Основы генетики Ассистент кафедры лабораторной диагностики ИПО БГМУ

Основы генетики Ассистент кафедры лабораторной диагностики ИПО БГМУ к. м. н. Билалов Ф. С.

Гене тика (от греч. γενητως — происходящий от кого-то) — наука о закономерностях наследственности и изменчивости. В зависимости от объекта исследования классифицируют генетику растений, животных, микроорганизмов, человека и другие; в зависимости от используемых методов других дисциплин — молекулярную генетику, экологическую генетику и другие.

Гене тика человека — раздел генетики, изучающий закономерности наследования и изменчивости признаков у человека. Генетика человека, отрасль генетики, тесно связанная с антропологией и медициной. Генетика человека Медицинская генетика Антропогенетика

Геном человека — совокупность наследственного материала, заключенного в клетке человека. Человеческий геном состоит из 23 пар хромосом, находящихся в ядре, а также митохондриальной ДНК. Двадцать две аутосомные хромосомы, две половые хромосомы Х и Y, а также митохондриальная ДНК человека содержат вместе примерно 3, 1 млрд пар оснований. Всего у человека примерно 35000 генов.

У эукариот материальными единицами наследственности являются гены, локализованные в хромосомах ядра и ДНК органелл.

Хромосомное наследование Мнение о том, что хромосомы — подходящие кандидаты на роль материальных носителей наследственности, одним из первых высказал Август Вейсман. Хромосомы, заключённые в ядре клетки, являются носителями генов и представляют собой материальную основу наследственности.

Гены Ген (др. -греч. γένος — род) — структурная и функциональная единица наследственности живых организмов. Ген представляет собой участок ДНК, задающий последовательность определённого полипептида либо функциональной РНК. Изучением генов занимается наука генетика, родоначальником которой считается Грегор Мендель, который в 1865 году опубликовал результаты своих исследований о передаче по наследству признаков при скрещивании гороха.

Классификация генов Структурные гены — гены, кодирующие синтез белков. Расположение нуклеотидных триплетов в структурных генах коллинеарно последовательности аминокислот в полипептидной цепи, кодируемой данным геном. 2. Функциональные гены - гены, которые контролируют и направляют деятельность структурных генов. 1.

Где хранятся гены реально существуют и являются специальным образом отмеченными участками ДНК или РНК — молекулы, в которой закодирована вся генетическая информация. У эукариотических организмов ДНК свёрнута в хромосомы и находится в ядре клетки. Кроме того, собственная ДНК имеется внутри митохондрий и хлоропластов (у растений)

Структура гена

Насле дственность — способность организмов передавать свои признаки и особенности развития потомству. Благодаря этой способности все живые существа сохраняют в своих потомках характерные черты вида. Такая преемственность наследственных свойств обеспечивается передачей генетической информации.

Изменчивость Наследственная (генотипическая) Ненаследственная (фенотипическая)

Наследственная (генотипическая) изменчивость Наследственная изменчивость обусловлена возникновением разных типов мутаций и их комбинаций в последующих скрещиваниях. В каждой достаточно длительно существующей совокупности особей спонтанно и ненаправленно возникают различные мутации, которые в дальнейшем комбинируются более или менее случайно с разными уже имеющимися в совокупности наследственными свойствами.

Наследственная (генотипическая) изменчивость Комбинативная изменчивость Мутационная изменчивость

Комбинативная изменчивость — изменчивость, которая возникает вследствие рекомбинации генов во время слияния гамет. Основные причины: 1. независимое расхождение хромосом во время мейоза; 2. случайная встреча половых гамет, а вследствие этого и сочетания хромосом во время оплодотворения; 3. рекомбинация генов вследствие кроссинговера.

Кроссинговер - процесс обмена участками хромосом при перекресте хромосом. При образовании половых клеток – сперматозоидов и яйцеклеток – происходит деление клетки, называемое мейозом. Исходная клетка имеет диплоидный (двойной) набор хромосом, которые затем удваиваются. Но, если при обычном делении клетки парные хромосомы просто расходятся к разным полюсам и далее оказываются в ядрах двух вновь образовавшихся клеток, то при мейозе хромосома тесно переплетается с другой, гомологичной ей хромосомой, происходит разрыв хромосом и перекрёстный обмен гомологичными участками.

Мутационная изменчивость — изменчивость, вызванная действием на организм мутагенов, вследствие чего возникают мутации (реорганизация репродуктивных структур клетки). Мутагены бывают: 1. физические (радиационное излучение), 2. химические (гербициды) 3. биологические (вирусы).

Основные положения мутационной теории в 1901— 1903 годах разработал Гуго де Фриз: 1. 2. 3. 4. 5. 6. Мутации возникают внезапно, скачкообразно, как дискретные изменения признаков. В отличие от ненаследственных изменений мутации представляют собой качественные изменения, которые передаются из поколения в поколение. Мутации проявляются по-разному и могут быть как полезными, так и вредными, как доминантными, так и рецессивными. Вероятность обнаружения мутаций зависит от числа исследованных особей. Сходные мутации могут возникать повторно. Мутации ненаправленны (спонтанны), то есть мутировать может любой участок хромосомы, вызывая изменения как незначительных, так и жизненно важных признаков.

Мутационная изменчивость Почти любое изменение в структуре или количестве хромосом, при котором клетка сохраняет способность к самовоспроизведению, обусловливает наследственное изменение признаков организма.

Мутационная изменчивость По характеру изменения генома, то есть совокупности генов, заключенных в гаплоидном наборе хромосом, различают: 1. Генные 2. Хромосомные 3. Геномные мутации

Генные мутации – изменение строения одного или нескольких участков гена. Это изменение в последовательности нуклеотидов: выпадение, вставка, замена и т. п. Например, замена А на Т. Причины – нарушения при удвоении (репликации) ДНК. Примеры: серповидноклеточная анемия, фенилкетонурия.

Последствия генных мутаций сохранение смысла кодона из-за вырожденности генетического кода (синонимическая замена нуклеотида), 2) 2) изменение смысла кодона, приводящее к замене аминокислоты в соответствующем месте полипептидной цепи (миссенс-мутация), 3) 3) образование бессмысленного кодона с преждевременной терминацией (нонсенс-мутация). В генетическом коде имеются три бессмысленных кодона: амбер — UAG, охр — UAA и опал — UGA (в соответствии с этим получают название и мутации, приводящие к образованию бессмысленных триплетов — например амбер-мутация), 4) 4) обратная замена (стоп-кодона на смысловой кодон). 1)

Виды генных мутаций у человека Генные болезни, связанные с точечными мутациями ядерной ДНК Моногенные наследственные заболевания Полигенные наследственные болезни Наследуются в соответствии с законами классической генетики. Менделя (аутосомнодоминантное, аутосомнорецессивное, сцепленное с полом) Наследуются сложно, развитие заболевания зависит от нескольких факторов (мультифакториальные заболеваниях – МФЗ)

Болезни, обусловленные дефектами митохондриальной ДНК Генные болезни, связанные с точечными мутациями мт. ДНК 1. наследственная оптическая нейропатия Лебера - миссенс-мутацией окислительного фосфорилирования 2. болезнь миоклональной эпилепсии и грубокрасных волокон т. РНК 3. синдром митохондриальной энцефаломиопатии и инсультоподобных эпизодов Болезни, обусловленные грубыми структурными нарушениями мт. ДНК 1. синдром Кернса—Сэйра 2. синдром Пирсона

Диагностика генных мутаций 1. 2. 3. 4. 5. 6. Общеклиническое исследование Биохимические тесты Иммунохимические исследования ПЦР Сиквенирование Молекулярно - цитогенетические исследования

Хромосомные мутации у человека Болезни, обусловленные нарушением числа аутосом синдром Дауна (трисомия 21) синдром Патау (трисомия 13) синдром Эдвардса (трисомия 18) Болезни, связанные с нарушением числа половых хромосом Синдром Клайнфельт ера (47, XXY) Синдром Шерешевского — Тёрнера (45, XO)

Хромосомные мутации у человека Синдро м Да уна (трисомия по хромосоме 21) — одна из форм геномной патологии, при которой чаще всего кариотип представлен 47 хромосомами вместо нормальных 46, поскольку хромосомы 21 -й пары, вместо нормальных двух, представлены тремя копиями

Геномные мутации Геномные: — полиплоидизация (образование организмов или клеток, геном которых представлен более чем двумя (3 n, 4 n, 6 n и т. д. ) наборами хромосом) и анеуплоидия (гетероплоидия) — изменение числа хромосом, не кратное гаплоидному набору (см. Инге-Вечтомов, 1989). В зависимости от происхождения хромосомных наборов среди полиплоидов различают аллополиплоидов, у которых имеются наборы хромосом, полученные при гибридизации от разных видов, и аутополиплоидов, у которых происходит увеличение числа наборов хромосом собственного генома, кратное n. У ЧЕЛОВЕКА ГЕНОМНЫЕ МУТАЦИИ НЕ СОВМЕСТИМЫ С ЖИЗНЬЮ.

Модификационная (фенотипическая) изменчивость — изменения в организме, связанные с изменением фенотипа вследствие влияния окружающей среды и носящие, в большинстве случаев, адаптивный характер. Генотип при этом не изменяется. Предел проявления модификационной изменчивости организма при неизменном генотипе — норма реакции.

Модификационная (фенотипическая) изменчивость — изменения в организме, связанные с изменением фенотипа вследствие влияния окружающей среды и носящие, в большинстве случаев, адаптивный характер. Генотип при этом не изменяется.

Классификация МИ. По изменяющимся признакам организма: 1. морфологические изменения (бодибилдинг) 2. физиологические и биохимические адаптации — гомеостаз (повышение уровня эритроцитов в горах и т. д. )

Классификация МИ. По размаху нормы реакции. узкая (более характерна для качественных признаков) широкая (более характерна для количественных признаков)

Классификация МИ. По значению: модификации (полезные для организма — проявляются как приспособительная реакция на условия окружающей среды) морфозы (ненаследственные изменения фенотипа под влиянием экстремальных факторов окружающей среды или модификации, возникающие как выражение вновь возникших мутаций, не имеющие приспособительного характера) фенокопии (различные ненаследственные изменения, копирующие проявление различных мутаций)— разновидность морфозов

Классификация МИ. По длительности: есть лишь у особи или группы особей, которые подверглись влиянию окружающей среды (не наследуются) длительные модификации — сохраняются на два-три поколения

Примеры модификационной изменчивости У человека увеличение уровня эритроцитов при подъеме в горы 2. увеличение пигментации кожи при интенсивном воздействии ультрафиолетовых лучей 3. развитие костно-мышечной системы в результате тренировок 4. шрамы (пример морфоза) 1.

Сравнительная характеристика форм изменчивости Свойство Ненаследственная (адаптивные модификации) Наследственная Объект изменений Фенотип в пределе нормы реакции Генотип Фактор Изменения условий окружающей возникновения среды Рекомбинация генов вследствие слияния гамет, кроссинговер, мутации Наследование свойств Не наследуется Наследуется Значения для особи Повышает жизнеспособность, приспособленность к условиям окружающей среды Полезные изменения приводят к выживанию, вредные — к гибели организма

Сравнительная характеристика форм изменчивости Свойство Ненаследственная (адаптивные модификации) Наследственная Роль в эволюции Адаптация организмов к условиям окружающей среды Материал для естественного отбора Форма изменчивости Групповая Индивидуальная Закономерность Статистическая закономерность вариационных рядов Закон гомологических рядов наследственной изменчивости Способствует выживанию Приводит к появлению новых популяций, видов в результате дивергенции Значение для вида

Роль изменчивости в эволюции Как резкие качественные различия, не связанные друг с другом переходными формами, так и чисто количественные различия, образующие непрерывные ряды, в которых близкие члены ряда могут отличаться друг от друга сколь угодно мало; Как изменения отдельных признаков и свойств (независимая изменчивость), так и взаимосвязанные изменения ряда признаков (коррелятивная изменчивость); Как изменения, имеющие приспособительное значение (адаптивная изменчивость), так и изменения «безразличные» или даже снижающие жизнеспособность их носителей (неадаптивная изменчивость).

Роль изменчивости в эволюции Эволюционно сложившиеся отношения между точностью функционирования генетических систем и частотой ошибок, возникающих при воспроизведении генетической информации отдельных генетических локусов, четко сбалансированы между собой, и уже установлено, что в ряде случаев являются регулируемыми. Запрограммированные и случайные наследуемые изменения генома, называемые мутациями, могут сопровождаться колоссальными количественными и качественными изменениями в экспрессии генов.

Примеры нормы генетических изменений 1. одним из механизмов, лежащих в основе возникновения разнообразия антител, являются запрограммированные изменения генов иммуноглобулинов, которые закрепляются в геноме лимфоцитов в результате их отбора в онтогенезе.

Примеры нормы генетических изменений 2. Высокий темп изменений некоторых генетических локусов у паразитических организмов, например, у трипаносом, в результате которых меняется структура антигенных детерминант на поверхности их клеток, необходим для их выживания, так как помогает этим организмам избежать нейтрализующего действия иммунной системы организма-хозяина.

Примеры нормы генетических изменений 3. абсолютный консерватизм в передаче генетической информации по вертикали сделал бы невозможным филогенетическое развитие организмов, их эволюционные преобразования, приведшие, в конечном счете, к тому разнообразию биологических видов, которое сегодня наблюдается в природе.

Методы медицинской генетики

Методы медицинской генетики Клинико-генеалогичекий Близнецовый Популяционно-статистический Секвенирование (с использованием высокоэффективного секвенирования) Скринирование (иммунологический) Дерматоглифический Цитогенетический Молекулярно-генетический

Клинико-генеалогичекий метод Клинико-генеалогический метод включает клиническое обследование членов семьи пациента, обратившегося за консультацией, составление ее родословной и проведение генеалогического анализа. Одной из главных задач клинико-генеалогического метода является установление наследственного характера заболевания, ибо от решения этого вопроса зависит адекватное лечение и направленность профилактических мероприятий. Источник: http: //dommedika. com/230. html

Этапы клинико-генеалогического метода 1. сбор информации о пробанде и членов семьи 2. составление родословной 3. анализ родословной 4. определение характера наследования

Близнецовый метод основан на клиническом обследовании и сравнении моно- и дизиготных близнецов, воспитывающихся в одинаковых или различных условиях окружающей среды. Монозиготные близнецы развиваются из одной оплодотворенной яйцеклетки и имеют одинаковую наследственную конституцию. Таким образом, выявляемые между ними различия не связаны с наследственными факторами. 33% - монозиготных близнецов 66% - дизиготных близнецов

Популяционно-статистический метод Этот метод позволяет изучить распространение отдельных генов в человеческих популяциях. Обычно производится непосредственное выборочное исследование части популяции либо изучают архивы больниц, родильных домов, а также проводят опрос путем анкетирования. Выбор способа зависит от цели исследования. Последний этап состоит в статистическом анализе. Одним из наиболее простых и универсальных математических методов является метод, предложенный Г. Харди и В. Вайнбергом (в данной статье не рассмотрен). Имеется и ряд других специальных математических методов. В результате становится возможным определить частоту генов в различных группах населения, частоту гетерозиготных носителей ряда наследственных аномалий и болезней.

Цитогенетический метод Для идентификации хромосом применяют количественный морфометрический анализ. С этой целью проводят измерение длины хромосомы в микрометрах (микроскопия хромосом производится в остановленной фазе митоза посредством колхицина и отброшенными посредством гипотонического раствора в результате чего хромосомы лежат свободно), определяют также соотношение длины короткого плеча к длине всей хромосомы (центромерный индекс).

Пренатальная цитогенетическая диагностика включает исследования беременных женщин и плода (выявление хромосомных аномалий). При медикогенетическом консультировании это позволяет получить следующую информацию: 1. определение прогноза рождения здорового ребенка; 2. обеспечение ранней диагностики внутриутробной патологии и оптимального ведения беременности 3. предоставление полной информации родителям о степени риска рождения больного ребенка 4. при выявлении высокого риска – предоставление развернутой информации относительно альтернативы прерывания беременности и последствиях рождения больного ребенка.

Методика Культивирование эмбриональных клеток амниотической жидкости или ворсин хориона с последующей остановкой митозов. Приготовление препаратов метафазных хромосом из 15 клеток (окрашивание G-дисков) минимум двух независимых культур, дифференциальное окрашивание (GTG). Полностью анализируются 5 метафаз и просматриваются минимум 5 кариотипов. Проводится прямой анализ метафазных хромосом ворсин хориона после ночной инкубации.

FISH-анализ Метод FISH-анализа позволяет объективно выявлять индивидуальные хромосомы и их отдельные участки на метафазных пластинках (хромосомы в состоянии максимальной конденсации и визуализации) или интерфазных ядрах (деконденсированные хромосомы, без четкой морфологической структуры) на основе особенностей их молекулярно-генетического строения. Объектом исследования в данном случае являются особенности нуклеотидного состава конкретной хромосомы или ее отдельного участка.

Метод дерматоглифики Дерматоглифка – это изучение рельефа кожи на пальцах, ладонях и подошвенных поверхностях стоп, который образован эпидермальными выступами – гребнями, которые образуют сложные узоры. Разделы дерматоглифики: • дактилоскопия – изучение узоров на подушечках пальцев • пальмоскопия – изучение рисунка на ладонях • плантоскопия – изучение дерматоглифики подошвенной поверхности стопы

Молекулярно-генетический метод См. другую лекцию