4 курс / Неврология, мед.ген. / Медицинская генетика / Med_genetika_N_P_Bochkov_A_Yu_Asanov_N_A_Zhuchenko_T_I_Subbotina

наследственной и врожденной патологии, но также определяется прогноз здоровья, прогноз потомства больных лиц и их родственников, определяется тактика профилактики наследственной и врожденной патологии в данной семье (включая пренатальную диагностику), отбираются индивиды для диспансерного наблюдения.

Область применения генеалогического метода в клинической практике не ограничивается только наследственной патологией. При наличии в семье заболевания с наследственной предрасположенностью его применение позволяет определять прогноз для еще здоровых родственников, с последующим определением среди них наиболее подверженных и проведением эффективных мер профилактики этих заболеваний еще на доклинической стадии, что является одной из важнейших задач современной медицины.

Контрольные вопросы и задания

1.Что такое генотип и фенотип? Каково их взаимоотношение?

2.Что такое пенетрантность?

3.Что включает понятие экспрессивность?

4.Что такое плейотропное действие гена?

5.Что такое клинико-генеалогический метод?

6.Какие вопросы можно решить с помощью клинико-генеалогического метода?

7.Перечислите этапы клинико-генеалогического метода.

8.Что обозначают термины «пробанд», «сибсы», «родственный брак»?

9.Перечислите критерии аутосомно-доминантного типа наследования и приведите примеры заболеваний.

10.Что такое спорадический случай?

11.Перечислите критерии аутосомно-рецессивного типа наследования и назовите заболевания, наследуемые по этому типу.

12.Что понимают под псевдодоминированием?

13.Охарактеризуйте разницу между Х-сцепленным доминантным и Х-сцепленным рецессивным типами наследования?

14.Чем характеризуется митохондриальный тип наследования?

15.Каковы критерии голандрического типа наследования?

Глава 4. Изменчивость

Явления изменчивости, как и наследственности, у человека являются предметом генетики человека на всех уровнях его организации: молекулярном, хромосомном, клеточном, организменном и попу-ляционном. Прогресс в понимании причин и источников наблюдаемой изменчивости у человека, в том числе и патологической, в значительной мере обязан медицинской генетике и клинической генетике.

4.1. ТИПЫ ИЗМЕНЧИВОСТИ

Под изменчивостью понимают свойство живых организмов приобретать в онтогенезе новые морфофункциональные признаки и свойства. Особенности индивидуального развития приводят к отличиям потомков от родительских организмов. Отсутствие изменчивости привело бы к полнейшему однообразию в пределах групп сходных организмов и препятствовало бы совершенствованию живых форм. Но если бы не было стабильности в преемственности наследственной устойчивости, не возможно было бы воспроизведение видовых, групповых и расовых признаков и характеристик.

Сформировавшиеся новые признаки могут служить основой для эволюции вида при условии их наследования. С эволюционной точки зрения различают два вида биологической изменчивости: групповую изменчивость, под которой понимают различия между популяциями, этносами или расами и индивидуальную изменчивость, т.е. различия между особями одной популяции. Примерами групповой изменчивости могут служить различия в окраске кожных покровов у африканцев и европейцев, характер оволосения и структуры волос, разрез глаз и многие другие признаки, различающиеся у представителей различных рас. Индивидуальная изменчивость гораздо шире групповой. Она включает все различия между конкретными индивидами по характеру, темпераменту, цвету глаз, наличию определенной группы крови, особенностям внешнего облика, росту, телосложению и т.д.

Наличие общих «видовых» признаков позволяет объединять всех людей на земле в единый вид Homo sapiens. Тем не менее мы без труда одним взглядом выделяем лицо знакомого нам человека в толпе незнакомых людей. Чрезвычайное разнообразие людей - как внутригрупповое (например, разнообразие в пределах этноса), так и межгрупповое - обусловлено их генетическим отличием. В настоящее время считается, что вся внутривидовая изменчивость обусловлена различными генотипами.

Некоторая часть изменчивости организмов проявляется только в виде вариации признаков; другая часть - затрагивает генетический аппарат. В этой связи различают фенотипическую или ненаследственную и генотипическую или наследственную изменчивость (рис. 4.1).

4.1.1. Ненаследственная изменчивость

При фенотипической изменчивости наследственный материал в изменения не вовлекается. Они касаются только признаков индивида и происходят под действием факторов внешней или внутренней среды организма. Подобные изменения не передаются по наследству следующим поколениям, даже если они обусловлены длительным и/или повторными воздействиями на протяжении исторически длительного времени. Например, у некоторых народов обряд инициации (посвящения) связан с нанесением специфических повреждений: прокалыванием носовой перегородки и губ, удалением клыков, обрезанием крайней плоти, уродованием ступней или костей черепа и т.д. Такие изменения, как известно, не наследуются. Они являются лишь реакцией на действие определенного фактора. Если по выраженности изменения в организме не выходят за пределы нормы реакции, подобные изменения фенотипа называют модификационными. Модификационная изменчивость имеет адаптивное (приспособительное) значение. Наиболее четко модификационная изменчивость выявляется при изучении реакций организма на изменения факторов среды: например, условий проживания в различных географических зонах, интенсивности солнечной радиации, характера питания и т.д. Ранее полагали, что изменения фенотипа, не связанные с генетическими изменениями, не имеют эволюционного значения. Однако такая точка зрения неверна, поскольку степень и направление

допустимой изменчивости фенотипа строго контролируется генетической конституцией организма.

Рис. 4.1. Классификация видов изменчивости

Одним из проявлений модификационной изменчивости является феномен фенокопирования. Термин «фенокопирование» был предложен для обозначения признаков, болезней или пороков развития, развивающихся под воздействием определенных условий среды, но фенотипически похожих на такие же состояния, обусловленные генетическими факторами (мутациями).

Таким образом, фенокопия - это признак, развивающийся под действием средовых факторов, но лишь копирующий наследственно обусловленный признак.

Так окраска кожных покровов африканцев характеризуется выраженной пигментацией, даже если человек не подвергается воздействию солнечных лучей. Кожа европейцев, как правило, пигментирована лишь в слабой степени, но становится смуглой под действием света. Таким образом, загорелые, но наследственно светлокожие индивиды представляют собой как бы «копии» генетически темнокожих людей. Можно привести большое число клинических примеров, иллюстрирующие ситуации, когда определенный фенотип может являться продуктом конкретного генотипа, а может быть фенокопией, т.е. развиваться под действием факторов среды. Например, слепота, обусловленная помутнением хрусталика глаза (катаракта), может быть вызвана механическими повреждениями, или действием ионизирующего излучения, или в результате внутриутробного поражения вирусом краснухи. Но развитие катаракты может вызвать специфический ген без какого-либо дополнительного внешнего воздействия на организм. Слабоумие может быть обусловлено специфическим генотипом (например, генной или геномной мутацией), но может развиться при отсутствии йода в рационе ребенка или развиться в результате повреждающего воздействия цитомегаловирусной инфекции на мозг плода во время внутриутробного развития.

Явление изменчивости обеспечивает в эволюции естественный отбор видов. Если бы все члены вида были идентичны по какому-либо признаку, то отбор отсутствовал, поскольку не было бы точки приложения его действия. Однако для эволюции требуется не просто изменчивость, а наследуемая изменчивость, для того чтобы имелась возможность распространить (или удалить) в популяции полезные (или вредные) для вида возникшие изменения. При этом для эволюционных преобразований генетической структуры вида самым важным является то, что различающиеся по генетической конституции особи оставляют различное число потомков. В этом и состоит суть эволюции.

4.1.2. Наследственная изменчивость

Генотипическая (наследственная) изменчивость в зависимости от природы клеток подразделяется на генеративную (изменения в наследственном аппарате гамет) и соматическую (изменения в наследственном аппарате клеток тела). В рамках генеративной и соматической изменчивости выделяют мутационную и комбинативную изменчивость.

Мутационная изменчивость. Мутационная изменчивость обусловлена мутациями (лат. mutatio - изменение, перемена) - устойчивое изменение генетического материала и, как следствие, наследуемого признака. Переходных форм по сравнению с исходным состоянием не наблюдается. События, приводящие к возникновению мутаций, называют мутационным процессом. Различают спонтанный и индуцированный мутагенез. Разделение мутационного процесса на спонтанный и индуцированный в определенной степени условно. Спонтанные мутации возникают при обычных физиологических состояниях организма без видимого дополнительного воздействия на организм внешних факторов. Индуцированные мутации - это мутации, вызванные направленным воздействием факторов внешней или внутренней среды. Индуцированный мутационный процесс может быть контролируемым (например, в эксперименте с целью изучения механизмов и/или его последствий) и неконтролируемым (например, облучения в результате выброса радиоактивных элементов в среду обитания).

Причинами, вызывающими мутации (нарушения структуры генов, хромосом и/или их числа), могут быть различные факторы. Их обозначают как мутагены (лат. mutatio + genos - происхождение). По природе возникновения различают физические, химические и биологические мутагены.

К физическим мутагенам относятся:

1)ионизирующие излучения (например, α-, β -, γ-излучения, рентгеновское излучение, нейтроны);

2)радиоактивные элементы (например, радий, радон, изотопы калия, углерода и т.д. как источники ионизирующего излучения);

3)ультрафиолетовое излучение;

4)чрезмерно высокая или низкая температура.

Химические мутагены - самая многочисленная группа. К ним относятся:

1)сильные окислители и восстановители (например, нитраты, нитриты, активные формы кислорода и т.д.);

2)пестициды (например, фунгициды и гербициды);

3)продукты переработки нефти;

4)органические растворители;

5)лекарственные препараты (например, цитостатики, иммунодепрессанты, дезинфицирующие, психотропные и другие);

6)некоторые пищевые добавки (например, ароматические углеводороды, цикломаты) и другие химические соединения.

К биологическим мутагенам относят некоторые вирусы (например, кори, гриппа, краснухи), продукты обмена веществ, некоторые микробы и паразиты.

По влиянию на организм можно выделить:

1)летальные мутации. Например, такая геномная мутация как моносомия по аутосомам у человека несовместима с нормальным развитием эмбриона;

2)полулетальные мутации - мутации, значительно снижающие жизнеспособность организма, приводя к ранней смерти. Например, пигментная ксеродерма;

3)нейтральные мутации - мутации, не влияющие существенным образом на процессы жизнедеятельности и

4)положительные мутации - мутации, обеспечивающие организму новые полезные свойства.

Типы мутаций. Мутации являются начальным звеном патогенеза наследственных болезней. В соответствии с уровнем организации наследственных структур различают генные, хромосомные и геномные мутации (рис. 4.2).

Генные мутации представляют собой молекулярные, невидимые в световом микроскопе, изменения структуры ДНК.

Мутация может быть выражена в виде замены основания в кодоне (миссенс - мутация), в виде такого изменения кодонов, которое приведет к остановке считывания информации (нонсенс - мутации), в виде нарушения считывания информации (сдвиг рамки считывания). Есть и другие типы генных мутаций. Принципиальным является тот факт, что генная мутация приводит к изменению генетической информации. В результате способности ДНК к конвариантной редупликации мутации могут передаваться от поколения к поколению, если эффект ее не будет летальным.

Рис. 4.2. Схема типов мутаций

См. в учебнике «Медицинская генетика» под редакцией Н.П. Бочкова, 2001, (рис. 4.2. С. 75)

Определенная часть генных мутаций может быть отнесена к нейтральным мутациям, поскольку они не приводят к каким-либо изменениям фенотипа, Например, за счет вырожденности генетического кода одну и ту же аминокислоту могут кодировать два триплета, различающиеся только по одному основанию. С другой стороны, один и тот же ген может изменяться (мутировать) в несколько различающихся состояний. Например, ген, контролирующий группу крови системы

АВО, имеет три аллеля: О, А и В, сочетания которых определяют 4 группы крови. Группа крови системы АВО является классическим примером генетической изменчивости нормальных признаков человека. Причины поддержания нормальной генетической изменчивости будут рассмотрены в разделе «Генетический полиморфизм популяций».

Другая часть генных мутаций приводит к синтезу дефектного белка, не способного выполнять свойственную ему функцию.

Именно генные мутации обусловливают развитие большинства наследственных форм патологии. Болезни, обусловленные подобными мутациями, называют генными или моногенными болезнями, т.е. заболеваниями, развитие которых детерминируется мутацией одного гена. К моногенным заболеваниям относятся: муковисцидоз, фенилкетонурия, гемофилия, нейрофиброматоз, миопатия Дюшенна-Беккера и многие другие заболевания (см. гл. 5).

Геномные и хромосомные мутации являются причинами возникновения хромосомных болезней.

Геномные мутации - это изменение числа отдельных Х-хромосом (анеуплоидии) или плоидности (кратное гаплоидному числу) структурно неизмененных Х-хромосом. Например, при синдроме Дауна или трисомии 21 в клетках больного обнаруживается 47 хромосом за счет появления «лишней» хромосомы 21. Основными механизмами, лежащими в основе анеуплоидий, являются нерасхождение хромосом во время клеточного деления при образовании половых клеток и утрата хромосом в результате «анафазного отставания», когда во время движения к полюсу одна из гомологичных Х-хромосом может отстать от всех других негомологичных Х-хромосом. Термин «нерасхождение» означает отсутствие разделения хромосом или хроматид в мейозе или митозе. Утрата хромосом может приводить к мозаициз-му, при котором имеется одна эуплоидная (нормальная) клеточная линия, а другая - моносомная.

Нерасхождение хромосом наиболее часто наблюдается во время мейоза. У человека по неизвестным пока причинам наиболее часто нерасхождение обнаруживается по акроцентрическим хромосома-ма. Хромосомы, которые в норме должны делиться во время мейоза, остаются соединенными вместе и в анафазе отходят к одному полюсу клетки. Таким образом, возникают две гаметы, одна из которых имеет добавочную хромосому, а другая - не имеет этой хромосомы. При оплодотворении гаметы с нормальным набором хромосом гаметой с «лишней» хромосомой возникает трисомия (т.е. в клетке присутствует три гомологичные хромосомы), при оплодотворении гаметой без одной хромосомы возникает зигота с моносомией. Если моносомная зигота образуется по какой-либо аутосомной (не половой) хромосоме, то развитие организма прекращается на самых ранних стадиях развития.

Хромосомные мутации - это структурные изменения отдельных Х-хромосом, как правило, видимые в световом микроскопе. В хромосомную мутацию вовлекается большое число (от десятков до нескольких сотен) генов, что приводит к изменению нормального диплоидного набора. Несмотря на то что хромосомные аберрации, как правило, не изменяют последовательность ДНК в специфических генах, изменение числа копий генов в геноме приводит к генетическому дисбалансу вследствие недостатка или избытка генетического материала. Различают несколько вариантов хромосомных мутаций, среди которых наиболее частыми являются: делеции - утрата части одной хромосомы; транслокации - перенос части хромосомы, как правило, на негомологичную хромосому; инверсии - переворот на 180о какого-либо участка хромосомы; дупликации - удвоение (или умножение) части хромосомы. Как внутрихромосомные (делеции, инверсии и дупликации), так и межхромосомные (транслокации) аберрации связаны с физическими изменениями структуры хромосом, в том числе с механическими «разломами».

Если хромосомная, геномная или генная мутации возникают в половых клетках здоровых родителей, то она может быть унаследована (т.е. передаться) потомкам, что приведет к

5.1. ЧАСТОТЫ ГЕНОВ

После повторного открытия законов Г. Менделя усилия многих ученых были направлены на исследование генетического контроля признаков у различных организмов, в том числе и человека. Вскоре стало очевидным, что некоторые признаки и заболевания человека также наследуются в соответствии с законами Менделя. Тогда на заре развития менделизма многим казалось, что частота доминантного признака (например, короткопалости) должна постепенно возрастать, и, следовательно, он должен постепенно вытеснять признак рецессивный (в данном случае обычную длину пальцев). Возникал вопрос: «Почему же большинство людей имеет нормальную длину пальцев?»

В 1908 г. английский математик Дж. Харди и австрийский врач В. Вайнберг независимо друг от друга сформулировали закон о постоянстве частот генов (и признаков, контролируемых этими генами) от поколения к поколению.

Закон Харди-Вайнберга гласит, что при определенных условиях, не изменяющих частоты аллелей, популяция имеет определенное соотношение особей с доминантными и рецессивными признаками, при этом частоты аллелей остаются неизменными в ряду поколений.

В природе большинство растений и животных (в том числе и человек) существуют в виде неких сообществ. Для обозначения подобных совокупностей в биологии используется термин популяция. Это группа особей одного вида, существующая в определенном пространстве и времени. Внутрипопуляционные скрещивания обеспечивают популяции пространственное единство, а репродуктивная связь поколений - непрерывность популяции во времени. Численность популяции может оставаться в течение длительного времени постоянной, может возрастать или уменьшаться как в результате миграции особей, так и за счет изменений в рождаемости и смертности.

Если известен тип наследования какого-либо признака, то популяцию можно охарактеризовать через относительные числа генотипов среди особей и/или относительного числа аллелей в гаметах.

5.1.1. Частоты генотипов и частоты генов

Рассмотрим случай, когда аутосомный локус имеет только два аллеля (А и а), и все три генотипа АА, Аа и аа формируют три различающихся фенотипа. Обозначим число особей каждого из трех генотипов (АА, Аа и аа) соответственно n1, n2 и n3. Естественно, что сумма n1, n2 и n3 представляет собой общее число особей в популяции N. Тогда доля генотипа АА среди всех генотипов составляет n1/N = x (частота генотипа АА); доля генотипов АА равняется n2/N = y (частота генотипа Аа); и доля генотипов аа равняется n3/N = z (частота генотипа аа). Сумма x + y + z = 1 или 100%, а относительные доли и есть частоты генотипов.

Рассмотрим популяцию диплоидных организмов, которая состоит из какого-либо числа индивидов, обозначив это число как N. Очевидно, что каждый индивид развился в результате оплодотворения одной яйцеклетки (женская гамета) одним сперматозоидом (мужская гамета). Стало быть, популяция размером N индивидов возникла из 2N гамет, образованных предшествующим поколением. Некоторые из этих половых клеток (гамет) содержали аллель А, а остальные аллель а. Очевидно, что в сумме все гаметы содержат все аллели, т.е. 100% и если, аллель А, например, составляет 60%, то аллель а составляет 40%. Особи с генотипом АА образовались в результате объединения 2n1 гамет, каждая из которых содержит по одному аллелю А. Гетерозиготы (Аа) образовались из 2n2 гамет, из которых n2 содержит аллель А и n2 содержит аллель а. Таким образом, общее число гамет, содержащих аллель А, при образовании

следующего поколения равно 2n1 + n2. Относительное число гамет, содержащих аллель А (обозначим как р) среди всех гамет популяции, равно

Соответственно относительное число гамет с аллелем а среди всех гамет в популяции обозначим как q, которое равно

Эти пропорции называются частотами генов или аллелей.

Поскольку мы рассмотрели один локус с двумя аллелями, т. е. учли все аллели - p + q = 100%. Для расчетов соотношение аллелей удобнее представлять в виде долей от единицы, поскольку

Отсюда p = 1 - q.

Метод определения частот генов можно проиллюстрировать на примере анализа распределения групп крови системы MN в различных выборках населения Москвы, Санкт-Петербурга и Сергиева Посада. Известно, что группы крови системы MN находятся под контролем одного гена (L), имеющего два аллеля (LM и LN) Все три группы крови данной системы «MM», «MN» и «NN» соответствуют трем генотипам и четко различаются при постановке реакции агглютинации. Частоты LM и LN в каждой из представленных выборок можно рассчитать на основании данных о числе людей с конкретными группами крови (табл. 5.1).

Таблица 5.1. Распределение индивидов в различных выборках по группам крови системы «MN» и частоты аллелей

Частоты генов могут быть представлены в виде процентов от общего числа исследованных генов либо долей единицы. Например, в г. Сергиевом Посаде обследовано 489 человек, среди которых выявлено 195 человек с группой крови «MM», 215 человек с группой крови «MN» и 79 человек с группой крови «NN». Так как каждый обследованный имеет по 2 аллеля (один в одной хромосоме, другой аллель - в гомологичной сестринской хромосоме), то общее число исследованных генов составит 2 х 489 или 978 генов. У 195 человек с группой крови «MM» в каждой гомологичной хромосоме находится аллель M. Следовательно, число аллелей M у 195 человек составит 195 х 2 = 390. У каждого из 215 человек с группой крови «MN» в одной хромосоме находится аллель M, а в другой - аллель N. Таким образом, общее число аллелей M составит 390 + 215 = 605. Теперь остается ответить на вопрос: какой процент от всех обследованных генов составляет общее число всех выявленных генов «M» (605). Составим пропорцию.

Подобным же образом находим процент аллелей «N» среди всех исследованных, который равен

38,14%.

5.1.2. Частоты генов в поколении потомков. Закон Харди-Вайнберга

В предыдущем разделе приведены частоты аллелей в одном поколении популяции. Будет ли изменяться частота генотипов и генов в последовательном ряду поколений? Очевидно, что генотипы каждого последующего поколения образуются из гамет предыдущего. Если предположить, что на популяцию не действуют никакие факторы, способные изменить частоты генов, тогда частоту в поколении потомков можно определить, зная типы скрещивания и частоту каждого типа, а также ожидаемые соотношения генотипов в потомстве от каждого типа скрещивания.

Возможен и другой путь определения генотипического состава популяции потомков, исходя из предположения о случайном объединении всех гамет. Если допустить, что все особи мужского пола вносят одинаковый вклад в репродукцию (условно в некий общий фонд спермы), и особи женского пола - также одинаковый вклад в (общий фонд яйцеклеток), то частоты генотипов можно определить путем перемножения частоты разных типов гамет из фонда гамет отцов (рсп + qсп) и фонда гамет матерей (ряц + qяц).Частоты зигот АА, Аа и аа будут соответственно равны p2, 2pq, q2. Поскольку частоты генотипов потомков равны квадрату частот генов среди гамет родителей при условии, что (р = р ) и (q = q ), Полученная формула является математическим