Значение генетики для медицины и здравоохранения. Наследственные болезни человека - ОСНОВЫ ГЕНЕТИКИ

Цели: сформировать у учащихся знания о значении генетики для медицины и здравоохранения; познакомить с основными методами изучения наследственности человека и результатами их практического использования; показать необходимость генетических знаний для прогнозирования появления наследственных болезней у человека и их ранней диагностики; научить строить и анализировать схемы родословных; познакомить с реализацией и значением программы “Геном человека”.

Оборудование: инструкции по составлению родословных, таблица-схема: “Причинно-следственные связи в процессе реализации генетической информации”; таблица-схема “Основные методы изучения наследственности человека”.

Ход урока

I. Организационный момент И. Изучение нового материала

1. Слово учителя.

Учащимся перед лекцией предлагаются отдельные наиболее важные пункты плана.

Задание: дополните план тезисами по каждому пункту.

План:

1. Программа “Геном человека”.

2. Основные методы изучения наследственности человека.

3. Наследственные болезни человека.

4. Причины, диагностика и профилактика наследственных болезней.

Наступивший XXI век, без сомнения, является веком биологии и, в значительной мере, веком генетики. Решающей предпосылкой тому явилась расшифровка генома человека — всего его наследственного аппарата.

Термин “геном” впервые был введен немецкий ботаником Гансом Винклером в 1920 г., который охарактеризовал его как совокупность генов, характерных для гаплоидного набора хромосом данного вида организма. То есть геном является характеристикой вида, а не отдельной особи. Характеристикой каждой конкретной особи является генотип.

Вспомните наследование признаков у человека.

Гены окраски глаз, формы носа, окраски волос, цвета кожи есть у каждого человека, они являются обязательными для его существования и входят в геном данного вида.

Но у любого человека, как у всех диплоидных организмов, существует два аллеля каждого гена, расположенных в гомологичных хромосомах. У одного человека это могут быть одинаковые аллели, отвечающие за голубой цвет глаз, у другого — разные, обусловливающие голубой и карий, у третьего — оба аллеля будут определять развитие карих глаз, и так по всем признакам.

Эти индивидуальные отличия являются характеристикой генотипа конкретной особи. Итак, геном — это “список” необходимого для нормального функционирования организма.

Исследования по выяснению первичной последовательности всех нуклеотидов в ДНК человека были начаты в начале 90-х годов XX века. Инициатором и вдохновителем программы “Геном человека” в России был академик Александр Александрович Баев.

В 1995 году программа “Геном человека” оформилась как Международная научная программа, которая объединила 16 ведущих научных центров США и Европы и более 1500 сотрудников.

Весной 2000 г. в канадском городе Ванкувере подвели итоги первого этапа программы. Было официально объявлено, что нуклеотидная последовательность всех хромосом человека расшифрована. Благодаря исследованиям генома стало возможным достаточно точно определить общее число генов человека (около 35 тысяч, а не 100 тысяч, как думали раньше), большая часть которых (около 22 тысяч) уже идентифицирована и половина из них (11 тысяч) копирована на индивидуальных хромосомах.

Так удалось точно определить (с указанием области хромосом), что ген муновисцидоза (системное заболевание, при котором поражаются секреторные клетки поджелудочной железы, бронхов, трахеи) находится в хромосоме 7, ген мышечной дистрофии Дюшена — в X—X хромосоме; один из генов болезнь Альцгеймера (старческое слабоумие) — в хромосоме 21.

Трудно переоценить значение этой работы, так как знание структуры генов человеческого организма позволяет понять механизмы их функционирования и, следовательно, определить влияние наследственности на формирование признаков и свойств организма, на здоровье и продолжительность жизни.

Знания структуры генома и тонкой структуры генов человека очень важны для изучения наследственных болезней.

Вопрос. Почему необходимо было изучать наследственность человека? Какие трудности испытывали и испытывают исследователи при изучении наследственности человека?

В последние десятилетия вопросу наследственности человека стати уделять исключительно большое внимание. Развитие современной цивилизации приводит к появлению в окружающей среде факторов, увеличивающих частоту мутаций как в клетках тела, так и в гаметах человека. По мере развития человеческого общества действие естественного отбора постепенно ослабляется. Улучшение условий жизни, оказание самой разносторонней медицинской помощи сводит действие естественного отбора на нет, поэтому возникающие вредные мутации нс исчезают, а сохраняются и распространяются из поколения в поколение, отрицательно сказываясь на наследственности человека. Поэтому перед генетической наукой, в частности перед медицинской генетикой, встала неотложная задача — научиться бороться с проявлением в фенотипе человека вредных мутаций, генных и хромосомных, диагностировать наследственные заболевания на любой стадии развития организма, в том числе и до рождения, определить гены предрасположенности к некоторым распространенным болезням. А для этого надо знать свою собственную генетику.

Изучение наследственности человека затруднено тем, что на нем невозможно ставить эксперименты. Кроме того, этот вид относительно медленно размножается. Но, несмотря на указанные затруднения, к настоящему времени имеются обширные знания о наследственности человека, добытые с применением основных методов исследования:

1) генеалогического;

2) близнецового;

3) цитогенетического;

4) биохимического;

5) популяционного и др.

Учитель вывешивает на доску таблицу-схему: “Основные методы изучения наследственности человека”.

Учитель приводит различные примеры, иллюстрирующие практические возможности методов изучения наследственности человека.

Генеалогический метод

Этим методом были выявлены некоторые доминантные и рецессивные признаки:

2. Работа с инструктивными карточками.

Учащиеся работают с инструкцией по составлению родословных, анализируют готовую родословную и составляют новую (задание на дом) (См. приложение 2).

Для анализа можно предложить родословную “Наследование гемофилии”, рис. 38, с. 94, в учебнике И.Н. Пономаревой (рис. 43, с. 124, в учебнике “Общая биология 10—11” под редакцией Д.К.. Беляева).

3. Продолжение изучения материала.

Цитогенетический метод

Метод основан на микроскопическом изучении структуры и числа хромосом человека. Берут кровь, выделяют лейкоциты, помещают их в специальные условия, где они начинают делиться. В этот момент их фиксируют, окрашивают и рассматривают под микроскопом. Можно увидеть каждую хромосому и заметить отклонения от нормы как по числу хромосом, гак и в структуре каждой хромосомы.

Установлен целый ряд хромосомных болезней, вызванных нарушением количества половых хромосом и аутосом. О таких болезнях мы поговорим на сегодняшнем уроке немного позднее.

Помимо аномалий числа хромосом у людей обнаружены и мутации, связанные с перестройкой хромосом. Так, у больных полидиспоидилией (физическая и умственная отсталость, сложные дефекты позвоночника) обнаруживают обмен участками между 13-й и 22-й хромосомами. Потеря отдельных участков хромосом, например, в X- хромосоме, приводит к ряду дефектов в развитии пола и к умственной отсталости. Потеря 1/3 вещества 21-й хромосомы вызывает лейкемию (рак крови).

Близнецовый метод

Большой интерес для изучения соотношения наследственности и среды представляет рождение идентичных по генотипу (однояйцовых) близнецов. Идентичность генотипа приводит к поразительному

сходству фенотипа как совокупности внешних физических качеств даже в случаях, когда такие близнецы воспитывались в разных условиях. Этого нельзя сказать о характере эрудиции и т.д., которые в большей степени изменяются под влиянием внешней среды.

Изучение однояйцовых близнецов позволило установить, что удельный вес наследственности при развитии организма достаточно высок, хотя ведущее значение приобретает социальная среда.

Биохимический метод

В настоящее время научились обнаруживать некоторые тяжелые наследственные заболевания и предотвращать их развитие, например, такую болезнь, как фенилпиронурию. Симптомы болезни — наличие в моче фенилнировиноградной кислоты и слабоумие. Биохимическая основа болезни связана с отсутствием фермента, катализирующего реакцию окисления фенилаланина в тирозин. Избыток фенилаланина окисляется в фенилпировиноградную кислоту, накапливающуюся в организме больного в избытке, который приводит к тяжким последствиям. Болезнь обусловлена рецессивным геном и проявляется у гомозиготных рецессивов.

Сейчас в родильных домах делают всем новорожденным пробу на присутствие в их моче фенилпировиноградной кислоты, при обнаружении которой, ребенка в течение трех лет кормят особой пищей, из которой исключены компоненты, способствующие развитию данной болезни. При этих условиях болезнь не развивается.

Популяционный метод

В странах распространения малярии (Африка) наблюдается высокая частота гена, вызывающего серновидноклеточную анемию. Оказывается, гетерозиготы, по сравнению с доминантными гомозиготами, наиболее устойчивы к малярии. Поэтому отбор все время поддерживает определенную частоту генотипа гетерозиготы, что приводит к сохранению рецессивного аллеля в популяции на довольно высоком уровне, несмотря на то, что рецессивные гомозиготы нежизнеспособны.

Имеются данные о том, что отрицательный резус-фактор реже встречается в популяциях, живущих в условиях значительного распространения различных инфекционных заболеваний, в том числе малярии. В популяциях, живущих в высокогорных и других районах, где инфекция — редкое явление, наблюдается повышенный процент резус-отрицательных людей.

— Вот такими методами пользуются генетики при изучении наследственности человека.

— В достижениях генетики человека нуждается, прежде всего, медицина. Ведь наследственные болезни встречаются в практике врача любой специальности. Давайте разберемся в них поподробнее, а начнем с причин или, как говорят, “от печки”.

— Причина наследственной болезни — мутация. Но какая (или какие)?

— Любые мутации, вызывающие изменения функций отдельных генов, группы генов или всего генетического аппарата, приводят к

болезням. Если изменения произошли на молекулярном уровне гена и изменена его функция, то генная мутация вызовет болезнь.

Учитель демонстрирует схему “Причинно-следственные связи в процессе реализации генетической информации на примере серповидно-клеточной анемии” (См. приложение 1).

Комментарии учителя. Мутации затрагивают разные участки генов, что приводит к разным изменениям структуры и функции белка, а следовательно и к разным нарушениям клетки. Отсюда и многообразная клиническая картина — поражение костной ткани, изменение сердечных клапанов и сосудов, тугоухость, помутнение роговицы и др.

Если нарушилось расхождение хромосом во время мейоза, вследствие этого, изменилось число хромосом в гаметах, а затем и в оплодотворенной клетке, то это также вызовет болезнь.

Яркими примерами служат различные трисомии. В настоящее время установлен целый ряд хромосомных болезней, вызванных нарушением количества аутосом. Генотип трисомии — 2n +1.

• Трисомия по 21-й хромосоме — синдром Дауна. Больные, страдающие этой болезнью, имеют широкую переносицу, характерный раскосый разрез глаз, всегда открытый рот с большим языком, умственную отсталость, пороки внутренних органов.

• Трисомия в 17-й хромосоме вызывает “треугольный” рот у новорожденных, отсутствие шеи, дефекты ушей, дефекты сердца.

• Трисомия в 18-й хромосоме вызывает недоразвитие скелетной мускулатуры, челюстей, дегенерацию ушей, неправильное положение указательного пальца, дефекты стопы.

Хорошо известны и трисомии по половым хромосомам.

• Особи генотипа XXX формируются по женскому типу, они бесплодны (недоразвитие яичников), кроме того, умственно отсталы.

• Болезнь Клайнфельтера (XXY) - развивается у мужчин, выражена в полном бесплодии и умственном недоразвитии.

Всего на сегодня известно более трех тысяч наследственных болезней. Среди них генетики диагностируют около 700 наследственных болезней обмена веществ.

Ежегодно в мире рождается около 1,5 миллион детей с тяжелыми наследственными болезнями.

Хромосомные и геномные мутации служат причиной спонтанных абортов, врожденных пороков развития, эндокринных нарушений, аномалий роста и развития, смертей в ранние сроки жизни ребенка. В некоторых семьях все дети рождаются с наследственной патологией.

Сейчас наследственную болезнь можно обнаружить до формирования клинической картины, нередко даже в дородовом периоде.

• Дородовая (пренатальная) диагностика:

— ультразвук;

— фетоскопия (зондирование эластичным зондом со светопроводом);

— биопсия хориона (маленькие кусочки ворсин хориона (наружной зародышевой оболочки) получают на 8—10-й неделе беременности и проводят цитологический, биохимический и молекулярно-генетический анализы).

— аминоцентез (прокол плодного пузыря на 14—16-й неделе беременности; шприцем отсасывают небольшое количество (10 мм) околоплодной жидкости, в которой всегда имеются слущенные клетки плода; их культивируют и анализируют).

Исследования клеток хориона и амниотической жидкости сейчас позволяет диагностировать все известные хромосомные болезни и более 100 генных болезней.

Тяжесть течения наследственных заболеваний, малоэффективное лечение многих из них, передача из поколения в поколение — все это определяет безусловную необходимость их профилактики, составляющей приоритетное направление исследований. В настоящее время разрабатываются четыре направления в их профилактике.

1) Генетическое нормирование и исключение мутагенов. Введение строгой системы оценки мутагенности факторов среды обитания человека; исключение мутагенных лекарственных средств и пищевых добавок, а также необоснованных рентгенологических обследований.

2) Планирование семьи. Отказ от вступления в брак кровных родственников и гетерозиготных носителей, а также отказ от деторождения при высоком риске наследственной патологии.

Медико-генетическое консультирование предупреждает рождение больных детей в 3—5% семей, обратившихся по поводу прогноза здоровья будущего ребенка.

3) Дородовая диагностика.

4) Управление действием генов. Коррекция наследственных болезней обмена веществ после рождения — диетическая, хирургическая коррекция. Особенно эффективна профилактика болезней, проявляющихся под влиянием факторов внешней среды у взрослых.

Мы видим, что огромные шаги по защите наследственности человека или ее “улучшению” уже сделаны. Но генетики продолжают работать. И современные медицинские генетики дают в руки не только медицине, но и всему обществу оружие для избавления от накопленной в предыдущих поколениях наследственной патологии и предотвращения наследственной угрозы от факторов окружающей среды.

Домашнее задание

По учебнику И.Н. Пономаревой, §26, вопросы после параграфа к обобщающему уроку. Повторить законы Г. Менделя, закон Т. Моргана.