Человек, как генетический объект

Размещено на http://www.allbest.ru/

Средняя общеобразовательная школа

«Гелиос»

Реферат по биологии

Человек, как генетический объект

Исполнитель: Порошина Юлия Дмитриевна,

ученица 8 класса

Руководитель: Гильманов

Родион Борисович,

учитель биологии

Екатеринбург 2011



Содержание

Введение

1. Становление науки о наследственности

1.1 Первые шаги генетики

1.2 Генетический код и особенности природы наследования признаков

1.3 Мутационная изменчивость

2. Генетика человека

2.1 Методы генетических исследований человека

2.2 Генетика пола

2.3 Наследственные заболевания

3. «Геном человека» - глобальный генетический проект

3.1 Задачи и перспективы проекта

3.2 Исследования российских ученых

Заключение

Словарь терминов

Библиография



Введение

Если XIX век по праву вошел в историю мировой цивилизации как Век Физики, то XX-му и XXI-му, по всей вероятности, уготовано место Века Биологии и Генетики. Действительно, за 100 лет после вторичного открытия законов Г. Менделя генетика прошла триумфальный путь от натурфилософского понимания законов наследственности и изменчивости через экспериментальное накопление фактов формальной генетики к молекулярно-биологическому пониманию сущности гена, его структуры и функции.

Человек как генетический объект наиболее труден для изучения, поэтому в данном реферате автор затрагивает лишь основы генетики человека. В первой и второй главах рассматривается история генетики в целом и основные ее положения, основные принципы антропогенетики. В третьей главе речь идет о современных достижениях в этой области науки, о развитии молекулярной биологии и информационных технологий, что позволило генетике выйти на принципиально новый уровень познания человека.

Изучив данную тему, автор заключает, что молекулярная генетика значительно углубила наши представления о сущности жизни, эволюции живой природы, структурно-функциональных механизмах регуляции индивидуального развития.

Цель этой работы - рассказать об особенностях генетики человека и попытаться доказать, что современные изыскания биологических наук приблизились к решению глобальных проблем человечества, связанных с медицинской генетикой и социальными вопросами биологии.



1. Становление науки о наследственности

1.1 Первые шаги генетики

Биологические науки на современном этапе достигли небывалых успехов. Такие успехи связаны, прежде всего, с раскрытием механизмов и сущности явлений наследственности. Испокон веков человек стремился узнать, почему от каждого живого организма рождается ему подобный. И при всем этом не отмечается абсолютной схожести родителей и потомства ни в физических признаках, ни в характере. Теперь очевидно, что схожесть родителей и потомков организмов одного вида определяется наследственностью, а их отличительные особенности - изменчивостью. Два свойства - наследственность и изменчивость характерны не только для человека, но и для всего живого на Земле. Изучением этих важнейших свойств живых существ занимается наука, называемая генетикой. Дубинин Н. Генетика и человек. М.,1978. С.3.

Генетика как наука возникла на рубеже XIX и XX веков. Официальным годом ее рождения считается 1900 год, когда три ученых из разных стран (А. Корренс из Австрии, К. Чермак из Швейцарии и Г. Де Фриз из Голландии) независимо друг от друга в своих исследованиях обнаружили, что в передаче отдельных признаков от родителей потомству существуют определенные закономерности. Однако, изучение литературы показало, что закономерности, выявленные этими тремя учеными, были установлены еще в 1865 году на садовом горохе чешским ученым-естествоиспытателем Грегором Менделем. Таким образом, оказалось, что в 1900 году произошло не открытие законов наследственности, а переоткрытие.

Каковы же были установленные законы наследственности? Рассмотрим их на примере опытов Г. Менделя. Так, Г. Мендель скрещивал, т. е. проводил перекрестное опыление разных сортов самоопыляющегося растения гороха, отличающихся по форме (гладкие и морщинистые) и цвету (желтые и зеленые) семян. При анализе в потомстве одного из этих признаков, например цвета семян, оказывалось, что в первом поколении проявляется лишь один из родительских признаков - желтый цвет. А второй признак - зеленый цвет в первом поколении F₁ исчезал. Данное поколение Г. Мендель оставлял самоопыляться. Полученное от него второе поколение F₂ имело семена как желтого, так и зеленого цвета в соотношении 3 : 1, т. е. желтых семян оказывалось в 3 раза больше, чем зеленых (в опытах Менделя 6022 желтых и 2001 зеленых).

Эти и огромное количество других подобных опытов позволили Г. Менделю сформулировать знаменитые законы:

1. Единообразия первого поколения.

2. Расщепления родительских признаков во втором поколении.

3. Независимого комбинирования признаков. Согласно этому закону два различных признака наследуются независимо друг от друга, расщепляясь во втором поколении в соотношении 9:3:3:1.

За период с 1900 года и до наших дней в генетике были сделаны большие открытия. В частности, установлены материальные носители наследственности в клетке в виде хромосом, в которых заключены молекулы дезоксирибонуклеиновых кислот (ДНК). ДНК входит в состав клеточного ядра хромосом, в них хранится и через них передается генетическая (наследственная) информация от родителей потомству. Определены способы хранения и механизмы действия генетической информации в клетке.

Как генетический материал ДНК была идентифицирована в 1944 г., когда Эвери, МакЛеод и МакКарти показали, что фенотип бактерии можно изменить, если клетки одного штамма обработать ДНК другого штамма, но не его белком или РНК. В 1953 г. Уотсон и Крик вывели двухспиральную структуру ДНК, в которой пары оснований A - T (аденин - тимин) и Г - Ц (гуанин - цитозин) расположены между нитями, и такая модель сразу объяснила как кодирование генетической информации, так и репликацию генетического материала МакКонки Э. Геном человека. М., 2008. С.8.

Расшифрован генетический код, синтезирован ген - участок ДНК, ответственный за синтез одной молекулы белка-фермента. Ферменты контролируют и реализуют процессы жизнедеятельности клетки и, в конечном счете, формирование внешних признаков организма. Вместе с тем на деятельность генов огромное влияние оказывают условия внешней среды. В связи с этим различают два понятия: генотип как совокупность всех наследственных факторов - генов, получаемых потомками от родителей; фенотип - совокупность внешних признаков, возникающих при взаимодействии генотипа и внешней среды. Следовательно, в формировании фенотипа организма важны как генотип, так и внешняя среда, в которой происходит развитие особи.

Закономерности генетики в большинстве случаев носят универсальный характер. Они одинаково важны и для растений, и для животных. Велико значение генетических структур и для человека.

1.2 Генетический код и особенности природы наследования признаков

Благодаря процессу транскрипции в клетке осуществляется передача информации от ДНК к белку: ДНК - и-РНК - белок. Генетическая информация, содержащаяся в ДНК и в и-РНК, заключена в последовательности расположения нуклеотидов в молекулах. Каким же образом происходит перевод информации с "языка" нуклеотидов на "язык" аминокислот? Такой перевод осуществляется с помощью генетического кода. Код, или шифр - это система символов для перевода одной формы информации в другую. Генетический код - это система записи информации о последовательности расположения аминокислот в белках с помощью последовательности расположения нуклеотидов в информационной РНК. Насколько важна именно последовательность расположения одних и тех же элементов (четырех нуклеотидов в РНК) для понимания и сохранения смысла информации, можно убедиться на простом примере: переставив буквы в слове код, мы получим слово с иным значением - док. Какими же свойствами обладает генетический код? Биология и медицина. Генетический код. http://www.medbiol.ru/medbiol/biology_sk/0004f0e0.htm

Код триплетен. В состав РНК входят 4 нуклеотида: аденин (А), гуанин (Г), цитозин (Ц), урацил (У), в ДНК - тимин (Т). Если бы мы пытались обозначить одну аминокислоту одним нуклеотидом, то 16 из 20 аминокислот остались бы не зашифрованными. Двухбуквенный код позволил бы зашифровать 16 аминокислот (из четырех нуклеотидов можно составить 16 различных комбинаций, в каждой из которых имеется два нуклеотида). Природа создала трехбуквенный, или триплетный, код. Это означает, что каждая из 20 аминокислот зашифрована последовательностью трех нуклеотидов, называемых триплетом или кодоном. Из 4 нуклеотидов можно создать 64 различные комбинации по 3 нуклеотида в каждой (4*4*4=64). Этого с избытком хватает для кодирования 20 аминокислот и, казалось бы, 44 кодона являются лишними. Однако это не так.

Код вырожден. Это означает, что каждая аминокислота шифруется более чем одним кодоном (от двух до шести). Исключение составляют аминокислоты метионин и триптофан, каждая из которых кодируется только одним триплетом. генетический наследование биологический

Код однозначен. Каждый кодон шифрует только одну аминокислоту. У всех здоровых людей в гене, несущем информацию о бета-цепи гемоглобина, триплет ГАА или ГАГ, стоящий на шестом месте, кодирует глутаминовую кислоту. У больных серповидноклеточной анемией второй нуклеотид в этом триплете заменен на У. Триплеты ГУА или ГУГ, которые в этом случае образуются, кодируют аминокислоту валин. Такая замена приводит к тяжелой анемии.

Между генами имеются "знаки препинания". В печатном тексте в конце каждой фразы стоит точка. Несколько связанных по смыслу фраз составляют абзац. На языке генетической информации таким абзацем являются оперон и комплементарная ему и-РНК. Каждый ген в опероне кодирует одну полипептидную цепочку - фразу. Так как в ряде случаев по матрице и-РНК последовательно создается несколько разных полипептидных цепей, они должны быть отделены друг от друга. Для этого в генетическом коде существуют три специальные триплета - УАА, УАГ, УГА, каждый из которых обозначает прекращение синтеза одной полипептидной цепи. Таким образом, эти триплеты выполняют функцию знаков препинания. Они находятся в конце каждого гена. Внутри гена нет "знаков препинания".

Код универсален. Генетический код един для всех живущих на Земле существ. У бактерий и грибов, пшеницы и хлопка, рыб и червей, лягушки и человека одни и те же триплеты кодируют одни и те же аминокислоты.

1.3 Мутационная изменчивость

Наследственные различия в физических, физиологических и других признаках между разными людьми обусловлены различиями в генотипе. Различия между людьми могут быть не только по признакам нормальным, но и аномальным, т. е. с какими-то отклонениями от нормы (физические уродства, наследственные заболевания). В чем причина возникновения подобных аномалий?

Известно, что одной из причин аномалий в развитии людей служат изменения числа хромосом в генотипе. Однако изменения могут касаться не только числа половых хромосом, но и числа аутосом, структуры хромосом и отдельных генов. Все эти изменения в генетическом материале носят наследственный характер, и их называют мутациями. Различают несколько видов мутаций Дубинин Н. Генетика и человек. Мутации, среда и человек. М.,1978. С.87.

Мутации числа хромосом. Они определяются изменением числа наборов хромосом в клетке (2n, 3n, 4n и т. д.) и количеством отдельных хромосом (2n- 1; 2n+1 и т. д.).

Первая категория мутаций - это кратные изменения по числу гаплоидных наборов. Совокупность генов, заключенных в таком гаплоидном наборе хромосом, называют геномом. Генотип особи вместо нормального диплоидного числа (2n) может нести триплоидное (3n), тетраплоидное (4n) и т. д., т. е. кратное геному. Такие мутации числа хромосом, кратные геному, называют полиплоидией.

Вторая категория мутаций - это изменения в количестве отдельных хромосом (потеря или добавление 1, 2, 3 хромосом). Ее называют анеуплоидией.

Структурные мутации хромосом. Дубинин Н. Генетика и человек. Мутации, среда и человек. М.,1978. С.88 Они выражаются в наличии внутрихромосомных и межхромосомных перестроек.

Внутрихромосомные мутации возникают при следующих фактах: 1) делеции - нехватке того или иного участка хромосом, содержащего от данного гена до целого их комплекса. Если исходную хромосому обозначить как ряд локусов: 123456789 10, то делеция будет иметь вид: 1 2 3 5 6 7 8 9 10 или 1 2 3 4 5 10 и т. д.; 2) дупликации - удвоении какого-либо участка хромосомы, несущего неопределенное количество генов. Так, для нашего примера дупликация может иметь следующий вид: 123456789 10 4 5 6; 3) инверсии - повороте блока генов внутри хромосомы на 180°. Для нашего примера это будет иметь вид: 1 2 3 9 8 7 6 5 4 10.

Межхромосомные перестройки возникают при обмене участками (комплексами) между гомологичными хромосомами, в результате чего образуются хромосомы уже с новым набором генов.

Генные мутации. Как уже отмечалось, гены представляют собой отрезки молекул ДНК, для которых характерна специфическая последовательность нуклеотидов, входящих в их состав. Генные мутации могут быть четырех типов: 1) замена пар оснований в молекуле ДНК. Так, если исходные пары оснований имели вид: AT, AT, ГЦ, AT, то после мутации может быть: AT, ГЦ, ГЦ, AT; 2) потеря одной пары оснований (или их группы). Для нашего примера это может иметь вид: AT, ГЦ, AT или AT, AT и т. д; 3) вставка одной пары иди группы оснований: AT, AT, ГЦ, ГЦ, AT или AT, AT, ГЦ, AT, AT; 4) перестановка положения нуклеотидов внутри гена: AT, ГЦ, AT, AT.

Изменения в молекулярной структуре генов ведут к изменениям списываемой с них генетической информации, нужной для протекания биохимических реакций в клетке. Эти изменения в генах вызывают соответственно изменения биохимических реакций и в итоге приводят к появлению нового качества в клетке и, в конечном счете, в самом организме. Примером генной мутации у человека может служить болезнь фенилкетонурия, ведущая к умственной неполноценности. Вызывается эта болезнь мутацией гена, контролирующего в норме превращение аминокислоты финилаланина в тирозин. Мутация этого гена приводит к блокированию данного превращения, в результате чего большое количество производного фенилаланина - фенилпировиноградной кислоты накопляется в крови, в спинномозговой жидкости и в моче. Излишнее количество этого вещества приводит к слабоумию. Энциклопедия генетических болезней: http://health.enotes.com/genetic-disorders-encyclopedia/leigh-syndrome

Мутации могут затрагивать все признаки организма, как анатомо-морфологические, так и физиологические.



2. Генетика человека

2.1 Методы генетических исследований человека

Грандиозность значения развития генетики человека очевидна. В частности, первостепенное значение развитие генетики человека имеет для решения проблем наследственных болезней. Современные достижения в этой области убеждают, что многие болезни человека или непосредственно наследуются (несвертываемость крови, цветовая слепота, ряд психических заболеваний и т. д.), или передаются предрасположения к ним (например, туберкулез). Предрасположенность означает, что лица с этим фактором чаще заболевают, чем те, которые не имеют его. Помимо изучения наследственных болезней, генетика человека призвана решать многие другие вопросы. Дубинин Н. Генетика и человек. Хромосомы и пол человека. М., 1978. С.39

Большую помощь в изучении генетики человека оказывают достижения других отраслей наук о человеке - медицины, психиатрии, психологии, социологии, педагогики, экономики.

Формирование, эволюция и становление вида Homo sapiens происходили, как и у всех обитателей нашей планеты, под влиянием обычных факторов микроэволюции, при ведущем участии естественного отбора, действующего на элементарный эволюционный материал - мутации и их комбинации. Наследственность человека подчиняется тем же биологическим закономерностям, что и наследственность всех живых существ. У человека, как и у других организмов, размножающихся половым путём, встречаются доминирующие и рецессивные признаки. В формировании каждого фенотипического свойства или признака человека также участвует как наследственность, так и среда.

Наследственность человека изучает наука антропогенетика (от греч. ўнисщрпт - человек). Часть антропогенетики, занимающаяся изучением Наследственных болезней, нормальных и патологических свойств крови, наряду с генетикой патогенных микроорганизмов продуцентов антибиотиков входит в состав медицинской генетики. Современная антропогенетика вооружена рядом методов, позволяющих проследить некоторые закономерности передачи признаков по наследству. Это способствует установлению диагноза, позволяет бороться с болезненными состояниями и даёт возможность произвести генетическую консультацию лицам, в ней нуждающимся.

Существуют разнообразные методы, изучающие наследственность человека. Это генеалогический, близнецовый и популяционно-статический методы, предложенные в конце прошлого столетия Ф. Гальтоном Ауэрбах Ш. Наследственность. М., 1969. С.56. В наши дни пользуются так же цитологическими, онтогенетическими, дерматоглифическими, молекулярно-генетическими, а так же другими методами.

Генеалогический метод позволяет преодолеть сложности, возникающие в связи с невозможностью скрещивания и малоплодностью человека. Если есть родословные, то можно, используя суммарные данные по нескольким семьям определить тип наследования (доминантный, рецессивный, сцеплённый с полом, аутосомный) признака, а также его моногенность или полигенность.

Так, доминантный признак «габсбургская губа» (толстая выпяченная нижняя губа) прослеживается в династии Габсбургов, начиная с XV в.

Аналогичное наследование легко выявляется для признака брахидактилия или короткопалость, вследствие недоразвития (срастания) концевых фаланг. По доминантному типу наследуется такой дефект, как хондроплазия - карликовость, связанная с резким укорочением конечностей и др.

Близнецовый метод используется для выяснения степени наследственной обусловленности исследуемых признаков. Явление полиэмбрионии известно у некоторых животных. Оно характеризуется появлением нескольких идентичных, или однояйцовых близнецов (ОБ) - монозиготных близнецов. Наряду с такими ОБ существуют разнояйцовые близнецы (РБ), рождающиеся при оплодотворении нескольких одновременно созревающих яйцеклеток. Если ОБ как результат клонового размножения одной оплодотворённой яйцеклетки всегда идентичны по полу и очень похожи, часто практически неразличимы, то РБ могут иметь как одинаковый, так и разный пол. Встречаются РБ, сильно различающиеся по внешним признакам, как различаются особи, возникшие в результате самостоятельных случаев оплодотворения. В этом случае РБ представляют результат расщепления при скрещивании.

Близнецовый метод основан на трёх положениях:

ОБ имеют идентичные генотипы, а РБ различные генотипы.

Среда, в которой развиваются близнецы и под действием которой появляются различия признаков у ОБ, может быть одинаковой и неодинаковой для одной и той же пары ОБ.

Все свойства организма определяются взаимодействием только двух факторов: генотипа и среды.

ОБ и РБ обычно сравнивают по ряду показателей на большом материале. На основе полученных данных вычисляют показатели конкордантности (частоты сходства) и дискордантности (частоты различий). Вальтер Фридрих. Близнецы. М.,1985. С.139

Цитогенетический метод. Довольно большое число трудно отличимых друг от друга (в пределах групп) хромосом создавали трудности в применении цитологического метода и в развитии цитогенетики человека. Разработка методов дифференциальной окраски упростила проблему идентификации всех хромосом человека. Благодаря культивированию клеток человека в vitro можно получать достаточно большой материал для описания цитологических особенностей исследуемого индивидуума. Для этого обычно используют кратковременную культуру лейкоцитов периферической крови. Цитологический метод приобрёл большое значение в связи с возможностями, которые открыла гибридизация соматических клеток. Получение гибридов между соматическими клетками человека и мыши позволяет в значительной степени преодолеть проблемы, связанные с невозможностью скрещиваний и картировать многие гены, контролирующие метаболизм клетки.

Популяционный метод, или методы генетики популяций широко применяются в исследованиях человека. Он даёт информацию о степени гетерозиготности и полиморфизма человеческих популяций, выявляет различия частот аллелей между разными популяциями. К примеру, хорошо изучено распространение аллелей системы групп крови АВ0. Это помогает понять направление эволюции и отбора, действовавшего в разных регионах, в истории человечества.

Популяционный метод позволяет определить адаптивную ценность конкретных генотипов. Многие признаки и соответственно обусловливающие их гены адаптивно нейтральны и проявляются как естественный полиморфизм человеческих популяций (например, многие морфологические признаки: цвет глаз, волос, форма ушей и т.д.). Другие признаки возникли как адаптивные по отношению к определенным условиям существования; например, темная пигментация кожи негров предохраняет от действия солнечной радиации.

Известны примеры условно адаптивных аллелей. К их числу относится такая генетическая аномалия, как серповидноклеточная анемия. Бочков Н.П. Генетика и медицина. М., 1979. С.28 Рецессивная аллель, вызывающая в гомозиготном состоянии это наследственное заболевание, выражается в замене всего одного аминокислотного остатка в цепи молекулы гемоглобина. В популяциях человека так же, как и в популяциях других организмов, в гетерозиготном состоянии содержится значительный генетический груз, т.е.рецессивные аллели, приводящие к развитию различных наследственных болезней. Повышение степени инбридинга в популяциях должно приводить к повышению частоты гомозиготации рецессивных аллелей. Эта закономерность должна предостерегать от заключения близкородственных браков.

Большой удельный вес в решении проблем генетики человека и медицинской генетики имеет онтогенетический метод, согласно которому развитие нормальных и патологических признаков рассматривается в ходе индивидуального развития.

Изучение и возможное предотвращение последствий генетических дефектов человека - предмет медицинской генетики.

2.2 Генетика пола

Как известно, особенности, характеризующие потомков, передаются им от родителей через половые клетки (мужская - сперматозоид и женская - яйцеклетка). Слияние этих двух клеток при оплодотворении приводит к образованию одной клетки - зиготы, из которой и развивается человеческий зародыш. Очевидно, что именно в этих двух половых клетках и в образовавшейся при их слиянии зиготе хранится наследственная (генетическая) информация о том, с какими физическими данными, физиологическими (функциональными) и психическими предпосылками (задатками) появится новый человек. Каким же образом такая масса сложнейшей информации записана в половых клетках - сперматозоиде и яйцеклетке?

Вы уже знаете, что материальной основой наследственности служат нуклеиновые кислоты, а именно ДНК.

Установление такого факта, что источником и передатчиком генетической информации в клетке служит ДНК, повлекло за собой множество новых проблем, и в частности следующую: каким образом генетическая информация передается от родителей потомству? Как известно, новые клетки появляются в результате деления исходных материнских клеток. Деление клетки может быть простым - путем перетяжки содержимого клетки пополам. Такое деление называют митозом. Для большинства клеток характерно физиологически полноценное клеточное деление. Такое деление состоит из ряда фаз, во время которых ядро клетки претерпевает закономерные изменения, в результате чего образуются два ядра, совершенно идентичные исходному. Цитоплазма при этом делится на две половины. Такое сложное деление клеток получило название митоза. Путем митоза делятся клетки тела (соматические). На основе митоза происходит бесполое размножение.

Однако в организмах растений и животных (и человека), помимо соматических клеток, имеются и половые: женские - яйцеклетки и мужские - сперматозоиды. Эти половые клетки участвуют в половом размножении организмов. Образование половых клеток происходит также в результате митозов, из которых два последних деления составляют особую категорию митозов, получивших название мейотических делений. Процессы преобразования ядер, которые вызываются этими делениями, получили название мейоза.

Во время и митоза, и мейоза ядро теряет округлые очертания и в нем отчетливо вырисовываются структурные компоненты, называемые хромосомами. Оказалось, что в состав хромосом входят ДНК и белки-гистоны, т. е. хромосомы по своей биохимической природе представляют нуклеопротеиды. Хромосомы имеют самые различные формы: палочек, коротких стерженьков, капель и т. д.

При изучении мейоза и митоза оказалось, что процесс деления клеток направлен на строго равномерное, упорядоченное распределение хромосом по образующимся дочерним клеткам.

Во всех клетках организма человека содержится одинаковое, постоянное количество хромосом - 23 пары (всего 46). Исключение из этого правила составляют половые клетки, в которых находится половинное число хромосом - 23. Такое половинное число хромосом называется гаплоидным (греч. «гаплос» - единственный), а двойной набор - диплоидным (греч. «ди» - два). Диплоидный набор хромосом обозначается 2n, гаплоидный - n. Следовательно, у человека 2n = 46, n = 23. В хромосомном комплексе мужчины и женщины хорошо наблюдается парность хромосом в диплоидном наборе. В гаплоидном наборе половых клеток представлено по одной хромосоме из каждой пары.

Наличие диплоидного набора хромосом в соматических клетках и гаплоидного набора в половых клетках имеет важное значение для организма. Иначе невозможно было бы сохранить постоянство числа хромосом для организмов данного вида. И действительно, развитие организма начинается с одной зиготы - оплодотворенной сперматозоидом яйцеклетки. Зная гаплоидность половых клеток (яйцеклеток и сперматозоидов), можем записать образование зигот следующим образом:

яйцеклетка n = 23, сперматозоид n = 23, следовательно, зигота 2n = 46

Если рассматривать внимательно хромосомные наборы мужчины, женщины, можно заметить, что у женщин каждая хромосома имеет себе пару, а у мужчин две последние хромосомы непарны. Одна из этих хромосом в два раза меньше второй и встречается только у мужчин, ее обозначают Y-хромосома. Вторая хромосома крупнее и идентична последней паре женских хромосом. Эту хромосому мужчин и последнюю, 23-ю пару хромосом женщин обозначают символом X. Следовательно, мужчины и женщины различаются между собой по последней, 23-ей паре хромосом; у мужчин - XY, у женщин - XX. Эти хромосомы называют половыми. Остальные 22 пары, одинаковые и у мужчин, и у женщин, называют аутосомами.

В конце 40-х годов ученый М. Барр обнаружил различия в строении интерфазных ядер соматических клеток у самок и самцов кошек: в ядрах клеток самок была обнаружена своеобразная хроматиновая глыбка, названная половым хроматином, или тельцем Барра; в ядрах самцов такие глыбки не были найдены. Такая закономерность оказалась характерной для млекопитающих, и том числе для человека.

Наличие полового хроматина довольно легко определяется методом исследования эпителиальных клеток и соскобе слизистой щеки. С этой целью тупой стороной лезвия скальпеля делается соскоб с внутренней стороны щеки (в ротовой полости), что совершенно безвредно и безболезненно. Эпителиальные клетки, содержащиеся в соскобе, подвергаются окраске и рассматриваются под микроскопом.

Следовательно, отличить клетки мужчин от клеток женщин можно как непосредственно - путем анализа хромосомного набора соматических клеток, так и косвенно - по наличию полового хроматина.

Указанные выше методы исследования лишь констатируют различия в клетках нормальных мужчин и женщин. Необходимо выяснить, каков механизм появления этих различий, что связано с механизмом определения пола у людей.

Ответить на этот вопрос поможет анализ исследований различных аномалий пола.

Дело в том, что, помимо особей нормального мужского и женского пола с половыми хромосомами XY и XX, встречаются люди, имеющие аномалии половых хромосом - уменьшение или увеличение их количества. Такие аномалии половых хромосом вызывают в организме определенные отклонения от нормы. Существует болезнь, известная как синдром Тернера, названная по имени врача, впервые описавшего данную болезнь. Энциклопедия генетических болезней: http://health.enotes.com При синдроме Тернера у больных имеется лишь одна из половых хромосом (22А + ХО), т. е. всего 45 хромосом. Данный синдром встречается примерно у одной из 5000 новорожденных девочек. Характерными признаками этих больных служит низкий рост (120--130 см), недоразвитость вторичных половых признаков, бесплодие. Наружные половые органы сформированы по женскому типу. Однако в соматических клетках половой хроматин (тельце Барра) не наблюдается.

Более часто встречается другая болезнь - синдром Клейнфельтера, - характеризующаяся наличием трех половых хромосом в составе двух Х-хромосом и одной Y-хромосомы (22A+XXY). Наружные половые органы при этой болезни мужского типа, но в соматических клетках таких больных обнаруживается половой хроматин, как у женщин. У больных синдромом Клейнфельтера наблюдается также недоразвитость семенников и бесплодие. Причины рассмотренных аномалий заключаются в нерасхождении хромосом при делении клеток и как следствие в образовании гамет (яйцеклетки и сперматозоида) с уклоняющимися числами хромосом.

Помимо синдромов Тернера и Клейнфельтера, встречаются и другие аномалии половых хромосом: трисомия - XXX (фенотип - женский); тетрасомия - XXXXY (фенотип - мужской) и т. д. Подобные аномалии пола часто ведут к тому, что люди, имеющие такие нарушения в числе хромосом, характеризуются умственной отсталостью. И это вполне понятно, так многие изменения в генетическом материале сказываются на тонко сбалансированных, сложнейших механизмах мозга.

Анализ приведенных аномалий пола указывает, что присутствие Y-хромосомы независимо от числа Х-хромосом всегда определяет мужские особенности. Особи, обладающие только Х-хромосомами, проявляют женские признаки.

Наличие половых хромосом XX и XY не только объясняет наличие мужского и женского полов, но и обусловливает рождение равного числа детей обоего пола. Действительно, у мужчин, имеющих 22 пары аутосом и половые хромосомы XY, образуются гаметы двух типом: 22А+Х и 22А + Y. У женщин, имеющих 22 пары аутосом и половые хромосомы XX, образуются гаметы лишь одного типа: 22A+Х.

Сочетание мужских и женских гамет и определяет соотношение пола в потомстве по формуле 1 : 1,

50% 44А + ХХ - женщины, 50% 44А+XY - мужчины.

Однако вопреки теоретически ожидаемому равенству среди рождающихся мальчиков и девочек не наблюдается строгого соотношения 1:1. Обычно мальчиков рождается несколько больше, чем девочек. Например, на 100 девочек среди белого населения США рождается 106 мальчиков, в Греции - 113,2, в Южной Корее - 113,1 и т. д. Дубинин Н. Генетика и человек. Хромосомы и пол человека. М.,1978. С.47

В соотношении полов в момент зарождения зародыша, т. е. оплодотворения и образования зиготы, ко времени рождения ребенка и в разные этапы развития до старости наблюдается интересная закономерность. Эта закономерность состоит в следующем.

Известно, что за время после зачатия и до рождения ребенка погибает много зародышей (естественные и искусственные аборты, мертворожденные).

Исследования абортированных зародышей показали, что среди них отмечается большее число зародышей мужского пола, чем женского. Так, среди выкидышей и мертворожденных на втором месяце беременности на 100 девочек приходилось 431 мальчик, на четвертом месяце - 201 мальчик, на седьмом месяце - 112 мальчиков. В конце беременности и в момент рождения приходилось 133 мальчика.

Эти данные доказывают, что на ранних стадиях эмбриогенеза (зародышевого развития) смертность мальчиков превышает смертность девочек. Полынин В. Мама, папа и я. М., 1975. С.25

Аналогичная закономерность в смертности мужчин и женщин наблюдается во всех возрастных группах: мужчин умирает больше, чем женщин. Эти данные заставляют признать, что первичное отношение полов на уровне зигот заметно сдвинуто в пользу образования зигот с XY-хромосомами, т. е. зигот, из которых будут развиваться мальчики. Этот сдвиг обеспечивает убыль мальчиков в течение эмбриогенеза и некоторое их превышение среди детей в момент рождения. Дальнейшее прибывание числа мальчиков приводит к равному числу женщин и мужчин ко времени 20-летнего возраста, т. е. ко времени размножения. После этого число женщин начинает превышать число мужчин, что резко проявляется к 90-летнему возрасту, когда число женщин в два раза больше сравнительно с числом мужчин.

Все это показывает наличие весьма тонко сбалансированного механизма между процессами оплодотворения, образования зигот с XY-хромосомами и жизнеспособностью мальчиков. Дубинин Н. Генетика и человек. Хромосомы и пол человека. М.,1978. С.49

Пониженная жизнеспособность мужчин, по-видимому, вызвана тем, что они обладают одной Х-хромосомой. Это служит причиной того, что в таких условиях проявляются многие отрицательные рецессивные мутации. Показано, что почти все инфекционные заболевания вызывают более высокую смертность мужчин. Кроме того, при рождении мальчики имеют большие размеры тела, чем девочки, в связи с чем сам момент рождения для них более опасен, что и обусловливает большее количество мальчиков среди мертворожденных.

2.3 Наследственные заболевания

Мутации постоянно возникают в природе у самых различных организмов. Человечество в результате возникновения мутаций в каждом поколении обладает значительным количеством дефектных генов и хромосомных аномалий, вызывающих разного рода наследственные болезни. В каждом поколении рождается около 6% детей, отягощенных наследственными заболеваниями.

Главным методом исследований при анализе причин наследственных заболеваний служит изучение родословных. Изучение родословных, или, иначе, генеалогический метод, широко используется не только при выяснении причин наследственных болезней, но и при исследовании характера распределения всех наследственных признаков в популяциях. При этом проводится сбор посемейных данных.

Изучение того или иного признака в семье обычно начинается с «пораженного» (больного) члена семьи, которого называют пробандом. При составлении родословных в генетике принято пользоваться символическими обозначениями: мужчин обозначают квадратом, а женщин кружком. Брак между ними обозначают вертикальной чертой. Детей от одной пары родителей называют сибсами (безотносительно от их пола), их помещают в родословной в порядке рождения, слева направо. Иногда поколения обозначают римскими цифрами, а инвалидов в каждом поколении арабскими. Например, II - 4 обозначает четвертого инвалида во втором поколении. Однояйцевых близнецов изображают двумя значками, соединенными черточкой, отходящей от общей вертикальной черты, а двуяйцевых - черточкой, отходящей от общей точки. Пробанд обозначают зачерненным символом, а гетерозиготу по данному признаку (т. е. инвалид носитель дефектного рецессивного гена) или символом с точкой внутри (в случае сцепления признака с половой хромосомой), или наполовину заштрихованным символом.

Как нормальные, так и аномальные (дефектные) признаки человека могут быть доминантными и рецессивными. Полынин В. Мама, папа и я. М., 1975. С.57

Простое доминантное наследование наблюдается, например, по признаку короткопалости (брахидактилии). По доминантному типу наследуется особая форма карликовости (хондродистрофическая). Голова и туловище у таких карликов сходны по величине с нормальными, а конечности укорочены. Примером доминантного наследования служат белый локон надо лбом, отвислая нижняя губа, характерная для членов императорского дома Габсбургов и др.

Рецессивные признаки в отличие от доминантных могут проявиться фенотипически лишь у гомозиготных людей. Поэтому зачастую в жизни наблюдаются такие картины, когда от внешне здоровых родителей рождается ребенок с наследственной аномалией. В этом случае оба родителя являются носителями дефектных генов, т. е. гетерозиготами по одному и тому же мутантному гену. А так как чаще всего один и тот же мутантный ген могут нести кровные родственники вследствие определенной общности их генотипа, становится понятным, почему в браках двоюродных братьев и сестер чаще рождаются дети со всякого рода аномалиями. По рецессивному типу наследуются и такие болезни, как фенилкетонурия, один из видов глухонемоты, амовратическая идиотия, серповидноклеточная анемия и многие другие болезни, зачастую вызывающие смерть гомозиготных людей.

В разобранных выше случаях доминантного и рецессивного наследования гены, определяющие те или иные признаки, были локализованы в аутосомах. Поэтому пол родителей не влиял на характер наследования детьми анализируемых признаков.

Иная картина наблюдается при локализации генов в половых хромосомах (X и Y). Эти гены также могут быть и доминантными, и рецессивными.

Характерной особенностью генов, локализованных в Х-хромосоме (т. е. сцепленных с Х-хромосомой), служит отсутствие передачи их от отца сыновьям. Это связано с наличием у отца (XY) лишь одной Х-хромосомы, которую он передает только дочерям. Поэтому в случаях признаков, сцепленных с полом (с Х-хромосомой), часто наблюдается перекрестное наследование: от отца дочерям, от матери сыновьям.

Классическим примером наследования сцепленного с Х-хромосомой признака является болезнь несвертываемости крови гемофилия. Даже незначительная ссадина при этой болезни влечет за собой сильную потерю крови. Из анализа родословных известно, что гемофилией болеют исключительно лица мужского пола. Лица женского пола являются гетерозиготами, т. е. носительницами этого признака в скрытом состоянии. Объясняется такое наследование наличием двух Х-хромосом (XX) в генотипе женщин, вследствие чего рецессивный ген гемофилии подавляется доминантным нормальным аллелем. В генотипе мужчин (XY) имеется одна Х-хромосома, в результате рецессивный ген проявляет свое действие.

Аналогично гемофилии наследуется и признак цветовой слепоты - дальтонизм, ген которого также локализован в Х-хромосоме.

У человека насчитывается около 60 признаков, в большинстве своем патологических, сцепленных с Х-хромосомой. Все они в основном носят рецессивный характер. Существуют аномалии и аутосом человека. К ним относится, в частности, болезнь, известная как синдром Дауна. При этом синдроме во всех клетках тела 21-я хромосома представлена не двумя гомологами, как обычно, а тремя.

В основе болезни Дауна лежит нерасхождение хромосом в мейозе при образовании половых клеток или на ранних стадиях дробления зиготы. Больные, страдающие этой болезнью, имеют характерный раскосый разрез глаз, короткие ноги и руки, недоразвитые внутренние органы, умственную отсталость.

Женщины с синдромом Дауна иногда имеют детей. У таких женщин равномерно образуются два типа гамет: с одной 21-й хромосомой (нормальная) и двумя 21-ми хромосомами (аномальная). При оплодотворении из яйцеклетки первого типа развивается нормальный, здоровый ребенок, а из яйцеклетки второго типа - ребенок с синдромом Дауна.

Болезнь Дауна встречается довольно часто один случай на 500 - 600 родов. У пожилых женщин такие дети рождаются чаще, чем у молодых.

Синдром Дауна был обнаружен в 1959 году. В настоящее время установлен целый ряд хромосомных болезней, вызванных нарушением количества аутосом. Так, трисомия может быть не только в 21-й хромосоме (как при синдроме Дауна), но и в других хромосомах. Такие аномалии числа аутосом часто вызывают тяжелые дефекты. Например:

Трисомия в одной из хромосом в группе 13--15 вызывает тяжелую задержку умственного развития, судороги, глухоту, волчью пасть, дефекты зрения, уродства ступней, гематомы.

Трисомия в 17-й хромосоме вызывает «треугольный» рот у новорожденных, отсутствие шеи, дефекты ушей, дефекты сердца.

Трисомия в 18-й хромосоме вызывает недоразвитие скелетной мускулатуры, челюстей, дегенерацию ушей, неправильное положение указательного пальца, дефекты стопы.

Трисомия в 22-й хромосоме - случаи шизофрении.

Трисомия по разным хромосомам является причиной ранних спонтанных абортов (выкидышей) и случаев мертворожденности.

Помимо аномалий числа хромосом, у людей обнаружены и мутации, связанные с перестройкой хромосом. Так, у больных полидиспондилией (физическая и умственная отсталость, сложные дефекты позвоночника) обнаруживают транслокацию между 13-й и 22-й хромосомами. Делеции, т. е. потеря отдельных участков хромосом, например, в Х-хромосоме, приводят к ряду дефектов в развитии пола и к умственной отсталости. Потеря ¹/₃ вещества 21-й хромосомы вызывает лейкемию (рак крови). Энциклопедия генетических болезней: http:/health.enotes.com

Приведенные факты показывают значение нарушений хромосомных структур в ядрах клеток человека для проявления некоторых тяжелых заболеваний. Эти открытия привели к бурному развитию новой области медицинской генетики - цитогенетике наследственных заболеваний и цитогенетике рака, изучающих природу аномалий на уровне клеток человека.



3. «Геном человека» - глобальный генетический проект

3.1 Задачи и перспективы проекта

По своему геному мы мало отличаемся от мыши. Различия в структуре генов - процентов 10-15, не больше. А от шимпанзе мы отличаемся на 1‚23%. Это показало первое в мире исследование, проведенное международной группой специалистов во главе с японским профессором Иосиюки Сакаи. Соловьев В. Б. Программа «Геном человека». М., 2009. С.5

Проблема происхождения человека стала гораздо сложнее, чем ученые думали раньше. Подсознательно ученые надеялись набрать сотню генов, отличающих человека от шимпанзе. И мы скажем по-французски "voila" - вот они эти гены, благодаря которым мы "выбились" в люди. А пока их нет.

Различия обнаружены в другом: в геноме человека много вставленных в него чужеродных элементов - ретровирусов, а у обезьян их почти нет.

Основной задачей программы является построение исчерпывающих генетических карт большого разрешения каждой из хромосом человека, которое должно завершиться определением полной первичной структуры ДНК всех хромосом.

В течение последних лет исследования проводились в следующих направлениях:

1. Компьютерный анализ полного генома человека и его частей на основе информации в открытых базах данных. Разработка принципиально новых подходов к хранению, обработке и получению структурной информации из баз данных на основе вновь созданного программного обеспечения.

2. Идентификация новых генов на основе физического, хромосомного и функционального картирования, клонирования и секвенирования.

3. Структурный и функциональный анализ вновь найденных генов и регуляции их активности.

4. Установление cause-and-effect (причина и следствие) генетических отношений между генами и предрасположенностью к широко распространенным заболеваниям различной природы. Выявление роли индивидуальных генов и их мутаций в этиологии и развитии некоторых заболеваний человека.

5. Развитие методов генной и геномной диагностики заболеваний человека на основе знания физической карты и последовательностей нуклеотидов.

6. Разработка методов генной терапии моногенных заболеваний на основе знаний о молекулярно-генетических механизмах их возникновения и развития.

7. Разработка открытых юридических, этических, законодательных/ правовых, социальных и других аспектов исследований генома и использования информации о структуре и свойствах геномов отдельных людей. Предсказания путей развития медицины и здравоохранения на основе нового уровня знаний о геноме человека и формулирование соответствующих практических предложений.

Решение основной задачи программы «Геном человека» включает следующие этапы.

* На первом этапе необходимо завершить составление детальной генетической карты и отметить гены, отстоящие друг от друга на расстоянии, не превышающем в среднем 2 млн. оснований (1 млн оснований равен 1 мегабазе - 1 Мб, от англ. base-- основание).

* Второй этап предполагает составление физических карт низкого разрешения каждой хромосомы (разрешение 0,1 Мб).

* На третьем этапе следует получить физическую карту высокого разрешения всего генома в виде охарактеризованных по отдельности клонов (клон содержит 5 Кб).

* Четвертый этап посвящен определению полной первичной структуры (секвенированию) всей ДНК генома человека (разрешение - 1 основание).

* На пятом, заключительном, этапе необходимо в найденных последовательностях нуклеотидов локализовать все гены организма и определить их функциональное значение.

Согласно центральной догме молекулярной биологии, основная программа химических процессов, происходящих в любом организме (в том числе организме человека), записана в последовательности пар оснований молекулы ДНК. В некотором смысле, если узнать последовательность пар оснований, то она расскажет все о химических реакциях и наследственной информации данного вида. В 1986 году группа ученых в США начала работу над проектом, позднее названным «Геном человека». Цель этого проекта заключалась в том, чтобы представить в виде карты полную последовательность (геном) ДНК человека. Однако в 1980-е годы технологии были слишком примитивными для решения этой задачи. Предполагалось, что стоимость проекта составит миллионы долларов и что задача будет решена не ранее 2005 года.

1990-е годы вошли в историю как годы уверенного совершенствования возможностей определять последовательность полных геномов. Так, в 1985 году Институтом изучения генома в Роквилле, штат Мэриленд, была опубликована первая полная последовательность ДНК живого организма - бактерии Haemophilus influenzae. На определение всей последовательности у ученых ушло несколько лет. За этой бактерий вскоре последовали другие организмы. В 1996 году был определен первый геном эукариотической клетки (т.е. сложноорганизованной клетки, ДНК которой заключена в ядре) - клетки дрожжей Saccharomyces cerevisiae. Этим открытием увенчались совместные усилия шестисот ученых из Европы, Северной Америки и Японии. В 1998 году была опубликована первая последовательность ДНК многоклеточного организма - плоского червя Caenorhabditis elegans. Каждое такое достижение требовало определения все более и более длинной последовательности и было важной вехой на пути к определению собственно генома человека.

Важной фигурой в этом процессе стал Крейг Вентер (Craig Venter), основавший позднее частную корпорацию «Celera Genomics». Вентер внедрил в науку метод определения последовательности ДНК, позднее названный «методом беспорядочной стрельбы». Суть метода в том, что определяемую ДНК организма разбивают на множество небольших фрагментов, каждый из которых вводят в автомат, определяющий последовательность ДНК. Нечто похожее получится, если разодрать книгу по страницам и раздать их разным читателям. После того как будут определены последовательности каждого фрагмента, в действие вводят сложнейшие компьютерные программы, заново собирающие исходную последовательность. Такое интенсивное использование информационных технологий объясняет, почему многие ученые называют новую область исследований генома биоинформационной, а не биомолекулярной революцией. http://www.bibliofond.ru/view.aspx?id=6708

В июне 2000 года Крейг Вентер и Фрэнсис Коллинз (Francis Collins), руководитель проекта «Геном человека», осуществлявшегося в Национальных институтах здоровья США, объявили о событии, названном ими «первой сборкой генома человека». По существу, это была первая реконструкция полного генома человека, выполненная методом беспорядочной стрельбы. Несколькими месяцами позже, в феврале 2001 года, был опубликован первый предварительный набросок генома человека. Обнаружились некоторые удивительные факты.

Например, давно было известно, что большая часть ДНК человека не входит в состав генов. Новые результаты показали, что ДНК человека содержит удивительно небольшое количество генов - порядка 30 000 - 50 000 генов. Однако эти гены не организованы в одну длинную последовательность, а состоят из кодирующих участков, называемых экзонами, с вкраплениями случайных последовательностей - интронов. Выясняется, что аппарат, осуществляющий сборку белка, закодированного геном с последовательностью описанного типа, осуществляет выбор между несколькими вариантами компоновки белка. Так, каждый ген человека кодирует приблизительно три различных белка, а не один белок, как можно было предположить, основываясь на центральной догме молекулярной биологии.

Можно считать, что на первом этапе проекта «Геном человека» была расшифрована книга жизни. На следующем этапе предстоит выяснить, что представляют собой все гены и как кодируемые ими белки объединяются, образуя биологический портрет человека. По оценкам ученых, на то, чтобы добыть все данные и понять все механизмы реализации генома человека, потребуется еще одно столетие.

3.2 Исследования российских ученых

Российская программа развивалась по ряду направлений: медицинская геномика‚ функциональная геномика и биоинформатика. Одно из главных - биоинформатика. Что это такое? Биоинформатика - компьютерный анализ всей совокупности данных по нуклеотидным последовательностям ДНК. Сейчас в базах данных находится несколько миллиардов нуклеотидных пар человеческого генома и геномов других живых организмов. В этом море информации еще нужно разобраться, описать, понять, что следует за чем, где начало гена, где его конец, где регуляторные участки. Не определить, а предсказать. Расшифровать нуклеотидную последовательность - это все равно, что читать книгу, просто произнося названия букв подряд. Найти ген, значит понять, как буквы складываются в слова. Вероятность правильного предсказания сегодня достигает 85%. Биоинформатика не дает конечной информации, она дает исходную информацию. А затем наличие того или иного гена проверяется экспериментально. Биоинформатика предсказывает: вот здесь ген начинается, а здесь - заканчивается. Ученые-экспериментаторы "вырезают" предполагаемый ген из ДНК и проверяют, действительно ли этот фрагмент отвечает за синтез определенной белковой молекулы. Иногда оказывается, что ученые-биоинформатики предсказали гены правильно, а иногда - нет.

...