РОЗДІЛ І РОЗМНОЖЕННЯ
ТЕМА 2. ЗАКОНОМІРНОСТІ СПАДКОВОСТІ
§ 6. МЕТОДИ ГЕНЕТИЧНИХ ДОСЛІДЖЕНЬ
Які об’єкти найкращі для генетичних досліджень. Для вивчення генетичного апарату живих істот використовують спеціальні методи. Іноді дослідники просто спостерігають за організмами, іноді – вторгаються у найтонші молекулярні структури клітини. Для цього необхідні відповідні об’єкти. Усі об’єкти генетичних досліджень, на яких, як на моделях, вивчають основні закономірності спадковості та мінливості, мають відповідати певним вимогам:
Таким вимогам найкраще серед прокаріотів відповідає бактерія кишкова паличка (мал. 23), а серед еукаріотів – дрозофіла. Звичайно, генетичні дослідження проводяться і на інших видах живих організмів, але для
Мал. 23. Електронно-мікроскопічне зображення кишкової палички.
Мал. 24. Так виглядають каріотипи: а – річкового рака; б – малярійного комара; в – кота; г – курки; г – коня під час метафази мітозу.
Лабораторних
Методи досліджень у генетиці. Мабуть, найголовнішим методом генетичних досліджень є гібридологічний метод, або метод схрещування. Саме він дав змогу Г. Менделю закласти основи генетики, які й сьогодні успішно використовуються вченими у генетичних дослідженнях. Суть методу проста: проводять схрещування організмів, які володіють ознаками, що цікавлять дослідника, а потім вивчають закономірності спадкування цих ознак отриманим потомством. За допомогою гібридологічного методу можна встановити головне: яким чином успадковується та чи інша ознака.
Цитогенетичний метод є більш сучасним методом генетичних досліджень. Для його застосування насамперед необхідні світловий мікроскоп з високою роздільною здатністю (адже доводиться вивчати структури, що містяться в ядрі) та спеціальне устаткування й технічні прилади. Сутність цитогенетичного методу – вивчення функціонування, кількості, форми і розмірів хромосом. Причому ці хромосомні параметри, як правило, унікальні для кожного виду тварин і рослин (мал. 24).
У кожній соматичній клітині людини міститься 23 пари хромосом. У сучасних лабораторіях для цитогенетичного дослідження беруть мазок периферичної крові (“аналіз крові з пальця”), виділяють лейкоцити, які вміщують у спеціальне середовище. Хромосоми стають видимими у світловому мікроскопі тільки під час клітинних поділів, тому додаванням спеціальних речовин стимулюють поділ лейкоцитів. Щойно клітини починають готуватися до поділу, у зазначене середовище додають іншу речовину, яка зупиняє процес поділу клітин на певній стадії. Потім додають спеціальний барвник. Хромосоми стають видимими. Дослідник підраховує кількість хромосом, за спеціальними ознаками визначає, до якої пари належить та або інша хромосома, й робить висновок про структуру і кількість хромосом у наборі.
Цитогенетичний метод широко застосовують у медицині для виявлення причин ряду захворювань людини, оскільки іноді хвороби спричиняються порушенням кількості хромосом або поломками чи змінами структури окремих з них.
Суть генеалогічного методу, який називають також методом родоводів, полягає у вивченні зміни будь-якої ознаки в ряді поколінь піддослідного. Для цього потрібно обстежити якнайбільше членів його родини і скласти родовід, у якому позначити всіх, хто володіє досліджуваною ознакою.
Задовго до появи генетики цей метод використовували люди, котрі особливо піклувалися про одержання здорових і успішних нащадків. Зокрема, родоводи складали у родинах єгипетських фараонів і європейських королів. Ретельно вивчаючи їх, записували народження кожної дитини у спеціальні книги. Та й багато інших сімей складали родоводи й знали свій рід набагато глибше, ніж сучасні родини, де, як правило, знають своїх родичів не далі прабаби й прадіда.
Вивчаючи родовід, можна з тією чи іншою імовірністю передбачити появу хворої дитини, вгадати, яку зовнішність матимуть нащадки, навіть те, які риси характеру успадкує дитина від своїх предків. За допомогою генеалогічного методу досліджень вивчають як патологічні ознаки, хвороби, так і спадкування звичайних ознак, наприклад, зовнішності людини: колір очей, кучерявість волосся, форма носа тощо.
Відомо, що багато представників королівської династії Габсбургів мали досить великий ніс із горбочком і випнуту нижню губу. Однією з представниць цього королівського дому є королева Франції Анна Австрійська, описана О. Дюма в романі “Три мушкетери”: “Анні Австрійській було на той час років двадцять шість або двадцять сім, і вона перебувала у повному розквіті своєї краси. У неї була хода королеви або богині. Очі, що відливали смарагдом, підкреслювали досконалість краси, були сповнені ніжності й у той самий час величі. Маленький яскраво-червоний рот не псувала навіть нижня губа, злегка випнута, як у всіх нащадків австрійського королівського дому”. Описана автором нижня губа королеви – генетична ознака, спадкування якої вивчене генеалогічним методом на прикладі родоводу Габсбургів.
Назва собачого корму “Педігрі” походить від англійського слова “pedigree” – породистий, племінний, яке, в свою чергу, походить від французького “pie de grue”, що означає “відбиток ноги журавля”, який нагадує лінії, що розходяться на генеалогічному дереві. Тому слово педігрі є терміном, що в генетиці тварин позначає поняття родовід. При побудові родоводів використовуються й інші терміни. Того, для кого будується родовід (головного досліджуваного), називають пробандом, його рідних братів і сестер – сибсами, шлюби між родичами – інбридингом (мал. 25).
Цікавим прикладом генеалогічного методу як засобу вивчення механізму успадкування генетичної хвороби може бути родовід останнього представника Російського царського дому царевича Олексія Романова. Як відомо, хлопчик страждав гемофілією – рідкісним генетичним захворюванням, за якого кров не згортається й не утворює тромбів, що закупорюють рани. Дослідники, які вивчали родовід царської родини, визначили, що фатальний ген царевич Олексій дістав від своєї прабабусі, англійської королеви Вікторії. Не будучи хворою, вона мала у своєму генотипі, тобто сукупності генів організму, гени, що провокують це захворювання. Ці гени Вікторія передала одному із своїх синів, деяким своїм онукам і правнукам, у тому числі й російському царевичу.
Мал. 25. Позначення при складанні родоводу.
Близнюковий метод. Суть цього методу полягає у спостереженні за однояйцевими (гомогаметними) близнюками (мал. 26). Ви пам’ятаєте, що поява таких близнюків можлива, коли на перших етапах поділу зигота розпадається на дві або більше частин і з кожної такої частини розвивається самостійний організм. Усі ці організми мають однаковий генетичний апарат, тобто їх можна назвати клонами. Під час порівняння близнюків вивчають подібність і відмінність генетично зумовлених ознак: кольору очей і шкіри, форми і кольору волосся, форми рота, носа, губів, вушних раковин, родинних плям, малюнку шкірних візерунків на пальцях і долонях. Крім того, метод включає аналіз здоров’я пацієнтів, перебігу у них різних захворювань. Вивчаючи близнюків, можна визначити, як навколишнє середовище впливає на організм, які зміни викликають умови життя: за однакових генетичних наборів усі відмінності у будові тіл, характерах, здоров’ї таких пацієнтів викликані винятково впливом довкілля.
Описані чотири методи – класичні методи генетичних досліджень. Останнім часом застосовують й інші методи.
Мал. 26. Монозиготні близнюки: спробуйте знайти між ними відмінності.
Мал. 27. За розташуванням основних дерматогліфічних ліній на долонях людини можна визначити носіїв спадкових хвороб.
Метод дослідження патології обміну речовин використовують для масових обстежень людей, серед яких потрібно виявити тих, хто страждає на спадкові порушення обміну речовин. У всьому світі в перші дні життя у новонароджених дітей беруть мазок крові з великого пальця ноги. За допомогою спеціальних хімічних реактивів визначають, чи немає в дитини фенілкетонурії – спадкової хвороби, пов’язаної з порушенням обміну амінокислот, що супроводжується накопиченням фенілаланіну та його токсичних продуктів. Наслідком фенілкетонурії може бути тяжке ураження організму і розумова відсталість. Цю спадкову хворобу необхідно діагностувати якомога раніше, оскільки в разі дотримання спеціальної дієти (продукти не повинні містити фенілаланіну) дитина виростає практично здоровою. Тобто генетичний дефект залишається, але зовні хвороба не проявляється, й людина веде нормальний спосіб життя.
Дерматогліфічний метод – метод дослідження відбитків долонь. Як відомо, кожна людина має чітко індивідуальний характер малюнка на кінчиках пальців і долонях. Усі знають, що відбитки пальців досліджують у криміналістиці, але не всім відомо, що дерматогліфічний метод застосовують й у генетичних дослідженнях. Справа в тому, що шкірний малюнок долонь має своєрідні відмінності у хворих із спадковими хромосомними патологіями. Обстежуючи батьків, можна запідозрити таку саму хворобу і в їхніх дітей (мал. 27).
Метод дуже простий: на поверхню скляної пластинки наносять чорну друкарську фарбу. Людина притискає долоні до пластинки і робить відбитки долонь на аркуші паперу. Фахівець вивчає відбитки крізь збільшувальне скло й оцінює їх специфічні ознаки.
Молекулярно-генетичні методи досліджень стали досягненням біологічної науки другої половини XX століття. Вони уможливлюють вивчення самої структури ДНК, визначення подібності чи відмінності різних геномів або їх ділянок, виявлення ушкоджень структури ДНК і навіть розшифрування первинної послідовності основ у ДНК або РНК. Молекулярно-генетичні дослідження передбачають застосування різноманітних методів і методик. Спільним для всіх є те, що, по-перше, необхідно виділити зразок ДНК досліджуваного організму і, по-друге, використати генно-інженерні технології. Для одержання ДНК беруть будь-які клітини, що містять ядра. У людини найчастіше беруть лейкоцити крові, клітини слизової оболонки рота (для їх одержання досить провести шпателем по внутрішній поверхні щоки) або, якщо вивчається геном ембріона, – навколоплідну рідину.
Молекулярно-генетичні методи потребують незначної кількості досліджуваного матеріалу. Вивчити структуру геному організму можна за одним-єдиним волоском, найменшим слідом крові, маленьким шматочком шкіри або кістки.
Для проведення молекулярно-генетичних досліджень використовують тільки невеликий фрагмент ДНК, який містить гени, що цікавлять. Для одержання такого фрагмента застосовують спеціальні ферменти рестриктази (від лат. рестрикціо – обмеження), які ріжуть молекулу ДНК у строго визначеному місці. Використовуючи набори різних рестриктаз, вдається вирізати з молекули ДНК потрібні фрагменти невеликого розміру.
Наступним етапом дослідження є збільшення кількості добутих фрагментів ДНК. Збільшення кількості ДНК можливе завдяки здатності цієї молекули до самоподвоєння. Збільшення копій ДНК називають ампліфікацією (від лат. ампліфікаціо – посилення, збільшення). У живому організмі ампліфікація – природний процес реплікації ДНК. У лабораторних умовах його підміняє спеціальна методика – полімеразна ланцюгова реакція (ПЛР). Одержана ДНК є матеріалом для різних досліджень.
Сучасні молекулярно-генетичні методи дають змогу з найвищою точністю встановити близькоспорідненість двох особин, у тому числі й давно померлих людей, якщо доступні їх біологічні матеріали (кістки, волосся). Суть методики проста: порівнюють певні ділянки ДНК різних людей і визначають ступінь подібності послідовностей нуклеотидів цих ділянок. Саме так були ідентифіковані члени загиблої родини останнього Російського імператора Миколи II.
Молекулярно-генетичні методи завдяки їх великій точності використовують у судовій медицині, наприклад метод “генетичних відбитків пальців”. З найменшої кількості знайденого на місці злочину біологічного матеріалу (крові, слини, волосся, сперми) виділяють ДНК, розщеплюють її на фрагменти, розділяють ці фрагменти у спеціальних носіях і дістають картинку розташування смуг, так званий “генетичний відбиток пальців”. Ця картинка унікальна для кожної людини, за винятком однояйцевих близнюків. Адже кожна людина за нюансами нуклеотидних послідовностей так само, як і за папілярними візерунками, – унікальна. Такі “генетичні відбитки пальців” вносять у спеціальну базу і так само, як і справжні відбитки пальців, порівнюють з “генетичними відбитками пальців” підозрюваного. Цей метод також допомагає встановити батьківство – у батьків і дітей “генетичні відбитки пальців” певною мірою схожі.
Таблиця 1
Ступінь подібності геномів людини та живих істот інших видів
Порівнювані види | Ступінь подібності геномів |
Людина – людина | 99,9 % |
Людина – шимпанзе | 98,7 % |
Людина – горила | 98,38% |
Людина – собака | 95% |
Людина – круглий черв | 74% |
Людина – банан | 50% |
Людина – нарцис | 35% |
Вивченням не фрагментів ДНК, а всієї ДНК одного організму займається наука геноміка. Одним з найбільш грандіозних наукових програм став проект “Геном людини”, розпочатий у 1990 році. Цей проект повністю не завершений. Головна його мета – визначити послідовності нуклеотидів, які становлять ДНК людини.
У сучасній генетиці використовується велика кількість методів досліджень, однак основним залишається гібридологічний метод, оскільки саме він дає змогу спостерігати, яким чином успадковуються ознаки.
Учені-генетики широко застосовують фізичні та хімічні методи у молекулярних дослідженнях, що допомагає вивчити тонку структуру генетичного апарату організму. Результати генетичних досліджень використовуються в медицині, зоології, ботаніці, еволюційній біології, криміналістиці, селекції тварин і рослин, біотехнологіях.
(1 votes, average: 5,00 out of 5)