История развития и основные достижения современной генетики.
Цитологические основы наследственности
1. Генетика – наука о наследственности и изменчивости. Предмет, цели и задачи медицинской генетики. Методы генетики
.
Генетика
– наука о закономерностях наследственности и изменчивости организмов.
Наследственность
– это способность организмов повторять в ряду поколений сходные признаки и обеспечивать специфический характер индивидуального развития.
Изменчивость
– это способность организмов приобретать различия в признаках друг от друга и от своих родителей.
Медицинская генетика
– раздел генетики, связанный с антропогенетикой (генетикой человека). Генетика человека наряду с морфологией, физиологией и биохимией является теоретическим фундаментом современной медицины. Генетика человека в своём развитии постоянно опиралась на общебиологические концепции (эволюционное учение, онтогенез) и достижения теоретической и клинической медицины.
Медицинская (клиническая) генетика – наука о роли наследственности и изменчивости в возникновении патологии человека.
Предмет
медицинской генетики - закономерности передачи от поколения к поколению наследственных болезней, разработка методов диагностики, лечения и профилактики всех форм наследственной патологии.
Цель
изучения медицинской генетики – овладение основами генетики будущими медицинскими работниками для большего использования генетических подходов при оказании медицинской помощи или профилактике заболеваний.
Задачи
медицинской генетики:
1) создание медико-генетических консультаций, оказывающих помощь тем супружеским парам, у которых возникают сомнения по поводу здоровья будущего ребёнка;
2) разработка мер по уменьшению вероятности воздействия на человека мутагенных факторов и контроль их присутствия в окружающей среде;
3) расшифровка всех генов человека (100 тысяч) и составление генетических карт хромосом (хорошо изучены и прокартированы 21-я и Y-хромосома).
Методы
изучения генетики человека:
- Генеалогический метод – основан на изучении родословных.
- Близнецовый метод – основан на вариантах сравнения близнецовых пар для выявления роли наследственности и среды при формирование признаков у человека.
- Цитогенетический метод – основан на изучении хромосомного набора эмбриона с помощью микроскопа и обнаружения дефектов кариотипа или отдельных хромосом. С этим методом связана методика амниоцентеза
– возможность обнаружить аномальное число хромосом у плода на 16-й неделе беременности. Для этого берут пробу околоплодной жидкости, содержащей отшелушивающиеся клетки плода, которые исследуются под микроскопом. Диагностика наследственных болезней или других нарушений в период внутриутробного развития называется пренатальная диагностика
.
- Биохимический метод – основан на обнаружении отклонений в биохимических реакциях, происходящих в организме, и связанных с изменениями генотипа.
Знания генетики необходимы медицинскому работнику любой специальности для понимания сущности жизни, механизмов индивидуального развития и его нарушений, природы любого заболевания, для рационального подхода к диагностике, лечению и профилактике болезней. Поэтому медицинскую генетику можно рассматривать как науку и отрасль здравоохранения.
2. История генетики человека.
В своём развитии генетика прошла три этапа
. На каждом из них формировались определённые представления человека о передаваемых по наследству различиях между людьми, о структуре наследственного материала и о закономерностях наследования признаков.
В античные времена и в средние века
врачи и философы сообщали о своих эмпирических наблюдениях и выдвигали теоретические объяснения наиболее важных формальных признаков наследования. Например, высказывание Гиппократа: «…семя производит всё тело, здоровое семя производят здоровые части тела, больное – больные. …У лысого рождается лысый, у голубоглазого – голубоглазый, а у косого – косой, ничто не помешает рождению длинноголовых у длинноголовых…».
В средние века в науке господствовала схоластика – безрезультативное, бесплодное умствование. Это было время, когда истинные факты и ошибочные представления были перемешаны, критериев истины не было.
Следующий этап
XVII
-
XIX
в.в.
– это этап бурного развития цитологии, накопления фактов и выявления основных закономерностей наследования признаков
. Английский врач Адамс, живший в 1756 – 1818 гг., издал «Трактат о предполагаемых наследственных свойствах болезней».
Определяющий вклад в понимание механизмов наследования, вывод о дискретности материала наследственности и о генетической чистоте гамет сделал Грегор Иоган Мендель – чешский исследователь в 1866 г. Он является основателем научной генетики.
Третий этап – ХХ век. Законы генетики были переоткрыты в 1900 г.
независимо друг от друга тремя учёными: Гуго де Фризом (Голландия), Карлом Корренсом (Германия), Эрихом Чермаком (Австрия). Этот год и считается годом рождения генетики как науки.
В последующие 100 лет
к наиболее значимым открытиям в генетике можно отнести:
- обоснование хромосомной теории наследственности Томаса Моргана (1910 –1920 гг.);
- доказательства информационной роли ДНК и расшифровка её стереохимической структуры, сделанная Дж. Уотсоном, Фр. Криком и М. Уилкинсом (1930 – 1953 гг.);
- расшифровка генетического кода и генетических механизмов синтеза белка (60-е годы);
- создание технологий рекомбинантных ДНК (генная инженерия, 70-е годы);
- расшифровка геномов организмов, в том числе и генома человека (1980-2000 гг.).
Постепенно эта наука заняла ключевые позиции и лидирующее положение в фундаментальной биологии.
3. Цитологические основы наследственности.
1) Клетка – основная единица биологической активности
.
Клетка является основой строения любого живого организма, а при размножении – связующим звеном двух поколений. Главные части клетки: клеточная оболочка, или мембрана клетки, цитоплазма с органоидами, ядро, ограниченное от цитоплазмы ядерной оболочкой (у эукариотов, прокариоты ядер не имеют). В этом принципиальное сходство клеток организма. А отличаются они в зависимости от деятельности и места расположения в организме. Генетическая информация, которую передаёт одно поколение клеток или организмов другому, заключена преимущественно в ядре клеток. Ядро в клетке различимо только в интерфазе – периоде между её делениями.
2) Структура и функции клеточного ядра.
Ядерная оболочка состоит из наружной и внутренней мембран. Наружная переходит в ЭПС и несёт рибосомы. Оболочка пронизана ядерными порами, через которые идут обменные процессы между ядром и цитоплазмой.
Ядерный сок – кариолимфа, представляет собой однородную массу, заполняющую пространство между структурами ядра (хроматином и ядрышками). Она содержит белки, нуклеотиды, АТФ и различные виды РНК. Кариолимфа осуществляет взаимосвязь ядерных структур и обмен с цитоплазмой клетки.
Хроматин – вещество хромосом. Состоит из деспирализованной ДНК, соединённой с белками-гистонами в отношении 1:1,3. ДНК вместе с гистонами составляет нуклеосомы – тонкие нити, глыбки, гранулы, по виду напоминающие бусы. В делящейся клетке нити ДНК спирализуются (конденсация хроматина), образуя хорошо видимые, интенсивно окрашивающиеся структуры – хромосомы. Хромосомы ядра составляют его хромосомный набор – кариотип.
Ядрышко – одно или несколько, округлой структуры, состоят из РНК и белка, содержат липиды, ферменты. Функции ядрышек синтез р-РНК и сборка субъединиц рибосом, которые затем выходят в цитоплазму через поры в ядерной оболочке, где и завершается их сборка. Ядрышки – непостоянные образования, они исчезают в начале деления клетки и восстанавливаются после его окончания. Образование ядрышек связано с участками вторичных перетяжек спутничных хромосом (ядрышковыми организаторами). В области вторичных перетяжек локализованы гены, кодирующие синтез рибосомальной РНК (р-РНК), а в самих ядрышках происходит формирование субъединиц рибосом.
3) Характеристика строения и классификация хромосом
.
В период между делениями клетки хромосомы не видны. Они становятся видимыми, когда клетка приступает к делению и тогда хромосомы видны как две соединенные между собой нити – хроматиды.
Метафазная хромосома состоит из двух продольных нитей – хроматид, которые состоят из молекулы ДНК и белков-гистонов. Хроматиды соединены друг с другом в области первичной перетяжки - центромеры. Центромера делит тело хромосомы на два плеча. Плечи – это свободные концы хроматид. В зависимости от расположения центромеры различают следующие типы хромосом:
а) акроцентрические – центромера смещена от середины хромосомы к одному концу в основание плеча, получается одно плечо очень короткое, другое - намного длиннее;
б) субметацентрические – центромера также смещена от середины, но расположена так, что плечи имеют разную длину;
в) метацентрические – центромера расположена посередине, и плечи примерно одинаковой длины.
Некоторые хромосомы могут иметь вторичные перетяжки, отделяющие от тела хромосомы участок, называемый спутником, это хромосомы со спутниками.
Совокупность хромосом соматической клетки, характеризующая организм данного вида, называется кариотипом.
Хромосомы подразделяются на аутосомы - одинаковые у обоих полов пары гомологичных хромосом и гетерохромосомы, или половые хромосомы – пара разных хромосом в хромосомном наборе у мужских и женских особей.
Кариотип человека 46 хромосом: 22 пары аутосом и пара половых хромосом, ХХ у женщин и ХУ у мужчин.
В соматических клетках организмов содержится диплоидный (двойной) набор хромосом – обозначается 2n. В гаметах – гаплоидный (одинарный) набор хромосом, обозначается 1n. Диплоидный набор состоит из пар гомологичных хромосом. Гомологичные хромосомы это хромосомы одинаковые по строению, форме, величине и содержащие одни и те же гены.
Негомологичные хромосомы имеют разный генный набор и разное строение.
В период между делениями клетки хромосомы не видны. Они становятся видимыми, когда клетка приступает к делению и тогда хромосомы видны как две соединенные между собой нити – хроматиды.
В основе Парижской классификации хромосом человека (1971 г.) лежат методы специальной дифференциальной окраски, при которой в каждой хромосоме выявляется характерный только для неё порядок чередования поперечных светлых и тёмных сегментов. Хромосомы, имеющие одинаковый порядок генов, имеют и одинаковое чередование полос. У них одинаковое строение (длина, расположение центромеры и т. д.).
Короткое плечо хромосом обозначают латинской буквой p
, а длинное – q
. Каждое плечо хромосомы разделяют на районы, нумеруемые по порядку от центромеры к теломере. В некоторых коротких плечах выделяют один такой район, а в других (длинных) – до четырёх.
Основная функция хромосом – хранение, воспроизведение и передача генетической информации при размножении клеток и организмов.
4. Временная организация клетки. Клеточный и митотический циклы.
Клеточный цикл
– это период жизнедеятельности клетки от момента её появления до гибели или образования дочерних клеток. Типы деления эукариотических клеток: амитоз, митоз, мейоз.
Митотический цикл
– это период жизнедеятельности клетки от момента её образования и до разделения на дочерние. Митотический цикл включает интерфазу и митоз.
Интерфаза
– это период функционирования и подготовки клетки к делению, она подразделяется на три периода:
а) Пресинтетический (постмитотический) G1
– продолжительность от нескольких часов до нескольких месяцев и даже лет. Клетка выполняет свои функции, увеличивается в размерах, в ней идёт синтез белков и нуклеотидов, накапливается энергия и вещества. Такая клетка содержит диплоидный набор хромосом, каждая хромосома имеет одну хроматиду – 2n2c.
б) Синтетический период S – продолжительность 6 – 8 часов. В клетке происходит репликация молекул ДНК и её содержание в клетке удваивается, т. е. каждая хроматида достраивает себе подобную, генетическая информация к концу периода 2n4c.
в) Постсинтетический период G2
– продолжительность меньше, чем у предыдущих периодов. Клетка готовится к делению, накапливается энергия, синтезируются белки веретена деления, постепенно затухают все синтетические процессы, необходимые для репродукции органоидов, меняется вязкость цитоплазмы, идёт интенсивный синтез АТФ и накопление энергии,
2) Митоз
– это основной способ деления соматических клеток. Непрерывный процесс митоза подразделяют на 4 стадии: профазу, метафазу, анафазу и телофазу
. В делящихся клетках в профазе
все хромосомы сильно спирализуются, укорачиваются и приобретают компактные размеры и форму. Спирализация хромосом достигает максимума в метафазе
и хромосомы удобнее всего изучать (метафазная пластинка). В анафазе
центромеры каждой из хромосом разделяются и сестринские хроматиды с этого момента становятся самостоятельными дочерними хромосомами. В телофазе
формируются ядра дочерних клеток: хромосомы деспирализуются, строятся ядерные оболочки, в ядре появляются ядрышки. После кариокинеза происходит цитокинез, митоз заканчивается образованием двух дочерних клеток, каждая из которых имеет двойной набор хромосом, каждая хромосома однохроматидная.
Значение митоза
в точном распределении генетической информации между дочерними клетками, в поддержании постоянства числа хромосом, в увеличении числа клеток, обеспечивающих рост организма и регенерацию тканей и органов.
Эукариотические клетки могут делиться и прямым делением – амитозом. Это прямое деление клеток и ядер, находящихся в условиях физиологической и репаративной регенерации, или опухолевых клеток. При этом не происходит образования видимых хромосом и веретена деления, возникает перетяжка ядра, затем цитоплазмы, и разделение их на две части. В последнее время установлено, что при амитозе происходит также равномерное распределение генетического материала между дочерними клетками, хотя механизм его не вполне ясен.
Патология митоза
– эндомитоз, политения (эндорепродукция), образование новых клеток нарушается, а хромосомы продолжают удваиваться. В результате этого в клетках возникают необычайно крупные ядра. При эндомитозе происходит удвоение хромосом без деления ядра, что приводит к образованию полиплоидных клеток. При политении наблюдается многократное удвоение хроматид, но они не расходятся, и в результате образуются политенные (многонитчатые, гигантские) хромосомы, например, в слюнных железах мухи дрозофилы.
3) Мейоз
– это деление половых клеток на стадии созревания, в результате которого образуются половые клетки, гаметы. Мейотическое деление протекает в два этапа – мейоз
I
и мейоз
II
. Каждое мейотическое деление подразделяют на 4 фазы: профазу, метафазу, анафазу и телофазу.
Наиболее сложной является профаза мейоза
I
. На этой стадии происходит конъюгация гомологичных хромосом и кроссинговер. Хромосомы образуют биваленты, состоящие из 4-х хроматид (4-х наборов ДНК). В анафазе
гомологичные хромосомы, состоящие из двух хроматид, отходят к противоположным полюсам клетки. Расхождение хромосом носит случайный характер. Содержание генетической информации у каждого полюса становится 1n2c. В телофазе
происходит образование двух дочерних гаплоидных клеток, но хромосомы не деспирализуются. После окончания мейоза I наступает короткий промежуток – интеркинез, в течение которого не происходят репликация ДНК и удвоение хроматид.
Мейоз II протекает по типу обычного митоза. В анафазе
этого мейоза к полюсам отходят хроматиды и содержание генетического материала становится 1n1c у каждого полюса клетки. В телофазе
мейоза II после цитокинеза образуются клетки с гаплоидным набором хромосом, содержащих по одной хроматиде.
Таким образом, в результате двух последовательных делений мейоза из одной диплоидной клетки образуется 4 гаплоидные.
Значение мейоза
в редукции числа хромосом в половых клетках для последующего восстановления набора хромосом в зиготе, в конъюгации гомологичных хромосом и рекомбинации генетического материала.
Патология мейоза
– нерасхождение хромосом после конъюгации и, как следствие, избыток генетического материала или его недостаток в одной из дочерних клеток – хромосомные и геномные мутации. Также возможны мутации генные как при митозе, так и при мейозе.
5. Гетерохроматин и эухроматин.
Упоминаемый ранее порядок чередования поперечных тёмных и светлых сегментов, образующийся при дифференциальной окраске хромосом, связан с различной степенью конденсации хроматина, зависящей от его функционального состояния. Гетерохроматиновые
участки функционально менее активны, чем эухроматиновые. Они содержат прочитанную (транскрибированную ) ДНК, становятся более плотными и хорошо окрашиваются как в состоянии «покоя» так и при делении клетки. Эухроматиновые
участки деконденсированы, т. е. более рыхлые, в них локализована большая часть генов, это активный участок хромосомы, окрашивается неинтенсивно. В хромосомах участки эу- и гетерохроматина чередуются и позволяют сделать анализ кариотипа
, чтобы выявить нарушения, которые могут приводить к аномалиям развития, наследственным болезням или гибели плодов и эмбрионов на ранних стадиях развития.
Анализ кариотипа
предполагает составление кариограммы
или идиограммы
– это систематизированный кариотип, в котором хромосомы располагаются по мере убывания их величины. Кариограмма – микрофотография хромосом, расположенных согласно строению и величине гомологичными парами.
Техника подсчёта числа хромосом
.
Взятую для анализа кровь разделяют: эритроциты осаждают 10%-ным раствором желатина или центрифугированием; лейкоциты помещают в специальную среду, содержащую 50 ингридиентов. Среди которых есть специфический белок фитогемагглютинин – вытяжка из семян бобовых. Благодаря ему лейкоциты начинают интенсивно делиться и хромосомы можно изучать на стадии метафазной пластинки. Культуру помещают в термостат в специальных флаконах на 3 дня при 370
С. Потом в пробу добавляют алколоид колхицин, разрушающий нити веретена деления, деление приостанавливается, хромосомы не способны расходиться к полюсам клетки. Добавляют гипотонический раствор, проводят фиксацию и окрашивание. Затем хромосомы фотографируют, микрофотографию увеличивают в размерах, хромосомы вырезают, подбирают гомологичные пары по размерам, расположению центромеры, гетеро- и эухроматиновым участкам.
6. Половой хроматин
.
Различия полов обусловлены Х и У хромосомами (половыми). Половые отличия в строении ядер соматических клеток обнаружили в 1949 г. Бертрам и Барр, изучая нейроны кошки. Эти отличия присущи клеткам всех млекопитающих в период интерфазы. Интерфазные ядра содержат на переферии чечевицеподобные глыбки хроматина размерами от 1,8 до 1,2 мкм, примыкающие к ядерной оболочке и отличающиеся от ядрышек. Их назвали по имени исследователя «тельца Барра». Тельца Барра отсутствуют у самцов. Лейкоциты женщин содержат своеобразный придаток ядра, гомолог телец Барра, «барабанные палочки». Это - половой хроматин
. Его наличие в клетках женщин связано с Х-хромосомами, которых у женщин две. Одна из них генетически менее активная, синтез ДНК в ней идёт позднее, она гетерохроматичная, окрашивается иначе, чем её гомолог. У мужчин половые хромосомы разные – Х и У, и они обе одинаково активны в интерфазе.
Хроматин половой
– это отличия в интерфазном ядре соматических клеток особей женского пола у млекопитающих. По периферии ядер располагается глыбка хроматина – «тельце Барра», а в ядрах лимфоцитов находится придаток «барабанная палочка». У человека «тельца Барра» легче обнаружить в соскобе эпителия слизистой оболочки ротовой полости (буккального эпителия). Для выявления Х-хроматина окрашивание мазков проводят ацеторсеином и препараты просматривают в обычном световом микроскопе. Этот метод позволяет определить количество Х-хромосом в кариотипе. «Телец Барра» и «барабанных палочек» всегда на единицу меньше, чем число Х-хромосом.
Техника исследования полового хроматина - см. стр. 50 пособие по генетике Карузиной.
Исследования полового хроматина имеют диагностическое значение и используются при экспресс-анализе в скрининге. При обследовании больших групп людей на
выявление каких-либо состояний (болезней или носительства) с целью активной профилактики тяжелых форм болезней, т. е.предположительного выявления не диагностированной ранее болезни с помощью простых методов, дающих быстрый ответ - массовый скрининг
.
7. Современные методы хромосомного анализа
.
Изучением строения и функций хромосом занимается наука цитогенетика. Суть цитогенетических методов при всём разнообразии отдельных этапов заключается в микроскопическом анализе хромосом, позволяющем выявить числовые и структурные изменения хромосомного набора. Методы цитогенетического исследования можно условно подразделить на прямые и непрямые. Прямые методы – это получение препаратов делящихся клеток без культивирования. Непрямые – это получение препаратов хромосом из клеток, культивированных в искусственных питательных средах.
Важный момент для анализа хромосом является их окрашивание:
1) сплошное
или равномерное рутинное
окрашивание (красители азур-эозин или краситель Гимза), позволяет провести подсчёт хромосом и их групповую принадлежность, проанализировать повреждения хромосом (хромосомные аберрции), но не позволяет провести индивидуальную идентификацию хромосом;
2) метод дифференциального окрашивания
хромосом (красители Гимза, флуоресцирующий краситель акрихин или акрихин-пирит), позволяет идентифицировать все хромосомы благодаря линейному рисунку – продольной окрашиваемости для каждой хромосомы в соответствии с типом окраски;
3) молекулярно-цитогенетический
метод гибридизации (флуоресцентная гибридизация), основана на обработке препаратов хромосом специфическим ДНК-зондом, который присоединяется к исследуемой хромосоме и, после обработки специальными соединениями и флуоресцентными красителями, препарат исследуют с помощью флуоресцентного микроскопа; это самый высокий разрешающий уровень анализа хромосом, позволяющий определить локализацию гена и расшифровать сложные перестройки хромосом.
Методы цитогенетической диагностики часто используют в комплексе с другими, что позволяет более точно диагностировать сложные проявления наследственной патологии. Особое значение эти методы имеют при оказании помощи больным педиатрического, акушерско-гинекологического и эндокринологического профилей.
Все вопросы назначения того или иного цитогенетического исследования осуществляются при медико-генетическом консультировании. Проблемы, решаемые лабораторными цитогенетическими методами, следующие:
-подозрение на хромосомную болезнь по клинической симптоматике;
-наличие у ребёнка множественных врождённых пороков развития (МВПР);
-многократные спонтанные аборты, мёртворождения или рождение детей с пороками развития;
-нарушение репродуктивной функции неясного генеза у мужчин и женщин (первичная аминоррея, бесплодный брак идр.);
-существенная задержка умственного и физического развития ребёнка;
-пренатальная диагностика (риск по возрасту, при рождении предыдущего ребёнка с хромосомной болезнью);
-оценка мутагенных воздействий (радиационных, химических).
Участие цитогенетиков в анализе трудных случаев приводит к более точной диагностике и своевременному лечению и предупреждению рождения больного ребёнка.
Вопросы для фронтального опроса.
1. Генетика – наука о наследственности и изменчивости.
-Предмет, цели и задачи медицинской генетики. Методы генетики?
-Значение генетики для медицины? (Овладение основами медгенетики широкими врачебными кругами с целью большего использования генетических подходов при диагностике болезней, их лечении и профилактике.)
-Медицинская генетика как раздел антропогенетики, одна из отраслей здравоохранения, её достижения?
2. История генетики человека.
-Донаучные представления о передаваемых по наследству различиях между людьми?
-Современные достижения генетики?
3. Цитологические основы наследственности.
-Главные части клеток. Клетки соматические и генеративные, половые клетки – гаметы. Хромосомный набор соматических и половых клеток?
-Основные типы деления эукариотических клеток (митоз, мейоз, амитоз)?
-Материальные носители наследственности?
-Что такое митотический цикл?
-Кариотип, кариограмма?
-Хромосомы в метафазу, метафазная пластинка? Хроматин. Понятие о гетерохроматине и эухроматине.
-Половой хроматин. Диагностическое значение исследования полового хроматина. -Различия полов, половые отличия в строении ядер соматических клеток млекопитающих, тельца Барра?
-Современные методы хромосомного анализа? Методы дифференциальной окраски хромосом. В чём их суть?
-Пренатальная диагностика, массовый скрининг?