Методы генетики. Основные генетические понятия и символика.

Основные генетические понятия и символика.

Генетика — наука о закономерностях наследственности и изменчивости. Датой «рождения» генетики можно считать 1900 год, когда Г. Де Фриз в Голландии, К. Корренс в Германии и Э. Чермак в Австрии независимо друг от друга «переоткрыли» законы наследования признаков, установленные Г. Менделем еще в 1865 году.

Наследственность — свойство организмов передавать свои признаки от одного поколения к другому.

Изменчивость — свойство организмов приобретать новые по сравнению с родителями признаки. В широком смысле под изменчивостью понимают различия между особями одного вида.

Признак — любая особенность строения, любое свойство организма. Развитие признака зависит как от присутствия других генов, так и от условий среды, формирование признаков происходит в ходе индивидуального развития особей. Поэтому каждая отдельно взятая особь обладает набором признаков, характерных только для нее.

Фенотип — совокупность всех внешних и внутренних признаков организма.

Ген — функционально неделимая единица генетического материала, участок молекулы ДНК, кодирующий первичную структуру полипептида, молекулы транспортной или рибосомной РНК. В широком смысле ген — участок ДНК, определяющий возможность развития отдельного элементарного признака.

Генотип — совокупность генов организма.

Локус — местоположение гена в хромосоме.

Аллельные гены — гены, расположенные в идентичных локусах гомологичных хромосом.

Гомозигота — организм, имеющий аллельные гены одной молекулярной формы.

Гетерозигота — организм, имеющий аллельные гены разной молекулярной формы; в этом случае один из генов является доминантным, другой — рецессивным.

Рецессивный ген — аллель, определяющий развитие признака только в гомозиготном состоянии; такой признак будет называться рецессивным.

Доминантный ген — аллель, определяющий развитие признака не только в гомозиготном, но и в гетерозиготном состоянии; такой признак будет называться доминантным.

Генетическая символика.

♀ - женский организм

♂ - мужской организм

Х - знак скрещивания

P - родительские организмы

F1, F2 - дочерние организмы первого и второго поколения

А, В, С... - гены, которые кодируют доминантные признаки

а, b, с... - аллельные им гены, которые кодируют рецессивные признаки

АА, ВВ, СС...- генотипы особей, моногомозиготных по доминантному признаку

Аа, Вb, Сс... - генотипы моногетерозиготных особей

аа, bb, сс... - генотипы рецессивных особей

Методы генетики.

1. Генеалогический метод

Выражается в составлении родословных (человека, животных). Позволяет установить тип и характер наследования признаков. Он возможен в том случае, когда известны прямые родственники — предки обладателя наследственного признака (пробанда) по материнской и отцовской линиям в ряду поколений или потомки пробанда также в нескольких поколениях. При составлении родословных в генетике используется определенная система обозначений. После составления родословной проводится ее анализ с целью установления характера наследования изучаемого признака.

Условные обозначения, принятые при составлении родословных:

1 — мужчина; 2 — женщина; 3 — пол не выяснен; 4 — обладатель изучаемого признака; 5 — гетерозиготный носитель изучаемого рецессивного гена; 6 — брак; 7 — брак мужчины с двумя женщинами; 8 — родственный брак; 9 — родители, дети и порядок их рождения; 10 — дизиготные близнецы; 11 — монозиготные близнецы.

Благодаря генеалогическому методу были определены типы наследования многих признаков у человека. Так, по аутосомно-доминантному типу наследуются полидактилия (увеличенное количество пальцев), возможность свертывать язык в трубочку, брахидактилия (короткопалость, обусловленная отсутствием двух фаланг на пальцах), веснушки, раннее облысение, сросшиеся пальцы, заячья губа, волчья пасть, катаракта глаз, хрупкость костей и многие другие. Альбинизм, рыжие волосы, подверженность полиомиелиту, сахарный диабет, врожденная глухота и другие признаки наследуются как аутосомно-рецессивные.

1. Близнецовый

Основан на изучении близнецов с одинаковыми генотипами, что позволяет выяснить влияние среды на формирование признаков.

Близнецами называют одновременно родившихся детей. Они бывают монозиготными (однояйцевыми) и дизиготными (разнояйцевыми). Монозиготные близнецы развиваются из одной зиготы (1), которая на стадии дробления разделилась на две (или более) части. Поэтому такие близнецы генетически идентичны и всегда одного пола. Монозиготные близнецы характеризуются большой степенью сходства (конкордантностью) по многим признакам.

Дизиготные близнецы развиваются из двух или более одновременно овулировавших и оплодотворенных разными сперматозоидами яйцеклеток (2). Поэтому они имеют различные генотипы и могут быть как одного, так и разного пола. В отличие от монозиготных, дизиготные близнецы характеризуются дискордантностью — несходством по многим признакам.

Анализируют проявление признаков у близнецов, находившихся в одной семье, то есть в похожих условиях среды, и у тех, что попали в разные семьи, в разные условия. По результатам анализа вычисляют конкордантность — показатель идентичности близнецов по определенному признаку; соответствует доле сходных по изучаемому признаку пар среди обследованных пар близнецов. Доля различных пар называется дискордантностью. Чем больше конкордантность, тем больше роль наследственных факторов в формировании данного признака и тем меньше роль среды.

Благодаря близнецовому методу, была выяснена наследственная предрасположенность человека к ряду заболеваний: шизофрении, эпилепсии, сахарному диабету и другим.

1. Цитогенетический метод

Синтез гибридологического и цитологического методов обеспечивает изучение кариотипа человека, изменений в строении и количестве хромосом. Он позволяет обнаружить геномные мутации (например, трисомия 21, приводящая к синдрому Дауна), а также крупные перестройки отдельных хромосом (инверсии, делеции). Для идентификации определенных хромосом используют метод дифференциального окрашивания хромосом. Обычно при этом получается определенный рисунок полос разной ширины, который уникален для каждого конкретного участка хромосом.

Кариотип человека при трисомии 21 — хорошо видно наличие одной дополнительной хромосомы 21. Хромосомы идентифицируют по длине, положению центромеры, рисунку исчерченности и затем их фотографии вырезают и располагают упорядоченно.

К числу хромосомных заболеваний относятся: синдром Клайнфельтера, синдром Тернера-Шерешевского, синдром Дауна, синдром Патау, синдром Эдвардса и другие.

Больные с синдромом Клайнфельтера (47, ХХY) всегда мужчины. Они характеризуются недоразвитием половых желез, дегенерацией семенных канальцев, часто умственной отсталостью, высоким ростом (за счет непропорционально длинных ног).

Синдром Дауна — одна из самых часто встречающихся хромосомных болезней. Она развивается в результате трисомии по 21 хромосоме (47; 21, 21, 21). Болезнь легко диагностируется, так как имеет ряд характерных признаков: укороченные конечности, маленький череп, плоское, широкое переносье, узкие глазные щели с косым разрезом, наличие складки верхнего века, психическая отсталость. Часто наблюдаются и нарушения строения внутренних органов.

Хромосомные болезни возникают и в результате изменения самих хромосом. Так, делеция р-плеча аутосомы №5 приводит к развитию синдрома «крик кошки». У детей с этим синдромом нарушается строение гортани, и они в раннем детстве имеют своеобразный «мяукающий» тембр голоса. Кроме того, наблюдается отсталость психомоторного развития и слабоумие.

Чаще всего хромосомные болезни являются результатом мутаций, произошедших в половых клетках одного из родителей.

1. Биохимический

Изучаются нарушения обмена веществ (белков, жиров, углеводов, минеральных веществ), возникающих в результате генных мутаций.

Позволяет обнаружить нарушения в обмене веществ, вызванные изменением генов и, как следствие, изменением активности различных ферментов. Наследственные болезни обмена веществ подразделяются на болезни углеводного обмена (сахарный диабет), обмена аминокислот, липидов, минералов и др.

Фенилкетонурия относится к болезням аминокислотного обмена. Блокируется превращение незаменимой аминокислоты фенилаланин в тирозин, при этом фенилаланин превращается в фенилпировиноградную кислоту, которая выводится с мочой. Заболевание приводит к быстрому развитию слабоумия у детей. Ранняя диагностика и диета позволяют приостановить развитие заболевания.

1. Популяционно-статистический

Основывается на определении частоты встречаемости различных генов в популяции, что позволяет вычислить количество гетерозиготных организмов и прогнозировать, таким образом, количество особей с патологическим (мутантным) проявлением действия гена.

Существенным моментом при использовании этого метода является статистическая обработка получаемых данных. Изучением генетической структуры популяций занимается особый раздел генетики — популяционная генетика. У человека выделяют три типа популяций: 1) панмиктические, 2) демы, 3) изоляты, которые отличаются друг от друга численностью, частотой внутригрупповых браков, долей иммигрантов, приростом населения. Население крупного города соответствует панмиктической популяции. В генетическую характеристику любой популяции входят следующие показатели: 1) генофонд (совокупность генотипов всех особей популяции), 2) частоты генов, 3) частоты генотипов, 4) частоты фенотипов, система браков, 5) факторы, изменяющие частоты генов.

Для выяснения частот встречаемости тех или иных генов и генотипов используется закон Харди-Вайнберга:

В идеальной популяции из поколения в поколение сохраняется строго определенное соотношение частот доминантных и рецессивных генов (1), а также соотношение частот генотипических классов особей (2).

p + q = 1, (1)

р2 + 2pq + q2 = 1, (2)

где p — частота встречаемости доминантного гена А; q — частота встречаемости рецессивного гена а; р2 — частота встречаемости гомозигот по доминанте АА; 2pq — частота встречаемости гетерозигот Аа; q2 — частота встречаемости гомозигот по рецессиву аа.

Идеальной популяцией является достаточно большая, панмиктическая (панмиксия — свободное скрещивание) популяция, в которой отсутствуют мутационный процесс, естественный отбор и другие факторы, нарушающие равновесие генов. Понятно, что идеальных популяций в природе не существует, в реальных популяциях закон Харди-Вайнберга используется с поправками.

Закон Харди-Вайнберга, в частности, используется для примерного подсчета носителей рецессивных генов наследственных заболеваний. Например, известно, что в данной популяции фенилкетонурия встречается с частотой 1:10000. Фенилкетонурия наследуется по аутосомно-рецессивному типу, следовательно, больные фенилкетонурией имеют генотип аа, то есть q2 = 0,0001. Отсюда: q = 0,01; p = 1 - 0,01 = 0,99. Носители рецессивного гена имеют генотип Аа, то есть являются гетерозиготами. Частота встречаемости гетерозигот (2pq) составляет 2 · 0,99 · 0,01 ≈ 0,02. Вывод: в данной популяции около 2% населения — носители гена фенилкетонурии. Заодно можно подсчитать частоту встречаемости гомозигот по доминанте (АА): p2 = 0,992, чуть меньше 98%.

1. Молекулярный метод.

Прогресс молекулярной биологии и появление новых методов существенно ускорили развитие генетики. Появились технологии прочтения нуклеотидных последовательностей ДНК — секвенирования ДНК. В настоящее время они позволяют за относительно короткое время прочитывать целые геномы сложных организмов. Работа с полученными последовательностями ДНК ("генетическими текстами") легла в основу новой науки — биоинформатики. Помимо этого, важную роль сыграли методы выделения нужных генов — молекулярного клонирования и ПЦР.

1. Гибридологический

Производится анализ закономерностей наследования отдельных признаков и свойств организмов при половом размножении, а также анализ изменчивости генов и их комбинаторики. Метод разработан Г. Менделем.

1. Цитологический

С помощью светового и электронного микроскопов изучаются материальные основы наследственности на клеточном и субклеточном уровнях (хромосомы, ДНК).

1. Математический

Производится количественный учет наследования признаков.

1. Онтогенетический

Позволяет проследить действие генов в процессе индивидуального развития; в сочетании с биохимическим методом позволяет установить присутствие рецессивных генов в гетерозиготном состоянии по фенотипу.

Задания ЕГЭ по данной теме.

1. Как называется метод, сущность которого составляет скрещивание родительских форм, различающихся по ряду признаков, анализ их проявления в ряде поколений

1) гибридологическим

2) цитогенетическим

3) близнецовым

4) биохимическим

2. С помощью какого метода выявляется влияние генотипа и среды на развитие ребенка

1) генеалогического

2) близнецового

3) цитогенетического

4) гибридологического

3. Метод, использованный Г. Менделем в научных исследованиях,

1) биохимический

2) генеалогический

3) гибридологический

4) цитогенетический

4. С помощью генеалогического метода можно выяснить

1) характер изменения генов

2) влияние воспитания на развитие психических особенностей человека

3) закономерности наследования признаков у человека

4) характер изменения хромосом

5. Метод изучения наследственности человека, в основе которого лежит изучение числа хромосом, особенностей их строения, называют

1) генеалогическим

2) близнецовым

3) гибридологическим

4) цитогенетическим

6. Изучение родословной человека в большом числе поколений составляет сущность метода

1) близнецового

2) генеалогического

3) биохимического

4) цитогенетического

7. Хромосомная болезнь человека — синдром Дауна — была изучена с помощью метода

1) генеалогического

2) близнецового

3) цитогенетического

4) биохимического

8. Какой метод генетики используют для определения роли факторов среды в формировании фенотипа человека

1) генеалогический

2) биохимический

3) палеонтологический

4) близнецовый

9. Сущность гибридологического метода заключается в

1) скрещивании организмов и анализе потомства

2) искусственном получении мутаций

3) исследовании генеалогического древа

4) изучении этапов онтогенеза

10. С помощью какого метода было установлено наследование дальтонизма у человека?

1) гибридологического

2) генеалогического

3) близнецового

4) биохимического

11. Для определения влияния условий жизни на фенотип человека проводят наблюдения за однояйцевыми близнецами, так как

1) они гомозиготны по всем аллелям

2) они имеют внешнее сходство с родителями

3) у них одинаковый набор хромосом

4) они имеют одинаковый генотип

12. Близнецовый метод исследования проводится путем

1) скрещивания

2) исследования родословной

3) наблюдений за объектами исследования

4) искусственного мутагенеза

13. Одной из целей, для которых будущим матерям советуют сделать генетический прогноз на основе их анализа крови, является выявление

1) пола будущего ребенка

2) цвета глаз новорожденного

3) совместимости по резус-фактору

4) хромосомных мутаций

14. Вероятность кроссинговера между генами А и В — 7%, между генами В и С — 10%, между генами А и С — 17%. Каков вероятный порядок расположения генов в хромосоме, если известно, что они сцеплены?

1) А — В — С

2) А — С — В

3) В — С — А

4) С — А — В

15. Анализирующее скрещивание проводят между

1) гомозиготными по доминантному признаку особями

2) гетерозигоными особями

3) гетерозиготной и гомозиготной рецессивной особью

4) гомозиготными рецессивными особями

16. Укажите пример записи анализирующего скрещивания.

1) АА х Аа

2) аа х аа

3) Аа х аа

4) АА х АА

17. Для определения генотипа особи с доминантным признаком её скрещивают с особью, имеющей

1) доминантный генотип

2) гетерозиготный генотип

3) рецессивный фенотип

4) доминантный фенотип

18. При анализирующем скрещивании

1) устанавливается генотип будущего потомства

2) выявляется наличие рецессивного гена у родителя

3) выявляется фенотип будущего потомства

4) отбираются особи с явно выявленными признаками

19. В основе какого метода лежит микроскопическое исследование числа и структуры хромосом в целях изучения причин наследственных заболеваний человека?

1) цитогенетического

2) генеалогического

3) близнецового

4) биохимического