Варіант №2.

Задача №1Ген чорного забарвлення великої рогатої худоби домінує над геном червоного забарвлення. Яке потомство у F₁ виникне від схрещування чорного гомозиготного бика з червоними коровами? Яким буде потомство від схрещування між собою таких гібридів? Які телята народяться від червоного бика і гібридних коров з F₁?

(А А - чорне забарвлення, Аа – чорне забарвлення, аа – червоне забарвлення.)

Задача №2. Плоди томатів бувають червоні і жовті, гладкі і пухнасті. Ген червоного кольору домінантний, ген пухнастості рецесивний. Обидві пари знаходяться в різних хромосомах. А) Яке потомство можна чекати від схрещування гетерозиготних томатів з червоними і гладкими плодами з особиною, гомозиготною за обома рецесивними ознакам?

(А – червоні помідори, В – гладкі помідори.

а – жовті помідори, в – пухнасті помідори)

Задача №3. У людини рецесивний ген (l) визначає природну глухонімоту. А) Спадково глухонімий чоловік одружився з жінкою з нормальним слухом (L). Їхня дитина має нормальний слух. Визначте генотип матері.

Б) Спадково глухоніма жінка одружилася з чоловіком з нормальним слухом. У них народилася глухоніма дитина. Визначте генотип батьків.

Заняття № 34

Тема. Генотип як цілісна система. Генетика і її значення для медицини.

Мета: визначити сучасну модель структури гена; з’ясувати напрямки використання генетичних досліджень в медицині.

Література: Загальна біологія: Підручник для учнів 10-11 кл. серед. Загальноосвіт. шк. М.Є. Кучеренко та інш. – К.: Генеза, 2000.- 464.: іл. § 38, 44

План

1. Поняття про ген.

2. Цитоплазматична спадковість.

3. Співвідношення ген – ознака.

-взаємодія між алельними генами;

-епістаз;

-комплементарність.

4. Множинна дія генів.

5. Використання генетичних методів в медицині.

1. Раніше ви дізналися про хімічну природу гена. Цей термін запро-понував датський учений В. Іогансен у 1909 році. Тривалий час, поки не було з’ясовано структуру нуклеїнових кислот і відкрито генетичний код, ген вважали неподільною одини­цею спадкової інформації, рекомбінацій та мутацій. Але згодом встановили, що мутації можуть зачіпати не весь ген, а лише певну його частину. Так само і під час кросинговеру гомологічні хро­мосоми можуть обмінюватись як окремими генами, так і їхніми час­тинами. Мінімальна ділянка молекули нуклеїнової кислоти, яка може бути поділена під час кросинговеру, становить усього одну-дві нуклеотидні пари. Але функціонально ген - цілісна одиниця, бо будь-які порушення його будови змінюють закодовану в ньому інфор­мацію або призводять до її втрати.

Гени поділяють на структурні, які кодують структуру білків і рибонуклеїнових кислот, та регуляторні, що слугують місцем приєднання ферментів та інших біологічно активних сполук, які впливають на актив-ність структурних генів і беруть участь у процесі реплікації ДНК і тран-скрипції. Розміри регуляторних генів, як правило, незначні — кілька десятків пар нуклеотидів, структурних - сотні й тисячі нуклеотидів.

Отже, ген – це спадковий фактор, функціонально неподільна одиниця генетичного матеріалу у вигляді ділянки молекули нуклеїнової кислоти (ДНК або РНК), що кодує первинну структуру поліпептиду, молекули транспортної чи рибосомальної РНК або взаємодіє з регуля-торним білком.

Організація генотипу у різних організмів. Як ви пам’ятаєте, вся спадкова інформація, закодована у генах організму, називається генотипом. Кількість генів у різних організмів значно варіює (згадаймо, що сукупність генів у гаплоїдному наборі, характерну для організмів певного виду, назива-ють геномом). Найпростіше організований геном вірусів, у якому міститься від одного до кільок сотень структурних генів.

Геном прокаріот складніший за будовою і містить як структурні, так і регуля­торні гени. Наприклад, ДНК кишкової палички складається з 3 800 000 пар нук леотидів, а число структурних генів становить близько тисячі. Майже поло­вина довжини її молекули генетичної інформації не несе, це - ділянки, що лежать між генами, так звані спейсери.

Геном еукаріот має ще складнішу структуру: кількість ДНК в їхньому ядрі більша, а отже, більше й структурних та регуляторних генів. Так, геном дрозофі­ли нараховує майже 180 000 000 пар нуклеотидів і включає близько 10 000 струк­турних генів. У геномі людини понад сто тисяч структурних генів.

Дослідження геному різноманітних організмів показало, що кількість ДНК у ядрі перевищує необхідну для кодування всіх структурних генів у 8-10 разів. При­чини цього явища різні. По-перше, геномна ДНК еукаріот містить багато послі­довностей нуклеотидів, кожна з яких повторюється до сотень тисяч разів. По- друге, значна частина ДНК (спейсери) взагалі не несе генетичної інформації. По-третє, чимало регуляторних генів не кодує поліпептиди чи РНК.

Ділянки некодуючої ДНК виявлено й у складі структурних генів. Було доведе­но, що ген складається з окремих блоків (частин), одні з яких (екзони) копіюють­ся в РНК і несуть інформацію про структуру певних сполук, а інші (інтрони) - ні. Окремі інтрони можуть вміщувати від 100 до 1 000 000 і більше нуклеотидних пар. Число інтронів усередині генів різне: в гена гемо-глобіну - 2, яєчного білка - 7, білка-колагену курки - 51. Число і розташуван-ня інтронів специфічні для кожного гена. Гени копіюються в молекулі-попереднику рРНК (про-ІРНК), звідки інтрони видаляються особливими ферментами, а екзони залишаються і сполучаються (зрощуються) у певному, строго визначеному порядку. Таким чином утворюється зріла іРНК.

2. Цитоплазматична спадковість. У клітинах еукаріот, крім спад­кового матеріалу, розташованого у ядрі, виявлено ще позаядерну, або цитоплазматичну, спадковість. Явище цитоплазматичної спадковості полягає у здатності певних структур цитоплазми збері­гати та передавати нащадкам частину спадкової інформації бать­ків. Хоча провідна роль в успадкуванні більшості ознак організму належить генам хромосом, роль цитоплазматичної спадковості теж досить значна.

Цитоплазматична спадковість пов’язана з двома видами генетич­них явищ:

- успадкуванням ознак, які зумовлюють позаядерні гени, роз­ташовані у певних органелах (мітохондріях, пластидах);

— появою у нащадків ознак, зумовлених ядерними батьківськими генами, але на прояв яких впливає цитоплазма яйцеклітини.

Існування генів, розташованих в органелах, що здатні до самоподвоєння - мітохондріях і пластидах - виявлено ще на початку XX сторіччя під час вивчення успадкування зелених та безбарвних пластид у деяких квіткових рослин із мозаїчним забарвленням лис­тків. Позаядерні гени взаємодіють з ядерними і перебувають під контролем ядерної ДНК. Цитоплазматична спадковість, пов’язана із генами пластид, відома для таких квіткових рослин, як ротики, нічна красуня тощо. Серед них є форми зі строкатими листками, причому ця ознака передається по материнській лінії. Строкатість листків зумовлена нездатністю частини пластид утворювати хлоро­філ. Після поділу клітин із безбарвними пластидами у листках ви­никають білі плями, які чергуються із зеленими ділянками. Пере­дача строкатості листків по мате-ринській лінії пояснюється тим, що під час утворення статевих клітин пластиди потрапляють до яйцеклітин, а не до сперміїв. Пластиди, які розмножуються поділом, мають генетичну безперервність: зелені пластиди дають початок зе­леним, а безбарвні — безбарвним. Під час поділу клітини пластид різних типів розподіляються випадково, у результаті чого утворю­ються клітини з безбарвними, зеленими чи обома типами пластид разом.

Явище цитоплазматичної спадковості, пов’язаної з мітохондріями, вивчали на прикладі дріжджів, у мітохондріях яких виявлені гени, що зумов-люють відсутність або наявність дихальних фермен­тів, а також стійкість проти певних антибіотиків.

Вплив ядерних генів материнського організму через цито­плазму яйцеклітини на формування деяких станів ознак нащад­ків можна просте-жити на прикладі прісноводного черевоногого молюска-ставковика. У нього є форми із різними станами спадкової ознаки — лівого чи правого напрямку закрученості чере­пашки. Алель, що визначає правозакрученість черепашки, домінує над лівозакрученістю, однак напрямок закрученості визначають гени материнського організму. Наприклад, особини, гомозиготні за реце­сивною алеллю лівозакрученості, можуть мати правозакручену че­репашку, якщо походять від материнського організму, який має до­мінантну алель правозакрученості. Таким чином, розщеплення за ознакою напрямку закру-ченості черепашки при схрещуванні ставковиків фенотипно проявляється із запізненням на одне покоління.

3. Співвідношення і ген – ознака. Тривалий час у генетиці існувало правило, згідно з яким кожний ген визначає синтез одного полі­пептиду («один ген - один поліпептид»). Проте подальші дослід­ження показали, що співвідношення «ген - ознака» значно складніші, ніж уявляли раніше. Стали відомі явища взаємодії ге­нів та їхньої множинної дії.

Наприклад, фенотип формується внаслідок складної взаємодії між алельними генами (про типи взаємодії алельних генів - повне та неповне домінування, проміжний характер успадкування згадувалося раніше). Але на формування певних станів ознак часто впливає взаємодія двох чи більше неалельних генів, яка може від­буватись у різних формах.

Пригнічення, або епістаз (від грец. епістазіс — зупинка, пере­шкода) - один із типів взаємодії між неалельними генами, за якого алель одного гена пригнічує прояв алелі іншого. Наприклад, пурпу­рове забарвлення очей дрозофіли зумовлене рецесивною алеллю і тому може проявитись лише у гомозиготних за нею особин. Однак воно не проявиться, якщо у рецесив-ному гомозиготному стані пере­буватиме інший неалельний ген, який при-гнічуватиме дію першого.

Іншим типом взаємодії неалельних генів є доповнення (компле- ментарність). Для неї необхідна присутність двох або більше домінантних неалельних генів, які разом визначають розвиток пев­ної ознаки. Так, фіалкове забарвлення плодів баклажанів залежить від взаємодії двох неалельних домінантних генів, унаслідок якої в них утворюється пігмент антоціан. Якщо хоча б один із цих генів перебуває в гомозиготному рецесивному стані, антоціан не синтезу­ються і утворюються безбарвні плоди.

Подібне явище відоме у горошку запашного, в якого два неалельних домінантних гени зумовлюють червоне забарвлення віночка, але, якщо хоча б один із них перебуває у гомозиготному рецесивно­му стані - віночки білі.

У тварин (наприклад, мишей, кролів) для формування темного забарвлення шерсті необхідна присутність двох домінантних неалельних генів, один із яких визначає наявність пігменту, а інший - його розподіл по волосині. Якщо перший із цих генів перебуває у гомозиготному рецесивному стані, то пігмент не утворюється, і народжуються білі особини (альбіноси). Нормальний слух людини забезпечує взаємодія двох домінантних неалель-них генів - Б і Е, один із яких визначає нормальний розвиток завитки внутрішнього вуха, а інший слухового нерва. Якщо людина гомозиготна за рецесивною алеллю хоча б одного з них, вона глуха від народження.

Множинна дія генів. Ми дізнались, як на формування певних станів ознак впливає взаємодія кількох генів. Але існує і протилеж­не явище, при-таманне більшості генів, коли на прояв станів різних ознак впливає одна алель, що дістало назву множинної дії генів. Наприклад, у людини відоме захворювання галактоземія, пов’язане з рецесивною мутацією гена, який кодує утворення фер­менту, потрібного для засвоєння клітинами молочного цукру (галак­този). Водночас ця мутація призводить до недоумкуватості, сліпоти, розпаду (цирозу) печінки. При іншому захворюванні – арахнодак-тилії, зумовленому мутацією домінантної алелі, у людини видов­жуються пальці кінцівок (так звані «павучі пальці»), спостерігають­ся неправильне положення кришталика ока та вроджені вади серця. У дрозофіли білоокість (відсутність червоного пігменту очей) визна­чається рецесивною алеллю, яка, крім того, забезпечує світле забар­влення тіла, знижує плодючість, змінює будову статевих органів, зменшує тривалість життя.

У гороху посівного алель, яка визначає бурий колір шкірки насіння, водночас зумовлює й фіалкове забарвлення віночка. У кар­топлі домінантна алель спричинює рожеве забарвлення бульб і червоно-фіалкове – віночка, а у гомозиготних за рецесивною алеллю рослин бульби та віночки синюваті або білі.

Отже, генотип особин кожного виду є цілісною системою, хоча склада-ється з окремих генів, які можуть відокремлюватись один від одного й успад-ковуватись незалежно. Його цілісність, яка склалася в процесі тривалого історичного розвитку, виявляється у тому, що формування більшості ознак організму є результатом взаємодії як алельних, так і неалельних генів.

4. Методи генетичних досліджень. Генетичні дослідження здійснюють-ся у кількох основних напрямах: вивчення носіїв спадкової інформаціії – генів, а також закономірностей її збереження і передачі нащадкам; дослідження залежності проявів спадкової інформації у фенотипі від певних умов довкілля; встановлення причин змін спадкової інформації та механізмів їх виникнення.

Головними напрямами медичної генетики є профілактика і лікування спадкових захворювань, дослідження мутагенних факторів з метою захисту від них генотипу людини тощо.

Серед багатьох генетичних методів в медицині використовують такі методи як:

Генеалогічний метод полягає у вивченні родоводів людини. Генеалогічний метод ґрунтується на простеженні певної ознаки в ряді поко-лінь зі вказівкою родинних зв’язків між членами родоводу. Генеалогія, у широкому розумінні слова – родовід людини. Цей метод був уведений у науку в кінці ХХ ст. Ф. Гальтоном. Суть його полягає в тому, щоб з’ясувати родинні зв’язки й простежити наявність нормальної або патологічної ознаки серед близьких і далеких родичів у певній сім’ї. Це дає змогу простежити характер успадкування різних станів певних ознак у ряді поколінь. За його допомогою встановлюють генотип особини і враховують ймовірність прояву того чи іншого стану ознаки у майбутніх нащадків.

Біохімічні методи використовують для діагностики спадкових захво-рювань, пов’язаних із порушенням обміну речовин. Відомо понад 500 спад-кових захворювань людини, зумовлених мутантними генами, наприклад, цукровий діабет.

Близнюковий метод – один з найбільш ранніх методів вивчення генетики людини. Він полягає у вивченні однояйцевих близнят (організмів, які походять з однієї зиготи). Однояйцеві близнята завжди однієї статі, бо мають однакові генотипи. Досліджуючи такі організми, можна з’ясувати роль чинників довкілля у формуванні фенотипу особин: різний характер їхнього впливу зумовлює розбіжності у прояву тих чи інших станів певних ознак.