Методы генетики: гибридологический, цитологический, молекулярно-генетический

Задолго до Менделя люди скрещивали растения и животных, выводили сорта и породы, замечали, что дети похожи на родителей. Учёные XVIII–XIX веков поставили тысячи опытов по гибридизации, но так и не открыли законов наследственности. Мендель открыл их на нескольких грядках монастырского сада — и не потому, что был удачливее, а потому, что придумал новый способ ставить вопросы природе. Этот способ — гибридологический метод — до сих пор лежит в основе генетики. Позже к нему добавились микроскоп, позволивший увидеть хромосомы, и молекулярные методы, позволяющие прочитать ДНК буква за буквой. Сегодня генетик может за один день скопировать нужный ген миллиард раз, а за несколько дней прочитать весь геном человека.

Это третья статья серии о генетике (предыдущие — «История генетики» и «Основные понятия генетики и генетическая символика»). В ней разобраны три основных метода генетики, которые требует кодификатор ЕГЭ, — гибридологический, цитологический и молекулярно-генетический, — а также методы, которыми изучают наследственность человека: генеалогический, близнецовый, популяционно-статистический и биохимический.

• 1. Что изучают методы генетики
• 2. Гибридологический метод
• 3. Объекты генетики
• 4. Техника скрещивания и виды скрещиваний
• 5. Границы гибридологического метода
• 6. Цитологический метод
• 7. Как составляют кариограмму
• 8. Что выявляет цитологический метод
• 9. Молекулярно-генетический метод
• 10. Электрофорез, рестриктазы и секвенирование
• 11. Методы генетики человека
• 12. Сравнение методов
• 13. Итог: что важно знать
• 14. Частые ошибки
• 15. Интересные факты
• 16. Частые вопросы
• 17. ЕГЭ
• 18. Для олимпиад
• 19. Задания с разбором
• Литература

1. Что изучают методы генетики

Генетика отвечает на несколько разных вопросов. Как признаки передаются от родителей к потомкам и в каких соотношениях появляются в потомстве? Где в клетке находятся гены и что происходит с ними при делении клетки? Как устроен ген и чем один аллель отличается от другого? Как часто тот или иной аллель встречается среди людей? Каждый вопрос требует своего инструмента, и поэтому методов у генетики несколько. Они не соперничают, а дополняют друг друга: один и тот же наследственный признак можно изучать скрещиваниями, под микроскопом и на уровне молекулы ДНК.

Методы удобно разделить по уровню, на котором ведут исследование. Гибридологический метод работает на уровне организмов и их потомства: исследователь скрещивает особи и считает потомков. Цитологический метод работает на уровне клетки и хромосом. Молекулярно-генетический — на уровне молекул ДНК и РНК. Для человека, которого нельзя скрещивать по плану исследователя, придуманы особые методы: изучение родословных, сравнение близнецов, анализ частот аллелей в популяциях, исследование обмена веществ.

Первые три метода названы в кодификаторе ЕГЭ в элементе 3.2 и встречаются в заданиях линий 1–7 чаще всего. Методы генетики человека тоже входят в экзамен — в раздел об изменчивости и генетике человека, — а анализ родословной нужен и в задачах линии 28. Поэтому здесь разобраны все.

2. Гибридологический метод

Гибридологический метод — основной метод генетики. Это система скрещиваний организмов, различающихся по одной или нескольким парам альтернативных признаков, с последующим анализом наследования этих признаков в ряду поколений. Метод разработал Грегор Мендель в опытах с горохом посевным, которые он вёл с 1856 по 1863 год. Результаты Мендель доложил в феврале и марте 1865 года на заседаниях Общества естествоиспытателей в Брюнне (ныне Брно), а в 1866 году опубликовал статью «Опыты над растительными гибридами».

Почему не получилось у предшественников

Гибридизацией растений занимались и до Менделя, причём очень серьёзно. Немецкий ботаник Йозеф Кёльрейтер в 1760-х годах получил первые научно описанные гибриды разных видов табака и заметил, что гибриды первого поколения похожи друг на друга, а во втором поколении появляется пёстрое разнообразие. Его соотечественник Карл Гэртнер поставил около десяти тысяч скрещиваний между сотнями видов растений; его толстую книгу о гибридах Мендель внимательно читал и оставил на её полях пометки. Француз Огюстен Сажре, скрещивая дыни, понял, что признаки родителей распределяются у гибридов независимо, как бы «перетасовываются». Шарль Ноден видел, что во втором поколении гибридов снова появляются родительские формы.

И всё же законов никто из них не открыл. Они описывали гибрида целиком — «похож больше на мать», «промежуточен», — а не по отдельным признакам; скрещивали разные виды, у которых признаков, отличающих родителей, десятки; не считали потомков разных классов, а лишь описывали их. Наконец, им не приходило в голову проследить потомство каждого гибрида отдельно в следующих поколениях. Наблюдений было много, а закономерность тонула в них, как сигнал в шуме.

Четыре принципа Менделя

Мендель изменил саму постановку опыта, и каждое его решение устраняло определённый источник ошибок. Во-первых, исходными формами служили чистые линии — сорта, которые при самоопылении не дают расщепления: их генотип известен, и любое появление нового признака в потомстве имеет объяснение. Во-вторых, Мендель изучал наследование отдельных пар альтернативных признаков, а не всего облика растения: сначала одну пару, затем две, затем три. В-третьих, он вёл количественный учёт: подсчитывал всех потомков каждого класса и сравнивал их соотношения. В-четвёртых, потомство каждого растения он прослеживал отдельно в ряду поколений — F₁, F₂, F₃, — что позволило отличить гомозигот от гетерозигот, внешне одинаковых.

Четвёртый принцип особенно изящен. Во втором поколении у Менделя было 3/4 семян и растений с доминантным признаком. Чтобы узнать, одинаковы ли они, он вырастил потомство каждого такого растения отдельно. Из 565 растений, выросших из гладких семян второго поколения, 193 дали только гладкие семена, а 372 снова дали гладкие и морщинистые в отношении 3 : 1. Примерно треть оказалась «постоянной», две трети — расщепляющимися. Значит, за отношением 3 : 1 скрывается отношение 1 : 2 : 1 — одна часть доминантных гомозигот, две части гетерозигот и одна часть рецессивных гомозигот. Без отдельного посева потомства каждого растения этого увидеть было нельзя.

Зачем нужны большие числа

Количественный учёт имеет смысл только на больших выборках. Каждый потомок возникает от случайной встречи гамет, и соотношение классов определяется вероятностью, а вероятность проявляется устойчиво лишь при большом числе событий. Подбросьте монету четыре раза — вполне может выпасть три орла и одна решка, хотя ожидается два к двум. Подбросьте тысячу раз — орлов будет близко к половине. Так и в генетике: в семье из четырёх детей отношение 3 : 1 может не проявиться совсем, а на тысячах семян гороха оно видно с точностью до процента. Поэтому Мендель выращивал тысячи растений и подсчитывал десятки тысяч семян. Математику он знал хорошо: в Венском университете он изучал физику и математику, в том числе комбинаторику, и именно оттуда пришла привычка видеть за числами вероятности.

3. Объекты генетики

Гибридологический метод предъявляет требования к объекту исследования. Организм должен давать много потомков, чтобы выборка была большой; быстро сменять поколения, чтобы опыт не растягивался на десятилетия; легко разводиться в саду или лаборатории; иметь чётко различимые наследственные варианты признаков. Таких организмов немного, и генетики называют их модельными: открытые на них закономерности потом проверяют на других видах.

Горох

Выбор Менделя был очень удачным. Горох посевной — самоопылитель: пыльники созревают и вскрываются внутри ещё не раскрывшегося цветка, и пыльца попадает на рыльце того же цветка. Поэтому сорта гороха, много поколений размножавшиеся самоопылением, гомозиготны и являются чистыми линиями, а чужая пыльца на рыльце случайно не попадает. У гороха много контрастных признаков, растение даёт много семян, поколение сменяется за одно лето, а искусственное перекрёстное опыление выполнить нетрудно. Важно и то, что многие признаки — форму и окраску семян — видно уже на семенах, не дожидаясь, пока вырастет растение: за одну осень можно подсчитать тысячи семян второго поколения.

Строение цветка гороха объясняет, почему он самоопыляется. Цветок мотылькового типа: верхний крупный лепесток — парус, два боковых — вёсла, а два нижних срастаются в лодочку, внутри которой спрятаны десять тычинок и пестик. Лодочка плотно охватывает их, и пыльца с пыльников попадает прямо на рыльце. Насекомые, садясь на цветок, могут раздвинуть лепестки, но к этому времени самоопыление уже произошло.

Дрозофила

Для животных такой «горох» нашёл американский генетик Томас Морган: в 1908–1910 годах он начал работать с плодовой мушкой дрозофилой (Drosophila melanogaster). Мушка длиной около 3 мм живёт в стеклянной пробирке на питательной среде из дрожжей, сахара и манной крупы или кукурузной муки. При 25 °C развитие от яйца до взрослой мухи занимает около 10 дней, одна самка откладывает сотни яиц, а у самцов и самок легко различить признаки под простой лупой. В 1910 году Морган нашёл в одной из пробирок самца с белыми глазами вместо красных — и с этой мухи началось изучение наследования, сцепленного с полом. У дрозофилы всего 4 пары хромосом, а в слюнных железах её личинок есть гигантские хромосомы, видимые в обычный микроскоп. Сейчас известны десятки тысяч мутантных линий дрозофилы; за открытия, сделанные на ней, присуждено несколько Нобелевских премий, первая — самому Моргану в 1933 году.

Другие модельные организмы

Каждый новый объект открывал новые возможности. На кукурузе удобно контролировать опыление: мужские и женские цветки у неё в разных соцветиях, а признаки зерновок видны прямо на початке, где их сотни. На хлебной плесени нейроспоре Джордж Бидл и Эдуард Тейтем в 1941 году показали, что каждый ген отвечает за определённый фермент. Кишечная палочка делится каждые 20–30 минут, и за ночь из одной клетки вырастают миллиарды: на ней изучали мутации, генетический код и регуляцию генов. Пекарские дрожжи — простейший эукариот, удобный для генетики клеточного цикла. Нематода Caenorhabditis elegans прозрачна, и у неё прослежена судьба каждой из 959 клеток тела взрослой особи-гермафродита. Резуховидка Таля (арабидопсис) — небольшое растение семейства Капустные с коротким жизненным циклом; её геном в 2000 году первым из растений был прочитан целиком. Мышь — млекопитающее, близкое к человеку по большинству процессов в организме: на линиях мышей изучают наследственные болезни и проверяют лекарства.

4. Техника скрещивания и виды скрещиваний

Чтобы гибрид возник именно от выбранных родителей, самоопыление материнского растения нужно исключить. Для этого у цветка материнского растения ещё в бутоне, до созревания пыльцы, пинцетом удаляют пыльники — эту операцию называют кастрацией. Затем на рыльце пестика кисточкой наносят пыльцу отцовского растения — это искусственное опыление. После этого цветок закрывают марлевым или бумажным мешочком-изолятором, чтобы ветер или насекомые не принесли пыльцу других растений. Семена, созревшие в бобе материнского растения, собирают и высевают: из них вырастает первое поколение гибридов.

Обратите внимание: семена, которые созрели на материнском растении после скрещивания, — это уже гибриды F₁, а не родители. Их зародыш образовался из оплодотворённой яйцеклетки. Поэтому признаки самих семян (окраску семядолей, форму) у гибридов первого поколения Мендель видел уже осенью того же года, когда провёл скрещивание, а признаки растений (высоту стебля, окраску цветков) — только на следующее лето, когда семена прорастали.

Реципрокные скрещивания

Реципрокными называют прямое и обратное скрещивания, в которых родители меняются ролями: ♀ AA × ♂ aa и ♀ aa × ♂ AA. Мендель ставил такие пары скрещиваний и убедился, что для всех семи признаков гороха результат одинаков: неважно, какое растение служило материнским, а какое отцовским. Это означало, что от матери и от отца гибрид получает наследственные задатки на равных. Если реципрокные скрещивания дают разные результаты, значит, признак наследуется необычно: ген лежит в половой хромосоме (подробнее — в статье «Наследование, сцепленное с полом»), находится в ДНК митохондрий или хлоропластов либо признак определяется генотипом матери, как закрученность раковины прудовика (подробнее — в статье «Наследование закрученности раковины и материнский эффект»).

Анализирующее скрещивание

Особь с доминантным признаком может быть и гомозиготой AA, и гетерозиготой Aa. Внешне они одинаковы, и, чтобы различить их, особь скрещивают с рецессивной гомозиготой aa. Рецессивная гомозигота образует гаметы одного типа — a, и они ничего не «маскируют», поэтому фенотип каждого потомка показывает, какую гамету он получил от исследуемой особи. Если все потомки имеют доминантный признак, исследуемая особь — гомозигота AA. Если половина потомков доминантна, а половина рецессивна, особь гетерозиготна. Такое скрещивание называют анализирующим, а его потомство обозначают Fa. Подробно оно разобрано в статье серии об анализирующем скрещивании.

Возвратное скрещивание и самоопыление

Скрещивание гибрида с одной из родительских форм называют возвратным, или беккроссом. Анализирующее скрещивание — частный случай возвратного, когда гибрида скрещивают с рецессивным родителем. Возвратные скрещивания с одним и тем же родителем повторяют в селекции много поколений подряд, чтобы перенести в хороший сорт один полезный ген — например, устойчивости к болезни — от дикого родственника: с каждым поколением доля генов дикого родителя уменьшается вдвое, а нужный ген отбирают и сохраняют. Самоопыление гибридов F₁ (у животных — скрещивание гибридов между собой) даёт второе поколение F₂, в котором и проявляется расщепление.

5. Границы гибридологического метода

Гибридологический метод требует планируемых скрещиваний, чистых линий, многочисленного потомства и быстрой смены поколений. Для человека ни одно из этих требований невыполнимо. Браки заключаются по желанию людей, а не по плану исследователя; подбор родителей ради эксперимента недопустим по этическим причинам. Чистых линий у людей нет: каждый человек гетерозиготен по многим тысячам генов. В семье рождается мало детей, и по их числу нельзя выявить статистические закономерности, а смена поколений занимает 20–30 лет: исследователь едва успеет увидеть внуков своих «подопытных».

Ограничения есть и у других организмов. У деревьев поколение сменяется за десятилетия, у слонов рождается один детёныш за несколько лет, многие животные не размножаются в неволе. Гибридологический метод неприменим и к организмам, размножающимся только бесполым путём. Сам Мендель столкнулся с такой ловушкой: по совету ботаника Карла Нэгели он несколько лет скрещивал ястребинки и не получил ожидаемого расщепления. Причина выяснилась лишь в начале XX века: у ястребинок семена часто образуются без оплодотворения (апомиксис), и потомство повторяет мать. Неудача с ястребинками заставила Менделя сомневаться во всеобщности его законов, и, возможно, поэтому он не настаивал на их значении.

Поэтому для человека и многих других организмов генетика использует обходные пути. Вместо планируемых скрещиваний изучают уже существующие семьи — родословные. Вместо чистых линий сравнивают однояйцевых близнецов, у которых генотипы одинаковы. Вместо подсчёта потомков одной пары подсчитывают частоты признаков в больших популяциях. А цитологический и молекулярно-генетический методы позволяют заглянуть прямо в хромосомы и гены, не дожидаясь потомства вообще.

6. Цитологический метод

Гибридологический метод показывает, как признаки наследуются, но не показывает, где находятся наследственные задатки. Это делает цитологический, или цитогенетический, метод — изучение хромосом под световым микроскопом: их числа, размеров, формы и строения. Метод опирается на то, что гены расположены в хромосомах, поэтому изменение числа или строения хромосом отражается и на наследственности.

Совокупность признаков хромосомного набора клетки — число, размеры и форму хромосом — называют кариотипом. Кариотип постоянен для особей одного вида и различается у разных видов, поэтому его можно считать «паспортом» вида. Число хромосом само по себе не говорит ни о сложности организма, ни о родстве видов: у человека 46 хромосом, у шимпанзе — 48, у собаки — 78, у картофеля — 48, а у одного из папоротников, ужовника, — больше тысячи двухсот.

Почему у шимпанзе на одну пару хромосом больше, чем у нас? Сравнение хромосом показало, что вторая хромосома человека образовалась при слиянии двух хромосом, которые у шимпанзе, гориллы и орангутана остались раздельными. На второй хромосоме человека даже видны следы этого слияния: остатки концевых участков хромосом (теломер) в её середине и второй, неработающей центромеры. Так цитологический метод помогает изучать и эволюцию.

Сколько хромосом у человека

Как ни удивительно, правильное число хромосом человека установили лишь в 1956 году — через три года после открытия двойной спирали ДНК. Хромосомы человека мелкие, их много, и на старых препаратах они слипались и накладывались друг на друга. С 1920-х годов во всех учебниках писали, что их 48. Перелом наступил благодаря двум находкам. В 1952 году американский цитолог Т. Ч. Сюй (в английском написании — Hsu) обработал клетки раствором с пониженной концентрацией солей — гипотоническим раствором, по одной из версий, из-за ошибки лаборантки; клетки набухли, и хромосомы в них разошлись [1]. Вскоре для остановки клеток в метафазе стали применять колхицин. В 1956 году Джо Хин Тио и Альберт Леван в шведском Лунде, используя оба приёма, насчитали в клетках лёгких эмбрионов человека 46 хромосом [2]. А в 1959 году французский врач Жером Лежён обнаружил, что у людей с синдромом Дауна 47 хромосом — лишняя 21-я. Так родилась медицинская цитогенетика.

7. Как составляют кариограмму

Хромосомы различимы в микроскопе не во всякий момент. В интерфазе они деспирализованы и представляют собой тонкие нити хроматина, которые по отдельности не видны: ядро выглядит как зернистый шарик. В метафазе митоза хромосомы максимально спирализованы, укорочены и утолщены; каждая состоит из двух сестринских хроматид, соединённых центромерой. Именно в метафазе хромосомы лучше всего видно и удобнее считать, поэтому для анализа нужны делящиеся клетки, остановленные в метафазе.

Метафазная хромосома имеет перетяжку — центромеру, которая делит хромосому на два плеча. По положению центромеры хромосомы делят на типы: у равноплечих она в середине, у неравноплечих — смещена к одному концу, у палочковидных — почти на самом конце. После специального окрашивания на хромосомах видны поперечные тёмные и светлые полосы. Их рисунок у каждой хромосомы свой и постоянен, поэтому по нему различают даже хромосомы одинакового размера. Этот способ окрашивания предложил в 1968–1970 годах шведский учёный Торбьёрн Касперссон, и он стал стандартом медицинской цитогенетики.

У человека кариотип чаще всего исследуют по лимфоцитам крови. Зрелые эритроциты для этого непригодны: у них нет ядра, а значит, и хромосом. Лимфоциты в крови не делятся, поэтому их выращивают в питательной среде с веществом, стимулирующим деление. Через двое-трое суток в культуру добавляют колхицин — алкалоид растения безвременника, разрушающий микротрубочки веретена деления: хромосомы не могут разойтись, и клетки накапливаются в метафазе. Затем клетки переносят в гипотонический раствор, они набухают, и хромосомы отодвигаются друг от друга. Клетки фиксируют, капают на предметное стекло, окрашивают и фотографируют под микроскопом.

Результат — кариограмма, или идиограмма: изображение хромосом одной клетки, разложенных парами в порядке убывания размеров с учётом положения центромеры. Аутосомы человека пронумерованы от 1 до 22, половые хромосомы ставят в конце. Кариотип записывают как число хромосом и набор половых хромосом: 46,XX — нормальный женский кариотип, 46,XY — мужской, 47,XY,+21 — мужчина с синдромом Дауна. Раньше хромосомы вырезали ножницами из фотографий и наклеивали на лист; сейчас кариограмму составляет компьютерная программа, а врач проверяет результат (подробнее — в статье «Кариотип»).

8. Что выявляет цитологический метод

Разрешающая способность светового микроскопа ограничена. Он позволяет заметить лишнюю или недостающую хромосому и крупное изменение её строения, но не изменение отдельных нуклеотидов: самая мелкая полоска на хромосоме соответствует миллионам пар нуклеотидов. Поэтому цитологически выявляют геномные мутации — изменения числа хромосом — и крупные хромосомные мутации, то есть изменения строения хромосом.

Метод применяют и до рождения ребёнка. Клетки плода получают при амниоцентезе — через прокол брюшной стенки берут пробу околоплодной жидкости, в которой есть слущенные клетки плода, — или при биопсии ворсин хориона, ткани, из которой формируется плацента. Клетки выращивают и составляют кариограмму. Такая диагностика показана при повышенном риске хромосомных болезней, например при возрасте матери старше 35 лет, и проводится только с согласия женщины. Сегодня сначала часто делают безопасный анализ крови матери: в ней есть небольшие фрагменты ДНК плода, и по их количеству можно заподозрить лишнюю хромосому, а инвазивные процедуры назначают только для подтверждения.

Тельце Барра

В 1949 году канадские исследователи Мюррей Барр и Эварт Бертрам, изучая нервные клетки кошек, заметили у самок маленькое плотное тельце у ядерной оболочки, которого не было у самцов [3]. Позже выяснилось, что это одна из двух X-хромосом, почти полностью выключенная и плотно упакованная. У женщины в каждой клетке одна X-хромосома работает, а вторая превращается в тельце Барра; у мужчин с единственной X-хромосомой тельца нет. Число телец Барра на одно меньше числа X-хромосом: у мужчин с синдромом Клайнфельтера (XXY) — одно, у женщин с синдромом Шерешевского — Тёрнера (X0) — ни одного. Тельце легко увидеть в мазке клеток со слизистой щеки, и долгое время по нему быстро определяли «хромосомный пол».

Гигантские хромосомы

Особый объект цитологии — политенные хромосомы слюнных желёз личинок двукрылых насекомых. В этих клетках ДНК многократно реплицируется, но копии не расходятся, а остаются лежать рядом, как волокна в канате: у дрозофилы в каждой такой хромосоме около тысячи параллельных нитей. Хромосомы становятся в сотни раз толще обычных и видны даже в неделящемся ядре. На них заметны поперечные тёмные диски, чередующиеся со светлыми промежутками; рисунок дисков постоянен, поэтому по его нарушению можно точно найти перестройку. Впервые такие хромосомы описал Эдуард Бальбиани ещё в 1881 году у личинок комара-звонца, а в 1933 году Теофилус Пейнтер предложил использовать хромосомы дрозофилы для построения карт генов [4]: каждой перестройке, найденной скрещиваниями, нашлось место среди дисков.

Цитологические основы законов наследования

Самое важное, что дал цитологический метод генетике, — связь между законами Менделя и поведением хромосом. В 1902–1903 годах немецкий биолог Теодор Бовери и американский студент Уолтер Сеттон независимо заметили, что хромосомы в мейозе ведут себя в точности как менделевские задатки: они парные, в гамету попадает по одной хромосоме из пары, а разные пары расходятся независимо. Отсюда родилась гипотеза, что гены лежат в хромосомах, которую затем доказал Морган.

Подробнее эта связь разобрана в статьях серии о цитологических основах моногибридного и дигибридного скрещивания и в статье «Мейоз: стадии и поведение хромосом».

9. Молекулярно-генетический метод

Цитологический метод не видит мелких изменений ДНК: замена одного нуклеотида в гене не меняет облика хромосомы. А ведь именно такие замены создают большинство аллелей. Их обнаруживает молекулярно-генетический метод — изучение строения и работы молекул ДНК и РНК. Он появился в 1970–1980-х годах, когда учёные научились резать ДНК в нужных местах, копировать её фрагменты и читать последовательность нуклеотидов, и за полвека превратился из редкой лабораторной процедуры в рутинный анализ, который делают в каждой крупной больнице.

Откуда берут ДНК

ДНК выделяют из любых клеток, имеющих ядро: лейкоцитов крови, клеток слюны и эпителия щеки, луковицы волоса, тканей плода, кости, даже из засохшего пятна крови. Клетки разрушают, белки удаляют ферментами, а ДНК осаждают спиртом: она выпадает в виде белых нитей, которые можно намотать на стеклянную палочку. Стержень волоса состоит из мёртвых ороговевших клеток и почти не содержит ядерной ДНК, поэтому для анализа нужен волос с луковицей. Зрелые эритроциты человека тоже не подходят: ядра у них нет, и вся ДНК крови содержится в лейкоцитах.

Полимеразная цепная реакция

Количество ДНК в образце обычно ничтожно — пикограммы, то есть триллионные доли грамма. Чтобы её изучить, нужный участок надо размножить. Это делает полимеразная цепная реакция (ПЦР). Её идея пришла американскому биохимику Кэри Мюллису в 1983 году, по его рассказу, ночью за рулём автомобиля на калифорнийском шоссе. ПЦР копирует не всю ДНК клетки, а только выбранный участок, ограниченный двумя праймерами, — короткими однонитевыми фрагментами ДНК длиной около 20 нуклеотидов, комплементарными концам нужного участка. Первым применением ПЦР в 1985 году стала диагностика серповидноклеточной анемии [5], а в 1993 году Мюллис получил за своё изобретение Нобелевскую премию по химии.

В первых опытах полимеразу приходилось добавлять в пробирку после каждого нагревания: обычный фермент при 95 °C разрушается. Решение нашли в горячих источниках Йеллоустонского национального парка в США. Ещё в 1969 году микробиолог Томас Брок выделил оттуда бактерию Thermus aquaticus, живущую при 70–75 °C. Её ДНК-полимераза выдерживает многократное нагревание почти до кипения, и в 1988 году её применили для ПЦР [6]. С этого момента реакция стала полностью автоматической. Рибосомы, РНК-полимераза, хеликаза и лигаза для ПЦР не нужны: цепи ДНК разъединяет нагревание, а не фермент.

Цикл ПЦР

Реакцию проводят в амплификаторе (термоциклере) — приборе, который по программе быстро нагревает и охлаждает пробирки. Один цикл состоит из трёх стадий. При нагревании до 94–95 °C водородные связи между цепями ДНК разрываются, и двойная спираль расходится на две цепи — это денатурация. При охлаждении до 50–65 °C праймеры присоединяются к комплементарным участкам каждой цепи — это отжиг. При 72 °C — температуре, оптимальной для Taq-полимеразы, — фермент достраивает новые цепи от праймеров — это синтез, или элонгация. Цикл длится одну-две минуты, и из каждой молекулы нужного участка получаются две.

Поскольку в каждом цикле число молекул в идеале удваивается, после n циклов из одной молекулы получается 2ⁿ копий: после 10 циклов — 1024, после 20 — больше миллиона, после 30 — больше миллиарда. Обычно ставят 25–40 циклов, и вся реакция занимает пару часов. На практике рост замедляется, когда расходуются нуклеотиды и праймеры; полимераза же не расходуется, а работает многократно. В современных приборах количество продукта измеряют прямо во время реакции по свечению флуоресцентной метки — так работают тесты на вирусы, в том числе на коронавирус, ставшие привычными в 2020–2021 годах. Для РНК-вирусов перед ПЦР РНК сначала переписывают в ДНК с помощью фермента обратной транскриптазы.

10. Электрофорез, рестриктазы и секвенирование

Электрофорез

Получив копии ДНК, надо узнать, какой они длины и есть ли они вообще. Для этого используют электрофорез в геле. Гель из агарозы — полисахарида красных водорослей, родственника агар-агара, — заливают в форму с «гребёнкой», которая оставляет в нём ряд лунок. В лунки вносят растворы ДНК и помещают гель в электрическое поле. Остатки фосфорной кислоты придают молекулам ДНК отрицательный заряд, поэтому они движутся к положительному электроду — аноду. Гель служит сетью: короткие фрагменты проскальзывают сквозь неё быстрее длинных. После остановки тока короткие фрагменты оказываются дальше от лунок, длинные — ближе к ним. Полосы окрашивают красителем, светящимся в ультрафиолете, а длину фрагментов оценивают, сравнивая с «лесенкой» маркёра — смеси фрагментов известной длины.

Рестриктазы

Рестриктазы — ферменты бактерий, разрезающие ДНК в строго определённых коротких последовательностях. В природе они защищают бактерию от вирусов: разрезают чужую ДНК, а свою бактерия метит, и та остаётся нетронутой. Например, рестриктаза EcoRI из кишечной палочки режет ДНК везде, где встречается последовательность GAATTC. За открытие рестриктаз Вернер Арбер, Гамильтон Смит и Даниел Натанс получили Нобелевскую премию в 1978 году. Если мутация уничтожает место разрезания или создаёт новое, набор фрагментов меняется, и на геле появляются другие полосы. Так в 1985 году обнаруживали мутацию серповидноклеточной анемии: замена одного нуклеотида в гене β-глобина уничтожает место разрезания одной из рестриктаз, и у больного фрагмент получается длиннее, чем у здорового [5]. Рестриктазы стали главным инструментом и генной инженерии (подробнее — в статье «Искусственный синтез гена и рекомбинантные ДНК»).

ДНК-зонды

ДНК-зонд — меченый однонитевой фрагмент ДНК, комплементарный искомой последовательности. Если в образце эта последовательность есть, зонд прочно соединяется с ней по принципу комплементарности, и метку — радиоактивную или светящуюся — можно обнаружить. Флуоресцентные зонды наносят даже прямо на хромосомы на стекле: светящаяся точка показывает, в какой хромосоме и в каком месте лежит ген. Этот метод — флуоресцентная гибридизация на месте (FISH) — соединил цитологический и молекулярный подходы.

Секвенирование

Секвенирование — определение порядка нуклеотидов в ДНК. Методы секвенирования предложили в 1977 году независимо британец Фредерик Сэнгер [7] и американцы Аллан Максам и Уолтер Гилберт. Метод Сэнгера оказался удобнее. Его идея проста: при синтезе цепи в смесь добавляют немного «испорченных» нуклеотидов, после присоединения которых цепь дальше расти не может. Получаются фрагменты всех длин, обрывающиеся на A, на T, на G и на C; если разделить их электрофорезом по длине, последовательность читается по порядку полос. Сэнгер — один из немногих учёных, получивших две Нобелевские премии: в 1958 году за определение строения инсулина и в 1980 году — за секвенирование ДНК.

Методом Сэнгера был прочитан геном человека: черновой вариант опубликовали в 2001 году, окончательный — в 2003-м; проект длился 13 лет и стоил около 3 миллиардов долларов. С середины 2000-х годов появились новые методы, которые читают одновременно миллионы фрагментов, и сегодня весь геном человека можно прочитать за несколько дней дешевле тысячи долларов. Это изменило и медицину: если раньше врач проверял один подозрительный ген, то сейчас ребёнку с неясной наследственной болезнью часто читают сразу все гены, кодирующие белки.

Геномная дактилоскопия

В 1984 году британский генетик Алек Джеффрис из Лестерского университета, изучая повторяющиеся участки ДНК человека, увидел на рентгеновской плёнке рисунок полос, разный у разных людей и одинаковый у родственников лишь частично [8]. Он сразу понял, что это «отпечатки пальцев» ДНК. Уже в 1985 году метод помог доказать родство мальчика-иммигранта с его матерью, а в 1987–1988 годах — впервые найти преступника и одновременно оправдать невиновного подозреваемого. Сейчас в криминалистике и при установлении отцовства сравнивают с помощью ПЦР полтора-два десятка участков ДНК, где число повторов короткой последовательности сильно различается у разных людей. Вероятность случайного совпадения всех участков у неродственных людей ничтожно мала — меньше одной на миллиарды.

11. Методы генетики человека

Раз человека нельзя скрещивать по плану, генетики используют то, что «поставила» сама жизнь: семьи, близнецов, популяции. Цитологический и молекулярно-генетический методы применимы к человеку полностью, а вместо гибридологического работают четыре особых метода.

Генеалогический метод

Генеалогический метод — изучение родословных. Его основал британский учёный Фрэнсис Гальтон, двоюродный брат Чарлза Дарвина: в 1869 году в книге «Наследственный гений» он собрал родословные семей выдающихся людей. Метод состоит из двух этапов. Сначала составляют родословную: начинают с пробанда — человека, ради которого её составляют (обычно это пациент, пришедший к врачу), — и отмечают всех его родственников в нескольких поколениях с указанием, у кого есть изучаемый признак. Затем родословную анализируют: определяют, доминантный признак или рецессивный, лежит ли ген в аутосоме или в половой хромосоме, и находят генотипы членов семьи. Условные знаки родословной приведены в статье «Основные понятия генетики и генетическая символика».

Каждому типу наследования соответствует свой узор в родословной. Доминантный признак проявляется в каждом поколении: у каждого носителя признака хотя бы один из родителей тоже его имеет. Рецессивный признак может «перескакивать» через поколения и появляться у детей родителей, у которых признака нет. Если признак встречается одинаково часто у мужчин и женщин, ген, скорее всего, аутосомный; если почти только у мужчин — сцеплен с X-хромосомой и рецессивен.

Как рассуждают на практике? Пусть в семье здоровые муж и жена имеют больного сына и здоровую дочь, а у их родителей болезни не было ни у кого. Признак появился у ребёнка здоровых родителей — значит, он рецессивный. Если болен только сын, а больных женщин в родословной нет, нельзя сразу сказать, аутосомный ген или X-сцепленный: нужны дополнительные сведения. Например, если у больного мужчины от здоровой жены родилась больная дочь, X-сцепленное рецессивное наследование возможно, только если жена — носительница: дочь получила аллель от отца, а второй такой же должна была получить от матери. При редкой болезни это маловероятно, и вероятнее аутосомное наследование. Чем больше поколений и родственников в родословной, тем надёжнее вывод. Задачи на анализ родословных встречаются в линии 28 ЕГЭ.

Близнецовый метод

Близнецовый метод предложил тот же Гальтон в 1875 году. Близнецы бывают двух типов. Однояйцевые (монозиготные) развиваются из одной зиготы, которая на ранней стадии разделилась на два зародыша, поэтому их генотипы практически одинаковы, и они всегда одного пола. Разнояйцевые (дизиготные) развиваются из двух яйцеклеток, оплодотворённых двумя сперматозоидами; генетически они похожи не больше, чем обычные братья и сёстры, и могут быть разного пола. Сравнивая сходство однояйцевых и разнояйцевых близнецов, оценивают, насколько признак зависит от генов, а насколько — от среды.

Совпадение признака у обоих близнецов пары называют конкордантностью, различие — дискордантностью. Если конкордантность однояйцевых близнецов гораздо выше, чем разнояйцевых, признак в значительной мере определяется генами. Если она одинакова у обоих типов, признак больше зависит от среды. Например, группа крови у однояйцевых близнецов совпадает всегда, а у разнояйцевых — далеко не всегда: признак определяется только генами. А корь в прошлом, до прививок, переносили почти все дети, и конкордантность была высокой у близнецов обоих типов: болезнь определялась заражением, а не генами. Особенно ценны однояйцевые близнецы, выросшие в разных семьях: их различия вызваны только средой.

В 2015 году группа учёных обобщила результаты близнецовых исследований за пятьдесят лет — данные о более чем 14 миллионах пар близнецов и 17 тысячах признаков [9]. В среднем по всем изученным признакам роль наследственности в различиях между людьми оказалась около половины, причём почти для всех изученных признаков вклад генов оказался заметным. Этот результат хорошо иллюстрирует понятие нормы реакции: почти каждый признак формируется при взаимодействии генотипа и среды.

Популяционно-статистический метод

Этот метод изучает, как часто встречаются аллели, генотипы и наследственные болезни в популяциях людей. Его основа — закон Харди — Вайнберга: при случайных браках частоты аллелей из поколения в поколение не меняются, а частоты генотипов связаны с частотами аллелей простыми формулами (подробнее — в статье «Популяция и закон Харди — Вайнберга»). Метод позволяет, например, по частоте рецессивной болезни рассчитать, сколько в популяции здоровых носителей. Муковисцидоз у европейцев встречается примерно у одного новорождённого из 2500; отсюда частота рецессивного аллеля — около 1/50, а носителем оказывается примерно каждый 25-й человек. Вывод неожиданный: носителей в сотню раз больше, чем больных. Метод показывает и различия популяций: одни наследственные болезни часты у одних народов и редки у других, что связано с историей переселений и с отбором — например, аллель серповидноклеточной анемии част там, где была распространена малярия.

Биохимический метод

Биохимический метод выявляет нарушения обмена веществ, вызванные мутациями генов ферментов. Его начал британский врач Арчибальд Гаррод: в 1902 году он заметил, что алкаптонурия — болезнь, при которой моча темнеет на воздухе, — чаще встречается у детей от браков двоюродных братьев и сестёр, и предположил, что она наследуется как рецессивный менделевский признак и вызвана отсутствием фермента. Его книга 1909 года называлась «Врождённые ошибки обмена веществ». Сейчас биохимические анализы крови новорождённых — основа неонатального скрининга: у всех детей в первые дни жизни берут каплю крови и проверяют на фенилкетонурию, врождённый гипотиреоз, муковисцидоз и другие болезни. В России с 2023 года такой скрининг охватывает 36 болезней. Чем раньше найдена болезнь, тем раньше можно начать лечение — например, диету без фенилаланина при фенилкетонурии.

12. Сравнение методов

Методы генетики дополняют друг друга, и у каждого есть сильные стороны и ограничения. Гибридологический метод показывает, как признаки наследуются, но требует планируемых скрещиваний. Цитологический выявляет изменения числа и крупные изменения строения хромосом, но не видит мелких изменений ДНК. Молекулярно-генетический обнаруживает изменения последовательности нуклеотидов, но в стандартном варианте не показывает число и форму хромосом и требует знать, что искать, — без этого нельзя подобрать праймеры и зонды.

Как это работает вместе, хорошо видно на примере врачебной консультации. Семья обращается к генетику, потому что у их первого ребёнка наследственная болезнь. Врач составляет родословную и определяет вероятный тип наследования (генеалогический метод). Если подозревается хромосомная болезнь, исследуют кариотип (цитогенетический метод); если генная — находят мутацию в ДНК ребёнка и проверяют, носители ли родители (молекулярно-генетический метод). По результатам врач рассчитывает риск для следующего ребёнка и при желании семьи предлагает диагностику во время следующей беременности.

13. Итог: что важно знать

• Основные методы генетики по кодификатору — гибридологический, цитологический и молекулярно-генетический; для человека добавляются генеалогический, близнецовый, популяционно-статистический и биохимический.
• Гибридологический метод — система скрещиваний и анализ потомства в ряду поколений; его принципы: чистые линии, отдельные пары признаков, количественный учёт, анализ потомства каждой особи.
• Техника скрещивания растений: кастрация, искусственное опыление, изоляция.
• Реципрокные скрещивания проверяют, зависит ли результат от того, кто мать, а кто отец; анализирующее (A_ × aa) определяет генотип особи с доминантным признаком.
• Гибридологический метод неприменим к человеку: нет планируемых браков и чистых линий, мало детей, медленная смена поколений.
• Цитологический метод изучает кариотип в метафазе митоза (колхицин, гипотонический раствор, окрашивание); выявляет изменения числа хромосом и крупные изменения их строения, пол, но не генные мутации.
• Молекулярно-генетический метод изучает ДНК: ПЦР (денатурация 94–95 °C, отжиг 50–65 °C, синтез 72 °C; 2ⁿ копий за n циклов), электрофорез (короткие фрагменты уходят дальше, ДНК движется к аноду), рестриктазы, зонды, секвенирование.
• Генеалогический метод определяет тип наследования по родословной; близнецовый — роль генов и среды; популяционно-статистический — частоты аллелей; биохимический — нарушения обмена веществ.

14. Частые ошибки

• «Гибридологический метод применяют к человеку». Нет: браки не планируют, чистых линий нет, детей мало, поколения сменяются медленно. Для человека используют генеалогический и другие методы.
• «Мендель первым начал скрещивать растения». Гибридизацией занимались за сто лет до него. Новым был метод: отдельные пары признаков, чистые линии и подсчёт потомков.
• «Кастрация — удаление пестика». Удаляют пыльники материнского растения, чтобы исключить самоопыление; пестик нужен для искусственного опыления.
• «При анализирующем скрещивании особь скрещивают с доминантной гомозиготой». С рецессивной гомозиготой aa: только её гаметы не скрывают аллелей исследуемой особи.
• «Кариотип изучают по эритроцитам». У зрелых эритроцитов человека нет ядра. Используют лимфоциты, клетки плода, клетки костного мозга.
• «Хромосомы лучше всего видно в интерфазе». В интерфазе они деспирализованы и не видны по отдельности; кариотип изучают в метафазе.
• «Колхицин разрушает хромосомы». Он разрушает микротрубочки веретена деления, и клетка останавливается в метафазе; хромосомы остаются целыми.
• «Цитологическим методом можно найти мутацию серповидноклеточной анемии». Это замена одного нуклеотида; она видна только молекулярно-генетическим методом.
• «При электрофорезе ДНК движется к катоду, а длинные фрагменты уходят дальше». ДНК заряжена отрицательно и движется к аноду; дальше всего уходят короткие фрагменты.
• «В ПЦР цепи ДНК разделяет хеликаза». Цепи разделяет нагревание до 94–95 °C; хеликаза, лигаза, рибосомы не нужны.
• «Taq-полимераза расходуется в реакции». Фермент работает многократно; расходуются праймеры и нуклеотиды.
• «Близнецы всегда генетически одинаковы». Одинаковы только однояйцевые; разнояйцевые похожи не больше, чем обычные братья и сёстры.
• «Если признак есть у обоих однояйцевых близнецов, он определяется только генами». Близнецы растут в одной семье; о роли генов судят, сравнивая конкордантность однояйцевых и разнояйцевых близнецов.

15. Интересные факты

• До 1956 года во всех учебниках было написано, что у человека 48 хромосом; верное число, 46, нашли Тио и Леван в Лунде.
• Гипотонический раствор, позволивший разглядеть хромосомы человека, по одной из версий, появился в лаборатории Т. Ч. Сюя из-за ошибки при приготовлении раствора.
• Колхицин получают из безвременника осеннего; в больших дозах он ядовит, а в медицине им лечат подагру.
• Идея ПЦР пришла Кэри Мюллису ночью за рулём автомобиля, а через десять лет он получил за неё Нобелевскую премию.
• Фермент для ПЦР взят у бактерии из горячих источников Йеллоустона, живущей при 70–75 °C.
• После 30 циклов ПЦР из одной молекулы ДНК получается больше миллиарда копий нужного участка.
• Фредерик Сэнгер получил две Нобелевские премии по химии — за белок инсулин и за метод чтения ДНК.
• Прочтение первого генома человека стоило около 3 миллиардов долларов и заняло 13 лет; сейчас геном читают за несколько дней и дешевле тысячи долларов.
• Геномная дактилоскопия впервые помогла найти преступника в Англии в 1987–1988 годах и в том же деле оправдала невиновного, уже признавшегося в преступлении.
• У однояйцевых близнецов отпечатки пальцев разные: их рисунок зависит от условий развития в утробе матери, а ДНК почти одинакова.
• Тельце Барра открыли в нервных клетках кошек; оно оказалось выключенной X-хромосомой.
• В политенной хромосоме слюнной железы дрозофилы около тысячи параллельных нитей ДНК — поэтому её видно даже в неделящемся ядре.
• Мендель несколько лет безуспешно скрещивал ястребинки: у них семена образуются без оплодотворения, и законы расщепления не проявляются.

16. Частые вопросы

17. ЕГЭ

Тема входит в элемент 3.2 кодификатора [10]: «Основные методы генетики: гибридологический, цитологический, молекулярно-генетический». В части 1 встречаются задания на выбор метода для конкретной задачи, на соответствие между методами и их характеристиками, на последовательность этапов (кариотипирования, ПЦР, получения гибридов), на анализ рисунков — цветка гороха, хромосомы, геля после электрофореза. В части 2 бывают вопросы, почему гибридологический метод неприменим к человеку, зачем нужны колхицин и гипотонический раствор, почему в ПЦР нужна термостабильная полимераза, как по гелю определить генотип.

Что обязательно знать к экзамену

• Сущность и принципы гибридологического метода, почему Мендель выбрал горох.
• Технику скрещивания растений и назначение реципрокных и анализирующих скрещиваний.
• Этапы кариотипирования, роль колхицина и гипотонического раствора; что выявляет и что не выявляет цитологический метод.
• Компоненты и стадии ПЦР, формулу 2ⁿ; принцип электрофореза.
• Методы генетики человека и их возможности.

Разбор задания части 1

Задание. Установите последовательность этапов получения гибридов гороха: 1) нанесение пыльцы отцовского растения на рыльце; 2) удаление пыльников в бутоне материнского растения; 3) посев созревших семян; 4) изоляция цветка мешочком; 5) сбор семян с материнского растения. Ответ: 21453. Сначала кастрация (2), затем искусственное опыление (1), изоляция (4), сбор семян (5) и посев (3).

Разбор задачи части 2

Задача. Для изучения кариотипа человека культуру лимфоцитов обрабатывают колхицином, а затем гипотоническим раствором. Объясните назначение каждой обработки. Почему для кариотипирования не используют эритроциты?

Ответ. 1) Колхицин разрушает микротрубочки веретена деления, хромосомы не расходятся, и клетки останавливаются в метафазе, когда хромосомы максимально спирализованы и лучше всего видны. 2) В гипотоническом растворе вода поступает в клетки, они набухают, и хромосомы отдаляются друг от друга, не накладываясь. 3) Зрелые эритроциты человека не имеют ядра, а значит, и хромосом.

Связь с другими темами

Гибридологический метод — основа статей серии о законах Менделя; цитологический — продолжение тем о митозе («Митоз»), мейозе и мутациях; молекулярно-генетический связан с репликацией ДНК («Репликация ДНК») и биотехнологией; методы генетики человека — с генетикой пола и популяционной генетикой.

18. Для олимпиад

Неидеальная ПЦР

В пробирку внесли 10 молекул ДНК-матрицы. Эффективность каждого цикла 90 %, то есть число молекул за цикл увеличивается в 1,9 раза. Сколько молекул будет после 20 циклов? Во сколько раз это меньше, чем при идеальной эффективности? Ответ: 10 × 1,9²⁰ ≈ 3,8 миллиона; при идеальной — 10 × 2²⁰ ≈ 10,5 миллиона, то есть примерно в 2,8 раза больше. Небольшое снижение эффективности за много циклов сильно сказывается на результате. На этом основана количественная ПЦР: чем больше матрицы было в начале, тем раньше сигнал достигает порога; разница в три цикла означает, что матрицы было в 2³ = 8 раз больше.

Продукт точной длины

Праймеры ограничивают участок длиной 500 пар нуклеотидов внутри длинной молекулы ДНК. В первых циклах полимераза достраивает цепь от праймера «до упора», и получаются цепи длиннее нужного участка. Двухцепочечные молекулы точно нужной длины впервые появляются в третьем цикле. Число таких молекул после n циклов, начиная с одной молекулы, равно 2ⁿ − 2n. Проверьте формулу для n = 3 и оцените долю продукта точной длины после 30 циклов. Ответ: при n = 3 — 8 − 6 = 2 молекулы из 8. При n = 30 — 2³⁰ − 60 ≈ 1,07 миллиарда из 1,07 миллиарда: длинные молекулы растут лишь линейно (их 2n), а молекулы точной длины — экспоненциально, поэтому к концу реакции почти весь продукт имеет нужную длину.

Электрофорез и генотип

Участок гена длиной 1000 пар нуклеотидов у нормального аллеля A содержит место разрезания рестриктазой, делящее его на фрагменты 700 и 300 пар нуклеотидов. Мутантный аллель S отличается заменой одного нуклеотида, уничтожающей это место. Какие полосы будут на геле у людей с генотипами AA, AS и SS после ПЦР и обработки рестриктазой? Какая полоса окажется ближе всего к лунке? Ответ: AA — 700 и 300; SS — одна полоса 1000; AS — три полосы: 1000, 700 и 300. Ближе всего к лунке — самый длинный фрагмент (1000), дальше всего — 300. Так гетерозиготного носителя можно отличить от гомозиготы, хотя по фенотипу носитель здоров.

Тельца Барра

Сколько телец Барра в ядрах клеток людей с кариотипами 46,XX; 46,XY; 45,X; 47,XXY; 47,XXX; 48,XXXY? Почему люди с кариотипом 47,XXX обычно развиваются почти без отклонений, хотя у них лишняя хромосома, а трисомия по крупной аутосоме несовместима с жизнью? Ответ: число телец на одно меньше числа X-хромосом: 1, 0, 0, 1, 2, 2. Все X-хромосомы, кроме одной, почти полностью выключаются, поэтому лишняя X-хромосома мало меняет работу генов. Лишняя аутосома не выключается, и в клетках образуется в полтора раза больше продуктов сотен генов, что нарушает развитие.

19. Задания с разбором

Задание 1

Выберите три верных ответа. Принципы гибридологического метода: 1) использование чистых линий; 2) анализ отдельных пар альтернативных признаков; 3) количественный учёт потомков; 4) изучение хромосом под микроскопом; 5) определение последовательности нуклеотидов; 6) изучение родословных.

Задание 2

Установите соответствие между задачами и методами генетики. Задачи: А) определить число хромосом у плода; Б) выявить замену одного нуклеотида в гене; В) установить, доминантен ли признак у гороха; Г) установить отцовство; Д) выявить синдром Шерешевского — Тёрнера. Методы: 1) гибридологический; 2) цитогенетический; 3) молекулярно-генетический.

Задание 3

Почему горох оказался удобным объектом для опытов Менделя? Приведите не менее трёх причин.

Задание 4

Установите последовательность этапов кариотипирования: 1) обработка гипотоническим раствором; 2) выращивание лимфоцитов в питательной среде; 3) составление кариограммы; 4) обработка колхицином; 5) окрашивание препарата и микроскопия.

Задание 5

Почему гибридологический метод нельзя применить для изучения наследственности человека?

Задание 6

Выберите три верных ответа. Цитогенетическим методом можно выявить: 1) синдром Дауна; 2) синдром Клайнфельтера; 3) полиплоидию у растений; 4) серповидноклеточную анемию; 5) фенилкетонурию; 6) гемофилию.

Задание 7

Установите соответствие между стадиями ПЦР и температурами. Стадии: А) денатурация; Б) отжиг праймеров; В) синтез цепей. Температуры: 1) 94–95 °C; 2) 50–65 °C; 3) 72 °C.

Задание 8

Сколько копий участка ДНК получится из одной молекулы после 10 циклов ПЦР при идеальной эффективности? А из 5 молекул после 12 циклов?

Задание 9

Выберите три верных ответа. Для проведения ПЦР необходимы: 1) ДНК-матрица; 2) праймеры; 3) Taq-полимераза; 4) рибосомы; 5) ДНК-лигаза; 6) РНК-полимераза.

Задание 10

На геле после электрофореза видны две полосы ДНК: одна у самой лунки, другая далеко от неё. Какой фрагмент длиннее? К какому электроду двигалась ДНК и почему?

Задание 11

Для чего проводят реципрокные скрещивания? О чём говорит различие их результатов?

Задание 12

Выберите три верных ответа. Однояйцевые близнецы: 1) развиваются из одной зиготы; 2) имеют практически одинаковые генотипы; 3) всегда одного пола; 4) развиваются из двух яйцеклеток; 5) похожи генетически как обычные братья и сёстры; 6) могут быть разного пола.

Задание 13

Зачем при скрещивании гороха у материнского растения удаляют пыльники, а цветок закрывают мешочком? Почему пыльники удаляют ещё в бутоне?

Задание 14

Установите соответствие между признаками родословной и типом наследования. Признаки: А) признак в каждом поколении у обоих полов; Б) у здоровых родителей больные сын и дочь; В) болеют почти только мужчины, получая аллель от здоровых матерей; Г) признак передаётся от отца всем сыновьям. Типы: 1) аутосомно-доминантный; 2) аутосомно-рецессивный; 3) X-сцепленный рецессивный; 4) Y-сцепленный.

Задание 15

Почему для молекулярно-генетического анализа берут волос с луковицей, а не срезанные волосы?

Задание 16

Выберите три верных ответа. Цитологическим методом нельзя: 1) выявить замену одного нуклеотида; 2) определить последовательность гена; 3) обнаружить носительство рецессивного аллеля муковисцидоза; 4) определить число хромосом; 5) определить пол по кариотипу; 6) выявить трисомию по 21-й хромосоме.

Задание 17

Муковисцидоз — рецессивная болезнь, у европейцев она встречается примерно у 1 новорождённого из 2500. Каковы частота рецессивного аллеля и доля здоровых носителей? Какой метод генетики позволяет это рассчитать?

Задание 18

Объясните, почему в ПЦР используют полимеразу бактерии, живущей в горячих источниках.

Задание 19 (олимпиадное)

Мутация в гене β-глобина уничтожает место разрезания рестриктазы, и вместо фрагментов 1150 и 200 пар нуклеотидов образуется один фрагмент 1350. На геле у ребёнка видны полосы 1350, 1150 и 200, у его матери — только 1150 и 200. Каковы генотипы ребёнка и матери? Что можно сказать об отце, если он биологический отец?

Задание 20 (олимпиадное)

Конкордантность по шизофрении у однояйцевых близнецов составляет около 40–50 %, у разнояйцевых — около 10–17 %. О чём это говорит? Почему конкордантность однояйцевых близнецов не равна 100 %?

Литература

1. Hsu T. C. Mammalian chromosomes in vitro. I. The karyotype of man // Journal of Heredity. 1952. Vol. 43. P. 167–172.
2. Tjio J. H., Levan A. The chromosome number of man // Hereditas. 1956. Vol. 42. P. 1–6.
3. Barr M. L., Bertram E. G. A morphological distinction between neurones of the male and female, and the behaviour of the nucleolar satellite during accelerated nucleoprotein synthesis // Nature. 1949. Vol. 163. P. 676–677.
4. Painter T. S. A new method for the study of chromosome rearrangements and the plotting of chromosome maps // Science. 1933. Vol. 78. P. 585–586.
5. Saiki R. K., Scharf S., Faloona F. et al. Enzymatic amplification of β-globin genomic sequences and restriction site analysis for diagnosis of sickle cell anemia // Science. 1985. Vol. 230. P. 1350–1354.
6. Saiki R. K., Gelfand D. H., Stoffel S. et al. Primer-directed enzymatic amplification of DNA with a thermostable DNA polymerase // Science. 1988. Vol. 239. P. 487–491.
7. Sanger F., Nicklen S., Coulson A. R. DNA sequencing with chain-terminating inhibitors // Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA. 1977. Vol. 74. P. 5463–5467.
8. Jeffreys A. J., Wilson V., Thein S. L. Hypervariable ‘minisatellite’ regions in human DNA // Nature. 1985. Vol. 314. P. 67–73.
9. Polderman T. J. C., Benyamin B., de Leeuw C. A. et al. Meta-analysis of the heritability of human traits based on fifty years of twin studies // Nature Genetics. 2015. Vol. 47. P. 702–709.
10. ФИПИ. Кодификатор проверяемых требований к результатам освоения основной образовательной программы и элементов содержания для проведения ЕГЭ по биологии, 2027 г. М.: ФИПИ, 2026.