Генетические методы для выявления скрытого носительства рецессивных мутаций

Генетические  методы для выявления скрытого носительства рецессивных мутаций

 

План

1. Введение.
2. Генные мутации: общие сведения, рецессивность.
3. Генетические методы выявления скрытых генных мутаций.
4. Заключение.
5. Литература.

 

Введение

Генетика как ведущая  наука современной биологии является теоретической основой селекции животных и оказывает значительное влияние на научно-технический прогресс в животноводстве и ветеринарии. У всех видов сельскохозяйственных животных встречаются наследственные дефекты, которые отрицательно влияют на жизнеспособность, хозяйственно полезные признаки и воспроизводительную способность. Ветеринарная генетика – наука, которая изучает наследственные аномалии и болезни с наследственной предрасположенностью, разрабатывает методы диагностики, генетической профилактики и селекции животных на устойчивость к болезням. Явления наследственности и изменчивости на молекулярном, клеточном, организменном и популяционном уровнях изучают, используя методы выявление генетических мутаций.

Генные мутации: общие сведения, рецессивность.

Мутациями называют стойкие  изменения в структуре ДНК  и кариотипе, которые в процессе репликации ДНК передаются в ряду клеточных поколений и поколений  организмов. Фенотипически мутации  нередко проявляются в формах врожденных уродств (аномалий), в смертности, снижении жизнеспособности и устойчивости к болезням, нарушении воспроизводительной функции. В популяциях сельскохозяйственных животных в процессе длительного их существования накоплен определенный груз вредных рецессивных мутаций и аберраций хромосом. Для профилактики распространения вредных мутаций необходима прежде всего организация учета всех форм патологии животных.

Стоит отметить, что некоторые мутации  очень сложно диагностировать. Сложность  выявления генных мутаций связана, во-первых, с рецессивностью большинства мутаций (вероятность их фенотипического проявления ничтожно мала), а во-вторых, с летальностью многих из них (мутанты не выживают). Кроме того, болезни с рецессивным характером наследственности отличаются тем, что для их проявления требуется два аномальных гена в паре, дающие гомозиготную особь. Собаки с одним мутантным и одним нормальным геном являются гетерозиготными и внешне выглядят нормальными, но могут передавать аномальный ген своему потомству. Рецессивные мутантные гены могут передаваться через многие поколения до тех пор, пока не проявятся в потомстве двух собак, которые являются носителями одной и той же генной мутации.

Все множество методов  выявления генных мутаций можно  разделить на две группы: методы генетического анализа и биохимические методы. Более подробно остановимся на генетических методах определения носителя скрытых рецессивных мутаций. Поскольку в настоящее время часто используются именно генетические методы для поиска и анализа причин, обусловливающих снижение уровня воспроизводительной функции и жизнеспособности, распространение аномалий, а также ведется разработка научно обоснованной системы их профилактики. Кроме того, уже установлено, что многие формы патологии животных имеют генетическую основу и связаны с мутациями и рекомбинациями наследственного материала — генов и хромосом.

В генетике основным методом исследования является генетический анализ, который  проводится на всех уровнях организации  живого (от молекулярного до популяционного). Методы генетического анализа основаны на скрещивании возможных носителей мутации с тестерными линиями (линиями-анализаторами). Стоит отметить, что в зависимости от цели исследования, генетический анализ "видоизменяется" в частные методы - генеалогический, иммуногенетический популяционный, мутационный, рекомбинационный, цитогенетический, гибридологический и молекулярно-генетический.

Генетические методы выявления носителей скрытых  рецессивных  мутации

Гибридологический метод позволяет установить закономерности наследования отдельных признаков и свойств организма путем проведения серии прямых или возвратных скрещиваний в ряде поколений. Однако этот метод не позволяет выявить неизвестные мутации, а также летальные мутации. Поэтому создаются специальные тестерные линии для учета летальных мутаций.

Например, у мушки дрозофилы  синтезирована тестерная линия  М–5 (Мёллер–5), которая характеризуется  особой структурой X–хромосом у  самок. В этих хромосомах имеются  аллели с определенным фенотипическим  проявлением (доминантный аллель B – полосковидные глаза; рецессивный аллель wa – абрикосовые глаза; кроме того, имеется еще один аллель – sc, контролирующий отсутствие щетинок, но он в анализе обычно не учитывается). В хромосомах М–5 изменен порядок генов: имеется одна большая инверсия и одна малая, расположенная внутри большой (инверсии будут рассмотрены ниже); такое строение хромосом исключает появление кроссоверных особей при скрещивании мушек М–5 с другими линиями.

Для выявления мутаций используются самцы дикого типа – с нормальными X–хромосомами (аллели В+ и w+ – нормальные красные глаза, sc+  – нормальные щетинки; нормальный порядок генов). Эти самцы подвергаются обработке мутагенами (факторами, повышающими частоту мутаций). В результате в их половых клетках часть X–хромосом мутирует, т.е. в них возникают мутации. Обработанные самцы скрещиваются с самками М–5. В первом поколении (F1) все самки имеют полосковидные темно-красные глаза, а самцы – абрикосовые полосковидные глаза. Кроме того, часть самок получает от отцов по нормальный X–хромосоме, а часть – по мутантной X–хромосоме. Все самцы получают от матерей М–5 только немутантные хромосомы с аллелями В и wa. В F1 рецессивные мутации у самок, даже если они есть, не дают летального эффекта, поскольку они находятся в гетерозиготном состоянии: мутантная X–хромосома дикого типа от отца сочетается с немутантной М–5–хромосомой от матери.

Затем гибриды первого поколения  скрещиваются между собой, и потомство  каждой самки выращивается отдельно. Часть самок несет немутантную X–хромосому дикого типа, и в их потомстве обнаруживаются немутантные самцы дикого типа. Однако некоторая часть самок несет мутантную X–хромосому дикого типа с летальной мутацией; соответственно их сыновья, получившие такие хромосомы, не выживают, и самцы дикого типа в потомстве самок–носительниц не обнаруживаются.

В настоящее время, кроме тестерной  линии М–5 используются и другие тестерные лини мушек дрозофил и  других модельных объектов. Например, существуют тест-системы, позволяющие  выявлять мутации X-хромосомах самцов в первом же поколении, а также мутации в аутосомах. Применение этих линий позволяет изучать закономерности мутационного процесса, однако классический генетический (гибридологический) анализ далеко не всегда можно использовать для выявления мутаций в популяциях человека и многих других организмов. Так,  у отдельных собак патологическое отклонение может быть в скрытой (рецессивной) форме, которую трудно выявить без тщательного дополнительного изучения. В таких случаях можно сделать ошибочный вывод, что данное состояние «перескочило» через поколение, не затронув его.

Генеалогический метод анализа родословных занимает ведущее место в генетических исследованиях медленно размножающихся животных и человека. По исследованию фенотипов нескольких поколений родственников можно установить характер наследования признака и генотипы отдельных членов семей, определить вероятность проявления и степень риска для потомства по тому или иному заболеванию. Этот метод широко используется в селекции и работе медико-генетических консультаций. Генеалогический метод заключается в анализе родословных, и позволяет определить тип наследования признака (доминантный, рецессивный, аутосомный или сцепленный с полом), а также его моногенность или полигенность. На основе полученных сведений прогнозируют вероятность проявления изучаемого признака в потомстве, что имеет большое значение для предупреждения наследственных заболеваний;  для изучения мутационного процесса, особенно в случаях, когда необходимо отличить вновь возникшие мутации от тех, которые носят семейный характер, т. е. возникли в предыдущих поколениях.

При определении наследственного  заболевания обращают внимание на типичные признаки генетической предрасположенности. Патология возникает чаще всего в группе родственных животных, чем в целой популяции. Это помогает отличить врожденное заболевание от породной предрасположенности. Однако анализ родословной показывает, что есть семейные случаи заболевания, что, предполагает наличие определенного гена или группы генов, ответственных за это. Во-вторых, наследственный дефект часто затрагивает одну и туже анатомическую область в группе родственных животных. В-третьих, при инбридинге случаев заболевания становится больше. В-четвертых, наследственные заболевания часто проявляются рано, и нередко имеют постоянный возраст начала заболевания.

Законы наследования признака в  популяциях определяют с помощью популяционного метода, или популяционного анализа. На основе популяционного метода изучают генетическую структуру популяций различных организмов: количественно оценивают распределение особей разных генотипов в популяции, анализируют динамику генетической структуры популяций под действием различных факторов (при этом используют создание модельных популяций).

К примеру, если в популяции  животных появляется врожденная аномалия и установлено, что она контролируется аутосомным рецессивным геном, то родителей, от которых получен аномальный потомок, и других фенотипически нормальных их потомков не оставляют для воспроизводства. Это вызвано тем, что родители являются гетерозиготными носителями рецессивной мутации и половина их нормальных потомков имеет такой же ген в гетерозиготном состоянии. Особенно недопустимо использование гетерозиготных по вредным рецессивным генам производителей в племенных хозяйствах.

Цитогенетический метод определения носителя рецессивных мутаций заключающийся в цитологическом  анализе генетических структур и явлений на основе гибридологического анализа с целью сопоставления генетических явлений со структурой и поведением хромосом и их участков (анализ хромосомных и геномных мутаций, построение цитологических  карт хромосом, цитохимическое изучение активности генов и т. п.). Этот метод очень ценен для выявления причин ряда заболеваний. Иногда причиной болезни служат хромосомные мутации — утрата части хромосомы, нарушение ее строения. Если во время мейоза гомологичные хромосомы не расходятся, то при оплодотворении в зиготе оказываются три гомологичные хромосомы вместо двух — так называемая трисо-мия. Нарушение генного баланса ведет к серьезным последствиям. Например, присутствие в хромосомном наборе человека трех хромосом 21-й пары (трисомия по 21-й паре хромосом) вызывает сильные изменения всего облика — монголоидное лицо, неправильную форму ушей, малый рост, кроткие руки, умственное недоразвитие (болезнь Дауна). Нерасхождение половых хромосом (кариотипы МУ, XXYY, XXX и др.) также сопровождается аномалиями строения тела и, как правило, нарушением умственной деятельности. С помощью цито-генетического метода установлены причины и многих других заболеваний, как человека так и животного.

Мутационный и рекомбинационный анализ используют при изучении тонкой организации и функции генетического материала, структуры различных ДНК, их изменений, механизмов функционирования и обмена генами при скрещивании. Стоит отметить, что мутационный метод позволяет (на основе всестороннего анализа мутаций) установить особенности, закономерности и механизмы мутагенеза, помогает в изучении структуры и функции генов. Особое значение мутационный метод приобретает при работе с организмами, размножающимися бесполым путём, и в генетике человека, где возможности гибридологического анализа крайне затруднены.

В наше время интенсивно развивается метод молекулярного генетического анализа. В основе этого метода лежат генно-инженерные манипуляции с ДНК и РНК. Исходным этапом является получение образцов ДНК. Источником геномной ДНК могут быть любые ядросодержащие клетки. На практике чаще используют лейкоциты, хорион, амниотические клетки, культуры фибробластов. Возможность проведения молекулярно-генетического анализа с небольшим количеством легкодоступного биологического материала является методическим преимуществом методов данной группы. Выделенная ДНК одинаково пригодна для проведения различных исследований и может долго сохраняться в замороженном виде. Во многих случаях для успешной диагностики болезни достаточно исследовать небольшой фрагмент генома.

Иммуногенетический  метод включает серологические методы, иммуноэлектрофонез и др., которые используют для изучения групп крови, белков, ферментов сыворотки крови тканей. Иммуногенетический метод основан на изучении наследственного полиморфизма белков, ферментов, антигенного состава клеток крови, слюны и других жидкостей организма человека и животных. Полиморфные системы объединены под названием «генетические маркеры». С его помощью устанавливают иммунологическую несовместимость, выявляют иммунодефецитные состояния, мозаицизм близнецов и др.

Заключение

Выше перечисленные методы с пользой можно использовать для выявления и профилактики скрытых генетических аномалий. Также стоит не забывать, что в  основе профилактики аномалий или болезней лежит устранение причин, их обусловливающих. Причинами генетических аномалий являются мутации главных генов (олигогенов). Следовательно, для профилактики генетических аномалий необходимо предотвращать возникновение вредных мутаций в популяциях животных. Снижение частоты индуцированных мутаций можно обеспечить путем жесткого контроля за состоянием окружающей среды, устранения контактов животных и их гамет с мутагенами.

 

 

Список литературы

 

1. «Биологический энциклопедический словарь.» Гл. ред. М. С. Гиляров; Редкол.: А. А. Бабаев, Г. Г. Винберг, Г. А. Заварзин и др. — 2-е изд., исправл. — М.: Сов. Энциклопедия, 1986.

2. Руководство по разведению животных, пер. с нем., т. 2, М., 1963; Брюбейкер Дж. Л., Сельскохозяйственная генетика, пер. с англ., М., 1966; Лобашев М. Е., Генетика, 2 изд., Л., 1967.,

3. Для подготовки данной работы были использованы материалы сайтов

http://dic.academic.ru,

http://shift-ed.narod.ru/bio/2-43.html,

http://afonin-59-bio,

http://www.dog-beauty.ru/gomozigotnost_i_geterozigotnost.html,

http://www.it-med.ru/library/g/genes.htm.