Глава 3

Закономерности изменчивости. Хромосомная теория наследственности. Комбинативная и мутационная изменчивость. Генные мутации

Цель занятия:

Сформировать представления закономерностях наследования сцепленных признаков. Изучить закономерности комбинативной изменчивости при кроссинговере. Сформировать представление о мутационной изменчивости, их причинах и роли в эволюции и индивидуальной жизни человека.

Задачи занятия:

1.Ознакомиться с теоретическим материалом.

2.Научиться решать задачи на сцепленное наследование и кроссинговер.

3.Научиться решать задачи на генные мутации.

Формируемые компетенции:

ОК-1, ПК-9, ПК-31, ПК-32

Студент должен знать:

1.Особенности и цитологические основы наследования при сцеплении генов и кроссинговере.

2.Виды и причины наследственной изменчивости: комбинативной и мутационной.

1

3.Виды и причины генных мутаций.

4.Основные свойства мутаций.

5.Понятие о поле и половых признаках.

6.Понятие о половом диморфизме.

7.Различия между аутосомами и гетеросомами.

8.Понятие о гомогаметном и гетерогаментом поле.

9.Хромосомный механизм определения пола при образовании зиготы.

10.Причины наблюдаемого в природе соотношения полов в разных возрастных группах.

11.Морфологию половых хромосом. Особенности строения и расположения генов Х- и Y-хромосом человека.

12.Классификацию разных видов сцепленного с полом наследования.

13.Особенности наследования и формирования признаков, контролируемых генами Х- и Y- хромосом человека.

14.Характер проявления в фенотипе доминантных и рецессивных генов, находящихся в Х- и Y- хромосоме человека.

15.Примеры признаков:

−Сцепленных с Х-хромосомой

−Сцепленных с Y-хромосомой

−Частично сцепленных с полом

−Аутосомных, зависимых от пола.

16.Х- и Y- половой хроматин. Причины инактивации одной из Х-хромосом у гомогаметного пола.

Студент должен уметь:

1.Давать цитологическое обоснование качественных и количественных закономерностей наследования признаков при разных видах сцепленного с аутосомами наследования.

2.Давать цитологическое обоснование качественных и количественных закономерностей наследования признаков при разных видах сцепленного с полом наследования.

3.Решать задачи на запись гамет организма с известным генотипом, включающим аутосомные и сцепленные с половыми хромосомами генами.

4.Находить генотип организма, анализируемого по аутосомным и сцепленным с полом признакам, по образующимся у него гаметам.

2

5. Решать задачи на наследование признаков, сцепленных с полом:

-с Х-хромосомой

-с Y-хромосомой

-частично сцепленных с полом.

6.Решать задачи на наследование нескольких признаков, одни из которых сцеплены с полом, а другие обусловлены аутосомными генами.

7.Решать задачи на сцепленное наследование при полном сцеплении генов и с учетом кроссинговера.

Студент должен владеть:

1.Медико-функциональным понятийным аппаратом и специальными терминами.

2.Навыками записи и решения генетических задач.

Оснащение занятия:

1. Таблицы:

-сцепленное наследование

-схема кроссинговера

-виды изменчивости

-мутационная изменчивость

-мутации у дрозофилы

2.Микроскоп световой

3.Микропрепараты: Генные мутации дрозофилы. Бескрылая форма. Превращение усиков в ноги.

Хронологическая карта занятия:

1.Организационная часть

2.Тестовый контроль базового уровня знаний

3.Объяснение практического задания

4.Самостоятельная работа

5.Проверка выполненных работ в альбомах

6.Контроль конечного уровня знаний

7.Установка задания для подготовки к следующей теме

3

Теоретический обзор

Изучите материал, используя следующую литературу:

Основная:

1.«Биология», учебник в 2 т/ под ред. В.Н. Ярыгина. - М.: ГЭОТАР-Медиа, 2011.

2.«Биология», учебник в 2 т/ под ред. В.Н. Ярыгина, М.: Медицина, 2006 г

3.Биология/ А.А. Слюсарев, С.В. Жукова, - К: Высшая школа,

1987.

4.Электронная версия учебно-методического пособия (каф. мед. биологии и генетики)

Дополнительная:

1. Гены./ Льюин Б. – М.: Мир. 1987.

Базы данных по геному и генетическим заболеваниям человека

1.Genes and Diseases (гены и болезни — издание Национального Центра Биотехнологической Информации, США) — http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK22183/ — элементарный справочник по генетическим болезням. Рекомендуется для начинающих.

2.OMIM (Online Mendelian Inheritance in Man, издание Национального Центра Биотехнологической Информации, США)

— http://www.ncbi.nlm.nih.gov/omim — de facto применяется многими научными журналами для идентификации заболевания, имеющего генетическую причину развития (как монотак и полигенного характера) или предрасположенность к развитию заболевания. Прекрасный и существенно полный источник информации по генам человека и по генным заболеваниям.

3.List of Genetic Disorders (список генетических заболеваний) — http://en.wikipedia.org/wiki/List_of_genetic_disorders — не только список, но и отсылки на статьи по конкретным заболеваниям. Для начинающих.

4.Список наследственных заболеваний —

http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A1%D0%BF%D0%B8%D1%81% D0%BE%D0%BA_%D0%BD%D0%B0%D1%81%D0%BB%D0%B5

4

%D0%B4%D1%81%D1%82%D0%B2%D0%B5%D0%BD%D0%BD %D1%8B%D1%85_%D0%B7%D0%B0%D0%B1%D0%BE%D0%B B%D0%B5%D0%B2%D0%B0%D0%BD%D0%B8%D0%B9 —

облегчённый вариант англоязычной версии (3), частично имеются отсылки на статьи по конкретным заболеваниям. Для начинающих и не владеющих английским.

Генные мутации

Мутация — генотипическая изменчивость вследствие (1) генных (точеченых) мутаций ДНК, (2) хромосомных аббераций (изменяется количество и/или расположение сотни или тысячи генов) или (3) геномных мутаций (изменение числа хромосом).

Мутации в репродуктивной функции человека имеют жизненно важные последствия как в онтогенезе, так и филогенезе. Смерть оплодотворённой яйцеклетки наблюдается примерно в 50% по причине генных, хромосомных или геномных мутаций. В случае развития жизнеспособной зиготы фенотипически мутации могут проявиться как в пренатальном, так и постнатальном периодах развития. В процентном отношении внутриутробно выявляется 25% врождённых пороков, до пубертатного периода — 45%, в период полового созревания — 20% и 10% моногенных заболеваний диагностируются после 20 лет. Число новорождённых с врождённых пороков составляет 2–3% общего количества родившихся живыми детей. Клинически у больных обнаруживаются диспластические признаки и синдромы, нарушенный обмен веществ, или сочетанные признаки.

Генные точечные мутации характеризуются искажением порядка следования нуклеотидов в составе гена-мишени, что в свою очередь может выразиться: прекращением трансляции белковой молекулы, синтезом мутантного белка с нарушенной функцией или токсическими свойствами, недостаточным или избыточным синтезом белка. К дефектам, обуславливающих генные мутации относятся:

Делеция утрата одного, нескольких нуклеотидов или целого гена.

5

Миопатии Дюшенна и Беккера развиваются при полной или частичной делеции гена дистрофина Xp21.2. соответственно. При частичной делеции гена синтез дистрофина снижен, либо продуцируется мутантная форма белка.

Инсерция вставка одного, нескольких нуклеотидов или целого гена.

Болезнь Лиддла. Одна из форм заболевания обусловлена мутацией гена β-СЕ натриевого канала эпителия (ENaC). В результате вставки цитозина в последнем экзоне гена происходит сдвиг рамки считывания, при этом в белке отсутствуют последние 34 АК.

Дупликация — повторное дублирование (или умножение) участка ДНК размером от одного до нескольких нуклеотидов или целого гена.

Семейная Х-сцепленная кардиомиопатия. Мутация гена дистрофина, обусловленная дупликацией экзонов 2–7, кодирующих актин-связывающий домен, вызывает дефицит белка и как следствие нарушение организации дистрофиндистрогликанового комплекса.

Сдвиг рамки считывания возникает при делециях, инсерциях, или дупликациях нуклеотидов.

Инверсия — встраивание от двух до нескольких нуклеотидов на прежнее место ДНК после поворота на 180 °. В результате нарушается порядок расположения нуклеотидов в гене.

Гемофилия А. Инверсия гена фактора VIII (FVIIIС, Xq) встречается в 50 % мутаций FVIIIС, вызывающих заболевание. Инверсия вызвана гомологичной рекомбинацией между геном А, расположенным в интроне 22 гена FVIIIC, и одной из теломерных копий этого гена, расположенной приблизительно в 500 т.п.н. выше гена FVIIIC. В результате инверсии происходит прерывание кодирующей последовательности гена.

6

Сплайсинговые мутации — возникают на стыке экзонов и интронов. При процессировании мРНК вместе и с интроном может удаляться экзон, или интрон остаётся в составе зрелой мРНК. При этой мутации изменяется рамка считывания, что приводит к трансляции мутированного белка.

Миссенс–мутация — замена нуклеотида в кодирующей части гена — приводит к замене аминокислоты в полипептиде. Трансверсия — замена пуринового основания (аденин, гуанин) на пиримидиновое (цитозин, тимин, урацил) или, наоборот, в одном из кодонов. Транзиция — в нуклеотидном остатке замена одного пуринового основания на другое пуриновое или одного пиримидинового на другое в структуре кодона.

Серповидно-клеточный Hb (HbS) аномальный Hb. В результате

мутации в кодоне ГУА (урацил → аденин) в 6-м положении β-цепи валин заменяется на глютамин. HbS кристаллизуется при недостатке кислорода, а эритроциты приобретают серповидную форму. У гетерозигот имеются серповидно-клеточные эритроциты (HbS от 20 до 45%, остальное — HbA, анемии нет), у гомозигот развивается серповидно-клеточная анемия (HbS — 75-100%, остальное — HbF или HbA2).

Нонсенс–мутация — замена нуклеотида в кодирующей части гена — приводит к образованию стоп-кодона и прекращению трансляции.

Летальная неонатальная гипераммониемия развивается в результате нонсенс-мутации, или делеции гена орнитинтранскарбамилазы (син. орнитин карбамоилтрансфераза). Недостаточность печёнончного фермента приводит к гипераммониемии и отравлению организма аммиаком.

Динамические мутации — мутации, обусловленные увеличением числа тринуклеотидных повторов в функционально значимых частях гена. Такие мутации могут привести к торможению или

7

блокаде транскрипции, приобретению белковыми молекулами свойств, нарушающих их нормальный метаболизм.

Хорея Хантингтона — наследственное (аутосомно-доминантное) нейродегенеративное заболевание, характеризующееся прогрессирующей гибелью GABA-ергических нервных клеток в базальных ганглиях, особенно в хвостатом ядре и скорлупе. Патогенез заболевания связан с мутацией гена хантингтина HD (4p16–3). Мутантный ген содержит увеличенное число повторов CAG–кодонов и экспрессирует белок, полиглутаминовый трек которого содержит более 40 остатков глутамина при нормальной длине 11–34 остатков.

Генные мутации, вызывающие заболевание могут быть обусловлены разными дефектами ДНК гена-мишени.

Фенилкетонурия. Недостаточность фермента фенилаланингидроксилазы (12q22–24) ведёт к нарушению процесса гидроксилирования фенилаланина в тирозин. Накопление в организме фенилаланина и его метаболитов; проявляется поражением мозга, что приводит к тяжёлым расстройствам развития, умственной отсталости, нарушениям движений и мышечного тонуса, судорожным припадкам, дефициту миелинизации, экземе. Известно более 30 мутаций гена фенилкетонурии (миссенс, нонсенс, делеции, нарушения сплайсинга).

Практические навыки

Виртуальная лаборатория. Опыт Томаса Моргана по выявлению сцепленного наследования.

Рассмотрим один из первых экспериментов Т. Моргана по изучению сцепленного наследования. При скрещивании дрозофил, различающихся по двум парам сцепленных признаков — серых с нормальными крыльями (BV||BV) и черных с зачаточными крыльями (bv||bv)— гибриды F1 были серыми с нормальными крыльями (BV||bv) (рис. 1).

8

Рис. 1. Сцепленное наследование генов окраски тела и состояния крыльев у плодовой мухи.

Ген серого цвета (В) доминирует над геном черного цвета тела (b), ген длинных крыльев (V) - над геном коротких крыльев (v). В и V находятся в одной хромосоме. а - полное сцепление генов вследствие отсутствия перекреста хромосом у самцов дрозофилы б - неполное (частичное) сцепление признаков вследствие перекреста хромосом у

самок дрозофилы

При сцепленном наследовании рекомендуется использовать хромосомную запись генотипов, в которой горизонтальные линии символизируют хромосомы, а расположенные рядом с ними буквы указывают, какие именно аллели разных генов расположены в той или иной гомологичной хромосоме.

Далее были проведены два типа анализирующих скрещиваний. В первом из них брали дигетерозиготных (BV||bv) самцов F1, и

9

скрещивали с гомозиготными по рецессивным аллелям самками (bv||bv), а во втором — дигетерозиготную самку (BV||bv) скрещивали с самцами, рецессивными по обоим признакам (bv||bv) (черное тело и зачаточные крылья). Результаты этих скрещиваний оказались разными.

50% черное тело и зачаточные крылья ввvv

50% серое тело и нормальные крылья ВвVv

10