История развития и основные достижения современной генетики.
Цитологические основы наследственности
1. Генетика – наука о наследственности и изменчивости. Предмет, цели и задачи медицинской генетики. Методы генетики.
Генетика – наука о закономерностях наследственности и изменчивости организмов.
Наследственность – это способность организмов повторять в ряду поколений сходные признаки и обеспечивать специфический характер индивидуального развития.
Изменчивость – это способность организмов приобретать различия в признаках друг от друга и от своих родителей.
Медицинская генетика – раздел генетики, связанный с антропогенетикой (генетикой человека). Генетика человека наряду с морфологией, физиологией и биохимией является теоретическим фундаментом современной медицины. Генетика человека в своём развитии постоянно опиралась на общебиологические концепции (эволюционное учение, онтогенез) и достижения теоретической и клинической медицины.
Медицинская (клиническая) генетика – наука о роли наследственности и изменчивости в возникновении патологии человека.
Предмет медицинской генетики - закономерности передачи от поколения к поколению наследственных болезней, разработка методов диагностики, лечения и профилактики всех форм наследственной патологии.
Цель изучения медицинской генетики – овладение основами генетики будущими медицинскими работниками для большего использования генетических подходов при оказании медицинской помощи или профилактике заболеваний.
Задачи медицинской генетики:
1) создание медико-генетических консультаций, оказывающих помощь тем супружеским парам, у которых возникают сомнения по поводу здоровья будущего ребёнка;
2) разработка мер по уменьшению вероятности воздействия на человека мутагенных факторов и контроль их присутствия в окружающей среде;
3) расшифровка всех генов человека (100 тысяч) и составление генетических карт хромосом (хорошо изучены и прокартированы 21-я и Y-хромосома).
Методы изучения генетики человека:
- Генеалогический метод – основан на изучении родословных.
- Близнецовый метод – основан на вариантах сравнения близнецовых пар для выявления роли наследственности и среды при формирование признаков у человека.
- Цитогенетический метод – основан на изучении хромосомного набора эмбриона с помощью микроскопа и обнаружения дефектов кариотипа или отдельных хромосом. С этим методом связана методика амниоцентеза – возможность обнаружить аномальное число хромосом у плода на 16-й неделе беременности. Для этого берут пробу околоплодной жидкости, содержащей отшелушивающиеся клетки плода, которые исследуются под микроскопом. Диагностика наследственных болезней или других нарушений в период внутриутробного развития называется пренатальная диагностика.
- Биохимический метод – основан на обнаружении отклонений в биохимических реакциях, происходящих в организме, и связанных с изменениями генотипа.
Знания генетики необходимы медицинскому работнику любой специальности для понимания сущности жизни, механизмов индивидуального развития и его нарушений, природы любого заболевания, для рационального подхода к диагностике, лечению и профилактике болезней. Поэтому медицинскую генетику можно рассматривать как науку и отрасль здравоохранения.
2. История генетики человека.
В своём развитии генетика прошла три этапа. На каждом из них формировались определённые представления человека о передаваемых по наследству различиях между людьми, о структуре наследственного материала и о закономерностях наследования признаков.
В античные времена и в средние века врачи и философы сообщали о своих эмпирических наблюдениях и выдвигали теоретические объяснения наиболее важных формальных признаков наследования. Например, высказывание Гиппократа: «…семя производит всё тело, здоровое семя производят здоровые части тела, больное – больные. …У лысого рождается лысый, у голубоглазого – голубоглазый, а у косого – косой, ничто не помешает рождению длинноголовых у длинноголовых…».
В средние века в науке господствовала схоластика – безрезультативное, бесплодное умствование. Это было время, когда истинные факты и ошибочные представления были перемешаны, критериев истины не было.
Следующий этап XVII-XIX в.в.– это этап бурного развития цитологии, накопления фактов и выявления основных закономерностей наследования признаков. Английский врач Адамс, живший в 1756 – 1818 гг., издал «Трактат о предполагаемых наследственных свойствах болезней».
Определяющий вклад в понимание механизмов наследования, вывод о дискретности материала наследственности и о генетической чистоте гамет сделал Грегор Иоган Мендель – чешский исследователь в 1866 г. Он является основателем научной генетики.
Третий этап – ХХ век. Законы генетики были переоткрыты в 1900 г. независимо друг от друга тремя учёными: Гуго де Фризом (Голландия), Карлом Корренсом (Германия), Эрихом Чермаком (Австрия). Этот год и считается годом рождения генетики как науки.
В последующие 100 лет к наиболее значимым открытиям в генетике можно отнести:
- обоснование хромосомной теории наследственности Томаса Моргана (1910 –1920 гг.);
- доказательства информационной роли ДНК и расшифровка её стереохимической структуры, сделанная Дж. Уотсоном, Фр. Криком и М. Уилкинсом (1930 – 1953 гг.);
- расшифровка генетического кода и генетических механизмов синтеза белка (60-е годы);
- создание технологий рекомбинантных ДНК (генная инженерия, 70-е годы);
- расшифровка геномов организмов, в том числе и генома человека (1980-2000 гг.).
Постепенно эта наука заняла ключевые позиции и лидирующее положение в фундаментальной биологии.
3. Цитологические основы наследственности.
1) Клетка – основная единица биологической активности.
Клетка является основой строения любого живого организма, а при размножении – связующим звеном двух поколений. Главные части клетки: клеточная оболочка, или мембрана клетки, цитоплазма с органоидами, ядро, ограниченное от цитоплазмы ядерной оболочкой (у эукариотов, прокариоты ядер не имеют). В этом принципиальное сходство клеток организма. А отличаются они в зависимости от деятельности и места расположения в организме. Генетическая информация, которую передаёт одно поколение клеток или организмов другому, заключена преимущественно в ядре клеток. Ядро в клетке различимо только в интерфазе – периоде между её делениями.
2) Структура и функции клеточного ядра.
Ядерная оболочка состоит из наружной и внутренней мембран. Наружная переходит в ЭПС и несёт рибосомы. Оболочка пронизана ядерными порами, через которые идут обменные процессы между ядром и цитоплазмой.
Ядерный сок – кариолимфа, представляет собой однородную массу, заполняющую пространство между структурами ядра (хроматином и ядрышками). Она содержит белки, нуклеотиды, АТФ и различные виды РНК. Кариолимфа осуществляет взаимосвязь ядерных структур и обмен с цитоплазмой клетки.
Хроматин – вещество хромосом. Состоит из деспирализованной ДНК, соединённой с белками-гистонами в отношении 1:1,3. ДНК вместе с гистонами составляет нуклеосомы – тонкие нити, глыбки, гранулы, по виду напоминающие бусы. В делящейся клетке нити ДНК спирализуются (конденсация хроматина), образуя хорошо видимые, интенсивно окрашивающиеся структуры – хромосомы. Хромосомы ядра составляют его хромосомный набор – кариотип.
Ядрышко – одно или несколько, округлой структуры, состоят из РНК и белка, содержат липиды, ферменты. Функции ядрышек синтез р-РНК и сборка субъединиц рибосом, которые затем выходят в цитоплазму через поры в ядерной оболочке, где и завершается их сборка. Ядрышки – непостоянные образования, они исчезают в начале деления клетки и восстанавливаются после его окончания. Образование ядрышек связано с участками вторичных перетяжек спутничных хромосом (ядрышковыми организаторами). В области вторичных перетяжек локализованы гены, кодирующие синтез рибосомальной РНК (р-РНК), а в самих ядрышках происходит формирование субъединиц рибосом.
3) Характеристика строения и классификация хромосом.
В период между делениями клетки хромосомы не видны. Они становятся видимыми, когда клетка приступает к делению и тогда хромосомы видны как две соединенные между собой нити – хроматиды.
Метафазная хромосома состоит из двух продольных нитей – хроматид, которые состоят из молекулы ДНК и белков-гистонов. Хроматиды соединены друг с другом в области первичной перетяжки - центромеры. Центромера делит тело хромосомы на два плеча. Плечи – это свободные концы хроматид. В зависимости от расположения центромеры различают следующие типы хромосом:
а) акроцентрические – центромера смещена от середины хромосомы к одному концу в основание плеча, получается одно плечо очень короткое, другое - намного длиннее;
б) субметацентрические – центромера также смещена от середины, но расположена так, что плечи имеют разную длину;
в) метацентрические – центромера расположена посередине, и плечи примерно одинаковой длины.
Некоторые хромосомы могут иметь вторичные перетяжки, отделяющие от тела хромосомы участок, называемый спутником, это хромосомы со спутниками.
Совокупность хромосом соматической клетки, характеризующая организм данного вида, называется кариотипом.
Хромосомы подразделяются на аутосомы - одинаковые у обоих полов пары гомологичных хромосом и гетерохромосомы, или половые хромосомы – пара разных хромосом в хромосомном наборе у мужских и женских особей.
Кариотип человека 46 хромосом: 22 пары аутосом и пара половых хромосом, ХХ у женщин и ХУ у мужчин.
В соматических клетках организмов содержится диплоидный (двойной) набор хромосом – обозначается 2n. В гаметах – гаплоидный (одинарный) набор хромосом, обозначается 1n. Диплоидный набор состоит из пар гомологичных хромосом. Гомологичные хромосомы это хромосомы одинаковые по строению, форме, величине и содержащие одни и те же гены. Негомологичные хромосомы имеют разный генный набор и разное строение.