Закон расщепления объясняет и наследование фенилкетонурии (ФКУ) заболевания, развивающегося в результате избытка важной аминокислоты фенилаланина (Phe) в организме человека. Избыток фенилаланина приводит к развитию умственной отсталости. Частота встречаемости ФКУ относительно низка (примерно 1 на 10 000 новорожденных), тем не менее около 1\% умственно отсталых индивидуумов страдают ФКУ, составляя, таким образом, сравнительно большую группу пациентов, умственная отсталость которых объясняется однородным генетическим механизмом.
Как и в случае ХГ, исследователи изучали частоту встречаемости ФКУ в семьях пробандов. Оказалось, что пациенты, страдающие ФКУ, обычно имеют здоровых родителей. Кроме того, было замечено, что фку чаще встречается в семьях, в которых родители являются кровными родственниками. Пример семьи пробанда, страдающего ФКУ, показан на рис. 2.3: больной ребенок родился у фенотипи-чески здоровых родителей-кровных родственников (двоюродных брата и сестры), но сестра отца ребенка страдает ФКУ.
Рис. 2.3. Пример родословной семьи, в которой ФКУ передается по наследству (тетя пробанда страдает этим заболеванием).
Двойная линия между супругами обозначает кровнородственный брак.
Остальные обозначения те же, что и на рис. 2.1.
ФКУ передается по рецессивному типу наследования, т.е. генотип больного содержит два аллеля ФКУ, полученные от обоих родителей. Потомки, которые имеют только один такой аллель, не страдают заболеванием, но являются носителями аллеля ФКУ» могут передать его своим детям. На рис. 2.4 показаны пути наследования аллелей ФКУ от двух фенотипически нормальных родителей. Каждый из родителей имеет один аллель ФКУ и один нормальный аллель. Вероятность того, что каждый ребенок может унаследовать аллель ФКУ от каждого из родителей, составляет 50\%. Вероятность того, что ребенок унаследует аллели ФКУ от обоих родителей одновременно, составляет 25\% (0,5 х 0,5 = 0,25; вероятности умножаются, поскольку события наследования аллелей от каждого из родителей независимы друг от друга).
Ген ФКУ и его структурные варианты, встречающиеся в разных популяциях, хорошо изучены. Знания, имеющиеся в нашем распоряжении, позволяют проводить своевременную пренатальную диагностику с тем, чтобы определить, унаследовал ли развивающийся зародыш две копии аллеля ФКУ от обоих родителей (факт такого наследования резко повышает вероятность заболевания). В некоторых странах, например в Италии, где частота встречаемости ФКУ достаточно высока, такая диагностика проводится в обязательном порядке для каждой беременной женщины.
Рис. 2.4. Схема скрещивания: аллельный механизм наследования ФКУ.
0 доминантный аллель («здоровый»); [ф] рецессивный аллель, вызывающий развитие заболевания. ФФ, Фф фенотипически нормальные дети (их 75\%): только 25\% имеют нормальный генотип (ФФ); еще 50\% фенотипически здоровы, но являются носителями аллеля ФКУ (Фф). Оставшиеся 25\% потомков – больны ([ф][ф])
Как уже отмечалось, ФКУ чаще встречается среди тех, кто вступает в брак с кровными родственниками. Несмотря на то что встречаемость ФКУ сравнительно низка, примерно 1 человек из 50 является носителем аллеля ФКУ. Вероятность того, что один носитель аллеля ФКУ вступит в брак с другим носителем такого аллеля, составляет примерно 2\%. Однако при заключении брака между кровными родственниками (т.е. если супруги принадлежат к одной родословной, в которой аллель ФКУ передается по наследству) вероятность того, что оба супруга окажутся носителями аллеля ФКУ и одновременно передадут два аллеля будущему ребенку, станет значительно выше 2\%.
- Рассмотреть особенности изучения генетики человека, сформировать знания об основных методах изучения наследственности человека.
- Развивать умение использовать генетические термины и закономерности для решения практических задач.
- Углубление и расширение знаний учащихся по медицинской генетике, осознание важности полученных знаний для здоровья будущих поколений.
- объяснительно-иллюстративный (беседа, рассказ, демонстрация конспектов и схем родословных);
- исследовательский (решение задач, анализ схем родословных, составление схем родословных);
- групповая работа.
Оборудование:
- сборник “Задачи по генетике”;
- информационные листы для учащихся “Генетика человека”;
- схемы родословных;
- таблица “Наследование гена гемофилии в царских домах Европы”.
Тип урока: Урок применения знаний и умений.
Ход урока
I. Актуализация знаний
Вступительное слово учителя: “Для генетических исследований человек является очень неудобным объектом: большое количество хромосом, невозможно экспериментальное скрещивание, поздно наступает половая зрелость, малое число потомков в каждой семье. Сегодня на уроке присутствуют представители четырех независимых генетических лабораторий, которые помогут нам выяснить основные методы изучения наследственности человека ”.
К доске приглашаются по 1 учащемуся от группы для решения задач.
Задача 1. Фенилкетонурия (нарушение обмена фенилаланина, в результате которого развивается слабоумие) наследуется как аутосомный рецессивный признак. Какими могут быть дети в семье, где родители гетерозиготны по этому признаку?
Ответ: Вероятность рождения здоровых детей 75%, больных - 25%.
Задача 2 . Серповидно-клеточная анемия (изменение нормального гемоглобина - А на S- гемоглобин, в результате чего эритроциты принимают форму серпа) наследуется как не полностью доминантный аутосомный ген. Заболевание у гомозиготных особей приводит к смерти, обычно до полового созревания, гетерозиготные особи жизнеспособны, анемия у них чаще всего проявляется субклинически. Интересно, что малярийный плазмодий не может использовать для своего питания S-гемоглобин. Поэтому люди, имеющие эту форму гемоглобина, не болеют малярией.
Ответ: Вероятность рождения детей, неустойчивых к малярии - 25%.
Задача 3. Классическая гемофилия передается как рецессивный, сцепленный с Х-хромосомой признак. Здоровый мужчина вступает в брак с женщиной, брат которой болен гемофилией. Определите вероятность рождения в этой семье здоровых детей.
Ответ: Вероятность рождения здоровых детей 75%.
Задача 4. Гипоплазия эмали (тонкая, зернистая эмаль, зубы светло-бурого цвета) наследуется как сцепленный с Х-хромосомой доминантный признак. В семье, где оба родителя страдали отмеченной аномалией, родился сын с нормальными зубами. Определите вероятность того, что следующий их ребенок будет тоже с нормальными зубами.
Ответ: Вероятность рождения здоровых детей 25%.
II. Методы изучения генетики человека
Представители генетических лабораторий объясняют сущность методов генетики с помощью информационного листа “Генетика человека”, таблицы “Наследование гена гемофилии в царских домах Европы”.
1. Близнецовый метод
Близнецами называют одновременно родившихся детей. Они бывают монозиготными (однояйцовыми) и дизиготными (разнояйцовыми). Монозиготные близнецы развиваются из одной зиготы, которая на стадии дробления разделилась на две (или более) части. Поэтому такие близнецы генетически идентичны и всегда одного пола. Монозиготные близнецы характеризуются большой степенью сходства (конкордантностью) по многим признакам. Степень конкордантности для качественных признаков у монозиготных близнецов обычно высока и стремится к 100%. Это означает, что на формирование признаков групп крови, формы бровей, цвета глаз и волос среда почти не оказывает влияние, а решающее воздействие имеет генотип. Близнецовым методом подтверждена наследственная обусловленность гемофилии, сахарного диабета, шизофрении. Обнаружена выраженная предрасположенность к ряду заболеваний: туберкулезу, ревматизму и др., что означает большую вероятность возникновения этих заболеваний у людей с определенным генотипом при благоприятных для этого условиях
Дизиготные близнецы развиваются из одновременно овулировавших и оплодотворенных разными сперматозоидами яйцеклеток. Поэтому они наследственно различны и могут быть как одного, так и разного пола. Они несходны (дискордантны) по многим признакам.
Наблюдения за близнецами дают материал для выявления роли наследственности и среды в развитии признаков.
2. Генеалогический метод
Сущность метода состоит в изучении родословных в тех семьях, в которых есть наследственные заболевания. Метод позволяет определить тип наследования признака и на основе полученных сведений прогнозировать вероятность проявления изучаемого признака в потомстве, что имеет большое значение для предупреждения наследственных заболеваний.
Благодаря хорошо известной родословной удалось проследить наследование гена гемофилии от английской королевы Виктории. Виктория и ее муж были здоровы. Известно также, что никто из ее предков не страдал гемофилией. Наиболее вероятно, что возникла мутация в гамете одного из родителей Виктории. Вследствие этого она стала носительницей гена гемофилии и передала его многим потомкам. Все потомки мужского пола, которые получили от Виктории Х-хромосому с мутантным геном, страдали гемофилией. Ген гемофилии рецессивен и наследуется сцеплено с Х-хромосомой.
По аутосомно-доминантному типу наследуются заболевания: глаукома, ахондроплазия, полидактилия (лишние пальцы), брахидактилия(короткопалость), арахнодактилия (синдром Морфана).
По аутосомно-рецессивному типу наследуются: альбинизм, фенилкетонурия, аллергия, шизофрения.
Х-сцепленные доминантные признаки: гипоплазия эмали(тонкая зернистая эмаль, зубы светло-бурого цвета).
Х-сцепленные рецессивные признаки: гемофилия, дальтонизм, отсутствие потовых желез.
У-сцепленные признаки: гипертрихоз (оволосение края ушной раковины), синдактилия (сращение пальцев рук).
Использование генеалогического метода показало, что при родственных браках, по сравнению с неродственными, значительно возрастает вероятность появления уродств, мертворождений, ранней смертности в потомстве, так как рецессивные гены чаще переходят в гомозиготное состояние.
3. Цитогенетический метод
Основан на изучении хромосомного набора человека. В норме кариотип человека включает 46 хромосом- 22 пары аутосомы и две половые хромосомы. Использование данного метода позволило выявить группу болезней, связанных либо с изменением числа хромосом, либо с изменением их структуры.
Больные с синдромом Клайнфельтера (47, ХХУ) всегда мужчины. Они характеризуются недоразвитием половых желез, часто умственной отсталостью, высоким ростом (за счет непропорционально длинных ног).
Синдром Шерешевского-Тернера (45,ХО) наблюдается у женщин. Он проявляется в замедлении полового созревания, недоразвитии половых желез, отсутствии менструаций, бесплодии. Женщины с синдромом Шерешевского-Тернера небольшого роста, плечи широкие, таз узкий, нижние конечности укорочены, шея короткая, со складками, “монголоидный” разрез глаз.
Синдром Дауна - одна из самых часто встречающихся хромосомных болезней. Она развивается в результате трисомии по 21 хромосоме (47,21,21,21) болезнь легко диагностируется, так как имеет ряд характерных признаков: укороченные конечности, маленький череп, плоское, широкая переносица, узкие глазные щели с косым разрезом, наличие складки верхнего века, психическая отсталость.
Чаще всего хромосомные болезни являются результатом мутаций, произошедших в половых клетках одного из родителей во время мейоза.
4. Биохимический метод
Метод заключается в определении в крови или моче активности ферментов или содержания некоторых продуктов метаболизма. С помощью данного метода выявляют нарушения в обмене веществ, возникающие при различных патологических состояниях и обусловленные наличием в генотипе неблагоприятного сочетания аллельных генов. Например, тяжелое заболевание фенилкетонурия развивается в случае гомозиготности по рецессивному гену, активность которого блокирует превращение незаменимой аминокислоты фенилаланин в тирозин, и фенилаланин превращается в фенилпировиноградную кислоту, которая выводится с мочой. Заболевание приводит к быстрому развитию слабоумия у детей. Ранняя диагностика и лишенная фенилаланина диета позволяют приостановить развитие заболевания. У гетерозигот по гену фенилкетонурии в крови обнаруживается повышенное содержание фенилаланина, хотя фенотип существенно не изменяется, человек здоров. При гемофилии гетерозиготное носительство мутантного гена может быть установлено с помощью определения активности фермента, измененного в результате мутации. Таким образом, используя биохимический метод, можно с большой точностью предсказать риск появления потомства с данным заболеванием.
- Проверка задач, решенных на доске.
III. Анализ родословных
Учащиеся получают задание.
1. Изучите принципы генеалогического анализа
В генетике человека аналогом гибридологического метода является генеалогический анализ. Он заключается в составлении и изучении графического изображения родословных, каждая из которых отражает родственные связи между здоровыми и больными людьми нескольких поколений. Особи мужского пола обозначаются квадратиками, а особи женского пола - кружочками. Люди, имеющие в фенотипе изучаемый признак (например, болезнь), изображаются чёрными фигурами, а те, кто имеет альтернативный ему признак, - белыми. Одни горизонтальные линии связывают друг с другом графические изображения супругов, а другие - графические изображения их детей. Вертикальные линии связывают друг с другом графические изображения родителей и их детей.
2. Изучите графическое изображений родословной семьи по одному изучаемому признаку. Член этой семьи, обратившийся в медико-генетическую консультацию и называемый пробандом, обозначен на схеме стрелкой.
Родослровная 1
Родословная 2
3. Ответьте на следующие вопросы
1. Сколько поколений людей представлено в графическом изображении родословной пробанда?
2. Сколько детей было у бабушки и дедушки пробанда со стороны отца?
3. Какой пол пробанда?
- 1-мужской
- 2-женский
4. Имеется ли изучаемый признак у пробанда?
- 1 - да
- 2 - нет
5. Сколько ещё членов родословной имеют такой же признак, который есть у пробанда?
6. Рецессивным или доминантным является изучаемый признак?
- 1 - рецессивный
- 2 - доминантный
7. Назовите хромосому, в которой находится аллель, отвечающий за формирование изучаемого признака
- 1 - аутосома
- 2 - X-хромосома
- 3 -Y-хромосома
8. Каков генотип а) пробанда, б) брата пробанда, в) матери пробанда, г) отца пробанда?
1-AA 5-X A X A 9-XX 2-Aa 6-X a X a 10-XY a 3-aa 7-X A Y 11-XY 4-X A X a 8-X a Y
4. Обсудите ответ в группах
Родословная 1: 1- 3; 2-5; 3-2; 4-1; 5-8; 6-2; 7-1; 8-а) 2 б) 3 в) 3 г) 2;
Родословная 2: 1- 4; 2-6; 3-1; 4-1; 5-6; 6-1; 7-2; 8-а) 8 б) 7,8 в) 4 г) 7;
5. Составьте графическое изображение родословной
Роза и Алла - родные сестры и обе, как и их родители, страдают ночной слепотой. У них есть еще сестра с нормальным зрением, а также брат и сестра, страдающие ночной слепотой. Роза и Алла вышли замуж за мужчин с нормальным зрением. У Аллы было две девочки и четыре мальчика, страдающих ночной слепотой. У Розы - два сына и дочь с нормальным зрением и еще один сын, страдающий ночной слепотой.
Определите генотипы Розы, Аллы, их родителей и всех детей.
Ответ: Генотип отца - Аа; мать - Аа; Роза - Аа; Алла - АА; сестра Розы и Аллы, не страдающая ночной слепотой, имеет генотип – аа; другая сестра и брат - АА или Аа; все дети Аллы – Аа; дети Розы, не страдающие ночной слепотой – аа, сын - Аа.
Графическое изображение родословной Розы и Аллы.
I V. Подведение итогов урока
Генетика человека - одна из наиболее интенсивно развивающихся отраслей науки. Она является теоретической основой медицины, раскрывает биологические основы наследственных заболеваний. Знание генетической природы заболеваний позволяет вовремя поставить точный диагноз и осуществить нужное лечение, предупредить рождение больных детей. На следующем уроке мы будем говорить о социальных проблемах генетики человека. А сейчас подведем итоги урока. Сдайте, пожалуйста, оценочный лист.
V. Домашнее задание
П. 35, творческие работы по генетике человека (рефераты, сообщения, газеты, бюллетени, видеофрагменты).
Приложение
Литература
- Биология: Учебное пособие для студентов мед. училищ./ В.Н. Ярыгин- М. Гуманит. изд. центр ВЛАДОС, 2001.
- Готовимся к ЕГЭ. Общая биология./В.Н. Фросин, В.И. Сивоглазов. -М.: Дрофа. 2004.
- Задачник по общей и медицинской генетике./Н. В. Хелевин, -М.: Высшая школа,1976.
- Общая биология. Учебник для 10-11 классов средней школы/ Д.К. Беляев, Г.М. Дымшиц, - М.: Просвещение, 2005.
- Общая биология. Учебник для 10-11 классов с углубленным изучением биологии в школе./ В.К. Шумный, Г. М. Дымшиц, А. О. Рувинский, - М.: Просвещение, 2001.
(ФКУ) - заболевания, развивающегося в результате избытка важной
аминокислоты - фенилаланина (Phe) в организме человека. Избыток
фенилаланина приводит к развитию умственной отсталости. Частота
встречаемости ФКУ относительно низка (примерно 1 на 10 000 ново-
рожденных), тем не менее около 1% умственно отсталых индивидуу-
мов страдают ФКУ, составляя, таким образом, сравнительно боль-
шую группу пациентов, умственная отсталость которых объясняется
однородным генетическим механизмом.
Как и в случае ХГ, исследователи изучали частоту встречаемости
ФКУ в семьях пробандов. Оказалось, что пациенты, страдающие ФКУ,
обычно имеют здоровых родителей. Кроме того, было замечено, что
ФКУ чаще встречается в семьях, в которых родители являются кров-
ными родственниками. Пример семьи пробанда, страдающего ФКУ,
73 оказан на рис. 2.3: больной
ребенок родился у фенотипи-
чески здоровых родителей-
кровных родственников (дво-
юродных брата и сестры), но
сестра отца ребенка страдает
ФКУ.
ФКУ передается по рецес-
сивному типу наследования,
т.е. генотип больного содержит
два аллеля ФКУ, полученные
от обоих родителей. Потомки,
которые имеют только один
такой аллель, не страдают за-
болеванием, но являются но-
сителями аллеля ФКУ и могут
передать его своим детям. На
рис. 2.4 показаны пути насле-
дования аллелей ФКУ от двух
фенотипически нормальных
родителей. Каждый из родите-
лей имеет один аллель ФКУ и один нормальный аллель. Вероятность
того, что каждый ребенок может унаследовать аллель ФКУ от каждо-
го из родителей, составляет 50%. Вероятность того, что ребенок унас-
ледует аллели ФКУ от обоих родителей одновременно, составляет 25%
(0,5 х 0,5 = 0,25; вероятности умножаются, поскольку события насле-
дования аллелей от каждого из родителей независимы друг от друга).
Ген ФКУ и его структурные варианты, встречающиеся в разных
популяциях, хорошо изучены. Знания, имеющиеся в нашем распоря-
Рис. 2.4. Схема скрещивания: аллельный механизм наследования ФКУ.
Ф - доминантный аллель («здоровый»); [ф] - рецессивный аллель, вызывающий
развитие заболевания. ФФ, Фф - фенотипически нормальные дети (их 75%); толь-
ко 25% имеют нормальный генотип (ФФ); еще 50% фенотипически здоровы,
но являются носителями аллеля ФКУ (Фф). Оставшиеся 25% потомков - больны
([ф][ф]).
74
Рис. 2.3. Пример родословной семьи, в
которой ФКУ передается по
наследству (тетя пробанда страдает
этим заболеванием).
Двойная линия между супругами обозначает
кровнородственный брак. Остальные
обозначения те же, что и на рис. 2.1. жении, позволяют проводить своевременную пренатальную диагнос-
тику с тем, чтобы определить, унаследовал ли развивающийся заро-
дыш две копии аллеля ФКУ от обоих родителей (факт такого наследо-
вания резко повышает вероятность заболевания). В некоторых странах,
например в Италии, где частота встречаемости ФКУ достаточно вы-
сока, такая диагностика проводится в обязательном порядке для каж-
дой беременной женщины.
Как уже отмечалось, ФКУ чаще встречается среди тех, кто всту-
пает в брак с кровными родственниками. Несмотря на то что встреча-
емость ФКУ сравнительно низка, примерно 1 человек из 50 является
носителем аллеля ФКУ. Вероятность того, что один носитель аллеля
ФКУ вступит в брак с другим носителем такого аллеля, составляет
примерно 2%. Однако при заключении брака между кровными род-
ственниками (т.е. если супруги принадлежат к одной родословной, в
которой аллель ФКУ передается по наследству) вероятность того, что
оба супруга окажутся носителями аллеля ФКУ и одновременно пере-
дадут два аллеля будущему ребенку, станет значительно выше 2%.
Ви переглядаєте статтю (реферат): «РЕЦЕССИВНОЕ НАСЛЕДОВАНИЕ: ФЕНИЛКЕТОНУРИЯ » з дисципліни «Психогенетика »
Реферати та публікації на інші теми :РЕЦЕССИВНОЕ НАСЛЕДОВАНИЕ: ФЕНИЛКЕТОНУРИЯ
Закон расщепления объясняет и наследование фенилкетонурии
(ФКУ) - заболевания, развивающегося в результате избытка важной
аминокислоты - фенилаланина (Phe) в организме человека. Избыток
фенилаланина приводит к развитию умственной отсталости. Частота
встречаемости ФКУ относительно низка (примерно 1 на 10 000 ново-
рожденных), тем не менее около 1% умственно отсталых индивидуу-
мов страдают ФКУ, составляя, таким образом, сравнительно боль-
шую группу пациентов, умственная отсталость которых объясняется
однородным генетическим механизмом.
Как и в случае ХГ, исследователи изучали частоту встречаемости
ФКУ в семьях пробандов. Оказалось, что пациенты, страдающие ФКУ,
обычно имеют здоровых родителей. Кроме того, было замечено, что
ФКУ чаще встречается в семьях, в которых родители являются кров-
ными родственниками. Пример семьи пробанда, страдающего ФКУ,
оказан на рис. 2.3: больной
ребенок родился у фенотипи-
чески здоровых родителей-
кровных родственников (дво-
юродных брата и сестры), но
сестра отца ребенка страдает
ФКУ передается по рецес-
сивному типу наследования,
т.е. генотип больного содержит
два аллеля ФКУ, полученные
от обоих родителей. Потомки,
которые имеют только один
такой аллель, не страдают за-
болеванием, но являются но-
сителями аллеля ФКУ и могут
передать его своим детям. На
рис. 2.4 показаны пути насле-
дования аллелей ФКУ от двух
фенотипически нормальных
родителей. Каждый из родите-
лей имеет один аллель ФКУ и один нормальный аллель. Вероятность
того, что каждый ребенок может унаследовать аллель ФКУ от каждо-
го из родителей, составляет 50%. Вероятность того, что ребенок унас-
ледует аллели ФКУ от обоих родителей одновременно, составляет 25%
(0,5 х 0,5 = 0,25; вероятности умножаются, поскольку события насле-
дования аллелей от каждого из родителей независимы друг от друга).
Ген ФКУ и его структурные варианты, встречающиеся в разных
популяциях, хорошо изучены. Знания, имеющиеся в нашем распоря-
Рис. 2.4. Схема скрещивания: аллельный механизм наследования ФКУ.
Ф - доминантный аллель («здоровый»); [ф] - рецессивный аллель, вызывающий
развитие заболевания. ФФ, Фф - фенотипически нормальные дети (их 75%); толь-
ко 25% имеют нормальный генотип (ФФ); еще 50% фенотипически здоровы,
но являются носителями аллеля ФКУ (Фф). Оставшиеся 25% потомков - больны
([ф][ф]).
Рис. 2.3. Пример родословной семьи, в
которой ФКУ передается по
наследству (тетя пробанда страдает
этим заболеванием).
Двойная линия между супругами обозначает
кровнородственный брак. Остальные
обозначения те же, что и на рис. 2.1.
жении, позволяют проводить своевременную пренатальную диагнос-
тику с тем, чтобы определить, унаследовал ли развивающийся заро-
дыш две копии аллеля ФКУ от обоих родителей (факт такого наследо-
вания резко повышает вероятность заболевания). В некоторых странах,
например в Италии, где частота встречаемости ФКУ достаточно вы-
сока, такая диагностика проводится в обязательном порядке для каж-
дой беременной женщины.
Как уже отмечалось, ФКУ чаще встречается среди тех, кто всту-
пает в брак с кровными родственниками. Несмотря на то что встреча-
емость ФКУ сравнительно низка, примерно 1 человек из 50 является
носителем аллеля ФКУ. Вероятность того, что один носитель аллеля
ФКУ вступит в брак с другим носителем такого аллеля, составляет
примерно 2%. Однако при заключении брака между кровными род-
ственниками (т.е. если супруги принадлежат к одной родословной, в
которой аллель ФКУ передается по наследству) вероятность того, что
оба супруга окажутся носителями аллеля ФКУ и одновременно пере-
дадут два аллеля будущему ребенку, станет значительно выше 2%.
4. ЗАКОН НЕЗАВИСИМОГО КОМБИНИРОВАНИЯ
(НАСЛЕДОВАНИЯ) ПРИЗНАКОВ
(ТРЕТИЙ ЗАКОН МЕНДЕЛЯ)
Этот закон говорит о том, что каждая пара альтернативных при-
знаков ведет себя в ряду поколений независимо друг от друга, в ре-
зультате чего среди потомков первого поколения (т.е. в поколении F 2)
в определенном соотношении появляются особи с новыми (по срав-
нению с родительскими) комбинациями признаков. Например, в слу-
чае полного доминирования при скрещивании исходных форм, раз-
личающихся по двум признакам, в следующем поколении (F 2 ) выяв-
ляются особи с четырьмя фенотипами в соотношении 9:3:3:1. При
этом два фенотипа имеют «родительские» сочетания признаков, а
оставшиеся два - новые. Данный закон основан на независимом по-
ведении (расщеплении) нескольких пар гомологичных хромосом. Так,
при дигибридном скрещивании это приводит к образованию у гибри-
дов первого поколения (F1) 4 типов гамет (АВ, Ав, аВ, ав), а после
образования зигот - к закономерному расщеплению по генотипу и,
соответственно, по фенотипу в следующем поколении (F 2 ).
Парадоксально, но в современной науке огромное внимание уде-
ляется не столько самому третьему закону Менделя в его исходной
формулировке, сколько исключениям из него. Закон независимого
комбинирования не соблюдается в том случае, если гены, контроли-
рующие изучаемые признаки, сцеплены, т.е. располагаются по сосед-
ству друг с другом на одной и той же хромосоме и передаются по
наследству как связанная пара элементов, а не как отдельные элемен-
ты. Научная интуиция Менделя подсказала ему, какие признаки дол-
жны быть выбраны для его дигибридных экспериментов, - он выб-
рал несцепленные признаки. Если бы он случайно выбрал признаки,
контролируемые сцепленными генами, то его результаты были бы
иными, поскольку сцепленные признаки наследуются не независимо
друг от друга.
С чем же связана важность исключений из закона Менделя о неза-
висимом комбинировании? Дело в том, что именно эти исключения
позволяют определять хромосомные координаты генов (так называе-
мый локус*).
В случаях когда наследуемость определенной пары генов не подчи-
няется третьему закону Менделя, вероятнее всего эти гены наследу-
ются вместе и, следовательно, располагаются на хромосе в непосред-
ственной близости друг от друга. Зависимое наследование генов назы-
вается сцеплением, а статистический метод, используемый для анализа
такого наследования, называется методом сцепления. Однако при оп-
ределенных условиях закономерности наследования сцепленных ге-
нов нарушаются. Основная причина этих нарушений - явление крос-
синговера, приводящего к перекомбинации (рекомбинации) генов. Био-
логическая основа рекомбинации заключается в том, что в процессе
образования гамет гомологичные хромосомы, прежде чем разъеди-
ниться, обмениваются своими участками (подробнее о рекомбина-
ции - в гл. I и IV).
Кроссинговер - процесс вероятностный, а вероятность того, про-
изойдет или не произойдет разрыв хромосомы на данном конкретном
участке, определяется рядом факторов, в частности физическим рас-
стоянием между двумя локусами одной и той же хромосомы. Кроссин-
говер может произойти и между соседними локусами, однако его веро-
ятность значительно меньше вероятности разрыва (приводящего к об-
мену участками) между локусами с большим расстоянием между ними.
Данная закономерность используется при составлении генетичес-
ких карт хромосом (картировании). Расстояние между двумя локусами
оценивается путем подсчета количества рекомбинаций на 100 гамет.
Это расстояние считается единицей измерения длины гена и называ-
ется сентиморганом в честь генетика Т. Моргана, впервые описавшего
группы сцепленных генов у плодовой мушки дрозофилы - любимого
объекта генетиков. Если два локуса находятся на значительном рас-
стоянии друг от друга, то разрыв между ними будет происходить так
же часто, как при расположении этих локусов на разных хромосомах.
Используя закономерности реорганизации генетического матери-
* Напомним, что локусом (лат. locus - место) называется местоположение
определенного гена или маркёра (полиморфного участка ДНК) на генетической
карте хромосомы. Иногда термин «локус» неоправданно используют как синоним
понятия «ген». Такое применение его неточно, поскольку речь может идти о поло-
жении не только гена, но и маркёра, находящегося в межгенном пространстве.
ала в процессе рекомбинации, ученые разработали статистический
метод анализа, называемый анализом сцепления.
Законы Менделя в их классической форме действуют при нали-
чии определенных условий. К ним относятся:
1) гомозиготность исходных скрещиваемых форм;
2) образование гамет гибридов всех возможных типов в равных
соотношениях (обеспечивается правильным течением мейоза; одина-
ковой жизнеспособностью гамет всех типов; равной вероятностью
встречи любых гамет при оплодотворении);
3) одинаковая жизнеспособность зигот всех типов.
Нарушение этих условий может приводить либо к отсутствию рас-
щепления во втором поколении, либо к расщеплению в первом поко-
лении; либо к искажению соотношения различных генотипов и фено-
типов. Законы Менделя имеют универсальный характер для всех дип-
лоидных организмов, размножающихся половым способом. В целом
они справедливы для аутосомных генов с полной пенетрантностью
(т.е. 100-процентной частотой проявления анализируемого признака;
100% пенетрантность подразумевает, что признак выражен у всех носи-
телей аллеля, детерминирующего развитие этого признака) и постоян-
ной экспрессивностью (т.е. постоянной степенью выраженности при-
знака); постоянная экспрессивность подразумевает, что фенотипичес-
кая выраженность признака одинакова или примерно одинакова у всех
носителей аллеля, детерминирующего развитие этого признака.
Знание и применение законов Менделя имеет огромное значение
в медико-генетическом консультировании и определении генотипа
фенотипически «здоровых» людей, родственники которых страдали
наследственными заболеваниями, а также в выяснении степени рис-
ка развития этих заболеваний у родственников больных.
Г л а в а I I I
НЕМЕНДЕЛЕВСКАЯ ГЕНЕТИКА
Гениальность законов Менделя заключается в их простоте. Стро-
гая и элегантная модель, построенная на основе этих законов, служи-
ла генетикам точкой отчета на протяжении многих лет. Однако в ходе
дальнейших исследований выяснилось, что законам Менделя подчи-
няются только относительно немногие генетически контролируемые
признаки. Оказалось, что у человека большинство и нормальных, и
патологических признаков детерминируются иными генетическими
механизмами, которые стали обозначать термином «неменделевская
генетика». Таких механизмов существует множество, но в этой главе
мы рассмотрим лишь некоторые из них, обратившись к соответствую-
щим примерам, а именно: хромосомные аберрации (синдром Дауна);
наследование, сцепленное с полом (цветовая слепота); импринтинг (син-
дромы Прадера-Вилли, Энгельмана); появление новых мутации (раз-
витие раковых заболеваний); экспансия (инсерция) повторяющихся нук-
леотидных последовательностей (миотоническая дистрофия Дюшенна); на-
следование количественных признаков (сложные поведенческие
Фенилкетонурия
В печени здоровых людей небольшая часть фенилаланина (∼10%) превращается в фенил-лактат и фенилацетилглутамин (рис. 9-30). Этот путь катаболизма фенилаланина становится главным при нарушении основного пути - превращения в тирозин, катализируемого фенил-аланингидроксилазой. Такое нарушение сопровождается гиперфенилаланинемией и повышением в крови и моче содержания метаболитов альтернативного пути: фенилпирувата, фенилацетата, фениллактата и фенилацетилглу-тамина. Дефект фенилаланингидроксилазы приводит к заболеванию фенилкетонурия (ФКУ). Выделяют 2 формы ФКУ:
Классическая ФКУ - наследственное заболевание, связанное с мутациями в гене фенилаланингидроксилазы, которые приводят к снижению активности фермента или полной его инактивации. При этом концентрация фенилаланина повышается в крови в 20-30 раз (в норме - 1,0-2,0 мг/дл), в моче - в 100-300 раз по сравнению с нормой (30 мг/дл). Концентрация фенилпирувата и фениллактата в моче достигает 300-600 мг/дл при полном отсутствии в норме.
Наиболее тяжёлые проявления ФКУ - нарушение умственного и физического развития, судорожный синдром, нарушение пигментации. При отсутствии лечения больные не доживают до 30 лет. Частота заболевания - 1:10 000 новорождённых. Заболевание наследуется по аутосомно-рецессивному типу.
Тяжёлые проявления ФКУ связаны с токсическим действием на клетки мозга высоких концентраций фенилаланина, фенилпирувата, фениллактата. Большие концентрации фенилаланина ограничивают транспорт тирозина и триптофана через гематоэнцефаличеекий барьер и тормозят синтез нейро-медиаторов (дофамина, норадреналина, серотонина).
Вариантная ФКУ (коферментзависимая гиперфенилаланинемия) - следствие мутаций в генах, контролирующих метаболизм Н 4 БП. Клинические проявления - близкие, но не точно совпадающие с проявлениями классической ФКУ. Частота заболевания - 1-2 случая на 1 млн новорождённых.
Н 4 БП необходим для реакций гидроксилирования не только фенилаланина, но также тирозина и триптофана, поэтому при недостатке этого кофермента нарушается метаболизм всех 3 аминокислот, в том числе и синтез ней-ромедиаторов. Заболевание характеризуется тяжёлыми неврологическими нарушениями и ранней смертью ("злокачественная" ФКУ).
Прогрессирующее нарушение умственного и физического развития у детей, больных ФКУ, можно предотвратить диетой с очень низким содержанием или полным исключением фенилаланина. Если такое лечение начато сразу после рождения ребёнка, то повреждение мозга предотвращается. Считается, что ограничения в питании могут быть ослаблены после 10-летнего возраста (окончание процессов миелиниза-ции мозга), однако в настоящее время многие педиатры склоняются в сторону "пожизненной диеты".
Для диагностики ФКУ используют качественные и количественные методы обнаружения патологических метаболитов в моче, определение концентрации фенилаланина в крови и моче. Дефектный ген, ответственный за фенилкетонурию, можно обнаружить у фенотипически нормальных гетерозиготных носителей с помощью теста толерантности к фенилаланину. Для этого обследуемому дают натощак ∼10 г фенилаланина в виде раствора, затем через часовые интервалы берут пробы крови, в которых определяют содержание тирозина. В норме концентрация тирозина в крови после фенилаланиновой нагрузки значительно выше, чем у гетерозиготных носителей гена фежилкетонурии. Этот тест используется в генетической консультации для определения риска рождения больного ребёнка. Разработана схема скрининга для выявления новорождённых детей с ФКУ. Чувствительность теста практически достигает 100%.
В настоящее время диагностику мутантного гена, ответственного за ФКУ, можно проводить с помощью методов ДНК-диагностики (рестрикционного анализа и ПЦР).
Рис. 9-30. Альтернативные пути катаболизма фенилаланина. При дефекте фенилаланингидроксилазы накопившийся фенилалан и н подвергается трансаминированию с а-кетоглутаратом. Образовавшийся фенилпируват превращается либо в фениллактат, либо в фенилацетилглутамин, которые накапливаются в крови и выделяются с мочой. Эти соединения токсичны для клеток мозга.
Рис. 9-28. Пути превращения фенилаланина и тирозина в разных тканях. Н 4 БП - тетрагидробиоптерин; Н 2 БП - дигидробиоптерин; ПФ - пиридоксальфосфат; SAM - S-аденозилметионин.