Медицинская генетика.

Генетика онтогенеза.

Лекция 13

Онтогенезом называется индивидуальное развитие организма, начиная от оплодотворенной яйцеклетки и заканчивая смертью. В оплодотворенной яйцеклетке соединяются гены отцовского и материнского организма, и из одной этой клетки путем многочисленных делений возникает очень сложный многоклеточный организм. Онтогенез каждой особи подчиняется биогенетическому закону Мюллера-Геккеля: сходство эмбриональных черт развития отражает степень родства разных форм в силу общности их происхождения. Для позвоночных характерно прохождение стадии, на которой у наземных форм, дышащих легкими, образуются жаберные дуги, как и у рыб. Вместе с тем, необходимо учитывать и различия в онтогенезе у разных форм, которые накладываются на общий характер развития, что свидетельствует о специфике генетической информации. Так, например, в яйцах рыб и птиц содержатся большие запасы желтка, что сказывается на их эмбриогенезе. Проявление различий между клетками в процессе эмбриогенеза называют дифференцировкой. В период дифференцировки клеток активно функционируют гены, контролирующие синтез специфических белков, необходимых для формообразовательных процессов и интеграции специализированных клеток. Основной проблемой генетики онтогенеза является выяснение вопроса о том, каким образом из одной единственной клетки возникает множество разнообразных типов клеток, значительно различающихся между собой по строению, функции и химическим особенностям, как в процессе онтогенеза идет становление признаков и свойств организма.

На развитие признаков организма влияют гены. По теории Бидла и Татума один ген – один фермент каждый ген имеет только одну первичную функцию – определять синтез только одного фермента. Изменение в структуре гена, кодирующего определенный фермент, ведет к его выключению. Если этот фермент не участвует в последовательной цепи реакций, то синтез определенного вещества в организме приостанавливается на стадии, для которой этот фермент был необходим. При этом возникает новый признак. Характер индивидуального развития высших организмов определяется взаимодействием многих генов, сложным взаимодействием ядра и цитоплазмы, различных клеточных систем, обладающих активностью разных генов. На рисунке приведена схема взаимоотношений звеньев цепи онтогенетических процессов у многоклеточных организмов по Конюхову Б.В. с детализацией Гершензона С.М. (Петухов, с 201).

Влияние среды на развитие признаков

Фенотип каждого организма формируется под влиянием генотипа и внешней среды. Генотип определяет норму реакции организма – границы изменчивости выражения признака под влиянием изменяющихся условий окружающей среды (модификации). При изменении условий среды иногда признак изменяется так же, как и под влиянием действия генов, но возникшие особенности не являются наследственными (фенокопии). У сельскохозяйственных животных среда оказывает особенно большое влияние на развитие хозяйственно полезных признаков. Неблагоприятные условия кормления и содержания в первую очередь воздействуют на высокопродуктивных животных. Животные с хорошим генотипом не могут реализовать всех своих возможностей и уклоняются в сторону низкопродуктивных животных. Изучая близнецов, можно получить данные о том, в какой степени среда может модифицировать проявление патологических симптомов определенной болезни.

Роль генетической информации на начальных стадиях эмбриогенеза

У животных в яйцеклетке до оплодотворения накапливается (в цитоплазме) большое количество рибонуклеиновых кислот всех типов: мРНК, рРНК и тРНК, - которые до оплодотворения находятся в неактивном состоянии. Они соединяются со специфическими белками-гистонами и образуют неактивные гранулы инфорсомы. После оплодотворения часть молекул мРНК инфорсом освобождается от белка, поступает на рибосомы цитоплазмы яйцеклетки и начинает синтез определенных белков, необходимых для начального развития зиготы. Осуществляется под контролем генов материнского организма. С начала стадии гаструляции и в дальнейших процессах онтогенеза синтез белка осуществляется под контролем ядерных генов обеих родительских особей. В некоторых случаях наблюдается наличие в цитоплазме яйцеклетки специальных фрагментов активной ДНК. Они синтезируют мРНК и кодируют синтез специфических белков в цитоплазме.

Критические периоды в развитии животных

Периоды, когда эмбрионы легко повреждаются, у них нарушаются процессы развития органов, что приводит к гибели либо к появлению уродств называются критическими. В это время в соответствии с генетической программой развития особи усиливается синтез соответствующих белков, прекращается синтез предшествующих веществ, происходит перестройка обмена веществ в клетке. Критические периоды наступают после поздней бластулы, когда дальнейшее развитие эмбриона осуществляется под контролем генетической информации обеих родительских особей. Наиболее изучены внешние факторы, влияющие в критические периоды на процесс онтогенеза у рыб, птиц (температура воды, содержание в ней кислорода; температура инкубации, влажность воздуха). У кур критическими периодами эмбриогенеза принято считать 2-3 сутки инкубации – образование кровообращения, 8-9 сутки – интенсивный морфогенез и 19 сутки – переход зародыша к легочному типу дыхания. У крупного рогатого скота наблюдается повышение смертности в первые 3 дня развития зиготы, что свидетельствует о критическом периоде. В критические периоды, очевидно, происходит смена матриц белкового синтеза и в связи с этим ослабление физиологических процессов. В опытах Г.Н.Шангина-Березовского с сотрудниками однократное воздействие микродозами супермутагенов способствовало повышению жизнеспособности цыплят и увеличению живой массы молодняка в опытных группах к 2-месячному возрасту у птиц мясного направления на 80-100г.

Возрастные изменения состава белков

На ранних стадиях онтогенеза у человека идет образование гемоглобина F, который состоит из двух цепе полипептидов – альфа и гамма. С 13 недели эмбрионального развития начинается синтез гемоглобина А, характерного для взрослого человека. У гемоглобина А цепь полипептида гамма заменена на цепь бетта несколько иного строения. Цепь альфа у обоих гемоглобинов одинакова, и ее синтез контролируется одним и тем же геном. У телят полная замена гемоглобина F на гемоглобин А произошла к 110 дню. Обнаружены существенные возрастные изменения в количестве и составе белков сыворотки крови у телят в эмбриональный период в породном аспекте. Первый период эмбрионального развития характеризуется низким содержанием сывороточных белков. С увеличением возраста плода происходит качественное изменение состава белка, отношение альбуминов к глобулинам возрастает от 0,4 у 2-месячного плода до 1,21 к моменту рождения. Существенно изменяются функции глобулинов. В постэмбриональный период также наблюдаются изменения белкового спектра сыворотки крови. По данным Гурьяновой А.С., у телок бурой латвийской породы содержание общего белка сыворотки крови с 3- до 18-месячного возраста возросло с 6,12 до 7,54г%, в том числе глобулинов с 3,03 до 4,24г%. Существенные изменения отмечены во фракциях глобулинов. Возросло количество альфа-глобулина с 0,89 до 1,29г%, гамма-глобулина - с 1,01 до 2,06г%, содержание бетта-глобулина снизилось с 1,13 до 0,88г%.

Некоторые органы и ткани специализируются на синтезе каких-то определенных белков, и количество РНК в них в отдельные периоды возрастаеи или снижается. И.Я.Шихов изучал содержание ДНК и РНК в вымени телок, нетелей и коров. Он обнаружил, что отношение количества РНК к количеству ДНК составляет в среднем: у половозрелых телок – 0,48, у нетелей и коров в конце стельности – 1, у коров в начале лактации – 2,34 (с большими колебаниями у отдельных животных), в конце лактации – 1,72. Наблюдалась высокая степень связи между содержанием РНК в вымени и удоем коров. Это показывает, что образование РНК усиливается при высоких удоях, когда в вымени коров синтезируется много белка, и снижается при уменьшении удоев.

Взаимодействие ядра и цитоплазмы

в индивидуальном развитии животных

Цитоплазма играет важную роль в реализации наследственной информации и формировании некоторых признаков организма. Известно, что основная часть цитоплазмы поступает в зиготу с яйцеклеткой и отличается от цитоплазмы соматических клеток большим разнообразием белков, РНК и других видов молекул, синтезированных в овогенезе. В результате неодинакового распределения веществ в цитоплазме яйцеклетки (ооплазматическая сегрегация), при дроблении зиготы идет неравнозначное распределение веществ (РНК, белков и др.) в бластомеры (Бовери, Конклин, Дриш). Герден установил, что в цитоплазме яйцеклетки имеются активатор синтеза ДНК и репрессор синтеза РНК, которые действуют независимо друг от друга. Некоторые органоиды цитоплазмы, имеющие свою систему белкового синтеза (митохондрии, пластиды), могут влиять на развитие определенных признаков. Наследование признаков через цитоплазму получило название цитоплазматической наследственности. Хаджиновымм М.И. и Роде М. открыта цитоплазматическая мужская стерильность у кукурузы, обусловленная цитоплазматическим геном цит^s. Но в этом случае имеет место и контролирующая роль ядра. Стерильность пыльцы наблюдается только при наличии гена в ядре в гомозиготном состоянии. При наличии доминантного гена (гетеро- или гомозиготное состояние) стерильность пыльцы не развивается. В целом же у растений и особенно у животных определяющую роль в наследственности играет ядро.

Обнаружены случаи ложной наследственности – передачи по материнской линии патогенных возбудителей. Куры передают цыплятам через желток возбудителя бациллярного белого поноса (Salmonella pullorum). В этом случае передача бактерий от одного поколения другому осуществляется, безусловно, через цитоплазму, но бактерия не является обычным ее компонентом. Это патогенный агент, а не плазмоген.

Регуляция синтеза белков

Процесс регуляции синтеза белков разработан Ф.Жакобом и Ж.Моно и получил название механизма индукции-репрессии. Этот процесс был изучен на кишечной палочке. Гены, влияющие на синтез какого-то фермента или белка, расположены в молекуле ДНК последовательно друг за другом в порядке их влияния на ход реакции синтеза были названы структурными генами. Перед группой структурных генов расположен общий для них ген-оператор, а перед ним – промотор. Функциональная группа, состоящая из промотора, оператора и структурных генов называется опероном. На структурных генах оперона образуется одна общая молекула иРНК (полицистронная иРНК), так как структурные гены находятся одновременно в активном и неактивном состоянии. В той же молекуле ДНК на некотором расстоянии, расположен ген-регулятор, под контролем которого вырабатывается белок, называемый репрессором. Роль репрессора может выполнять и вещество, синтезируемое в клетке, если содержание его превышает норму (нуклеотиды, аминокислоты). Молекула репрессора имеет два специфических участка – один для присоединения к оператору и один для связывания индуктора. Индуктором является определенное химическое соединение, которое служит материалом для синтеза фермента. Индуктор соединяется с репрессором и инактивирует его. Оператор освобождается, и начинается синтез и РНК на структурных генах и соответственно синтез фермента.

Механизм индукции-репрессии обеспечивает включение (индукцию) в работу тех генов, которые синтезируют необходимые на данном этапе жизнедеятельности клетки ферменты. Работа генов прекращается (репрессируется), когда деградируемый данными ферментами субстрат израсходован или когда синтезируемое данными ферментами вещество находится в избытке.

У высших организмов процесс регуляции работы генов осуществляется более сложно: у животных важную роль в этом играют гормоны, клеточные мембраны. Опероны эукариотических клеток состоят из структурного гена и регуляторных генов, управляющих их активностью. У эукариот возможно одновременное групповое подавление активности генов: во всем ядре, в целой хромосоме или в большом ее участке.. Предполагается, что такая репрессия генов осуществляется в значительной мере гистонами – основными белками, которые входят в состав хромосом эукариот. Примером групповой регуляции активности генов является полное прекращение транскрипции всех генов при сперматогенезе у животных.

Условно структурные гены эукариот могут быть разделены на 3 типа: гены, кодирующие ферменты энергетического обмена, ферменты, необходимые для синтеза аминокислот; гены, функционирующие в клетках тканей одного типа – гены контролирующие миозин в мышцах, коллаген в костях; гены специализированных клеток – синтез глобина в эритроцитах, гормонов в эндокринных железах.

Гормональная регуляция белкового синтеза

Гормоны, выделяясь из желез внутренней секреции в кровь, разносятся по всему организму, вступают в контакт с соответствующими клетками и активируют их гены. Гормоны контролируют многие процессы онтогенеза: рост, органогенез, морфогенез, метаморфозы у насекомых (гормон щитовидной железы), наступление половой зрелости. Ряд гормонов влияет непосредственно на ДНК дифференцированных клеток и регулирует синтез специфических белков. Гормоны являются либо индукторами, либо супрессорами синтеза мРНК, или изменяют проницаемость клеточной мембраны для специфических индукторов синтеза мРНК.

Гормоны могут соединяться с молекулами ферментов и изменять их активность. Например, инсулин регулирует работу генетического аппарата клеток печени, в которых синтезируются ферменты, необходимые для нормального течения двух противоположных процессов – синтеза глюкозы из неуглеводистых веществ и гликолиза глюкозы и синтеза из нее гликогена. Инсулин активирует оперон, содержащий три структурных гена, синтезирующих ферменты, необходимые для гликолиза и синтеза гликогена. В то же время инсулин является репрессором четырех генов другого оперона, влияющего на синтез глюкозы.

 

Медицинская генетика

Медицинская генетика – это раздел генетики человека, посвященный изучению связи между наследственностью и болезнями. Она занимается выявлением и лечением наследственных болезней, изменениями у человека, вызванными генетическими факторами. Ликвидируя вредное проявление гена, удается найти способ вылечить наследственно обусловленную болезнь, не нанося при этом никакого вреда наследственности человека.

Наследственные болезни могут обнаруживаться сразу после рождения ребенка или появиться на разных этапах жизни человека. Некоторые аномалии возникают еще в эмбриональный период. Это наследственная врожденная глухонемота, врожденная форма ихтиоза (ороговение кожи), гемофилия. У детей в возрасте от 6 до 12 лет встречается атаксия Фридрейха, которая выражается в отсутствии или снижении сухожильных рефлексов, нарушении координации, появлении характерной мимики, разорванной речи. Мозжечковая атаксия, связанная с атрофией зрительных нервов, снижением интеллекта, дефектом памяти, впервые обнаруживается в возрасте 20-30 лет. В зрелом возрасте и даже в старости проявляется подагра.

Проявление наследственных болезней может быть связано с тремя причинами. Первый источник мутаций – нарушение хромосом (утеря одной из 46 хромосом или добавление лишней приводит к серьезным изменениям в развитии человека). Во-вторых, происходят изменения структуры хромосом в половых клетках родителей. И, наконец, генные мутации.

Анализ кариотипов дал возможность выявить целый ряд наследственных болезней, связанных с изменением баланса определенной хромосомы. В 1866 году была обнаружена болезнь Дауна (трисомия по 21 хромосоме). Частота рождения 1:750 новорожденных. Встречаются у матерей со средним возрастом 35 лет. Выявлены новорожденные, у которых есть дополнительная 8-я хромосома (аномалии тела и узкий уровень интеллекта), 9-я (нарушение костей скелета и суставов, пороки сердца, аномалии почек и мочевыводящих путей), 13-я (синдром Патау, сопровождающийся нарушениями в строении головного мозга и лица), 18-я (синдром Эдвардса, характеризующийся недоразвитием костной системы и пороками сердца), 22-я хромосома (отставание в физическом и умственном развитии).

Были выявлены лица женского пола с тремя Х-хромосомами. По внешним признакам не отличаются от нормальных, но страдают шизофренией. Могут дать нормальное потомство. В большинстве же случаев при двух и трех дополнительных Х-хромосомах женщины умственно неполноценны, у них наблюдаются отклонения в системе половых органов, изменение скелета, аномалии зубов и черепно-лицевая дисморфия.

Частичная дупликация 13-й хромосомы вызывает синдром «кошачий глаз», сочетание двух врожденных пороков развития: дефекта радужной оболочки глаза и атразии анального отверстия.

Синдром «кошачий крик» обусловлен потерей участка 5-й хромосомы. У детей с этим синдромом поражена нервная система, нарушено строение гортани, что создает специфический для болезни плач. Утеря участка 11-й хромосомы приводит к поялению синдрома отсутствия радужной оболоки глаза и другим глазным аномалиям (глаукома, катаракта, помутнение роговицы). Частичная потеря 18-й хромосомы приводит к умственной отсталости, задержке физического развития, лицевым дисморфиям.

Основная часть наследственных болезней человека связана с генными мутациями, при которых одно азотистое основание заменено другим (серповидноклеточная анемия).

По изменению активности того или иного фермента выявляют наследственные болезни. Например, у лиц с наследственной болезнью Мак-Ардля наблюдается дефект фермента фосфорилазы, расщепляющего гликоген. В связи с этим, при мышечной нагрузке концентрация молочной кислоты – конечного продукта распада глюкозы – в отличие от нормы не увеличивается. Врожденным дефектом цистаттионинсинтетазы – фермента, участвующего в образовании цистатиона, вызывается гомоцистинурия (длинные конечности, костлявая фигура, ослаблены соединительнотканные связки, разболтаны суставы).

Обнаружены также мутации генов ферментов углеводного обмена. Известны гликогенозные заболевания, вызванные дефектом различных ферментов, участвующих в распаде гликогена, образовании и переработке глюкозы. Гликогенозы могут приводить к умственной отсталости, печеночной недостаточности и мышечной слабости. Заболевание галактозимия связано с недостаточной активностью галактозо-1-фосфотуридилтрансферазы. Этот фермент переводит в кишечнике молочный сахар (галактозу) в глюкозу и в таком виде утилизируется организмом. Если этот путь метаболизма галактозы, которая входит в состав материнского молока, нарушен, в организме ребенка накапливается галактоза и ее фосфат. В результате происходит расстройство нервной системы ребенка, с самого рождения наблюдается сильная желтуха, поражение печени и селезенки, умственная отсталость, возможна смерть.

Наследственные болезни липидозы характеризуются нарушением обмена жиров и жироподобных веществ (липидов).

Существуют наследственно предрасположенные болезни, связанные с нарушением комплекса генов: атеросклероз, гипертония, сахарный диабет, некоторые психические болезни. Люди с наследственной предрасположенностью особенно чувствительны к определенным факторам среды, которые должны быть своевременно устранены.

Важнейшая задача медицинской генетики - профилактика наследственных аномалий. Наиболее эффективное и распространенное направление профилактики наследственных болезней – медико-генетическое консультирование. Оно заключается в установлении прогноза рождения ребенка с наследственной болезнью, объяснение будущим родителям вероятности возникновения патологии у новорожденного, помощи семьи в принятии решения. Полное излечение генетических повреждений не удается, но терапия многих наследственных болезней вполне возможна. Это, прежде всего исключение некоторых продуктов из рациона. При галактоземии и фенилкетонурии происходит нарушение обмена соответственно галактозы и фенилаланина. В первые месяцы после рождения ребенка из диеты его исключают материнское молоко, для предотвращения накопления этих веществ в организме. В других случаях к рациону добавляют некоторые компоненты. Болезнь оротикоацидурия связана с нарушением синтеза уридиновой и цитидиловой кислот, участвующих в обмене пиримидина. При добавлении к пище больного необходимого количества урацила и цитозина последствия, вызванные недостаточностью ферментов, не проявляются. Генетический дефект синтеза аскорбиновой кислоты исправляется включением витамина в пищу.

При отсутствии какого-либо гене продукт его деятельности приходится возмещать. Например, антигемофилитический глобулин вводится при гемофилии, а гормон щитовидной железы – при некоторых наследственных нарушениях его синтеза.

В настоящее время наблюдается увеличение частоты мутаций, связанных с проведениями ядерных испытаний, взрывом реактора на Чернобыльской АЭС. Возникая в зародышевых клетках, мутации наносят вред здоровью будущего поколения. Появляясь в соматических клетках, они вызывают образование злокачественных опухолей и различные аномалии в функционировании организма человека.