Неменделевская типи успадкування

Відомо досить велике число спадкових хвороб, обумовлених зміною ДНК, які проте не мають відношення Менделя характеру успадкування. Нижче буде розглянуто митохондриальное успадкування і мітохондріальні хвороби, а також импринтинг.

Мітохондріальне успадкування і мітохондріальні хвороби

Мітохондрії є клітинними органелами. Мітохондрії мають дві високоспеціалізовані мембрани - зовнішню і внутрішню, кільцеву молекулу ДНК, а також власні системи транскрипції і трансляції. Кожна клітина містить кілька сотень мітохондрій. У них здійснюється ряд важливих біохімічних ланцюгів реакцій, з яких особливе значення мають реакції енергетичного обміну клітини.

Як уже відзначено, мітохондрії мають власну ДНК, в кожній мітохондрії міститься 10 і більше молекул ДНК. Геном мітохондріальної ДНК (мгДНК) повністю розшифрований.

Порушення взаємодії між мітохондріальних і ядерних геномами служить причиною різноманітної мітохондріальної патології.

Оскільки мтДНК міститься в цитоплазмі клітин, вона успадковується тільки по материнській лінії. У цитоплазмі яйцеклітини є тисячі мітохондрій і, отже, десятки тисяч молекул мтДНК. У той же час в сперматозоїді Є тільки кілька молекул мтДНК, які не потрапляють в запліднює яйце. Тому чоловіки успадковують мтДНК від своїх матерів, але не передають її своїм нащадкам. Такий тип спадкування називається материнським успадкуванням або спадкуванням по материнській лінії.

Зазвичай всі копії мтДНК ідентичні, і такий стан називають гомоплазміей. Іноді в мтДН До виникають мутації. Внаслідок не дуже досконалою роботи мітохондріальної ДНК-полімерази і репаративних систем мутації в мтДНК виникають в 10 разів частіше, ніж в ядерній ДНК. Поява мутації в одній з молекул мтДНК може привести до виникнення двох популяцій мтДНК в клітці, що називають гетероплазіей. В результаті поділу клітин мутантна мтДНК потрапляє в інші клітини, де вона продовжує розмножуватися.

Відео: Біологія. Генетика: Успадкування ознак, зчеплених зі статтю. Центр онлайн-навчання «Фоксфорд»

Енергетичні потреби різних тканин організму різні. Найбільш енергоспоживаюче є нервова система. Саме тому ця система в першу чергу вражається при мітохондріальних хворобах.

Класифікація мітохондріальних хвороб базується на двох принципах:

1) участь мутантного білка в енергетичних реакціях окисного фосфорилювання;

2) кодується чи мутантний білок мтДНК або ядерної ДНК.

До класу I мітохондріальних хвороб відноситься атрофія дисків зорових нервів Лебера. Захворювання проявляється гострою або хронічною втратою центрального зору, обумовленою атрофією зорових нервів. Захворювання може початися як в дитячому, так і в літньому віці. У деяких хворих атрофія зорових нервів поєднується з симптомами енцефаломіопатія. Атрофія зорових нервів Лебера обумовлена мутаціями в генах мтДНК, що кодують субодиниці комплексу I.

До цього ж класу належить синдром Лея (підгостра некротизирующая енцефаломіелопатія). Синдром Лея виникає тільки тоді, коли мутантна мтДНК становить не менше 90% всієї мтДНК. Якщо ж відсоток мутантної ДНК виявляється нижче, то виявляється синдром нейропатії, атаксії і пігментного ретиніту.

Синдром нейропатії, атаксії і пігментного дистрофії сітківки (NARP) може проявлятися як в дитинстві, так і пізніше, аж до 2-го десятиліття життя. Крім патології, що увійшла в назву синдрому, у хворих можуть бути деменція, судоми, мотосенсорная нейропатія, туговухість.

Синдром миоклонус-епілепсії та рваних червоних м`язових волокон (MERRF), який проявляється на епілепсію, деменцією, атаксією і міопатію, виникає в разі мутації в гені тРНК. Синдром може проявлятися в дитячому і дорослому віці. Крім зазначених симптомів, при синдромі MERRF у хворих іноді спостерігають нейросенсорної приглухуватість, деменцію, атрофію зорових нервів, спастичний диплегию. Зазвичай при цьому синдромі виявляється виражена гетероплазмії, тому експресивність синдрому різко варіює.

Відео: Незалежне і зчеплене успадкування в ЄДІ

Ще один синдром, обумовлений точковой заміною в гені тРНК, - це синдром мітохондріальної енцефаломіопатія і ІНСУЛЬТОПОДІБНИМ епізодів (MELAS). При ньому також спостерігається гетероплазмії, і, як наслідок, експресивність синдрому досить сильно варіює. Основні клінічні прояви включають енцефаломіопатія, ІНСУЛЬТОПОДІБНИМ стану, скороминучі, з відновленням функції, судоми, атаксія, міоклонус-епілепсію, мігренеподібні головні болі.

До мітохондріальних захворювань, обумовленим розподілами або дуплікації, відносяться синдром Кернса-Сайра (міопатія, мозочкові порушення і серцева недостатність), синдром Пірсона (панцитопенія, молочно-кислий ацидоз і недостатність підшлункової залози), а також хронічна прогресуюча зовнішня офтальмоплегия, яка проявляється опущенням століття .

Порушенням взаємодії між ядерним і мітохондріальних геномами пояснюють синдром виснаження мтДНК, а також синдром множинних поділів мтДНК. Обидва ці стани успадковуються як аутосомно-домінантні ознаки, тому причиною, ймовірно, є мутації ядерних генів.

Хвороби дихальної ланцюга мітохондрій, обумовлені мутаціями ядерних генів, можна об`єднати в дві групи - мітохондріальні міопатії і мітохондріальні енцефаломіопатія. Ці захворювання успадковуються як Менделя ознаки, але обумовлені недостатністю ферментів, що входять в один з комплексів дихального ланцюга мітохондрій.

геномної імпрінтінг

До теперішнього часу відомі три класи виключень з менделевского правила ідентичності гібридів в 1-му поколінні. Перший виняток відомо давно, і воно пов`язане з Х-зчепленим спадкуванням.

Друге, тільки що розглянуте, стосується ознак, визначених генами мтДНК, які володіють так званим материнським успадкуванням. В основі цих двох класів відхилень від менделевского успадкування лежать відмінності в генетичному внесок батьків у генотип потомства. При Х-зчепленому спадкуванні потомство може отримати від матері тільки хромосому X, в той час як від батька хромосому або X, або Y. При мітохондріальному спадкуванні зигота, що утворюється в результаті злиття статевих клітин, отримує мітохондрії і міститься в них мтДНК тільки через яйцеклітину.

Нещодавно генетики і ембріологи описали третій виняток - геномної імпрінтінг, коли обоє батьків передають нащадкам абсолютно ідентичні гени, але ці гени несуть специфічний відбиток статі батьків, батьківські та материнські гени активовані або супрессіровани (пригнічені, блоковані) під час гаметогенезу по-різному. Таким чином, в деяких випадках важливо, від кого з батьків успадкований ген.

Термін «імпринтинг» (imprint - «відбиток») вперше запропонував в 1960 р Кроуз з Колумбійського університету США.

Геномної імпрінтінг займає особливе місце серед специфічних механізмів регуляції активності генів на ранніх стадіях розвитку, приводячи до відмінностей в експресії гомологічних материнських і батьківських алелей. Наступні генетичні модифікації можуть привести до того, що зміни в експресії генів будуть стабільно передаватися в процесі розвитку клітинних поколінь. Геномної імпрінтінг, наприклад, може змінювати дозу генів, що контролюють ріст ембріона, клітинну проліферацію і диференціювання.

Прикладом импринтинга цілого генома у людини є істинний міхурово занесення, який виникає при заплідненні яйцеклітини, позбавленої материнських хромосом, двома сперматозоїдами. Незважаючи на наявність повноцінного диплоїдного набору, ранній ембріогенез таких зигот протікає аномально: тканини власне ембріона взагалі не формуються. У разі подвійного набору материнських хромосом розвивається тератома - ембріональна пухлина. Тільки материнський або тільки батьківський геноми не в змозі забезпечити нормальний розвиток ембріона.

На рівні організму ефект імпринтингу виявлений в зв`язку з наявністю в хромосомному наборі фрагментів або цілих хромосом одного (материнського або батьківського) походження - так звана однородітельская дисомія (ОРД), а саме спостерігається якісний, а не кількісний хромосомний дисбаланс.

В останні роки інтенсивно досліджується ефект геномного імпринтингу в зв`язку з різною патологією у людини. Прикладів захворювань, в основі яких лежить розлад функції імпринтованих ділянок геному, досить багато, тому можна говорити про особливе класі захворювань людини - «хворобах імпринтингу», яких налічується вже більше 30.

Найбільш переконливі дані отримані при синдромі Прадера-Віллі (СПВ) і синдромі Енжельмена (СЕ), які, маючи істотно різні клінічні прояви, в своїй основі мають подібні молекулярно-цитогенетичні зміни.

Досить добре вивчений в плані импринтинга також синдром Беквита-Видемана (СБВ), який має такі основні ознаки: макросомія, макроглосія, пупкову грижу, підвищену схильність до пухлин.

Зв`язок геномного імпринтингу з іншою спадковою патологією людини на рівні хромосом або окремих генів також чітко простежується і в даний час широко вивчається. Так, наприклад, при хореї Гантінгтона і спінномозжечковой атаксії захворювання виникає раніше і протікає важче, якщо успадковані гени мають батьківське походження. При нейрофіброматозі, миотонической дистрофії, навпаки, захворювання має більш ранній початок і тяжкий перебіг при успадкуванні мутантних генів від матері. Можна не сумніватися причетність геномного імпринтингу до етіології пухлинного росту.

В останні роки за допомогою молекулярно-генетичних методів феномен геномного імпринтингу спостерігають і при мультифакторіальних захворюваннях. Наприклад, чітко виражений батьківський імпринтинг виявлений при атопічний дерматит, материнський - при бронхіальній астмі та атопії у дітей. При инсулинзависимом цукровому діабеті виявлена більш висока ймовірність батьківського імпринтингу.

ГЕННА ІНЖЕНЕРІЯ

Вище були описані методи молекулярної генетики, які застосовують для ідентифікації генів менделирующих спадкових хвороб людини, такі методики входять до складу міжнародної програми «Геном людини». Нижче будуть розглянуті основні положення генетичної інженерії і сутність проекту «Геном людини».

У лютому 2001 р одночасно в двох журналах, «Nature» і «Science», були представлені результати чорнового проекту всього генома людини, отримані незалежно один від одного міжнародним консорціумом проект «Геномчеловека» і приватною компанією «Celera», для якої проект генома людини є комерційним підприємством. Ці публікації, незважаючи на незавершеність проекту, є значним досягненням всієї біологічної науки і медицини.

Технологія рекомбінантних ДНК

Дійсно, до моменту оголошення про початок програми «Геном людини» сформувалося цілий напрям в молекулярній генетиці, яке отримало назву «генетична інженерія», або «технологія рекомбінантних ДНК». Остання може бути розділена на дві великі області: методи клонування ДНК і методи аналізу ДНК, перш за все визначення послідовності нуклеотидів в молекулі ДНК.

клонування ДНК

Клонування ДНК in vivo (в живому організмі) включає 6 етапів:

1) отримання фрагментів ДНК, в тому числі генів або їх частин за допомогою ферментів рестрикції;

2) рекомбінація фрагментів;

3) вставка фрагмента ДНК в вектор;

4) трансформація за допомогою вектора організму хазяїна;

5) скринінг на рекомбінантний вектор;

6) відбір цікавлять дослідника клонів.

Поняття рестрикційних ферментів

У кожній хромосомі людини є тільки одна безперервна нитка ДНК. Вона складно упакована для того, щоб поміститися в хромосомі. Маніпулювати з молекулою ДНК такої довжини практично неможливо. Тому відкриття в 70-х рр. XX ст. особливих бактеріальних ферментів, розрізають ДНК на окремі фрагменти, було дуже актуальним. Ферменти були названі рестріктазамі або ендонуклеаза. У бактерій ці ферменти служать для захисту від проникнення в клітину чужорідної ДНК.

Рекомбінація фрагментів ДНК

Рестріктази розрізають обидві нитки ДНК, які в результаті утворюють або тупі, або липкі кінці. ДНК одного організму розрізається певної рестриктазой в суворо визначених місцях, тому така ДНК після рестрикції (яку також називають переварюванням) завжди буде давати один і той же набір фрагментів. Якщо використовувати один вид рестріктази для розрізання ДНК з різних організмів, то набір фрагментів виявиться різним, але послідовність нуклеотидів в місцях розрізання буде у всіх фрагментів однієї і тієї ж і, отже, комплементарної один одному при утворенні у фрагментів липких кінців. Останні називають липкими, оскільки через комплементарності вони можуть з`єднуватися з іншими фрагментами, освіченими тієї ж самої рестриктазой або інший рестриктазой, що утворює такі ж кінці. Об`єднання фрагментів, що володіють липкими комплементарними кінцями, прискорюється і стабілізується спеціальним ферментом, який називають лігази. Таким чином, якщо однією рестриктазой розрізати ДНК двох різних видів і змішати фрагменти, то може утворитися абсолютно нова, яка не існує в природних умовах молекула рекомбінантної ДНК.

Для того щоб цікавить дослідника фрагмент ДНК можна було дослідити, його необхідно розмножити. Це можна зробити двома різними методами, перемістивши його в клітку господаря або розмножив його in vitro (у пробірці).

Впровадження фрагментів ДНК в клітину господаря за допомогою векторів

Для переміщення фрагмента ДНК в клітину господаря зазвичай використовують спеціальні конструкції, які називають векторами. Найбільш часто в якості векторів застосовують бактеріальні речовини, бактеріофаги, бактеріальні та дріжджові штучні хромосоми. Нещодавно було запропоновано використовувати в якості векторів штучні хромосоми людини.

Створення геномних бібліотек

Рестрикція геномної ДНК на фрагменти і клонування фрагментів за допомогою різних векторів створили основу формування геномних бібліотек. Для цього геномна ДНК розрізається або, як кажуть, перетравлюється певної рестриктазой, а утворюються фрагменти клонуються за допомогою різних векторів, для чого використовують методи рекомбінантних ДНК. Геномна бібліотека повинна містити не тільки гени, але і всю Некодуючі ДНК, розташовану між генами. Оскільки перетравлення рестриктазой виробляють неповне, так, що утворюються фрагменти ДНК з частково перекриваються послідовностями нуклеотидів. Це полегшує подальше відновлення картини розташування фрагментів в нативної ДНК (ДНК в живому організмі). Крім геномних бібліотек, існують бібліотеки кДНК.

Клонування послідовностей ДНК за допомогою полімеразної ланцюгової реакції (ПЛР)

Крім описаного способу клонування послідовностей ДНК in vivo, існує також спосіб клонування in vitro, який отримав назву полімеразної ланцюгової реакції (ПЛР).

Обов`язковою умовою для проведення ПЛР є знання послідовності нуклеотидів, що визначають клоновану послідовність. Для проведення ПЛР необхідно попередньо синтезувати пару так званих праймерів, які представляють собою короткі послідовності нуклеотидів, комплементарних послідовностей розмножуємо фрагмента ДНК.

Після поділу на дві нитки досліджуваного фрагмента ДНК в реакційну суміш додають речовини, які комплементарно зв`язуються з відповідними ділянками цих ниток. Потім слід поділ новостворених ДНК ланцюгів за допомогою температурної обробки. До новоствореним ниткам фрагмента ДНК знову добудовують комплементарні ланцюга за допомогою ферменту ДНК-полімерази.

Так може повторюватися до нескінченності або до вичерпання вільних нуклеотидів в реакційній суміші, але зазвичай 20-30 циклів вистачає, щоб отримати достатню кількість ДНК досліджуваного фрагмента для будь-яких подальших маніпуляцій з цим фрагментом.