Volkova EM Kaspirovich DA Genetika s osnovami biometrii EUMK

Генетика с основами биометрии

2. Основы медицинской генетики. Классификация наследственных болезней человека

Медицинская генетика – это система знаний о роли генетических факторов в патологии человека и система методов диагностики, лечения и профилактики наследственной патологии в широком смысле.

Предмет и задачи медицинской генетики. Достижения в генетике человека обусловлены анализом законов природы и типом наследования мутационных изменений у человека.

Основные положения медицинской генетики:

1.Наследственные болезни – это результат общей наследственной изменчивостиÏолесÃÓчеловека.

2.Для популяций характерен огромный «груз» мутаций.

3.Факторы, обуславливающие развитие наследственной патологии, – генотип и внешняя среда.

4.Наследственность современного человека отягощена накоплением

впроцессе эволюции патологических мутаций и вновь возникшими наследственными изменениями в половых клетках.

5.Резко изменилась среда обитания человека. Изменения коснулись планирования семьи и границ браков. Человек сталкивается с новыми условиями среды, испытыва т большие нагрузки, оказываемые на него социумом и экологией. Ув личили ь ма штабы миграции населения, расширился круг потенциальных партн ров.

6.Достижения цитог н тики, биохимической генетики, клинической и молекулярной генетики, попу яционной и экологической генетики открыли для медицинск й генетики бо ьшие перспективы в диагностике, профилактике и лечении нас едственных болезней.

Медицинская генетика изучает:

• пат генез, клинику, диагностику, фармакологическое и другие виды лечения (генная терапия) и профилактику наследственных болезней человека;

• механизмы наследственной предрасположенности и врожденной резистентности к мультифакториальным патологиям;

• генетические аспекты иммунитета, аллергии, трансплантологии, канцерогенеза, генной инженерии и так далее.

Также к задачам медицинской генетики относятся ранняя диагностика наследственных заболеваний путем совершенствования экспресс-методов и пренатальной диагностики; широкое внедрение в медицинскую практику медико-генетического консультирования.

Геном человека является объектом исследования цитогенетики, биохимической генетики, иммуногенетики, онкогенетики, клинической и популяционной и экологической генетики.

К новым разделам медицинской генетики относятся нейрогенетика,

Генетика с основами биометрии

Свидетельством этому служат следующие цифры: количество известных наследственных заболеваний – 5000; процент новорожденных с наследственными патологиями – 2,5; процент летальных исходов и инвалидности, причинами которых стали наследственные заболевания, – 40.

Классификация болезней, обусловленных наследственностью. Наследственные болезни – это патологии, причинами которым служат изменения наследственного материала.

Первые классификации наследственных болезней основывались на клинических особенностях определенных групп патологий. Так, выделяли наследственные болезни скелета, обмена, желудочно-кишечного тракта. Как

2.ÏолесÃÓБолезни, обусловленные мутацией, проявляющейся при воздействии на организм специфического для мутантного гена фактора внешней среды: печеночная порфирия; некоторые фармакогенетические реакции (длительная остановка дыхания при назначении суксаметония с вариантом псевдохолинестеразы) и экогенетические болезни (фавизм).

оказалось, подобные классификации к ошибочным диагнозам.

Несколько позже был предложен более содержательный подход к классификации наследственных болезней – генетический, при котором в качестве критериев выступают генетические различия, в том числе тип

мутантных клеток (соматиче кие или половые), различные типы наследования. В наше время и пользует я не колько классификаций

наследственных болезней. Одна из них была предложена в 1984 г. академиком Н.П. Бочковым. В качестве крит рия кла ификации он использовал удельный вес наследственности и вн шних факторов в возникновении, особенностях развития и исходах заболеваний:

1. Собственно нас едств нные бол зни (моногенные и хромосомные):

3. Болезни, которые в большой степени зависят от факторов среды: гипертоническая болезнь; онкологические и психические заболевания.

4. Болезни, являющиеся следствиями сугубо факторов внешней среды: травмы; ожоги; опасные инфекции и другие. В данном случае от генетических факторов зависят особенности клинического течения, эффективность терапии, осложнения.

Не менее популярна классификация, основанная на различиях первичного патогенетического механизма возникновения наследственных

Генетика с основами биометрии

заболеваний. Согласно ей, выделяют следующие болезни:

1. Генные – заболевания, вызываемые генными мутациями (передаются из поколения в поколение и наследуются по законам Менделя).

2. Хромосомные – следствие хромосомных и геномных мутаций.

соответствующей генетической конституции и определенных факторов внешней среды.

4. Патологии, возникающие по причине мутаций, затрагивающих

соматические клетки (генетические соматические болезни): некоторые опухоли, отдельные пороки развития, аутоиммунные заболевания.

ГенеалÏолесÃÓгический анализ – это поэтапный процесс. Сначала собираются данные у пр банда (лица, к торого начинается обследование семьи) обо всех родственниках бследуем го (анамнез). Затем строится, анализируется родословная. На последнем этапе делают выводы.

5. Болезни генетической несовместимости матери и плода, которые возникают при иммунологической реакции организма матери на антиген

плода.

3. Методы изучения генетики человека

Генеалогический метод предполагает по троение родословных и

прослеживание в ряду поколений передачи определенного признака.

Метод позволяет установить:

При построении родословных руководствуются следующими условными обозначениями (по Юсту, 1932 г.):

Генетика с основами биометрии

ПриÏолесÃÓпомощи генеалогиче кого метода устанавливают типы наследования признаков:

1. Аутосомно-доминантный. При таком типе наследования признак встречается в каждом покол нии, бол ют в равной тепени люди обеих полов, признак наследуется по в ртикали и горизонтали, вероятность наследования составляет 100% (если один из родит л й гомозиготен), 75% (если оба родителя гетерозиготны) и 50% ( с и один родитель гетерозиготен, а второй – гомозиготен по рецессивному признаку). Признаки аутосомно-доминантного проявляются при по ном доминировании и 100%-ной пенетрантности гена.

2. Аут мно-рецессивный. Особенности наследования признака: встречается не в кажд м поко ении; больной (гомозиготный) ребенок рождается у зд р вых (гетерозиготных) родителей; заболевают в равной степени мужчины и женщины; наследуется обычно по горизонтали; вероятность наслед вания 25% (при гетерозиготности родителей), 50% (если один родитель гетерозиготен, а второй гомозиготен по рецессивному признаку) и 100% (у рецессивных гомозиготных родителей).

3. Х-сцепленный рецессивный. В этом случае признак также встречается не в каждом поколении, болезни затрагивают, как правило, мужчины, больной ребенок рождается у здоровых родителей, признак наследуется чаще по горизонтали, вероятность наследования – у 25% всех детей, в том числе у 50% мальчиков (при гетерозиготной матери и здоровом отце).

4. Голандрический. При таком типе наследования признак может проявиться в любом поколении, болеют только мужчины, заболевают все сыновья больного отца, вероятность наследования у мальчиков 100%.

Основной недостаток генеалогического метода – нехватка подробных родословных.

Генетика с основами биометрии

Близнецовый метод предложил в 1876 г. Ф. Гальтон. Такой подход к изучению генетики человека основан на установлении роли наследственности и среды в формировании признаков, исходя из сходства и различия моно- и дизиготных близнецов.

Суть метода: составляется выборка близнецов с последующей диагностики их зиготности близнецов; определяется степень конкордантности выборок близнецов по изучаемому признаку; рассчитывается коэффициент наследования.

Близнецы бывают моно- и дизиготными. Первые берут свое начало из одной яйцеклетки, которая была оплодотворена одним сперматозоидом вследствие явления полиэмбрионии. Генотипы таких близнецов одинаковы, но фенотипы могут розниться, причиной чему служат разные факторы внешней среды. Дизиготные близнецы развиваются после оплодотворения разными сперматозоидами нескольких одновременно созревших яйцеклеток. Генотипы и фенотипы близнецов разняться. При этом фенотипические различия обусловлены как генотипом, так и внешними факторами.

У монозиготных близнецов обычно ходны признаки, зависящие от генотипа. Например, у них совпадает половая принадлежность, группы крови независимо системы, цвет глаз, дерматоглифиче кие узоры на пальцах, ладонях и стопах, состав нукл отидов в ДНК. Эти признаки служат критериями диагностики зиготно ти близнецов. Различие хотя бы по одному из этих критериев свидетельству т о дизиготности близнецов.

Сходство близнецов по изуча мому признаку – это конкордантность, а

различие – дискордантность.

Роль наследственн сти и среды в развитии того или иного признака

где: Н – коэффициент наследования; КМБ – процент конкордантных монозиготных близнецов в изучаемой группе; КДБ – процент конкордантных дизиготных близнецов.

Чем ближе результат к 1, тем сильнее наследственность влияет на степень проявления признака, и наоборот, чем ближе результат к 0, тем

фитогемагглютинином (ФГА) стимулируется митоз; посредством добавления колхицина на стадии метафазы останавливается митоз; клетки обрабатываются гипотоническим раствором; окрашиваются хромосы; микроскопируется и фотографируется кариотип; строится и анализируется

Генетика с основами биометрии

идиограмма.

В этот метод изучения кариотипа человека интегрированы специальные программы на ЭВМ, распределяющие хромосомы по группам, анализирующие

слияниюÏолесÃÓсоматических клеток в культуре. Такое спонтанное слияние происходит довольно редко. Частоту гибридизации клеток можно повысить за

Наибольшей разрешающей способностью обладает метод

флуоресцентной in situ-гибридизации (FISH), при котором специфический меченный флюорохромами зонд гибридизирует я с комплементарным участком ДНК (если имеется) прямо на цитологиче ком препарате. Этот метод дает возможность выявлять генную активно ть ДНК и РНК и, соответственно, уточнять структуру, топографию и морфологию хромосом (локализацию гена) и ставить точный диагноз насл дств нной патологии.

Разновидность FISH-анализа – SKY-анализ (spectral karyotyping) – спектральное кариотипирование (24-цв тное флуоресцентное окрашивание хромосом), которое бы о разработано в 1996 г. для диагностики маркерных

хромосом, межхромосомных и геномных мутаций.

Мет ды генетики с матических клеток сделали возможным изучение многих вопр с в генетики че века в эксперименте. Обычно культивируются

клетки соединительн й ткани (фибробласты) и лимфоциты крови.

Искусственные питательные позволяют клонировать соматические клетки, а также п лучать п т мство одной клетки. Идентичность генотипов всех потомков делает возможным изучение роли генотипа и среды в

счет введения в культуру клеток РНК-содержащего вируса парагриппа Сендай, инактивированного ультрафиолетом. В смешанной культуре разных типов клеток образуются гетерокарионы – клетки, в цитоплазме которых содержится по два ядра разных видов. Морфологические, биохимические свойства таких клеток являются промежуточными между исходными родительскими клетками.

Генетика с основами биометрии

После митоза из двуядерного гетерокариона образуются две одноядерные клетки, каждая из которых представляет собой синкарион – настоящую гибридную клетку, содержащую хромосомы обеих родительских клеток. В данном случае можно говорить об объединѐнном генотипе.

Гибридизация свойственна как клеткам одного, так и клеткам разных видов, например, человека и мыши. Второй вариант гибридизации используется при определении группы сцепления у человека, а также выяснении последовательности расположения генов (построении генетически карт хромосом человека).

Биохимические методы – это изучение активности ферментных систем либо по активности самого фермента, либо по количеству конечных продуктов реакции, катализатором которой служит данный фермент. В генетике человека используют хроматографические, флюорометрические, радиоиммунологические и некоторые другие методы. Каждый из них служит для выявления генных мутаций, являющихся причинами болезней обмена

МетодÏолесÃÓклонирования ДНК с ужит для изолирования отдельных генов или их фрагмент в, имеющих точки узнавания. Для этих целей используются

фрагменты ДНК, находить и изолировать отдельные гены и их сегменты, устанавливать в них последовательно ть нуклеотидов и обнаруживать патологические гены в геноме.

В эту группу методов изуч ния г н тики человека входят:

ферменты рестриктазы.

При мет де гибридизации нуклеиновых кислот преследуются следующие задачи: устан вление порядка нуклеотидов в молекуле ДНК; обнаружение единственн го гена среди десятков тысяч.

В медицинской генетике нашли практическое применение методы моделирования, основанные на использовании биологических объектов или математических подходов.

Биологическое моделирование проводится на мутантных линиях животных патологиями, которые имеются и у человека. Пример: и у мышей, и у человека встречается несращение губы и неба.

Мутантные линии животных не дают точной картины наследственных болезней человека. В то же время даже их частичное воспроизведение в ряде случаев позволяет выявить механизмы первичного отклонения от нормы и

разработать соответствующие методы диагностики, профилактики и лечения. Теоретической основой для биологического моделирования служит

закон гомологичных рядов наследственной изменчивости Н.И. Вавилова:

генетически близкие виды и роды характеризуются сходными рядами

Генетика с основами биометрии

наследственной изменчивости.

Сегодня этот метод чаще используют для изучения мутагенного и тератогенного действия новых лекарств до их клинического испытания.

Математическое моделирование – это метод, используемый при создании и изучении математических моделей популяций живых организмов. Также при помощи этого метода рассчитываются частоты генотипов, изучаются их динамика по причине изменений внешних воздействий окружающей среды (последствия аварии на ЧАЭС). Математические методы применимы в тех случаях, когда другие подходы неэффективны.

Зная распространение генов среди населения различных географических зон (геногеография) можно установить центры происхождения различных этнических групп и их миграцию. Метод может использоваться и с диагностическими целями, так как позволяет определить степень риска появления наследственных патологий у отдельных индивидуумов, проживающих в определенных странах (регионах).

Популяционно-статистический метод основан на использовании закона ÏолесÃÓХарди-Вайнберга. К нему прибегают, когда есть необходимость в изучении частоты генов и генотипов в популяциях людей.

4. Геном человека

К реализации программы «Г ном ч лов ка» приступили в конце 80-гг. XX ст. Ее инициаторы планировали опр д лить полную последовательность всех 3 млрд. нук еотидных зв нь в г нома человека к 2005 г. В США изучением генома занима ось два колл ктива: сотрудники Национального института исслед вания ген ма че овека (глава – Френсис Коллинз) и сотрудники частн й фирмы Celera Genomics Институт геномных исследований (глава – Крэйг Вентер).

Результаты расшифр вки и анализа генома человека были независимо опубликованы двумя рганизациями в феврале 2001 г. разбежкой в один день.

Геном человека был полностью секвенирован в 2003 г. на сегодняшний день секвенировано 90% генома в черновом виде, 30% – в окончательном.

В компании Celera Genomics для секвенирования было отобрано по одной биопробе от афроамериканца, китайца, испано-мексиканца и две от европейцев. Этот генетический материал позволил рассчитать консенсусную последовательность генома человека длиной 2,91 млрд. п. н.

В процессе секвенирования генома преследовалось три цели:

1.Создание точной генетической карты.

2.Создание физической карты.

3.Секвенирование всего генома человека.

Основные показатели «чернового» варианта генома сведены в таблице 1.

Генетика с основами биометрии

Таблица 1 – Основные характеристики первого («чернового») варианта человека

Предварительные оценки

Генетика с основами биометрии

саттелитная ДНК теломерных и околоцентромерных районов

хромосом;

сильно спирализированные области интеркалярного (внутрихромосомного) гетерохроматина, способные ярко окрашиваться красителем Гимза и флуорохромами;

небольшие интерстициальные фрагменты гэпы (gaps).

ÏолесÃÓ