Біологія. 9 клас. Шаламов

§ 39. Сучасні методи генетики

Для діагностування генетичних захворювань потрібен аналіз каріотипу

Класичні методи генетичних досліджень, описані в попередньому параграфі, не розглядають молекулярні механізми функціонування спадкового матеріалу. Тому ці методи можуть передбачити лише ймовірність появи деяких генетичних порушень. А чи виникла нова мутація та де — з їхньою допомогою визначити неможливо. Для цього потрібні зовсім інші методи — молекулярно-біологічні та цитогенетичні. Саме вони безпосередньо досліджують структуру й роботу генів на молекулярному та клітинному рівнях.

Із § 37 ми дізналися, що багато генетичних захворювань людини пов’язані з хромосомними аномаліями. У разі таких захворювань для з’ясування діагнозу потрібен аналіз каріотипу — каріотипування. Для цього здійснюють виділення хромосом з окремих клітин людини, їх фарбування й ідентифікацію. Під дією хімічних барвників хромосоми набувають смугастого забарвлення, при цьому кожна хромосома має свою унікальну послідовність смуг. Таке фарбування хромосом дає змогу розподілити їх за парами, а також виявити ті чи ті аномалії в їхній будові або кількості (рис. 37.6, Б; 37.7).

Дуже часто каріотипування використовують під час пренатальної діагностики. Її проводять до пологів з метою виявлення тих чи тих генетичних відхилень у зародка ще на стадії внутрішньоутробного розвитку. Для цього лікарі здійснюють забір клітин ембріона, а потім каріотипують їх. Самого ембріона під час процедури торкатися не можна, щоб не нашкодити його розвитку. Тому для аналізу беруть або клітини ембріональної частини плаценти, або навколоплідну рідину (рис. 39.1). Клітини плаценти мають каріотип ембріона, а до навколоплідної рідини потрапляє невеличка кількість клітин, що «відпали» від зародка. Перший метод складніший, але він доступний на більш ранніх стадіях вагітності порівняно з другим. А другий метод простіший у реалізації, однак вимагає додаткового часу для нарощування клітинної маси, потрібної для каріотипування.

Рис. 39.1. Методи отримання клітин зародка

А. Забір клітин плаценти. Б. Забір навколоплідної рідини.

1. Апарат ультразвукової діагностики. 2. Шприц. 3. Плацента. 4. Плід. 5. Навколоплідна рідина.

Каріотипування використовують не лише в генетиці людини. Так, його часто застосовують для ідентифікації так званих видів-двійників. Наприклад, багато видів малярійних комарів практично не відрізняються один від одного зовнішньо, але значно різняться будовою хромосом. Визначення таких видів має практичний інтерес, оскільки не всі види є переносниками малярійного плазмодія1.

Полімеразна ланцюгова реакція — спосіб «розмножити» ДНК

1983 року американський біохімік Кері Мулліс запропонував метод здійснення реплікації специфічної ділянки ДНК у пробірці — полімеразну ланцюгову реакцію (ПЛР). Перед реплікацією дволанцюгові молекули ДНК «розплітаються» під час нагрівання на одноланцюгові, а далі на них за допомогою термостабільної ДНК-полімерази синтезуються нові комплементарні ланцюги ДНК. У результаті 20-30 таких циклів розплітання-синтезу можна за короткий період (близько години) синтезувати мільйони копій з одного-єдиного фрагмента ДНК просто в пробірці (рис. 39.2).

ПЛР відкриває безліч можливостей. З одного боку, дослідник може отримати велику кількість копій ділянки ДНК, яка його цікавить, що полегшить йому роботу із цим фрагментом, наприклад, його секвенування (дивися далі). З другого боку, можна визначити, чи є шукана ділянка ДНК у пробі, що нас цікавить. Так, наприклад, можна здійснити ПЛР у такий спосіб, що відбуватиметься синтез лише ділянки ДНК, специфічної для збудника холери. Тоді синтез нових копій ДНК відбуватиметься, лише якщо в досліджуваній пробі є ДНК хвороботворної бактерії. Отож можна просто та швидко визначати наявність інфекцій у воді, крові чи клітинах.

Для виявлення точкових мутацій потрібне секвенування нуклеїнових кислот

Визначення генних мутацій, що викликають спадкові захворювання, складніше. Найочевидніший метод пошуку точкової мутації — це «прочитати» послідовність нуклеотидів у певному фрагменті, що, можливо, містить мутацію. Таке визначення послідовності нуклеотидів має назву секвенування нуклеїнових кислот. Перший метод секвенування запропонував англійський біохімік Фредерік Сенгер у 1977 році. Початково завданням секвенування було визначення послідовності генів, але досить швидко цей процес було автоматизовано та використано для визначення послідовностей повних геномів. У 2003 році було опубліковано повністю секвенований людський геном.

Рис. 39.2. Копіювання ДНК під час ПЛР

1. Новий ланцюг. 2. Після першого циклу (2 копії). 3. Після другого циклу (4 копії). 4. Після третього циклу (8 копій). 5. Після четвертого циклу (16 копій).

1 Річ у тім, що рід Малярійні комарі налічує понад 400 видів, але тільки деякі з них є переносниками малярії. Однак усіх комарів цього роду називають малярійними. А для епідеміологів важливо визначати саме небезпечні види комарів.

Рис. 39.3. Флуоресцентна гібридизація

А. Методика. Б. Хромосоми з фрагментами, що світяться, у інтерфазі (ліворуч) та метафазі (праворуч) клітинного циклу.

Нині розшифровано геноми кількох десятків тисяч організмів (докладніше у доповненні VIII). Знання повних послідовностей генів і геномів дає змогу пролити світло на особливості їхньої будови та функціонування. Крім того, порівнюючи геноми різних організмів між собою, можна краще зрозуміти історичні зв’язки між ними та механізми еволюційних перетворень у живій природі (про це йтиметься в § 44).

Для пошуку порушень хромосом використовують флуоресцентну гібридизацію

Сучаснішим і точнішим методом пошуку хромосомних порушень є флуоресцентна гібридизація. У цьому методі використовують одноланцюгові фрагменти ДНК, мічені флуоресцентним барвником1. Мічена ДНК має послідовність, що відповідає порушенню в структурі хромосоми (делеції, інверсії чи транслокації). Якщо послідовність міченої ДНК відповідає певному фрагменту ДНК клітини, то вони зв’язуються — гібридизуються. Далі під флуоресцентним мікроскопом за наявністю світіння фрагмента під певним освітленням можна визначити, чи відбулася гібридизація та чи є шуканий фрагмент у геномі клітини (рис. 39.3).

Рис. 39.4. Використання модифікованих вірусів для генної терапії спадкових захворювань

1. Цитоплазма. 2. Ядро. 3. Функціональний ген. 4. Вірус-носій. 5. Ендоцитоз вірусу-носія. 6. Вивільнення вірусу-носія з везикули. 7. Потрапляння функціонального гена до ядра.

Генна терапія — спроба позмагатися з природою

Однією з гілок генетичних технологій є генетична модифікація людини з метою лікування генетичних захворювань — генна терапія. Значна частина генних захворювань пов’язана з тим, що в людини відсутній функціональний алель певного гена. Таку проблему можна розв’язати, штучно вводячи в людські клітини робочий ген (рис. 39.4). Зазвичай генну терапію проводять шляхом інфікування людини видозміненим вірусом: замість своєї нуклеїнової кислоти він несе ген людини. Цей ген потрапляє в ядро клітини, вбудовується в геном і починає там працювати замість дефектного гена. Таким чином, вдалося використати зброю, спрямовану проти нас — механізми вірусної атаки — для лікування нас самих. На сьогодні генну терапію вже використовують для лікування деяких генетичних і ракових захворювань. Детальніше про генну терапію ви дізнаєтеся з § 62.

1 Флуоресценція — це здатність речовини випромінювати власне світло при освітленні. Так, флуоресцентні фарби чи тонік світяться при освітленні їх ультрафіолетом.

Поміркуймо

Знайдіть одну правильну відповідь

1. Для визначення синдрому Дауна найзручніше використовувати

  • А каріотипування
  • Б флуоресцентну гібридизацію
  • В секвенування
  • Г ПЛР
  • Д схрещування

2. Для пренатального каріотипування беруть клітини

  • А власне ембріона
  • Б плаценти
  • В матки
  • Г оболонки навколоплідного міхура
  • Д пуповини

3. Вірус, що містить людський ген замість своєї нуклеїнової кислоти,

  • А переносить ген людини до клітини
  • Б проникає до клітини у вигляді білка
  • В використовується для каріотипування
  • Г повністю руйнується в цитоплазмі одразу після проникнення в клітину
  • Д постійно утворюється в ракових клітинах

4. У результаті генної терапії в геномі перебувають щонайменше два різні алелі одного гена. З них правильно функціонує

  • А вихідний
  • Б уведений
  • В кожен
  • Г жоден
  • Д мутантний

Сформулюйте відповідь кількома реченнями

5. Навіщо для флуоресцентної гібридизації використовують мікроскоп? У чому особливість роботи цього мікроскопа порівняно зі світловим?

6. Чому для ПЛР використовують термостабільну полімеразу?

7. Один зі способів визначення вірусу імунодефіциту людини — це ПЛР із пробою крові. Як за допомогою цього методу знаходять ВІЛ в аналізі крові?

8. Чому саме вірус обрано як засіб доставки цільових генів до клітин?

Знайди відповідь і наблизься до розуміння природи

9. Як здійснити ПЛР із РНК?

10. Чи обов’язково для генної терапії використовувати вірус як носій гена? Чи можна ввести потрібний ген іншими способами?

Дізнайся самостійно та розкажи іншим

11. Як метод ПЛР застосовують у медицині, криміналістиці та судовій практиці?

12. Як, порівнюючи нуклеотидні послідовності одного гена, можна дізнатися про еволюційну спорідненість організмів?