Лекция по теме "Наследование признаков при моногибридном, дигибридном и полигибридном скрещивании. Взаимодействие между генами. Пенетрантность и экспрессивность генов", для специальности Лечебное дело, ОП. 05 ГЕНЕТИКА ЧЕЛОВЕКА С ОСНОВАМИ МЕДИЦИНСКОЙ ГЕНЕТИКИ

Скачать:

Предварительный просмотр:

ЛЕКЦИЯ

ТЕМА: Наследование признаков при моногибридном, дигибридном и полигибридном скрещивании. Взаимодействие между генами. Пенетрантность и экспрессивность генов.

ПЛАН.

1. Генотип и фенотип.
2. Взаимодействие аллельных и неаллельных генов: полное и неполное доминирование, кодоминирование, эпистаз, комплементарность, полимерия, плейотропия.

1. Сущность законов наследования признаков у человека.

Основные закономерности наследования признаков в поколениях были открыты чешским исследователем Г. Менделем, опубликовавшим в 1866 г.

До Г. Менделя была общепринята теория так называемой «слитной» наследственности. Ее суть состояла в том, что при оплодотворении мужское и женское «начала» перемешивались «как краски в стакане воды», давая начало новому организму.

Г. Мендель заложил фундамент представлений о дискретном характере наследственного вещества и о его распределении при образовании половых клеток у гибридов.

Он в каждом эксперименте концентрировал внимание на одном признаке, а не на растении в целом, отбирал те признаки, по которым растения четко отличались.

Прежде чем скрещивать растения между собой он убеждался, что они принадлежат чистым линиям. Для этого Г. Мендель в течение двух лет разводил различные сорта гороха, чтобы отобрать те линии, где признак всегда воспроизводился в потомстве из поколения в поколение (окраска семядолей, расположение цветков, длина растения и др.).

В первых опытах Г. Мендель принимал во внимание только одну пару признаков. Такое скрещивание носит название моногибридного.

Моногибридным называется скрещивание, при котором учитываются закономерности наследования одной пары контрастных, альтернативных признаков.

Признак - любая особенность организма, т. е. любое отдельное его качество или свойство, по которому можно различить две особи. У растений это форма венчика (например, симметричный-асимметричный) или его окраска (пурпурный-белый), скорость созревания растений (скороспелость-позднеспелость), устойчивость или восприимчивость к заболеванию и т. д

• Первоначально признаки называли аллелями. Позже слова «аллель» и «ген» стали употреблять как синонимы. Аллельные гены (гены, определяющие один и тот же признак) расположены в одном и том же локусе гомологичных хромосом. У одного диплоидного организма может быть не больше двух аллелей одного и того же гена. Напомним, что от каждого из родителей получен один ген.

Рисунок 16 Аллельные гены.

Моногибридное скрещивание .

При скрещивании растений, имеющих желтые семена, с растениями, имеющими зеленые семена в первом поколении гибридов, были получены растения только с желтыми семенами.

В потомстве не было переходных форм.

Они же в свою очередь, будучи скрещены между собой, дали потомство, состоящее из растений, как с желтыми, так и с зелеными семенами. Отношение желтых семян к зеленым было равно 3:1.

Путем обобщения ряда опытов по различным признакам гороха были сформулированы основные законы Менделя.

1. Закон доминирования или закон единообразия гибридов первого поколения.

При скрещивании особей, отличающихся друг от друга по одному признаку, в первом поколении гибридов получаются единообразные потомки, схожие только с одним из родителей.

Соответствующий признак другого родителя не проявляется.

Проявившийся в первом поколении гибридов признак называется доминантным, а непроявившийся - рецессивным признаком.

У человека типичным примером доминантного признака является брахидактилия (равномерное укорочение пальцев), а рецессивного - отсутствие фермента фенилаланингидроксилазы, приводящее к развитию тяжелого заболевания - фенилкетонурии.

1. Закон расщепления во втором поколении гибридов наблюдается появление особей с доминантными и рецессивными признаками в соотношении 3:1.

Г. Мендель ввел символы: А - для доминантного и а - для рецессивного признака, подразумевая, что сами признаки определяются дискретными факторами наследственности - задатками (позже они получили название гены).

Гаметы каждого из родителей несут по одному такому гену.

В опытах с горохом - в гаметах одного из родителей находится ген, обусловливающий желтую окраску семян, а другого - зеленую окраску семян. Такие соответствующие друг другу гены называются аллельными генами.

• Аллель (от греч. а11е1оп - другой, иной) - одна из двух и более альтернативных форм гена, имеющая определенную локализацию на хромосоме и уникальную последовательность нуклеотидов.

Принято обозначать буквенными символами:

1. родительские организмы - Р,
2. первое поколение гибридов - F1 и второе поколение - F2 , полученное от скрещивания особей первого поколения между собой.

Родительские растения, принадлежащие к чистым линиям, имеют либо два доминантных (АА), либо два рецессивных (аа) аллеля и образуют только один тип гамет (А или а соответственно).

Такие организмы называют гомозиготными.

Все их потомство F1 будет нести как ген доминантного, так и ген рецессивного признака, т.е. оно будет гетерозиготным.

В буквенном изображении это выглядит следующим образом:

Если рассмотреть окраску семян гороха, то родительские желтые семена будут гомозиготами, в то время как желтые семена, полученные в результате скрещивания, будут гетерозиготами, т.е. они будут обладать разными генотипами (Аа).

У человека примером моногибридного скрещивания является большинство браков между гетерозиготными носителями рецессивных патологических аллелей, отвечающих за различные формы обменных нарушений (галактоземия, фенилкетонурия и др.)

Все описанное выше относится к наследованию альтернативных проявлений одного признака.

Дигибридное скрещивание .

1. Закон независимого наследования признаков: при ди- и полигибридных скрещиваниях гибридов каждая пара признаков наследуется независимо друг от других, расщепляясь в соотношении 3:1, и может независимо комбинироваться с другими признаками.

В одном из опытов Г. Мендель скрещивал растения с круглыми желтыми (доминантные) семенами с растениями, семена которых были зелеными и морщинистыми (рецессивные).

Гены, обусловливающие круглую форму семян и их желтую окраску (обозначим их буквами К и Ж, соответственно), доминируют над своими аллелями, определяющими морщинистую форму (к) и зеленую окраску (ж).

Соотношение четырех типов семян во втором поколении гибридов F2 было следующим: соответственно 315 круглых желтых, 108 круглых зеленых, 101 морщинистых желтых и 32 морщинистых зеленых. Этот результат хорошо совпадал с предполагаемым распределением 9:3:3:1, если основываться на гипотезе о независимой передаче признаков, поскольку отношение 3:1 хорошо соблюдается для каждого отдельно взятого признака.

Аналогичным примером скрещивания двух гетерозигот у человека может служить брак двух близоруких индивидов с нормальной пигментацией, так как у человека ген близорукости (А) доминирует над нор м альным зрением (а), а ген, определяющий нормальную пигментацию (В), доминирует над альбинизмом (в). В подобном браке оба родителя будут иметь генотип АаВв и образовывать четыре типа гамет: АВ, Ав, аВ, ав. Расщепление по фенотипу у детей будет следующим: 9 - близорукий, с нормальной пигментацией; 3 - близорукий, альбинос; 3 - нормальное зрение, нормальная пигментация; 1 - нормальное зрение, альбинос. Но если рассматривать все потомство только по одной паре признаков, то оказывается что каждый признак расщепляется в соотношении 3:1, т.е. признаки ведут себя независимо.

1. Генотип и фенотип.

Генотипом называют совокупность генов , характеризующую данный организм.

Фенотип - совокупность признаков , проявляющихся в результате действия генов в определенных условиях среды. Этот термин может употребляться и по отношению к одному из альтернативных признаков .

1. Взаимодействие аллельных и неаллельных генов:

полное и неполное доминирование,

кодоминирование, эпистаз,

комплементарность,

полимерия, плейотропия.

Взаимодействие аллельных генов

Такая форма взаимодействия аллельных генов, как доминантность и рецессивность представляет собой пример аллельных взаимодействий.

Однако вскоре после вторичного открытия законов Менделя были обнаружены факты, указывающие на существование других форм межгенных взаимоотношений в системе генотипа.

Так, оказалось, что доминирование одних признаков над другими представляет собой широко распространенное, но не универсальное явление.

В некоторых случаях имеет место неполное доминирование : гибрид F1 характеризуется признаком промежуточным между родительскими. Таким примером является появление цветков львиного зева розовой окраски при скрещивании цветков красного и белого цвета. В данном случае различия окраски обусловлены парой аллельных генов, в которых отсутствует доминирование.

Многие, может быть даже все, гены у разных организмов существуют более чем в двух аллельных формах, хотя один диплоидный организм не может быть носителем более двух аллелей. Это явление множественного аллелизма.

Впервые множественные аллели были открыты в локусе white у дрозофилы Т. Морганом и его сотрудниками. Особенность аллельных отношений заключается в том, что аллели можно расположить в ряд в порядке убывания степени доминирования.

Так, ген красноглазости - дикого (наиболее распространенного в природе) типа - будет доминировать над всеми остальными аллелями. Всего их около 15-ти. Каждый последующий член серии аллелей будет доминировать над всеми остальными членами, кроме предыдущего. Существование множественных аллелей само по себе указывает на относительный характер доминирования, как и на то, что оно проявляется в конкретных условиях среды.

Имеются случаи, когда отношения доминантности и рецессивности отсутствуют и оба аллеля проявляются в фенотипе. Здесь речь идет о кодоминировании .

Например, если один из родителей имеет группу крови А, а другой - В, то в крови их детей присутствуют антигены, характерные и для группы А, и для группы В. Такие гены носят название кодоминантных генов. Они представлены двумя и большим количеством аллелей.

Взаимодействие неаллельных генов: комплементарность, эпистаз и полимерия.

Примером комплементарного взаимодействия генов у человека является образование в иммунокомпетентных клетках организма специфического белка интерферона, связанного с взаимодействием двух неаллельных генов, локализованных в разных хромосомах.

Эпистаз - подавление одного гена другим, неаллельным геном.

Ген подавитель - супрессор, действует на подавляемый ген по принципу, близкому к доминантности, - рецессивности. Разница в том, что они не являются аллельными, т.е. занимают различные локусы в гомологичных и негомологичных Х-хромосомах.

Примером эпистаза у человека является так называемый «бомбейский фенотип». Известно, что наследование групп крови АВО у человека находится под контролем одного гена (I), у которого различают 3 аллеля - 1 а , I b , I o . Для реализации информации каждого аллеля необходимо присутствие доминантного аллеля Н другого генного локуса.

Если индивид является гомозиготой по Н-системе (т.е. hh), то аллель I b системы АВО не может проявить свое действие. Человек с генетической конституцией ВВ и ВО должен иметь III группу крови. Если же он одновременно является гомозиготой hh, то в реакции агглютинации у него аллель В не проявится, и человек будет распознан как имеющий первую группу крови.

Полимерия.

О полимерии говорят в случае наличия нескольких генов, одинаково влияющих на один признак.

Их действие чаще всего бывает суммирующимся

Проявление. такого действия будет зависеть от числа доминантных аллелей.

Так, при аддитивном действии фенотип будет более выражен при генотипе ААВВ, чем при АаВв. Например, пигментация кожи у человека варьирует от белой до черной. От браков между неграми и белыми рождаются дети с промежуточным цветом кожи, так называемые мулаты. В случае браков между мулатами потомки могут обладать любой окраской кожи - от черной до белой. Предполагается, что разница в пигментации кожи белых и чернокожих людей обусловлена действием трех или четырех неаллельных генов, каждый из которых в количественном отношении на окраску кожи влияет примерно одинаково.

Плейотропное действие генов- независимое или автономное действие гена в разных органах и тканях, другими словами - влияние одного гена на формирование нескольких признаков.

Первичная плейотропия обусловлена биохимическими механизмами действия мутантного белка или фермента - первичных продуктов мутантных аллелей. Для иллюстрации этого положения приведем примеры.

Мутантные аллели различных генов, контролирующих синтез коллагена и фибриллина, приводят к нарушению свойств соединительной ткани.

Поскольку соединительная ткань является основой всех органов и тканей, то понятно множественное влияние этих мутаций на клиническую картину (фенотип) при таких наследственных заболеваниях соединительной ткани, как, например, синдром Элерса-Данло и синдром Марфана, проявляющийся, в частности, характерными изменениями костной системы, пролапсом митрального клапана сердца, расширением дуги аорты, подвывихом хрусталика (вследствие слабости цинновой связки).

Другим примером является множественное поражение организма при нейрофиб-роматозе, когда результатом первичного плейотропного действия мутантного гена будет поражение нервной и костной систем, кожи и органа зрения и другие симптомы.

Еще одним примером первичного плейотропного действия гена можно считать характерные симптомы такого наследственного синдрома, как синдром Барде-Бидла, проявляющийся сочетанием ожирения, шестипалости кистей и/или стоп, недоразвитием половых органов, умственной отсталостью и характерным поражением органа зрения у больных индивидов.

Вторичная плейотропия - поражения организма может быть обусловлена осложнениями первичных патологических процессов, между которыми можно проследить взаимосвязь.

Пример, при одном из моногенных, аутосомно-рецессивно наследуемых заболеваний - муковисцидозе - наблюдается ошибка в синтезе трансмембранного белка, обеспечивающего ионный транспорт в клетках экзокринных желез .

Нарушение ионного транспорта Na и Cl ведет к формированию густой слизи в бронхах, экзокринной части поджелудочной железы и/или других экзокринных желез (половых и потовых), что влечет за собой вторичные воспалительные процессы, закупорку выводных протоков, нарушение переваривания пищи и развитие вторичных воспалительных процессов.

1. Пенетрантность и экспрессивность генов у человека.

Пенетрантность - вероятность проявления гена у его заведомых носителей. Если фенотипическое проявление наблюдают у всех носителей, говорят о полной, 100-процентной пенетрантности. Однако при многих заболеваниях такого не происходит, а наблюдается неполная пенетрантность. В этих случаях говорят о предрасположенности (к диабету, шизофрении, сердечно-сосудистым заболеваниям и пр.); даже носитель соответствующего гена может быть здоров. Современные методы диагностики позволяют во многих случаях выявить носительство дефектных генов.

Понятие экспрессивность отражает степень выраженности признака.

Экспрессивность гена характеризует разную степень выраженности заболевания при одном и том же генотипе.Экспрессивность гена характеризует разную степень выраженности заболевания при одном и том же генотипе.

Так, например, при одном из аутосомно-доминантных синдромов - синдроме Холт-Орама (синдром «рука-сердце») - характерное поражение костной системы может варьировать от незначительно недоразвитой лучевой кости до ее отсутствия с формированием лучевой косорукости.

Примером варьирующей экспрессивности заболевания являются также различия в тяжести течения такого частого наследственного аутосомно-доминантного заболевания, как нейрофиброматоз. Очень часто даже в одной семье имеются больные с легким течением (наличием пигментных пятен, небольшого количества нейрофибром, «веснушек» в складках кожи) и тяжелым течением заболевания (с опухолями ЦНС, озлокачествлением нейрофибром и другими грозными симптомами).

Практическое занятие

Решение задач, моделирующих моногибридное, дигибридное, полигибридное скрещивание

Межгенные взаимодействия, межаллельные взаимодействия, сложность и разветвлённость метаболических процессов, в которых участвуют кодируемые генами белки (ферменты), обусловливают сложную специфику фенотипического проявления признака. Степень выраженности признака в фенотипе получила название экспрессивности (термин введён Н.В. Тимофеевым-Ресовским в 1927 году). Под ней понимают степень фенотипического проявления аллеля у разных особей. При отсутствии вариантов проявления признака говорят о постоянной экспрессивности. Например, аллели систем группы крови АВ0 у человека имеют практически постоянную экспрессивность, а аллели, определяющие окраску глаз у человека - изменчивую экспрессивность. Классическим примером изменчивой экспрессивности рассматривают проявление рецессивной мутации, уменьшающей число фасеток глаза у дрозофилы: у разных особей может формироваться разное число фасеток вплоть до полного исчезновения.

Экспрессивность выражают количествен­но. Частота встречаемости данного признака в поколении называется пенетрантностью (термин предложен Н.В.Тимофеевым-Рессовским в 1927 году). Количественно её выражают в процентах. Пенетрантность бывает полной (100% встречаемость признака) и неполной (встречаемость признака менее 100%). Например, у человека пенетрантность врождённого вывиха бедра составляет 25%, а пенетрантность дефекта глаза «колобомы» - около 50%.

Знание механизмов и характера экспрессивности имеет значение в ме­дико-генетическом консультировании и определении возможного генотипа фенотипически «здоровых» людей, родственники которых имели наследс­твенные заболевания. Явления экспрессивности указывают, что доминированием (проявлением доминантного аллельного гена) можно управлять, обоснованно осуществляя поиск средств, предотвращающих развитие наследственных аномалий и патологически отягощённой наследственности у человека. Тот факт, что один и тот же генотип может явиться источником развития различных фенотипов, имеет существенное значение для медицины. Это означает, что отягощённая наследственность не обязательно должна проявиться в развивающемся организме. В ряде случаев развитие болезни можно предотвратить, в частности диетой или лекарственными препаратами.

Известны одинаковые изменения фенотипа, обусловленные изменениями аллелей различных генов - генокопии. Их возникновение - следствие контроля признака многими генами. Поскольку биосинтез молекул в клетке, как правило, осуществляется многоэтапно, мутации разных генов, контролирующих различные этапы одного биохимического пути, могут приводить к одинаковому результату - отсутствию конечного продукта цепи реакций и, следовательно, одинаковому изменению фенотипа. Так, у человека известно несколько форм глухоты, вызываемых мутантными аллеля­ми трёх аутосомных генов и одного гена Х-хромосомы. Однако в различных случаях глухота сопровождается либо пигментным ретинитом, либо зо­бом, или же аномалиями функции сердца. Проблема генокопий актуальна также в медицинской генетике для прогноза возможного проявления наследственных заболеваний у потомков, если родители имели сходные болезни или аномалии развития.

• Вводный урок бесплатно ;
• Большое число опытных преподавателей (нейтивов и русскоязычных);
• Курсы НЕ на определенный срок (месяц, полгода, год), а на конкретное количество занятий (5, 10, 20, 50);
• Более 10 000 довольных клиентов.
• Стоимость одного занятия с русскоязычным преподавателем - от 600 рублей , с носителем языка - от 1500 рублей

Пенетрантность – частота проявления гена. Определяется по проценту особей в популяции из числа несущих ген, у которых он проявился. При полной пенетрантности доминантный или гомозиготно-рецессивный аллель проявляется у каждой особи, а при неполной пенетрантности – у части особей.

Экспрессивность – степень фенотипического проявления гена как меры силы его действия, определяемая по степени развития признака. На экспрессивность могут влиять гены – модификаторы и факторы среды. У мутантов с неполной пенентрантностью часто изменяется и экспрессивность. Пенетрантность – явление качественное, экспрессивность количественное.

В медицине пенетрантность - это доля людей с данным генотипом, имеющих хотя бы один симптом заболевания (иными словами, пенетрантность определяет вероятность заболевания, но не его тяжесть). Некоторые считают, что пенетрантность изменяется с возрастом, например при болезни Гентингтона, однако обычно различия в возрасте начала заболевания приписывают изменчивой экспрессивности. Иногда пенетрантность зависит от факторов окружающей среды, например при недостаточности Г-6-ФД.

Пенетрантность может иметь важное значение при медико-генетическом консультировании в случае аутосомно-доминантных заболеваний. Здоровый человек, у которого один из родителей страдает подобным заболеванием, с точки зрения классического наследования не может быть носителем мутантного гена. Однако если учитывать возможность неполной пенетрантности, то картина совсем иная: внешне здоровый человек может иметь непроявляющийся мутантный ген, передать его детям.

Методы генной диагностики позволяют определить, есть ли у человека мутантный ген, и отличить нормальный ген от непроявляющегося мутантного гена.

На практике определение пенетрантности часто зависит от качества методов исследования, например, с помощью МРТ можно обнаружить симптомы болезни, которые раньше не выявляли.

С точки зрения медицины ген считают проявившимся даже при бессимптомном заболевании, если выявлены функциональные отклонения от нормы. С точки зрения биологии ген считают проявившимся, если он нарушает функции организма.

Хотя обычно говорят о пенетрантности и экспрессивности аутосомно-доминантных болезней, эти же принципы применимы при хромосомных, аутосомно-рецессивных, Х-сцепленных и полигенных болезнях.

Развитие зародыша протекает при непрерывном взаимодействии наследственных и внешних факторов. В процессе таких взаимоотношений формируется фенотип, фактически отражающий результат реализации наследственной программы в конкретных условиях среды. Несмотря на то, что внутриутробное развитие зародыша у млекопитающих происходит в относительно постоянной среде в оптимальных условиях, влияние внешних неблагоприятных факторов в этот период вовсе не исключено, особенно при их возрастающем накоплении в окружающей среде в связи с техническим прогрессом. В настоящее время человек во все периоды своей жизни подвергается воздействию химических, физических, биологических и психологических факторов.

Экспериментальное изучение развития животных привело к представлению о так называемых критических периодах в развитии организмов. Под этим термином понимают периоды, когда зародыш наиболее чувствителен к повреждающему действию разнообразных факторов, которые могут нарушить нормальное развитие, т.е. это периоды наименьшей устойчивости зародыша к факторам внешней среды.

Эти понятия впервые введены в 1926 г. Н.В. Тимофеевым Рессовским и 0. Фогтом для описания варьирующего проявления признаков и контролирующих их генов. Экспрессивность есть степень выраженности (варьирования) одного и того же признака у разных лиц, имеющих ген, контролирующий данный признак. Наблюдается низкая и высокая экспрессивность. Рассмотрим, например, разную выраженность ринита (насморка) у трех разных больных (А, Б и С) с одним и тем же диагнозом 0РВИ. У больного А ринит выражен в легкой степени («шмыгание носом»), позволяющей в течение дня обходиться одним носовым платком; у больного Б ринит выражен в средней степени (ежедневно 2-3 носовых платка); у больного С - высокая степень выраженности ринита (5-6 носовых платков). Когда говорят об экспрессивности не отдельно взятого признака, а заболевания в целом, врачи часто оценивают состояние больного как удовлетворительное или средней степени тяжести, или как тяжелое,

т.е. в данном случае понятие экспрессивности аналогично понятию «тяжесть течения болезни».

Пенетрантность - это вероятность проявления одного и того же признака у разных лиц, имеющих ген, контролирующий данный признак. Пенетрантность измеряется в проценте лиц с определенным признаком от общего числа лиц, являющихся носителями гена, контролирующего данный признак. 0на бывает неполной или полной.

Примером заболевания с неполной пенетрантностью служит все тот же ринит при 0РВИ. Так, можно считать, что у больного А нет ринита (но есть другие признаки заболевания), тогда как у больных В и С ринит есть. Поэтому в данном случае пенетрантность ринита составляет 66,6%.

Пример заболевания с полной пенетрантностью - аутосомнодоминантная хорея Гентингтона (4р16). 0на манифестирует преимущественно у лиц в возрасте 31-55 лет (77% случаев), у остальных же больных - в другом возрасте: как в первые годы жизни, так и в 65, 75 лет и более. Важно подчеркнуть: если ген этой болезни передан потомку от одного из родителей, то болезнь проявится обязательно, в чем заключается полная пенетрантность. Правда, пациент не всегда доживает до манифестации хореи Гентингтона, умирая от другой причины.

Генокопирование и его причины
Генокопии (лат. genocopia ) - это сходные фенотипы, сформировавшиеся под влиянием разных неаллельных генов.
Ряд сходных по внешнему проявлению признаков, в том числе и наследственных болезней, может вызываться различными неаллельными генами. Такое явление называется генокопией. Биологическая природа генокопий заключается в том, что синтез одинаковых веществ в клетке в ряде случаев достигается различными путями.

В наследственной патологии человека большую роль играют также фенокопии - модификационные изменения. Они обусловлены тем, что в процессе развития под влиянием внешних факторов признак, зависящий от определенного генотипа, может измениться; при этом копируются признаки, характерные для другого генотипа.

То есть это одинаковые изменения фенотипа, обусловленные аллелями разных генов, а также имеющие место в результате различных генных взаимодействий или нарушений различных этапов одного биохимического процесса с прекращением синтеза. Проявляется как эффект определенных мутаций, копирующих действие генов или их взаимодействие.

Один и тот же признак (группа признаков) бывает обусловлен разными генетическими причинами (или гетерогенностью). Такой эффект, по предложению немецкого генетика Х. Нахтхайма, получил в середине 40-х годов XX в. название генокопирования. Известны три группы причин генокопирования.

Причины первой группы объединяет гетерогенность за счет полилокусности, или действия разных генов, расположенных в разных локусах на разных хромосомах. Например, среди наследственных болезней обмена сложных сахаров - глюкозоаминогликанов выделены 19 типов (подтипов) мукополисахаридозов. Все типы харак-

теризуются дефектами разных ферментов, но проявляются одной и той же (либо сходной) симптоматикой гаргоилического дисморфизма или фенотипа звонаря Квазимодо - главного героя романа «Собор Парижской Богоматери» классика французской литературы Виктора Гюго. Схожий фенотип нередко наблюдается и при муколипидозах (нарушениях обмена липидов).

Другой пример полилокусности - фенилкетонурия. Сейчас выделены не только ее классический тип, обусловленный дефицитом фенилаланин-4-гидроксилазы (12q24.2), но и три атипичные формы: одна вызвана дефицитом дигидроптеридинредуктазы (4р15.1), а еще две - дефицитом ферментов пирувоилтетрагидроптерин-синтетазы и тетрагидробиоптерина (соответствующие гены пока не определены).

Дополнительные примеры полилокусности: гликогенозы (10 генокопий), синдром Эллерса-Данлоса (8), нейрофибраматоз Реклингаузена (6), врожденный гипотиреоз (5), гемолитическая анемия (5), болезнь Альцгеймера (5), синдром Барде-Бидля (3), рак грудной железы (2).

Причины второй группы объединяет внутрилокусная гетерогенность. Она обусловлена либо множественным аллелизмом (см. главу 2), либо наличием генетических компаундов, или двойных гетерозигот, имеющих два одинаковых патологических аллеля в идентичных локусах гомологичных хромосом. Пример последнего - гетерозиготная бета-талассемия (11р15.5), формирующаяся в результате делеций двух генов, кодирующих бета-цепи глобинов, что ведет к повышенному содержанию гемоглобина HbA 2 и повышенному (или нормальному) уровню гемоглобина HbF.

Причины третьей группы объединяет гетерогенность за счет мутаций в разных точках одного и того же гена. Пример - муковисцидоз (7q31-q32), развивающийся из-за наличия почти 1000 точковых мутаций в гене, отвечающем за болезнь. При общей длине гена муковисцидоза (250 тыс. н.п.) в нем предполагается обнаружить до 5000 таких мутаций. Данный ген кодирует белок, ответственный за трансмембранный перенос ионов хлора, что ведет к увеличению вязкости секрета экзокринных желез (потовых, слюнных, подъязычных и др.) и закупорке их протоков.

Другой пример - классическая фенилкетонурия, обусловленная наличием 50 точковых мутаций в гене, кодирующем фенилаланин-4- гидроксилазу (12q24.2); всего при этой болезни предполагается обнаружить более 500 точковых мутаций гена. Большинство их возникает из-за полиморфизма по длине рестрикционных фрагментов (RFLP) или по числу тандемных повторов (VNTP). Установлено: главная мутация гена фенилкетонурии в славянских популяциях - R408 W/

Эффект плейотропии

Вышеупомянутая неоднозначность характера связей между генами и признаками выражается также в эффекте плейотропии или плейотропного действия, когда один ген вызывает формирование целого ряда признаков.

Например, ген аутосомно-рецессивной атаксии-телеангиэктазии, или синдрома Луи-Бар (11q23.2) ответственен за одновременное поражение не менее шести систем организма (нервная и иммунная системы, кожные покровы, слизистые оболочки органов дыхания и желудочно-кишечного тракта, а также конъюнктива глаз).

Другие примеры: ген синдрома Барде-Бидля (16q21) обусловливает слабоумие, полидактилию, ожирение, пигментную дегенерацию сетчатки; ген анемии Фанкони (20q13.2-13.3), контролирующий активность топоизомеразы I, вызывает анемию, тромбоцитопению, лейкопению, микроцефалию, аплазию лучевой кости, гипоплазию пястной кости I пальца, пороки развития сердца и почек, гипоспадию, пигментные пятна кожи, повышенную ломкость хромосом.

Выделяют первичную и вторичную плейотропию. Первичная плейотропия обусловлена биохимическими механизмами действия мутантного белка-фермента (например, недостаточностью фенилаланин-4-гидроксилазы при фенилкетонурии).

Вторичная плейотропия обусловлена осложнениями патологического процесса, развившегося в результате первичной плейотропии. Например, за счет усиленного кроветворения и гемосидероза паренхиматозных органов у больного с талассемией возникают утолщение костей черепа и гепатолиенальный синдром.

Генов? Какова её роль? Как работает механизм экспрессии генов? Какие перспективы он перед нами открывает? Как происходит регуляция экспрессии генов у эукариот и прокариот? Вот краткий перечень вопросов, которые будут рассмотрены в рамках данной статьи.

Общая информация

Экспрессия генов - это название процесса переноса от ДНК посредством РНК к белкам и полипептидам. Давайте для понимания сделаем небольшое отступление. Что такое гены? Это линейные полимеры ДНК, что являются соединёнными в длинную цепь. С помощью они образуют хромосомы. Если говорить о человеке, то у нас их сорок шесть. В них находится примерно 50 000-10 000 генов и 3,1 миллиарда пар нуклеотидов. Как же здесь ориентируются? Длина участков, с которыми ведётся работа, указывается в тысячах и миллионах нуклеотидов. Одна хромосома содержит около 2000-5000 генов. В несколько ином выражении - около 130 миллионов пар нуклеотидов. Но это только очень приблизительная оценка, которая более-менее верна для значительных последовательностей. Если работать на коротких участках, то соотношение будет нарушаться. Также на это может повлиять пол организма, над материалом которого ведётся работа.

О генах

Они имеют самую разнообразную длину. Вот, например, глобин - это 1500 нуклеотидов. А дистрофин - уже целых 2 миллиона! Их регуляторные цис-элементы могут быть удалены от гена на значительное расстояние. Так, у глобина они находятся на расстоянии в 50 и 30 тысяч нуклеотидов в 5"- и 3"-направлении соответственно. Наличие подобной организации значительным образом затрудняет нам определение границ между ними. Также гены содержат в себе значительное количество высокоповторяющихся последовательностей, функциональные обязанности которых нам ещё не понятны.

Для понимания их структуры можно представить, что 46 хромосом являются отдельными томами, в которых находится информация. Они сгруппированы в 23 пары. Один из двух элементов наследуется от родителя. "Текст", что находится в "томах", многократно "перечитывался" тысячами поколений, что привносило в него много ошибок и изменений (называемых мутациями). И все они наследуются потомством. Теперь есть достаточно теоретической информации, чтобы начать разбираться с тем, что собой являет экспрессия генов. Это ведь является главной темой данной статьи.

Теория оперона

Она строится на генетических исследованиях индукции β-галактозидазы, которая участвовала в гидролитическом расщеплении лактозы. Сформулирована она была Жаком Моно и Франсуа Жакобом. Данная теория объясняет механизм контроля над синтезом белков у прокариот. Также важная роль отводится и транскрипции. Теория гласит, что гены белков, которые функционально тесно связаны в метаболических процессах, часто группируются вместе. Они создают структурные единицы, названные оперонами. Их важность в том, что все гены, которые входят в него, экспрессируются согласованно. Иными словами, они все могут быть транскрибированы, или же никого из них нельзя «прочитать». В таких случаях оперон считается активным или пассивным. Уровень экспрессии генов может меняться, только если есть набор отдельных элементов.

Индукция синтеза белков

Давайте представим, что у нас есть клетка, которая в качестве источника своего роста использует углерод глюкозу. Если её поменять на дисахарид лактозу, то через несколько минут можно будет зафиксировать, что она адаптировалась к условиям, которые были изменены. Этому существует такое объяснение: клетка может работать обоими источниками роста, но один из них является более подходящим. Поэтому существует «прицел» на более легкообрабатываемое химическое соединение. Но если оно пропадает и на смену ему появляется лактоза, то ответственная РНК-полимераза активируется и начинает оказывать своё влияние на производство необходимого белка. Это больше теория, а сейчас давайте поговорим о том, как же собственно происходит экспрессия генов. Это весьма увлекательно.

Организация хроматина

Материал из данного абзаца представляет собой модель дифференцированной клетки многоклеточного организма. В ядрах хроматин уложен таким образом, что для транскрипции доступна только малая часть генома (около 1 %). Но, несмотря на это, благодаря разнообразию клеток и сложности идущих в них процессов мы можем влиять на них. На данный момент для человека доступным является такое влияние на организацию хроматина:

1. Изменять количество структурных генов.
2. Эффективно транскрибировать разные участки кода.
3. Перестраивать гены в хромосомах.
4. Вносить модификации и синтезировать полипептидные цепи.

Но эффективная экспрессия гена-мишени достигается в результате четкого соблюдения технологии. Неважно, с чем ведётся работа, пускай даже эксперимент идёт над небольшим вирусом. Главное - это придерживаться составленного плана вмешательства.

Изменяем количество генов

Как это можно реализовать? Представим, что нас интересует влияние на экспрессию генов. В качестве опытного образца мы взяли материал эукариота. Он обладает высокой пластичностью, поэтому можем внести такие изменения:

1. Увеличить число генов. Используется в тех случаях, когда необходимо, чтобы организм увеличил синтез определённого продукта. В подобном амплифицированном состоянии находятся многие полезные элементы человеческого генома (например, рРНК, тРНК, гистоны и так далее). Такие участки могут иметь тандемное расположение в рамках хромосомы и даже выходить за их рамки в количестве от 100 тысяч до 1 миллиона пар нуклеотидов. Давайте рассмотрим практическое применение. Интерес для нас представляет ген металлотионеина. Его белковый продукт может связывать тяжелые металлы вроде цинка, кадмия, ртути и меди и, соответственно, защищать организм от отравления ими. Его активация может быть полезной людям, которые работают в небезопасных условиях. Если у человека наблюдается повышенная концентрация ранее упомянутых тяжелых металлов, то активация гена происходит постепенно автоматически.
2. Уменьшить число генов. Это довольно редко применяемый способ регуляции. Но и здесь можно привести примеры. Один из наиболее известных - это эритроциты. Когда они созревают, то разрушается ядро и носитель теряет свой геном. Подобное в процессе созревания проходят и лимфоциты, а также плазматические клетки различных клонов, что синтезируют секретируемые формы иммуноглобулинов.

Перестройка генов

Важной является возможность перемещения и объединения материала, при котором он будет способен к транскрипции и репликации. Данный процесс получил название генетической рекомбинации. С помощью каких механизмов она является возможной? Давайте рассмотрим ответ на этот вопрос на примере антител. Они создаются В-лимфоцитами, что принадлежат какому-то определённому клону. И в случае попадания в тело антигена, на который есть антитело с комплементарным активным центром, произойдёт их присоединение с последующей пролиферацией клетки. Почему же у организма человека есть возможность создавать такое разнообразие белков? Такая возможность обеспечивается рекомбинацией и Но это может быть и следствие искусственных изменений в структуре ДНК.

Изменение РНК

Экспрессия генов - это процесс, в котором значительную роль играет Если рассматривать мРНК, то необходимо заметить, что после транскрипции первичная структура может меняться. Последовательность нуклеотидов в генах одинаковая. А вот в разных тканях мРНК могут появляться замены, вставки или попросту будут происходить выпадения пар. В качестве примера со стороны природы можно привести апопротеин В, создаваемый в клетках тонкого кишечника и печени. В чем же разница редактирования? Версия, создаваемая кишечником, имеет 2152 аминокислоты. Тогда как вариант печени может похвастаться содержанием 4563 остатков! И несмотря на такое различие, у нас имеется именно апопротеин В.

Изменение стабильности мРНК

Мы уже почти пришли к тому, чтобы можно было заняться белками и полипептидами. Но давайте перед этим ещё рассмотрим, как может закрепляться стабильность мРНК. Для этого первоначально она должна покинуть ядро и выйти из цитоплазмы. Осуществляется это благодаря имеющимся порам. Большое количество мРНК будет расщеплено нуклеазами. Те же, что избегут данной участи, организуют комплексы с белками. Время жизни эукариотической мРНК колеблется в широком диапазоне (до нескольких дней). Если стабилизировать мРНК, то при фиксированной скорости можно будет наблюдать, что увеличивается количество новообразованного белкового продукта. Уровень экспрессии генов при этом не изменится, но, что более важно, организм будет действовать с большей эффективностью. С помощью можно кодировать конечный продукт, который будет иметь значительную продолжительность жизни. Так, к примеру, возможным является создание β-глобина, функционирующего примерно десять часов (для него это весьма много).

Скорость процессов

Вот и рассмотрена в общем и целом система экспрессии генов. Сейчас осталось только дополнить имеющиеся знания информацией о том, как быстро происходят процессы, а также насколько долго живут белки. Скажем так, проведём контроль экспрессии генов. Следует отметить, что влияние на скорость не считается основным способом регуляции разнообразия и количества белкового продукта. Хотя её изменение для достижения данной цели всё же использовалось. В качестве примера можно привести синтез белкового продукта в ретикулоцитах. Кроветворные клетки на уровне дифференцировки лишены ядра (а значит, и ДНК). Уровни регуляции экспрессии генов вообще строятся в зависимости от возможностей какого-то соединения активно влиять на осуществляемые процессы.

Длительность существования

Когда же белок синтезирован, то время, в течение которого он будет жить, зависит от протеаз. Здесь нельзя точно назвать сроки, поскольку диапазон в данном случае составляет от нескольких часов до пары лет. Скорость расщепления белка широко варьируется в зависимости от того, в какой клетке он находится. Ферменты, которые могут катализировать процессы, как правило, быстро «употребляются». Из-за этого они также создаются организмом в больших количествах. Также на срок жизни белка может оказать влияние физиологическое состояние организма. Также если был создан дефектный продукт, то он будет быстро ликвидирован защитной системой. Таким образом, можно уверенно сказать, что единственное, о чем мы можем судить, - это стандартное время жизни, полученное в лабораторных условиях.

Заключение

Данное направление является очень перспективным. Например, экспрессия чужеродных генов может помочь вылечить наследственные болезни, а также ликвидировать негативные мутации. Несмотря на наличие обширных знаний по этой теме, можно уверенно сказать, что человечество ещё только находится в самом начале пути. Генетическая инженерия совсем недавно научилась выделять необходимые участки нуклеотидов. 20 лет назад произошло одно из самых больших событий данной науки - была создана овечка Долли. Сейчас же ведутся исследования с человеческими эмбрионами. Можно с уверенностью сказать, что мы уже на пороге будущего, где нет болезней и физиологических страданий. Но прежде чем мы там окажемся, необходимо будет очень хорошо поработать на благо процветания.