Задание о методах генетики выглядит простым: назвать метод, которым изучали признак. На деле ученики путают цитогенетический метод с молекулярным, генеалогический с близнецовым, а биохимический считают «анализом ДНК». Ошибка рождается из заучивания названий без понимания, что именно исследователь берёт в руки и какой вопрос задаёт. У каждого метода есть свой объект (скрещивание, родословная, хромосомы, фермент, частота аллеля, участок ДНК) и свой круг ответов. Если держать в голове цепочку «метод → объект → что узнаём», задания любой линии решаются уверенно.
В статье — все методы генетики из кодификатора ЕГЭ: как работает каждый, что он может и чего не может, какие числа и названия нужно помнить, как их спрашивают в разных линиях экзамена, а в конце — интересные факты, 12 заданий с разбором и список литературы. Рисунки — родословная, кариограмма, цикл ПЦР и электрофореграмма — используются в заданиях.
- Логика: метод, объект, вопрос
- Гибридологический метод
- Генеалогический метод
- Близнецовый метод
- Цитогенетический метод
- Биохимический метод
- Популяционно-статистический метод
- Молекулярно-генетические методы
- Методы биотехнологии
- Как методы работают вместе
- Как отвечать на экзамене
- Интересные факты
- Задания с разбором
- Литература
Логика: метод, объект, вопрос
Методы удобно расставить по уровням организации живого. На организменном уровне генотип остаётся «чёрным ящиком»: исследователь видит только признаки и то, как они передаются потомкам. Так работают гибридологический, генеалогический и близнецовый методы. На клеточном уровне объектом становятся хромосомы: их число, форма и поведение в делении. Это цитогенетический метод. На молекулярном уровне работают с самой ДНК и её продуктами — белками и ферментами: биохимический и молекулярно-генетические методы. Особняком стоит популяционно-статистический метод: его объект — не особь, а популяция, то есть частоты аллелей и генотипов.
| Метод | С чем работает | Что узнаём | Как спрашивают на ЕГЭ |
|---|---|---|---|
| Гибридологический | Скрещивания организмов, различающихся по признакам, и подсчёт потомков в ряду поколений | Характер наследования: доминантность, расщепление, сцепление генов, генотип родителя | Законы Менделя, анализирующее скрещивание, карты Моргана; «неприменим к человеку» |
| Генеалогический | Родословная семьи | Тип наследования признака, генотипы членов семьи, риск для потомков | Задачи с родословной (линия 28), «изучение признака в ряду поколений одной семьи» |
| Близнецовый | Однояйцевые и разнояйцевые близнецы | Вклад наследственности и среды в признак (конкордантность) | «У однояйцевых близнецов признак совпал в 100 % случаев» |
| Цитогенетический | Хромосомы под микроскопом, кариотип | Геномные и хромосомные мутации | Синдром Дауна, 47,XXY, «подсчёт хромосом» |
| Биохимический | Продукты обмена и ферменты в крови, моче, тканях | Наследственные болезни обмена, носительство | Фенилкетонурия, галактоземия, «пяточный тест» новорождённых |
| Популяционно-статистический | Частоты аллелей и генотипов в популяции | Распространённость аллелей, доля носителей, действует ли отбор | Закон Харди — Вайнберга, расчёт доли гетерозигот |
| Молекулярно-генетический | ДНК: ПЦР, электрофорез, секвенирование, ДНК-зонды | Конкретная мутация, ДНК-профиль, родство | ДНК-экспертиза, тест на вирус, «Геном человека» |
Главный приём. Прочитав условие, найдите, что именно исследовали: скрещивали и считали потомков — гибридологический; составляли родословную — генеалогический; сравнивали близнецов — близнецовый; смотрели хромосомы — цитогенетический; измеряли фермент или метаболит — биохимический; считали частоты в популяции — популяционно-статистический; работали с ДНК — молекулярно-генетический. Название болезни само по себе метод не определяет: синдром Дауна можно обнаружить и по кариотипу, и по ДНК плода в крови матери.
Гибридологический метод
Это первый и главный метод классической генетики: организмы, различающиеся по чётко выраженным признакам, скрещивают, а потомков в каждом поколении учитывают по отдельности и считают. Грегор Мендель, работая с горохом в саду монастыря в Брно, впервые превратил наблюдение за наследованием в количественный эксперимент. Успех определили четыре решения. Во-первых, удачный объект: горох — самоопылитель, поэтому его сорта представляют собой чистые линии, а при необходимости цветок легко опылить вручную. Во-вторых, Мендель взял не признак «вообще», а семь пар контрастных альтернативных признаков: жёлтые и зелёные семена, гладкие и морщинистые, высокий и низкий стебель и другие. В-третьих, он анализировал каждую пару признаков отдельно, а не растение целиком. В-четвёртых, он считал потомков и сравнивал численные отношения, чего до него никто не делал.
Условия метода полезно знать как список, потому что их спрашивают прямо.
- Родительские формы — чистые линии, то есть гомозиготы, дающие однородное потомство при самоопылении. Поэтому первое поколение единообразно.
- Родители различаются по небольшому числу контрастных признаков, которые не имеют промежуточных форм.
- Потомство каждой пары учитывают индивидуально, в каждом поколении, и по каждому признаку отдельно.
- Результаты обрабатывают статистически: закономерности видны только на больших числах. У Менделя во втором поколении было 6022 жёлтых и 2001 зелёное семя — отношение 3,01 : 1.
Метод позволяет установить, доминантен признак или рецессивен, как расщепляется потомство, наследуются ли два гена независимо или сцепленно, и каков генотип особи с доминантным фенотипом. Последнее решает анализирующее скрещивание: исследуемую особь скрещивают с рецессивной гомозиготой. Она даёт гаметы одного типа и ничего не скрывает, поэтому расщепление в потомстве прямо отражает гаметы исследуемой особи. Все потомки одинаковы — родитель гомозиготен (AA); расщепление 1 : 1 — гетерозиготен (Aa). Так же проверяют сцепление: дигетерозигота при независимом наследовании даёт в анализирующем скрещивании четыре класса 1 : 1 : 1 : 1, при сцеплении преобладают родительские сочетания, а доля рекомбинантов равна частоте кроссинговера. На этом основании Альфред Стёртевант, студент Томаса Моргана, в 1913 году построил первую генетическую карту: расстояние между генами измеряется процентом кроссинговера, 1 % принят за единицу, которую позже назвали морганидой.
Почему метод неприменим к человеку. Этот вопрос встречается в развёрнутых ответах, и нужны конкретные причины: нельзя подбирать пары и ставить скрещивания по воле экспериментатора; детей в семье мало, статистику по одной семье набрать невозможно; поколения сменяются через 20–30 лет; у человека 23 пары хромосом и десятки тысяч генов, большинство признаков зависят от многих генов и от среды. Поэтому для человека разработаны особые методы: генеалогический, близнецовый, популяционно-статистический, а также общие с другими объектами цитогенетический, биохимический и молекулярные.
Открытие, которого не заметили. Мендель доложил результаты Обществу естествоиспытателей в Брно в 1865 году и опубликовал их в 1866-м. Работа пролежала без внимания 35 лет: в 1900 году Гуго де Фриз, Карл Корренс и Эрих Чермак независимо получили такие же расщепления и, разбирая литературу, нашли статью Менделя. Слово «генетика» предложил Уильям Бэтсон в 1906 году, слово «ген» — Вильгельм Иогансен в 1909-м. Объекты сменяли друг друга: горох Менделя, дрозофила Моргана с четырьмя парами хромосом и сменой поколений за две недели, нейроспора Бидла и Тейтема, кишечная палочка и фаги молекулярной генетики, мышь и арабидопсис.
Генеалогический метод
Для человека роль контролируемого скрещивания играет история семьи. Генеалогический метод — это составление и анализ родословной: исследователь прослеживает признак в нескольких поколениях и по тому, как он распределён между родственниками, судит о его наследовании. Родословную рисуют по единым правилам. Мужчин обозначают квадратами, женщин — кругами, людей с изучаемым признаком закрашивают, брак показывают горизонтальной линией между супругами, детей — вертикальными линиями от общей линии сибсов (братьев и сестёр). Поколения нумеруют римскими цифрами сверху вниз, людей внутри поколения — арабскими слева направо. Человека, с которого началось составление родословной, называют пробандом и отмечают стрелкой.
Тип наследования определяют по нескольким признакам, которые стоит знать твёрдо: они повторяются в задании 28 из года в год.
| Тип наследования | Как выглядит в родословной | Примеры |
|---|---|---|
| Аутосомно-доминантный | Признак в каждом поколении; у больного родителя больна примерно половина детей; мужчины и женщины страдают одинаково часто; у здоровых родителей больных детей не бывает | Полидактилия, ахондроплазия, хорея Гентингтона, брахидактилия |
| Аутосомно-рецессивный | Признак «пропускает» поколения; у здоровых родителей-носителей рождается больной ребёнок (риск 1/4); оба пола поровну; чаще при близкородственных браках | Фенилкетонурия, альбинизм, муковисцидоз, галактоземия |
| Рецессивный, сцепленный с X | Болеют почти только мужчины; больной отец передаёт аллель всем дочерям (они здоровы, но носительницы) и ни одному сыну; у матери-носительницы больна половина сыновей | Гемофилия, дальтонизм, миодистрофия Дюшенна |
| Доминантный, сцепленный с X | Болеют оба пола, женщины чаще; больной отец передаёт признак всем дочерям и ни одному сыну; больная мать — половине детей любого пола | Витамин-D-резистентный рахит |
| Y-сцепленный (голандрический) | Только мужчины; от отца — всем сыновьям без исключения | Гипертрихоз ушной раковины (классический, хотя и спорный учебный пример) |
Установив тип наследования, по родословной определяют генотипы членов семьи и рассчитывают вероятность рождения ребёнка с признаком. В этом состоит основа медико-генетического консультирования: семья с наследственной болезнью в анамнезе получает не общие слова, а число — риск для будущего ребёнка. Родословная на рисунке выше разбирается в задании 5.
«Болеют только мужчины» — ещё не Y-сцепление. Если признак встречается только у мужчин и передаётся от отца ко всем сыновьям, он сцеплен с Y. Если же больные мужчины рождаются у здоровых родителей, а сыновья больного отца здоровы, перед вами рецессивный признак, сцепленный с X: он проходит через здоровых матерей. Женщины с таким признаком бывают, но редко: нужно получить рецессивный аллель от обоих родителей, то есть отец должен быть болен.
Близнецовый метод
Метод предложил Фрэнсис Гальтон в 1875 году, чтобы разделить вклад «природы и воспитания». Его объект — два типа близнецов. Однояйцевые (монозиготные) развиваются из одной зиготы, которая на ранних стадиях дробления разделилась на два зародыша: их генотипы одинаковы, пол совпадает. Разнояйцевые (дизиготные) развиваются из двух яйцеклеток, оплодотворённых двумя сперматозоидами: генетически это обычные братья и сёстры, у которых в среднем половина аллелей общая, пол может различаться. Если признак определяется генами, у однояйцевых близнецов он должен совпадать намного чаще, чем у разнояйцевых. Если признак зависит главным образом от среды, совпадать он будет одинаково часто у тех и других.
Мерой совпадения служит конкордантность — доля пар, в которых признак есть у обоих близнецов. Классические сводки выглядят примерно так.
| Признак | Однояйцевые, % | Разнояйцевые, % | Вывод |
|---|---|---|---|
| Группа крови AB0 | 100 | около 45 | Определяется только генотипом |
| Цвет глаз | около 100 | около 30 | Наследственность решает почти всё |
| Корь | около 98 | около 94 | Инфекция: среда одинаково действует на обоих |
| Туберкулёз | около 65 | около 25 | Есть наследственная предрасположенность, но нужен возбудитель |
| Шизофрения | около 50 | около 15 | Сильный генетический компонент, но и среда важна |
| Косолапость | около 30 | около 3 | Наследственность важна, проявление зависит от условий развития |
Читать такую таблицу нужно по двум вопросам. Насколько однояйцевые опережают разнояйцевых? Чем больше разрыв, тем больше вклад генотипа. Достигает ли конкордантность у однояйцевых 100 %? Если нет, признак зависит и от среды, ведь генотипы у этих близнецов одинаковы. У метода есть ограничения: однояйцевые близнецы и среду обычно делят теснее, чем разнояйцевые, а разлучённые при рождении пары редки. Тем не менее именно по близнецам впервые показали, что рост, интеллект, предрасположенность к диабету и многим психическим болезням имеют заметную наследственную составляющую.
Коэффициент наследуемости. В олимпиадных задачах вклад генотипа оценивают по формуле Хольцингера: H = (CМЗ − CДЗ) / (100 − CДЗ), где C — конкордантность в процентах. Для шизофрении по данным таблицы H = (50 − 15) / 85 ≈ 0,4; для кори — (98 − 94) / 6 ≈ 0,7, но здесь формула обманывает: высокая конкордантность у обоих типов близнецов говорит об общей среде, а не о генах. Поэтому сначала смотрят на абсолютные значения, потом на разность.
Цитогенетический метод
Цитогенетический метод изучает хромосомы под микроскопом: их число, размер, форму, положение центромеры и рисунок полос после окрашивания. Набор хромосом клетки называют кариотипом; у человека это 46 хромосом — 22 пары аутосом и две половые хромосомы, XX или XY. Метод стал возможен только в 1950-х годах, когда научились останавливать деление на метафазе и разделять хромосомы в клетке. Ход исследования стоит запомнить как последовательность: его спрашивают в заданиях на порядок действий.
- Берут кровь и выделяют лимфоциты. В культуре с веществом, стимулирующим деление, они через двое-трое суток начинают делиться.
- Добавляют колхицин — яд веретена деления. Хромосомы уже спирализованы и видны, но разойтись к полюсам не могут: деление останавливается на метафазе.
- Клетки помещают в гипотонический раствор: они набухают, и хромосомы отодвигаются друг от друга.
- Клетки фиксируют, наносят на стекло, окрашивают. Краситель Гимза даёт на каждой хромосоме свой рисунок поперечных полос, по которому её можно узнать.
- Метафазные пластинки фотографируют, хромосомы на снимке вырезают и раскладывают по парам от самой крупной к самой мелкой — получают кариограмму.
- Сравнивают с нормой: считают число хромосом, ищут изменения структуры.
Три похожих слова. Кариотип — это сам набор хромосом организма, его характеристика (46,XY). Кариограмма — фотография хромосом одной клетки, разложенных по парам. Идиограмма — обобщённая схема кариотипа вида, на которой каждая хромосома нарисована со стандартным рисунком полос. Запись кариотипа: сначала общее число хромосом, затем половые хромосомы, затем отклонения: 47,XY,+21 — мужчина с трисомией по 21-й хромосоме; 45,X — женщина с одной X-хромосомой.
Метод выявляет два класса мутаций. Геномные мутации меняют число хромосом: трисомии, моносомии, полиплоидию. Хромосомные мутации меняют структуру: утрату участка (делецию), удвоение (дупликацию), поворот участка на 180° (инверсию), перенос участка на другую хромосому (транслокацию). Генные мутации — замену, выпадение или вставку отдельных нуклеотидов — под микроскопом не видно, для них нужны молекулярные методы.
| Синдром | Кариотип | Тип мутации | Что характерно |
|---|---|---|---|
| Дауна | 47,XX,+21 или 47,XY,+21 | Геномная, трисомия | Умственная отсталость, характерные черты лица, пороки сердца; риск растёт с возрастом матери; 1 случай на 700 новорождённых |
| Патау | 47,+13 | Геномная, трисомия | Тяжёлые пороки развития, расщелина губы и нёба, большинство детей не доживают до года |
| Эдвардса | 47,+18 | Геномная, трисомия | Множественные пороки, низкая масса при рождении |
| Шерешевского — Тёрнера | 45,X | Геномная, моносомия | Женщины низкого роста, недоразвитие яичников, бесплодие; интеллект обычно сохранён |
| Клайнфельтера | 47,XXY | Геномная, трисомия по половым хромосомам | Мужчины высокого роста, недоразвитие семенников, бесплодие |
| Трисомия X | 47,XXX | Геномная | Часто без заметных проявлений |
| «Кошачьего крика» | 46,XX,5p− (или XY) | Хромосомная, делеция | Утрачен участок короткого плеча 5-й хромосомы; характерный плач, умственная отсталость |
Цитогенетический анализ — основа пренатальной диагностики. На 10–12-й неделе беременности можно взять ворсины хориона, на 15–18-й — околоплодные воды с клетками плода (амниоцентез) и определить кариотип. Оба способа связаны с небольшим риском для беременности, поэтому сегодня их назначают после скрининга. Современное продолжение метода — флуоресцентная гибридизация in situ (FISH): к хромосомам на стекле добавляют ДНК-зонды со светящейся меткой, которые садятся только на определённый участок. Три светящиеся точки вместо двух означают трисомию; такой анализ не требует делящихся клеток и годится даже для интерфазных ядер.
Тельце Барра. В клетках женщин одна из двух X-хромосом инактивирована и видна в интерфазном ядре как плотный комочек у оболочки — половой хроматин, или тельце Барра. Число телец Барра на единицу меньше числа X-хромосом: у женщины XX одно, у мужчины XY ни одного, при 47,XXY одно, при 47,XXX два. Подсчёт телец Барра в соскобе со слизистой щеки — быстрый, хотя и грубый, способ оценить набор половых хромосом; до 1990-х годов его использовали для проверки пола спортсменок.
Биохимический метод
Ген кодирует белок, часто фермент. Если ген повреждён, фермент не работает, и в клетке накапливается вещество, которое он должен был переработать, а продукта не хватает. Биохимический метод ловит именно это: в крови, моче или тканях измеряют содержание метаболитов и активность ферментов. Первым так рассуждал английский врач Арчибальд Гаррод. В 1902 году он описал алкаптонурию, при которой моча темнеет на воздухе, показал, что болезнь наследуется как рецессивный признак Менделя, и назвал такие состояния «врождёнными ошибками метаболизма». Это было первое указание на связь гена с ферментом, за сорок лет до опытов Бидла и Тейтема на нейроспоре, о которых рассказано в статье о сумчатых грибах.
Главный школьный пример — фенилкетонурия. При ней не работает фермент фенилаланингидроксилаза, превращающий аминокислоту фенилаланин в тирозин. Фенилаланин накапливается в крови, его побочные продукты повреждают развивающийся мозг, и без лечения ребёнок становится умственно отсталым. Диагноз ставят на третий-четвёртый день жизни по капле крови из пятки: это неонатальный скрининг, который в России обязателен для всех новорождённых и с 2023 года охватывает 36 наследственных болезней. Лечение — диета с низким содержанием фенилаланина с первых недель жизни, и ребёнок развивается нормально. Это лучший пример того, что проявление гена зависит от среды: генотип не изменился, а фенотип — да.
Биохимический метод выявляет и другие болезни обмена. При галактоземии не усваивается галактоза молока, и ребёнка спасает замена молока. При альбинизме отсутствует тирозиназа, нет меланина. При серповидноклеточной анемии изменён не фермент, а гемоглобин: в 1949 году Лайнус Полинг показал, что гемоглобин больных при электрофорезе движется иначе, чем нормальный, потому что замена одной аминокислоты изменила заряд молекулы. Так впервые была описана «молекулярная болезнь». Важное свойство метода: он находит и гетерозиготных носителей, у которых активность фермента снижена примерно вдвое, хотя они здоровы. Поэтому биохимический скрининг носителей, например болезни Тея — Сакса, позволяет предупредить рождение больного ребёнка ещё до брака.
Биохимический — не молекулярный. Биохимический метод работает с продуктами гена: ферментами, гормонами, метаболитами. Он не читает ДНК. Если в условии измеряли фенилаланин в крови или активность фермента — метод биохимический; если искали мутацию в гене, делали ПЦР или секвенирование — молекулярно-генетический. Оба метода выявляют генные мутации, но на разных уровнях: один по следствию, другой по причине.
Популяционно-статистический метод
Этот метод отвечает на вопросы о группах людей: как часто встречается аллель, сколько в популяции здоровых носителей рецессивной болезни, действует ли на признак отбор. Его основа — закон, который в 1908 году независимо сформулировали английский математик Годфри Харди и немецкий врач Вильгельм Вайнберг. В большой популяции, где скрещивание случайно, нет отбора, мутаций и миграций, частоты аллелей из поколения в поколение не меняются, а частоты генотипов связаны с ними простой формулой. Если частота аллеля A равна p, а аллеля a — q, причём p + q = 1, то доли генотипов AA, Aa и aa равны p², 2pq и q².
Расчёт почти всегда идёт от q²: это доля рецессивных гомозигот, то есть больных, которую можно сосчитать. Фенилкетонурия в Европе встречается примерно у одного новорождённого из 10 000. Значит, q² = 0,0001, q = 0,01, p = 0,99, а доля гетерозиготных носителей 2pq = 2 · 0,99 · 0,01 ≈ 0,02. Каждый пятидесятый человек — носитель, хотя болен лишь один из десяти тысяч: носителей в 200 раз больше, чем больных. Это общее правило для редких рецессивных болезней, и его стоит помнить как вывод, а не только как число. Для признаков, сцепленных с X, расчёт проще: у мужчин одна X-хромосома, поэтому доля больных мужчин прямо равна частоте аллеля q. Дальтонизмом страдают около 8 % мужчин, значит q = 0,08, а среди женщин больных q² = 0,0064, меньше процента.
Как решать. Шаг 1: найти в условии долю рецессивных гомозигот и записать её как q². Шаг 2: извлечь корень — получить q. Шаг 3: p = 1 − q. Шаг 4: доля гетерозигот 2pq, доминантных гомозигот p². Если спрашивают число людей, умножить долю на численность. Если популяция не «идеальна», то есть реальные частоты генотипов отличаются от расчётных, значит, на неё действуют факторы эволюции: отбор, миграция, неслучайное скрещивание. Так закон Харди — Вайнберга становится инструментом эволюционной биологии: отклонение от равновесия — признак того, что популяция эволюционирует. Расчётные задачи на этот закон разобраны в статье о формулах в задании 26.
Молекулярно-генетические методы
Молекулярные методы работают с самой наследственной молекулой. Общий путь такой: ДНК выделяют из клеток, размножают нужный участок, разделяют фрагменты по длине и читают последовательность нуклеотидов. Каждый шаг — отдельный метод со своим именем.
Полимеразная цепная реакция
ПЦР размножает в пробирке один-единственный участок ДНК, не трогая остальной геном. Для этого нужны матрица, два праймера — короткие синтетические цепочки, комплементарные концам нужного участка, — набор нуклеотидов и термостабильная ДНК-полимераза. Реакция идёт циклами из трёх стадий, которые задаёт прибор, меняя температуру.
Температура 94–96 °C рвёт водородные связи, и двойная спираль расходится. При 50–65 °C праймеры садятся на свои участки на разошедшихся цепях. При 72 °C полимераза достраивает новые цепи от праймеров. Обычная полимераза при 95 °C разрушилась бы, поэтому используют фермент бактерии Thermus aquaticus из горячих источников — Taq-полимеразу. Каждый цикл удваивает число копий: после n циклов из одной молекулы получается 2n, после 30 циклов — около миллиарда. Метод изобрёл Кэри Муллис в 1983 году и получил за него Нобелевскую премию 1993 года. Специфичность ПЦР задают праймеры: они найдут ген вируса среди миллиардов нуклеотидов человеческой ДНК, и именно так устроен тест на коронавирус, ВИЧ, гепатиты, туберкулёз. Для РНК-вирусов перед ПЦР РНК переписывают в ДНК обратной транскриптазой. Как идёт реакция по стадиям, можно посмотреть в интерактивной модели ПЦР; подробный обзор — в статье «ПЦР: обзорно для олимпиадников».
Электрофорез
Результат ПЦР и любой набор фрагментов ДНК анализируют гель-электрофорезом. ДНК заряжена отрицательно из-за фосфатных групп, поэтому в электрическом поле движется к положительному электроду. Гель из агарозы работает как сито: короткие фрагменты проходят быстрее, длинные отстают. Через полчаса-час фрагменты разной длины расходятся в полосы, которые видны после окрашивания. Рядом с образцами пускают маркер — смесь фрагментов известной длины, по которой определяют размер. Так проверяют, прошла ли ПЦР, сравнивают ДНК родственников, выявляют мутации, которые создают или разрушают сайт рестрикции. На рисунке ниже — анализ семьи с серповидноклеточной анемией; он разбирается в задании 8. Попробовать метод самому можно в модели электрофореза.
Секвенирование
Секвенирование — прочтение последовательности нуклеотидов. Метод Фредерика Сэнгера (1977) основан на нуклеотидах, которые обрывают растущую цепь, и даёт по нескольку сотен нуклеотидов за одно прочтение. Его хватило, чтобы международная программа «Геном человека» (1990–2003) прочитала около 3,1 млрд пар нуклеотидов и насчитала примерно 20 тысяч генов, кодирующих белки, — всего около 1,5 % ДНК. Современные методы (секвенирование нового поколения) читают миллионы фрагментов параллельно, и геном человека сегодня стоит меньше тысячи долларов и занимает дни. Секвенирование находит точную мутацию у больного, выявляет носительство, а в эволюционной биологии даёт материал для сравнения геномов и построения филогенетических деревьев — об этом статья о молекулярных часах и кладограммах.
ДНК-идентификация и ДНК-чипы
В геноме человека есть участки с короткими повторами, число которых у разных людей различается. Набор длин таких повторов в 15–20 участках уникален, как отпечаток пальца, и наследуется по Менделю: половина от отца, половина от матери. На этом основаны ДНК-дактилоскопия в криминалистике (Алек Джеффрис, 1984) и установление родства: ребёнок не может иметь фрагмент, которого нет ни у матери, ни у предполагаемого отца. Разобрать такой случай можно в модели ДНК-экспертизы родства. ДНК-чипы — пластинки с тысячами закреплённых коротких фрагментов ДНК: образец с флуоресцентной меткой связывается только с комплементарными участками, и за один опыт проверяют тысячи известных вариантов генов. Так работают тесты на предрасположенность к болезням и генотипирование в селекции.
Методы биотехнологии
Методы генной и клеточной инженерии не столько изучают наследственность, сколько изменяют её. В кодификаторе они вынесены в отдельную тему, но в заданиях о методах встречаются рядом с ПЦР и секвенированием, поэтому их стоит различать.
| Направление | С чем работают | Инструменты и приёмы | Результаты |
|---|---|---|---|
| Генная инженерия | Гены, рекомбинантная ДНК | Рестриктазы режут ДНК в определённых местах; лигазы сшивают фрагменты; векторы (плазмиды, вирусы) переносят ген в клетку; маркерные гены устойчивости к антибиотикам помогают отобрать клетки, принявшие вектор; редактирование генома системой CRISPR-Cas9 | Инсулин, гормон роста, интерферон, вакцина против гепатита B из дрожжей; трансгенные растения (Bt-кукуруза, «золотой рис»); генная терапия |
| Клеточная инженерия | Клетки и ткани вне организма | Культура клеток и тканей на питательных средах; микроклональное размножение растений; слияние соматических клеток; пересадка ядра; гибридомы | Безвирусный посадочный материал, моноклональные антитела, клонированные животные (овца Долли, 1996), стволовые клетки для лечения |
Классический пример генной инженерии — человеческий инсулин. Ген инсулина встроили в плазмиду, плазмиду ввели в кишечную палочку, и бактерии стали синтезировать человеческий белок; с 1982 года больные диабетом получают такой инсулин вместо свиного. Классический пример клеточной инженерии — гибридизация соматических клеток человека и мыши: гибридные клетки постепенно теряют человеческие хромосомы, и по тому, какой человеческий белок исчезает вместе с какой хромосомой, в 1970-х годах впервые картировали гены человека. Подробнее — в уроке тренажёра «Биотехнология».
Как методы работают вместе
В реальной диагностике методы выстраиваются в цепочку. Возьмём фенилкетонурию. Биохимический скрининг новорождённого находит избыток фенилаланина — это сигнал, но не диагноз: похожую картину дают и другие нарушения. Молекулярно-генетический анализ находит мутацию в гене фенилаланингидроксилазы и подтверждает диагноз; известно больше тысячи вариантов этого гена, и от варианта зависит тяжесть болезни. Генеалогический метод объясняет семье, что оба родителя — здоровые носители, и риск для каждого следующего ребёнка — 1/4. Популяционно-статистический метод говорит, что носитель — примерно каждый пятидесятый, поэтому скрининг нужен всем новорождённым, а не только детям из семей с больными.
Другой пример — синдром Дауна. Скрининг беременных сочетает ультразвук с биохимическими маркерами в крови матери. При повышенном риске делают неинвазивный пренатальный тест: в крови матери есть фрагменты ДНК плода, и молекулярный метод подсчитывает, не слишком ли много среди них фрагментов 21-й хромосомы. Окончательный диагноз ставит цитогенетический метод: кариотип клеток плода из околоплодных вод. Так три уровня — молекула, хромосома, организм — дают один ответ.
Как отвечать на экзамене
В кодификаторе ЕГЭ методы генетики появляются дважды: в теме о генетике как науке (гибридологический, цитогенетический, молекулярно-генетический методы, объекты генетики) и в теме о генетике человека (генеалогический, близнецовый, цитогенетический, биохимический, популяционно-статистический, молекулярно-генетический; кариотип; наследственные болезни; медико-генетическое консультирование). В первой части они встречаются в заданиях на термины, соответствие и работу с таблицей; во второй — в развёрнутых ответах («почему гибридологический метод не применим к человеку», «какой метод и почему используют для диагностики синдрома Дауна») и в задачах с родословной. Конспекты тренажёра: уроки «Методы генетики», «Кариотип и геном человека, ПЦР, родословная», «Близнецовый, популяционно-статистический и цитогенетический методы» и «Наследственные болезни и консультирование»; задания — в темах 3.2 и 3.5 тренажёра ЕГЭ по биологии.
| Слова в условии | Метод |
|---|---|
| «Скрещивание», «чистые линии», «учёт потомков», «расщепление» | Гибридологический |
| «Родословная», «в ряду поколений одной семьи», «пробанд» | Генеалогический |
| «Однояйцевые и разнояйцевые близнецы», «конкордантность», «роль среды» | Близнецовый |
| «Кариотип», «число хромосом», «метафазная пластинка», «колхицин», «трисомия» | Цитогенетический |
| «Активность фермента», «содержание фенилаланина», «продукты обмена», «пяточный тест» | Биохимический |
| «Частота аллеля в популяции», «доля носителей», «Харди — Вайнберг» | Популяционно-статистический |
| «ПЦР», «праймеры», «секвенирование», «последовательность нуклеотидов», «ДНК-зонд», «электрофорез ДНК» | Молекулярно-генетический |
| «Рестриктаза», «плазмида», «вектор», «трансгенный» | Генная инженерия |
| «Культура тканей», «пересадка ядра», «гибридома», «клонирование» | Клеточная инженерия |
Частые ошибки. Синдром Дауна называют генной мутацией — это геномная (лишняя хромосома), а синдром «кошачьего крика» — хромосомная (делеция). Биохимический метод записывают как «анализ ДНК» — он анализирует ферменты и метаболиты. Близнецовый метод путают с генеалогическим: первый сравнивает близнецов, второй прослеживает поколения. При расчёте по Харди — Вайнбергу долю больных подставляют вместо q, а не q², и забывают извлечь корень. Пишут, что при ПЦР «ДНК режут рестриктазами», — её копируют полимеразой; рестриктазы нужны в генной инженерии. Кариотип 47,XXY называют женским — наличие Y делает организм мужским. Считают, что у однояйцевых близнецов всегда всё одинаково, — одинаковы генотипы, а не фенотипы.
Интересные факты
- Тридцать лет, с 1923 по 1956 год, в учебниках стояло число 48 хромосом у человека. Правильное число 46 установили Джо Хин Тио и Альберт Леван, применив гипотонический раствор и колхицин, — те самые приёмы, что лежат в основе цитогенетического метода.
- Taq-полимеразу выделили из бактерии, которую Томас Брок нашёл в 1966 году в горячем источнике Йеллоустонского парка при температуре около 70 °C. Без неё каждый цикл ПЦР требовал бы добавлять новый фермент.
- Первое дело, раскрытое по ДНК (Англия, 1986–1987), началось с оправдания: ДНК-дактилоскопия показала невиновность уже признавшегося подозреваемого, а настоящего преступника нашли, проверив ДНК нескольких тысяч мужчин округи.
- Программа «Геном человека» обошлась примерно в три миллиарда долларов и заняла тринадцать лет. Сегодня геном одного человека читают за день-два, а старейшая прочитанная ДНК — мамонта возрастом более миллиона лет.
- Однояйцевые близнецы — естественные клоны, но у них разные отпечатки пальцев, а с возрастом накапливаются различия в работе генов: они зависят от образа жизни. По этим различиям изучают, как среда «включает» и «выключает» гены.
- Статистик Рональд Фишер в 1936 году заметил, что расщепления Менделя слишком близки к идеальным 3 : 1 — вероятность такого совпадения ничтожна. Спор о том, помогал ли Менделю усердный садовник, идёт до сих пор, но сами законы подтверждены тысячами опытов.
- До 1999 года пол участниц Олимпийских игр проверяли по тельцу Барра в клетках слизистой щеки. Тест отменили: он отсеивал женщин с нарушениями развития половых хромосом, не дававшими никакого спортивного преимущества.
Задания с разбором
Задание 1. Множественный выбор
Выберите три верных утверждения о методах генетики человека.
- Гибридологический метод — основной метод изучения наследственности человека.
- Генеалогический метод позволяет установить тип наследования признака.
- Близнецовый метод оценивает вклад наследственности и среды в развитие признака.
- Цитогенетический метод выявляет генные мутации, например замену одного нуклеотида.
- Биохимический метод выявляет наследственные нарушения обмена веществ.
- Популяционно-статистический метод основан на анализе родословных.
Разбор
Верно 2, 3 и 5. Неверно 1 — к человеку гибридологический метод неприменим; 4 — под микроскопом видны только геномные и хромосомные мутации, замену нуклеотида выявляют молекулярные методы; 6 — популяционно-статистический метод считает частоты аллелей и генотипов, родословные — объект генеалогического метода.
Ответ: 235.
Задание 2. Установите соответствие
Установите соответствие между исследованием и методом генетики: 1) цитогенетический; 2) биохимический; 3) молекулярно-генетический.
А) определение активности фермента в крови новорождённого; Б) подсчёт хромосом в метафазной пластинке; В) секвенирование гена; Г) выявление трисомии по 13-й хромосоме в кариотипе; Д) ПЦР-тест на носительство мутации; Е) определение содержания фенилаланина в крови.
Разбор
Фермент и фенилаланин — продукты обмена, их измеряет биохимический метод (А, Е — 2). Хромосомы и кариотип — цитогенетический (Б, Г — 1). Секвенирование и ПЦР работают с ДНК — молекулярно-генетический (В, Д — 3).
Ответ: 213132.
Задание 3. Установите соответствие
Установите соответствие между признаком родословной и типом наследования: 1) аутосомно-рецессивный; 2) рецессивный, сцепленный с X-хромосомой.
А) болеют почти исключительно мужчины; Б) признак проявляется у детей здоровых родителей одинаково часто у мальчиков и девочек; В) больной отец передаёт аллель всем дочерям и ни одному сыну; Г) частота повышена в близкородственных браках; Д) у здоровой матери-носительницы больна половина сыновей; Е) оба родителя больного ребёнка — гетерозиготы.
Разбор
А, В, Д описывают наследование через X-хромосому: мужчина получает единственную X от матери, а передаёт её только дочерям (2). Б, Г, Е — черты аутосомно-рецессивного признака: оба пола поровну, оба родителя — носители, а близкородственный брак повышает шанс встречи двух одинаковых рецессивных аллелей (1).
Ответ: 212121.
Задание 4. Установите последовательность
Установите последовательность этапов определения кариотипа человека.
- обработка клеток колхицином
- взятие крови и культивирование лимфоцитов
- фотографирование метафазной пластинки и раскладка хромосом по парам
- обработка клеток гипотоническим раствором
- фиксация и окрашивание хромосом на стекле
- подсчёт числа хромосом и анализ их структуры
Разбор
Сначала нужны делящиеся клетки (2), затем деление останавливают на метафазе (1), хромосомы разводят гипотоническим раствором (4), фиксируют и красят (5), фотографируют и раскладывают (3), после чего анализируют (6).
Ответ: 214536.
Задание 5. Родословная
По родословной на рисунке в разделе о генеалогическом методе определите характер наследования признака (доминантный или рецессивный, сцеплен с полом или нет). Установите генотипы родителей I-1 и I-2, а также II-4, II-6, III-7 и III-8. Какова вероятность рождения ребёнка с признаком у женщины III-8, если она выйдет замуж за здорового мужчину?
Разбор
Признак проявляется у сыновей здоровых родителей в двух поколениях, значит, он рецессивный. Все больные — мужчины, и в обоих случаях признак пришёл через здоровую мать: так наследуется рецессивный признак, сцепленный с X-хромосомой (аутосомно-рецессивное наследование полностью исключить нельзя, но оно не объясняет, почему больны только мужчины). Обозначим аллели XA и Xa.
I-1 здоров: XAY. I-2 здорова, но родила больного сына: XAXa. II-3: XaY. II-4 здорова, её сын III-7 болен, значит, она носительница: XAXa. II-6 здоров: XAY. III-7: XaY. III-8 получила XA от отца, а от матери — XA или Xa с равной вероятностью: XAXA или XAXa, по 1/2.
Если III-8 — носительница (вероятность 1/2), в браке со здоровым мужчиной XAY четверть детей (половина сыновей) получит XaY. Итоговая вероятность 1/2 · 1/4 = 1/8, или 12,5 %; среди сыновей — 1/4.
Ответ: рецессивный, сцепленный с X; I-1 XAY, I-2 XAXa, II-4 XAXa, II-6 XAY, III-7 XaY, III-8 XAXA или XAXa; вероятность 1/8 (12,5 %).
Задание 6. Закон Харди — Вайнберга
Муковисцидоз — аутосомно-рецессивная болезнь, которой страдает один новорождённый из 2500. Считая популяцию равновесной, определите частоты аллелей и долю здоровых носителей. Сколько носителей приходится на 10 000 человек?
Разбор
Доля больных q² = 1/2500 = 0,0004, откуда q = 0,02 и p = 0,98. Носители — гетерозиготы: 2pq = 2 · 0,98 · 0,02 = 0,0392, около 4 %, то есть примерно каждый двадцать пятый. На 10 000 человек — 392 носителя при четырёх больных: носителей почти в сто раз больше.
Ответ: q = 0,02; p = 0,98; носителей 3,9 % (392 на 10 000).
Задание 7. ПЦР
В пробирку внесли одну двуцепочечную молекулу ДНК с нужным участком. Сколько двуцепочечных копий участка будет после 10 циклов ПЦР? Сколько циклов потребуется, чтобы число копий превысило миллион?
Разбор
Каждый цикл удваивает число молекул: после n циклов их 2n. После 10 циклов 210 = 1024. Миллион — это чуть меньше 220 = 1 048 576, значит, нужно 20 циклов (после 19 циклов копий 524 288).
Ответ: 1024; 20 циклов.
Задание 8. Работа с рисунком
На электрофореграмме в разделе о молекулярных методах показан анализ семьи на серповидноклеточную анемию. Участок гена гемоглобина длиной 380 пар нуклеотидов размножили ПЦР и обработали рестриктазой, которая режет нормальный аллель A на фрагменты 200 и 180 пар нуклеотидов; мутация в аллеле S разрушает сайт рестрикции. Определите генотипы членов семьи. Кто из детей болен? Какова вероятность рождения больного ребёнка при следующей беременности?
Разбор
Аллель A даёт две полосы (200 и 180), аллель S — одну (380). У отца и матери три полосы — гетерозиготы AS, здоровые носители. У ребёнка 1 только полоса 380 — генотип SS, он болен. У ребёнка 2 полосы 200 и 180 — AA, здоров и не носитель. У ребёнка 3 три полосы — AS, носитель. Брак AS × AS даёт 1/4 SS, то есть вероятность 25 %.
Ответ: родители AS; дети SS (болен), AA, AS; вероятность 1/4.
Задание 9. Найдите ошибки в тексте
Найдите три ошибки в приведённом тексте, укажите номера предложений и исправьте их.
(1) Генетика человека использует особые методы, потому что к человеку неприменим гибридологический метод. (2) Генеалогический метод состоит в изучении кариотипа членов одной семьи. (3) Близнецовый метод сравнивает однояйцевых и разнояйцевых близнецов и позволяет оценить роль среды в формировании признака. (4) Однояйцевые близнецы развиваются из двух яйцеклеток, оплодотворённых одновременно. (5) Цитогенетический метод выявляет геномные и хромосомные мутации, например синдром Дауна. (6) Биохимический метод основан на определении последовательности нуклеотидов в ДНК. (7) Популяционно-статистический метод опирается на закон Харди — Вайнберга.
Разбор
2 — генеалогический метод изучает родословные, а не кариотипы. 4 — однояйцевые близнецы развиваются из одной зиготы, разделившейся на ранних стадиях дробления; из двух яйцеклеток развиваются разнояйцевые. 6 — биохимический метод определяет активность ферментов и содержание продуктов обмена; последовательность нуклеотидов читает молекулярно-генетический метод (секвенирование).
Ответ: ошибки в предложениях 2, 4, 6.
Задание 10. Развёрнутый ответ
Почему гибридологический метод не применяют для изучения наследственности человека? Назовите не менее четырёх причин и укажите, какие методы используют вместо него.
Разбор
1) Нельзя ставить эксперименты по скрещиванию и подбирать родительские пары по воле исследователя. 2) Малочисленное потомство: в одной семье невозможно получить статистически значимые расщепления. 3) Позднее половое созревание и медленная смена поколений — 20–30 лет. 4) Большое число хромосом и генов, сложная, часто полигенная природа признаков и сильное влияние среды и воспитания. Вместо него применяют генеалогический, близнецовый, цитогенетический, биохимический, популяционно-статистический и молекулярно-генетические методы.
Задание 11. Развёрнутый ответ
При изучении предрасположенности к одной из болезней конкордантность у однояйцевых близнецов составила 70 %, у разнояйцевых — 20 %. Какие выводы о природе признака можно сделать? Почему конкордантность у однояйцевых близнецов не достигла 100 %?
Разбор
1) У однояйцевых близнецов генотипы одинаковы, у разнояйцевых совпадает в среднем половина аллелей; конкордантность у первых намного выше, значит, предрасположенность к болезни в значительной степени наследуется. 2) Конкордантность у однояйцевых близнецов меньше 100 %, значит, проявление признака зависит и от среды: при одинаковом генотипе признак развивается не у обоих. 3) Среда включает условия жизни, питание, инфекции, случайные события развития; наследуется предрасположенность, а не сама болезнь. По формуле Хольцингера доля наследственности (70 − 20)/(100 − 20) ≈ 0,6.
Задание 12. Развёрнутый ответ
При обследовании у мужчины обнаружен кариотип 47,XXY. Как называется это состояние, каким методом его выявляют и в результате какого нарушения оно возникает? Сколько телец Барра обнаружат в его клетках?
Разбор
1) Синдром Клайнфельтера — геномная мутация, трисомия по половым хромосомам. 2) Выявляется цитогенетическим методом — анализом кариотипа. 3) Возникает при нерасхождении половых хромосом в мейозе одного из родителей: яйцеклетка XX сливается со сперматозоидом Y либо нормальная яйцеклетка X — со сперматозоидом XY. 4) Инактивируются все X-хромосомы, кроме одной, поэтому в клетках одно тельце Барра, как у женщин с нормальным кариотипом.
Литература
- Инге-Вечтомов С. Г. Генетика с основами селекции. 2-е изд. СПб.: Издательство Н-Л, 2010.
- Бочков Н. П., Пузырёв В. П., Смирнихина С. А. Клиническая генетика. 4-е изд. М.: ГЭОТАР-Медиа, 2011.
- Биология: в 2 т. / под ред. В. Н. Ярыгина. 2-е изд. М.: ГЭОТАР-Медиа, 2017. Т. 1.
- Griffiths A. J. F., Wessler S. R., Carroll S. B., Doebley J. Introduction to Genetic Analysis. 11th ed. New York: W. H. Freeman, 2015.
- Hartl D. L., Clark A. G. Principles of Population Genetics. 4th ed. Sunderland: Sinauer, 2007.
- Mendel G. Versuche über Pflanzen-Hybriden // Verhandlungen des naturforschenden Vereines in Brünn. 1866. Bd. 4. S. 3–47.
- Hardy G. H. Mendelian proportions in a mixed population // Science. 1908. Vol. 28. P. 49–50.
- Garrod A. E. The incidence of alkaptonuria: a study in chemical individuality // The Lancet. 1902. Vol. 160. P. 1616–1620.
- Pauling L., Itano H. A., Singer S. J., Wells I. C. Sickle cell anemia, a molecular disease // Science. 1949. Vol. 110. P. 543–548.
- Tjio J. H., Levan A. The chromosome number of man // Hereditas. 1956. Vol. 42. P. 1–6.
- Sanger F., Nicklen S., Coulson A. R. DNA sequencing with chain-terminating inhibitors // Proceedings of the National Academy of Sciences. 1977. Vol. 74. P. 5463–5467.
- Jeffreys A. J., Wilson V., Thein S. L. Individual-specific “fingerprints” of human DNA // Nature. 1985. Vol. 316. P. 76–79.
- Mullis K. B. The unusual origin of the polymerase chain reaction // Scientific American. 1990. Vol. 262, № 4. P. 56–65.
- International Human Genome Sequencing Consortium. Initial sequencing and analysis of the human genome // Nature. 2001. Vol. 409. P. 860–921.
- Bouchard T. J. et al. Sources of human psychological differences: the Minnesota Study of Twins Reared Apart // Science. 1990. Vol. 250. P. 223–228.
Обсуждение
Загружаем обсуждение…