Мінливість у людини як властивість життя і генетичне

Мінливість у людини як властивість життя і генетичне явище.

Питання теми: Мінливість та її форми. 2. Модифікаційна мінливість: норма реакції генетичне детермінованих ознак, експресивність та пенетрантність, фенокопії, адаптивний характер модифікацій. 3. Комбінативна мінливість – основа для генетипової та фенотипової різноманітності людства. 4. Мутаційна мінливість. Класифікація мутацій: 5. Мутагенні фактори. Антимутагенні механізми на різних рівнях організації життя. Репарація. 6. Закон гомологічних рядів спадкових форм мінливості. 7. Оцінка мутагенності зовнішніх факторів. 1.

Основні поняття: l l l Мінливість – властивість організмів у межах виду існувати в різних варіантах ознак і властивостей, - властивість організмів набувати в процесі індивідуального розвитку нові властивості на ознаки. Виділяють М. : кореляційну, визначену, невизначену, онтогенетичну (Ч. Дарвін). З генетичної точки зору: фенотипна та генотипна. Реалізується на клітинному та організменому рівнях в процесі їх розвитку. Фенотипна М. – зміна(и) фенотипу під дією зовнішніх факторів, умов існування виду, які не викликані порушеннями генотипу. Генотипна М. – зміна(и) фенотипу внаслідок перекомбінування або мутації спадкового матеріалу на різних рівнях його організації (каріотипу, хромосом, генотипу). Норма реакції – діапазон модифікаційної мінливості генетично детермінованих ознак в різних умовах існування виду. Норма реакції успадковується (для одних ознак – широка, для інших – вузька).

l l l Експресивність (Тімофєєв-Рисовський, 1927)– ступінь фенотипового прояву одного і того ж алелю гену у різних особин. При відсутності мінливості ознаки, яка контролюється даним алелем гену Е. – постійна, у випадках різних варіант ознаки Е називають варіабільною. Причини: а) вплив різних умов середовища, б) модифікуюча дія інших генів в однакових умовах середовища, в) залежность від комбінації певних генів в генотипі. Пенетрантність (Тімофєєв-Рисовський, 1927) – частота фенотипового прояву алелю гену у різних особин родинної групи організмів. Виділяють повну П. (алель проявляється у всіх особин, які мають його в генотипі) і неповну П. (алель фенотипове не проявляється у частини особин, які мають її в генотипі). Фенокопії (Р. Гольдшмідт, 1935) – неспадкові зміни фенотипу (модифікації), які нагадують певні відомі зміни фенотипу при мутаціях. Ф. – результат дії фізичних або хімічних факторів на генетично нормальний організм в процесі його індивідуального розвитку в певні, фенокритичні стадії (періоди) онтогенезу.

Норма реакції

Норма реакції

- Модифікаційна крива: V— варіанти ознаки, v Р — частота варіантів ознак, v Мо — мода, або найчастіше значення ознаки, v lim — межі модифікаційної мінливості ознаки (норма реакції) v

Адаптивний характер модифікацій

Зміни активності генів, l Зміни процессів транскрипції та трансляції, l Зміни проліферації клітин, диференціації… l

Хромосомний аналіз

Впервые хромосомы человека наблюдали Flemming и Arnold в 1880 -х годах l l Цитогенетика человека начинает свой отсчет с открытия, сделанного в 1956 году, когда Tjio и Levan добавив воду к суспензии митотических клеток человека перед их фиксацией на стекле, смогли отделить хромосомы друг от друга и сосчитать их количество. Независимо от их исследования, в том же году, число хромосом человека - 46, было установлено Ford и Hamerton

«Филадельфийская» хромосома l l «Филадельфийскую» хромосому как причину хронического миелоидного лейкоза (ХМЛ) идентифицировали в 1960 году. Через 30 лет, благодаря появлению молекулярного анализа, Janet Rowley обнаружила, что она является продуктом транслокации между хромосомами 9 и 22 , а в 1985 году, в месте слияния этих хромосом, был идентифицирован новый гибридный ген, состоящий из двух генов (BCR и ABL). Дальнейшие исследования показали, что активация этих генов тирозинкиназой лежит в основе патогенетических механизмов развития фенотипа болезни Это открытие способствовало созданию лекарства, которое блокирует функцию белка BCR-ABL и с успехом применяется для лечения больных ХМЛ.

l l Изучение первых препаратов хромосом человека в начале 1960 -х способствовало и другим открытиям в генетике человека. Lejeune в 1963 году описал первый делеционный синдром – cri du chat - потерю порции короткого плеча хромосомы 5 у больных с выраженной задержкой умственного развития и плачем, похожим на крик кошки

Дифференциальное окрашивание l l l Цитогенетические исследования получили новое развитие в конце 1960 -х годов благодаря работам Torbjorn Caspersson, который разработал дифференциальное окрашивание, дававшие паттерн из темных и светлых полос по всей длине каждой хромосомы. В прометафазе, когда хромосомы находятся на очень ранней стадии конденсации, можно было насчитать до 2000 полос, в других случаях - 400 -800 полос. Эта окраска позволила цитогенетикам легко идентифицировать хромосомы, выявлять делеции, инверсии, инсерции, транслокации и другие более сложные перестройки.

Следующим шагом после идентификации аномальной хромосомы является определение точки транслокации или границы делеции на молекулярной карте относительно генов. Для этого используются три подхода: 1. технология гибридных соматических клеток, 2. активизированная флюоресценцией сортировка хромосом (FACS) 3. и FISH-метод. l Эти методы обеспечивают грубое картирование, перед более детальным молекулярным анализом и секвенированием. l

Гібридизація соматичних клітин

Жидкостная цитометрия (сортинг) l l l Жидкостная цитометрия, обычно используемая для анализа и разделения клеток, в 1979 году группой исследователей (лаборатория в Калифорнии) была адаптирована для количественного анализа и сортировки хромосом. Этот метод позволяет отобрать все, кроме четырех хромосом человека [9 -12] и получить информацию о вариабельности их размеров. Жидкостной сортинг лежал в основе создания библиотеки клонов хромосом-специфичной ДНК , которая используется для построения физической карты генома.

FISH-метод l Следующим революционным достижением цитогенетики был метод FISH, который обеспечил прямую связь между микроскопом и секвенированием. Эта техника позволила увидеть хромосомную локализацию специфических последовательностей ДНК с помощью микроскопа

l l Прогрессивность методики заключалась в замене радиоактивного мечения ДНК и РНК проб, применяемого с 1969 года, на флюоресцентное. Флюоресцентные красители являются мягкими и простыми в употреблении, могут храниться неопределенно долго, дают высокое разрешение, и позволяют одновременно исследовать несколько последовательностей ДНК.

l l Техника FISH продолжала совершенствоваться, и сегодня локализация сегментов длиною10 kb считается рутинной, а - 1 kb вполне достижимой. Одним из последних достижений FISH является использование проб, состоящих из пептидов и нуклеиновых кислот, которые позволяют по интенсивности сигнала определять количество комплементарных последовательностей. Хорошей иллюстрацией является изучение динамики теломер в клетках с использованием TTAGGGспецифических проб к концам хромосом. Использование COD-FISH позволяет определять инверсии и сестринские хроматидные обмены

l l l Что еще более важно, FISH сделала доступными для цитогенетического анализа ядра не делящихся клеток. Идентификация хромосом осуществляется простым подсчетом сигналов в каждом ядре. Изменение числа сигналов свидетельствует о произошедшей делеции или амплификации гена. Так дупликация длиной 1 Mb, которая является причиной синдрома Шарко-Мари. Тус [61], может быть определена интерфазной FISH. Позиционные сдвиги сигналов выявляют структурные перестройки, такие как транслокации и инверсии

Многоцветное окрашивание хромосом. l l l Последним достижением цитогенетических технологий является анализ многоцветно окрашенных хромосом. Новая методика, получившая название спектрального кариотипирования (SKY) или мультиплексной FISH (M-FISH), появилась в результате трех новшеств: 1) были созданы хромосом-специфические «краски» : коллекции последовательностей, выделенных из каждой хромосомы; 2)за счет сочетания флюорохромов, для каждой хромосомы получена своя 24 -х цветовая комбинация; 3)для многоцветного анализа усовершенствована техника оптической микроскопии, системы фильтрации и отображения, позволяющая автоматически классифицировать каждый хромосомный сегмент.

Сравнительная геномная гибридизация (CGH) Следующей трансформацией цитогенетики является реализация широкого сканирования генома на потерю или увеличение хромосомного материала без прямого осмотра хромосом -- сравнительная геномная гибридизация (CGH) l В настоящее время цитогенетика вынашивает идею множественной-CGH l

Геномні мутації. Анеуплоїдія Каріотип хворого при синдромі Едварса (трисомія 18)

Хромосомні аберації

Мутагенні фактори l Фізичні: Ионізуюче випромінювання; - УФ (260 нм), температура l Хімічні: - Солі важких металлів; - Пестициди, промислові речовини, харчові добавки, ліки… - v Біологічні: - вируси, - бактерии, найпростіші, гельмінти; - трансгенні продукти !

Порушення ДНК Відбувається під дією зовнішніх факторів та спонтанно: 1. апурінізація ( - пурінові основи). Кожна клітина за добу втрачає близько 5000 пурінів, внаслідок чого утворюється АР-сайт ( залишок дезоксирибози). Це відбувається спонтанно, 2. дезамінування основ ( - NH 2). При дезамінуванні виникають генні мутації ( Ц У( на добу 100 випадків на клітину), А гіпоксантин, Г ксантин. Продукти дезамінування визначаються репаративними системами клітини. 3. Більшість канцерогенів – алкілірують (додають до азотистих основ групи -СН 3 або –С 2 Н 5 ). 4. Під дією ультрафіолету відбувається утворення піримідинових димерів (Т-Т, Ц-Ц).

Репарація 1. Пряма реактивація - ферментативне вирізання спеціальним ферментом з алкілірованої основи групи – СН 3 2. Пряма фотореактивація – фермент фотоліаза відновлює піримидінові димери. 3. Темнова репарація – забезпечує відновлення УФ- пошкоджень ДНК. 4. Ексцизіонна репарація – вирізання пошкоджених ділянок ДНК (АР-сайтів).

Індукована репарація: а) реактивація Уейгла (індукція додаткових репаративних ресурсів клітин, які піддалися дії УФ- випромінювання), б) SOS – репарація (включення додаткових репаративних ресурсів при значному пошкодженні клітини). 6. Репарація неспарених нуклеотидів направлений рух комплекса репаративних білків по одному ланцюгу ДНК. 7. Рекомбінантна репарація – відновлення структури ДНК, яке відбулося під впливом мутагенів (Н. , - γ випромінювання). Відбувається при наявності непошкодженої гомологічної молекули ДНК. 5.

Закон гомологічних рядів спадкових форм мінливості (М. І. Вавілов, 1920) 1. Види і роди, які генетичне близькі, характеризуються подібними рядами спадкової мінливості з такою правильністю, що знаючи ряд форм у межах одного виду, можливе передбачити існування паралельних форм у інших видів та родів. Чим генетичне ближче організми в загальної системі родів та видів, тим повніше схожість в рядах їх мінливості. Свій закон М. І. Вавілов виразив формулою: G 1 ( a + b + c ………. ), G 2 ( a + b + c ………. ), G 3 ( a + b + c ………. ), де G – різні види (роди) організмів, a , b, c – різні вариабельні ознаки.

2. Цілі родини (групи) організмів взагалі характеризуються певним циклом гомологічних форм мінливості, які спостерігаються у всіх родів та видів, які відносяться до даної систематичної групи. l Закон гомологічних рядів спадкових форм мінливості відображає загальну направленість мутаційного процесу у всіх живих організмів, яка визначається: а) універсальністю генетичного коду, загальною схемою організації генів, процесами реалізації генетичної інформації; б) хромосомною організацією спадкового матеріалу; в) однаковими для еукаріот процесами ділення клітин; г) гомологічними механізмами рекомбінування, мутування; д) гомологічними процесами утворення статевих клітин та запліднення…

Біологичні антимутагенні механізми На популяційному рівні: - зниження репродуктивності; На организменому рівні: - вренатальна смертність; - передчасна постнатальна смертність. На клеточном уровне: - Элиминация гамет и зигот; - Парность хромосомного набора. На молекулярно-генетичному рівні: - повтори генів; - триплетність; - репарація.