Цель. Знать основные формы изменчивости, механизмы их возникновения, значение для адаптации к условиям среды при эволюции видов и индивидуальном развитии организмов. Иметь представление о роли среды в проявлении генов при развитии признаков. Освоить вариационно-статистический метод изучения модификационной изменчивости. Уметь распознавать хромосомные мутации на цитогенетических препаратах клеток человека. Знать медицинское значение мутаций, в том числе вызывающих патологии зубочелюстной системы человека.
Задание для студентов
Работа 1. Основные формы изменчивости
Изменчивость является одним из основных свойств биосистем. Изменчивость обеспечивает приспособление организмов к условиям среды, эволюцию и многообразие форм жизни.
Изучите и перепишите таблицу.
|
Формы изменчивости |
Механизмы возникновения |
Результат |
Биологическая роль |
|
I. Генотипическая (наследственная): — комбинативная — мутационная |
1. Кроссинговер 2. Независимое расхождение хромосом в мейозе 3. Случайная встреча гамет при оплодотворении 4. Случайный подбор родительских пар Действие мутагенов. Нарушение генетического гомеостаза |
Разнообразие комбинаций генов в зиготе Изменение состава и последовательно- с ти расположения нуклеотидов в ДНК. Изменение структуры и количества хромосом |
Удачные комбинации подхватываются естественным отбором Материал для естественного отбора и эволюции. У человека — источник генетического груза и генетических патологий |
|
II. Фенотипическая (ненаследственная, модификационная) |
Взаимодействие генотипа и среды, одним из проявлений которого является изменение актив ности гена |
Изменения признака в пределах нормы реакции |
Приспособление к постоянно меняющимся факторам среды |
Работа 2. Формы изменчивости
Решите задачи и укажите наблюдаемую форму изменчивости.
1. У человека карие глаза доминируют над голубыми, а способность лучше владеть правой рукой — над левой. Какие новые сочетания признаков могут появиться у потомства в результате брака родителей, гетерозиготных по обоим признакам? Известно, что аллельные гены этих признаков находятся в разных парах хромосом.
2. В семье, где мать и отец здоровы, родились однояйцовые близнецы, у одного из которых обнаружены кисты на слизистой оболочке губы, расщелина губы и нёба, а у второго — только кисты губы.
Детям был поставлен диагноз — синдром Ван дер Вуда (аутосомнодоминантное заболевание). Каковы возможные причины возникновения заболевания у детей? Как можно объяснить различия в пороках развития у близнецов?
3. Два рода на протяжении многих поколений состояли из фенотипически здоровых людей. В одном из них родился сын, у которого развился остеомиелит нижней челюсти, остеосклероз костей черепа и таза. Во второй семье родилась дочь, у которой наблюдался остеосклероз и позднее прорезывание зубов аномальной формы. В обоих случаях был поставлен диагноз «остеопетроз». Однако в первой семье заболевание вызвал доминантный ген, расположенный в 16-й хромосоме, а во второй — рецессивный ген, расположенный в 11-й хромосоме. Каковы причины развития заболеваний у детей в этих семьях? Определите вероятности рождения следующих больных детей.
4. Мужчина, несколько лет проработавший у атомного реактора, стал отцом мальчика, страдающего гемофилией — единственный случай этого заболевания как в его роду, так и у предков его жены.
Правы ли супруги, приписавшие возникновение аномалии у ребенка неблагоприятному действию среды, в которой находился отец ребенка?
Работа 3. Классификация мутаций
Перепишите таблицу. Приведите примеры.
|
По изменению генетического материала |
По типам клеток |
По причинам возникновения |
По результату |
|
Генные: — замена, выпадение, вставка нуклеотидов; — изменение последовательности нуклеотидов Хромосомные: — дупликации; — инверсии; — делеции; — транслокации (перемещение участка хромосомы) Геномные: — анеуплоидия; — гаплоидия; — полиплоидия |
Генеративные: (происходят в гаметах, могут наследоваться при половом размножении) Соматические: (происходят в соматических клетках, наследуются при вегетативном размножении) |
Спонтанные: (возникают при обычном физиологическом состоянии организма) Индуцированные: (возникают при воздействии на организм физических, химических или биологических мутагенных факторов) |
Нейтральные Вредные Летальные Полезные |
Работа 4. Медицинское значение мутаций
Мутации, возникшие у человека, могут вызывать разнообразные генетические патологии. Часть из них проявляется сразу, часть — через какое-то время, которое может иногда составлять несколько десятков лет. Рецессивные генные мутации могут передаваться по наследству и вызывать заболевания у потомков в течение многих поколений после возникновения.
Изучите и перепишите таблицу.
|
Тип мутаций |
Биологические эффекты |
Примеры |
|
Соматические |
Опухоли Преждевременное старение органов Другие структурнофункциональные нарушения органов и тканей |
Лейкозы после атомной бомбардировки Хиросимы, рак легкого у курильщиков Старение кожи при высоких дозах ультрафиолетового облучения Язвенно-некротические поражения органов, выпадение волос, кровоизлияния и другие нарушения при острой лучевой болезни |
|
Генеративные |
Снижение репродуктивной функции, бесплодие Спонтанные аборты Врожденные пороки развития Наследственные заболевания Увеличение генетического груза |
Бесплодие при дозе облучения более 200 рентген Прерывание около 50\% беременностей в доимплантационный период и до 20\% в постимплантационный, более половины из которых вызвано мутациями Повышение частоты врожденных пороков развития с 5-6\% до 15-17\% в наиболее пострадавших после Чернобыльской катастрофы районах Гомельской и Могилевской областей У человека картировано несколько тысяч мутантных генов, вызывающих наследственные патологии У каждого человека имеется в среднем 10-15 вредных рецессивных генов в гетерозиготном состоянии |
Работа 5. Влияние возраста матери на частоту хромосомных болезней у человека
Большинство геномных и хромосомных мутаций у человека приводят к значительным нарушениям эмбрионального развития, выкидышам или смерти вскоре после рождения. Из мутаций, изменяющих количество аутосом, у новорожденных встречаются трисомии по 21-й (синдром Дауна), 13-й (синдром Патау) и 18-й (синдром Эдвардса) хромосомам. Как правило, они обусловлены нерасхождением хромосом в мейозе. Вероятность такого нерасхождения значительно увеличивается с возрастом матери, что связано с особенностями овогенеза у женщин.
Изучите таблицу.
Риск хромосомных болезней, вызванных трисомиями 13-й, 18-й и 21-й хромосом
Примечание. Около 90\% из трех болезней составляет синдром Дауна.
Работа 6. Хромосомные аберрации в клетках человека
Одним из основных методов определения мутаций у человека является анализ метафазных пластинок на цитогенетических препаратах и выявление на них нарушений (аберраций) хромосом. Метод позволяет определить величину мутагенного воздействия на человека, например при работе на вредном производстве или после аварий, ведущих к загрязнению окружающей среды. Использование лимфоцитов крови, культивируемых в питательной среде (метод in vitro), дает возможность проводить экспериментальные исследования и определять мутагенную опасность лекарств, пищевых добавок, пестицидов и других факторов, что позволяет предотвратить их воздействие на человека и избежать возникновения генетических патологий.
Методика проведения работы
Рассмотрите под малым увеличением цитогенетический препарат лимфоцитов крови человека, подвергнутых in vitro мутагенному воздействию. Найдите метафазные пластинки. Рассмотрите их под большим увеличением (иммерсионный объектив X 90). Найдите метафазу с хромосомными нарушениями. Зарисуйте в тетрадь аберрантные хромосомы, определите тип мутации, используя рис. 1 и атлас хромосом человека (Захаров А.Ф. и др., 1982).
Рис. 1. Детали метафазных пластинок с хромосомными аберрациями. Снизу представлены реконструкции аберраций с хроматидными обменами (по А.Ф. Захарову и др., 1982)
Работа 7. Мутации у человека Решите задачи
5. В двух семьях у здоровых родителей родились дети с синдромом Дауна, обусловленным трисомией по 21-й хромосоме. Первая семья живет в экологически благополучном регионе, профессиональная деятельность родителей не связана с мутагенным воздействием. В семье имеются здоровые дети 7, 14 и 23 лет. Во второй семье мать после окончания школы в течение трех лет работала на вредном производстве, связанном с мутагенным воздействием (изготовление строительных материалов с использованием асбеста). С производства ушла за четыре месяца до рождения больного ребенка, который является первым в этой семье. Каковы вероятности рождения следующего ребенка с синдромом Дауна в первой и второй семьях?
6. Синдром Крузона (деформация черепа, гипоплазия верхней челюсти, иногда — расщелина язычка или нёба, редкие шиповидные зубы) — аутосомно-доминантное заболевание, встречающееся с часто-
той 16 на 1 млн новорожденных. 25\% всех случаев обусловлены новой мутацией. Какова вероятность рождения больного ребенка в семье, где болен один из родителей? В семье здоровых родителей?
7. В процессе эволюции человека произошло уменьшение набора хромосом на одну пару. Как правило, отсутствие даже одной хромосомы является летальной мутацией. Какие мутации, произошедшие у наших предков, изменили кариотип человека? Почему эти мутации не привели к потере нужных генов и снижению жизнеспособности?
Работа 8. Моделирование изменений генетической информации при мутации гена
Участок полипептидной цепи белковой молекулы контролируется полинуклеотидной цепью ДНК —
ТАЦАТАГЦАТЦГАЦЦЦЦАГАТТЦАААААЦГ. Как изменится структура белка в случаях:
а) замены в пятом нуклеотиде основания Т на А;
б) при выпадении восьмого нуклеотида;
в) добавления нуклеотида с основанием Ц после третьего нуклеотида?
Работа 9. Вариационно-статистический метод изучения модификационной изменчивости Цель метода. Определение нормы реакции изучаемого признака, его среднего значения и возможные вариационные отклонения. В качестве примера изучить: длину игл сосны и частоту пульса человека.
Методика проведения работы
1. С помощью линейки измерьте длину сосновых игл одной ветки (не менее 50 игл). Размеры запишите в таблицу. Составьте не менее 5 возможных вариант-классов, определите частоту встречаемости признака в каждом классе и среднее значение каждого класса. Данные запишите в таблицу.
|
? п/п |
Длина, в мм |
Границы вариант-классов |
Частота встречаемости признака в вариант-классе, P |
Среднее значение вариант-класса, V |
PV |
2. Вычислите среднее значение изучаемого признака по формуле:
где M — среднее значение признака; Σ — сумма произведений PV; V — среднее значение вариант-класса; P — частота встречаемости признака; n — общее число выборки.
3. Данные измерения выразите графически в виде вариационной кривой. На оси абсцисс отложите значения V, а на оси ординат P. Кривая изменчивости признака отразит его нормальное распределение.
4. Сосчитайте частоту пульса у студента группы в течение дня с 7 до 22 часов 50 раз. Показания пульса запишите в таблицу. Определите среднее значение этого признака и постройте вариационную кривую.
Работа 10. Пенетрантность и экспрессивность гена как проявление модификационной изменчивости
I. Пенетрантность — проявление гена в признак, выражается количественно в \% особей, обладающих признаком, среди всех носителей гена.
Решите задачи
8. Рецессивный ген (d) обуславливает предрасположение к сахарному диабету. Пенетрантность этого признака равна 20\% (т.е. из лиц с генотипом dd заболевает только 20\%). Определите вероятность предрасположения и вероятность заболевания диабетом ребенка в семье гетерозиготных родителей.
9. При синдроме Ван дер Вуда (аутосомно-доминантный тип наследования) у 20\% больных выявляется расщелина губы или нёба. Какова вероятность предрасположенности к заболеванию и вероятность развития расщелины у ребенка в семье, где болен один из родителей?
10. Рецессивный ген COH1, расположенный в 8-й хромосоме, обуславливает предрасположение к развитию выступающих резцов. Пенетрантность признака равна 65\%. Определите вероятность, что у ребенка разовьется аномалия зубов, если известно, что выступающие резцы были у матери ребенка и деда по отцовской линии.
11. Отосклероз (поражение слуховых косточек) наследуется как аутосомно-доминантный признак с пенетрантностью 30\%. Отсутствие верхних 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 нормален по обеим парам.
12. Синдром Ван дер Хеве определяется доминантным аутосомным плейотропным геном, вызывающим голубую окраску склер, хрупкость костей и глухоту. Пенетрантность признака изменчива. В ряде случаев (Штерн К., 1965) она составляет по голубой склере 100\%, хрупкости костей — 63\%, глухоте — 60\%. В брак вступают два гетерозиготных носителя голубой склеры, нормальные в отношении других признаков синдрома. Определите вероятность рождения в этой семье глухих.
13. Полидактилия обусловлена аутосомно-доминантным геном с полной пенетрантностью, сахарный диабет — рецессивным геном, пенетрантность которого 20\%. Определите вероятность одновременного проявления двух аномалий у детей в семье, где отец страдает сахарным диабетом, но нормален в отношении кисти, а у жены — полидактилия, но нормальный углеводный обмен. Известно, что у отца жены была полидактилия, а у матери — сахарный диабет.
II. Экспрессивность — различная степень выраженности признака. Например, при полидактилии (аутосомно-доминантный тип наследования) может наблюдаться различное увеличение числа пальцев кистей рук и стоп ног. Проследите наследование полидактилии по родословной. Цифры у носителя признака: верхние указывают на число пальцев на руках, нижние — на число пальцев на ногах.
Решите задачи
14. Синдром Томпсона вызывается аутосомным доминантным геном с различной экспрессивностью. В 35\% случаев у больных наблюдается арковидное нёбо или расщелина нёба, в 78\% случаев — гипоплазия нижней челюсти, в 5\% — умственная отсталость. Определите вероятность, что у ребенка, родившегося в семье, где болен один из родителей, будет тяжелая форма заболевания с проявлением всех перечисленных аномалий? Какова вероятность, что у ребенка не проявится ни одной аномалии?
15. Синдром Гольтца (локальная атрофия кожи, недоразвитие нижней челюсти, агенезия и аномальное расположение зубов, дефект эмали, расщелина губы) обусловлен Х-сцепленным доминантным геном с различной экспрессивностью для женщин и летальностью для плодов мужского пола. Какова вероятность рождения больного ребенка у матери, страдающей заболеванием?
Работа 11. Наследственные синдромы с аномалиями развития зубочелюстной системы у человека
В настоящее время выявлено несколько тысяч наследственных заболеваний, значительная часть которых сопровождается различными нарушениями развития зубов и челюстно-лицевой области. Все эти заболевания обусловлены мутациями нормальных генов, прямо или опосредованно определяющих развитие зубочелюстной системы. Мутантные гены могут быть как доминантными, так и рецессивными, иметь различную пенетрантность и экспрессивность, располагаться в аутосомах или половых хромосомах. Рецессивные мутации могли произойти много поколений назад, пополнив «генетический груз» популяций человека. Существенную долю доминантных заболеваний составляют новые мутации, возникшие при гаметогенезе у родителей больного (спорадические случаи). Доля таких мутаций пропорциональна тяжести заболевания, степени нарушения репродуктивной функции и больше при высокой пенетрантности генов.
Изучите таблицу.
Примечание. После названия аномалии в скобках указана пенетрантность признака.
Вопросы для самоподготовки
1. Определение изменчивости и ее основных форм.
2. Что такое норма реакции, какова ее зависимость от генотипа?
3. Примеры модификационной изменчивости признаков у человека.
4. Значение модификаций для адаптации организмов.
5. В чем суть статистического метода изучения модификационной изменчивости?
6. Каковы отличия мутаций от модификаций?
7. Виды генотипической изменчивости.
8. Комбинативная изменчивость, ее причины и значение.
9. Принципы классификации мутаций.
10. Каковы причины мутаций?
11. Какое значение имеют мутации для человека?
12. Роль мутаций в развитии аномалий зубочелюстной системы у человека.
13. Какое эволюционное значение имеют разные формы изменчивости?
Тестовые задания
Выберите один правильный ответ.
1. НОРМА РЕАКЦИИ ОПРЕДЕЛЯЕТСЯ:
1. Генотипом
2. Средой
3. Фенотипом
4. Кроссинговером
5. Сцеплением генов
2. СТЕПЕНЬ ВЫРАЖЕННОСТИ ПРИЗНАКА:
1. Экспрессивность
2. Пенетрантность
3. Комплементарность
4. Плейотропия
5. Полимерия
3. В ТЕЧЕНИЕ НЕСКОЛЬКИХ ПОКОЛЕНИЙ МОГУТ
ПЕРЕДАВАТЬСЯ И ВЫЗЫВАТЬ НАСЛЕДСТВЕННЫЕ
ЗАБОЛЕВАНИЯ МУТАЦИИ:
1. Генеративные генные
2. Соматические генные
3. Генеративные геномные
4. Соматические геномные
5. Доминантные летальные
4. ЗАБОЛЕВАНИЯ ЧЕЛОВЕКА, ВЫЗВАННЫЕ ГЕНОМНЫМИ МУТАЦИЯМИ:
1. Мультифакториальные
2. Генные
3. Геномные
4. Хромосомные
5. РЕЗЕРВ НАСЛЕДСТВЕННОЙ ИЗМЕНЧИВОСТИ ФОРМИРУЮТ
МУТАЦИИ:
1. Рецессивные
2. Доминантные
3. Геномные
4. Хромосомные
5. Соматические
Выберите несколько правильных ответов.
6. К ГЕНОМНЫМ МУТАЦИЯМ ОТНОСЯТСЯ:
1. Делеции
2. Трисомии
3. Транслокации
4. Полиплоидии
5. Моносомии
6. Инверсии
7. ЗНАЧЕНИЕ КОМБИНАТИВНОЙ ИЗМЕНЧИВОСТИ:
1. Приспособление организмов к постоянно меняющимся условиям среды
2. Увеличение материала для естественного отбора
3. Проявление вредных рецессивных генов
4. Появление вредных рецессивных генов
5. Накопление генетического груза
Установите соответствие
8. МУТАЦИИ:
1. Генные
2. Хромосомные
3. Геномные
ИЗМЕНЕНИЯ:
а) Поворот хромосомы на 180°
б) Замена нуклеотидов
в) Увеличение количества хромосом на одну
г) Кроссинговер
д) Обмен участками негомологичных хромосом
е) Уменьшение набора хромосом в мейозе I
9. ИЗМЕНЧИВОСТЬ:
1. Модификационная
2. Комбинативная
3. Мутационная
МЕХАНИЗМ:
а) Кроссинговер
б) Репарация ДНК
в) Амплификация
г) Изменение активности генов
д) Нерасхождение гомологичных хромосом в мейозе 1
е) Репликация ДНК
10. ИЗМЕНЕНИЯ В ГЕНЕ:
1. Замена нуклеотида в экзоне
2. Замена нуклеотида в интроне
3. Выпадение нуклеотида в экзоне
4. Выпадение нуклеотида в интроне
ИЗМЕНЕНИЯ В СТРУКТУРЕ БЕЛКА:
а) Отсутствуют
б) Замена 1 аминокислоты
в) Замена многих аминокислот
г) Увеличение на 1 аминокислоту
д) Уменьшение на 1 аминокислоту
Литература
Основная
Биология / Под ред. В.Н. Ярыгина. — М.: Высшая школа, 2001. — Т. 1. — С. 61-64, 84-90, 128-133, 145-147, 209-212.
Пехов А.П. Биология и общая генетика. — М.: Изд-во РУДН, 1993. —
С. 86-92, 155-163, 180-183.
Дополнительная
Медицинская и клиническая генетика для стоматологов / Под ред.
О.О. Янушевича. — М.: ГЭОТАР-Медиа, 2008.
Жимулев И.Ф. Общая и молекулярная генетика. — Новосибирск: Изд-во Новосибирского ун-та, 2002.
Дурнев А.Д., Серединин С.Б. Мутагены. — М.: Медицина, 1998. Захаров А.Ф. и др. Хромосомы человека: Атлас. — М.: Медицина,
1982.
Козлова С.И., Демикова Н.С. Наследственные синдромы и медикогенетическое консультирование. — М.: Товарищество научных изданий
КМК, 2007.