Лекция 2. ОСНОВЫ ЧЕЛОВЕЧЕСКОЙ ИНДИВИДУАЛЬНОСТИ 1.

Лекция 2. ОСНОВЫ ЧЕЛОВЕЧЕСКОЙ ИНДИВИДУАЛЬНОСТИ 1. Значение генотипа и факторов внешней среды в развитии различных аномалий человека 2. Механизмы человеческой индивидуальности с точки зрения генетики. 3. Особенности гаметогенеза у человека 4.

1. Значение генотипа и факторов внешней среды в развитии различных аномалий человека По данным мировой статистики около 5% всех новорожденных появляются на свет с тем или иным генетически обусловленным дефектом, 50% спонтанных абортов являются следствием грубых нарушений в генотипе плода. Различные признаки в разной степени зависят от генотипа. Условно можно выделить: 1. Признаки жёстко контролируемые генотипом (группы крови, резус фактор и. др. ); 2. Признаки, в формировании которых существенное влияние оказывает внешняя среда (пигментация кожи, развитие некоторых болезней обмена веществ и др. ); 3. Кроме заболеваний, связь между которыми и конкретными дефектами генотипа установлена однозначно (таких известно более 2. 500), существует большая группа аномалий, генетическая и биохимическая природа которых изучена слабо, но также обусловленных генотипом. Их называют болезнями с наследственным предрасположением. К ним относятся такие широко распрост ранённые заболевания как ишемическая болезнь сердца, язвенная болезнь желудка и двенадцатиперстной кишки, многие нервно психические болезни.

4. Почти все инфекционные болезни, непосредственной причиной являются внешние агенты бактерии и вирусы протекают у разных людей с различной степенью тяжести. Причина этого различие в иммунной системе, которая однозначно зависит от генотипа. Понимание этого обстоятельства вызвало интенсивное изучение генетической обусловленности иммунитета (иммуногенетика), что привело к открытию важнейших фундаментальных явлений в работе гена. Казалось бы, что дефектный генотип, доставшийся человеку от родителей, неизбежно влечёт пороки развития и тут ничего нельзя исправить. Но наука и современная биотехнология всё чаще опровергают фатальность такого утверждения. Так, установив биохимические причины ряда тяжёлых наследственных болезней /в первую очередь аномалий метаболизма/ учёные разработали методы по их предотвращению путём изменений в диете или с помощью витаминной или ферментативной терапии. Развитие методов генной инженерии открыло перспективы прямого исправления генотипа, что позволит предотвращать развитие ранее совершенно неизлечимых заболеваний.

2. Механизмы человеческой индивидуальности с точки зрения генетики n Разные дети одной и той же пары родителей хотя и похожи друг на друга и на родителей, но это сходство далеко не полное. Даже по признакам чётко обусловленным генотипом дети не обязательно похожи на родителей. У двух резус положительных родителей может родиться резус отрицательный ребёнок, у родителей со второй группой крови ребёнок с первой группой. Таких примеров можно найти множество. Генетическая причина таких явлений: во всех перечисленных примерах оба родителя гетерозиготы. Родители: Аа х Аа Гаметы: А а n Дети: 25% АА 50% Аа 25% аа

Каков размах "нормальной" наследственной изменчивости у человека? Каковы механизмы, приводящие к ее появлению? Любое животное начинает развиваться из оплодотворённой яйцеклетки зиготы. Зигота человека имеет в ядре 23 пары гомологичных хромосом. Это диплоидный набор. Он образуется путём объединения при оплодотворении ядер яйцеклетки и сперматозоида, которые принесли в зиготу по одному гаплоидному набору (23 хромосомы). Рис. 1. Кариотип и кариограмма человека

Рис. 2. Фазы мейоза n. Гаметы образуются в результате мейоза, который происходит в клетках зачаткового пути – оогониях и сперматогониях. При мейозе хромосомы каждой из 23 -х пар расходятся к полюсам деления независимо друг от друга. Независимое расхождение обеспечивает образование 2 23 типов гамет с равной частотой. Другой механизм - кроссинговер - обмен участками между хроматидами гомологичных хромосом - приводит к перетасовке генов внутри пар гомологичных хромосом (разные гаметы образуются о различной частотой).

Во сколько раз кроссинговер увеличивает генетическое разнообразие? По современным данным в гаплоидном наборе хромосом человека содержится около 30 тыс. генов. Из них 7% в гетерозиготном состоянии. Именно эти гены создают разнообразие. Оно составляет 22100 типов гамет. Гаметы образуются в результате процессов спермато и овогенеза. Ряд клеточных поколений от первичных половых клеток до гамет получил название зародышевого пути.

Особенности гаметогенеза человека РАЗВИТИЕ СПЕРМАТОЗОИДОВ — Сперматозоиды образуются в семенниках (рис. 3). В их развитии различают несколько стадий. Первая стадия - размножение первичных половых клеток — сперматогониев, которые интенсивно делятся путем митоза, затем вступают в профазу I мейоза и превращаются в сперматоциты первого порядка. n Вторая стадия — стадия роста. В результате непрекращающегося синтеза РНК и, следовательно, белка профазные клетки Рис. 3. Строение семенной железы увеличиваются в размерах. I — белковая оболочка; 2 — долька n Стадия, во время которой проходят одно за семенной железы; 3 — извитой семенной каналец; 4 — перегородка другим два мейотических деления, получила семенной железы; 5 — средостение название стадии созревания. В результате семенной железы с сетью яичка первого деления созревания из одного (Геллери); 6 — отводящие канальцы; 7 — головка придатка и проток сперматоцита первого порядка образуется придатка; 8 — проток придатка; два сперматоцита второго порядка. 9 — семявыносящии проток.

n. После второго деления из каждого сперматоцита второго порядка возникают две гаплоидные клетки — сперматиды. n. Таким образом, из одной исходной клетки, вступившей в мейоз, образуются четыре сперматиды. Они имеют гаплоидный набор хромосом и 1 С- содержание ДНК, но еще не являются специализированными клетками, способными к движению и проникновению внутрь яйцеклетки. n. Превращение сперматид в сперматозоиды происходит во время следующей стадии — стадии формирования. Она продолжается Рис. 4. Разрез семенного канальца. несколько суток (у человека, например, 1 - собственная мембрана; 2 — спермии в почти четыре недели). В это время ядро контакте с клетками Сертоли; 3 - форми- уменьшается в размерах за счет плотной рующиеся спермии (спермиогенез); 4 — упаковки хромосом. Резко сокращается сперматиды; 5 - интерстициальные объем цитоплазмы и формируются клетки (Лейдига) с кристаллами Шарко; 6 — сперматогонии; 7 сперматоциты цитоплазматические структуры, второго порядка; 8 — сперматоциты характерные только для сперматозоидов. первого порядка; 9 - тело клетки Сертоли с ядром.

n. Плотная упаковка хромосом в головке сперматозоида и отсутствие цитоплазмы позволяют ему хорошо сохранять свою целостность вне организма и делают его очень устойчивым к неблагоприятным воздействиям внешней среды. Рядом с ядром из аппарата Гольджи образуется акросома — пузырек, содержащий ферменты, способные растворить оболочку яйцеклетки в момент оплодотворения (рис. 5). С противоположной стороны ядра или головки спермия возникает длинный жгут, или хвост, придающий сперматозоиду подвижность. В основании хвоста образующие его фибриллы окружаются крупной митохондрией, которая обвивает фибриллы как спираль. Между хвостом и головкой располагается центриоль. Все эти преобразования обеспечивают Рис. 5. Строение дальнейшее поведение сперматозоида: его сперматозоида подвижность и проникновение в яйцеклетку.

n. РАЗВИТИЕ ЯЙЦЕКЛЕТОК—ОВОГЕНЕЗ n. Зрелое яйцо - специализированная клетка. Содержит огромный запас питательных веществ, необходимых для развития зародыша. Яйцеклетки гораздо крупнее других клеток организма. n. Яйцеклетка окружена одной или несколькими оболочками, которые выполняют защитную функцию. n. Яйцеклетки образуются в яичниках (рис. 7, 8). Вступлению в мейоз женских половых клеток предшествует размножение первичных половых клеток — овогониев — путем митоза. Число митотических делений обычно меньше, чем при размножении сперматогониев. n Вступив в профазу I мейоза, овогоний стано- вится овоцитом первого порядка. У человека этот процесс заканчивается еще до рождения. Сформировавшиеся к моменту рождения овоциты Рис. 6. Образование первого порядка сохраняются без изменения сперматозоидов (А) и долгие годы. яйцеклетки (Б) у человека

Рис. 7. Схема яичника женщины. Цифрами показаны последовательные стадии развития граафова пузырька, овуляции, образования жёлтого тела и его инволюции (подробнее см. рис. 8). На самом деле нельзя наблюдать все эти стадии одновременно. С наступлением половой зрелости отдельные овоциты периодически вступают в стадию роста. Стадия роста овоцита отличается от соответствующей стадии сперматогенеза своей продолжительностью. Иногда на этой стадии овоцит находится несколько месяцев, достигает гигантских размеров. В его цитоплазме образуется много митохондрий, рибосом, развивается гладкая и ше роховатая эндоплазматическая сеть, идет синтез питательных веществ, которые запасаются в виде желточ ных и белковых гранул.

Рис. 8. Стадии развития овоцита у человека. 1. До рождения небольшая доля примордиальных фоликулов начинает расти. 2. После периода непрерывного роста, некоторые из развивающихся фолликулов накапливают жидкость, превращаясь в антральные фолликулы. 3. С наступлением половой зрелости раз в месяц выделяемый гипофизом лютеинизирующий гормон побуждает антральный фолликул к созреванию: овоцит первого порядка, находящийся в этом фолликуле, завершает первое деление мейоза, образуя первое полярное тельце и овоцит второго порядка. 4. Овоцит второго порядка вместе с полярным тельцем и частью окружающих фолликулярных клеток освобождается в тот момент, когда фолликул разрывается на поверхности яичника. Овоцит второго порядка вступит во второе деление мейоза только в том случае, если он будет оплодотворён.

n Накануне мейотических делений, ядро овоцита перемещается ближе к поверхности клетки так, что веретено деления формируется почти около самой клеточной мембраны, перпендикулярно к ней. При цитокинезе получается одна крупная клетка, содержащая практически всю цитоплазму (овоцит второго порядка), другая — мелкая, состоящая по существу из ядра с минимальным количеством цито плазмы. Эту клетку называют1 -м полярным или редукционным тельцем. После второго деления мейоза (которое происходит только после оплодотворения овоцита второго порядка) цитокинез крупной клетки происходит точно так же, появляется крупная яйцеклетка, или оотида, и 2 -е редукционное тельце. Первое редукционное тельце, как правило, тоже делится. Таким образом, из одной овогонии образуются четыре гаплоидные клетки: крупная – овотида и три мелких – полярные тельца. n В отличие от сперматогенеза, где образующиеся в ходе мейоза клетки равноценны другу, при формировании женских половых клеток результатом мейоза является одна готовая к оплодотворению яйцеклетка и три редукционных тельца, которые со временем дегенерируют.

ОПЛОДОТВОРЕНИЕ У ЖИВОТНЫХ n Процесс оплодотворения состоит из нескольких этапов: проникновения сперматозоида в яйцо, слияния гаплоидных ядер обеих гамет с образованием диплоидной клетки — зиготы и активации ее к дроблению и дальнейшему развитию. n У человека яйцо обычно сохраняет способность к оплодотворению течении 12— 24 ч. после овуляции. n Сперматозоиды, оказавшиеся вне мужской половой системы, живут в матке и яйцеводах женщины — 5— 8 дней. n Нахождение яйцеклетки сперматозоидом и их взаимодействие обеспечиваются специальными веществами - гамонами, вырабатываемыми половыми клетками. Предполагают, что существуют по крайней мере два типа гиногамонов — веществ, выделяемых яйцеклетками (один активирует движение сперматозоидов, другой агглютинирует их), и два типа андрогамонов, выделяемых мужскими половыми клетками (один парализует подвижность сперматозоидов, другой растворяет оболочку яйца). n Оплодотворение происходит лишь при определенной концентрации сперматозоидов. На кроликах было показано, что не происходит оплодотворения как в том случае, когда в осеменении самки участвует менее 1000 сперматозоидов, так и в том, когда их больше 100 млн. Это объясняют недостаточным или избыточным количеством выделяемого фермента - гиалуронидазы.

n Сперматозоиды активно передвигаются и при встрече с яйцеклеткой с помощью гиалуронидазы, выделяемой акросомой, растворяют ее оболочки и проникают внутрь клетки. Как только один сперматозоид проникнет в яйцеклетку, ее оболочки приобретают свойства, препятствующие проникновению других сперматозоидов. Это происходит за счёт т. н. кортикальной реакции высвобождению содержимого многочисленных кортикальных гранул, находящихся в субмембранном слое цитоплазмы яйцеклетки – котрексе. n Эксперименты показывают, что для побуждение яйца к дроблению совсем не обязательно проникновение сперматозоида в яйцеклетку, достаточно их поверхностного взаимодействия. Если микропипеткой оттянуть начавший проникать внутрь яйцеклетки сперматозоид, то может начаться дробление. И наоборот, если микропипеткой ввести сперматозоид сразу внутрь яйца, то активации не произойдет.