Термины и понятия: методы (гибридологический, цитогенетический, генеалогический, близнецовый, метод исследования патологии обмена веществ, дерматоглифический); молекулярно-генетические методы, рестриктаза, амплификация, геномика.
Объекты генетических исследований. Для исследования генетического аппарата живых существ используют специальные методы. Иногда исследователям приходится просто наблюдать за организмами, иногда — вторгаться в самые тонкие молекулярные структуры клетки. Поэтому, прежде всего, нужны подходящие для этого объекты. Все объекты генетических исследований, на которых, как на моделях, изучают основные закономерности наследственности и изменчивости, должны отвечать определённым требованиям: лёгкое получение из природы; свободное культивирование; многочисленное потомство; короткий репродуктивный период.
Таким требованиям среди прокариотов лучше всего отвечают кишечная палочка (рис. 23), среди зукариотов — дрозофила. Конечно, генетические исследования проводятся на всех живых организмах, но в качестве лабораторных объектов чаще всего используют эти два вида. Именно им наука обязана самыми большими открытиями в области генетики.
Методы исследований в генетике. Наверное, главнейшим методом генетических исследований является гибридологический метод, или метод скрещивания. Именно он позволил Г. Менделю заложить основы генетики. И сегодня этот метод успешно используется учёными в генетических исследованиях. Суть его проста. Сначала проводятся скрещивания организмов, имеющих признак, интересующий исследователя, потом у полученного потомства изучают закономерности наследования этого признака. С помощью гибридологического метода можно установить, каким образом наследуется тот или иной признак.
Рис.23.Электронно-микроскопическое изображение кишечной палочки.
Цитогенетический метод — более современный метод генетических исследований. Для его применения необходимы световой микроскоп с высокой разрешающей способностью (приходится изучать структуры, находящиеся в ядре), специальное оборудование и технические приборы. Сущность цитогенетического метода — это, прежде всего, изучение числа, формы и размеров хромосом. Хромосомные параметры, как правило, уникальны для каждого вида животных и растений (рис. 24).
В каждой соматической клетке человека содержится 23 пары хромосом. В современных лабораториях для цитогенетического исследования берут мазок периферической крови («анализ крови из пальца») и выделяют лейкоциты, которые помещают в специальную среду. Хромосомы становятся видимыми под световым микроскопом только во время клеточных делений, поэтому добавлением специальных веществ стимулируют деление лейкоцитов. После того как клетки начинают готовиться к делению, в среду добавляют другое вещество, которое останавливает процесс деления клеток на определённой стадии. Потом используют специальный краситель, делающий хромосомы заметными. Исследователь подсчитывает число хромосом, по специальным признакам определяет, какой паре принадлежит та или иная хромосома, и таким образом делает вывод о структуре и числе хромосом в наборе.
Цитогенетический метод широко применяют в медицине для выявления причин ряда заболеваний человека, связанных с нарушением числа хромосом, поломками или изменениями структуры некоторых из них.
Генеалогический метод ещё называют методом родословных. Его суть состоит в изучении изменения любого признака в ряду поколений подопытного организма. Для этого следует изучить как можно больше его родственников, составить родословную, в которой отметить всех, имеющих анализируемый признак.
Задолго до появления генетики этим методом пользовались люди, особенно тщательно заботившиеся о получении здоровых и успешных потомков. В династиях египетских фараонов и европейских королей тщательно изучали родословные, записывали рождение каждого ребёнка в специальные книги. Да и многие другие семьи составляли родословные и знали свой род намного дальше, чем современные семьи, где, как правило, знают своих предков не далее прабабушек и прадедушек.
Рис. 24. Так выглядят кариотипы: а — речного рака; б — малярийного комара; в — домашней кошки; г — курицы; д — лошади во время метафазы митоза.
Изучая родословную, можно с той или иной вероятностью предусмотреть появление больного ребёнка, предугадать, какую внешность будут иметь потомки, даже то, какие черты характера унаследует ребёнок от своих предков. При генеалогическом методе исследований изучают как патологические признаки и болезни, так и наследование обычных признаков, например, внешности человека: цвет глаз, курчавость волос, форма носа и так далее.
Известно, что многие представители королевской династии Габсбургов имели довольно большой нос с горбинкой и выпяченную нижнюю губу. Одной из представительниц этого королевского дома была королева Франции Анна Австрийская, описанная А. Дюма в «Трёх мушкетёрах»:
«Анне Австрийской было в то время лет двадцать шесть или двадцать семь, и она находилась в полном расцвете своей красоты. У неё была походка королевы или богини. Отливавшие изумрудом глаза казались совершенством красоты, были полны нежности и в то же время величия. Маленький ярко-алый рот не портила даже нижняя губа, слегка выпяченная, как у всех отпрысков австрийского королевского дома...». Описанная автором нижняя губа королевы - генетический признак, наследование которого изучено генеалогическим методом на примере родословной Габсбургов.
Рис. 25. Обозначения при составлении родословной.
Название собачьего корма «Педигри» происходит от английского слова "pedigree" (породистый, племенной), которое в свою очередь происходит От французского «pie de grue», что означает «отпечаток ноги журавля». Этот отпечаток напоминает линии, расходящиеся на генеалогическом древе. Tаким образом, слово педигри является термином, которым в генетике животных обозначают понятие «родословная». При построении родословных используют и другие термины: того, для кого составляют родословную, то есть главного исследуемого, называют пробандом, его родных братьев и сестёр — сибсами, браки между родственниками — инбридингом (рис. 25).
Интересным примером генеалогического метода как способа изучения механизма наследования генетической болезни может служить родословная последнего представителя Российского царского дома царевича Алексея Романова. Как известно, мальчик страдал гемофилией - редчайшим генетическим заболеванием, при котором кровь не сворачивается и не образует тромба, закупоривающего рану. Исследователи, изучавшие родословную царской семьи, определили, что фатальный ген Алексей получил от своей прабабки, английской королевы Виктории, которая, не будучи больной, носила в своём генотипе гены, вызывающие гемофилию. Эти гены Виктория передала одному из своих сыновей, некоторым внукам и правнукам, в том числе и российскому царевичу.
Близнецовый метод. Суть этого метода состоит в наблюдении за однояйцевыми (монозиготными) близнецами (рис. 26). Напомним, что появление таких близнецов возможно в том случае, когда на первых этапах деления зигота распадается на две или больше частей, из которых развиваются самостоятельные организмы. Все эти организмы имеют одинаковый генетический аппарат, то есть их можно назвать клонами. Сравнивая близнецов, изучают сходства и отличия генетически обусловленных признаков, таких, как: цвет глаз, кожи и волос, форма рта, носа, губ и ушных раковин, родимые пятна, рисунок кожных узоров на пальцах и ладонях. Кроме того, метод включает анализ состояния здоровья и течения разных заболеваний. Изучая близнецов, можно определить, как окружающая среда влияет на организм, какие изменения вызывают условия жизни, ведь генетические наборы близнецов одинаковы, и все отличия в строении их тел, характерах, состоянии здоровья объясняются исключительно влиянием внешней среды.
Эти четыре метода — классические методы генетических исследований. В последнее время применяют ещё и другие методы.
Метод исследования патологии обмена веществ используют для массовых обследований людей, среди которых необходимо выявить страдающих наследственными нарушениями обмена веществ. Во всём мире в первые дни жизни у новорождённых детей берут мазок крови из большого пальца ноги. С помощью специальных химических реактивов определяют, нет ли у ребёнка такого наследственного нарушения обмена веществ, как фенил- кетонурия — заболевания, связанного с неправильным обменом аминокислот, сопровождающегося накоплением фенилаланина и его токсичных продуктов. Следствием фенилкетонурии может стать тяжёлое поражение организма и умственная отсталость. Эту наследственную болезнь необходимо диагностировать на самых ранних сроках жизни, потому что при соблюдении специальной диеты (продукты практически не должны содержать фенилаланина) ребёнок вырастает практически здоровым: генетический дефект остаётся, но внешне болезнь не проявляется и позволяет человеку вести нормальный образ жизни.
Рис. 26. Монозиготные близнецы: попробуйте найти между ними отличия.
Дерматоглифический метод — метод исследования отпечатков ладоней. Как известно, каждый человек имеет чётко индивидуальный характер рисунка на кончиках пальцев и ладонях. Все знают о том, что отпечатки пальцев исследуют в криминалистике, но немногим известно, что дерматоглифический метод применяют и для генетических исследований. Дело в том, что у больных с наследственными хромосомными патологиями кожный рисунок ладоней имеет свои особенности. Обследуя родителей, можно заподозрить такую же болезнь и у их детей (рис. 27).
Сам метод очень простой: на поверхность стеклянной пластинки наносят чёрную типографскую краску. Человек прижимает ладони к этой пластинке и затем делает отпечатки ладоней на листе бумаги. Специалист изучает оттиски ладоней через увеличительное стекло, оценивая их специфические признаки.
Молекулярно-генетические методы исследований стали достижением биологической науки второй половины XX ст. Они позволяют изучить саму структуру ДНК, определить сходства и отличия ДНК разных организмов, их участков, найти повреждения в структуре ДНК и даже расшифровать первичную последовательность оснований в ДНК или РНК. Молекулярно генетические исследования — это разнообразные методы и методики. Общим для всех их является, во-первых, выделение образца ДНК исследуемого организма и, во-вторых, использование генноинженерных технологий. Для получения ДНК берут любые клетки, которые содержат ядра. Чаще всего у человека — это лейкоциты крови, клетки слизистой оболочки рта (для их получения достаточно легко провести шпателем по внутренней поверхности щеки) или, если изучается геном эмбриона, — околоплодная жидкость.
Рис. 27. По расположению основных дерматоглифических линий на ладонях человека можно определить носителей наследственных болезней.
Преимущество молекулярно-генетических методов в том, что для их проведения необходимо совсем незначительное количество материала. Изучить ДНК организма можно по одному единственному волосу, ничтожному мазку крови, малюсенькому кусочку кожи или кости.
Для проведения молекулярно-генетических исследований почти всегда используют только небольшой фрагмент ДНК, содержащий интересующие гены. Для получения такого фрагмента применяют специальные ферменты рестриктазы (от лат. рестрикций — ограничение). Их особенностью является то, что они режут молекулу ДНК в строго определённом месте. Используя наборы разных рестриктаз, удаётся вырезать из молекулы ДНК нужные фрагменты небольшого размера.
Следующий этап — увеличение количества полученных фрагментов ДНК. Это возможно благодаря способности молекулы ДНК к самоудвоению. Увеличение копий ДНК называют амплификацией (от лат. амплификацио — усиление, увеличение).
В живом организме амплификация — естественный процесс репликации ДНК, а в лабораторных условиях его подменяет специальная методика — полимеразная цепная реакция (ПЦР). Полученная ДНК является материалом для исследований.
Современные молекулярно-генетические методы позволяют с наивысшей точностью установить родственные отношения двух особей, в том числе и давно умерших людей, если доступны их биологические материалы (кости, волосы). Суть методики проста: сравнивая определённые участки ДНК разных людей, определяют степень сходства последовательности нуклеотидов этих участков. Именно так были идентифицированы члены погибшей семьи последнего российского императора Николая II.
Молекулярно-генетические методы, благодаря их большой точности, используют в судебной медицине, например, метод «генетических отпечатков пальцев». Из минимального количества биологического материала, найденного на месте преступления (крови, слюны, волос, спермы), выделяют ДНК и расщепляют её на фрагменты. Эти фрагменты разделяют в специальных носителях, получая картинку расположения полос, которую и называют генетическими отпечатками пальцев. Она уникальна для каждого человека, совпадая только у однояйцевых близнецов. Ведь каждый человек по нюансам нуклеотидных последовательностей, как и по папиллярным узорам, уникален. «Генетические отпечатки пальцев» вносят в специальную базу и точно так же, как настоящие отпечатки пальцев сравнивают с «генетическими отпечатками пальцев» подозреваемого. Этот метод также позволяет установить отцовство - у родителей и детей отпечатки в определённой степени похожи.
Изучением ДНК организма в целом занимается наука геномика. Проект «Геном человека», стартовавший в 1990 году и ещё не завершённый, стал одной из самых грандиозных научных программ. Главная цель этого проекта — определить последовательности нуклеотидов ДНК человека (табл. 1).
Таблица 1
Степень сходства геномов человека и живых организмов других видов
|
Сравниваемые виды |
Степень сходства геномов |
|
Человек — человек |
99,9 % |
|
Человек — шимпанзе |
98,7 % |
|
Человек — горилла |
98,38 % |
|
Человек — собака |
95% |
|
Человек— круглый червь |
74% |
|
Человек — банан |
50% |
|
Человек — нарцисс |
35% |
В современной генетике применяют большое количество методов исследований, однако основным как был, так и остаётся гибридологический метод. Именно он позволяет наблюдать, каким образом наследуются признаки.
Современные генетики широко пользуются физическими и химическими методами в молекулярных исследованиях, позволяющих изучить тонкую структуру генетического аппарата организмов. Результаты генетических исследований используются в медицине, зоологии, ботанике, эволюционной биологии, криминалистике, селекции пород животных и сортов растений, биотехнологиях.
Проверьте себя
1. Каким должен быть модельный объект генетических исследований?
2. Какой метод генетических исследований стал основой нового направления развития биологии как науки? 3. Почему гибридологический метод остаётся основным методом генетических исследований со времён Менделя до наших дней? 4. В каких сферах жизни можно использовать результаты генетических исследований?
Как вы считаете?
1. Можно ли найти что-либо общее в методах генетических исследований? 2. Представьте себе генетику будущего. Какие новые методы генетических исследований могут появиться?