Біологія. 11 клас. Балан

§ 5. Методи генетичних досліджень

Аби краще засвоїти матеріал цього параграфа, слід пригадати: як відбуваються мітотичний і мейотичний поділи клітини? Які особливості будови хромосом? Що таке популяція? Що досліджує наука систематика? Які таксономічні одиниці використовують у систематиці тварин і рослин? Що таке каталіз? Які головні завдання біотехнології та радіоекології?

Кожна наука має свій набір методів досліджень. Про такі методи, як порівняльно-описовий, експериментальний, моніторинг, моделювання ви дізналися раніше. Розглянемо основні методи, які використовують у своїх дослідженнях учені-генетики.

Які методи застосовують генетики у своїх дослідженнях?

Одним з перших у генетичних дослідженнях почали застосовувати гібридологічний метод. Він полягає у схрещуванні (гібридизації) організмів, які різняться певними варіантами однієї чи кількох ознак. Отриманих у результаті цього нащадків називають гібридами (від лат. гібрида - суміш). На гібридизації базується гібридологічний аналіз - дослідження характеру успадкування варіантів ознак за допомогою системи схрещувань. Для цього підраховують кількість особин з певним фенотипом серед нащадків, отриманих унаслідок схрещування.

Схрещування — це поєднання генетичного матеріалу різних особин в одній.

Схрещування може бути моногібридним, дигібридним і полігібридним. Моногібридне схрещування - це гібридизація батьківських форм, які відрізняються різними варіантами лише однієї досліджуваної спадкової ознаки (наприклад, забарвленням насіння); дигібридне - двох (наприклад, забарвленням насіння та структурою його поверхні), полігібридне - трьох і більше.

Якими символами позначають процес схрещування?

Погляньте на малюнок 5.1. На ньому зображено квітки трьох рослин гороху посівного з різними варіантами генотипів. За умови повного домінування два варіанти генотипу - АА (гомозигота за домінантним алелем А) та Аа (гетерозигота) - визначають один і той самий варіант фенотипу - фіолетове забарвлення віночка. А ось біле забарвлення віночка однозначно вказує на генотип особини - це гомозигота за рецесивним алелем гена, який визначає біле забарвлення віночка.

Для встановлення генотипу досліджуваної особини її схрещують з особиною, гомозиготною за рецесивним алелем. Такий варіант схрещування називають аналізуючим.

Мал. 5.1. Фенотип і генотип трьох рослин гороху посівного з фіолетовим (1, 2) і білим (3) забарвленням віночка

Таке схрещування базується на тому, що особини, гомозиготні за рецесивним алелем певного гена, завжди мають лише певний варіант фенотипу й утворюють гамети одного типу.

Припустимо, що популяція гороху посівного складається з особин, які мають генотипи АА, Аа та аа. Домінантний алель визначає високе стебло, рецесивний - низьке. Таким чином, особини з високим стеблом можуть мати генотипи АА та Аа, а з низьким - лише аа. Щоб визначити генотип особин з високим стеблом, їх слід схрестити з особинами, які мають низьке стебло. Схематично покажемо хід схрещування.

Якщо особина, генотип якої хочуть перевірити, була гомозиготною за домінантним алелем, хід схрещування буде таким:

Зверніть увагу на символічні позначення. Батьківські особини позначають латинською літерою Р (від лат. парентес - батьки), символами ♀ та ♂ - відповідно жіночу та чоловічу стать. Якщо організми гермафродитні (деякі тварини) або мають двостатеві квітки (різноманітні рослини), можна довільно позначити одну з таких особин як чоловічу, іншу - як жіночу.

Хід схрещування зручно записувати за допомогою решітки Пеннета (названої так на честь англійського генетика Реджинальда Крандалла Пеннета (1875-1967), який уперше запропонував записувати таким чином хід схрещування). По горизонталі записують гамети однієї (у роздільностатевих організмів - батьківської) особини, а по вертикалі - іншої (материнської). У місцях перетину горизонтальної та вертикальної ліній вказують генотипи нащадків. Перше покоління нащадків позначають F1 (від лат. філії - сини). Запишемо за допомогою решітки Пеннета хід схрещування батьківських особин, гомозиготних за домінантним і рецесивним алелями.

♀ / ♂

а

а

А

Аа

Аа

А

Аа

Аа

Якщо серед нащадків, отриманих унаслідок аналізуючого схрещування, розщеплення за фенотипом не спостерігають, то батьківська особина, генотип якої перевіряли, була гомозиготною за домінантним алелем. Якби вона була гетерозиготною, то хід аналізуючого схрещування мав би такий вигляд:

Запишемо за допомогою решітки Пеннета хід схрещування батьківських особин, одна з яких гетерозиготна, а інша гомозиготна за рецесивним алелем.

Якщо внаслідок аналізуючого схрещування серед нащадків спостерігатиметься розщеплення за фенотипом у співвідношенні 1 : 1, то особина, чий генотип визначали, була гетерозиготною.

♀ / ♂

а

а

А

Аа

Аа

а

аа

аа

Аналізуюче схрещування широко застосовують у селекції, оскільки воно дає змогу визначити генотип особин, яких планують використати для отримання нащадків з певним фенотипом. Зокрема, завдяки цьому можна уникнути небажаного розщеплення за фенотипом серед нащадків, усунувши від розмноження гетерозиготних особин.

Генеалогічний метод полягає у вивченні родоводів організмів. Це дає змогу простежити характер успадкування різних варіантів певних ознак у ряді поколінь. Генеалогічний метод широко застосовують у медичній генетиці, селекції тощо. За його допомогою встановлюють генотип особин і вираховують ймовірність прояву того чи іншого варіанта ознаки в їхніх майбутніх нащадків. Родоводи складають у вигляді схем за певними правилами: організм жіночої статі позначають колом, чоловічої - квадратом. Позначки особин Одного покоління розташовують у ряд і з’єднують між собою горизонтальними лініями, а позначки предків і нащадків - вертикальними. Особин, які мають досліджувану ознаку (наприклад, хворих), зафарбовують. Чим більше поколінь людей або інших організмів включає родовід - тим він повніший і тим достовірніші результати генеалогічного аналізу.

На малюнку 5.2 наведено частину родоводу англійської королеви Вікторії, серед нащадків якої були російські імператори. За ним можна простежити успадкування небезпечного захворювання - гемофілії, або нездатності крові зсідатися (пригадайте фактори, які сприяють процесу зсідання крові). Отже, генеалогічний метод включає два основні етапи: складання власне родоводу та здійснення генеалогічного аналізу успадкування тих чи інших варіантів ознак.

Популяційно-статистичний метод дає змогу вивчати, з якою частотою трапляються певні алелі та варіанти їхніх поєднань у популяціях організмів.

Це, у свою чергу, дозволяє встановити генетичну структуру популяцій, тобто які з можливих алелів усіх генів організмів певного виду трапляються в даній популяції, з якою частотою і в якому поєднанні. Крім генетики популяцій, метод застосовують і в медичній генетиці для вивчення поширення певних алелів серед людей (здебільшого тих, які зумовлюють спадкові захворювання чи вади). Для цього вибірково досліджують частину населення певної території і статистично обробляють отримані дані. Наприклад, завдяки застосуванню популяційно-статистичного методу було виявлено, що алель, який визначає дальтонізм (порушення сприйняття кольорів), трапляється у 13 % жінок (з них хвороба проявляється лише в 0,5 %) та в 7 % чоловіків (хворіють усі). Рецесивний алель, який зумовлює альбінізм (вроджену відсутність пігментації шкіри та райдужної оболонки ока) трапляється із частотою 0,0001-0,00005 (1 альбінос припадає на 10 000-20 000 людей з нормальною пігментацією) (мал. 5.3).

Мал. 5.3. Людина-альбінос

Цитогенетичний метод базується на дослідженні особливостей хромосомного набору (каріотипу) організмів. Вивчення каріотипу дає змогу виявляти мутації, пов’язані зі зміною як кількості хромосом, так і будови окремих з них. Виявлення таких змін на ранніх етапах розвитку людини дає можливість діагностувати багато спадкових захворювань (як-от, хворобу Дауна) (мал. 5.4). Встановлено, що перенесення ділянки 21-ї хромосоми на хромосому іншої пари (13-ї, 14-ї, 15-ї або 22-ї) в одного з батьків підвищує ймовірність народження хворої дитини до 33 %. Каріотип вивчають у клітині на стадії метафази (у цей період клітинного циклу структура хромосом виражена найчіткіше). Для цього в людини без будь-якої шкоди для неї з периферичної крові беруть лімфоцити і переносять на поживні середовища, штучно стимулюючи клітини до поділу і зупиняючи його на стадії метафази.

Цитогенетичний метод застосовують і в систематиці організмів (каріосистематиці). Багато видів-двійників (види, які не розрізняються зовнішньо; відомі серед комах, земноводних, гризунів тощо), подібних за фенотипом, можна розпізнати лише за хромосомним набором.

Біохімічні методи використовують для діагностики спадкових захворювань, пов’язаних з порушенням обміну речовин. За їхньою допомогою виявляють білки, а також проміжні продукти обміну, не властиві в нормі даному організму, що свідчить про наявність мутантних генів. Відомо понад 1000 спадкових захворювань людини, які спричиняють мутації (наприклад, цукровий діабет).

Мал. 5.4. Хворобу Дауна зумовлює зайва 21-ша хромосома

Мал. 5.5. Однояйцеві близнюки

Близнюковий метод полягає в порівнянні ознак в однояйцевих близнюків (мал. 5.5), які завжди однієї статі, бо мають однакові генотипи. Дослідження таких організмів дає змогу з’ясувати роль факторів довкілля у формуванні фенотипу. Виявлено, що в однояйцевих близнюків час

тіше розвивається один і той самий вид ракових пухлин, ніж у різнояйцевих (тобто близнюків, що розвинулися з різних зигот). В однояйцевих близнюків часто спостерігають й інші спільні захворювання: бронхіальну астму, кір (відсоток збігу - понад 90 %), шизофренію, цукровий діабет (близько 50 %), туберкульоз (понад 50 %) тощо. Отже, застосування близнюкового методу дає можливість розв’язати питання, наскільки те чи інше захворювання визначається спадково, а наскільки - впливом факторів довкілля.

Метод дерматогліфіки ґрунтується на вивченні рельєфу шкіри на пучках пальців (мал. 5.6), долонях і поверхні підошви людини. Ще в давні часи люди звернули увагу на те, що малюнок на шкірі цих частин тіла індивідуальний і неможливо знайти двох людей, у яких він був би повністю подібний. Метод дерматогліфіки дає змогу встановлювати і ступінь спорідненості людей, оскільки доведено, що окремі елементи малюнка шкіри можуть успадковуватись. Використовують його і для діагностики деяких спадкових захворювань (наприклад, на долонях хворих на хворобу Дауна є лише одна поперечна та одна поздовжня згинальні борозни, тоді як у здорових людей поперечних борозен дві). Цю методику широко застосовують у криміналістиці для доведення причетності до скоєння злочину.

Мал. 5.6. Рельєф шкіри на пучках пальців унікальний для кожної людини

Метод культивування нестатевих (соматичних) клітин людини поза організмом дає можливість вирішувати різні питання генетики людини, які неможливо розв’язати на цілісному організмі. Клітини для досліджень беруть з різних органів і тканин (клітини крові, шкіри, червоного кісткового мозку тощо) і вирощують на штучних поживних середовищах. А потім визначають, приміром, місце певних генів у тих чи інших хромосомах.

Сучасна генетика базується на досягненнях молекулярної біології. Саме з ними пов’язані методи генетичної інженерії. За їхньою допомогою

учені виділяють з організмів окремі гени або синтезують їх штучно, перебудовують певні гени і вводять їх у геном іншої клітини або організму. Крім того, учені можуть сполучати гени різних видів в одній клітині, тобто поєднувати в одній особині спадкові ознаки, притаманні цим видам. Організми, отримані в такий спосіб, називають трансгенними (від лат. транс - через і грец. генос - рід, походження), або генетично модифікованими (скорочено - ГМО).

У генетичних дослідженнях використовують і методи молекулярної біології. Зокрема, нині встановлено послідовності нуклеотидів молекул ДНК багатьох видів організмів. Порівнюючи такі послідовності нуклеотидів молекул ДНК різних видів за ступенем їхньої подібності, вчені з’ясовують ступінь спорідненості різних видів. Два види, які походять від спільного предка (два види одного роду) мають подібніший спадковий матеріал аніж види, які належать до двох близьких, але різних родів. У генетиці людини цей метод застосовують для з’ясування родинних зв’язків між окремими людьми.

Для проведення досліджень у галузі молекулярної біології здійснюють клонування ДНК. Фрагмент ДНК, який цікавить дослідників, вводять у молекулу ДНК, яку згодом вводять у бактеріальну клітину. Стимулюють розмноження таких клітин. Для отримання необхідних фрагментів ДНК створюють так звані геномні бібліотеки - велику кількість фрагментів геному, серед яких шукають потрібний.

Крім того, для з’ясування ступеня спорідненості організмів застосовують і метод гібридизації нуклеїнових кислот. Для цього поза організмом створюють умови для денатурації молекул ДНК та руйнування водневих зв’язків між комплементарними нуклеотидами. А згодом залежно від того, яка кількість нуклеотидів ланцюга молекули ДНК однієї особини утворює водневі зв’язки з комплементарними нуклеотидами ланцюга молекули ДНК іншої особини, дослідники роблять висновки про ступінь подібності їхнього спадкового матеріалу.

Запам’ятайте. Згідно з Декларацією прав людини і різними міжнародними угодами забороняється будь-яке втручання у спадкову інформацію людини різноманітними експериментальними методами досліджень, навіть якщо при цьому поставлено гуманні цілі. Це пов’язано з тим, що таке втручання може мати непередбачувані наслідки.

Як генетика пов’язана з практичною діяльністю людини?

Результати генетичних досліджень є теоретичною базою для розв’язання практичних питань селекції (науки про створення нових сортів рослин і порід тварин), медичної генетики (основні напрями - діагностика, профілактика і лікування спадкових захворювань, дослідження факторів, які спричиняють мутації, з метою захисту від них генома людини тощо), генетичної (генної) інженерії (штучний синтез генів, виділення генів з організму, перенесення генів з одних організмів в інші) тощо.

Нові терміни та поняття. Аналізуюче схрещування, гібридизація, гібриди.

Запитання для повторення: 1. На чому базується гібридологічний метод? Що таке моно-, ди- та полігібридне схрещування? 2. Для чого застосовують аналізуюче схрещування? 3. З якою метою використовують генеалогічний метод? 4. Охарактеризуйте цитогенетичний метод. 5. Для чого в генетичних дослідженнях використовують популяційно-статистичний, близнюковий, біохімічні методи? 6. На чому базуються методи генної інженерії?

Проблемне завдання. Поміркуйте, які з методів генетичних досліджень можуть застосовуватись у генетиці людини, а які — ні.

Творче завдання. Простежте зв’язки між генетикою та біологічними науками, про які ви вже дізналися в попередніх класах.