают сходные мутации.

Одни и те же болезни встречаются у животных и у человека. Так, например, альбинизм наблюдается во всех классах позвоночных животных и человека. Брахидактилия (короткопалость) отмечена у крыс, овец, собак, человека. Мышечная дистрофия – у мышей, крыс, лошадей, человека.

Закон гомологических рядов позволяет предвидеть возможность появления мутаций, которые могут быть использованы в селекции для создания новых ценных для хозяйства форм.

                                                                                          Лекция 13

              Методы изучения генетики человека

План

1.Генеалогический метод.

2.Близнецовый метод.

3.Метод дерматоглифики.

4.Цитогенетический метод.

5.Метод гибридизации соматических клеток.

6.Онтогенетический метод.

7.Популяционно-статистический метод.

8.Метод моделирования.

9.Иммунологический метод.

10.Биохимический метод.

                     Генеалогический метод

   Типы наследования и формы проявления генетических задатков у человека весьма многообразны и для дифференциации между ними требуются специальные методы анализа, в первую очередь – генеалогический, предложенный Ф.Гальтоном.

Генеалогический метод или изучение родословных предусматривает прослеживание признака в семье или роду с указанием типа родственных связей между членами родословной. В медицинской генетике этот метод обычно называют клинико-генеалогическим, поскольку речь идет о наблюдении патологических признаков с помощью приёмов клинического обследования. Генеалогический метод относится к наиболее универсальным методам в генетике человека. Он широко применяется при решении теоретических и практических проблем:

1) для установления наследственного характера признака,

2) при определении типа наследования и пенетрантности генотипа,

3) выявление сцепления генов и картирование хромосом,

4) при изучении интенсивности мутационного процесса,

5) при расшифровке механизмов взаимодействия генов,

6) при медико-генетическом консультировании.

Суть генеалогического метода сводится к выяснению родственных связей и прослеживанию признака среди близких и дальних прямых и непрямых родственников. Технически он складывается из двух этапов: составления родословных и генеалогического анализа.

                                    Составление родословной

   Сбор сведений о семье начинается с пробанда, которым называется лицо, первым попавшее в поле зрения исследователя.

Дети одной родительской пары (родные братья и сестры) называются сибсами. Семьей в узком смысле, или ядерной семьей, называют родительскую пару и их детей. Более широкий круг кровных родственников лучше обозначать термином «род». Чем больше поколений вовлекается в родословную, тем она обширнее. Это влечёт за собой неточность полученных сведений и, следовательно, неточность родословной в целом. Часто люди не знают даже числа своих двоюродных братьев и сестер, не говоря уже о каких-то признаках у них и их детей.

Для наглядности готовят графическое изображение родословной. Для этого обычно пользуются стандартными символами. Если рассматриваемых признаков в родословной много, то можно прибегать к буквенным или штриховым различиям внутри символов. Схема родословной обязательно сопровождается описанием обозначений под рисунком – легендой, что исключает возможность неправильных истолкований.

                           Генеалогический анализ

Целью генеалогического анализа является установление генетических закономерностей.

1 этап –установление наследственного характера признака. Если в родословной встречается один и тот же признак несколько раз, то можно думать о наследственной его природе. Однако надо прежде всего исключить возможность экзогенного накопления случаев в семье или роду. Например, если один и тот же патогенный фактор действовал на женщину во время всех беременностей, то у нее могут родиться несколько детей с одинаковыми аномалиями. Или же какой-то фактор действовал на многих членов семьи, необходимо сличить действие сходных внешних факторов. С помощью генеалогического метода были описаны все наследственные болезни.

2 этап– установление типа наследования и пенетрантности гена. Для этого используют принципы как генетического анализа, так и статистические методы обработки данных из родословной.

3 этап–определение групп сцепления и картирования хромосом, до недавнего времени основывающегося только на генеалогическом методе. Выясняют сцепленные признаки и процесс кроссинговера. Этому способствуют разработанные математические методы.

4 этап–изучение мутационного процесса. Он применяется в трех направлениях: при изучении механизмов возникновения мутаций, интенсивности мутационного процесса и факторов, вызывающих мутации. Особенно широко генеалогический метод применяется при изучении спонтанных мутаций, когда надо различать «спорадически» возникшие случаи от «семейных».

5 этап–анализ взаимодействия генов в клинической генетике был сделан С.Н.Давиденковым (1934, 1947) по анализу полиморфизма заболеваний нервной системы.

6 этап –в медико-генетическом консультировании для составления прогноза без генеалогического метода обойтись нельзя. Выясняют гомо- или гетерозиготность родителей и рассматривают вероятность рождения детей с теми или иными признаками.

                   Близнецовый метод исследования

Исследование близнецов – один из основных методов генетики человека. Существуют однояйцевые близнецы, возникающие из одной яйцеклетки, оплодотворенной одним сперматозоидом. Возникают они из-за разделения зиготы на два генетически идентичных друг другу и всегда однополых зародыша.

Разнояйцовые близнецы развиваются из разных яйцеклеток, оплодотворенных разными сперматозоидами. Генетически они различаются как братья и сестры одних родителей.

При помощи близнецового метода можно изучить:

1) Роль наследственности и среды в формировании физиологических и патологических особенностей организма. В частности, изучение наследственной передачи людьми некоторых болезней. Изучение экспрессивности и пенетрантности генов, вызывающих наследственные заболевания.

2) Конкретные факторы, усиливающие или ослабляющие влияние внешней среды.

3) Корреляцию признаков и функций.

Особенно важна роль близнецового метода в изучении проблемы «генотип и среда».

Сравнивают обычно три группы близнецов: ДБ в одинаковых условиях, ОБ в одинаковых условиях, ОБ в разных условиях.

При изучении близнецов определяют частоту, степень совпадения (конкордантности) тех или иных признаков.

При изучении роли наследственности в происхождении того или иного признака производят расчет по формуле К.Хольцингера.

Коэффициент наследуемости - Н

   Н= % сходства ОБ - % сходства РБ        

                         100 - % сходства РБ

При Н=1 вся изменчивость в популяции обусловлена наследственностью.

При Н=0 вся изменчивость вызвана средовыми факторами. Влияние среды С выражается формулой: С=100% - Н, где Н – коэффициент наследуемости. Например, конкордантность монозиготных (однояйцевых)   близнецов 3%. Тогда Н =

 67 – 3 = 64 = 0,7   или 70 %. С = 100 – 70 = 30 %

 100 – 3   97             

Итак, данный признак на 70% обусловлен наследственностью, а на 30% - влиянием факторов внешней среды.

Другой пример. Группы крови по системе АВО у ОБ =100%, т.е. полностью зависит от наследственности.

Частота совпадения групп крови и некоторых заболеваний у близнецов (в %)

                            Метод дерматоглифики

Это наука, изучающая наследственную обусловленность рисунков, которые образуют линии кожи на кончиках пальцев, ладонях и подошвах человека.

Оказалось, что у каждого народа, у каждой расы, у каждого человека рисунки имеют свои особенности, и на ладонях они строго индивидуальны. На это впервые обратил внимание Ф.Гальтон, который предложил английской уголовной полиции по отпечаткам пальцев идентифицировать преступников.

Дерматоглифические исследования имеют важное значение в криминалистике, в определении зиготности близнецов, в диагностике ряда наследственных заболеваний, а так же в отдельных случаях спорного отцовства.

Ладонный рельеф очень сложен. В нем выделяют ряд полей, подушечек и ладонных линий. Подушечек на ладони 11, их делят на 3 группы:

1)пять концевых (эпликальных) подушечек на концевых фалангах пальцев.

2)четыре межпальцевые подушечки, располагаются против межпальцевых промежутков.

3)две ладонные проксимальные подушечки тенар и гипотенар. У основания большого пальца – тенар, у противоположного края ладони- гипотенар.

На наиболее возвышенных частях подушечек заметны кожные гребешки. Это линейные утолщения эпидермиса, которые представляют собой модифицированные чешуйки кожи. Кожные гребешки идут потоками, как на ладонях, так и на пальцевых подушечках. Точки встречи этих потоков образуют трирадиусы или дельты.

Гребешковые узоры обычно изучают под лупой. Отпечатки узоров, при помощи типографской краски, делают на чистой белой, лучше мелованной, бумаге или целлофане. Как на кончиках пальцев, так и на ладонных возвышениях могут наблюдаться различные папиллярные узоры в виде завитков, петель и дуг, открытых в ульпарную или радиальную стороны. На тенаре и гипотенаре чаще бывают дуги. На средней и основной фалангах пальцев гребешковые линии идут поперек пальцев, образуя различные узоры – прямые, серповидные, волнообразные, дугообразные и их сочетания. В среднем на одном пальце бывают 15-20 гребешков.

                            Рисунок ладони.

1 – поперечная проксимальная борозда, линия прижатия 4 пальцев

2 - поперечная средняя борозда, линия прижатия 3 пальцев

3 – поперечная дистальная борозда, линия прижатия 2 пальцев

4 – борозда большого пальца

5 – продольная срединная борозда от запястья к основанию 3го пальца

6 – продольная промежуточная борозда от запястья к основанию 4го пальца

7 – продольная ульнарная борозда, от запястья к основанию 5го пальца

1 – синдром Патау

2 – синдром Дауна

3 – синдром Шерешевского-Тернера

4 – норма

5 – синдром Клайнфельтера

 При изучении кожного рельефа ладони исследуют:

1) Ход главных ладонных линий А, В, С, Д    1,2,3,4,5,6,7.

2) Ладонные узоры на тенаре и гипотенар.

3) Пальцевые узоры (форму узоров, гребневый счет)

4) Осевые трирадиусы.

Аналогичные исследования проводят и на подошвах ног. Направление главной ладонной линии Д у родителей и их детей одинаковое.

Изучение больных с хромосомными болезнями (болезнь Дауна, синдром Клайнфельтера) показало, что у них меняется не только рисунок пальцевых и ладонных узоров, но и характер основных сгибательных борозд на коже ладоней.

Несколько меньшую выраженность имеют дерматоглифические отклонения у больных с такими дефектами развития, как врожденные пороки сердца и магистральных сосудов, незаращения мягкого и твердого неба, верхней губы и т.д.

Установлены изменения в характере пальцевых и ладонных узоров при проказе, шизофрении, сахарном диабете, раке, ревматизме, полиомиелите и других заболеваниях.

             Цитогенетический метод

   Этот метод позволяет с помощью микроскопа исследовать структуры клетки – хромосомы. С помощью метода микроскопии изучен кариотип организма человека (хромосомный набор клеток организма). Установлено, что многие заболевания и дефекты развития связаны с нарушением числа хромосом и их строения. Этот метод позволяет изучить также действие мутагенов на состав и строение хромосом. Цитогенетический метод связан с временными культурами тканей (обычно лейкоцитов) и получением метафазных ядер с укороченными, утолщенными хромосомами, деление которых останавливают на стадии метафазной пластинки колхицином. Если в кариотипе изучаются половые хромосомы, то этот метод позволяет исследовать половой хроматин в соматических клетках.

              Гибридизация соматических клеток

Гибридные клетки обладают определенными свойствами, позволяющими определять локализацию гена или сцепление гена. Потеря хромосом человека из некоторых типов гибридных клеток позволяет получать клоны с отсутствием определенной хромосомы. Наиболее употребительны гибриды соматических клеток человек – мышь.

Прослеживание за наличием биохимического генетического маркера в гибридных клонах по мере элиминации хромосом человека может привести к обнаружению локализации гена, если признак исчезает из клеток, как только они меняются определенными хромосомами. Цитогенетический анализ большого числа клонов и сопоставления результатов с присутствием большого числа генетических маркеров позволяет подметить сцепленные гены и их локализацию. Дополнительно используют информацию, при использовании клонов от инвалидов с транслокациями и другими хромосомными аномалиями.

Этим методом была установлена локализация гена фосфоглицераткиназы в длинном плече Х-хромосомы, т.е. место гибридных клеток позволяет установить:

1) локализацию гена

2)сцепление генов

3)картирование хромосом

Свыше 160 локусов определены с помощью метода гибридных соматических клеток.

                          Онтогенетический метод

   Позволяет изучить закономерности проявления какого-либо признака или заболевания в процессе индивидуального развития. Выделяют несколько периодов развития человека. Антенатальный (развитие до рождения) и постнатальный. Большинство признаков человека формируются в фазу морфогенеза антенатального периода. В фазу морфогенеза постнатального периода заканчивается формирование коры головного мозга и некоторых других тканей и органов, формируется иммунологическая система организма, которая достигает наивысшего развития через 5-7 лет после рождения ребенка. В постморфогенетический период развиваются вторичные половые признаки.

В морфогенетический период изменение активности генов происходит по двум типам:

1)включение и выключение генов

2)усиление и ослабление действия генов

В постморфогенетический период развития первый тип изменения активности генов почти отсутствует, происходит лишь небольшое включение отдельных генов – например, генов, определяющих вторичные половые признаки, развитие некоторых наследственных заболеваний. Выключение же генов в этом периоде более значительное. Репрессируется активность многих генов, связанных с выработкой меланина (в результате происходит поседение), а также генов, связанных с выработкой γ-глобулинов (повышается восприимчивость к заболеваниям). Подавляются многие гены в клетках нервной системы, мышечных клетках и т.д.

Репрессия генов осуществляется на уровне транскрипции, трансляции, посттрансляции. Однако основной тип изменения активности генов на этом этапе – усиление и ослабление действия генов. Может изменяться доминирование генов, что вызывает изменение внешних признаков, особенно в период полового созревания. Меняется соотношение половых гормонов и соответственно признаки пола. Репрессивные гены с возрастом могут оказывать большое влияние на развитие того или иного признака. Например, ген фенилкетонурии в гетерозиготном состоянии изменяет психику человека.

                   Популяционно-статистический метод исследования

Представляет собой метод математического подсчета тех или иных генов и соответствующих признаков в определенных популяциях. Теоретической основой данного метода является закон Харди-Вайнберга.

Этим методом установлено, что все гены человеческой популяции по частоте встречаемости можно разделить на 2 категории:

1)имеющие универсальное распространение, к которым относится большинство генов. Например, ген дальтонизма, имеющийся у 7%мужчин и более чем у 13%женщин. Ген амавротической идиотии, встречающийся у населения Европы с частотой 4 на 10 000 населения.

2)гены, встречающиеся преимущественно в определенных районах. Например, ген серповидно-клеточной анемии распространен в странах, где свирепствует малярия. Ген врожденного вывиха бедра, имеющий высокую концентрацию у аборигенов северо-востока нашей страны.

                              Метод моделирования

Закон гомологических рядов Н.И.Вавилова (виды и роды генетически близкие обладают сходными рядами наследственной изменчивости) позволяет с определёнными ограничениями экстраполировать экспериментальные данные на человека.

Биологическая модель наследственного заболевания на животном часто является более удобной для исследования, чем больной человек. Оказалось, что у животных имеется около 1300 наследственных болезней, так же, как у человека. Например, у мышей – 100, у крокодилов – 50, у крыс – 30. на модели гемофилии А и В у собак показано, что она обусловлена рецессивным геном, расположенным в Х-хромосоме.

Моделирование мышечной дистрофии у мышей, хомяков и кур дало возможность понять патогенетическую сущность этого заболевания. Было установлено, что при этом заболевании поражается не нервная система, а непосредственно мышечные волокна.

Начальные механизмы галактоземии были выяснены на модели кишечной палочки. И у человека, и у бактерий неспособность усваивать галактозу вызвана одинаковым наследственным дефектом – отсутствием активного фермента – галактоза-1-фосфатилуридилтрансферазы.

                  Иммунологический метод исследования

Этот метод основан на изучении антигенного состава клеток и жидкостей человеческого организма – крови, слюны, желудочного сока и т.п. Чаще всего исследуют антигены форменных элементов крови: эритроцитов, лейкоцитов, тромбоцитов, а также белков крови. Различные виды антигенов эритроцитов образуют системы групп крови.

В начале ХХ столетия К.Ландштейнер и Я.Янский показали, что в зависимости от характера реакций между эритроцитами и плазмой крови, всех людей можно разделить на 4 группы. В дальнейшем было доказано, что реакции эти происходят между белковыми веществами эритроцитов, которые были названы агглютино-генами, и белками сыворотки крови, которые были названы агглютининами.

Группы крови определяются антигенами, содержащими липидную и белковые фракции, и которые находятся на поверхности эритроцитов. Белковая часть антигена контролируется геном, который работает на ранних этапах развития эритроцита. Антигены специфичны для каждой группы крови.

Всего сейчас известно 14 систем эритроцитарных групп крови, в которые входят более 100 различных антигенов. В системе групп крови АВО на поверхности эритроцитов формируется два антигена под контролем генных аллелей I^а, I^в_.

Бернштейн в 1925году показал, что есть третья аллельI^о, которая не контролирует синтез антигена. Таким образом, в системе АВО групп крови существует три аллеля, но у каждого человека имеется только два из них. Если расписать возможные мужские и женские гаметы в решетке Пеннета, то можно проследить, какие возможные комбинации групп крови будут у потомков.

Группы крови АВО у потомков в зависимости от групп крови у родителей

Иммунологические методы применяют для обследования пациентов и их родственников при подозрении на иммунодефецитные состояния (агаммаглобулинемия, дисгаммаглобулинемия, атаксия-телеангиэктазия и другие), при подозрении на антигенную несовместимость матери и плода, при пересадке органов и тканей, при установлении истинного родства, в случаях медико-генетического консультирования, при необходимости изучения генетических маркеров при диагностике сцепления генов или при определении наследственной предрасположенности к заболеваниям, при установлении зиготности близнецов.

Определение групповой принадлежности крови имеет практическое значение в разнообразных генетических исследованиях:

1)при установлении зиготных близнецов

2)при установлении сцепления генов.

3) в судебно-медицинской экспертизе в случаях спорного отцовства или материнства. Известно, что у ребенка не могли появится антигены, которых нет у родителей.

Система групп крови М была открыта К.Ландштейнером и И.Левиным в 1927 году (в этой группе антитела к соответствующим антигенам не продуцируются). В системе имеется два аллеля M,N.

Гены, определяющие фактор М и N, являются кодоминантными, т.е. если встречаются вместе, то оба и проявляются. Таким образом, существуют гомозиготные генотипы MM и NN, и гетерозиготные MN. В популяциях европейцев генотипы ММ встречаются примерно в 36%, NN – в 16%, MN – в 48%.

 А гены соответственно:

     М=36 + 48 = 60%

              2

     N=16 + 48 = 40%

                    2

                                    Резус – фактор

Как показали исследования ученых, 85% европейцев имеют эритроцитарный антиген, общий с антигеном обезьян вида макака-резус. У 15% людей резус-антигенов на поверхности эритроцитов нет.

Система групповых резус-антигенов очень сложна. Предполагается, что резус-антигены контролируются тремя тесно сцепленными локусами С, Д и Е в двух хромосомах и наследуются доминантно. Поэтому возможны по каждому локусу три генотипа: гомозиготные резус-положительные, гетерозиготные резус-положительные и гомозиготные резус-отрицательные.

 Наиболее иммуногенным является антиген Д.Антигены С и Е являются менее активны.

В 1962 году было установлено наличие эритроцитарного изоантигена Х_д, передающегося через половую Х-хромосому. По этому антигену всех людей можно разделить на Х_д-положительных и Х_д-отрицательных. Среди Х_д-положительных женщин встречается 88%, а среди мужчин – 66%. Если оба родителя Х_д-отрицательны, то все их дети (как девочки, так и мальчики) будут Х_д-отрицательны. Если отец Хд-положительный, а мать Х_д-отрицательна, то их дочери будут Х_д-положительными, а сыновья Х_д-отрицательными. Если мать Х_д-положительна, а отец Х_д-отрицателен, то их сыновья будут Х_д-положительными т.е. тип наследования «крест-накрест». Дочери же могут быть как Хд-положительными, так и Х_д-отрицательными, в зависимости от гомозиготности матери. Ген Х_д – группы локализован в коротком плече Х-хромосомы. Система Х_д используется для изучения анеуплоидий (аномального числа Х-хромосом у ребенка с трисомией Х, синдрома Клайнфельтера, синдрома Шерешевского-Тернера и др.). Предполагается, что Х_д-несовместимость матери и плода (мать Х_д-отрицательная, а плод Х_д-положительный) приводит к уменьшению частоты рождения девочек.

                         Биохимический метод

Позволяет, с одной стороны, изучить количество ДНК в клетках человека в норме и патологии, с другой – определять наследственные дефекты обмена веществ при помощи:

1)определения аномального белка (структурных белков или ферментов), которые образуются в результате биохимических реакций;

2)определения промежуточных продуктов обмена, которые появляются вследствие генетического блока прямой реакции обмена.

Например, при фенилкетонурии аминокислота фенилаланин не превращается в тирозин. Происходит увеличение её концентрации в крови и уменьшение концентрации тирозина. Фенилаланин при этом превращается в фенилпировиноградную кислоту и ее производные – фенилмолочную, фенилуксусную и фенилацетилглутаминовую.

Эти соединения обнаруживают в моче больного при помощи хлорного железа FeCl₃ или 2,4 – динитрофенилгидразина.

                                                                                          Лекция14