Біологія. 11 клас. Балан

§ 16. Роль генотипу і факторів навколишнього середовища у формуванні фенотипу людини. Медична генетика

Аби краще засвоїти матеріал цього параграфа, слід пригадати: як можуть взаємодіяти алельні та неалельні гени між собою? Що таке множинна дія генів? Як здійснюється та регулюється експресія генів? Чим зумовлена позаядерна спадковість? Які особливості будови та функціонування імунної системи людини? Які є групи мутагенів?

Формування фенотипу - генетично визначений процес, який залежить від умов середовища життя. Особливості фенотипу визначають взаємодія алельних (повне та неповне домінування, проміжний характер успадкування) та неалельних (епістаз, комплементарність, полімерія) генів та їхня множинна дія.

Чи впливає на формування фенотипу людини позаядерна спадковість?

Як ви пам’ятаєте, мітохондрії мають власний спадковий матеріал - кільцеву молекулу ДНК. Оскільки сперматозоїди не передають своїх мітохондрій при заплідненні, то до зиготи мітохондрії потрапляють з цитоплазмою яйцеклітини. Отже, ознаки, закодовані в генах мітохондрій, можуть проявитись у фенотипах особин обох статей, однак успадковуються по материнській лінії. До таких ознак належать втрата зору у центральній частині зорового поля або утворення доброякісної1 пухлини нирок.

Як фактори навколишнього середовища впливають на формування фенотипу людини?

Дані щодо впливу умов довкілля на організм отримують, застосовуючи близнюковий метод досліджень. Оскільки генотипи однояйцевих близнюків однакові, то розбіжності в їхніх фенотипах будуть спричинені виключно впливом факторів середовища життя. Це дає можливість з’ясувати, формування яких саме ознак визначає генотип, а на які з них впливають умови середовища життя (табл. 16.1).

1 Доброякісна пухлина характеризується тим, що її клітини не вростають у сусідні тканини, а тільки стискають та відсувають їх.

Таблиця 16.1

Відсотки збігу певних ознак однояйцевих близнюків

Ознака

Збіг, %

Група крові

100

Колір очей

99

Колір волосся

89

Розумова відсталість

97

Епілепсія

72

Туберкульоз

56

Заяча губа

42

Шизофренія

46

Бронхіальна астма

92

Цукровий діабет

56

Гіперфункція щитоподібної залози

47

Псоріаз

61

Кір

97

У деяких випадках певні алелі визначають не варіант ознаки, а схильність до її прояву (наприклад, може передаватись у спадок схильність до ожиріння або цукрового діабету). При цьому ймовірність прояву того чи іншого варіанта ознаки залежить від різних чинників: статі, способу життя (наприклад, людям, схильним до ожиріння, необхідно вести активний спосіб життя, щоб уникнути цієї вади), дієти (людям зі схильністю до цукрового діабету слід обмежувати вживання продуктів, що містять глюкозу).

Запам’ятайте: умови життя можуть як знижувати, так і підвищувати ризик прояву у фенотипі певних вад або хвороб.

Як здійснюється генетична регуляція диференціації клітин?

Розвиток людського організму здійснюється шляхом вибіркового «вмикання» та «вимикання» специфічних генів у клітинах того чи іншого типу у певний час від початку розвитку. Ці проблеми вивчає розділ генетики - генетика розвитку.

Будь-яка нестатева (соматична) клітина має повний набір спадкової інформації, притаманний цілісному організму. Таким чином, клітинам багатоклітинного організму притаманна властивість реалізовувати генетичну інформацію, що забезпечує їхню диференціацію та розвиток до цілісного організму. Звідси випливає висновок: різні типи клітин використовують не всі, а лише певні гени з усього їхнього набору.

Учені запропонували гіпотезу диференціальної експресії генів. Клітини, які виникли на ранніх етапах поділу зиготи, спроможні дати початок окремому повноцінному організму (мал. 16.1). Саме так виникають однояйцеві близнюки. Клітини на пізніших етапах зародкового розвитку таку властивість зазвичай втрачають, оскільки відбувається їхня диференціація.

Мал. 16.1. Дроблення зиготи (І). II і III - послідовні стадії ембріонального розвитку двох однояйцевих близнюків

Запам’ятайте: у клітинах різного типу існують «вимкнені» гени, що можуть бути активовані за певних умов.

У деяких випадках диференціювання клітин може бути пов’язане з перебудовою генетичного матеріалу. Наприклад, такі клітини імунної системи людини, як В-лімфоцити після взаємодії з антигеном починають ділитися і перетворюються на клітини, здатні синтезувати антитіла. Із значної кількості антитіл, структура яких закодована у геномі В-лімфоцитів, ці клітини після активації починають синтезувати тільки один їхній тип, залежно від антигену, з яким вони стикнулися. Така диференціація пов’язана з перебудовою певних ділянок молекул ДНК, які відповідають за синтез антитіл. Інші клітини імунної системи - Т-лімфоцити - також можуть втрачати частину свого геному при формуванні рецепторів, здатних взаємодіяти з певним антигеном.

На диференціальну активність генів, яка позначається на диференціації клітин, впливають біологічно активні речовини.

Що досліджує медична генетика?

Медична генетика - наука про спадкові хвороби та вади людини. Вона розробляє методи діагностики спадкових захворювань, їхньої профілактики та лікування. Сучасна медична генетика насамперед орієнтується на профілактику спадкових захворювань, зокрема запобігання народженню дітей з певними спадковими захворюваннями або вадами. За допомогою методів цієї науки визначають батьківство. Оскільки дитина частину спадкової інформації отримує від матері, а частину - від батька, то завдяки різноманітним методам з високим відсотком ймовірності (до 99 %) можна зробити висновок, чи є певна людина батьком дитини або ні.

Які відомі типи спадкових захворювань і вад людини?

Спадкові захворювання і вади, а також генетична схильність до різних захворювань - актуальні медико-біологічні проблеми. За даними Всесвітньої організації охорони здоров’я, 5 зі 100 новонароджених страждають тим чи іншим важким спадковим захворюванням, ще 5 мають генетичні вади, а ще 2 народжуються мертвими внаслідок цих порушень. Ці показники зростають з року в рік унаслідок забруднення довкілля різноманітними мутагенами. Нині відомо понад 4000 спадкових захворювань і захворювань зі спадковою схильністю, тоді як у 1958 р. - не більше 500.

Мал. 16.2. Полідактилія (поява 6-го, рідше 7-го пальця на всіх чи деяких кінцівках) (І) і синдактилія (зрощення пальців) (II)

Спадкові захворювання можуть мати різні прояви:

  • порушення будови організму, наприклад вовча паща (виникнення щілини, що сполучає носову та ротову порожнини внаслідок розщеплення верхніх губи, щелепи та піднебіння); заяча губа (розщеплення верхньої губи); багатопалість чи зрощення пальців (мал. 16.2) тощо;
  • розлад фізіологічних функцій, наприклад гемофілія та дальтонізм;
  • порушення процесів обміну речовин, зокрема цукровий діабет, фенілкетонурія та ін.

Деякі зі спадкових захворювань, наприклад хвороба Дауна, проявляються відразу після народження. Інші, наприклад хорея Гентінгтона (захворювання клітин нервових вузлів, яке супроводжується мимовільними рухами, поступово прогресуючою недоумкуватістю тощо), проявляються лише у певному віці.

Різноманітні спадкові захворювання та генетичні вади можуть бути спричинені змінами будови хромосом (табл. 16.2).

Таблиця 16.2

Можливі фенотипні наслідки через втрату ділянки певної хромосоми людини

Фенотипний прояв

Номер хромосоми зі втраченою ділянкою (позначено «+»)

4-та

5-та

18-та

Синдром котячого крику

-

+

-

Недоумкуватість

+

+

+

Порушення розвитку головного мозку

+

-

-

Зменшення розмірів голови

+

+

+

Косоокість

+

+

+

Недорозвиненість носу та верхньої щелепи

-

-

+

Дефекти вушних раковин

+

+

+

Розщеплення піднебіння

+

-

-

Вади серця

+

-

+

Вади, зумовлені втратою ділянки хромосоми або цілої хромосоми, успадковуються досить рідко. Мутації цього типу спричиняють настільки тяжкі наслідки, що такі люди зазвичай не залишають нащадків. Виживають лише зародки, у яких відбулися втрати чи подвоєння невеликих ділянок хромосом.

Частина (5-20 %) онкологічних захворювань зумовлена спадковою схильністю до них. За даними Міністерства екології та природних ресурсів України, нині кожний 50-й мешканець нашої країни (2 % населення) страждає на онкологічні захворювання. Зокрема, радіонукліди, що утворилися внаслідок Чорнобильської аварії, значно збільшують кількість випадків раку щитоподібної залози, лімфатичної та кровоносної систем тощо.

У чому полягає медико-генетичие консультування?

Важливу роль у профілактиці спадкових захворювань відіграє медико-генетичне консультування. У медико-генетичних консультаціях працюють фахівці різних спеціальностей - генетики, біохіміки, цитологи, імунологи, медики тощо. За допомогою різноманітних методів вони виявляють носіїв алелів, які зумовлюють прояви спадкових захворювань, вираховують ймовірність успадкування і прояву спадкових захворювань у нащадків. Коли ймовірність появи нащадків із значними спадковими вадами висока, майбутнім батькам пропонують утриматись від народження дитини. Це, передусім, спрямовано не лише на запобігання народженню дітей з певними генетичними дефектами, а й на запобігання подальшої передачі мутантних алелів наступним поколінням. За допомогою різноманітних методів визначають схильність людини до прояву того чи іншого спадкового захворювання і прогнозують можливість його прояву в її фенотипі у майбутньому.

Різноманітні тести дають змогу виявляти дефектні алелі, які відповідають за спадкові захворювання та вади, не лише у майбутніх батьків, а й у зародків. Так, за допомогою вивчення зародкових клітин, взятих із навколоплідної рідини, деякі порушення обміну речовин можна виявити вже на 14-16-му тижні вагітності.

Оскільки домінантні мутантні алелі або хромосомні захворювання проявляються у фенотипі, їхнє діагностування не дуже складне, на відміну від мутантних рецесивних алелів, які у гетерозиготному стані зазвичай не проявляються. Але за допомогою аналізу крові можна виявити людей, гетерозиготних за рецесивним алелем, наприклад, серпоподібноклітинної анемії. Разом з тим, якщо шлюб беруть гетерозиготні за певним мутантним геном особини, рецесивні алелі можуть у нащадків перейти в гомозиготний стан і проявитись фенотипно. Ймовірність народження хворої дитини у гетерозиготних батьків становить 25 %.

Перспективним напрямом у медичній генетиці є генна терапія.

Що таке геннатерапія?

Генна терапія (від грец. терапейа - лікування, оздоровлення) - медична процедура, під час якої у хворого вилучають певні типи клітин (крові, епітелію шкіри або кишечнику та ін.), замінюють їхні дефектні алельні гени нормальними, а потім вводять в організм. Завдяки цьому в організмі хворої людини можуть синтезуватись білки, яких до цього не вистачало. Нормальні гени вилучають з організму здорової людини та методами генної інженерії отримують їхні численні копії (мал. 16.3).

Для введення генів у клітину необхідний переносник, так званий вектор (від лат. вектор - носій). Для цього використовують деякі віруси, наприклад ретровіруси. Проникнувши у цитоплазму клітини людини або тварин, вони на власній молекулі РНК, використовуючи її як матрицю, синтезують ланцюг ДНК, а потім до нього добудовується друга нитка. Ця ДНК проникає через ядерну оболонку та вбудовується в хромосомну ДНК клітини. Останнім етапом такої процедури є введення клітин з нормальними генами в організм людини (Е).

Мал. 16.3. Метод генної терапії. Зі шкіри руки (А) отримують клітину епітелію (Б). В її ядрі (В) містяться хромосоми (Г). Нормальні гени (Д) призначені для введення в хромосоми. Введення клітин з нормальними генами в організм людини (Е)

За певних онкологічних та інфекційних захворювань методами генної терапії можна пригнічувати активність генів, не притаманну нормальній клітині, або посилювати її (наприклад, для збільшення синтезу гемоглобіну у хворих на серпоподібноклітинну анемію). Ще одна галузь застосування генної терапії - генетична модифікація клітин, спрямована на посилення імунних реакцій.

Загалом до 80 % сучасних розробок генної терапії пов’язані з пухлинними захворюваннями людини. Введення «генів-убивць» призводить до загибелі пухлинних клітин. Особливе місце у розробках генної терапії посідають методи боротьби зі СНІДом. Зокрема учені створюють генетично модифіковані клітини, здатні виробляти антитіла проти ВІЛу.

Молекулярна діагностика спадкових захворювань - напрям генної терапії, що ґрунтується на методиках визначення алелів, які зумовлюють ті чи інші спадкові захворювання або схильність до них (хвороба Альцгеймера, рак молочної залози, цукровий діабет, атеросклероз тощо). Своєчасно поставлений діагноз дає можливість розпочати профілактику або лікування ще до того, як з’являться перші симптоми такого захворювання.

Запам’ятайте: мета генної терапії - виправлення або знищення спадкової інформації, яка зумовлює захворювання.

Нові терміни та поняття. Диференційна експресія генів, медико-генетичне консультування, генна терапія, молекулярна діагностика спадкових захворювань.

Запитання для повторення: 1. Від яких чинників залежить формування фенотипу людини? 2. Яку роль відіграє позаядерна спадковість у формуванні фенотипу людини? 3. Від яких чинників залежить диференціація клітин? 4. Які завдання медичної генетики? 5. Чим зумовлені спадкові захворювання та вади людини? 6. У яких формах можуть проявлятись спадкові захворювання та вади людини? 7. Які методи досліджень застосовують у медичній генетиці? 8. Що таке медико-генетичне консультування та які його завдання? 9. Для чого застосовують генну терапію?

Проблемне завдання. Поміркуйте, чому втручання в спадковий матеріал людини може мати негативні наслідки. Які проблеми етичного плану виникають при проведенні медико-генетичного консультування?