ИССЛЕДОВАНИЕ  ГЕНЕТИЧЕСКИХ  МАРКЕРОВ  В  РЕАЛИЗАЦИИ  СКОРОСТИ  РЕАКЦИИ  ЧЕЛОВЕКА  НА  ВИЗУАЛЬНЫЕ  РАЗДРАЖИТЕЛИ

Смирнова  Анастасия

класс  10  "М",  МАОУ  ОЦ  Горностай,  РФ,  г.  Новосибирск

Воронина  Елена  Николаевна

научный  руководитель,  канд.  биол.  наук,  м.н.с.  ЛФ  ИХБФМ  СОРАН,  РФ,  г.  Новосибирск

Ильина  Мария  Владимировна

научный  руководитель,  учитель  биологии,  МАОУ  ОЦ  Горностай,  РФ,  г.  Новосибирск

Статья  посвящена  исследованию  скорости  реакции  человека  и  генов,  которые  влияют  на  нее.  Было  проведено  исследование  наличия  генов  MSTN  и  ACTN3,  изучено  их  влияние  на  скорость  реакции  человека  при  использовании  визуальных  раздражителей.  На  основе  предпринятого  исследования  был  сделан  вывод  о  том,  что  скорость  реакции  не  зависит  от  генотипов  генов  MSTN  и  ACTN3.

1.  Введение

Скорость  реакции  служит  одним  из  главных  качеств  любого  живого  организма.  При  этом  очень  важно,  чтобы  реагирование  на  внешние  раздражающие  факторы  было  мгновенным,  так  как  среди  них  могут  встречаться  не  просто  опасные,  а  даже  смертельные.  У  человека  среднее  время  реакции  на  визуальный  сигнал  составляет  0,1—0,3  секунды. 

Скорость  реакции  человека  определяется  работой  нервной  системы.  Когда  человек  реагирует  на  очень  сильное  раздражение,  опасное  для  жизни,  например,  когда  отдергивает  руку  от  горячей  печки,  осуществляется  простой  рефлекс,  в  котором  головной  мозг  не  участвует.  От  рецептора  сигнал  по  нервному  волокну  идет  в  спинной  мозг  и  затем  сразу  к  мышце,  проходя  всего  по  трем  нервным  клеткам  —  чувствительному  нейрону,  вставочному  нейрону  в  спинном  мозге  и  двигательному  нейрону.  Скорость  нервного  импульса  по  отросткам  нервных  клеток  здесь  —  несколько  десятков  метров/сек.  Определяющим  является  время  синаптической  передачи  —  порядка  0,1  сек.  Нужно  отметить,  что  мы  сначала  отдергиваем  руку,  а  затем  чувствуем  боль.  Это  связано  с  тем,  что  от  болевых  рецепторов  в  мозг  сигнал  идет  по  нервным  волокнам  другого  типа  (всего  выделяют  три  типа  нервных  волокон,  отличающихся  по  механизму  передачи  импульса)  с  меньшей  скоростью  0,5—2  метра/сек.

Если  речь  идет  о  реакции  человека  на  летящий  в  него  кирпич,  то  здесь  тоже  рефлекторная  реакция:  глаз  передает  сигнал  о  быстром  движении  не  только  в  отделы  головного  мозга,  где  они  обрабатываются  (и  мы  понимаем:  «летит  кирпич»),  но  и  по  специальным  нервным  путям  —  к  мышцам,  что  обеспечивает  быструю  реакцию  избегания,  например,  отпрыгивания.

Скорость  реакции.

Таким  образом,  реализация  зрительного  сигнала  на  движение  мышцы  происходит  через  следующие  этапы:

1.  возникновение  возбуждения  в  рецепторе  (зрительном,  слуховом,  тактильном  и  др.),  участвующем  в  восприятии  сигнала; 

2.  передача  возбуждения  в  центральную  нервную  систему; 

3.  переход  сигнальной  информации  по  нервным  путям,  ее  анализ  и  формирование  ответного  сигнала; 

4.  проведение  ответного  сигнала  от  центральной  нервной  системы  к  мышце; 

5.  возбуждение  мышцы.

Что  влияет  на  скорость  реакции? 

Быстрота  и  скорость  движений  зависит  от: 

1.  состояния  центральной  нервной  системы  и  нервно-мышечного  аппарата  человека; 

2.  особенностей  мышечной  ткани  (от  соотношения  быстрых  и  медленных  волокон); 

3.  силы  мышц; 

4.  способности  мышц  быстро  переходить  из  напряженного  состояния  в  расслабленное; 

5.  энергетических  запасов  в  мышце  (аденозинтрифосфорная  кислота  —  АТФ  и  креатинфосфат  —  КТФ); 

6.  степени  подвижности  в  суставах; 

7.  координации  движений  при  скоростной  работе; 

8.  возраста  и  пола; 

9.  скорости  получения  сигнала  от  рецептора  мозгом  и  передаче  его  в  мышцы

Генетические  исследования  (метод  близнецов,  сопоставление  скоростных  возможностей  родителей  и  детей,  длительные  наблюдения  за  изменениями  показателей  быстроты  у  одних  и  тех  же  детей)  свидетельствуют,  что  двигательные  способности  существенно  зависят  от  факторов  генотипа.  По  данным  научных  исследований,  быстрота  простой  реакции  примерно  на  60—88  %  определяется  наследственностью.

Цель:

Поиск  генетических  маркеров  реализации  скорости  реакции  человека  на  визуальные  раздражители

Задачи:

•      Освоение  методик  тестирования  и  методик  генетических  исследований

•      Тестирование  скорости  реакции.

•      Сбор  образцов  для  выделения  ДНК.

•      Выделение  ДНК

•      Определение  полиморфных  вариантов  генов.

2.  Ход  работы

2.1      Тестирование  скорости  реакции. 

Проводили  тестирование  56  человек  на  сайте  http://www.humanbenchmark.com/tests/reactiontime   для  определения  скорости  их  реакции  на  визуальные  раздражители.  Суть  программы  в  том,  что  человек  должен  нажать  на  клавишу  мышки  в  момент  изменения  цвета  экрана.  Для  каждого  тестируемого  человека  было  проведено  5  измерений  и  записано  среднее  время  реакции.  Все  измерения  проводились  утром  (все  находились  в  равных  условиях).  В  результате  было  обследовано  16  человек  из  8  класса,  17  человек  из  9  класса,  23  человека  из  10  класса.

Наибольшее  количество  людей  имело  скорость  реакции  в  районе  265  ms  (рис.  1).

Рисунок  1.  Скорость  реакции  обследованных  участников.  Синими  точками  обозначены  значения  ожидаемые  при  нормальном  распределении  (р<0,001)

В  8  классе  средняя  скорость  реакции  338  ms,  в  9  классе  —  276  ms,  в  10  классе  —  232  ms.

Рисунок  2.  Зависимость  скорости  реакции  от  класса  обучения

Из  рисунка  2  видим,  что  с  увеличением  класса  скорость  реакции  увеличивается  (на  отклик  затрачивается  меньше  времени,  человек  реагирует  быстрее).  При  статистической  обработки  результатов  выяснили,  что  вероятность  того,  что  результаты  случайны  —  менее  0,1  %  (р<0,001).  Следовательно,  выявленная  нами  зависимость  увеличения  скорости  реакции  тестируемых  людей  с  возрастанием  класса  не  случайно,  а  закономерно.

Рисунок  3.  Статистическая  оценка  зависимость  скорости  реакции  от  класса  обучения

2.2                Сбор  образцов  для  выделения  ДНК.

У  всех  учеников,  которые  выполнили  тест  на  скорость  реакции  был  проведен  сбор  буккального  эпителия  с  помощью  ватных  палочек.  Затем  они  были  помещены  в  пробирки  объемом  1,5  мл  с  250  мкл  лизирующего  раствора  а1  и  перемешаны  на  вортексе.  Пробирки  были  прогреты  5  мин  при  температуте  65  ˚С  и  снова  перемешаны  на  вортексе  до  полного  растворения  материала.  Затем  палочки  были  извлечены,  добавлено  20  мкл  ресуспендированного  на  вортексе  сорбента.  Содержимое  пробирки  было  перемешано  на  вортексе  и,  оставлено  в  штативе  на  2  мин  для  осаждения  сорбента.  Суспензия  была  еще  раз  перемешана  и  отстояна  7—9  мин.  Далее  сорбент  осадили  на  микроцентрифуге  в  течение  30  с,  отобрали  супернатант,  добавили  по  400  мкл  отмывочного  раствора  а2  в  каждую  пробирку,  перемешали  на  вортексе  до  полного  ресуспендирования  сорбента.  Потом  осадили  на  "Микроспине"  в  течение  30  с  и  отобрали  супернатант.  Процедуру  отмывки  раствором  а2  повторили  еще  раз,  тщательно  отобрали  супернатант.  Аналогичным  образом  осадок  промыли  70  %  этиловым  спиртом  1  раз,  тщательно  отобрали  супернатант  и  высушили  осадок  сорбента  при  открытых  крышках  пробирок  в  термостате  при  56  ˚С.  Далее  добавили  100  мкл  элюирующего  буфера  а3,  тщательно  ресуспендировали  сорбент,  поместили  в  термостат  при  56˚С  на  10  мин.  Суспензию  осадили  на  микроцентрифуге  при  13000  об/мин  в  течение  2  минут.  Супернатант  содержит  очищенную  ДНК,  проба  готова  к  постановке  ПЦР.

2.3                Определение  полиморфных  вариантов  генов.

Образцы  ДНК  по  5  мкл  помещали  в  пробирки  0,2  мл.  К  ДНК  добавляли  смесь  праймеров  для  определения  нуклеотидных  замен  в  генах  ACTN  и  MSTN.  Далее  в  пробирки  добавляли  Taq-ДНК-полимеразу,  нуклеотиды  и  буфер  для  полимеразы  и  помещали  смесь  в  амплификатор  для  прохождения  ПЦР.  Принцип  определения  нуклеотидной  замены  состоит  в  многократном  копировании  участка  ДНК,  содержащего  нуклеотидную  замену  и  взаимодействия  этого  участка  с  меченными  зондами.  Один  из  зондов  комплементарен  нуклеотидной  последовательности  с  «нормальной»  буквой,  а  другой  —  «мутантной».  В  результате  на  графике  мы  видим  свечение  одного  из  зондов  если  у  человека  только  одна  буква  (гомозигота)  или  обоих  зондов  в  случае  гетерозиготы  (рис.  4).

Рисунок  4.  График  накопления  флуоресценции  при  генотипе  G/A  гена  MSTN

Таким  образом,  нами  были  протипированны  все  собранные  образцы  ДНК  (рис.  5).

Рисунок  5.  Графики  накопления  флуоресценции  для  всех  исследованных  образцов  (а.  ACTN,  б.MSTN)

К  сожалению,  не  все  образцы  удалось  протипировать.  Результаты  генотипирования  приведены  в  таблице  1.

Таблица  1.  

Результаты  исследований  для  собранных  образцов

Ген  MSTN  кодирует  белок  миостати́н  (также  известный  как  фактор  роста  и  дифференцировки  8)  —  белок,  который  подавляет  рост  и  дифференцировку  мышечной  ткани.  Исследования  на  животных  показывают,  что  блокирование  действия  миостатина  приводит  к  значительному  увеличению  сухой  мышечной  массы  с  практически  полным  отсутствием  жировой  ткани.  Исследованная  нуклеотидная  замена  G->A  приводит  к  преждевременному  появлению  стоп-кодона  в  313  положении  белка  и  таким  образом  снижает  количество  миостатина,  что  приводит  к  увеличению  мышечной  массы  и  улучшает  скоростные  показатели.

Ген  ACTN3  характерен  для  мышечных  волокон  типа  2  (быстро  сокращающихся)  скелетных  мышц.  Ген  ACTN3  содержит  полиморфизм,  R577X,  что  приводит  к  замене  аргинина  (аллель  С)  в  положении  577  в  стоп-кодон  (аллель  Т).  Присутствие  данной  мутации  приводит  к  тому,  что  мышцы  не  содержат  белка  a-актинин-3.  Однако  патологии  мышц  у  таких  людей  не  наблюдается,  так  как  a-актинин-2  компенсирует  его  отсутствие  в  Z-дисках  мышечных  волокон.  Вместе  с  тем  наличие  577R  аллеля,  свидетельствующего  о  присутствии  в  скелетных  мышцах  белка  a-актинина-3,  дает  индивидуумам  преимущество  в  проявлении  скоростно-силовых  физических  качеств.

В  нашем  исследовании  статистически  значимых  зависимости  скорости  реакции  от  генотипов  не  выявлено  (рис.  6)  —  для  гена  ACTN  уровень  совпадения  результатов  в  разных  группах  97  %,  для  MSTN  —  80  %.

Рисунок  6.  Зависимость  значения  скорости  реакции  от  генотипов  (а.  ACTN,  б.MSTN)

Возможно,  это  связано  с  тем,  что  часть  образцов  осталась  не  протипирована  на  генотип.  Также  возможно,  что  реализация  скорости  реакции  человека  на  визуальные  раздражители  зависит  от  других  генов.

3.  Результаты

·     Проведен  сбор  образцов  ДНК.

·     Проведено  определение  скорости  реакции  тестируемых.

·     Мы  показали,  что  скорость  реакции  увеличивается  (на  отклик  затрачивается  меньшее  время)  с  увеличением  класса.

·     Проведено  определение  генотипов  генов  ACTN  и  MSTN  для  части  тестируемых.

·     Не  обнаружено  статистически  значимой  зависимости  скорости  реакции  от  генотипов.

4.  Вывод

Мы  исследовали  генетические  маркеры  реализации  скорости  реакции  человека  на  визуальные  раздражители.  Было  установлено,  что  скорость  реакции  увеличивается  (уменьшается  время  реакции)  с  увеличением  класса  и  не  зависит  от  генотипов  генов  ACTN  и  MSTN.

Дальнейшие  планы 

Закончить  определение  генотипов  для  всех  образцов  по  генам  ACTN  и  MSTN.  Провести  исследование  других  генетических  маркеров  (влияющих  на  скорость  передачи  нервного  сигнала).

Список  литературы:

1.Сапин  М.Р.,  Никитюк  Д.Б.  Анатомия  человека.  В  3  томах.  М.  1998.  Т.  3.

2.Физиология  человека/  Под  ред.  Р.  Шмидта  и  Г.  Тевса.  М.:  Мир,  1996,  т.  1.