Я ИДУ НА УРОК

Р.Б. РАЧКОВА,
учитель общеобразовательной негосударственной школы
«Образовательный центр ОАО Газпром»;
С.В. Ярцева,
методист ЮЗОУ г.Москвы

Введение в генетику человека, или
То, что я еще не знаю, но должен знать

Урок по курсу общей биологии, 10-й класс

Оборудование

Слайды (слайд-альбом «Цитология и генетика») и печатный материал на пленках по теме урока; слайд-проектор и кодоскоп.

Распечатки (ксерокопии) тестовых вопросов и бланки для ответов на них (см. приложение).

Таблицы, предназначенные для заполнения в ходе урока (см. ниже), должны быть заранее расчерчены в тетрадях учащихся.

I. Вводная часть

Мне необходимо разобраться самому, а чтобы разобраться самому, надо думать сообща.

Борис Васильев

Наследственность и изменчивость – всеобщие свойства живых организмов. Основные закономерности генетики имеют универсальное значение и в полной мере применимы к человеку. Однако человек как объект генетических исследований имеет свои специфические особенности. Отметим некоторые из них.

1. Невозможность отбора особей и проведения направленного скрещивания.
2. Малочисленность потомства.
3. Позднее половое созревание и редкая (25–30 лет) смена поколений.
4. Невозможность обеспечения одинаковых и контролируемых условий развития потомства.
5. На фенотип человека серьезно влияют не только биологические, но и социальные условия среды.

Формулируется вывод: изучение наследственности человека требует использования специальных методов исследования.

II. Основная часть

Предлагается быстро вспомнить значение следующих терминов, которые прозвучат на уроке: генетика; наследственность; хромосомы; ген; генотип; фенотип; кариотип; мутации; аутосомы; половые хромосомы; гетерогаметный пол; гомогаметный пол; аутосомно-доминантное наследование; аутосомно-рецессивное наследование; сцепленное с полом наследование.

Наследственность и изменчивость, которые изучает генетика, являются свойствами всего живого на Земле, в том числе и человека. Медицинская генетика как часть генетики человека имеет большое значение для практического здравоохранения, так как 4–5% людей в каждом поколении имеют генетически обусловленные отклонения в развитии. У человека известно около 2000 наследственных аномалий. Прогноз здоровья будущих детей волнует каждую молодую семью.

Родителей, обращающихся за советом в медико-генетическую консультацию, можно разделить на три основные группы: наиболее многочисленную образуют здоровые родители, уже имеющие детей с каким-либо дефектом развития или наследственным заболеванием, этих родителей интересует вероятность повторения наследственных болезней у последующих детей. Вторую, меньшую по численности, группу составляют родители, один из которых болен. К третьей группе относятся здоровые родители, имеющие родственников с дефектом развития или страдающих наследственным заболеванием. С вопросами о медико-генетическом прогнозе могут обращаться лица, состоящие в кровно-родственном браке, супруги, имеющие несоответствие по резус-фактору, и т.д.

Вспомним, что главные закономерности наследования признаков открыты с помощью гибридологического метода, разработанного Менделем. Этот метод легко применим к организмам, которые хорошо скрещиваются в искусственных условиях, дают многочисленное потомство, быстро достигают половой зрелости, имеют небольшое число групп сцепления, характеризуются незначительным модифицированием признаков под влиянием условий среды.

Но человек не отвечает практически ни одному из этих требований, а гибридологический метод для изучения его генетических особенностей по очевидным причинам использовать невозможно. Поэтому в генетике человека используются свои, отражающие специфику этой науки, методы –генеалогический, близнецовый, цитогенетический, биохимический, популяционно-статистический.

(Учащиеся зачитывают сообщения, подготовленные заранее. Доклады сопровождаются демонстрацией слайдов.)

Генеалогический метод

Изучение родословных – важный метод исследования закономерностей наследования признаков у человека. Он основан на анализе родословных людей, в семьях которых имеются наследственные заболевания. Этот метод дает возможность определить тип наследования, а именно аутосомный (доминантный или рецессивный) или сцепленный с полом.

Аутосомно-доминантный тип наследования

Классические примеры доминантного наследования – способность свертывать язык в трубочку и «свисающая» (свободная) мочка уха. Альтернативой последнему признаку является срощенная мочка – признак рецессивный. Еще одна наследственная аномалия у человека, обусловленная аутосомно-доминантным геном, – многопалость, или полидактилия. Она известна с глубокой древности. На картине Рафаэля «Сикстинская Мадонна» слева от Марии – папа римский Сикст II, на левой руке у него 5 пальцев, а на правой – 6. Отсюда и его имя: сикст это шесть.

Еще один подобный признак, обусловленный доминантными генами, – «габсбургская губа». Люди с этим признаком имеют выпяченную нижнюю губу и узкую выступающую нижнюю челюсть, их рот все время остается полуоткрытым. Название признака связано с тем, что он часто встречался у представителей династии Габсбургов.

Аутосомно-рецессивный тип наследования

У человека описано очень много не сцепленных с полом признаков, которые наследуются как рецессивные. Например, голубой цвет глаз проявляется у людей, гомозиготных по соответствующему аллелю. Рождение голубоглазого ребенка у родителей с карими глазами повторяет ситуацию анализирующего скрещивания – в этом случае ясно, что они гетерозиготны, т.е. несут оба аллеля, из которых внешне проявляется только доминантный. Признак рыжих волос, определяющий еще и характер пигментации кожи, также является рецессивным по отношению к нерыжим волосам и проявляется только в гомозиготном состоянии.

Признаки, сцепленные с полом

Признаки, гены которых расположены в Х-хромосоме, также могут быть доминантными или рецессивными. Однако гетерозиготность по таким признакам возможна только у женщин. Если какой-либо рецессивный признак присутствует у женщины только в одной из двух X-хромосом, то его проявление будет подавлено действием доминантного аллеля второй. У мужчин же, в клетках которых присутствует только одна X-хромосома, все связанные с ней признаки проявятся неизбежно.

Известным заболеванием, сцепленным с Х-хромосомой является гемофилия (несвертываемость крови). Ген гемофилии рецессивен по отношению к нормальному гену, поэтому это заболевание (гомозиготность по данному признаку) встречается у них крайне редко. У мужчин же, получивших ген гемофилии от здоровой матери-носительницы, развивается заболевание.

Первоначальной носительницей мутантного гена считается английская королева Виктория. Она сама и ее муж были здоровы. Никто из предков королевы Виктории не страдал гемофилией. Вероятно, мутация возникла в гамете одного из ее родителей.

Впоследствии ген гемофилии передавался из поколения в поколение по женской линии, распространяясь в первую очередь в узком «монаршьем» кругу, члены которого неизбежно должны были заключать браки между собой. В XIX в. гемофилию называли даже царской болезнью или болезнью королей, так часто она встречалась в царских семьях Европы. От нее умерли три испанских короля. Ею страдали ганноверские князья и царевич Алексей, сын последнего русского царя Николая II.

Цитогенетический метод

Цитогенетическим методом в генетике человека обычно называют анализ кариотипа (т.е. набора хромосом в клетках) в норме и патологии. В норме кариотип человека представлен 22 парами аутосом и парой половых хоромосом. Длина, форма и расположение центромеры хромосом каждой пары были в свое время описаны, и каждая пара получила свой номер. Графическое изображение набора хромосом называется идиограмма.

Для получения идиограмм клеток человека, обратившегося за консультацией, цитогенетики используют методы выращивания клеточной культуры и окраски хромосом. Сравнение такой идиограммы с нормальной позволяет точно выявлять аномалии хромосом. А число половых хромосом у человека можно установить, исследуя клетки в состоянии интерфазы.

В настоящее время в медицине применяют метод амниоцентеза – исследования клеток околоплодной жидкости, который позволяет обнаружить аномалии в числе и строении хромосом у плода уже на 16-й неделе беременности. Для этого берут пробу околоплодной жидкости путем пункции плодного пузыря.

Наиболее распространенными из таких аномалий являются различные проявления анеуплоидии (т.е. уменьшения или увеличения числа хромосом), а также появление хромосом с необычной структурой вследствие нарушений в процессе мейоза. Анеуплоидия и хромосомные перестройки являются цитогенетическими признаками многих болезней человека.

К таким болезням относятся, в частности, синдром Клайнфельтера, который встречается у одного из 400–600 новорожденных мальчиков. При этом заболевании половые хромосомы представлены набором ХХY. Синдром Клайнфельтера проявляется в недоразвитии первичных и вторичных половых признаков и искажении пропорций тела (высокий рост и непропорционально длинные конечности).

Другая аномалия – синдром Тернера, встречающийся у новорожденных девочек с частотой примерно 1:5000. У таких больных в клетках присутствует 45 хромосом, поскольку в их кариотипе половые хромосомы представлены не двумя, а только одной Х-хромосомой. Для таких больных также характерны многочисленные аномалии строения организма. Обе эти болезни – синдром Клайнфельтера и синдром Тернера – являются следствием нерасхождения половых хромосом при образовании гамет у родителей.

Хромосомные болезни могут быть вызваны и нерасхождением аутосом. Впервые связь между изменением хромосомного набора и резкими отклонениями от нормального развития была обнаружена при изучении синдрома Дауна (врожденной идиотии). Люди, страдающие этим заболеванием, имеют характерный разрез глаз, низкий рост, короткие и короткопалые руки и ноги, аномалии многих внутренних органов, специфическое выражение лица, для них характерна умственная отсталость. Изучение кариотипа таких больных показало наличие дополнительной, т.е. третьей, хромосомы в 21-й паре (так называемая трисомия). Причина трисомии связана с нерасхождением хромосом в ходе мейоза у женщин.

Дети с синдромом Дауна рождаются довольно часто – один на 500–600 новорожденных. Важно отметить, что существует четкая зависимость между частотой рождения детей с синдромом Дауна и возрастом матери – после 35–40 лет частота рождения больных детей повышается.

Дети с трисомией по другим хромосомам рождаются очень редко, так как такие аномалии вызывают гибель эмбрионов на ранних этапах развития. Доказано, что 60% самопроизвольных абортов связаны с хромосомными нарушениями у плода.

Причиной наследственных заболеваний могут стать и другие виды хромосомных перестроек – транслокации, делеции и т.д. Их возникновение может быть связано с воздействием ионизирующих излучений, некоторых химических веществ и других мутагенных факторов.

Биохимические методы

В последние годы показано, что очень многие патологические состояния у человека связаны с нарушениями обмена веществ, вызванными изменением структуры соответствующих генов и таким образом передающихся по наследству. Так, известны аномалии углеводного, аминокислотного и других типов обмена. В этих случаях больному вводят недостающие ферменты или гормоны либо исключают из рациона продукты, которые не могут усваиваться вследствие отсутствия в организме необходимых ферментов. Например, сахарный диабет характеризуется повышением концентрации глюкозы в крови вследствие отсутствия инсулина – гормона поджелудочной железы. Это заболевание вызывается рецессивным геном. Его лечат введением в организм инсулина, который в настоящее время производится в промышленных масштабах генно-инженерными методами. Однако введение инсулина лечением в полном смысле, конечно, не является. Оно позволяет нейтрализовать фенотипическое проявление «вредного» гена, но не «исправляет» сам ген. Стоит прекратить введение инсулина, и симптомы болезни возвратятся, а кроме того, больной человек может передать этот ген своим потомкам.

На упаковках с жевательной резинкой часто пишут о наличии фенилаланина. Для чего это делается? Данное предупреждение адресовано больным фенилкетонурией. Это тяжелый наследственный недуг, при котором больной не переносит аминокислоту фенилаланин, поскольку у него отсутствует фермент, превращающий ее в другую аминокислоту – тирозин. В результате этого в организме накапливается избыток фенилаланина, содержание которого иногда в 50–100 раз превышает норму. В таких количествах эта аминокислота вредна для детского мозга и быстро приводит к тяжелому слабоумию. К счастью, это редкое заболевание – в течение года в Москве рождается около 10 детей с этой болезнью. Больные фенилкетонурией должны строго соблюдать диету и не употреблять продукты, содержащие фенилаланин или вещества, из которых он может образоваться в организме.

Изменение в строении гемоглобина, осуществляющего в организме транспорт кислорода, лежит в основе другого наследственного заболевания – серповидноклеточной анемии. При этой болезни эритроциты имеют серповидную форму, а гемоглобин в таких клетках не способен присоединять нужное количество кислорода. Эта болезнь протекает довольно тяжело и обычно приводит к смертельному исходу. Однако присутствие этого гена в гетерозиготном состоянии значительно повышает устойчивость организма человека к возбудителю малярии. В тех районах, где малярия распространена очень широко (например, в тропической Африке), смертность от нее (в случае гомозиготности по доминантному признаку) и смертность от серповидноклеточной анемии (в случае гомозиготности по рецессивному аллелю) примерно уравнивают друг друга и поэтому число гетрозиготных носителей «вредного» аллеля сохраняется на довольно высоком уровне – 30–40%.

Близнецовый метод

Близнецы составляют около 2% всех новорожденных. Близнецы бывают двух типов. Дизиготные, или разнояйцевые, развиваются из двух разных яйцеклеток, оплодотворенных разными сперматозоидами. Такие близнецы могут быть как одного, так и разного пола. Разнояйцевые близнецы генетически сходны не больше, чем обычные братья и сестры. Частота рождения разнояйцевых близнецов зависит от возраста матери, ее генотипа и факторов внешней среды.

Но иногда единственная оплодотворенная клетка (зигота) после первого деления распадается на две отдельные клетки. Каждая из них начинает дробиться самостоятельно, и в итоге развиваются два идентичных организма, имеющих одинаковый генотип, – монозиготные, или однояйцевые, близнецы. Сходство таких близнецов очень велико, так как они имеют один и тот же генотип. Разумеется, однояйцевые близнецы всегда одного пола.

Близнецовый метод заключается в исследовании проявления признаков у однояйцевых близнецов, а также определения влияния среды на формирование их фенотипов. Проявление изучаемого признака у обоих близнецов называется конкордантностью, проявление признака только у одного из них – дискордантностью. Для получения точной оценки степени конкордантности необходимо изучить многие сотни пар близнецов.

Близнецовый метод подтверждает, что такие признаки, как группа крови, цвет глаз и волос, почти полностью определяются генетически, а среда практически не влияет на степень их проявления. В то же время оказывается, что роль наследственных факторов велика и в таких аспектах, как развитие у детей туберкулеза и рахита. А вот в возникновении косолапости доля наследственности, напротив, очень невелика.

Иммуногенетические методы

Важным разделом медицинской генетики является иммуногенетика, в частности, генетика групп крови. В настоящее время известно множество основных систем групп крови. Из них наиболее изучены системы АВ0 и резус. Для примера рассмотрим систему крови «резус». В генотипе человека есть доминантный ген, определяющий образование в организме особого белка, называемого резус-фактором. Человек, гомозиготный (Rh+ Rh+) или гетерозиготный (Rh+ rh–) по данному признаку, является резус-положительным, т.е. имеет этот белок в крови. А в случае гомозиготности по рецессивному аллелю (rh– rh–) резус-фактор в крови отсутствует. И если он попадает в кровь такого человека (при переливании крови или беременности), в его организме развивается защитная реакция – как на любой чужеродный белок, и образуются специфические антитела. Статистика показывает, что среди европейцев примерно 85% людей резус-положительные и только 15% резус-отрицательные.

В браках резус-отрицательных женщин (генотип rh– rh–) с резус-положительными гомозиготными мужчинами (генотип Rh+ Rh+) вследствие доминирования резус-положительности плод (генотип Rh+ rh–) является резус-положительным и выделяет резус-фактор, против которого в организме матери вырабатываются антитела, в свою очередь разрушающие кроветворную систему плода. В результате во время беременности страдает как организм матери, так и организм плода.

Аналогичная ситуация может возникнуть и в браке резус-отрицательной женщины с резус-положительным мужчиной, гетерозиготным по этому признаку (генотип Rh+ rh–). Однако в этом случае вероятность резус-конфликта снижается вдвое, т.к. плод может оказаться резус-отрицательным (генотип rh– rh–), и тогда конфликт с организмом матери не возникает.

Помимо вероятности возникновения самой ситуации резус-конфликта, определяемой исключительно генотипами родителей, важное значение имеет и степень тяжести развивающейся реакции. В некоторых случаях резус-конфликт протекает почти незаметно, в других может стать причиной гибели ребенка. Обычно более тяжелые последствия наблюдаются при второй и последующих беременностях.

В настоящее время для лечения желтухи новорожденных, вызванной резус-конфликтом, после рождения ребенку проводят полное переливание крови.

Популяционно-статистический метод

Этот метод применяют для изучения генетической структуры популяций человека или отдельных семей. Он позволяет определить частоту отдельных генов в популяциях.

Подавляющее большинство рецессивных аллелей присутствует в популяции в скрытом гетерозиготном состоянии. Так, альбиносы рождаются с частотой 1:20 000, но один из каждых 70 жителей европейских стран гетерозиготен по данному аллелю.

Если ген находится в половой хромосоме, то наблюдается иная картина: у мужчин частота гомозиготных рецессивов довольно высока. Так, в популяции москвичей в 1930-е гг. присутствовало 7% мужчин-дальтоников и 0,5% (гомозиготные рецессивы) женщин-дальтоников.

В популяциях человека проведены очень интересные исследования групп крови. Есть предположение, что на их распределение в различных районах земного шара оказали влияние эпидемии чумы и оспы. Наименее устойчивыми к чуме оказались люди I группы крови (00); наоборот, вирус оспы чаще всего поражает носителей II группы (АА, А0). Чума особенно свирепствовала в таких странах, как Индия, Монголия, Китай, Египет, и поэтому там происходила «выбраковка» аллеля 0 в результате повышенной смертности от чумы людей с I группой крови. Эпидемии оспы охватывали главным образом Индию, Аравию, тропическую Африку, а после прихода европейцев – и Америку.

В странах распространения малярии, как вы уже знаете, (Средиземноморье, Африка), наблюдается высокая частота гена, вызывающего серповидноклеточную анемию.

Имеются данные о том, что отрицательный резус реже встречается в популяциях, живущих в условиях сильного распространения различных инфекционных заболеваний, в том числе малярии. А в популяциях, живущих в высокогорных и других районах, где инфекции – редкое явление, наблюдается повышенный процент резус-отрицательных людей.

Популяционный метод дает возможность изучить генетическую структуру популяций человека, выявить связь между отдельными популяциями, а также проливает свет на историю распространения человека по планете.

В исследованиях, проводимых в рамках популяционно-статистического метода, ученые опираются на сформулированный в 1908 г. математиком Харди и врачом Вайнбергом закон генетической стабильности популяции. Этот закон гласит, что при отсутствии сильных мутагенных факторов и направленного действия отбора соотношение аллелей каждого гена в генофонде замкнутой популяции не меняется в ряду поколений. Если же это соотношение меняется, скорее всего, имели место миграционные процессы и «вливание» в популяцию новых членов.

(По ходу урока учащиеся заполняют в тетради таблицу.)

ПРИЛОЖЕНИЕ

1-й вариант

1. Основными трудностями в изучении наследственности человека являются:

а) неприменимость генетических законов к человеку;
б) позднее половое созревание;
в) невозможность направленных скрещиваний;
г) малочисленное потомство.

2. Основным путем предотвращения наследственных заболеваний является:

а) реабилитация;
б) лечение;
в) установление причин;
г) медико-генетическое консультирование.

3. Установить доминантность или рецессивность признака, сцепленность его с другими признаками или с полом, позволяет метод:

а) цитогенетический;
б) генеалогический;
в) биохимический;
г) близнецовый.

4. Цитогенетический метод позволяет:

а) установить характер наследования разных генов;
б) изучить наследственно обусловленные нарушения обмена веществ;
в) диагностировать наследственные заболевания, обусловленные хромосомными мутациями;
г) выявить фенотипическое проявление признаков, обусловленное условиями среды.

5. Метод, используемый для изучения роли среды в формировании у человека различных психических и физических качеств:

а) цитогенетический;
б) генеалогический;
в) биохимический;
г) близнецовый.

6. При вступлении в брак резус-отрицательной женщины и резус-положительного мужчины резус-конфликт вызывается тем, что:

а) организм матери вырабатывает антитела;
б) плод наследует резус-отрицательную кровь;
в) плод выделяет антигены;
г) плод наследует резус-положительную кровь.

7. При популяционно-статистическом методе изучения наследственности человека исследуют:

а) родословную семьи;
б) распространение признака в большой популяции людей;
в) хромосомный набор и отдельные хромосомы;
г) развитие признаков у близнецов.

2-й вариант

1. К методам изучения наследственности человека не относятся:

а) близнецовый;
б) популяционно-статистический;
в) прямой эксперимент;
г) генеалогический метод.

2. Основным путем предотвращения наследственных заболеваний является:

а) прием витаминов;
б) медико-генетическое консультирование;
в) хирургическая операция;
г) профилактика инфекций.

3. Некоторые заболевания человека выявляют по наличию в крови избытка или недостатка определенных веществ.

Этот метод генетики называют:

а) генеалогическим;
б) близнецовым;
в) биохимическим;
г) цитогенетическим.

4. Признак, который не сцеплен с полом, – это:

а) дальтонизм;
б) гемофилия;
в) цвет волос.

5. Цитогенетический метод основан на изучении:

а) количества и структуры хромосом;
б) родословных;
в) особенностей обмена веществ.

6. При вступлении в брак резус-отрицательной женщины и резус-положительного мужчины возникает резус-конфликт. Укажите последовательность происходящих при этом событий:

а) плод выделяет в кровеносную систему матери антигены;
б) плод наследует резус-положительную кровь;
в) материнские антитела разрушают эритроциты
плода;
г) в организме матери вырабатываются антитела.

7. Наследственные с генетической точки зрения заболевания человека – это:

а) модификационные изменения;
б) изменения фенотипа, не связанные с изменениями генотипа;
в) мутации;
г) реакции на изменение среды обитания, не зависящие от генотипа.

3-й вариант

1. Можно ли утверждать, что основными трудностями в изучении наследственности человека являются:

а) неприменимость генетических законов к человеку;
б) невозможность проведения прямых экспериментов;
в) сложность контроля за развитием потомков от разных браков;
г) сравнительно большое число хромосом.

2. С помощью цитогенетического метода изучения наследственности человека исследуют:

а) родословную семьи;
б) распространение признака в большой популяции людей;
в) хромосомный набор и отдельные хромосомы;
г) развитие признаков у близнецов.

3. Метод окрашивания и изучения под микроскопом хромосом называется:

а) цитогенетический;
б) генеалогический;
в) близнецовый;
г) биохимический.

4. Совокупность всех генов организма – это:

а) фенотип;
б) генотип;
в) кариотип.

5. В результате изменения последовательности расположения нуклеотидов в молекуле ДНК возникают:

а) генные мутации;
б) хромосомные мутации;
в) соматические мутации;
г) различные модификации.

6. Гемофилия, ген которой расположен в половых хромосомах, чаще проявляется у мужчин, так как этот ген находится в:

а) Y-хромосоме, а гемофилия – это рецессивный признак;
б) Х-хромосоме, а гемофилия – это рецессивный признак;
в) Y-хромосоме, а гемофилия – это доминантный признак;
г) Х-хромосоме, а гемофилия – это доминантный признак.

7. Причинами врожденных аномалий могут быть:

а) алкоголизм;
б) прием лекарств во время беременности;
в) высокий радиационный фон;
г) наркомания.

Литература

1. Кемп П., Арме К. Введение в биологию. – М.: Мир, 1994.
2. Рувинский А.О. Общая биология. – М.: Просвещение, 1993.
3. Беляев Д.К. Общая биология. – М.: Просвещение, 1999.
4. Лернер Г.И. Общая биология. Поурочные тесты и задания. – М.: Аквариум, 1998.
5. Мягкова А.Н., Калинова Г.С., Резникова В.З. Зачеты по общей биологии. – М.: Лист, 1999.
6. Никитин Ю.П. и др. Клинико-генеалогический метод в медицинской генетике. – М.: Наука, 1993.
7. Давиденкова Е.Ф. Клиническая генетика. – М.: Медицина, 1990.
8. Муртазин Г.М. Задачи и упражнения по общей биологии. – М.: Просвещение, 1981.

 

Рейтинг@Mail.ru
Рейтинг@Mail.ru