§ 34. ОСОБЛИВОСТІ ЛЮДИНИ ЯК ОБ’ЄКТА ГЕНЕТИЧНИХ ДОСЛІДЖЕНЬ. МЕТОДИ ДОСЛІДЖЕНЬ, ЯКІ ВИКОРИСТОВУЮТЬ У ГЕНЕТИЦІ ЛЮДИНИ

Пригадайте класичні об’єкти досліджень у генетиці, основні методи генетичних досліджень. Що таке ген, геном, генотип, фенотип? Що таке генетичні карти хромосом? Що таке мутагенні фактори?

Генетика людини вивчає закономірності спадковості й мінливості людини. Слід зазначити, що всі основні загальні закономірності спадковості, встановлені для тварин і рослин, є справедливими й для людини. Однак у генетиці людини мають справу з особливостями власного виду, що робить цю дисципліну одним із найцікавіших і найважливіших розділів генетики.

Важливість генетики людини зумовлена й тим, що вона із самого початку розвивається не тільки як фундаментальна, але й як медична дисципліна. Саме дослідження спадкових хвороб стали основною базою для вивчення закономірностей успадкування в людини. Нині описано понад 8000 різних спадкових синдромів, а також доведено роль генотипу в схильності до розповсюджених хвороб (онкологічних, серцево-судинних, психічних тощо). З іншого боку, потреби генетики людини (медичної генетики, зокрема) стимулюють розвиток сучасних напрямів загальної генетики, молекулярної біології тощо.

Унаслідок взаємодії генетики людини та медицини виникла медична генетика. Її основними завданнями є виявлення, вивчення, профілактика та лікування спадкових захворювань, розроблення профілактики негативного впливу зовнішніх факторів на спадковий матеріал людини.

Особливості людини як генетичного об’єкта. Людина є найцікавішим генетичним об’єктом, але водночас її можна вважати найскладнішим об’єктом експериментальної генетики. Під час розв’язання дослідницьких завдань з генетики людини виникають труднощі як методичного, так і етичного плану. Які саме?

1. Неможливість експериментальних схрещувань. Цілком зрозуміло, що неможливо за заздалегідь розробленою схемою відбирати батьків з потрібними генотипами та одержувати й аналізувати їхніх нащадків. Люди беруть шлюб вільно, не зважаючи на генотип партнера та без будь-якої «дослідницької» мети. Отже, вивчаючи успадкування ознак у людини не можна застосовувати основний метод генетичного аналізу — гібридологічний (пригадаємо, саме цей метод застосовував у своїх дослідженнях Г. Мендель, який сформулював основні закони спадковості).

В історії людства були спроби своєрідної «селекції», що відображено в багатьох міфах і релігійних текстах. «Науковим» підґрунтям для цих ідей наприкінці XІХ ст. стали праці відомого англійського вченого Ф. Гальтона (мал. 34.1), який ввів термін «євгеніка» та визначив євгеніку як науку, що покликана поліпшити властивості людини біологічними методами.

Мал. 34.1. Френсіс Гальтон (1822—1911), двоюрідний брат Ч. Дарвіна, зробив свій внесок у розвиток різних наук: генетики, антропології, психології, географії, статистики. Його дослідження характеризувалися широким застосуванням математичних методів. У своїй праці «Дослідження людських здібностей та їх розвиток» уперше описав основи психологічного тестування. Вивчав питання спадковості людини, перший застосував близнюковий метод: вивчав вплив умов довкілля на формування фенотипу однояйцевих близнят. Науково обґрунтував застосування відбитків пальців для ідентифікації особи у криміналістиці (метод дерматогліфіки)

Основною ідеєю євгеніки було обмеження чи заборона небажаних шлюбів і сприяння бажаним. Зокрема, деякі прибічники євгеніки пропонували заборонити розмноження осіб, які несуть небажані ознаки (аж до їх стерилізації чи фізичного знищення). Натомість пропонували надавати переваги розмноженню осіб, які несуть «корисні» риси. При цьому порушується основна свобода людини – вільно обирати партнера для укладання шлюбу.

2. Пізня статева зрілість і довга тривалість генерацій. Для зміни одного покоління у людини потрібно 20—30 років, що ускладнює проведення генетичного аналізу успадкування ознак.

3. Невелика кількість нащадків. Статистичний аналіз розщеплення ознак потребує достатньо великої кількості нащадків, отриманих від однієї пари батьків. Але в людини за один раз рідко народжується більше ніж одна дитина. Отже, здійснювати аналіз розщеплення ознак на прикладі однієї родини майже неможливо.

4. Відсутність чистих ліній і неможливість їх отримання (пригадайте, що таке чиста лінія). Під час аналізу успадкування не завжди можна точно визначити генотип батьків і доводиться робити лише більш-менш імовірні його оцінки.

5. Велика кількість хромосом (груп зчеплення). Пригадайте: хромосомний набір людини складається з 23 пар хромосом і, відповідно, 24 груп зчеплення: 22 аутосоми (нестатеві хромосоми) та дві статеві хромосоми (гетерохромосоми): X та Y. Велика кількість хромосом ускладнює їхнє генетичне і цитологічне картування, особливо за допомогою методів класичної генетики.

Запам’ятаємо

Картування хромосом — це визначення локалізації генів у межах певної хромосоми. Генетична карта — це умовне зображення хромосоми, на якій позначено порядок розташування генів і зазначено відстань між ними (мал. 34.2).

Мал. 34.2. Генетична карта X-хромосоми людини. На ній вказано положення відповідних генів

6. Неможливість створення стандартних умов існування для різних груп індивідуумів значно утруднює вивчення спадковості багатьох ознак людини, особливо тих, що успадковуються як багатофакторні. Наприклад, основними причинами таких захворювань, як гіпертонічна хвороба, ішемічна хвороба серця, виразкова хвороба кишечнику тощо, є несприятливий вплив певних чинників довкілля, але їхній розвиток залежить від генетичної схильності. Тому такі хвороби називають багатофакторними, або хворобами з генетичною схильністю.

Незважаючи на перелічені проблеми, людина як генетичний об’єкт має також низку важливих переваг.

1. Накопичено величезний масив даних щодо нормальної та патологічної анатомії, фізіології та біохімії людини.

2. Є можливість спілкуватися з об’єктом дослідження, що полегшує отримання інформації про його родичів і допомагає досліджувати ознаки, пов’язані з відчуттями, емоціями та інтелектом.

3. Майже повністю розшифровано геном людини.

Методи, які застосовують у генетиці людини, принципово не відрізняються від загальноприйнятих для інших об’єктів (генеалогічний, близнюковий, цитогенетичний, методи генетики соматичних клітин, молекулярно-біологічні, популяційно-статистичні, методи моделювання тощо). Відмінності стосуються лише специфіки людини як генетичного об’єкта та етичних норм, прийнятих у суспільстві.

Основним класичним методом генетики людини є генеалогічний, або метод складання та аналізу родоводів. Так, замість схрещувань можна вибрати з великої кількості шлюбних пар ті, які цікавлять, і під час аналізу родоводів зробити висновки щодо характеру успадкування ознаки. Для розв’язання проблеми невеликої кількості нащадків відбирають багатодітні родини або потрібну кількість родин з невеликою кількістю нащадків, де спостерігають ознаку, що цікавить дослідників. Існують родоводи, наприклад правлячих династій, де прояв деяких ознак можна простежити протягом багатьох поколінь. У таких родоводах кількість нащадків достатня як для аналізу успадкування ознак, так і для проведення генетичного картування.

Здійснювати генетичний аналіз дає змогу метод гібридизації соматичних клітин. Він полягає в отриманні та аналізі гібридів, які утворилися в результаті злиття клітин, отриманих від двох різних індивідуумів, або соматичних клітин людини із соматичними клітинами інших видів ссавців (особливо гризунів). Базуючись на отриманих даних, можна робити висновки щодо характеру взаємодії неалельних генів (пригадайте, які є типи взаємодії неалельних генів) та здійснювати генетичне картування.

Для безпосереднього визначення положення конкретних генів у хромосомах активно застосовують методи молекулярної цитогенетики. Однак, враховуючи велику кількість генів у людини (понад 25 тис.), питання картування хромосом людини залишається ще досить далеким від свого розв’язання, незважаючи на повне розшифрування генома людини.

Неможливість створити універсальні умови існування можна подолати, підбираючи з великої різноманітності людських популяцій групи, схожі за спадковими ознаками та/або впливом середовища.

Універсальність генетичних законів дає змогу широко використовувати в генетиці людини модельні генетичні об’єкти. Так, можна проаналізувати успадкування ознак у лабораторних ссавців і зробити попередні висновки щодо можливості успадкування подібних ознак у людини. Модельні генетичні об’єкти активно використовують також для перевірки мутагенних властивостей різноманітних факторів навколишнього середовища.

Останнім часом у генетиці людини активно використовують методи біоінформатики та комп’ютерного моделювання. Вони дають змогу аналізувати та порівнювати послідовності ДНК для потреб медичної та еволюційної генетики; за послідовностями генів передбачати структуру та функцію білків, які вони кодують; прогнозувати наслідки мутаційних змін у геномі, а також моделювати складні біологічні процеси за допомогою потужних обчислювальних систем.

Біоінформатика — сукупність методів прикладної математики, статистики та інформатики, які широко використовують у різних галузях біології: молекулярній біології, генетиці, біохімії тощо. Зокрема, це застосування методів комп’ютерного аналізу в дослідженні організації геномів різних видів організмів, розробленні моделей просторової структури біополімерів тощо.

Ключові терміни та поняття

генетика людини, медична генетика, біоінформатика.

Перевірте здобуті знання

1. Що характеризує людину як об’єкт генетичних досліджень? 2. Які методи використовують для дослідження спадковості людини? 3. Що спільного та відмінного в завданнях генетики людини та медичної генетики? 4. З якою метою проводять картування хромосом? 5. Що таке біоінформатика? Які її завдання?

Які методи і чому неможливо застосовувати для вивчення спадковості людини?

§ 37. СУЧАСНІ МОЛЕКУЛЯРНО-ГЕНЕТИЧНІ МЕТОДИ ДОСЛІДЖЕНЬ СПАДКОВОСТІ ЛЮДИНИ

Основні поняття й ключові терміни: МОЛЕКУЛЯРНА ГЕНЕТИКА. Молекулярно-генетичні методи.

Пригадайте! Що таке спадковість і мінливість?

Елементом сучасного дизайну житла досить часто стають генопортрети (зображення ДНК) мешканців, за допомогою яких підкреслюють особливості стилю оформлення. Що є основою неповторності таких портретів і чому вони індивідуальні?

Що є предметом досліджень молекулярної генетики?

МОЛЕКУЛЯРНА ГЕНЕТИКА — це розділ генетики й молекулярної біології, що вивчає молекулярні основи спадковості й мінливості живих організмів і вірусів. Як самостійний напрям молекулярна генетика виокремилась в 40-х рр. XX ст. у зв’язку із упровадженням у біологію нових методів, що дали змогу глибше й точніше дослідити будову й функції генетичного апарата вірусів і клітин.

Найголовнішими досягненнями молекулярної генетики є з’ясування хімічної природи гена, штучний синтез гена, з’ясування механізмів реплікації, транскрипції, зворотної транскрипції, трансляції, репарації, регуляції експресії та біосинтезу білків. Основою цієї науки є концепція генетичного коду, який первинно зумовлює такі ознаки живої матерії, як спадковість і мінливість. За допомогою методів молекулярної генетики поглиблено розуміння мутаційного процесу, з’ясовано механізми кросинговеру. Молекулярна генетика стала підґрунтям, на якому сформувалась молекулярна біологія, сприяла розвитку біохімії, біофізики, цитології, мікробіології, вірусології, біології розвитку, відкрила нові підходи до розуміння еволюції життя на Землі. Досягнення молекулярної генетики уже реалізуються в селекції, біотехнології, медицині, спорті, криміналістиці, антропології (іл. 89).

Іл. 89. Предмет досліджень молекулярної генгетики

Отже, молекулярна генетика вивчає структури, що зберігають й формують генетичну інформацію, та їх функціональні властивості.

Які особливості організації молекулярно-генетичних досліджень спадковості?

Молекулярно-генетичні методи — це методи дослідження структури й мінливості генетичного апарату, з яким пов’язані процеси збереження й реалізації спадкової інформації. За їх допомогою науковці можуть визначати подібність та відмінності геномів різних організмів, виявляти ушкодження структури ДНК, встановлювати нуклеотидні послідовності генів у нормі й у разі захворювань тощо.

Для проведення молекулярно-генетичних досліджень використовують не всю ДНК, а лише невеликі фрагменти, що є різними в різних особин. Так, ступінь подібності геномів різних людей становить 99,9 %. І лише 0,1 % послідовностей ДНК мають мінливість, що її називають структурним поліморфізмом ДНК. На початку 80—х років у молекулах ДНК людини було виявлено ділянки, унікальні за своєю будовою в кожної людини. Ці ділянки називають варіабельними тандемними повторами (ВТП). Масштаби цієї варіативності такі, що між послідовностями ДНК двох людей (якщо вони не монозиготні близнята) існують мільйони відмінностей, що досить часто у організмів фенотипово не виражено.

Для виявлення необхідних фрагментів застосовують метод гібридизації ДНК з використанням ДНК-зондів. Вирізання відповідних фрагментів ДНК здійснюють за допомогою особливих ферментів-«ножиць» — рестриктаз. Різні рестриктази розпізнають тільки відповідні послідовності нуклеотидів і розрізають ДНК у визначених місцях.

Наступним етапом молекулярно-генетичного аналізу є одержання копій з досліджуваних фрагментів ДНК. Отримання достатньої кількості фрагментів ДНК відбувається шляхом ампліфікації ДНК за допомогою полімеразної ланцюгової реакції. Копіюють виокремлені фрагменти ДНК за допомогою спеціальних ферментів — полімераз. Копійовані фрагменти ДНК за допомогою електрофорезу на гелі розділяють на фракції. Під дією електричного поля фрагменти ДНК рухаються в гелі зі швидкістю, що залежить від їх довжини: чим вони коротші, тим швидкість більша. У результаті цього фрагменти ДНК через деякий час займають певне місце на гелі у вигляді окремих смужок, що дає змогу оцінити неповторність структури ДНК (іл. 90).

Іл. 90. Генетичний аналізатор (секвенатор) із комп’ютерним й програмовим забезпеченням

Отже, особливостями організації молекулярно-генетичних методів досліджень є використання фрагментів ДНК, ферментів-рестриктаз і спеціальних методів для отримання, розмноження й вивчення ділянок ДНК.

Яке значення найпоширеніших молекулярно-генетичних методів?

До найважливіших методів молекулярної генетики, що лежать в основі геномних технологій і ДНК-діагностики, належать: секвенування генів, полімеразна ланцюгова реакція, застосування генетичних маркерів та ін.

Секвенування генів (від лат. sequentum — послідовність) — методи встановлення послідовності нуклеотидів у молекулах ДНК (іл. 91). Винайдено британським ученим Фредеріком Сенгером у 1977 р. Велика швидкість секвенування, що стала доступною на початку ХХІ ст. завдяки новим технологіям, сприяла встановленню повної послідовності геному людини. Секвенування здійснюють за допомогою автоматичних секвенаторів, в яких застосовуються флуоресцентно-мічені праймери. Для кожного з чотирьох нуклеотидів беруть чотири різні флуоресцентні мітки, котрі випромінюють світло в різних спектральних діапазонах. Сканування гелю після електрофорезу лазерним променем, що збуджує флуоресценцію, дає змогу визначити різні нуклеотиди й прочитати послідовність.

Іл. 91. Секвенування фрагмента ДНК різними методами

Полімеразна ланцюгова реакція (ПЛР) — метод збільшення кількості фрагментів ДНК у біологічному матеріалі. Метод широко використовують у біологічній і медичній практиці для клонування генів, дослідження мутацій, виділення нових генів, створення генетично модіфікованих організмів, діагностики захворювань, ідентифікації малих кількостей ДНК, встановлення батьківства тощо. Винахідник методу — американський біохімік К. Малліс так писав про нього: «Починаючи з єдиної молекули ДНК, носія генетичної інформації, ПЛР може надати 100 мільярдів подібних молекул за кілька годин. Реакцію дуже легко провести, вона вимагає однієї тестової трубки, незначної кількості реагентів та джерела теплоти».

Генетичні маркери — специфічні нуклеотидні послідовності з відомою первинною структурою, які дають змогу ідентифікувати аналізовану нуклеїнову кислоту. Молекулярно—генетичними маркерами можуть бути білки та ділянки ДНК у вигляді генів або коротких послідовностей нуклеотидів. На сьогодні генетичні маркери вже застосовуються в таких галузях діяльності людини, як криміналістика, біотехнологія, селекція, антропологія, генетична інженерія, медицина, спорт та ін. Так, у генеалогії для встановлення спорідненості по чоловічій лінії аналізують Y-хромосоми за допомогою STR-тестів. Для цього використовуються спеціальні ДНК-маркери, нуклеотидна послідовність у яких повторюється безліч разів — «короткі тандемні повтори» (англ. Short Tandem Repeats, STR). Оскільки Y-хромосома передається тільки від батька, то число повторів у маркерах сина буде таким самим, що й у його батька. У сільському господарстві SТР-аналіз слугує для досліджень варіабельності геному та поліморфізму, що впливає на продуктивність сортів, у медицині існують маркери спадкових і онкологічних захворювань, у спорті — для визначення схильності спортсменів до занять певним видом спорту. У криміналістиці широко застосовується метод «генетичних відбитків пальців».

Отже, секвенування генів, полімеразна ланцюгова реакція, застосування генетичних маркерів допомагають вивчати процеси життєдіяльності на молекулярному рівні організації життя й застосовувати ці знання в різних галузях діяльності людини.

Самостійна робота на зіставлення

Зіставте запропоновані терміни із визначеннями. Заповніть табличку відповідей та отримайте назву науки, що вивчає ДНК одного організму. Поясніть перспективи цієї науки.