Методи генетичних досліджень. Матеріал для учнів 10 класу.

 

Методи генетичних досліджень

Які методи застосовують генетики у своїх дослідженнях?

Одним з перших у генетичних дослідженнях почали застосовувати гіб­ридологічний метод. Він полягає у схрещуванні (гібридизації) організмів, які різняться певними варіантами однієї чи кількох ознак. Отриманих у результаті цього нащадків називають гібридами (від лат. гібрида - суміш). На гібридизації базується гібридологічний аналіз - дослідження харак Меру успадкування варіантів ознак за допомогою системи схрещувань. Для цього підраховують кількість особин з певним фенотипом серед на­щадків, отриманих унаслідок схрещування.

Схрещування — це поєднання генетичного матеріалу різних особин в одній.

Схрещування може бути моногібридним, дигібридним і полігібридним. Моногібридне схрещування - це гібридизація батьківських форм, які відріз­няються різними варіантами лише однієї досліджуваної спадкової ознаки (наприклад, забарвленням насіння); дигібридне - двох (наприклад, забарв­ленням насіння та структурою його поверхні), палігібридне - трьох і більше.

Якими символами позначають процес схрещування?

Погляньте на малюнок 5.1. На ньому зображено квітки трьох рослин горо­ху посівного з різними варіантами генотипів. За умови повного домінування два варіанти генотипу - АА (гомо­зигота за домінантним алелем Л) та Аа (гетерозигота) - визначають один і той самий варіант фенотипу - фіо­летове забарвлення віночка. А ось біле забарвлення віночка однозначно вказує на генотип особини - це гомо­зигота за рецесивним алелем гена, який визначає біле забарвлення ві­ночка.

Для встановлення генотипу до­сліджуваної особини її схрещують з особиною, гомозиготною за рецесив­ним алелем. Такий варіант схрещу­вання називають аналізуючим.

Таке схрещування базується на тому, що особини, гомозиготні за реце­сивним алелем певного гена, завжди мають лише певний варіант феноти­пу й утворюють гамети одного типу.

Припустимо, що популяція гороху посівного складається з особин, які мають генотипи АА, Аа та аа. Домінантний алель визначає високе стебло, рецесивний - низьке. Таким чином, особини з високим стеблом можуть мати генотипи АА та Аа, а з низьким - лише аа. Щоб визначити генотип особин з високим стеблом, їх слід схрестити з особинами, які мають низь­ке стебло. Схематично покажемо хід схрещування.

Якщо особина, генотип якої хочуть перевірити, була гомозиготною за домінантним алелем, хід схрещування буде таким:

 Зверніть увагу на символічні позначення. Батьківські особини познача­ють латинською літерою Р (від лат. парентес - батьки), символами ? та с? 1 відповідно жіночу та чоловічу стать. Якщо організми гермафродитні (деякі тварини) або мають двостатеві квітки (різноманітні рослини), можна довіль­но позначити одну з таких особин як чоловічу, іншу — як жіночу.

Хід схрещування зручно записувати за допомогою решітки Пеннета (на­званої так на честь англійського генетика Реджинальда Крандалла Пенне­та (1875-1967), який уперше запропонував записувати таким чином хід схрещування). По горизонталі записують гамети однієї (у роздільностате­вих організмів - батьківської) особини, а по вертикалі - іншої (материн­ської). У місцях перетину горизонтальної та вертикальної ліній вказують генотипи нащадків. Перше покоління на­щадків позначають (від лат. філії - сини).

Запишемо за допомогою решітки Пеннета хід схрещування батьківських особин, гомо­зиготних за домінантним і рецесивним але­лями.

Якщо серед нащадків, отриманих унаслідок аналізуючого схрещуван­ня, розщеплення за фенотипом не спостерігають, то батьківська особина, генотип якої перевіряли, була гомозиготною за домінантним алелем. Якби вона була гетерозиготною, то хід аналізуючого схрещування мав би такий вигляд:

Запишемо за допомогою решітки Пенне­та хід схрещування батьківських особин, одна з яких гетерозиготна, а інша гомози­готна за рецесивним алелем.

Якщо внаслідок аналізуючого схрещу­вання серед нащадків спостерігатиметься

розщеплення за фенотипом у співвідношенні 1:1, то особина, чий генотиг визначали, була гетерозиготною.

Аналізуюче схрещування широко застосовують у селекції, оскільки воно дає змогу визначити генотип особин, яких планують використати для отримання нащадків з певним фенотипом. Зокрема, завдяки цьому можна уникнути небажаного розщеплення за фенотипом серед нащадків, усу­нувши від розмноження гетерозиготних особин.

Генеалогічний метод полягає у вивченні родоводів організмів. Це лає змогу простежити характер успадкування різних варіантів певних ознак у ряді поколінь. Генеалогічний метод широко застосовують у медичній генетиці, селекції тощо. За його допомогою встановлюють генотип осо­бин і вираховують ймовірність прояву того чи іншого варіанта ознаки в їхніх майбутніх нащадків. Родоводи складають у вигляді схем за певни­ми правилами: організм жіночої статі позначають колом, чоловічої - квадратом. Позначки особин одного покоління розташовують у ряд і з'єднують між собою горизонтальними лініями, а позначки предків і на­щадків — вертикальними. Особин, які мають досліджувану ознаку (на­приклад, хворих), зафарбовують. Чим більше поколінь людей або інших організмів включає родовід - тим він повніший і тим достовірніші ре­зультати генеалогічного аналізу.

На малюнку 5.2 наведено частину родоводу англійської королеви Вік­торії, серед нащадків якої були російські імператори. За ним можна про­стежити успадкування небезпечного захворювання - гемофілії, або не­здатності крові зсідатися (пригадайте фактори, які сприяють процесу зсідання крові). Отже, генеалогічний метод включає два основні етапи: складання власне родоводу та здійснення генеалогічного аналізу успадку­вання тих чи інших варіантів ознак.

Популяційно-статистичний метод дає змогу вивчати, з якою частотою трапляються певні алелі та варіанти їхніх поєднань у популяціях організмів.

Це, у свою чергу, дозволяє встановити генетичну структуру популяцій, тобто які з можливих алелів усіх генів організмів певного виду тра­пляються в даній популяції, з якою частотою і в якому поєднанні. Крім генетики популяцій, метод застосовують і в медичній генетиці для вивчення поширення певних алелів серед людей (здебільшого тих, які зумовлюють спадкові за­хворювання чи вади). Для цього вибірково до­сліджують частину населення певної території і статистично обробляють отримані дані. На­приклад, завдяки застосуванню популяційно- статистичного методу було виявлено, що алель, який визначає дальтонізм (порушення сприйнят­тя кольорів), трапляється у 13 % жінок (з них хвороба проявляється лише в 0,5 %) та в 7 % чо­ловіків (хворіють усі). Рецесивний алель, який зумовлює альбінізм (вроджену відсутність піг­ментації шкіри та райдужної оболонки ока) трапляється із частотою

0,                            0001-0,00005 (1 альбінос припадає на 10 000-20 000 людей з нормаль­ною пігментацією) (мал. 5.3).

Цитогенетичний метод базується на дослідженні особливостей хро­мосомного набору (каріотипу) організмів. Вивчення каріотипу дає змогу виявляти мутації, пов’язані зі зміною як кількості хромосом, так і будо­ви окремих з них. Виявлення таких змін на ранніх етапах розвитку людини дає можливість діагностувати багато спадкових захворювань (як-от, хворобу Дауна) (мал. 5.4). Встановлено, що перенесення ділянки 21-ї хромосоми на хромосому іншої пари (13-ї, 14-ї, 15-ї або 22-ї) в одного з батьків підвищує ймовірність народження хворої дитини до 33 %. Каріо­тип вивчають у клітині на стадії метафази (у цей період клітинного циклу

структура хромосом виражена найчіт­кіше). Для цього в людини без будь- якої шкоди для неї з периферичної крові беруть лімфоцити і переносять на поживні середовища, штучно сти­мулюючи клітини До поділу і зупиня­ючи його на стадії метафази.

Цитогенетичний метод застосову­ють і в систематиці організмів (каріо- систематиці). Багато видів-двійників (види, які не розрізняються зовнішньо; відомі серед комах, земноводних, гри­зунів тощо), подібних за фенотипом, можна розпізнати лише за хромосом­ним набором.

Біохімічні методи використовують для діагностики спадкових захворю­вань, пов’язаних з порушенням обміну речовин. За їхньою допомогою вйявля-
ють білки, а також проміжні про­дукти обміну, не властиві в нормі да­ному організму, що свідчить про наявність мутантних генів. Відомо понад 1000 спадкових захворювань людини, які спричиняють мутації (наприклад, цукровий діабет).

Близнюковий метод полягає в по­рівнянні ознак в однояйцевих близ­нюків (мал. 5.5), які завжди однієї статі, бо мають однакові генотипи.

Дослідження таких організмів дає змогу з’ясувати роль факторів довкіл­ля у формуванні фенотипу. Виявле­но, що в однояйцевих близнюків час­тіше розвивається один і той самий вид ракових пухлин, ніж у різнояйцевих (тобто близнюків, що розвинулися з різних зигот). В однояйцевих близню­ків часто спостерігають й інші спільні захворювання: бронхіальну астму, кір (відсоток збігу - понад 90 %), шизофренію, цукровий діабет (близько 50 %), туберкульоз (понад 50 %) тощо. Отже, застосування близнюкового методу дає можливість розв’язати питання, наскільки те чи інше захворю­вання визначається спадково, а наскільки - впливом факторів довкілля.

Метод дерматогліфіки ґрунтуєть­ся на вивченні рельєфу шкіри на пучках пальців (мал. 5.6), долонях і поверхні підошви людини. Ще в дав­ні часи люди звернули увагу на те, що малюнок на шкірі цих частин тіла індивідуальний і неможливо знайти двох людей, у яких він був би повністю подібний. Метод дермато­гліфіки дає змогу встановлювати і ступінь спорідненості людей, оскіль­ки доведено, що окремі елементи малюнка шкіри можуть успадкову­ватись. Використовують його і для діагностики деяких спадкових захво­рювань (наприклад, на долонях хворих на хворобу Дауна є лише одна по­перечна та одна поздовжня згинальні борозни, тоді як у здорових людей поперечних борозен дві). Цю методику широко застосовують у криміналіс­тиці для доведення причетності до скоєння злочину.

Метод культивування нестатевих (соматичних) клітин людинн поза організмом дає можливість вирішувати різні питання генетики людини, які неможливо розв’язати на цілісному організмі. Клітини для дослі­джень беруть з різних органів і тканин (клітини крові, шкіри, червоного кісткового мозку тощо) і вирощують на штучних поживних середовищах. А потім визначають, приміром, місце певних генів у тих чи інших хромо­сомах.

Сучасна генетика базується на досягненнях молекулярної біології. Саме з ними пов’язані методи генетичної інженерії. За їхньою допомогою
учені виділяють з організмів окремі гени або синтезують їх штучно, пере­будовують певні гени і вводять їх у геном іншої клітини або організму. Крім того, учені можуть сполучати гени різних видів в одній клітині, тоб­то поєднувати в одній особині спадкові ознаки, притаманні цим видам. Організми, отримані в такий спосіб, називають трансгенними (від лат. транс - через і грец. генос - рід, походження), або генетично модифікова ними (скорочено - ГМО).

У генетичних дослідженнях використовують і методи молекулярної біо­логії. Зокрема, нині встановлено послідовності нуклеотидів молекул ДНК багатьох видів організмів. Порівнюючи такі послідовності нуклеотидів молекул ДНК різних видів за ступенем їхньої подібності, вчені з’ясовують ступінь спорідненості різних видів. Два види, які походять від спільного предка (два види одного роду) мають подібніший спадковий матеріал, аніж види, які належать до двох близьких, але різних родів. У генетиці людини цей метод застосовують для з’ясування родинних зв’язків між окремими людьми.

Для проведення досліджень у галузі молекулярної біології здійснюють клонування ДНК. Фрагмент ДНК, який цікавить дослідників, вводять у молекулу ДНК, яку згодом вводять у бактеріальну клітину. Стимулюють розмноження таких клітин. Для отримання необхідних фрагментів ДНК створюють так звані геномні бібліотеки - велику кількість фрагментів ге­ному, серед яких шукають потрібний.

Крім того, для з’ясування ступеня спорідненості організмів застосову­ють і метод гібридизації нуклеїнових кислот. Для цього поза організмом створюють умови для денатурації молекул ДНК та руйнування водневих зв’язків між комплементарними нуклеотидами. А згодом залежно від того, яка кількість нуклеотидів ланцюга молекули ДНК однієї особини утворює водневі зв’язки з комплементарними нуклеотидами ланцюга мо­лекули ДНК іншої особини, дослідники роблять висновки про ступінь по­дібності їхнього спадкового матеріалу.

Запам’ятайте. Згідно з Декларацією прав людини і різними міжнародними угодами забороняється будь-яке втручання у спадкову інформацію люди­ни різноманітними експериментальними методами досліджень, навіть якщо при цьому поставлено гуманні цілі. Це пов’язано з тим, що таке втручання може мати непередбачувані наслідки.

Як генетика пов'язана з практичною діяльністю людини?

Результати генетичних досліджень є теоретичною базою для розв’язання практичних питань селекції, (науки про створення нових сортів рослин і порід тварин), медичної генетики (основні напрями - діагностика, про­філактика і лікування спадкових захворювань, дослідження факторів, які спричиняють мутації, з метою захисту від них генома людини тощо), генетичної (генної) інженерії (штучний синтез генів, виділення генів з організму, перенесення генів з одних організмів в інші) тощо.

Нові терміни та поняття. Аналізуюче схрещування, гібридизація,
гібриди.
Запитання для повторення: 1. На чому базується гібридологічний метод? Що таке моно-, ди- та полігібридне схрещування? 2. Для чого застосовують аналізуюче схрещування? 3. З якою метою використовують генеалогічний метод? 4. Охарактеризуйте цитогенетичний метод. 5. Для чого в генетичних дослідженнях використовують популяційно-статистичний, близнюковий, біохі­мічні методи? 6. На чому базуються методи генної інженери