Понятие о гене, свойства генов. Структурная организация генов прокариот и эукариот

8---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------Кариотип человека, идиограмма, методы исследования, медицинское значение.

 

Кариоти́п — совокупность признаков (число, размеры, форма и т. д.) полного набора хромосом, присущая клеткам данногобиологического вида (видовой кариотип), данного организма (индивидуальный кариотип) или линии (клона) клеток. Кариотипом иногда также называют и визуальное представление полного хромосомного набора (кариограммы).

 

Процедура определения кариотипа

Для процедуры определения кариотипа могут быть использованы любые популяции делящихся клеток. Для определения человеческого кариотипа используют, как правило, лимфоцитыпериферической крови, переход которых от стадии покоя G0 к пролиферации провоцируют добавлением митогена фитогемагглютинина. Для определения кариотипа могут быть использованы также клетки костного мозга или первичная культура фибробластов кожи. Для увеличения числа клеток на стадии метафазы к культуре клеток незадолго перед фиксацией добавляют колхицин или нокадазол, которые блокируют образование микротрубочек, тем самым препятствуя расхождению хроматид к полюсам деления клетки и завершению митоза.

После фиксации препараты метафазных хромосом окрашивают и фотографируют; из микрофотографий формируют так называемый систематизированный кариотип — нумерованный набор пар гомологичных хромосом, изображения хромосом при этом ориентируются вертикально короткими плечами вверх, их нумерация производится в порядке убывания размеров, пара половых хромосом помещается в конец набора (см. Рис. 1).

Исторически первые недетализованные кариотипы, позволявшие проводить классификацию по морфологии хромосом, получали окраской по Романовскому — Гимзе, однако дальнейшая детализация структуры хромосом в кариотипах стала возможной с появлением методик дифференциального окрашивания хромосом. Наиболее часто используемой методикой в медицинской генетике является метод G-дифференциального окрашивания хромосом.

Поперечные полоски, выявляемые при дифференциальной окраске, называют сегментами. Характер расположения сегментов по длине хромосом различен, что позволяет проводить достаточно точную идентификацию каждой хромосомы в кариотипе. Разработана форма представления идеального кариотипа с типичным рисунком полос на каждой хромосоме. Такая форма называется идеограммой. 
9--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------Мутационная изменчивость. Понятие, классификация.

Термин "мутация" восходит к латинскому слову "mutatio", что в буквальном переводе означает - изменения или перемена. Мутационная изменчивость обозначает устойчивые и явные изменения генетического материала, что выводится в наследственные признаки. Именно это является первым звеном в цепочке формирования наследственных болезней и патогенеза. Данное явление стало активно изучаться только во второй половине 20-го века, а в настоящее время всё чаще можно слышать, что мутационная изменчивость должна изучаться, так как знание и понимание данного механизма становится ключевым для преодоления проблем человечества.

 

Классификация мутаций: По месту возникновения: генеративные (в половых клетках) соматические (в соматических клетках). Проявляются мозаично - только в тех клетках которые произошли митотически от мутантной клетки. По адаптивному значению: вредные (летальные и полулетальные) – чаще всего, нейтральные и полезные. По характеру проявления: доминантные и рецессивные. По изменению гена: прямые – от дикого типа к новой аллели, обратные – от мутантной аллели к дикому типу. По характеру изменения генотипа: генные, хромосомные и геномные.

10-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Мутагенез. Мутагенные факторы

Мутагенез — это внесение изменений в нуклеотидную последовательность ДНК (мутаций). Различают естественный (спонтанный) и искусственный (индуцированный) мутагенез.

Естественный, или спонтанный, мутагенез происходит вследствие воздействия на генетический материал живых организмов мутагенных факторов окружающей среды, таких как ультрафиолет, радиация, химические мутагены.

Искусственный мутагенез широко используют для изучения белков и улучшения их свойств (направленной эволюции (англ.)).

Мутагены (от мутация и др.-греч. γεννάω — рождаю) — химические и физические факторы, вызывающие наследственные изменения — мутации. Впервые искусственные мутации получены в 1925 году Г. А. Надсеном и Г. С. Филипповым у дрожжей действием радиоактивного излучения радия; в 1927 году Г. Мёллер получил мутации у дрозофилы действиемрентгеновских лучей. Способность химических веществ вызывать мутации (действием иода на дрозофилы) открыта И. А. Рапопортом. У особей мух, развившихся из этих личинок, частота мутаций оказалась в несколько раз выше, чем у контрольных насекомых.

Классификация

Мутагенами могут быть различные факторы, вызывающие изменения в структуре генов, структуре и количестве хромосом. По происхождению мутагены классифицируют наэндогенные, образующиеся в процессе жизнедеятельности организма и экзогенные — все прочие факторы, в том числе и условия окружающей среды.

По природе возникновения мутагены классифицируют на физические, химические и биологические:

Физические мутагены

• ионизирующее излучение;

• радиоактивный распад;

• ультрафиолетовое излучение;

• модулированное радиоизлучение и электромагнитные поля[1][нет в источнике][2][неавторитетный источник?];

• чрезмерно высокая или низкая температура.

Химические мутагены

• некоторые алкалоиды: колхицин - один из самых распространённых в селекции мутагенов, винкамин, подофиллотоксин;

• окислители и восстановители (нитраты, нитриты, активные формы кислорода);

• алкилирующие агенты (например, иодацетамид);

• нитропроизводные мочевины: нитрозометилмочевина, нитрозоэтилмочевина, нитрозодиметилмочевина - часто применяются в сельском хозяйстве;

• этиленимин, этилметансульфонат, диметилсульфат, 1,4-бисдиазоацетилбутан (известный как ДАБ);

• некоторые пестициды;

• некоторые пищевые добавки (например, ароматические углеводороды, цикламаты);

• продукты переработки нефти;

• органические растворители;

• лекарственные препараты (например, цитостатики, препараты ртути, иммунодепрессанты).

• К химическим мутагенам условно можно[источник не указан 43 дня] отнести и ряд вирусов (мутагенным фактором вирусов являются их нуклеиновые кислоты — ДНК или РНК).

Биологические мутагены

• специфические последовательности ДНК  — транспозоны;

• некоторые вирусы (вирус кори, краснухи, гриппа);

• продукты обмена веществ (продукты окисления липидов);

• антигены некоторых микроорганизмов.

 

11-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------Геномные и хромосомные мутации, механизмы возникновения, медицинское значение(блеа не нашёл).

Хромосомные мутации.

Природа хромосомных мутаций - это непосредственное воздействие  на хромосомный материал ряда мутагенных факторов, таких как радиационное излучение, химические соединения, вирусы и другие повреждающие агенты (см. ниже).  При действии этих мутагенов нарушается структура хромосом.

· К хромосомным мутациям (аберрациям хромосом) относятся:

· • частичные моносомии и трисомии, развившиеся в результате: потери -Делеция или удвоения - Дупликация части материала одной хромосомы;

· • сбалансированные изменения хромосомного материала, связанные с нарушением ориентации сегментов в отдельных хромосомах - инверсия;

· • перенос части материала с одной хромосомы на другую – межхромосомная перестройка или Транслокация. Иногда может наблюдаться объединение в транслокацию целых хромосом.

Среди хромосомных делеций выделяют Интерстициальные (внутри хромосомы с вовлечением центромеры) и Терминальные (концевые фрагменты хромосомы без вовлечения центромеры).

Причиной хромосомной мутации может стать сегрегация или накопление сбалансированных транслокаций хромосом в родословных родителей больного пробанда.

Таким образом, в большинстве случаев хромосомные мутации (как и геномные мутации – см. ниже) приводят к генному дисбалансу, и их фенотипический эффект зависит от степени этого дисбаланса.

Если аберрации хромосом сохраняются в ходе митоза и мейоза, то этоСтабильные Мутации, а если они элиминируются из организма через апоптоз клетки (программированная гибель клеток), то это Нестабильные мутации.  
Геномные мутации.

Природа геномных мутаций заключается в неправильном расхождении и распределении в митозе и мейозе четырех гомологичных хромосом какой-либо одной пары, образовавшихся в ходе репликации.

В результате геномной мутации может возникнуть Анеуплоидия, включая моносомию - утрата одной хромосомы (хромосомный набор: 2n-1), трисомию - избыток на одну хромосому (2n+1) и полисомию - избыток более чем на одну хромосому(2n+2, 2n+3 и т. д.).

Таким образом, геномные мутации приводят к изменениям количества  хромосомного материала. Поэтому их фенотипический эффект зависит от степени несбалансированности хромосомного материала или генного дисбаланса.

Дополнительно:

(Вместе с тем возможны  другие причины.

Например, в результате попадания в дочерние клетки не одной, а сразу двух гомологичных хромосом одного из родителей может возникнуть однородительская изодисомия либо по материнской, либо по отцовской хромосомам.

Возможно развитие полиплоидии, включая триплоидию (3n) в результате одновременного оплодотворения одной яйцеклетки двумя сперматозоидами (диспермия) и тетраплоидию (4n) в результате неразделения цитоплазмы материнской клетки при нормальном распределении гомологичных хромосом в дочерние клетки.

В случае полиплоидии различают аллополиплоидию, в результате  объединения целых неродственных геномов (отцовского и материнского),  и аутополиплоидию,  для которой характерно увеличение числа наборов хромосом только одного генома, например, отцовского.

Геномные мутации могут обусловить развитие специфических, полуспецифических и неспецифических генетических эффектов.

Специфические эффекты связаны с изменениями содержания структурных генов, кодирующих продукцию специфических белков. Так, при трисомии по хромосоме 21 (синдром Дауна) в 1,5 раза повышена активность фермента - супероксиддисмутазы 1 (ген, котролирующий этот фермент находится на хромосоме 21). Данный фермент обусловливает развитие слабоумия.

Полуспецифические эффекты  связаны с изменением содержания генов, контролирующих ключевые этапы клеточного метаболизма (гены рРНК и тРНК, гистоновых и рибосомных белков, сократительных белков и др.).

Неспецифические эффекты зависят от изменений в структуре гетерохроматина, который имеет важное значение для нормального формирования в онтогенезе полигенно наследуемых количественных признаков (длина и масса тела, продолжительность жизни, интеллектуальные способности и др.).

Хромосомные синдромы, обусловленные геномными и хромосомными мутациями не наследуются, так как в 90% случаев являются следствием новых мутаций в гаметах у родителей пробанда.

Исключение составляют транслокационные варианты синдромов, которые являются результатом наличия у родителей сбалансированных перестроек хромосом, не сопровождающихся потерей или избытком хромосомного материала. Коэффициент их наследуемости равен 100%.

Геномные мутации являются наиболее частыми из всех классов мутаций. Например,  частота встречаемости синдром Дауна  достигает 1 случая на 550-650 человек.

Именно частота синдрома Дауна служит показателем общей частоты хромосомных и геномных мутаций в популяции человека. Известно правило, согласно которому среди 100 больных с любыми хромосомными синдромами, 95 больных (95%) будут иметь числовые нарушения хромосом (включая 75% больных с синдромом Дауна) и только 5 больных (5%)  - структурные нарушения хромосом.