М-21 біологія 08.02.22

 08.02.2022

Комбіноване заняття (2 год.)

Тема 3.5. Каріотип людини. Хромосомний аналіз.

 

Опрацювати: Біологія 10 клас (за посиланням «Підручники»), §§40, 42-44, с.156-159, 164-175.

Виконати (письмово):

1. Створити біологічний словник із термінів, що зустрічаються по ходу лекції.

2. Завдання 1-3:

Завдання 1. Як визначити тип успадкування ознаки в людини?

Завдання 2. Ознайомтесь із правилами, що допоможуть скласти схему родоводу: 1) особа, родовід якої складається, називається пробандом; її на схемі позначають стрілкою; 2) осіб жіночої статі позначають кружечком, осіб чоловічої – квадратиком; символи особин із проявом досліджуваної ознаки – затоновують; 3) кожному поколінню виділяють окремий рядок, на якому зліва направо в ряд розміщують членів родини в порядку народження; 4) символи осіб, які перебувають у шлюбі, з’єднують лінією; 5) послідовні покоління позначають римськими цифрами, нащадків одного покоління – арабськими.

Завдання 3. Створіть схему родоводу за умовою задачі. «Пробанд – дівчинка, яка має симпатичні ямки на щоках. Брат і сестра її – ямок не мають. Мати дівчинки також має ямки на щоках, а батько – ні. У матері дівчинки два брати, один із них – з ямками, другий – ні. Бабуся пробанда за материнською лінією – з ямками, а дід – ні. Які генотипи усіх членів сім’ї? Визначте характер успадкування ознаки.

3. Вправи 1-2:

Вправа 1. Дальтонізм – рецесивний прояв ознаки, ген якої розташований в Х-хромосомі. Яких дітей можна очікувати від шлюбу: а) чоловік з нормальним колірним зором, жінка з геном дальтонізму в генотипі; б) чоловік з дальтонізмом, жінка з нормальним кольоровим зором; в) чоловік з дальтонізмом, жінка з геном дальтонізму в генотипі.

Вправа 2. Чоловік з дальтонізмом одружується з жінкою з нормальним колірним зором, батько якої був з дальтонізмом. Яким буде зір у їхніх дітей?

Вправа 3*. Здорова за фенотипом жінка, у матері якої був дальтонізм, а в батька – гемофілія, одружена з чоловіком, який має обидва захворювання. Визначте ймовірність народження в цій сім’ї дітей, які також матимуть обидві ці хвороби.

 

Які особливості каріотипу людини?

Каріотип людини характеризується за тими самими правилами, що й каріотипи еукаріотичних організмів. Це специфічність, стабільність, парність, індивідуальність та наступність.

Для дослідження особливостей каріотипу людини її хромосоми розташовують у вигляді ідіограми (від грец. ідіос – своєрідний, грама – напис). Складання ідіограми, як і сам термін, запропоновано українським цитологом С. Г. Навашиним.

У 1960 р. було розроблено першу Денверську міжнародну класифікацію хромосом людини. У основу її було покладено особливості розмірів хромосоми та розташування центромери. В ідіограмі хромосоми розташовуються попарно у порядку зменшення розмірів (крім статевих хромосом). З цією метою вимірюють довжини хромосом у мікрометрах. Довжина хромосом коливається від 2,3 до 11,0 мкм. Визначають також співвідношення довжини короткого плеча до довжини всієї хромосоми.

У нормі каріотип людини складаться із 46 хромосом, з них 44 аутосоми (22 пари), що мають однакову будову в чоловічому й жіночому організмах, та одна пара статевих хромосом (XY – у чоловіків і XX – у жінок). Хромосомна формула жіночого каріотипу  44А+ХХ, чоловічого  44+XY. Такий каріотип залишається незмінним упродовж усього життя. Відомо, що подвійна доза генних продуктів Х-хромосоми є смертельною для організму. Через те в жіночих клітинах виник спеціальний механізм, що забезпечує постійне перебування однієї Х-хромосоми в інактивованому стані у вигляді тільця Барра (або статевого Х-хроматину). Вона інактивується ще в ранньому ембріогенезі до розвитку статевих залоз.

Отже, КАРІОТИП ЛЮДИНИ – це кількісна й якісна видоспецифічна сукупність особливостей хромосомного набору соматичних клітин людини.

Як організовані хромосоми в каріотипі людини?

Хромосоми (від грец. хроматос – забарвлений, сома – тільце) – структури клітин еукаріотів, що забезпечують збереження, розподіл та передачу спадкової інформації. Ці матеріальні носії для передачі інформації наступному поколінню клітин формуються із хроматину перед поділом клітин. Хроматин (від грец. хрома – забарвлення) – комплекс ДНК з білками, що формує хромосоми. Основна частка в складі хроматину припадає на ДНК й ядерні білки-гістони, що утворюють дезоксирибонуклеопротеїнові комплекси. Нуклеопротеїновий комплекс з однією молекулою ДНК і є хромосомою. Наприклад, у клітинах людини є 46 хромосом, і відповідно, 46 молекул ДНК. Розрізняють два функціональні стани хроматину: еухроматин та гетерохроматин. Щільно упакований, або конденсований, хроматин називають гетерохроматином. ДНК гетерохроматину недоступна для транскрипції, і такий стан характерний для багатьох некодувальних ділянок

або генів, експресія яких не потрібна в конкретному типі клітин. Якщо хроматин упакований нещільно, його називають деконденсованим хроматином, або еухроматином. У цьому стані він більш доступний для різноманітних ферментів і зазвичай є транскрипційно активним.

Основними рівнями організації хроматину в ядрі клітин є нуклеосомний, нуклеомерний, хромомерний, хроматидний та хромосомний. Цю багаторівневу структурованість забезпечують процеси спіралізації та конденсації. Їхні можливості вражають. Так, у людини довжина розкрученої ДНК найменшої хромосоми становить близько 14 000 мкм, а її довжина після ущільнення лише 2 мкм.

Хромосомний рівень організації хроматину виникає безпосередньо перед поділом клітин. Формуються однохроматидні хромосоми, що після реплікації ДНК стають двохроматидними. Перед поділом у клітинах людини міститься 46 двохроматидних хромосом. Хроматиди поєднуються в ділянці

первинної перетяжки, де розташована центромера – невелика ділянка, що поділяє хромосому на дві частини, утворюючи при цьому довге плече і коротке плече з теломерами.

Отже, під час поділу хроматин конденсований у хромосоми, що їх чітко можна розгледіти навіть під світловим мікроскопом, тоді як у період інтерфази хроматин розслаблений і розділяється на еу- та гетерохроматин.

Яке значення хромосомного аналізу?

ХРОМОСОМНИЙ АНАЛІЗ – це дослідження й аналіз морфології, кількості й структури окремих хромосом або каріотипу в цілому. Дослідження хромосом є основою цитогенетичного методу дослідження спадковості. У людини найзручнішим об'єктом для аналізу є культивовані в спеціальному розчині лімфоцити периферійної крові (метод культури клітин). Під час виготовлення мікропрепаратів хромосом до культури клітин додають алкалоїд колхіцин, що зупиняє поділ клітини на стадії метафази. Потім клітини обробляють гіпотонічним розчином КСl, який відокремлює хромосоми одну від одної, після чого їх фіксують і фарбують. Завдяки такій обробці кожна хромосома стає видимою у світловому мікроскопі. Хромосоми на цій стадії складаються з двох хроматид і мають Х-подібну форму. Кожна хромосома при застосуванні методу класичного каріотипування по своїй довжині диференціюється на темні та світлі смуги – диски. Послідовність розташування цих дисків, їх форма є специфічними для кожної хромосоми. Спеціаліст за допомогою комп’ютерної програми збирає хромосоми, зафіксовані на знімку, попарно й порівнює, чи всі смужки на місці, чи немає зайвих або відсутніх ділянок.

Метод спектрального каріотипування дає змогу маркувати кожну із хромосом і водночас досліджувати увесь каріотип. Останнім часом у хромосомному аналізі для виявлення хромосомних мутацій використовують метод флуоресцентної гібридизації, який полягає у фарбуванні хромосом флуоресцентними барвниками, що зв’язуються зі специфічними ділянками хромосом.

За допомогою хромосомного аналізу в медичній генетиці досліджують каріотип людини в нормі й у разі патології, у філогенетиці вивчають деякі закономірності мутаційного та еволюційного процесів. Вимірювання довжини теломер на кінцевих ділянках хромосоми дає змогу спеціалістам-геронтологам оцінити швидкість процесу старіння організму людини, оскільки теломери зменшуються з кожним поділом клітин. У судовій медицині хромосомний аналіз застосовують для визначення статевої належності крові.

Отже, виявлення порушень у структурі каріотипу засноване на вивченні хромосом людини в нормі й у разі патології.

ГЕНЕТИКА ЛЮДИНИ – біологічна наука, що досліджує особливості спадковості й мінливості людини. Усі основні загальні закономірності спадковості, що їх установлено для тварин і рослин, справедливі й для людини. Однак у Людини розумної є соціальні й біологічні особливості, що зумовили виокремлення генетики людини як самостійної науки.

Вагомий внесок у розвиток генетики людини зробив англійський біолог Ф. Ґальтон. Аналізуючи спадковість ряду сімей, учений дійшов висновку, що особливості людини зумовлені не лише умовами середовища, а й спадковістю. Сучасний етап розвитку антропогенетики характеризується стрімким зростанням обсягу знань про молекулярну будову генетичного матеріалу та механізми мутагенезу. Свідченням таких успіхів є реалізація міжнародної програми «Геном людини».

Генетика людини має різні напрями, що розвинулися в самостійні галузі. Медична генетика вивчає спадкові хвороби, розробляє методи діагностики, лікування й профілактики. Цитогенетика вивчає хромосоми людини, їх структурно-функціональну організацію, картування, розробляє методи хромосомного аналізу. Популяційна генетика досліджує генетичну структуру людських популяцій, частоту зустрічальності алелів і генотипів, оцінює генетичні наслідки забруднення довкілля. Біохімічна генетика вивчає шляхи реалізації генетичної інформації від гена до ознаки. Розробка системи захисту генофонду людей від йонізуючої радіації – одне з основних завдань радіаційної генетики. Імунологічна генетика вивчає генетичну зумовленість імунологічних ознак організму, імунних реакцій. Фармакологічна генетика досліджує генетичну зумовленість реакцій окремих людей на лікарські засоби та дію останніх на спадковий апарат.

Підґрунтям для вивчення закономірностей спадкування в людини стало дослідження спадкових хвороб, яких нині описано вже близько 9 000 (онкологічних, серцево-судинних, психічних тощо).

Отже, генетика людини є основою біології людини; вона досліджує подібність й відмінності між людьми на різних рівнях організації життя.

Методи, що їх використовують у генетиці людини, принципово не відрізняються від загальноприйнятих для інших об'єктів – це генеалогічний, близнюковий, цитогенетичний, популяційно-статистичний, біохімічний, дерматогліфічний, молекулярно-генетичні, онтогенетичний та багато інших.

Генеалогічний метод полягає у вивченні людських родоводів. Це дає змогу

визначити та простежити характер успадкування ознак у ряді поколінь.

Близнюковий метод полягає у вивченні монозиготних близнят (організмів, які походять з однієї зиготи) та порівнянні їх з дизиготними близнятами. Досліджуючи такі організми, можна з’ясувати вплив чинників довкілля на прояви генотипу.

Цитогенетичний метод заснований на мікроскопічному вивченні хромосом. Метод дає змогу вивчати стандартний каріотип людини, а також виявляти спадкові хвороби, спричинені геномними і хромосомними мутаціями.

Біохімічний метод допомагає визначити певні речовини (переважно ферменти) з метою діагностування спадкових хвороб. Дослідження є дуже трудомісткими, потребують спеціального обладнання, тому їх не використовують для масових популяційних досліджень.

Популяційно-статистичний метод дає змогу аналізувати поширення спадкових хвороб людини та прогнозувати їх частоту в наступних поколіннях, оцінювати наслідки споріднених шлюбів, визначати вплив чинників на мінливість людини.

УСПАДКУВАННЯ ОЗНАК – це передача генетичної інформації на рівні клітин чи цілісного організму від батьків дітям або від предків нащадкам. Всі ознаки організму людини проявляються під дією одного або багатьох генів.

Моногенне успадкування – це успадкування ознак, що контролюються алелями одного гена. Так успадковуються якісні ознаки, що чітко виявляються у фенотипі й мають контрастні (альтернативні) прояви, що їх легко відрізнити. Наприклад, у людини моногенно успадковуються ямки на щічках або ямка на підборідді. Фенотиповий прояв цієї ознаки визначається домінантним геном, а мінливість ямок на щічках залежить від особливостей будови виличного м'яза й м’яза сміху, що беруть участь у формуванні посмішки людини. Тобто прояв якісних ознак залежить, як правило, від одного чинника, тому моногенне успадкування називають ще монофакторним. За моногенного успадкування мають місце взаємодії алельних генів.

Але частіше за все буває, що відразу кілька генів відповідають за прояв тієї чи іншої ознаки.

Полігенне успадкування – успадкування ознак, прояв яких визначається взаємодією кількох або багатьох неалельних генів. Науково доведено, що для людини ступінь прояву таких ознак, як колір шкіри, волосся, очей, ступінь розумового розвитку, ріст, залежить від діяльності відразу багатьох генів й багатьох чинників навколишнього середовища. Так, у людини ріст визначають 5 пар полімерних неалельних генів. На ріст різнонапрямлено впливають фізична активність, склад їжі, шкідливі звички тощо. Вони можуть зміщувати ступінь прояву росту в позитивний, або негативний бік, тому полігенне успадкування називають ще поліфакторним.

Полігенно успадковуються кількісні ознаки, що, як правило, є мінливішими за якісні. Для них немає чітко розмежованих фенотипових класів, і під час аналізу таких ознак спостерігаються поступові малопомітні переходи між особинами.

Отже, успадкування ознак у людини здійснюється за участі домінантних й рецесивних, алельних та неалельних генів, розташованих у хромосомах ядра або мітохондріях цитоплазми (цитоплазматична спадковість).

Якими є основні типи успадкування ознак у людини?

За характером прояву кількісних та якісних ознак виокремлюють домінантне та рецесивне успадкування. За домінантного успадкування спостерігається пригнічення одного алеля іншим, внаслідок чого домінантний стан ознаки проявляється в кожному поколінні. Успадкування, за якого один із алельних генів повністю пригнічує прояв іншого у фенотипі нащадків, називається повним домінуванням (наприклад, темне волосся в людини). Якщо ж домінантні алелі лише частково переважають над рецесивними, наслідком чого є поява проміжного прояву ознаки, то спостерігається неповне домінування (наприклад, успадкування форми волосся в людини: кучеряве – домінантний прояв, пряме – рецесивний, хвилясте – проміжний). Є ще кодомінування, за якого спостерігається вияв обох алелів гена за одночасної наявності їх у гетерозигот. Наприклад, четверта група крові (І^АІ^В) за системою АВ0 є результатом взаємодії двох домінантних алелів І^А й І^В. За рецесивного успадкування стан ознаки передається спадково, але пригнічується і не проявляється у гетерозиготних нащадків (наприклад, світле волосся, блакитні очі).

Гени, що визначають кількісні й якісні ознаки людини, розташовані в хромосомах; їх поділяють на аутосоми та статеві хромосоми (гоносоми). Залежно від цього критерію розрізняють аутосомне й зчеплене зі статтю успадкування.

Успадкування ознак, яке здійснюється за участі генів хромосом, що є подібними у чоловічих й жіночих організмів, називається аутосомним. Таким чином успадковується в людини колір очей або резус-фактор. Успадкування ознак, що здійснюється за участі генів статевих хромосом, називається зчепленим зі статтю.

Оскільки статевими є X- та Y-хромосоми, виокремлюють X- та Y-зчеплені типи успадкування.

Поєднання видів успадкування за характером прояву ознак і розташуванням генів у хромосомах, дає змогу виокремити типи успадкування. Для людини характерні усі основні типи успадкування ознак – аутосомно-домінантний, аутосомно-рецесивний, зчеплений зі статтю домінантний, зчеплений зі статтю рецесивний.

Як визначити тип успадкування ознаки в людини?

Універсальним методом, який уможливлює визначення типу успадкування ознак, є метод складання та аналізу родоводів.

Для родоводу, в якому спостерігається аутосомно-домінантне успадкування ознаки, характерними є наявність носіїв домінантного прояву ознаки в кожному поколінні та однакова частота прояву ознаки серед чоловіків і жінок, що вказує на розташування гена в аутосомі. За аутосомно-домінантним типом успадковуються зелені очі, короткозорість, довгі вії, наявність резус-фактора.

У родоводах з аутосомно-рецесивним успадкуванням характерними є наявність поколінь, у яких рецесивний прояв не спостерігається, а також однакова частота прояву ознаки серед чоловіків і жінок. За аутосомно-рецесивним типом передаються блакитні очі, нормальний зір, короткі вії, відсутність резус-фактора, альбінізм.

X-зчеплене домінантне успадкування характеризується різною частотою прояву ознаки серед чоловіків і жінок (серед жінок вона трапляється частіше) і тим, що ознаку батька успадковують всі доньки і ніколи – сини. За таким типом передаються темна емаль зубів, рахіт, не чутливість до вітаміну D.

За X-зчепленого рецесивного успадкування прояв ознаки траплятиметься майже виключно у чоловіків, ознака ніколи не передаватиметься від батька до сина, а тільки до онука через доньку. Таке успадкування характерне для дальтонізму, гемофілії.

Отже, для визначення типу успадкування ознаки найчастіше застосовують метод складання й аналізу родоводів.

ЗЧЕПЛЕНЕ УСПАДКУВАННЯ – успадкування генів, що містяться в одній хромосомі. А саме явище розташування генів в одній хромосомі назвали зчепленням генів. Усі гени однієї хромосоми передаються спадково разом й утворюють одну групу зчеплення. Оскільки в гомологічних хромосомах розташовуються однакові гени, групу зчеплення утворюють дві гомологічні хромосоми. Тому кількість груп зчеплення відповідає кількості пар гомологічних хромосом, або кількості хромосом гаплоїдного набору. Таким чином, у людини налічують 23 групи зчеплення у представників жіночої статі і 24 групи зчеплення у представників чоловічої статі (22 аутосоми та дві статеві хромосоми X й Y).

У людини аналіз груп зчеплення класичними методами неможливий внаслідок відсутності можливостей експериментальних схрещувань. Для картування хромосом людини найчастіше застосовували метод аналізу родоводів і метод гібридизації соматичних клітин (переважно з клітинами миші). На сьогодні відомі усі 24 групи зчеплення. У людини зчеплено успадковуються резус-фактор й овальна форма еритроцитів (1-ша хромосома), групи крові за системою АВ0 й синдром дефекту нігтів і колінної чашечки (19-та хромосома). Найповніше побудовано карту X-хромосоми, у якій близько 1400 генів; з них білок-кодувальних – 841. Найвідомішими ознаками, за яких гени розташовані в групі зчеплення з Х-хромосомою, є гемофілія й дальтонізм. Група зчеплення Y-хромосоми є набагато меншою за обсягом і має близько 90 генів, білок-кодувальними з яких є 23. Найвідомішими генами Y-хромосоми є гени надмірного оволосіння вушних раковин (гіпертрихоз), рогових лусок на шкірі (іхтіоз), а найважливішим – ген SRY (від англ. sex determining region Y – ділянка Y-хромосоми, що визначає стать), що є ключовим геном розвитку організму за чоловічим типом. Невеликий обсяг Y-хромосоми і поступова втрата нею генів спонукали окремих учених заявити, що в майбутньому вона взагалі зникне. Однак молекулярно-генетичні дослідження показали, що процес «зношення» чоловічої хромосоми зупинився, і вона залишається стабільною упродавж останніх 25 млн років. Ця стабільність походить із життєво важливого осередка Y-хросомоми із 12 генів, які не мають нічого спільного з визначенням статі чи розвитком чоловічої статевої системи. Вони «відповідають» за такі функції, як синтез білків і регуляція транскрипції інших генів.

Наявність у людини явища зчеплення ознак надає надзвичайно важливу інформацію для виявлення та діагностики спадкових захворювань. З високою вірогідністю можна передбачити генотипи та фенотипи синів і дочок подружжя, якщо батько, мати або обоє мають ознаки, що успадковуються зчеплено.

Отже, у людини розрізняють 23 групи зчеплення (жіноча стать) або 24 групи зчеплення (чоловіча стать).

Які особливості зчепленого зі статтю успадкування ознак у людини?

Успадкування, зчеплене із статтю – це успадкування ознак, гени яких розташовані в статевих хромосомах. У людини виокремлюють три групи генів статевих хромосом, які успадковуються по-різному: гени розташовані тільки в X-хромосомі, гени розташовані тільки в Y-хромосомі, і гени, наявні в обох статевих хромосомах. Успадкування ознак, зчеплених зі статтю, має свої певні особливості, які відрізняють його від інших типів успадкування:

• ознаки, гени яких локалізовані в Х-хромосомі, успадковуються чоловіками й жінками;

• якщо рецесивний алельний ген зчеплений з Х-хромосомою, то в жіночої статі він проявляється лише в гомозиготному стані, а в чоловічої – завжди;

• ознаки, зчеплені з Y-хромосомою, успадковуються лише представниками чоловічої статі.

Однією із найвідоміших ознак, що успадковується зчеплено зі статтю, є дальтонізм – нездатність розрізняти червоний і зелений кольори. Виникає внаслідок дефекту в генах X-хромосоми, що визначають розвиток колбочок сітківки, чутливих до цих кольорів. Інший приклад рецесивних, зчеплених зі статтю ознак, – гемофілія, що проявляється в порушенні зсідання крові.

Розглянемо для прикладу успадкування дальтонізму. Встановлено, що цей прояв ознаки визначає рецесивний алель, локалізований у Х-хромосомі. Якщо чоловік з дальтонізмом (X^dY) одружується з гомозиготною жінкою з нормальним колірним зором (X^DX^D), то вірогідність появи дальтонізму серед нащадків дорівнює нулю. Всі нащадки за фенотипом матимуть нормальний колірний зір, але в генетиці дочок буде наявний рецесивний алель.

Отже, успадкування, зчеплене зі статтю, має особливості, що визначаються розташуванням генів у статевих хромосомах.

Чим визначається цитоплазматичне успадкування людини?

Позахромосомна (цитоплазматична) спадковість – спосіб збереження й передачі генетичної інформації за допомогою органел цитоплазми, здатних до самовідтворення. У клітинах людини є органели, що містять власну ДНК й власні гени. Це мітохондрії, що містять інформацію про ферменти й регулюють клітинний метаболізм. На відміну від сталої кількості ДНК у складі хромосом кількість ДНК мітохондрій може змінюватися з віком залежно від умов середовища, активності тощо.

Оскільки мітохондрії містяться в цитоплазмі клітин, то, очевидно, успадкування їхніх генів матиме якісь особливості. Особливості цього успадкування зумовлені передусім тим, що гамети різних статей мають різну кількість мітохондрій. Найчастіше яйцеклітина містить тисячі мітохондрій, а сперматозоон – одиниці. Окрім того, мітохондрія чоловічої гамети взагалі не потрапляє в яйцеклітину під час запліднення. У результаті в зиготі переважають мітохондрії яйцеклітини. Цитоплазматична спадковість має материнський характер – успадковуються і виявляють себе лише гени, що містяться в цитоплазмі яйцеклітини. Дітям передаються виключно мітохондрії матері, у результаті чого чоловіки та жінки можуть мати відповідну ознаку, але тільки жінки передають її своїм дітям.

Оскільки мітохондріальна ДНК належить тільки одному з батьків, то рекомбінаційних змін, властивих для ядерної ДНК у мейозі, немає, отже, немає й комбінаційної мінливості. Нуклеотидна послідовність зазнає змін від покоління до покоління тільки за рахунок мутацій, що відбуваються в десяток разів інтенсивніше, ніж у ядерній ДНК.

Класичними проявами мітохондріальних хвороб вважаються міопатії та енцефалопатії.

Останнім часом мітохондріальну ДНК використовують в популяційних дослідженнях, вирішенні питання поширення Homo sapiens на планеті та походження людських рас, походження і генетичної структури окремих етносів і популяцій.

Отже, цитоплазматичне (позаядерне, позахромосомне) успадкування – це успадкування генів, що визначається їхнім розташуванням у цитоплазматичних структурах.