Генетика

Генетика Гiлка бiологiї, що займається явищами спадковостi i вивченням законiв, керiвникiв схожiстю i вiдмiнностями мiж родинними органiзмами, називається ГЕНЕТИКОЮ. Зародившись на початку 21-го столiття, ця наука швидко зробила великi успiхи, а в даний час розвивається особливо iнтенсивно. - вирощування i аналiз потомства кожної особини окремо вiд iнших; - ведення кiлькiсного облiку гiбридiв, що розрiзняються по дослiджуваних ознаках. показали, що спадкоємство вiдбувається за певними законами i що якщо родовiд двох особин вiдомий, то можна досить точно передбачити, якi типи нащадкiв вийдуть вiд їх схрещування. На основi своїх дослiдiв Мендель прийшов до виводу, що спадковiсть управляється одиницями (якi вiн називав «чинниками»), що знаходяться в клiтках кожного iндивiдуума. Вiн передбачив, що в дорослих рослин є по два таких чинника, якi роздiляються при утвореннi пилкових зерен i яйцеклiтин, так що в яйцеклiтину або спермiй потрапляє лише по одному чиннику, кожного сорту. Це блискучий висновок був пiдтверджений пiсля того, як сталi вiдомi деталi клiтинного дiлення i заплiднення. Мендель опублiкував свої результати в одному маловiдомому австрiйському журналi в 1866 р., але вони не залучали уваги протягом бiльш нiж 30 рокiв. закони спадковостi, сформульованi Менделем. Переглядаючи лiтературу, вони випадково виявили його роботу, i, таким чином, через 16 рокiв пiсля смертi Менделя два основнi закони спадковостi були названi його iм'ям. ГЕНЕТИКА ПОПУЛЯЦІЇ Початкуючих генетикiв iнколи бентежить питання: якщо гени карих очей домiнують над генами блакитних, чому останнi до цих пiр не зникли? Перша частина вiдповiдi на це питання полягає в тому, що рецесивний ген, на зразок гена голубоглазости, нiяк не змiнюється в наслiдок свого спiвiснування впродовж життя цiлого поколiння плiч-о-плiч з геном кареглазости. Другою частиною вiдповiдi служить той чинник, що у вiдсутнiсть спецiального вiдбору за кольором око (т. е, якщо блакитноокi люди мають стiльки ж шансiв одружитися i виробляти стiльки ж дiтей, скiльки кароокi) в подальших поколiннях збережеться та ж пропорцiя блакитнооких i карооких, яка є в даному поколiннi. Короткий екскурс в математику покаже, чому це так. Розглянемо розподiл в популяцiї (людей, тварин або рослин) однiєї пари генiв – А i а. Кожен член популяцiї матиме один з наступних генотипiв: АА, Аа або аа. Жодних iнших можливостей не iснує. Передбачимо, що в популяцiї цi генотипи представленi у вiдношеннi ¼АА : ½Аа : ¼аа (доводжуване нами положення, що це спiввiдношення не мiняється в послiдовних поколiннях, залишається справедливим при будь-якому вихiдному спiввiдношеннi). Якщо всi члени популяцiї вибирають собi партнерiв незалежно вiд того, чи мають вони генотип АА, Аа або аа, i якщо всi пари виробляють приблизно однакове число нащадкiв, то i подальших поколiннях спiввiдношення генотипiв нащадкiв буде ¼АА : ½Аа : ¼аа. Це можна довести, врахувавши всiх можливих типiв схрещувань, їх частоту за умови випадковостi зустрiчей, типiв i чисельнi спiввiдношення нащадкiв, що отримуються вiд кожного типа схрещування. Пiдсумувавши число нащадкiв всiх типiв, ми виявимо, що в подальшому поколiннi спiввiдношення генотипiв також складе ¼АА : ½Аа : ¼аа. ТАБЛИЦЯ. ПОТОМСТВО ПОПУЛЯЦІЇ СКЛАДУ, ЩО ВІЛЬНО СХРЕЩУЄТЬСЯ ? АА ? Аа i ? аа. Схрещування АА * АА АА * Аа Аа * АА Аа * аа аа * АА аа * аа ¼ * ¼ ¼ * ½ ¼ * ¼ ½ * ¼ ½ * ½ ½ * ¼ ¼ * ¼ ¼ * ½ ¼ * ¼ 1/16 АА 1/16 + АА 1/16 Аа 1/16 АА + 1/16 Аа 1/16 Аа + 1/16 аа 1/16 Аа + 1/16 аа 1/16 аа Математик Хардi i лiкар Вейнберг незалежно один вiд одного вiдкрили в 1908 р., що частоти членiв пари алельних генiв в популяцiї розподiляються вiдповiдно до коефiцiєнтiв розкладання бiнома Ньютона. У только-то розглянутому прикладi ми прийняли, що вихiдна популяцiя мала склад ¼АА + ½Аа + ¼аа. Ми можемо представити цi стосунки в загальнiй формi, позначивши частоту гена А в популяцiї через р i частоту гена а через q. Оскiльки кожен ген має бути або А, або а, то р+q=1, i, знаючи одну з цих величин, ми можемо обчислити iншу. Враховуючи всi схрещування, що вiдбуваються в даному поколiннi, ми бачимо, що р яйцеклiтин, що мiстять ген А, i q яйцеклiтин, що мiстять ген а, заплiднилися р сперматозоїдами, мiстять ген А, i q сперматозоїдами, що мiстять ген а: ½ , то q – частота гена а – рiвна 1 – р, тобто 1- ½ = ½. По формулi частота генотипу АА, тобто p^2, рiвна ( ½)^2 = ¼, а частота генотипу Аа, тобто 2pq, рiвна 2* ½* ½= ½; частота генотипу аа, тобто q^2, рiвна ( ½)^2, або ¼. Будь-яка популяцiя, в якiй розподiл аллелей А i а вiдповiдають спiввiдношенню p^2AA+2pqAa+q^2aa, знаходяться в генетичнiй рiвновазi. Вiдноснi частоти цих аллелей в подальших поколiннях будуть такими ж (якщо вони не змiняться пiд дiєю вiдбору або в результатi мутацiй). Це уявлення про математичну основу генетичної рiвноваги в популяцiї i про змiни його пiд впливом мутацiй i вiдбору складає фундамент сучасних концепцiй про дiю природного вiдбору в процесi еволюцiї. Звiдси витiкає, що якщо p^2 (частота генотипу АА) або q^2 (частота генотипу аа) вiдома, то можна пiдрахувати частоту iнших генотипiв. Аби визначити число людей в популяцiї, що є носiями даної ознаки, потрiбно лише знати, чи зв'язано його спадкоємство з однiєю парою генiв, i встановити частоту появи iндивiдуумiв, гомозиготних за рецесивною ознакою. Наприклад, обстеження показали, що частота альбiносiв (генетично аа) в популяцiї складає приблизно 1 на 20 000. Пiдставимо цю частоту особин аа, рiвну 1/20 000, у формулу Хардi – Вейнберга на мiсце q^2. Корiнь квадратний з 20 000 рiвний приблизно 141; отже, q = 1/141. Оскiльки p+q=1, p=1-q, або 1- 1/141, або 140/141. Тепер ми можемо обчислити 2pq, тобто частоту, з якою зустрiчаються особинi Аа, гетерозиготнi по гену альбiнiзму. Ця частота дорiвнює 2 * 140/141 * 1/141 = 1/70, тобто приблизно одна особина з кожних 70 є носiєм гена альбiнiзму. Настiльки висока частота такої рiдкої особливостi може здатися дивною, проте було обчислено, що кожен з нас є носiєм в середньому 8 рецесивних небажаних генiв. Здатнiсть або нездатнiсть вiдчувати смак фенилтиомочевины i родинних нею з'єднань з групою Є спадковою ознакою. цей смак. Якщо вiдмiннiсть мiж тими i iншими обумовлена однiєю парою генiв i якщо здатнiсть вiдчувати смак домiнує над нездатнiстю, то, згiдно математичним закономiрностям генетики популяцiї, в браках тих, що «вiдчувають» з тими, що не «вiдчувають» 12,4% дiтей має бути такими, що не «вiдчувають». ТАБЛИЦЯ. СПАДКОЄМСТВО ЗДАТНОСТІ ВІДЧУВАТИ СМАК ФЕНІЛТІОМОЧЕВІНИ. БРАКИ Числосiмей що «вiдчувають» що не «вiдчувають» Спостережу-вана «ощущающий»*«ощущающий» «ощущающий»*«неощущающий» «неощущающий»*«неощущающий» 425 289 86 929 483 5 130 278 218 0,123 0,336 0,979 0,124 0,354 1,0 Із закону Хардi – Вейнберга слiдує, що серед нащадкiв вiд бракiв людей, що «вiдчувають» смак фенилтиомочевины, з людьми, що не «вiдчуваються» його, число людей з рецесивною ознакою рiвне q/1+q. Серед дiтей вiд бракiв тих, що «вiдчувають» з тими, що не «вiдчувають» число людей з рецесивною ознакою, тобто що не «вiдчувають», рiвно (q/1+q)^2. Оскiльки частота в популяцiї тих, що «вiдчувають» iндивiдуума складає 29,8%, q^2=0,298, q=0,545, q/1+q=0,354 i (q/1+q)^2=0,124. В той же час серед дiтей вiд бракiв тих, що «вiдчувають» з тими, що не «вiдчувають» 35,5% мають бути такими, що не «вiдчуваються». За даними Снайдера, цифри, отриманi для дiтей вiд бракiв вказаних двох типiв, складали 12,3 i 33,6%. Така близька вiдповiднiсть свiдчить про правильнiсть нашого вихiдного припущення, що вiдмiннiсть мiж здатнiстю i нездатнiстю вiдчувати смак фенилтиомочевины контролюється однiєю парою аллелей. Іншим прикладом практичного використання закону Хардi – Вейнберга служить вивчення спадкоємства груп кровi M, MN i N. У США 29,16% бiлого населення має групу кровi M, 49, 58% - групу MN i 21,26% - групу N. Застосування до цих даних закон Хардi – Вейнберга, обчислюваний q^2=0,2126, звiдки q=0,46. Аби визначити значення p, вiднiмаємо 0,46 з 1 i отримуємо р=0,54; p^2=(0,54)^2=0,29, а 2pq=2*0,54*0,46=0,49. Прекрасний збiг теоретичних i спостережуваних величин служить доказом того, що спадкоємство груп кровi M i N визначається однiєю парою генiв, причому жоден з цих генiв не домiнує над iншим (такi гени можна назвати кодомiнантними); в результатi в кровi гетерозигот виявляються обоє роду антигенiв. ФЕНІЛКЕТОНУРІЯ – спадкове захворювання людини, при якiй фенилаланин i фенiлпiровиноградна кислота накопичуються в кровi i видiляються з сечею. При цьому блокується реакцiя перетворення фенилаланина в Тирозин. Перетворення фенилаланина на Тирозин – складна бiохiмiчна реакцiя, для якої необхiдна присутнiсть вiдновленого трифосфопиридиннуклеотида, молекулярного кисню i двох фракцiй бiлка. Хворi з фенiлкетонурiєю позбавленi однiй з цих двох фракцiй. Захворювання передається однiєю парою генiв, причому ген, що обумовлює хворобу, рецесивний по вiдношенню до гена нормального стану. Хвороба завжди супроводиться розумовою недостатнiстю. Частота гена (q) в США складає близько 0,005, а частота гетерозигот – приблизно 1 на 100 чоловiк (2pq=2*0,995*0,005=0,01). Якщо дитяти з фенiлкетонурiєю незабаром пiсля народження посадити на дiєту з дуже низьким вмiстом фенилаланина, то прояви симптомiв захворювання у нього буде помiтно слабкiше, нiж у звичайних хворих з фенiлкетонурiєю. Наявнi данi показують, що порушення розумових здiбностей можна зменшити, пiдтримуючи рiвень фенилаланина в сечi i кровi в межах норми. Оскiльки фенилаланин належить до незамiнних амiнокислот, зовсiм виключити його з харчового рацiону не можна i кiлькiсть його має бути достатньою, аби дитя могло зростати. Гомозиготних здорових людей i людей, гетерозиготних по гену фенiлкетонурiї, можна визначити за допомогою тесту, при якому випробовуваним дається фенилаланин i вимiрюється швидкiсть виведення його з сечею. Гетерозиготнi носiї цiєї ознаки вiдрiзняються вiд здорових людей зниженою здiбнiстю до обмiну фенилаланина. Так, при стандартнiй кiлькостi отримуваного фенилаланина рiвень його в кровi i сечi гетерозигот буде вищий, нiж у здорових людей. Проте результати, отриманi з гомозиготними здоровими людьми i гетерозиготними носiями, частково збiгаються, так що цей тест не може дати точну вiдповiдь, чи є даний iндивiдуум носiєм цiєї ознаки. Інше рiдке спадкове порушення обмiну – ГАЛАКТОЗЕМІЯ – полягає в нездатностi органiзму людини метаболизировать гелактозу звичайним способом. Галактоза видiляється з сечею i накопичується у виглядi галактозофосфата в тканинах. Якщо дитяти з галактоземией не лiкувати вiдповiдним чином, то дуже великий ризик, що вiн не зможе вижити. Головним джерелом галактози в рацiонi служать, звичайно, молоко i молочнi продукти; якщо виключити їх з дiєти, то дитя виживе, i зростатиме. Це один з вражаючих прикладiв справедливостi прислiв'я «ЩО ОДНОМУ ЗДОРОВО, ТО ІНШОМУ - СМЕРТЬ». можна визначити наявнiсть або вiдсутнiсть ферменту i з великою точнiстю поставити дiагноз.