Полная версия

Главная arrow Прочие arrow Биология: генетика. Практический курс

  • Увеличить шрифт
  • Уменьшить шрифт


<<   СОДЕРЖАНИЕ ПОСМОТРЕТЬ ОРИГИНАЛ   >>

Близнецовый метод генетики человека

Цель:

  • 1) установить значение метода для генетики, медицины, психологии и педагогики;
  • 2) определить содержание основных его этапов;
  • 3) сформировать умения описания портретной идентификации, проведения дактилоскопического анализа как некоторых способов определения типа зиготности;
  • 4) сформировать умение определения генотип-средового соотношения в формировании признаков и свойств человека.

Контрольные вопросы:

  • 1. Биосоциальная природа человека — сложного объекта генетических исследований.
  • 2. Социальная программа, влияющая на развитие личности человека.
  • 3. Генетическая природа монозиготных и дизиготных близнецов.
  • 4. Основные направления развития науки гемеллологии.
  • 5. Конкордатные, дисконконкордантные признаки человека.
  • 6. Значение коэффициента наследуемости в генетических исследованиях.

Учебно-исследовательская работа

Определение генотип-средового соотношения в формировании психофизиологических признаков в лабораторном эксперименте

Объект исследования: некоторые психофизиологические признаки школьников (темперамент, память, внимание, тревожность и др.).

Пояснение к заданию

Близнецовый метод был разработан и предложен Гальтоном в 1875 г. для определения роли «природы» и «воспитания» в развитии признаков человека. Именно Гальтон в свое время обратил внимание, на то, что однояйцовые (монозиготные) и двуяйцовые (дизиготные) близнецы, сравнение которых он и проводил для разграничения роли среды и наследственности в формировании свойств и признаков, имеют разную природу. Значимость этого метода актуальна и по сегодняшний день при условии грамотной его организации. А это прежде всего знание природы двух типов близнецов и техники анализа зиготности.

Монозиготные близнецы (MZ) — результат развития одной оплодотворенной яйцеклетки, т. е. результат развития одной зиготы, на первых этапах дробления которой происходит разделение на две и более самостоятельные эмбриональных структуры, дающие начало двум и более генетически идентичным организмам.

Дизиготные близнецы (DZ) — результат оплодотворения двух и более одновременно созревших яйцеклеток, следовательно, генотип их различен. Такие близнецы могут быть и однополые, и разнополые, с генетической точки зрения они схожи как обычные сибсы, но у них большая схожесть факторов среды внутриутробного развития, что частично сказывается в постнатальном периоде.

Учение о близнецах (гемеллология) получило развитие в ряде работ, в том числе в работах Сименса, автора метода «полисимптомного сходства» близнецов для анализа зиготности, точнее сказать, установления типа зиготности. Сейчас метод дополнен рядом других современных диагностик. Определение зиготности позволяет провести сопоставление внутрипарного сходства в группах монозиготных и дизиготных близнецов, сравнение близнецов внутри выборки (метод близнецовой пары), сравнение монозиготных с дизиготными и одиночно рожденными детьми, а также сравнение разлученных близнецов (метод контрольного близнеца) по изучаемому признаку и сделать заключение о генотип-средовом соотношении в его формировании.

Задачи метода:

  • 1) выявление роли среды и наследственности в формировании признаков и свойств человека;
  • 2) определение факторов, усиливающих или ослабляющих влияние внешней среды;
  • 3) установление корреляции между признаками и свойствами человека.

Благодаря этому методу установлено соотношение генотипа и среды в формировании ряда признаков, в том числе некоторых наследвенно- обусловленных заболеваний. Это соотношение выражается в коэффициентах конкордантности (степени сходства партнеров близнецовой пары) и наследуемости (таблицы VI.9, VI.10). Так, например, если значения коэффициентов наследуемости приближающихся к 0, то это указывает на то, что признак развивается исключительно под воздействием факторов окружающей среды, а при приближении к 1 — под действием генетических факторов.

Технически исследование с применением близнецового метода складывается из следующих этапов:

  • 1) составление выборки;
  • 2) анализ зиготности;
  • 3) анализ сформированности изучаемого признака;
  • 4) сопоставление показателей развития признаков внутри пар близнецов, групп близнецов при сравнении с показателями одиночно рожденных детей;
  • 5) статистическая обработка полученных данных, расчет коэффициента наследуемости.

Таблица VI.9

Конкордантность некоторых признаков близнецов, %

Признак

MZ

DZ

Цвет глаз

99,5

28,0

Цвет волос

97,0

23,0

Форма губ

100,0

65,0

Форма ушей

98,0

20,0

Группа крови

100,0

46,0

Папиллярные узоры

92,0

40,0

Косолапость

45,5

18,2

Маниакально-депрессивный психоз

73,1

15,2

Шизофрения

67,0

12,1

Эпилепсия

60,8

12,3

Сахарный диабет

84,0

37,0

Туберкулез

66,7

23,0

Коклюш

97,7

92,0

Ветряная оспа

92,8

89,2

Скарлатина

56,4

41,2

Корь

98,0

94,0

Дифтерия

50,0

38,0

Ревматизм

20,3

6,1

Аппендицит

29,0

16,0

Инфаркт миокарда

20,0

15,5

Гипертония

26,2

10,0

Бронхиальная астма

19,0

4,8

Паралитический полиомиелит

36,0

6,0

Врожденный вывих бедра

41,0

3,0

Заячья губа

33,0

5,0

Гипертоническая болезнь

20,2

10

Таблица VI. 10

Наследуемость некоторых признаков человека (по Айала, Кайтер, 1988)

Признак

Наследуемость

Телосложение

0,81

Вес

0,78

Головной индекс

0,75

Коэффициент интеллекта по Вине

0,68

Коэффициент интеллекта по Отису

0,80

Вербальные способности

0,68

Арифметические способности

0,12

Способности к естественным наукам

0,34

Способности к истории и литературе

0,45

Орфографические способности

0,53

Скорость постукивания ногой

0,50

Выборка генеральной совокупности в лабораторных экспериментах с целью определения генотип-средового соотношения в формировании признака должна быть представлена близнецами MZ, DZ и одиночно рожденными детьми. Это объясняется тем, что, как правило, выраженность признака сопоставляется у партнеров монозиготных пар между собой, у партнеров дизиготных пар — между собой, у партнеров MZ и DZ, как двух составляющих близнецовой выборки, и у партнеров близнецовой выборки и выборки одиночно рожденных детей.

При подборе выборки необходимо учитывать одинаковый возраст детей, согласие участия в эксперименте самих детей и их родителей, социальный статус, состояние здоровья (в эксперименте не могут участвовать больные дети с различного рода заболеваниями). В лабораторном эксперименте минимальное количество обследуемых может составлять 10 пар MZ, 10 пар DZ, количество одиночно рожденных детей в выборке может варьировать от 50 до 100. Такие данные не всегда можно экстраполировать на генеральную совокупность.

При составлении выборки документально фиксируются следующие данные: Ф. И. О., национальность, возраст, год рождения, место жительства и учебы (работы) для детей, участвующих в эксперименте, а также Ф. И. О. обоих родителей, год рождения, возраст рождения ребенка, место их работы.

Диагностика зиготности начинается с анализа медицинских родильных карт, т. е. установления количества плацент, хориона и амниона, которое регистрируется сразу при рождении близнецов. В случае, если у близнецов общий хорион, то это монозиготные близнецы. Если у близнецов два хориона, два амниона, то это могут быть как моно, так и дизиготные близнецы. Для более точной диагностики необходимы гистологические исследования. Данные, полученные на этом этапе не всегда точны, более того не всегда можно получить эти сведения из медицинской карты.

При достижении 6-летнего возраста детей возможно проведение портретной идентификации, т. е. сравнения ряда морфологических признаков, таких как пигментация кожи, цвет и структура волос, цвет глаз и форма разреза, форма ушных раковин, форма носа, губ и т. д. Результаты фиксируются на фотографиях (портрет, рост, фас и профиль).

Современная диагностика предполагает дактилоскопический и пальмоскопический, а также биохимический анализ (регистрация группы крови, белков плазмы, пробы на способность ощущать вкус фенилтиокарбомида и др.), проведение антропометрии с установлением типа телосложения. Для описания конституции телосложения, как правило, используют систему Шелдона (приложение 6). Наиболее точными методами диагностики зиготности являются иммунологические и метод приживления реципрокно пересаженной ткани (трансплантация), но следует отметить, что этот тест, в связи с технической сложностью и высоким процентом травматизма, применяется редко.

В настоящее время более популярным тестом считается определение и сравнение электрофореграмм сывороточных белков, полученных с помощью электрофореза, партнеров близнецовой пары.

Не утрачивает научной значимости для определения типа зиготности и анкетный способ диагностики. Анкеты предлагаются и родителям, и обследуемым детям. Этот способ имеет ориентированный характер, поэтому не может выступать в качестве основного и единственного в лабораторных экспериментах при малых выборках.

Следует помнить, что чем больше будет использовано методик определения типа зиготности, тем выше достоверность полученных данных.

В сформированной выборке проводится регистрация выраженности изучаемого признака или свойства с помощью тестовых методик с записью в рабочий журнал. Первичная обработка данных заключается в расчете средней арифметической признака или свойства и ошибки ее в каждой группе выборки (MZ, DZ, одиночно рожденные). Затем определяется коэффициент конкордантности (К), указывающий степень сходства по признакам. Коэффициент может выражаться в процентах и долях единицы, расчет проводится по формуле:

где С — число конкордатных пар, D — число дисконкордантных пар.

Если у монозиготных близнецов К высок, а у дизиготных — низок, то считается, что доминирующая роль в определении признака принадлежит наследственных фактором. Если значение К у монозиготных близнецов невысоко, но существенно выше, чем у дизиготных, то считается, что в формировании признака большую роль сыграли факторы внешней среды на фоне генетической обусловленности признака.

В лабораторных экспериментах, как правило, используется формула, которая предполагает поправку, т. е. учет вероятности отсутствия регистрации пары, которая равна вероятности регистрации обоих близнецов как пробандов:

где X — число пар, в которых пробандами были оба партнера.

Для объективности суждения о роли наследственности и среды в развитии тех или иных признаков помимо коэффициента конкордантно- сти используется критерий наследуемости — Н, расчет которого можно проводить по наиболее часто встречаемой в литературе формуле Холь- цингера в долях единицы:

при Н = 0 — признак формируется под влиянием факторов среды, при 0,7 > Н > 0,4 — под влиянием среды на фоне генетической предрасположенности, при 1 > Н > 0,7 — под влиянием генетических факторов.

При изучении генотип-средового соотношения в формировании количественных признаков сходство близнецов не может быть выражено с помощью коэффициентов конкордантности. В таких случаях используются дисперсии признаков и коэффициенты внутриклассовой корреляции. Разница в дисперсиях признака дизиготных и монози- готных близнецов отражает относительное значение наследственных факторов по сравнению с факторами среды в изменчивости признака. Коэффициент корреляции у MZ близнецов теоретически должен быть равен 1, разница же между теоретическим значением и реальным показателем свидетельствует о влиянии индивидуальной среды или об ошибке измерения.

Расчет этих параметров проводится по формулам:

где г — коэффициент корреляции, х{ — значение признака близнеца, х — среднее арифметическое выборки;

где Vp — вариативность признака изучаемой выборки (популяционная вариативность признака), N — количество индивидов выборки.

Поскольку нет генетического критерия для отнесения того или иного члена MZ пары в тот или другой вариационный ряд, то вычисление внутриклассового коэффициента корреляции проводят по следующим формулам:

где R — коэффициент корреляции, В — межпарная дисперсия признака, W — внутрипарная дисперсия признака, хг — значение признака 1-го близнеца, х2 — значение признака 2-го близнеца.

Для удобства в столь сложных расчетах лучше пользоваться вспомогательной таблицей (таблица V.11).

Таблица V. 11

Вычисление внутриклассового коэффициента корреляции

Пара

Значение признака

Близнец 7, Хг

Близнец 2, Х2

1

6

8

2

4

14

196

2 и т. д.

Сумма

Для расчета коэффициента наследуемости количественных признаков применяется следующая формула:

где Н — доля дисперсии за счет наследственности, rdz и rmz — коэффициенты корреляции признака у дизиготных и монозиготных близнецов соответственно.

Используя близнецовый метод в психологических, педагогических, генетических, медицинских (определение эффективности лекарственных препаратов) исследованиях необходимо помнить, что данный метод имеет как достоинства, так и недостатки, прежде всего это неполнота сведений о пре- и постнатальном периоде развития близнецов. Нельзя считать, что среда, в которой развиваются близнецы абсолютно одинаковая. Конечно, среда, в которой развиваются моно- зиготные близнецы более сходная, так как они выбирают себе одинаковых товарищей, игры, книги и пр., но даже внутриутробное развитие их незначительно, но отличается. Так, например, описан случай, когда одна сестра монозиготной пары близнецов с нормальным кариотипом страдала гемофилией, а другая была здоровым гетероносителем, в связи с тем, что на ранней стадии развития у сестер инактивировались разныеХ-хромосомы (эффект Лайон).

При расчете коэффициентов наследуемости не учитывается взаимодействие среды и генотипа, а оно существенно влияет на сходство и различие между близнецами.

Использование близнецового метода, несомненно, дает положительные результаты в исследованиях при условии грамотного выполнения всех его этапов и сочетания с другими методами, такими как популяционно-статистический, иммунологический, биохимический и др.

Методическая часть

Как уже указывалось в методических частях предыдущих тем этой главы, программы для общеобразовательных школ, гимназий, лицеев на предпрофильной и профильной ступенях биологического образования не предусматривают формирование блока понятий по генетике человека, в том числе понятия близнецового метода, а также формирование умений определения зиготности и установления доли среда и генотипа в развитии тех или иных признаков человека. В то время как программы для классов, школ и лицеев с углубленным изучением биологических дисциплин ставят следующую задачу в учебном процессе: учащийся должен знать соотношение социальной и биологической программ в человеке и уметь объяснять содержание этих программ. Это возможно только при формировании блока понятий по близнецовому методу. Программа предусматривает изучение темы «Генетика человека» (6—8 часов), в ходе которой и возможна реализации этой задачи.

Наиболее интересным материалом для решения этого вопроса является материал по психогенетике, перспективной, практически значимой в настоящее время науке. Каждый человек задумывается о природе таких свойств, как память, эмоциональность, тревожность, агрессивность, альтруизм, способность к логическому, абстрактному мышлению, речевые способности, способности к лидерству и пр. На ряд этих вопросов можно ответить в ходе исследований, предусматривающих определение доли генотипа и среды (социума) в формировании тех или иных признаков. Методика этих исследований предполагает применение близнецового метода, а значит, анализа зиготности, расчета коэффициентов конкордантности, наследуемости.

Такие исследования можно проводить как индивидуальные научные исследования, но формирование элементарных знаний и умений по этим вопросам необходимо организовывать на уроках в ходе изучения темы «Генетика человека», в частности, таких вопросов, как методы генетики человека.

Задание

  • 1. Определить тип зиготности близнецовых пар по указанным признакам (таблица VI.12), рассчитать коэффициент конкордантности и классифицировать выборку на монозиготные и дизиготные близнецы.
  • 2. Выявить долю наследственных факторов и факторов среды в формировании всех указанных типов памяти у близнецовой выборки (таблица VI. 13).
  • 3. Провести анализ данных таблицы VI.9 и установить, какие признаки в большей степени генетически обусловлены.
  • 4. Разработать структуру (актуальность исследования, цель и задачи, методику, рабочие таблицы для регистрации данных, полученных в эксперименте) индивидуального научного исследования по проблемам выявления доли среда и генотипа в формировании психофизиологических признаков человека.

Таблица VI. 12

Некоторые морфологические и биохимические признаки близнецов

№ пары

Группа

крови

Цвет глаз

Цвет волос

Вес

Рост

1

1 +

1 +

Сер.

Сер.

Русые волнистые

Русые

волнистые

54

48

156

164

2

1 +

1 +

Гол.

Гол.

Русые прямые

Русые

прямые

46

56

166

168

3

3 +

3 +

Кар.

Кар.

Рыжие прямые

Рыжие

прямые

38

42

154

158

4

1 +

2 +

Кар.

Гол.

Русые прямые

Русые

прямые

44

50

154

164

5

2 +

3 +

Кар.

Кар.

Темно русые прямые

Темно

русые

прямые

51

53

155

155

6

4+

4+

Гол

Гол

Русые волнистые

Русые

прямые

48

44

150

148

7

1 +

4+

Кар

Кар

Темно русые прямые

Темно

русые

прямые

44

48

148

152

8

1 +

2+

Зел

Гол

Рыжие волнистые

Русые

прямые

55

59

154

164

9

2 +

3 +

Гол

Гол

Русые прямые

Русые

прямые

56

64

160

164

10

1 +

2 +

Кар.

Зел.

Рыжие волнистые

Рыжие

прямые

46

49

163

164

Таблица VI. 13

Типы памяти близнецов

Показатель

Механическая

Смысловая

Зрительная

Слуховая

MZ

0,6

0,6

0,7

0,7

0,9

0,9

0,9

0,9

MZ

0,8

1

1

0,7

0,9

0,8

0,6

0,5

MZ

0,4

0,5

0,9

0,6

0,8

0,7

0,6

0,6

DZ

1

0,7

0,6

0,9

0,5

0,5

0,6

0,6

DZ

0,7

1

0,7

0,4

0,7

0,8

0,6

0,8

DZ

0,8

0,6

0,5

0,6

0,7

0,8

0,7

0,7

Лабораторная работа Проведение дактилоскопического анализа

объект исследования: кожные узоры на пальцах руки индивида. Пояснение к заданию

Дополнительным методом диагностики зиготности являются дактилоскопический анализ — определение сходства папиллярных узоров, и палъмоскопический анализ — определение сходства узоров на ладонях. Эти анализы лежат в основе самостоятельного метода генетики человека — метод дерматоглифики.

Задачи этого метода заключаются в следующем:

  • 1) дополнительное подтверждение типа зиготности,
  • 2) дополнительная диагностика некоторых наследственных заболеваний,
  • 3) установление личности в криминалистике.

В 1884—1886 гг. Гревсом и Мальпиги было установлено разнообразие пальцевых узоров, а в 1823 г. Пуркинье предложил классификацию кожных узоров. В 1892 г. эту классификацию дополняет Гальтон и рекомендует ее Скотланд-Ярду, как метод установления личности, в связи с тем, что он обратил внимание на тот факт, что кожные узоры отличаются строгой индивидуальностью.

Кожные узоры (гребешки — линейные утолщения эпидермиса) действительно строго индивидуальны и генетически обусловлены, начинают закладываться с 3-го месяца эмбрионального развития, заканчивают к 4-му месяцу и в течение жизни остаются относительно неизменными, так как в определенной степени зависят от насыщаемости водой эпидермиса и ряда других факторов. Характер наследования этого признака до сих пор до конца не установлен. Есть мнение, что это полигенный признак, при этом большое влияние на его развитие оказывает материнский организм, следовательно, в развитии этого признака принимают цитоплазматические факторы.

Каждый вид узоров характеризуется своим типом рисунка, так среди узоров на пальцах выделяют 3 типа рисунка — завиток, петля и дуга, основным типом рисунка на ладонях являются борозды.

Дуга — это самый редкий рисунок и самый простой, так как всегда отсутствует трирадиус (дельта, точка встречи трех потоков гребешков). Может быть плоской, может быть шатровой. На этом рисунке, как правило, гребешковые линии не пересекаются и проходят поперек через всю пальцевую подушечку (рис. VI.3, А).

Петля — полузамкнутый узор, при котором гребешки начинаются на одном крае подушечки, не доходят до другого и возвращаются назад. Таким образом, у этого рисунка один конец закругленный, замкнутый, другой открытый. Если открытый конец направлен в радиальную сторону, то петля радиальная. Если имеет прямое направление, то ульнар- ная. Этот рисунок всегда имеет один трирадиус (рис. VI.3, Б).

Завиток — это концентрический узор вокруг сердцевины пальцевой подушечки, при котором имеется, как правило, два трирадиуса (рис. VI.3, В).

Пальцевые узоры регистрируются в виде дроби, в числители которой записываются символы правой руки, а в знаменателе — левой. Запись начинается с первого (большого) пальца и заканчивается пятым (мизинцем), указывается начальная буква английских слов: whorl — завиток, loop — петля, arch — дуга. Если петля радиальная, то указывается буква — R, если ульнарная, то — U.

VI.3. Дерматоглифика пальцевых узоров

Рис. VI.3. Дерматоглифика пальцевых узоров,

А — дуга, Б — петля, 1 трирадиус, В — завиток, 2 трирадиуса

Широко используется количественная характеристика пальцевых узоров, которая приводится по результатам дельтового счета (дельта — трирадиус). Счет проводится для каждой руки, а затем для всех 10 пальцев. Установлено, что петля имеет один трирадиус, завиток — два, дуга трирадиуса обычно не имеет. Данные анализа также заносятся в формулу, в числителе — количество дельт, начиная с первого пальца правой руки, в знаменателе — левой, в сумме — общее число дельт. Напри- 20121

мер:-= 13.

21121

Количественная характеристика пальцевого узора также выражается в виде формулы гребневого счета, где указывается количество гребней (гребешков) от дельты (трирадиуса) до центра на каждом пыльце и суммарно для десяти пальцев. Для того чтобы точно провести счет, необходимо на рисунке отпечатка карандашом провести линию, соединяющую точки трирадиуса и центра (см. рис. VI.3, Б, В).

Гребневый счет индивидуален для каждого человека и для каждого пальца руки. Он в определенной степени зависит от состава половых хромосом, особенно отХ-хромосомы, т. е. наличие лишней Х-хромосомы при патологии уменьшает число гребней. Так, в среднем количество гребней десяти пальцев у мужчины составляет 145, у женщины — 180, при патологии: ХО — 178, ХУГ — 133, ХХ7— 114, ХХХ7— 93, ХХХХ7— 49,9.

Изменение кожных рисунков при наследственных заболеваниях является результатом единого антропологического развития пораженного органа и эпидермиса. Так, впервые этот метод для диагностики наследственного заболевания применил в 1939 г. Cummins, описав дерматоглифику при синдроме Дауна. Для ряда патологий, причиной которых является геномные мутации (аутосомная анеуплоидия), в том числе и для синдрома Дауна, характерно наличие так называемой «обезьяньей складки» — широкой борозды вдоль ладони (рис. VI.4).

Возможно совмещение качественной и количественной характеристик пальцевых узоров. Тогда в формуле одновременно указывается символ узора и количество дельт:

VIA. Дерматоглифика ладони

Рис. VIA. Дерматоглифика ладони:

а — нормального субъекта, б — субъекта с синдромом Дауна

Итак, техника применения метода дерматоглифики заключается в следующем:

  • 1) приготовление отпечатков пальцев и ладони каждой руки;
  • 2) оценка осевых трирадиусов (точек встречи 3-х потоков гребешков) на ладони между 4-я пальцами и около запястья;
  • 3) оценка поперечных ладонных складок;
  • 4) определение характера пальцевого рисунка и подсчет количества гребней;
  • 5) составление формулы гребневого счета и заключения.

Для получения отпечатков пальцев необходимо выполнить следующие операции:

  • • заготовить белый лист бумаги и подписать на нем Ф. И. О., пол, возраст обследуемого, а также римскими цифрами в единую строку номера, обозначающие номера пальцев, начиная с большого;
  • • нанести на стекло размером 20 х 20 см небольшое количество краски и тщательно раскатать катком до равномерного тонкого слоя;
  • • прижимать поочередно, начиная с большого, пальцы к стеклу, при этом сначала ставить палец на ребро радиальной стороной и поворачивать его так, чтобы прокрасилась вся поверхность;
  • • прикладывать также поочередно пальцы к бумаге, которая лежит на поролоне так, чтобы отпечатывалась вся поверхность, для этого палец ставить радиальной стороной и поворачивать до его ульнар- ной стороны, осторожно поднять палец, чтобы не сместить рисунок и не смазать его.

Задание

1. Получить отпечатки пяти пальцев правой руки и определить характер рисунка каждого пальца.

2. Установить количество дельт на каждом пальце и провесьте греб- невый счет, записывая данные в рабочую таблицу, на основании которой составить формулу.

Пальцы правой руки

1

2

3

4

5

Всего

Количество дельт

Гребневый счет

Оборудование: стекло, фотографический каток, поролон, типографская краска, ручная лупа, глянцевые листы белой бумаги.

 
<<   СОДЕРЖАНИЕ ПОСМОТРЕТЬ ОРИГИНАЛ   >>