Сахарного диабета решение задач по генетике
Генетика сахарного диабета I типа. Особенности наследованияСуществуют два основных типа сахарного диабета: I тип (инсулинзависимый — ИЗСД) и II тип (инсулиннезависимый — ИНСД), составляющие 10 и 88% всех случаев соответственно. Они отличаются типичным возрастом начала, конкордантностью однояйцовых близнецов и ассоциацией с конкретными аллелями главного комплекса гистосовместимости (МНС — major histocompatibility complex). Семейное накопление наблюдают при обоих типах сахарного диабета, но в одной семье обычно присутствует только I или II тип. Сахарный диабет I типа встречается в белой популяции с частотой около 1 на 500 (0,2%), в африканских и азиатских популяциях — реже. Обычно его обнаруживают в детстве или юности, и он вызван аутоиммунным поражением b-клеток поджелудочной железы, вырабатывающих инсулин. У преобладающего большинства больных детей уже в раннем детстве, задолго до развития явных проявлений болезни, вырабатываются многочисленные аутоантитела против ряда эндогенных белков, включая инсулин. Ассоциация главного комплекса гистосовместимости при сахарном диабете I типаПри I типе сахарного диабета существует подтверждение роли генетических факторов: конкордантность однояйцовых близнецов приблизительно 40%, что далеко превышает 5% конкордантности у разнояйцовых. Риск диабета I типа для сибсов больного пробанда около 7%, что дает показатель наследуемости hs = 7% / 0,2% =- 35. Давно известно, что локус МНС — основной генетический фактор при сахарном диабете, так как около 95% всех пациентов с сахарным диабетом I типа (по сравнению с примерно 50% в нормальной популяции) — гетерозиготные носители аллелей HLA-DR3 или HLA-DR4 в локусе HLA класса II в МНС [HLA — человеческие лейкоцитарные антигены (human leucocyte antigens)]. Первое исследование, показавшее ассоциацию HLA-DR3 и HLA-DR4 с сахарным диабетом I типа при использовании стандартных методов проверки достоверности различия между разными аллелями HLA, проводили методом иммунологических реакций in vitro. Позже этот метод заменили прямым определением ДНК-последовательности разных аллелей. Секвенирование локуса гистосовместимости у огромного количества больных обнаружило, что «аллели» DR3 и DR4 — не просто аллели.
Как DR3, так и DR4 могут быть подразделены на десятки аллелей, располагающихся в локусе, теперь называющемся DRB1, и определяемых на уровне последовательности ДНК. Кроме того, стало ясным, что ассоциация между определенными аллелями DRB1 и сахарным диабетом I типа частично вызвана аллелем в другом локусе класса II, DQB1, располагающимся примерно в 80 килобазах от DRB1, вместе формирующих общий гаплотип (вследствие неравновесного сцепления; см. главу 10) друг с другом. DQB1 кодирует b-цепь, одну из цепей, формирующих димер белка класса II DQ. Оказывается, что присутствие аспарагиновой кислоты (Asp) в 57 позиции b-цепи DQ тесно связано с устойчивостью к сахарному диабету I типа, тогда как другие аминокислоты в этом положении (аланин, валин или серии) определяют восприимчивость. Около 90% пациентов с сахарным диабетом I типа гомозиготны по аллелям DQB1, не кодирующим аспарагиновую кислоту в 57 положении. Раз молекула DQ, и конкретно 57 позиция р-цепи критична для связи антигена и пептида и Т-клеточного ответа, похоже, что различия в присоединении антигена, определяемые конкретной аминокислотой в 57 положении р-цепи DQ, непосредственно содействуют аутоиммунному ответу, уничтожающему инсулин-продуцирующие клетки поджелудочной железы. Тем не менее также важны другие локусы и аллели в МНС, что видно из того, что некоторые пациенты с сахарным диабетом I типа имеют в данной позиции b-цепи DQ аспарагиновую кислоту. Гены, отличающиеся от локусов главного комплекса гистосовместимости класса II при сахарном диабете I типаГаплотип МНС отвечает только за часть генетического вклада в риск сахарного диабета I типа у сибсов пробанда. Семейные исследования показывают, что даже когда сибсы имеют те же гаплотипы МНС класса II, риск болезни составляет приблизительно 17%, что значительно ниже показателя конкордантности у однояйцовых близнецов, равного примерно 40%. Таким образом, в геноме должны быть другие гены, также предрасполагающие к развитию сахарного диабета I типа и различающиеся у однояйцовых близнецов и сибсов, имеющих аналогичные условия окружающей среды. Кроме МНС, предполагают изменения еще в более чем десятке локусов, увеличивающих восприимчивость к сахарному диабету I типа, но надежно подтверждены только три из них. Это вариабельность числа тандемных повторов в промоторе гена инсулина и простой нуклеотидный полиморфизм в гене иммунного регулятора CTLA4 и в гене PTPN22, кодирующем протеин-фосфатазу. Идентификация других генов восприимчивости для сахарного диабета I типа как в пределах, так и за пределами МНС — объект интенсивного исследования. В настоящее время природа факторов негенетического риска при сахарном диабете I типа в основном неизвестна. Генетические факторы сами по себе, тем не менее, не вызывают сахарный диабет I типа, поскольку показатель конкордантности у однояйцовых близнецов составляет не 100%, а только около 40%. До получения более полной картины участия генетических и негенетических факторов в развитии сахарного диабета I типа консультирование по оценке риска остается эмпирическим. – Также рекомендуем “Генетика болезни Альцгеймера. Особенности наследования” Оглавление темы “Генетика заболеваний”:
|
С.Д. ДИКАРЕВ
Решение генетических задач в старших
классах позволяет учащимся не только лучше
понять законы наследственности, но и постоянно
тренировать мышление, что является одной из
главных задач средней школы. Опыт использования
генетических задач, составленных разными
авторами, показал, что средний учащийся решает их
с большим трудом. К тому же при коллективном
обучении учителю бывает трудно быстро проверить
решения множества разных задач. Задачи вообще, а
биологические особенно, могут значительно
различаться по сложности, что делает оценку
работы учащихся необъективной.
Это побудило автора переделать
известные задачи так, чтобы учащимся было легче
их решать благодаря большому числу
дополнительных вопросов, а преподавателю –
легче проверять, поскольку задачи имеют краткие,
как правило, численные, ответы. Кроме того,
предпринята попытка уравнять задачи по
сложности и увеличить их количество в пределах,
удобных для использования в течение целого года
на каждом уроке. Это значительно уменьшило
разнообразие задач, однако для практического
использования они стали удобнее.
Большая часть предлагаемых задач
составлена на основе известных сюжетов, взятых в
основном у таких авторов, как А.А. Скокова
(Сборник задач по генетике, – Рязань, Горизонт,
1993) и Б.Х. Соколовская (120 задач по генетике, –
М.: Центр РСПИ, 1991), а также ряда других, ссылки на
работы которых имеются в подробной библиографии
по этой теме, приведенной в сборнике
М.Б. Беркинблита с соавторами (Почти 200 задач по
генетике. – М: МИРОС, 1992).
Поскольку многие старшеклассники
считают генетические задачи скучными и сложными,
автор постарался сделать их более живыми и
наглядными. Для этого пришлось до некоторой
степени пожертвовать научной достоверностью и
математической строгостью. Например, излишне
драматизируется гибель гамет и зигот, а
вероятность предлагается выражать в процентах, а
не десятичной дробью. Подобные погрешности глаз
профессионала легко заметит, но в данном случае
они представляются допустимыми – выбор сделан
не в пользу «глубины погружения» (это
отличительная черта известных автору задачников
по генетике), а в пользу «широты охвата»,
необходимость которого диктует повседневная
жизнь рядового учителя в перегруженных классах.
Всего составлено более 200 задач по трем
основным темам: моногибридное скрещивание,
дигибридное скрещивание и сцепление генов с
полом. Задачи по другим темам (например, на
взаимодействие генов) в обычных школах
использовать крайне трудно, хотя бы из-за
недостатка времени. Сравнительно большое
количество задач, а также шифрование их номеров
сводят к нулю желание и возможность учащихся
получить ответ с помощью списывания.
Предлагаемые задачи средний учащийся способен
решить за 10–20 мин, а проверка их решения в классе
занимает считанные секунды. Преимущества
использования задач на уроках, особенно в
сочетании с методом устного тестирования (см.
статью автора «Оценивать каждого справедливо и
быстро», «Биология», 1998, N39, с. 4), смогут оценить
учителя-практики: почти каждый учащийся получает
оценку на каждом уроке быстро (15–20 мин) и с
высокой объективностью. Таким образом, благодаря
задачам половина каждого урока биологии по своей
насыщенности напоминает урок математики.
В заключение можно рекомендовать
следующую последовательность действий при
решении простейших генетических задач.
1. Краткая запись условий задачи.
Введение буквенных обзначений генов, обычно А и
В (в задачах они частично уже даны).
Определение типа наследования (доминантность,
рецессивность), если это не указано.
2. Запись фенотипов и схемы скрещивания (словами
для наглядности).
3. Определение генотипов в соответствии с
условиями. Запись генотипов символами генов под
фенотипами.
4. Определение гамет. Выяснение их числа и
находящихся в них генов на основе установленных
генотипов.
5. Составление решетки Пеннета.
6. Анализ решетки согласно поставленным вопросам.
7. Краткая запись ответа.
Моногибридное скрещивание
Примеры решения задач
1. У человека ген длинных ресниц
доминирует над геном коротких ресниц. Женщина с
длинными ресницами, у отца которой ресницы были
короткими, вышла замуж за мужчину с короткими
ресницами.
а) Сколько типов гамет образуется у
женщины?
б) А у мужчины?
в) Какова вероятность рождения в данной семье
ребенка с длинными ресницами?
г) Сколько разных генотипов может быть у детей в
этой семье?
д) А фенотипов?
6. Анализ решетки (в соответствии
с вопросами).
а) У женщины образуются два типа гамет: А и а.
б) У мужчины – только один тип гамет: а.
в) Гаметы мужчины и женщины могут встретиться, а
могут и не встретиться, т.е. образование каждой
зиготы – явление случайное и независимое от
других. Количественной оценкой случайного
события является его вероятность. В двух случаях
из четырех возможных образуются зиготы Аа,
следовательно, вероятность такого события 2/4 = 1/2 =
0,5 = 50%.
(Вероятность любого события имеет значение между
0 и 1. Невозможному событию соответствует
вероятность 0, а достоверному –
вероятность 1, но для наглядности вероятность
допустимо выражать в процентах.)
г) Может быть только два разных генотипа: Аа
и аа.
д) Может быть только два разных фенотипа: ресницы
короткие и ресницы длинные.
7.Ответ: 2/1/50/2/2.
2. Ген диабета рецессивен по
отношению к гену нормального состояния. У
здоровых супругов родился ребенок, больной
диабетом.
а) Сколько типов гамет может
образоваться у отца?
б) А у матери?
в) Какова вероятность рождения здорового ребенка
в данной семье?
г) Сколько разных генотипов может быть у детей в
этой семье?
д) Какова вероятность того, что второй ребенок
родится больным?
1. Краткая запись условий задачи.
Ген А (доминантный) – норма;
ген а (рецессивный) – диабет.
6. Анализ решетки.
а) У мужчины два типа гамет – А и а.
б) У женщины два типа гамет – А и а.
в) Здоровый ребенок имеет генотипы АА или Аа,
следовательно, в 3 случаях из 4 родится здоровый
ребенок: 3/4 = 0,75 = 75%.
г) В семье 1 генотип АА, 2 генотипа Аа и 1
генотип аа, все они разные, следовательно, их
3.
д) Гаметы встречаются первый раз и у людей только
одно их сочетание (зигота), как правило, выживает.
(Женщина рождает обычно одного ребенка.)
Вероятность события в данном случае = 1/4 (1 зигота
из 4 возможных). Затем гаметы встречаются второй
раз, чтобы родился второй ребенок, и опять с той
же вероятностью 1/4. По законам математики
вероятность совместного появления нескольких
независимых событий равна произведению
вероятностей этих событий. Отсюда 1/4 ґ 1/4 = 1/16 = 0,06 =
6%. Именно с такой вероятностью может родиться
второй больной ребенок подряд.
7. Ответ: 2/2/75/3/6.
Продолжение следует
МБОУ «Карагайская СОШ № 2»
с. Карагай, Пермский край
Решение задач
по теме «Генетика популяций.
Закон Харди – Вайнберга»
ЕГЭ. Биология, 11 класс.
Решение задач линии 28.
Подготовила:
Трефилова Раиса Поликарповна,
учитель биологии
МБОУ «Карагайская СОШ № 2»
Карагай – 2018
Цель: Дать рекомендации учащимся по выполнению задания линии 28 при подготовке к ЕГЭ.
Задачи:
1. Информировать учащихся 11 класса о требованиях к выполнению заданий линии 28 по биологии.
2. Познакомить с кодификатором, спецификацией и образцами заданий.
3. Мотивировать учащихся к успешной подготовке к ЕГЭ.
Теоретическое обоснование темы
Начальные этапы эволюционных процессов протекают в популяциях на основе закономерностей наследования. Изучение генетической структуры популяции связано с выяснением генотипического состава. В подобных задачах определяется частоты генотипов и аллелей, которые выражаются в % или в долях от единицы. Данная закономерность была выявлена независимо друг от друга двумя исследователями: математиком Г.Харди и врачом В.Вайнбергом.
Формулировка закона:
«Относительные частоты генов в популяции не изменяются из поколения в поколение во времени при следующих условиях:
- Популяция должна быть велика;
- Отсутствует давление отбора на данные признаки;
- Отсутствуют мутации этих генов;
- В популяции особи свободно скрещиваются;
- Нет миграции из соседних популяций».
Предположим некую популяцию с одинаковым соотношением генотипов АА и аа. Частоту генов А (A большое-доминантный признак ) обозначим р, а гена а (а малое – рецессивный признак) – q.
На основании скрещивания составляем решётку Пеннета.
♂ ♀ | р(А) | q(а) |
р(А) | p² (AA) | pq (Aa) |
q(а) | pq (Aa) | q² (aa) |
p² (AA) + 2 pq (Aa) + q² (aa) = 1
p + q = 1 (при извлечении квадратного корня)
Сумма частот генов в популяции p + q = 1, следовательно, уравнение можно рассмотреть как: p² + 2 pq + q² = 1
Закон Харди-Вайнберга может быть сформулирован следующим образом:
«В идеальной популяции соотношение частот аллелей генов и генотипов из поколения в поколение является величиной постоянной и соответствует уравнению: p2 +2pq + q2 = 1
где p2 — доля гомозигот по доминантной аллели; p — частота этой аллели; q2 — доля гомозигот по альтернативной аллели; q — частота соответствующей аллели; 2pq — доля гетерозигот.
Закон Харди-Вайнберга при медико-генетических исследованиях, а также при определении частоты генов, генотипов и фенотипов в популяциях в природе, популяций в животноводстве и селекции. В этом его практическое значение.
Рассмотрим решение нескольких вариантов задач по данной теме.
Задача 1. В популяции человека количество индивидуумов с карим цветом глаз составляет 51%, а с голубым – 49%. Определите процент доминантных гомозигот в данной популяции.
Поскольку известно, что карий цвет глаз доминирует над голубым, обозначим аллель, отвечающую за проявление признака кареглазости А, а аллельный ему ген, ответственный за проявление голубых глаз, соответственно, а. Тогда кареглазыми в исследуемой популяции будут люди как с генотипом АА (доминантные гомозиготы, долю которых и надо найти по условию задачи), так и – Аа гетерозиготы), а голубоглазыми – только аа (рецессивные гомозиготы).
По условию задачи нам известно, что количество людей с генотипами АА и Аа составляет 51%, а количество людей с генотипом аа – 49%. Как можно вычислить процент кареглазых людей только с генотипом АА?
Для этого вычислим частоты встречаемости каждого из аллельных генов А и а в данной популяции людей. Обозначив частоту встречаемости аллели А в данной популяции буквой q, имеем частоту встречаемости аллельного ему гена а = 1 – q. (Можно было бы обозначить частоту встречаемости аллельного гена а отдельной буквой, как в тексте выше – это кому как удобнее). Тогда сама формула Харди-Вайнберга для расчета частот генотипов при моногибридном скрещивании при полном доминировании одного аллельного гена над другим будет выглядеть вот так:
q2 AA+ 2q(1 – q)Aa + (1 – q)2aa = 1.
(1 – q)2 = 0,49 – это частота встречаемости людей с голубыми глазами.
Находим значение q: 1 – q = корень квадратный из 0,49 = 0,7; q = 1 – 0,7 = 0,3, тогда q ² = 0,09.
Это значит, что частота кареглазых гомозиготных особей АА в данной популяции будет составлять 0,09 или доля их будет равна 9%.
Ответ: частота кареглазых гомозиготных особей АА равна 9 %.
Задача 2. В популяции озёрной лягушки появилось потомство – 420 лягушат с тёмными пятнами (доминантный признак) и 80 лягушат со светлыми пятнами. Определите частоту встречаемости рецессивного гена и число гетерозигот среди лягушек с тёмными пятнами.
Записываем условие задачи. Тёмный цвет пятен обозначаем А, светлый цвет пятен – а. Необходимо определить генотипы родительских форм.
Признак, фенотип Ген, генотип
Тёмные пятна А
Светлые пятна а
F: 420 лягушат с темн. Пятнами А_
80 лягушат со светл. пятнами аа
Р – ?
Решение задачи
1. Каково количество особей в популяции?
420 + 80 = 500
2. Определяем частоту встречаемости лягушат со светлыми пятнами – q²
q²= 80: 500 = 0, 16 (частота встречаемости аллели равна отношению числа данной аллели к общему числу аллелей в популяции)
3. Определяем частоту встречаемости рецессивного гена «светлое пятно» «а малое», который мы обозначили q:
q = √ q² = √0,16 = 0,4
4. Определяем частоту встречаемости гена «тёмные пятна»(т.е. ), исходя из уравнения р + q = 1, значит, р = 1 – q, следовательно, р = 1 – 0,4 = 0,6
5. Определяем количество гетерозигот Аа :
2рq = 2х0,4 х 0,6 = 0, 48 или 48 %
Объяснение решения задачи: для решения задачи используется закон Харди-Вайнберга.
Ответ:
1) Число особей в популяции – 500.
2) Частота встречаемости рецессивного гена а «светлое пятно» – 0,4.
3) Количество гетерозигот (Аа) носителей гена «светлые пятна» – 0, 48 или 48%.
Задача 3. Популяция состоит из 49 % особей с генотипом АА и 9 % с генотипом аа. Находится ли эта популяция в равновесии?
Признак, фенотип Ген, генотип
р = 49 % или 0,49 АА
q = 9 % или 0, 09 аа
Равновесие – ?
Решение.
1. Если популяция находится в равновесии, то для неё справедливо уравнение Харди – Вайнберга:
p² + 2 pq + q² = 1
2. Для данной популяции частота генотипа АА: p² = 0,49,
частота аллеля А: √0,49 = 0, 7 ; р = 0,7
3. Определяем частоту генотипа аа: q² = 0,09, тогда
частота аллеля а: q =√0,09 = 0,3.
4. Определяем частоту генотипа гетерозиготы Аа: 2 pq = 2 х 0,7 х 0,3 = 0,42
5. Определяем, находится ли популяция в равновесии: если
p² + 2 pq + q² = 1, то 0,49 + 0,42 + 0,09 = 1, следовательно, популяция находится в равновесии.
Ответ:
По уравнению Харди-Вайнберга сумма равна 1, популяция находится в равновесии.
Задачи для самостоятельного решения
1. В Европе на 10 000 человек с нормальным содержанием меланина встречается 1 альбинос. Ген альбинизма наследуется по аутосомно-рецессивному типу. Рассчитать частоту встречаемости носителей гена альбинизма. Носителем называют организм, гетерозиготный по гену, который может вызвать в гомозиготном состоянии нарушение метаболизма.
Ответ: частота встречаемости гетерозигот 2 pq = 0,0198 или почти 2%
2. Предрасположенность к сахарному диабету наследуется по аутосомно-рецессивному типу. Частота встречаемости рецессивного гена предрасположенности к болезни в США приблизительно 22, 5 %. Какова частота встречаемости в США гетерозиготных носителей гена предрасположенности к сахарному диабету.
Ответ: частота встречаемости в США гетерозиготных носителей гена предрасположенности к сахарному диабету равна 0,4982.
3. У человека ген «резус положительный» доминантен по отношению к гену «резус отрицательный». В обследованной по этому показателю популяции 1982 человека были «резус положительными», а 368 – «резус отрицательными». Какова генетическая структура этой популяции?
Ответ: р = 0,5
4. У гречихи ярко-красная окраска растений неполно доминирует над зелёной. Гетерозиготы по данным генам имеют розовую окраску. В панмиктической популяции, состоящей из 840 растений, содержалось 42 красных растения. Какова частота встречаемости гомозиготных растений?
Ответ: частота встречаемости гомозиготных растений = 0,657.
5. Одна из форм глюкозурии наследуется как аутосомно-рецессивный признак и встречается с частотой 7:1000000. Определить частоту встречаемости гетерозигот в популяции.
Ответ: частота встречаемости гетерозиготных особей 2pq в популяции людей = 0,0052775.
Источники информации:
1. Гончаров О.В. Генетика.Задачи. – Саратов: Лицей, 2008.
2. Кириленко А.А. Биология. Сборник задач по генетике. Базовый и повышенный уровень ЕГЭ: учебно-методическое пособие/А.А.Кириленко. – Ростов-на-Дону: Легион, 2009.
3. Кириленко А.А., Колесников С.И. Биология. Подготовка к ЕГЭ-2013: учебно-методическое пособие/А.А.Кириленко, С.И.Колесников. – Ростов-на-Дону: Легион, 2012.
4. https://biology-online.ru/metodichka/konspekty-i-lekcii/obschaja-biologija/zakon-hardi-vainberga-v-reshenii-genetic.html