ТЕМА 5

ГЕНОТИП ЯК ЦІЛІСНА СИСТЕМА

Генетика людини

Генетика людини, або медична генетика, набула інтенсивного розвитку в 30-х рр. XX ст.

Ознаки у людини спадкуються за єдиними для всіх живих організмів законами. Але у зв’язку з повільною зміною поколінь та невеликою кількістю нащадків у кожній сім’ї дуже важко проводити генетичні експерименти ефективно. До того ж людині генетичні експерименти проводити не можна.

Найефективніші методи, що застосовуються в генетиці людини: генеалогічний, близнюковий і цитологічний.

Спадкові хвороби

Розрізняють кілька груп спадкових порушень у людини: хромосомні хвороби, генні хвороби, хвороби обміну речовин, спадкові порушення імунітету, ендокринної, нервової систем тощо.

Хромосомні хвороби спричинюються зміною кількості та структури хромосом. Наприклад, синдром Дауна, причиною якого є наявність у генотипі некомплектної 21-ї хромосоми, зумовлює формування черепа неправильної форми, характерний косий розріз очей, розумову відсталість.

Нерозходження Х-хромосоми в мейозі спричинює трисомію (XXX), тетрасомію (ХХХХ), пентасомію (ХХХХХ) у жінок і, як наслідок, знижену плодючість і розумову відсталість.

Нестача однієї Х-хромосоми у жінок викликає синдром Шер- шевського-Тернера і спричиняє низький ріст, статеву інфантильність.

У чоловіків нерозходження статевих хромосом зумовлює порушення від три- до гексасомії (ХХУ, ХХУУ, ХХХУ, ХХХХУ, ХХХХХУ). Це явище — синдром Клайнфельтера — спричиняє порушення процесів розвитку.

Генні хвороби

Мутації генів викликають цілу низку захворювань. Наприклад, серпоподібноклітинна анемія зумовлюється мутацією гена нормального гемоглобіну на 8-гемоглобін. При цьому аномальна молекула гемоглобіну переходить у стан гель, а еритроцити набувають форми серпа, або півмісяця. Це призводить до порушення внутрішньоклітинного метаболізму. Гомозиготи рідко доживають до статевої зрілості. Спадкується аутосомно за типом неповного домінування. Носії серпо- подібноклітинної анемії стійкі до малярії.

Хвороби обміну речовин

Охоплюють широку групу хвороб із порушенням обміну речовин практично всіх типів метаболізму.

Наприклад, гепато-церебральна дистрофія є результатом надлишкового синтезу білка церулоплазміну, який транспортує Сульфур. Надлишок цього елементу відкладається в печінці, мозку, нирках та інших органах. Викликає цироз печінки, дегенерацію тканин мозку, порушення процесів сечовидільної системи. Спадкується як аутосом- но-рецесивна ознака.

Галактоземія зумовлена нездатністю використовувати галактозу внаслідок зниженої активності гена галактозо-І-фосфат-уридил- трансферази. Викликає жовтуху, цироз печінки, катаракту, розумову відсталість. Спадкується як аутосомно-рецесивна ознака.

Спадкові хвороби порушення імунітету

Резус-фактор — один із чинників, які спричиняють антигенні властивості крові. Викликає резус-несумісність плода з організмом матері тоді, коли дитина успадковує від батька резус-позитивний фактор, а від матері — резус-негативний. У такому випадку плід виділяє в кров матері антиген, проти якого в організмі матері виробляються антитіла, які руйнують еритроцити плода.

Спадкові хвороби нервової системи

Фенілкетонурія пов’язана з відсутністю ферменту, який перетворює фенілаланін у тирозин. Спричиняє розвиток розумової відсталості у зв’язку з ураженням центральної нервової системи.

Рання діагностика хвороби та переведення малюка вже в перші тижні життя на безфенілаланінову дієту попереджають розвиток хвороби. Спадкується за аутосомно-рецесивним типом.

Попередження та профілактика спадкових хвороб

Розвиток спадкових хвороб у багатьох випадках можна попередити або, принаймні, зменшити їх шкідливий вплив на організм.

Основний метод запобігання спадкових хвороб — медико-гене- тичні консультації. Послугами консультативних установ у першу чергу повинні користуватися ті пари, у кого в родоводі є випадки прояву важких хвороб. Генетична консультація обов язкова і для людей, що вступають у шлюб у віці ЗО—40 років, працюють на виробництві, де є небезпека впливу шкідливих чинників, у випадках кровноспорід- нених шлюбів.

Визначити ймовірність ризику народження генетично неповноцінної дитини, забезпечити контроль за дитиною в період ембріонального розвитку та після народження — обов’язок медико-генетичних установ.

У багатьох випадках можливе медикаментозне, дієтичне чи гормональне лікування спадкових хвороб. Профілактика таких хвороб, пов’язаних із дією мутагенних факторів, проводиться як медико-гене- тичними установами, так і засобами масової інформації.

Завдання й основні методи сучасної селекції

Селекція — наука про поліпшення генотипів культурних рослин, порід свійських тварин і штамів мікроорганізмів.

За визначенням М. І. Вавилова, селекція — це еволюція, що спрямовується волею людини.

Теоретичною базою для селекції є генетика.

Застосування досягнень генетики, молекулярної біології, біохімії, використання тестів для ранньої діагностики перспективності вихідного матеріалу дають змогу розв’язати найскладнішу проблему селекції — зменшити тривалість селекційного процесу під час виведення нових сортів.

Досягнення генетики з успадкування кількісних ознак дали змогу селекціонерам успішно вести селекцію на продуктивність, вміст білка, амінокислот тощо. Використання генетичних і цитологічних карт з окремих культур підвищило ефективність селекції з віддаленої гібридизації, поліплоїдії.

Селекція базується на досягненнях таких наук, як: систематика і географія рослин, цитологія, ембріологія, біологія індивідуального розвитку, біохімія, фізіологія, молекулярна біологія, біотехнологія.

Завдання сучасної селекції:

•                     виведення нових та удосконалення існуючих сортів рослин, порід тварин, штамів мікроорганізмів;

•                     створення сортів, стійких проти хвороб та шкідників, адаптованих до дії несприятливих чинників середовища;

•                     істотне скорочення селекційного шляху перетворення початкового (стартового) генотипу на бажаний.

Щоб виконати ці завдання, потрібно враховувати (за М. Вавиловим):

•                     різноманітність вихідного матеріалу сортів рослин, порід тварин, штамів мікроорганізмів;

•                     закони спадкової мінливості;

•                     закони спадковості;

•                     форми штучного добору;

•                     роль середовища в розвитку ознак.

Предметом селекції є сорт рослин, порода тварин, штам мікроорганізмів.

Методи селекції, які забезпечують успішність виконання селекційних програм: добір, гібридизація, інцухт, мутагенез, генна інженерія.

Добір несвідомий (штучний) —добір для розмноження кращих генотипів рослин і тварин з ознаками, які задовольняють потреби людини.

Добір методичний (штучний) — добір, який проводиться людиною з метою поліпшення або створення нових сортів рослин чи порід тварин шляхом систематичного збереження форм у низці поколінь із бажаними ознаками.

Великий вплив на розвиток селекції мали праці Й. Г. Кельрейтера з питань міжвидової гібридизації та Ч. Дарвіна з питань розвитку живої природи. Вони сприяли становленню нового методу в селекції — гібридизації.

Гібридизація — схрещування двох особин з різною генетичною інформацією. Завдяки гібридизації відбувається генетична рекомбінація генів та розширення спектру спадкової мінливості, що забезпечує матеріал для добору.

У селекції успішно застосовується як внутрішньовидова, так і віддалена гібридизація.

Віддалена гібридизація дає змогу перенести одну або кілька ознак від одного таксона — носія донорських ознак — до іншого — реципієнта. Такий процес передачі ознак називається інтрогресією.

Завдяки гібридизації створено низку синтетичних сортів рослин та порід тварин. Удосконалилися при цьому і методи добору. У селекційній практиці стали застосовувати методичний масовий чи індивідуальний добір, клоновий, періодичний, родинно-груповий, індивідуально-безперервний та інші форми добору.

До новітніх методів селекції належать клітинна селекція та генна інженерія.

Клітинна селекція ґрунтується на соматичній гібридизації протопластів та доборі мутантних генотипів на спеціальних селекційних середовищах. Роботи виконуються в культурі іп мііго.

Соматична, або парасексуальна, гібридизація — одержання гібридної клітини завдяки злиттю ядер і цитоплазми протопластів (клітин, у яких зруйнована оболонка). Дає змогу отримати не тільки міжвидові, а й міжродові гібриди, що відрізняються від статевих гібридів ще й гібридною цитоплазмою.

Клітинна інженерія дає змогу:

•                     одержати гібрид між генотипами, несумісними під час статевого розмноження;

•                     отримати асиметричні гібриди;

•                     об’єднати в одному геномі кілька видів;

•                     одержати цибриди (генотипи з гібридною цитоплазмою).

Генна інженерія — це найцікавіша і найскладніша галузь біотехно-

логічних методів створення вихідного матеріалу в селекції. Теоретично за допомогою ферментів рестриктаз і лігаз можна виділяти будь-які гени з клітин мікроорганізмів, рослин, тварин, людини і переносити їх у клітини будь-якого організму. Однак найскладнішим є відновлення здатності чужорідних генів функціонувати в новому генотипі.

Попри всі труднощі цей метод забезпечує високу ефективність селекційного процесу:

•                     у США та деяких інших країнах створено трансгенні сорти картоплі з геном, що відповідає за синтез лептину, завдяки якому ці сорти стійкі проти колорадського жука;

•                     у Донецькому інституті агропромислового виробництва шляхом трансформації перенесено в генотип озимої пшениці 4 гени стійкості до злакових мух;

•                     тютюну, помідорам, картоплі перенесено від кукурудзи ген стійкості до гербіциду фосфінотрицину, який дає змогу рослинам витримувати його 10-кратні дози.

Поняття про сорт, породу, штам

Сорт — це штучно створена людиною група рослин, які мають біологічну і морфологічну подібність, із метою одержання високого врожаю та економічного ефекту. Отже, сорт — господарська, а не ботанічна одиниця. Тому неправильно називати сортами дикорослі форми, види і різновиди.

Сорти рослин отримують різними методами, тому, враховуючи їх походження, Міжнародна комісія з питань номенклатури культурних рослин видала в 1964 р. Кодекс, у якому ввела новий термін — куль- тивар, що об’єднує такі поняття:

•                     клон — генетично однорідне потомство, одержане під час вегетативного розмноження однієї особини;

•                     лінія — потомство однієї самозапильної рослини, одержане шляхом статевого розмноження (насінням);

•                     гібрид першого покоління (F,) — однорідна сукупність особин, яка щоразу відтворюється шляхом схрещування батьківських форм гетерозисного гібриду;

•                     сортотип — сорт, дуже подібний з основним сортом.

Порода — популяція тварин, штучно створена людиною; відтворює в потомстві стійкий генофонд, має свої особливості морфологічної будови і певний рівень продуктивності.

Штам — генетично однорідна культура мікроорганізмів у межах певного виду, яка має властиві лише їй специфічні особливості чи ознаки. Різні штами одного виду відрізняються один від одного.

Сорт, порода й штам — штучно створені людиною популяції, яким властиві певні спадкові особливості, комплекс морфологічних і фізіологічних ознак, продуктивність тощо.

Для визначення перспективності нового сорту чи породи створено відповідні спеціалізовані сортовипробувальні станції та племінні господарства.

Біотехнологія

Біотехнологія — використання людиною живих організмів і біологічних процесів для виробництва необхідних речовин й конструювання нових організмів із використанням досягнень мікробіології, біохімії та технологічних процесів.

У біотехнології використовуються бактерії, гриби, клітини різних тканин рослин і тварин.

Випікання хліба, виноробство, сироваріння, приготування пива і спирту — біотехнологічні процеси, що базуються на використанні мікроорганізмів.

Термін «біотехнологія» з’явився у 70-х рр. XX ст.

Основні напрями сучасної біотехнології

•                     Виробництво лікарських препаратів (антибіотики, вакцини, висо- коспецифічні антитіла тощо).

•                     Виробництво мікроорганізмами та еукаріотичними клітинами біологічно активних речовин (ферменти, вітаміни, гормональні препарати).

•                     Виробництво цінних кормових продуктів (кормові добавки, кормові білки, незамінні амінокислоти).

•                     Використання біологічних методів боротьби із забрудненням навколишнього середовища (біологічна очистка стічних вод, Грунту, виробництво метану зі сміття тощо).

•                     Біологічні методи захисту рослин від хвороб і шкідників.

•                     Методи концентрації цінних металів (Купруму, Мангану, Хрому тощо) за допомогою бактерій.

Генетична (генна) інженерія

Основними методами біотехнології є генетична (генна) і клітинна (тканинна) інженерія.

Генетична (генна) інженерія — це маніпуляції на рівні геномних ДНК, цілих хромосом або їх фрагментів із метою створення рекомбі- нантних ДНК. Можна проводити також і на рівні клітин.

Термін «генетична інженерія» доволі широкий, він вбирає в себе і поняття «генна інженерія», і відповідає поняттю «селекційна біотех- , нологія».

Генетична інженерія стала ефективним засобом аналізу структури і функцій гена. Сьогодні можна сконструювати будь-який мутантний чи рекомбінантний ген, ввести його в будь-який хромосомний локус організму і спостерігати ефект на рівні клітини чи організму.

Генна інженерія — маніпуляції на рівні окремих генів, їх комплексів і фрагментів. Завдяки їй людина може свідомо втручатися в закономірності функціонування генетичних структур клітини і спрямовувати їх у бажаному напрямку.

Методи генної інженерії дають можливість:

•                     виділити певні гени з генотипів донорських клітин;

•                     штучно синтезувати потрібний ген;

•                     копіювати і розмножувати виділені чи штучно синтезовані гени;

•                     одержати рекомбінантні молекули ДНК;

•                     ввести природні чи штучні гени в геном реципієнтних клітин за допомогою молекул-векторів, якими є плазміди або інші елементи клітини.

Виділення генів можна здійснювати з допомогою ферментів рестрикцій — ендонуклеаз, які здатні розрізати нитки ДНК з певними нуклеотидними послідовностями, що розпізнаються відповідними ферментами рестриктазами.

Уперше з допомогою ферментів рестрикції ген лактозного оперона кишкової палички виділив Дж. Беквіт зі співробітниками у 1969 р.

Виділити гени легко з порівняно невеликих геномів дрозофіли, дріжджів і важко — зі складних геномів еукаріотів.

Уперше штучно синтезував ген Г. Корана (1969 р.) — із гена алані- нової ІРНК дріжджів. Він містив лише інформаційну частину (без регуляторної) і тому працювати не міг. 1976 р. учений синтезував ген, що складався зі структурної й регуляторних (промотора і термінатора) частин, увів його в бактеріальну клітину, де він працював як природний.

Оскільки штучно синтезувати можна лише невеликі за розміром гени прокаріотів, гени еукаріотів на практиці створюють ферментативним методом.

Ферментативний синтез генів відбувається з допомогою ферментів іРНК-залежних ДНК-полімераз. Скорочено їх називають зворотними транскриптазами, або ревертазами. Здійснюють ферментативний синтез гена у пробірці так:

•                     на матриці ІРНК з допомогою ферменту транскриптази (реверта- зи) синтезується комплементарна їй нитка ДНК;

•                     синтезується двонитчаста молекула ДНК;

—            після цього ІРРІК руйнується ферментом рибонуклеазою;

—            одержану таким чином ДНК називають ДНК-копією (кДНК);

—            вона не має інтронів.

Гени синтезовані з допомогою ревертази, не мають регуляторної частини’! можуть функціонувати лише в бактеріальних клітинах, у клітинах тварин такий ген не здатний працювати.

Ферментативним шляхом були синтезовані гени гемоглобіну у людини, кроля, голуба.

Клітинна (тканинна) інженерія

Клітинна інженерія — метод конструювання клітин нового типу на основі їх культивування, гібридизації та реконструкції. Базується на використанні культури клітин і тканин. Роботи з клітинної інженерії ведуться у двох напрямах:

1)                  використання клітин, переведених у культуру іп уііго для син

зу різних корисних людині сполук;

2)                  використання культивованих людиною клітин для отримання

рослин-регенерантів.

У культурі іп Уііго ведуться дослідження як з тваринними, так

і з рослинними клітинами й тканинами.

Під час культивування соматичних клітин тварин гп уііго було виявлено їх здатність зливатися між собою, що нагадує парасексуальну

(соматичну) гібридизацію.  

Шляхом гібридизації лімфоцитів (клітин, які синтезують антитіла, але повільно і недовго ростуть у культурі) з пухлинними клітинами, що мають потенції нескінченно тривалого і необмеженого росту на штучному живильному середовищі, створено клітини пбридоми, здатні синтезувати високоспецифічні антитіла певного типу.

На початку 80-х рр. XX ст. було створено пбридоми за участю клітин людини, які продукують специфічні антитіла проти різних

інфекційних хвороб.                             .

Здатність зливатися в культурі іп уііго виявляють також клітин рослин. Для цього їх обробляють ферментами пектиназою та целюла- зою що спричиняє руйнування целюлозно-пектинових оболонок клітин’ Такі клітини без целюлозно-пектинових оболонок називають пропластами. Протопласти обробляють поліетиленгліколем, який сприяє процесу їх злиття (парасексуальна гібридизація).

Шляхом клітинної інженерії створено гібриди томату і картоплі (помата), кавуна і гарбуза (кавбуз), яблуні и вишні.

Культури клітин і тканин поділяють на дві групи: селекційну, щ використовується для індукування мінливості й наступного дооору (злиття клітин іп уііго), і технологічну, метою якої є прискорення розмноження найцінніших, дефіцитних генотипів, оздоровлення існуючих сортів-клонів від вірусних хвороб.

Метод культивування апікальної верхівкової меристеми в культурі т уііго на поживних середовищах з метою отримання найцінніших, дефіцитних генотипів, безвірусного посадкового матеріалу є основним у вирощуванні саджанців винограду, бульб насіннєвої картоплі, суниці, квіткових рослин.