1 - эпителий матки

2 - оболочка оплодотворения

3 - стадия 2-х бластомеров

4 - стадия 4-х бластомеров

Работа № 2: Дробление яйца лягушки (окраска гематоксилин - пикрофуксином)

На препарате представлен меридиональный срез икринки, находящейся на ранних стадиях дробления. Рассматривать данный препарат следует на малом увеличении, ориентируя анимальным (пигментированным) полюсом вверх. Первые две борозды дробления проходят меридионально, разделяя яйцо на четыре одинаковые клетки. При этом борозды врезаются в поверхность яйца не одновременно на всем протяжении, а распространяются постепенно от анимального полюса к вегетативному, что связано с неравномерным распределением желтка. Третья борозда проходит по экватору и разделяет яйцо на микромеры и макромеры. С этого момента дробление становится неравномерным. Зарисовать дробление яйца лягушки, отметив неравномерное дробление бластомеров.

Рис. 2 Дробление яйца лягушки: 1 - анимальный полюс, 2 - вегетативный полюс, 3 - борозда дробления.

Работа № 3: Бластула лягушки (окраска гематоксилин - пикрофуксином)

На стадии 32 бластомеров появляется бластоцель - это ранняя бластула. Из - за неравномерности дробления бластоцель смещена к анимальному полюсу. Клетки ранней бластулы закруглены и местами неплотно соприкасаются между собой. Ранняя бластула называется бластомерной. Со стадии 128 бластомеров дробление становится беспорядочным. Вследствие этого стенка бластулы становится многослойной. В такой бластуле видна пигментированная часть зародыша - крыша. Обычно она состоит из 1 - 3 слоев клеток. Клетки здесь утрачивают округлую форму и плотно прилежат друг к другу по типу эпителиальных, поэтому данная бластула называется эпителиальной. Вегетативная часть бластулы - дно - представлена крупными клетками с большим содержанием желтка. Между анимальными и вегетативными частями располагается экваториальная (краевая) зона. Здесь стенка бластулы образована клетками средней величины, содержащими небольшое количество пигментных зерен и желточных включений. Зарисовать бластулу лягушки, отметив бластоцель, бластомеры, вегетативный и анимальный полюс.

Рис. 3 Бластулу лягушки: 1 - бластоцель, 2 - бластомер, 3 - анимальный полюс, 4 - вегетативный полюс, 5 - крыша бластулы, 6 - дно бластулы, 7 -бластодерма, 8 - краевая зона.

Фото №2 Бластула амфибий: 1 - бластоцель, 2 - бластодерма, 3 - крыша бластулы, 4 - дно бластулы, 5 - краевая зона

Работа № 4: Гаструла амфибий (сагиттальный срез) окраска гематоксилин - пикрофуксином.

На данном препарате представлен срез зародыша на стадии средней или поздней гаструлы. На срезе средней гаструлы видна возникшая вследствие удлинения и углубления серповидной бороздки полость первичной кишки (архентерон) - гастроцель, которая на этой стадии еще слабо выражена. Крыша гастроцеля образована подвернувшимся через дорсальную губу бластопора материалом серого серпа, представляющим зачаток хорды. Дно первичной кишки образовано клетками вегетативного полюса бывшей бластулы. В этой области формируется вентральная губа бластопора. На данном препарате хорошо выражена бластоцель, которая постепенно будет вытесняться формирующейся гастроцелью. Зарисовать гаструлу лягушки, отметив эктодерму, энтодерму, зачаток хорды, бластоцель.

а) средняя гаструла

Рис. 3 Гаструла лягушки: 1 - эктодерма 2 - зачаток хорды 3 - серповидная бороздка 4 - бластоцель 5 - энтодерма 6 - желточная пробка

Работа № 5: Нейрула лягушки (поперечный срез) окраска гематоксилин - эозином

При просмотре необходимо ориентировать срез спинной стороной кверху и изучить при малом увеличении. На спинной стороне эктодерма несколько утолщена, образует нервную пластинку, края которой приподнимаются в виде складок - нервных валиков. Нервная пластинка прогибается, принимая вид желобка, а нервные валики сближаются друг с другом. Остальная часть эктодермы является кожной. Она в основном однослойна, образована мелкими темноокрашенными клетками кубической формы, цитоплазма содержит пигментные зерна. Под нервным желобком находится хорда, состоящая из плотнорасположенных клеток с четко выраженными границами, цитоплазмой, содержащей небольшое количество пигментных зерен и желточных включений. Под хордой видна полость первичной кишки (гастроцель), которая затем преобразуется в полость вторичного кишечника. Нижняя стенка первичной кишки - более толстая и состоит из крупных клеток богатых желточными включениями. Верхняя стенка - тонкая, состоит из клеток, относящихся к кишечной энтодерме. Мезодерма, образовавшаяся из материала 'краевой зоны' бывшей бластулы, представлена плотным пластом однородных клеток и имеет вид двух клиньев, соединяющихся на брюшной стороне зародыша. Широкие основания этих крыльев располагаются по бокам от хорды, а их узкие вершины располагаются вентрально между экто- и энтодермой. Зарисовать (схематично) нейрулу лягушки, отметив нервный желобок, эктодерму, энтодерму, мезодерму.

Рис. 4 Нейрула лягушки: 1 - нервный желобок, 2 - эктодерма, 3 - энтодерма, 4 - гастроцель, 5 - хорда, 6 - мезодерма.

Работа № 6. Основные этапы постэмбрионального онтогенеза. Критические периоды развития.

А) Какие этапы эмбрионального развития являются критическими и почему?

Б) Укажите, на какие основные этапы классифицируется постнатальный онтогенез человека, и отметьте их сроки:

Работа № 7. Возрастные изменения функциональных показателей жизнедеятельности.

Дайте определение терминам

Гетерохронность-

Гетерокатефтентность -

Гетеротопность -

Классифицируйте перечисленные ниже функциональные показатели в зависимости от характера их изменений в онтогенезе и укажите, какие из них А) возрастают, В) снижаются, С) остаются относительно стабильными в процессе старения:

1) Артериальное давление; 2) частота сердечных сокращений; 3) уровень гонадотропного гормона; 4) уровень мелатонина; 5) уровень тестостерона; 6) уровень эстрогенов; 7) уровень сахара; 8) уровень холестерина; 9) уровень эритроцитов; 10) сократительная сила миокарда; 11) интенсивность гликолиза; 12) интенсивность тканевого дыхания в митохондриях; 13) уровень тироксина; 14) уровень гемоглобина; 15) уровень лейкоцитов;16) периферическое сопротивление сосудов; 17) митотическая активность клеток.

Работа № 8. Хронобиология развития и старения. Общие принципы изменения суточных ритмов в онтогенезе человека. Концепция “волчка”.

Зарисуйте с таблицы хронодезмы амплитуды суточного (циркадианного) ритма некоторых функциональных показателей в относительных единицах к их величине в зрелом возрасте (последняя принята за 100%).

Сделайте вывод, согласно какому принципу изменяется амплитуда суточных ритмов в онтогенезе:

Общий вывод:

Вопросы для самоконтроля:

1. Дайте характеристику процесса дробления амфибий. Объясните, что такое анимальный полюс и вегетативный полюс бластулы.

2.Какие особенности характерны для гаструлы амфибий.

3. Охарактеризуйте процесс образования нейрулы амфибий?

4. Какова дальнейшая судьба клетокнервного гребня?

5. Объяснить, в чем заключается основная роль структурного цистрона, цистрона-оператора и цистрона-регулятора.

6. Объясните, каким образом свободные радикалы могут способствовать старению и развитию новообразований?

7. Как и почему изменяется амплитуда суточных ритмов в онтогенезе?

Занятие 2.4 Промежуточный контроль по модульной единице 2 (коллоквиум)

1. Индивидуальное развитие реализация наследственной информации в онтогенезе. Жизненный цикл организмов как отражение их эволюции.

2. Теории происхождения многоклеточных Э. Геккеля и И.И. Мечникова.

3. Биогенетический закон Геккеля-Мюллера и его применение в построении концепций происхождения многоклеточных.

4. Гипотеза пангенезиса. Преформизм и эпигенез. Роль взглядов К.М. Бэра на развитие современной эмбриологии.

5. Современные представления о молекулярно-генетических механизмах онтогенеза. Теория информации.

6. Гипотеза Жакоба и Моно о внутриклеточной регуляции. Дифференциация и интеграция в развитии. Избирательная активность генов.

7. Организм как саморегулирующаяся система. Гомеостаз, гомеорез, гомеоклаз. Гипотеза эргон/хронона (Л. Гедда).

8. Реализация принципа системности в онтогенезе. Целостность онтогенеза. Различия ассимиляции и диссимиляции на разных этапах онтогенеза.

9. Механизм онтогенеза на клеточном уровне (процесс синтеза белка на основе экспрессии гена деление клеток, миграция, сортировка и избирательная гибель. Опыты Г. Шпемана, Х.Тидемана, Г.В. Лопашова в исследовании эмбриональной индукции. Генетический контроль: избирательная активность генов в ходе дифференцировки клеток и тканей. Морфогенез.

10. Средняя и видовая продолжительность жизни человека. Понятие о геронтологии и гериатрии. Проблемы долголетия. Особенности биоритмов в старческом возрасте.

11. Календарный и биологический возраст. Методы определения биологического возраста. Роль наследственности и среды в онтогенезе. Близнецовый метод генетики. Его роль в понимании проблем медицины.

12. Постнатальный онтогенез и его периоды. Роль эндокринных желез. Гипофиз, эпифиз, мелатонин. Сущность старения. Генетические, клеточные и системные механизмы старения. Факторы старения и долголетия.

13. Теории старения (И.И. Мечников, И.П. Павлов, А.А. Богомолец, И. Пригожин, В.М. Дильман, В.В. Фролькис, Л. Хейфлик). Теломерная теория, теория ошибок, энергетическая теория.

14. Клиническая и биологическая смерть. Реанимация. Дайте определение понятию “живая система”, ее главные критерии.

15. Критические периоды развития. Роль А.Н. Трифоновой и П.Г. Светлова в изучении критических периодов.Тератогенные факторы среды.

16. Избирательная активность гена в развитии роль цитоплазматических факторов яйцеклетки, контактных взаимодействий клеток, межтканевых взаимодействий, гормональных влияний. Рецепторы клеточных мембран и их роль в экспрессии генов.

17. Проблема клонирования животных и человека. Биоэтика.

18. Закон Гомперца-Мейкема и его сущность. Проблема продолжительности жизни.

19. Гипотеза ограниченной надежности организма.

Варианты тестовых заданий

Вариант №1

1. дайте определение термина «гаструла»

2. перечислите основные этапы постэмбрионального онтогенеза

3. Главным провизорным органом при внутриутробной форме развития организма является

1. алантоис 2. амнион 3. желточный мешок 4. плацента

4. Прогрессивным признаком амниот является

1. желточный мешок 2. желточный стебелек

3. желточная оболочка 4. амниотическая оболочка

5. как объясняет процесс старения теория свободных радикалов?

Вариант №2

1. дайте определение термина «бластула»

2. перечислите основные этапы эмбрионального периода онтогенеза человека

3. Критическими периодами в развитии зародышей называются

1. заключительные этапы эмбриогенеза

2. периоды с малой восприимчивостью к влиянию внешних факторов

3. периоды с наибольшей восприимчивостью к влиянию внешних факторов

4. этапы развития до стадии бластуляции

4. Целом у зародышей земноводных располагается между

1. энто- и мезодермой 2. экто- и мезодермой

3. листками боковой мезодермы 4. экто- и энтодермой

5. как объясняет процесс старения теломерная теория?

Вариант №3

1. дайте определение термина «нейрула»

2. перечислите основные периоды постэмбрионального онтогенеза человека

3. В критические периоды развития у зародышей

1. изменяется метаболизм 2. ускоряется темп роста

3. содержание РНК в клетках не изменяется 4. резко ослабляется дыхание

4. На эмбриональной стадии развития желточный мешок имеется у зародышей и эмбрионов

1. человека 2. птиц 3. низших млекопитающих 4. плацентарных млекопитающих

5. как объясняет процесс старения элевационная теория?

Вариант №4

1. дайте определение термина «дробление»

2. перечислите основные типы постэмбрионального развития

3. Процесс движения эмбриональных клеток за стадией образования бластулы называется

1. гистогенезом 2. гаструляцией 3. бластуляцией 4. нейруляцией

4. Врастающая в матку наружная оболочка эмбриона называется:

1. амнион 2. аллантоис 3. хорион 4. желточный мешок

5. как объясняет процесс старения энергетическая теория?

Вариант №5

1. дайте определение термина «онтогенез»

2. перечислите основные тератогенные факторы (2-3 примера)

3. Эмбриональная регуляция - это

1. способность элементов зародыша воспринимать индуцирующие воздействия

2. различные направления развития элемента, которые могут осуществиться в ходе эмбриогенеза

3. взаимодействие различных элементов зародыша в ходе эмбриогенеза

4. восстановление нормального хода развития зародыша после его повреждения

4. Превращение архентерона во вторичный кишечник завершается во время

1. нейруляции 2. бластуляции 3. гаструляции 4. дробления

5. как объясняет процесс старения теория ошибок?

Вариант№6

1. дайте определение термина «филогенез»

2. перечислите основные критические периоды в развитии человека

3. Совокупность митотических делений зиготы называется

1. моруляцией 2. бластуляцией 3. гаструляцией 4. дроблением

4. У рыб, рептилий, птиц к провизорным органам относится

1. аллантоис 2. хорион 3. желточный мешок 4. амнион

5. как объясняет процесс старения теория апоптоза?

Варианты заданий для самостоятельной работы студентов

1. Составить таблицу, в которой перечислить различные подходы к периодизации онтогенеза животных организмов. Таблица должна содержать следующие колонки: подход, периоды, пример организма.

2. Составить таблицу видоизменений периодов онтогенеза. Таблица должна содержать следующие колонки: видоизменение, сущность, эволюционное значение, пример.

3. Партеногенез в живой природе. Таблица должна содержать следующие колонки: вид партеногенеза, описание, пример животного организма.

4. Диктиотена яйцеклетки и другие виды инактивации яйцеклеток животных организмов. Таблица должна содержать следующие колонки: вид инактивации, сущность процесса инактивации, пример животного организма, эволюционное значение.

5. Составить таблицу в две колонки правил Сакса-Гертвига. Эволюционное значение данных правил.

6. Эмбриональная индукция. Таблица должна содержать следующие колонки: опыт, автор, результат, вывод.

7. Провизорные органы зародышей. Таблица из следующих колонок: вид провизорного органа, пример животного, имеющего данный орган, значение в эмбриогенезе, дальнейшая судьба органа.

8. Уравнение Гомперца-Мейкема и его практическое применение.

9. Тератогенные факторы. Составить таблицу современных тератогенных факторов (5 факторов не позднее 2000 года). Колонки таблицы: фактор, тератогенное действие на организм.

10. Классификация врожденных пороков человека в виде таблицы. Колонки таблицы: вид порока, срок эмбриогенеза, эволюционное значение.

11. Составить таблицу положений теории морфогенеза Ч.Чайлда. Колонки таблицы: название положения, основная суть положения, значение.

12. Клеточные механизмы онтогенеза представить в виде таблицы или схемы. Колонки таблицы: название механизма, значение в онтогенезе, особенности данного механизма (деление клеток, миграция клеток, сортировка клеток, гибель клеток).

13. Механизмы онтогенеза представить в виде таблицы или схемы. Колонки следующие: название механизма, значение в онтогенезе, особенности механизма (дифференцировка клеток, генетический контроль, эмбриональная регуляция).

14. Виды репаративной регенерации и ее значение в эволюции живой природы. Таблица должна содержать следующие колонки: способ регенерации, сущность процесса, пример органа, пример животного организма.

15. Представить в виде таблицы или схемы изменения органов и систем органов в процессе старения.

16. Оценить влияние условий жизни на процесс старения. Представить в виде шкалы рейтинга от максимального фактора до минимального.

17. Сделать перевод статьи с английского языка на тему «Становление хронотипа человека в процессе онтогенеза», «Онтогенез человека». Год издания статьи не позднее 2008 года.

18. Проанализировать статью из любого журнала: «Физиология человека», «Нормальная физиология», «Здоровье ребенка» за 2013 год на тему «Формирование хронотипа человека в процессе индивидуального развития человека». В анализе представить следующие пункты: цель исследования, результаты исследования, выводы. Объем анализа 1 лист А4 можно с обеих сторон.

19. Сделать презентацию на любую тему с №1 по №16.

20. Сделать модель на любую тему с №1 по №16.

МОДУЛЬ 3. ОСНОВЫ ГЕНЕТИКИ

Генетику определяют как науку о наследственности и изменчивости живых организмов и методах управления ими. Основоположником генетики является Г. Мендель. Значительный вклад в развитие генетики внесли Т.Х. Морган и его школа.

Наследственность - это неотъемлемое свойство всех живых существ сохранять и передавать в ряду поколений характерные для вида или популяции особенности строения, функционирования и развития. Наследственность обеспечивает постоянство и многообразие форм жизни и лежит в основе передачи наследственных задатков, ответственных за формирование признаков и свойств организма. Благодаря наследственности некоторые виды (например, кистеперая рыба латимерия, жившая в девонском периоде) оставались почти неизменными на протяжении сотен миллионов лет, воспроизводя за это время огромное количество поколений. Существует несколько видов наследственности.

Таблица. Основные виды наследственности (Болгова И.В., 2006)

Наследственность
Цитоплазматическая Связана с действием генов, расположенных в органоидах цитоплазмы, содержащих ДНК (митохондрии, пластиды, плазмиды). Такие гены способны к автономной репликации и равномерному распределению между дочерними клетками.	Ядерная Связана с хромосомами, находящимися в ядре клетки, в состав которых входит ДНК и белковые компоненты. Хорошо изучена: для нее установлены закономерности наследования свойств и признаков.
Плазмидная Связана с генами, расположенными в плазмидах (коротких кольцевых молекулах ДНК, находящихся вне нуклеотида бактериальной клетки), обеспечивает наследование устойчивости бактерий к действию лекарственных препаратов благодаря защитным белкам колицинам (к антибиотикам, сульфаниламидам и др.).	Пластидная Выявлена при наследовании пестролистности у растений ночной красавицы, львиного зева и др. (чередование окрашенных и неокрашенных участков в листьях). Связана с наличием в их клетках только зеленых или только бесцветных пластид или их смеси.	Митохондриальная Связана с генами, локализованными в митохондриях. С нею связано наследование нарушений в действии дыхательных ферментов у дрожжей, а также устойчивости и чувствительности дрожжей к действию антибиотиков.

Изменчивость - способность живых организмов приобретать новые признаки и свойства. Благодаря изменчивости организмы могут приспосабливаться к изменяющимся условиям среды обитания. Изменчивость выражается в том, что в любом поколении отдельные особи чем-то отличаются и друг от друга, и от своих родителей. Причиной этого является то, что признаки и свойства любого организма есть результат взаимодействия двух факторов: наследственной информации, полученной от родителей, и конкретных условий внешней среды, в которых шло индивидуальное развитие каждой особи. Поскольку условия среды никогда не бывают одинаковыми даже для особей одного вида или сорта (породы), становится понятным, почему организмы, имеющие одинаковые генотипы, часто заметно отличаются друг от друга по фенотипу, т.е. по внешним признакам. Различают две основные формы изменчивости: наследственную и ненаследственную.

Наследственная, или генотипическая, изменчивость - изменения признаков организма, обусловленные изменением генотипа. Она, в свою очередь, подразделяется на комбинативную и мутационную. Комбинативная изменчивость возникает вследствие перекомбинации наследственного материала (генов и хромосом) во время гаметогенеза и полового размножения. Мутационная изменчивость возникает в результате изменения структуры наследственного материала вследствие возникновения мутаций.

Ненаследственная, или фенотипическая, или модификационная, изменчивость - изменения признаков организма, не обусловленные изменением генотипа. Среда обитания играет большую роль в формировании признаков организмов. Каждый организм развивается и обитает в определенной среде, испытывая на себе действие ее факторов, способных изменять морфологические и физиологические свойства организмов, т.е. их фенотип. Модификационная изменчивость характеризуется следующими основными свойствами: ненаследуемость; групповой характер изменений (особи одного вида, помещенные в одинаковые условия, приобретают сходные признаки); соответствие изменений действию фактора среды; зависимость пределов изменчивости от генотипа.

Ген - элементарная генетическая единица наследственности

Ген - фрагмент молекулы ДНК, физически никак не отдифференцированный от остальной хромосомы. Иными словами, ген - участок молекулы ДНК, ответственный за проявление какого-либо признака. Реализация признака у организма идет по схеме:

Гены располагаются в хромосомах линейно. Каждый ген в норме имеет свое постоянное место, которое называется локусом. Ген может существовать в разных состояниях, называемых аллелями.

Аллельными называются гены, расположенные в одинаковых локусах гомологичных хромосом, отвечающие за развитие альтернативных вариантов одного признака и обозначаемые одинаковыми символами, например А и а или А¹ и А². Если организм имеет два одинаковых аллеля одного гена А и А или а и а, то он называется гомозиготным по этому гену, соответственно гомозиготный доминантный или гомозиготный рецессивный. Если же ген в одном организме находится в разных состояниях - доминантном и рецессивном, то такой организм называется гетерозиготным по этому гену.

Неаллельными называются гены, расположенные либо в разных локусах одной хромосомы, либо в хромосомах из разных пар. Они обычно отвечают за развитие разных признаков и обозначаются разными символами, например А и В или А₁ и А₂.

Каждый ген отвечает за развитие какого-либо признака. Признаки бывают моногенные и полигенные. Если за развитие одного признака отвечает одна пара аллельных генов, то такой признак называют моногенным или менделирующим, т.е. наследуемым по законам Г. Менделя.

Полигенные признаки определяются действием нескольких неаллельных генов.

Совокупность всех генов организма называют генотипом. Совокупность всех признаков организма называют фенотипом. Фенотипы обозначаются теми же символами, что и гены.

Термины «генотип» и «фенотип» можно применять и в отношении отдельных генов и признаков.

Доминантные гены проявляют свое действие и в гомозиготном, и в гетерозиготном состоянии (генотип АА или Аа; фенотип А - доминантный признак). Рецессивные гены проявляют свое действие только в гомозиготном состоянии (генотип аа; фенотип а - рецессивный признак).

Таблица. Сравнительная характеристика аллельных и неаллельных генов (Гигани О.Б., 2012)

аллельные гены	неаллельные гены
1.отвечают за проявление альтернативных признаков	1.отвечают за проявление не альтернативных признаков
2.локализуются в гомологичных хромосомах в одних и тех же локусах	2.локализуется:в одной хромосоме; в гомологичных хромосомах, но в разных локусах; в негомологичных хромосомах
3.не могут быть сцеплены	3. могут быть сцеплены и не сцеплены
4.обозначаются одной буквой латинского алфавита	4.обозначаются разными буквами латинского алфавита или одинаковыми буквами, но с разными нижними индексами(а1,а2,а3)

Таблица. Формы взаимодействия генов (Гигани О.Б., 2012)

АЛЛЕЛЬНЫЕ ГЕНЫ	НЕАЛЛЕЛЬНЫЕ ГЕНЫ
Полное доминирование - форма взаимодействия аллельных генов, при которой доминантный ген полностью подавляет проявление рецессивного гена в гетерозиготном состоянии. фенотипы гомозиготного доминантного организма и гетерозиготного совпадают	Комплементарное действие генов - форма взаимодействия доминантных неаллельных генов, при которой формируется в случае присутствия в генотипе организма хотя бы двух доминантных неаллельных генов
Неполное доминирование (промежуточное действие гена) - форма взаимодействия аллельных генов, при которой доминантный ген не подавляет проявление рецессивного гена в гетерозиготном состоянии. Генотипы гомозиготного доминантного организма и гетерозиготного не совпадают	Эпистаз - форма взаимодействия неаллельных генов, при которой один из неаллельных генов(супрессор) подавляет действие другого неаллельного гена. эпистаз бывает доминантный(доминантный ген является супрессором) и рецессивный (рецессивный ген является супрессором)
Кодоминировние - форма взаимодействия аллельных генов, при которой независимо друг от друга функционируют оба аллеля и у гетерогзиготного организма формируется новый признак	Полимерия - форма взаимодействия неаллельных доминантныхгеногв, при которой степень проявление признака - экспрессивность - зависит от общего числа доминантных аллелей взаимодействующих генов

Выделяют 4 закономерности наследования генов:

1) наследование аллельных генов аутосом;

2) наследование неаллельных генов, локализованных в негомологичных хромосомах (наследование неаллельных генов несцепленных);

3) наследование генов половых хромосом;

4) наследование неаллельных генов, локализованных в гомологичных хромосомах (наследование неаллельных генов сцепленных).

Существует несколько типов скрещиваний (табл.)

Таблица. Типы скрещиваний и их характеристика (Гигани О.Б., 2012)

Тип скрещивания	Символическая запись	Характеристика
Моногибридное	АА Ч аа ААВВ Ч ааbb	Родители различаются по одной паре аллельных генов
Дигибридное	ААВВ Ч ааbb ААВВСС Ч ааbbСС	Родители различаются по двум парам аллельных генов
Равноценное	Аа Ч Аа	Родители не различаются по парам аллельных генов
Анализирующее	АА Ч аа ААВb Ч ааbb	Изучаемый организм скрещивается с гомозиготным рецессивным организмом

В генетической информации заложена способность развития определенных свойств и признаков. Любой признак в организме является следствием сложных взаимодействий между генами в генотипе и условий среды. Одна и та же наследственная информация в измененных условиях может проявляться по-разному. Диапазон изменчивости, в пределах, которой в зависимости от условий среды один и тот же генотип способен давать различные фенотипы, называется нормой реакции. В ряде случаев у гена, в зависимости от всего генотипа и внешних условий, возможна различная полнота фенотипического проявления - от полного отсутствия, контролируемого геном признака до полной его выраженности. Степень фенотипического проявления признака в зависимости от взаимодействия гена с генотипической средой и условиями среды, называется экспрессивностью. Следовательно, экспрессивность отражает качественное проявление гена в признаке и связана с изменчивостью признака в пределах нормы реакции. Экспрессивность может выражаться в изменении морфологических признаков, биохимических, иммунологических, патологических и других. Например, содержание хлора в поте человека составляет 40 моль/л, при наследственной болезни муковисцедозе колеблется от 40 до 150 моль/л. Наследственное заболевание фенилкетонурия (нарушение аминокислотного обмена) проявляется от легкой степени умственной отсталости до глубокой имбицильности. В процессе онтогенеза не все гены реализуются в признак. Некоторые из них оказываются блокированными другими неаллельными генами, или проявлению признаков препятствуют неблагоприятные внешние условия. Пробиваемость гена в признак называется пенетрантностью. Пенетрантность выражается в процентах числа особей, несущих признак, к общему числу носителей гена, т.е. это количественный показатель. Если мутантный ген проявляется у всех особей, пенетрантность полная и равна 100%. В остальных случаях о неполной пенетрантности указывает процент особей, проявляющих ген. Например, наследуемость групп крови у человека имеет 100% пенетрантность, эпилепсия - 67%, сахарный диабет - 65%, врожденный вывих бедра - 20%. Термины «экспрессивность» и «пенетрантность» введены в 1927 г. Н.В. Тимофеевым-Ресовским. Обе закономерности необходимо иметь в виду при изучении наследственности у человека.

В естественных условиях в силу воздействия на фенотипы организмов комплекса факторов отбор осуществляется по многим направлениям в результате формируются генофонды, сбалансированные по набору и частотам аллелей, обеспечивающие в данных условиях достаточную выживаемость популяции. Генетический полиморфизм является основой межпопуляционной и внутрипопуляционной изменчивости людей. Изменчивость проявляется в неравномерном распределении на планете некоторых заболеваний, тяжести их протекания в разных человеческих популяциях, в разной степени предрасположенности людей к определенным болезням, индивидуальных особенностях развития патологических процессов, различиях в реакции на лечебное воздействие. Наследственное разнообразие долго было препятствием к успешному переливанию крови. В настоящее время оно же создает большие трудности в решении проблемы пересадок тканей и органов.

Цель изучения модуля: изучить законы наследственности и закономерности наследования генов и цитологические основы закономерностей наследования генов.

Задачи модуля: изучить и правильно использовать основные генетические понятия и термины; изучить правила составления генетических схем скрещивания; решать генетические задачи, используя генетическую символику; анализировать полученные в скрещиваниях результаты; определять генотипы потомства по генотипам и фенотипам родителей; определять генотипы родительского поколения по расщеплению потомства по генотипам и фенотипам; изучить этапы генетического анализа; определять локализацию генов, расстояние между генами по частоте кроссинговера по результатам ди- и полигибридных скрещиваний; составлять генетические карты.

Изучение данного учебного модуля направлено на формирование у обучающихся следующих компетенций, предусмотренных ФГОС-3 по направлениям подготовки - 060201 «лечебное дело» и 060103 «педиатрия»:

а) общекультурные (ОК):

способностью и готовностью анализировать социально значимые проблемы и процессы, использовать на практике методы гуманитарных, естественнонаучных, медико-биологических и клинических наук в различных видах профессиональной и социальной деятельности (ОК-1);

б) профессиональные (ПК)

способностью и готовностью выявлять естественнонаучную сущность проблем, возникающих в ходе профессиональной деятельности, использовать для их решения соответствующий физико-химический и математический аппарат (ПК-2);

способностью и готовностью к формированию системного подхода к анализу медицинской информации, опираясь на всеобъемлющие принципы доказательной медицины, основанной на поиске решений с использованием теоретических знаний и практических умений в целях совершенствования профессиональной деятельности (ПК-3);

способностью и готовностью анализировать роль биологических факторов в развитии болезней, генотипические и фенотипические проявления наследственных болезней, генетические основы врожденных нарушений челюстно-лицевого аппарата, владеть современными методами исследования генетики человека, принципами медико-генетического консультирования; объяснять характер отклонения в ходе развития, способных привести к формированию вариантов, аномалий и пороков развития (ПК-26).

В результате освоения модуля студент должен:

Знать:

- основные генетические понятия и термины;

- закономерности наследования аллельных и неаллельных генов и признаков, контролируемых их действием;

- законы Г. Менделя;

- основы хромосомной теории наследственности;

- закономерности наследования пола;

- типы и механизмы разных видов изменчивости;

- особенности мультифакторных заболеваний человека

Уметь:

- уметь применять закономерности наследования аллельных и неаллельных генов аутосом и признаков, контролируемых их действием, для определения генотипов и фенотипов родителей и потомков;

- уметь решать генетические задачи на моно- и дигибридное скрещивание при разных формах взаимодействия генов и правильно анализировать полученные результаты;

- объяснять причины и возможные механизмы рождения детей с хромосомными болезнями, иллюстрировать ответ схемами;

- уметь дифференцировать хромосомы человека; определять половой хроматин в клетках; уметь определять аномалии хромосом в мутантном кариотипе человека.

- применять методы вариационной статистики для количественной оценки статистического диапазона модификационной изменчивости (нормы реакции); строить вариационный ряд и вариационную кривую; прогнозировать возможность проявления наследственной патологии в признак; уметь обосновывать невозможность наследования благоприобретенных признаков.

- составлять родословные, используя стандартные обозначения; анализировать родословные.

Владеть:

- навыками работы с микроскопом;

- навыками отображения изучаемых объектов на рисунках;

- навыками определения кариотипов;

- подходами к решению генетических задач;

- стандартными обозначениями для составления родословных;

- Денверской системой классификации хромосом для анализа идиограмм.

Занятие 3.1 Закономерности наследования признаков при моно- и дигибридном скрещивании. Множественные аллели. Взаимодействие аллельных и неаллельных генов

Цель занятия: изучить основные генетические понятия и термины; освоить правила составления генетических схем скрещиваний; изучить закономерности моно- и дигибридного скрещиваний; изучить закономерность наследования аллельных и неаллельных генов аутосом и признаков, контролируемых их действием.

Практические навыки и умения: уметь правильно использовать основные понятия генетики; уметь применять закономерности наследования аллельных и неаллельных генов аутосом и признаков, контролируемых их действием, для определения генотипов и фенотипов родителей и потомков; уметь решать генетические задачи на моно- и дигибридное скрещивание при разных формах взаимодействия генов и правильно анализировать полученные результаты.

Материалы и оборудование: учебные таблицы (); мультимедийная установка, презентация.

Вопросы для самоподготовки:

1. Основные понятия генетики (генотип, феонотип, гомо- и гетерозигота, доминантность и рецессивность, гомологичные и негомологичные хромосомы, локус, ген, аллельные и неаллельные гены, пенетрантность, эксперссивность).

2. Основные типы скрещиваний и их характеристика.

3. I и II законы Г. Менделя (опишите эксперименты Г. Менделя по скрещиванию гороха, различающегося по цвету семян).

4. III закон Г. Менделя (опишите эксперименты Г. Менделя по скрещиванию гороха, различающегося по цвету и форме семян).

5. Каковы закономерности наследования аллельных генов аутосом и их цитологические основы.

6. Каковы закономерности наследования неаллельных генов аутосом и их цитологические основы.

7. Как происходит наследование групп крови у человека.

РАБОТА В АУДИТОРИИ

Работа 1. Образование гамет.

Задача 1. Сколько типов гамет и какие образует организм: а) гомозиготный по рецессивному гену; б) гетерозиготный; в) гомозиготный по доминантному гену?

Задача 2. Сколько типов гамет и какие продуцирует человек с III группой крови?

Задача 3. Сколько и какие типы гамет продуцирует гетерозиготный организм, если гены взаимодействуют по типу неполного доминирования?

Работа 2. Решение задач на моногибридные скрещивания.

Пример решения генетической задачи на моногибридное скрещивание

Задача. Фенилкетонурия (наследственное заболевание обмена веществ) наследуется по аутосомно-рецессивному типу. Определите вероятность рождения больного ребенка в семье, где один из родителей болен, а второй здоров и имеет гомозиготный генотип.

Обозначим ген фенилкетонурии «а», а нормальный ген - «А», тогда страдать фенилкетонурией могут организмы с генотипом аа.

Оформление схемы скрещивания:

P + аа Ч > АА

G а А

F Аа

Ответ: вероятность рождения в семье больного ребенка равна 0.

Задача 1. Синдактилия (сращение пальцев) наследуется как доминантный аутосомный признак. Какова вероятность рождения детей со сросшимися пальцами в семье, где один из родителей гетерозиготен по анализируемому признаку, а другой имеет нормальное строение пальцев?

Задача 2. У человека умение владеть преимущественно правой рукой доминирует над умением владеть преимущественно левой рукой. Мужчина - правша, мать которого была левшой, женился на женщине - правше, имевшей трех братьев и сестер, двое из которых левши. Определите возможные генотипы женщин и вероятность того, что дети, родившиеся от этого брака, будут левшами.

Задача 3. Миоплегия (периодические параличи) передается по наследству как доминантный признак. Определите вероятность рождения детей с аномалиями в семье, где отец гетерозиготен, а мать не страдает миоплегией.

Задача 4. У человека ген полидактилии (шестипалость) доминирует над нормальным строением кисти. А) определить вероятность рождения шестипалых детей в семье, где оба родителя гетерозиготные. Б) в семье, где один из родителей имеет нормальное строение кисти, а второй шестипалый, родился ребенок с нормальным строением кисти. Какова вероятность рождения следующего ребенка тоже без аномалий?

Задача 5. Детская форма амавротической семейной идиотии Тей-Гакса наследуется как аутосомно рецессивный признак и заканчивается обычно смертельным исходом к 4-5 годам. Первый ребенок умер от анализируемой болезни в то время, когда должен родиться второй. Какова вероятность того, что ребенок будет страдать той же болезнью?

Работа 3. Решение задач на дигибридные и полигибридные скрещивания.

Пример решения генетической задачи на моногибридное скрещивание

Задача. Глухота у человека может быть обусловлена неаллельными рецессивными генами, локализованными в негомологичных хромосомах. Какова вероятность рождения глухого ребенка у дигетерозиготных родителей?

Признак	Ген	Генотип
Глухота	a, b	AAbb, Aabb, aaBB, aaBb, aabb
Отсутствие глухоты	A, B	AABB, AaBB, AABb, AaBb

Оформление схемы скрещивания:

P + AaBb Ч > АaBb

G AB Ab аB ab

F Решение такой задачи удобнее оформить с помощью решетки Пеннета.

Гаметы	AB	Ab	aB	ab
AB	AABB здоровый	AABb здоровый	AaBB здоровый	AaBb здоровый
Ab	AABb здоровый	Aabb глухой	AaBb здоровый	Aabb глухой
aB	AaBB здоровый	AaBb здоровый	aaBB глухой	aaBb глухой
ab	AaBb здоровый	Aabb глухой	aaBb глухой	Aabb глухой

Ответ: При таких генотипах родителей вероятность проявления патологического признака у детей составляет 7/16.

Помните, что гетерозиготы всегда образуют четное количество сортов гамет, равно 2ⁿ, где n - число «гетеро»пар аллельных генов (например, в генотипе AaBB 1 «гетеро»пара Аа, т.е. n=1, значит 2¹=2, и число типов гамет будет 2). Гаметы образуются в соответствии с правилом чистоты гамет (правило не смешивания каждой пары в гаметах гибридного организма, в его основе лежит цитологический механизм мейоза).

При определении вероятности генетиски обусловленных событий можно использовать второе и третье правила вероятностей.

Согласно второму правилу, вероятность наступления одного из несовместимых событий равна сумме вероятностей каждого из них (правило сложения вероятностей).

Третье правило вероятностей утверждает, что вероятность одновременного появления двух независимых событий равна произведению их вероятностей (правило умножения вероятностей).

Задача 1. У человека имеются две формы глухонемоты, которые определяются рецессивными аутосомными несцепленными генами. А) какова вероятность рождения детей глухонемыми в семье, где мать и отец страдают одной и той же формой глухонемоты, а по второй паре генов глухонемоты каждый из них гетерозиготен? Б) какова вероятность рождения детей глухонемыми в семье, где оба родителя страдают разными формами глухонемоты, а по второй паре генов глухонемоты они гетерозиготные?

Задача 2. Некоторые формы катаракты и глухонемоты у человека передаются как аутосомные рецессивные не сцепленные между собой признаки. Отсутствие резцов верхней челюсти также может передаваться как рецессивный признак. Какова вероятность рождения детей со всеми тремя аномалиями в семье, где один из родителей страдает катарактой и глухонемотой, но гетерозиготен по третьему признаку, а второй супруг гетерозиготен по катаракте и глухонемоте, но страдает отсутствием резцов и клыков в верхней челюсти?

Задача 3. Глухота и болезнь Вильсона (нарушение обмена меди) - рецессивные признаки. От брака глухого мужчины и женщины с болезнью Вильсона родился ребенок с обеими аномалиями. Какова вероятность рождения в этой семье здорового ребенка?

Задача 4. Короткопалость, близорукость и альбинизм контролируют рецессивные аллели трех генов, расположенных в разных парах хромосом. Короткопалый, близорукий с нормальной пигментацией мужчина женился на здоровой женщине альбиносе. Их первый ребенок был короткопал. Второй - близорук. Третий - альбинос. Определить генотипы родителей и детей.

Задача 5. У человека праворукость доминирует над леворукостью, а ахондроплазия - над нормальным строение скелета. Мужчина и женщина, оба правши, страдающие ахондроплазией, вступили в брак. У них родилось трое детей: правша с ахондроплазией, левша с ахондроплазией и правша с нормальным строением скелета. Какова вероятность рождения левши с ахондроплазией?

Работа 3. Решение задач при разных формах взаимодействия генов.

Задача 1. Одна из форм цистинурии (нарушение обмена четырех аминокислот) наследуется как аутосомный рецессивный признак. Но у гетерозигот наблюдается лишь повышенное содержание цистина в моче, у гомозигот образование цистиновых камней в почках. Определите возможные формы проявления цистинурии у детей в семье, где один супруг страдал этим заболеванием, а другой имел лишь повышенное содержание цистина в моче.

Задача 2. Пельгеровская анемия сегментирования ядер лейкоцитов наследуется как аутосомный неполностью доминирующий признак. У гомозигот по этому признаку сегментация ядер полностью отсутствует, у гетерозигот она необычна. Определите характер ядра сегментоядерных лейкоцитов у детей в семье, где у одного их супругов ядра лейкоцитов не сегментированные, у другого нормальные.

Задача 3. Талассемия (анемия Кули) наследуется как не полностью доминантный аутосомный признак. У гомозигот заболевание оканчивается смертельным исходом в 90-95% случаев. У гетерозигот анемия Кули проходит в относительно легкой форме. Какова вероятность рождения здоровых детей в семье, где один из супругов страдает легкой формой талассемии, а другой нормален в отношении анализируемого признака?

Задача 4. У человека имеется несколько форм наследственной близорукости. Умеренная форма (от 2,0 до 4,0) и высокая (выше 5,0) передается как аутосомный, доминантный несцепленный между собой признак (Малиновский А.А., 1970). В семье, где мать была близорукой, а отец имел нормальное зрение, родилось двое детей: сын и дочь. У дочери умеренная близорукость, а у сына высокая. Какова вероятность рождения следующего ребенка в семье без аномалии, если известно, что у матери близорукостью страдал только один из родителей? Следует иметь в виду, что у людей, имеющих гены обеих форм близорукости, проявятся только одна высокая.

Задача 5. Рост человека контролируется несколькими парами несцепленных генов, которые взаимодействуют по типу полимерии. Если пренебречь факторами среды и условно лишь ограничиться тремя парами генов, то можно допустить, что в какой-то популяции самые низкорослые люди имеют все рецессивные гены и рост 150 см, самые высокие - доминантные признаки и рост 180 см.

а) Определите рост людей, гетерозиготных по всем трем парам генов.

б) Низкорослая женщина вышла замуж за мужчину среднего роста. У них было четверо детей, которые имели рост 165 см, 160 см, 155 см и 150 см.

Определите генотипы родителей и их рост.

Работа 4. Решение задач на наследование групп крови у человека.

Группы крови -- это генетически наследуемые признаки, не изменяющиеся в течение жизни при естественных условиях. Группа крови представляет собой определённое сочетание поверхностных антигенов эритроцитов (агглютиногенов) системы АВО. Основная система классификации крови - система ABO. Гpуппы кpoви обозначают по наличию или отсутствию определенного типа «склеивающего» фактора (агглютиногена): 0 (I) -- 1-я группа крови; А (II) -- 2-я; В (III) -- 3-я; АВ (IV) -- 4-я группа крови.

В локусе гена АВО возможны три варианта (аллеля) - 0, A и B, которые экспрессируются по аутосомно-кодоминантному типу. Это означает, что у лиц, унаследовавших гены А и В, экспрессируются продукты обоих этих генов, что приводит к образованию фенотипа АВ (IV). Фенотип А (II) может быть у человека, унаследовавшего от родителей два гена А или гены А и 0. Соответственно фенотип В (III) - при наследовании двух генов В или В и 0. Фенотип 0 (I) проявляется при наследовании двух генов 0. Таким образом, если оба родителя имеют II группу крови (генотипы AА или А0), кто-то из их детей может иметь первую группу (генотип 00). Если у одного из родителей группа крови A (II) с возможным генотипом АА и А0, а у другого B (III) с возможным генотипом BB или В0 - дети могут иметь группы крови 0 (I), А (II), B (III) или АВ (IV).

Задача 1. У человека группа крови определяется тремя аллелями одного локуса. Гены принято записывать Jє, J^А , J^В. В различных сочетаниях генов образуется четыре группы крови:

Первая с генотипом______________

Вторая _________ или____________

Третья _________или____________

Четвертая ______________________

Задача 2. Мать со второй группой крови имеет ребенка с первой группой крови. Установите возможные группы крови отца.

Задача 3. У матери первая группа крови, а у отца четвертая. Могут ли дети унаследовать группу крови одного из родителей?

Задача 4. У кареглазых родителей родилось четыре ребенка: два голубоглазых и два кареглазых. Голубоглазые имеют группы крови О и АВ, кареглазые - А и В. Какова вероятность того, что следующий ребенок будет кареглазым с группой крови О? (Карий цвет доминирует над голубым и обусловлен аутосомным геном).

Задача 5. У фермера было два сына. Первый родился, когда фермер был молод, и вырос красивым сильным юношей, которым отец очень гордился. Второй, родившийся много позже, рос болезненным ребенком, и соседи убеждали фермера подать в суд для установления отцовства. Основанием для иска должно было послужить то, что являясь отцом такого складного юноши, каким был его первый сын, фермер не мог быть отцом такого слабого создания, как второй. Члены семьи фермера имели кровь следующих групп: фермер - О; его жена - АВ; первый сын - А; второй сын - В. Можно ли на основании этих данных считать, что оба юноши являются сыновьями этого фермера? Каковы генотипы всех членов семьи?

Работа 5. Решение задач на наследование признаков с разной пенетрантностью.

Пример решения генетической задачи с учетом пенетрантности гена

Задача. Витилиго (нарушение пигментации) наследуется как аутосомно-доминантный признак с пенетрантностью 70 %. Какова вероятность рождения ребенка с витилиго, если у одного из родителей имеется витилиго?

Обозначим ген витилиго «А», а нормальный ген - «а», тогда страдать витилиго могут организмы с генотипами АА и Аа. Поэтому нужно рассмотреть 2 варианта скрещиваний.

1 вариант:

P + АА Ч > аа

G А а

F Аа

Вероятность появления генотипа Аа в первом поколении составляет 100 %. Имея в виду, что пенетрантность доминантного гена 70 %, можно сделать вывод, что вероятность рождения в семье ребенка с витилиго составит 70 %.

2 вариант:

P + Аа Ч > Аа

G А а а

F Аа; аа

Все потомки с генотипом аа (50 %) оказываются здоровыми. Потомки с генотипом Аа также рождаются с вероятностью 50 %, но только 70 % из них будут с витилиго. Следовательно, вероятность рождения ребенка с витилиго - 35 %.

Задача 1. Подагра определяется доминантным аутосомным геном. По некоторым данным (Эфроимсон В.П., 1968) пенетрантность гена у мужчин составляет 20%, а у женщин она равна нулю. а) Какова вероятность заболевания подагрой в семье гетерозиготных родителей? б) Какова вероятность заболевания подагрой в семье, где один из родителей гетерозиготен, а другой нормальный по анализируемому признаку?

Задача 2. Ангиоматоз сетчатки глаза обусловливается доминантным аутосомным геном, пенетрантность которого 50 %. Какова вероятность (в процентах) рождения больного ребенка в семье, где оба супруга гетерозиготны по данному гену?

Задача 3. Отосклероз (очаговое заболевание косточек среднего уха, способное вызвать глухоту) наследуется как доминантный аутосомный признак с пенетрантностью 30%. Гипертрихоз (вырастание волос на краю ушной раковины) наследуется как признак, сцепленный с Y-хромосомой с полным проявлением к 17 годам. Жена здоровая и гомозиготна по исследуемому признаку, муж имеет обе аномалии. Какова вероятность рождения детей с отосклерозом?

Задача 4. Отосклероз (очаговое заболевание косточек среднего уха, способное вызвать глухоту) наследуется как доминантный аутосомный признак с пенетрантностью 30%. Отсутствие боковых резцов наследуется как сцепленный с Х-хромосомой рецессивный признак с полной пенетрантностью. Определите вероятность рождения детей с обеими аномалиями одновременно в семье, где мать гетерозиготна в отношении обоих признаков, а отец не страдает отсутствием резцов, но гетерозиготен по гену отосклероза.

...