Лекция Методы изучения наследственности человека

Лекция
Методы изучения наследственности человека
Методы изучения генетики человека.
Изучение генетики человека связано с рядом особенностей и объективных трудностей:
1) сложный кариотип;
2) позднее половое созревание и редкая смена поколений;
3) малое количество потомков;
4) невозможность экспериментирования;
5) невозможность создания одинаковых условий жизни.
Для обследования больных и решения вопросов патогенеза наследственных заболеваний в
медицинской генетике широко применяются общеклинические методы:
электрокардиография, электроэнцефалография, электромиография, биохимические
анализы биологических жидкостей, биопсия тканей и др. Однако имеется целый ряд
специфических методов, с помощью которых можно изучить вопросы возникновения,
развития, распространения, механизмы передачи из поколения в поколение
наследственных болезней и роль генотипа и факторов среды в их проявлении.
Клиникогенеалогический метод
Клиникогенеалогический метод был предложен в 1883 г. Ф. Гальтоном. Он основан на
построении родословных и прослеживании в ряду поколений передачи определенного
признака. Этот метод относится к наиболее универсальным методам медицинской
генетики. Он широко применяется для решения теоретических и прикладных проблем.
Метод позволяет установить:
1) является ли данный признак наследственным (по проявлению его у родственников);
2) тип и характер наследования (доминантный или рецессивный, аутосомный или
гоносомный);
3) зиготность лиц родословной (гомо- или гетерозиготы);
4) пенетрантность гена (частота его проявления);
5) вероятность рождения ребенка с наследственной патологией (генетический риск).
Этапы генеалогического анализа:
1) сбор данных обо всех родственниках обследуемого (анамнез);
2) построение родословной;
3) анализ родословной и выводы.
Обычно родословная собирается по одному или нескольким признакам. В зависимости от
цели исследования родословная может быть полной или ограниченной. Желательно
стремиться к наиболее полному составлению родословной по восходящему, нисходящему
и боковым направлениям. Сложность сбора анамнеза заключается в том, что пробанд
должен хорошо знать родственников по линии матери и отца не менее трех поколений и
состояние их здоровья, что бывает крайне редко. Одного опроса, как правило,
недостаточно. Для некоторых членов родословной приходится назначать полное
клиническое, параклиническое или лабораторное обследование для уточнения состояния
их здоровья. Подробное клинико-генеалогическое исследование проводится во всех
1
случаях, когда при первичном клиническом осмотре возникает подозрение на
наследственную болезнь.
Для построения родословных применяются условные обозначения. При построении
родословной необходимо соблюдать следующие правила:
1) родословную начинают строить с пробанда;
2) каждое поколение нумеруется римскими цифрами слева;
3) символы, обозначающие особей одного поколения, располагаются на горизонтальной
линии и нумеруются арабскими цифрами. Основой родословной является пробанд - лицо,
с которого начинается исследование семьи. В родословных пробанд помечается знаком f.
Условные обозначения для построения родословных
Первая задача при анализе родословной - установление наследственного характера
признака. Если в родословной встречается один и тот же признак (болезнь) несколько раз,
то можно думать о его наследственной природе. После обнаружения наследственного
характера признака (болезни) необходимо установить тип наследования. Для этого
используются принципы генетического анализа и различные статистические методы
обработки данных многих родословных.
Аутосомно-доминантный тип наследования характеризуется следующими признаками:
1) больные в каждом поколении;
2) больной ребенок у больных родителей;
3) болеют в равной степени мужчины и женщины;
4) проявление признака (болезни) наблюдается по вертикали и по горизонтали;
5) вероятность наследования 100% (если хотя бы один родитель гомозиготен), 75% (если
оба родителя гетерозиготны) и 50% (если 'один родитель гетерозиготен).
Доминантно наследуемые болезни характеризуются полиморфизмом клинических
проявлений и высокой вариабельностью сроков начала болезни. Для большинства
болезней этого типа характерны такие патологические состояния, которые не наносят
серьезного ущерба здоровью человека и в большинстве случаев не влияют на его
2
способность иметь потомство. Так наследуются у человека полидактилия (шестипалость),
веснушки, курчавые волосы, нейрофиброматоз , ахондроплазия, синдром Марфана и др.
Следует подчеркнуть, что перечисленные признаки аутосомно-доминантного типа
наследования будут проявляться только при полном доминировании. При неполном
доминировании у потомков будет проявляться промежуточная форма наследования. При
неполной пенетрантности гена больные могут быть не в каждом поколении.
Родословная с аутосомно-доминантным типом наследования
Родословная с аутосомно-рецессивным типом наследования
Аутосомно-рецессивный тип наследования характеризуется следующими признаками:
1) больные не в каждом поколении;
2) больной ребенок (гомозигота) рождается у здоровых родителей (гетерозигот);
3) болеют в равной степени мужчины и женщины;
4) проявление признака (болезни) наблюдается по горизонтали;
5) вероятность наследования 25% (если оба родителя гетерозиготны), 50% (если один
родитель гетерозиготен, а второй гомозиготен по рецессивному признаку) и 100% (если
оба родителя рецессивные гомозиготы). Чаще всего вероятность наследования болезни
аутосомно-рецессивного типа составляет 25%, так как вследствие тяжести заболевания
такие больные либо не доживают до детородного возраста, либо не вступают в брак. Так
наследуются у человека фенилкетонурия, серповидно-клеточная анемия, муковисцидоз,
3
галактоземия, болезнь Вильсона-Коновалова, адреногенитальный синдром,
мукополисахаридозы и др.
Родословная с Х-сцепленным рецессивным типом наследования
Х: -сцепленный
признаками:
рецессивный
тип
наследования
характеризуется
следующими
1) больные появляются не в каждом поколении;
2) больной ребенок рождается у здоровых родителей;
3) болеют преимущественно мужчины;
4) проявление признака (болезни) наблюдается преимущественно по горизонтали;
5) вероятность наследования - у 25% всех детей, в том числе у 50% мальчиков;
6) здоровые мужчины не передают болезни. Так наследуются у человека гемофилия,
дальтонизм, умственная отсталость с ломкой Х-хромосомой, мышечная дистрофия
Дюшенна, синдром Леша-Найхана и др.
Х-сцепленный доминантный тип наследования сходен с аутосомно-доминантным, за
исключением того, что мужчина передает этот признак только дочерям (сыновья
получают от отца Y-хромосому). Примером такого заболевания является особая форма
рахита, устойчивая к лечению витамином D.
Голандрический тип наследования характеризуется следующими признаками:
1) больные во всех поколениях;
2) болеют только мужчины;
3) у больного отца больны все его сыновья;
4) вероятность наследования у мальчиков 100%.
Так наследуются у человека некоторые формы ихтиоза, обволошенность наружных
слуховых проходов и средних фаланг пальцев, некоторые формы синдактилии (перепонки
между пальцами ног) и др.
4
Родословная с Х-сцепленным доминантным типом наследования
Родословная с голандрическим типом наследования
Близнецовый метод изучения генетики человека введен в медицинскую практику Ф.
Гальтоном в 1876 г. Он позволяет определить роль генотипа и среды в проявлении
признаков.
Различают моно- и дизиготных близнецов. Монозиготные (однояйцовые) близнецы
развиваются из одной оплодотворенной яйцеклетки. Монозиготные близнецы имеют
совершенно одинаковый генотип, но могут отличаться по фенотипу, что обусловлено
воздействием факторов внешней среды. Дизиготные (двуяйцовые) близнецы развиваются
после оплодотворения сперматозоидами нескольких одновременно созревших яйцеклеток.
Такие близнецы имеют разный генотип, и их фенотипические отличия обусловлены как
генотипом, так и факторами внешней среды.
Монозиготные близнецы имеют большую степень сходства по признакам, которые
определяются в основном генотипом.
Например, они всегда однополы, у них одинаковые группы крови по разным системам
(ABO, Rh, MN и др.)> одинаковый цвет глаз, однотипные дерматоглифические узоры на
пальцах и ладонях и др. Эти фенотипические признаки и используются в качестве
критериев диагностики зиготности близнецов.
5
Процент сходства близнецов по изучаемому признаку называется конкордантностью, а
процент различия - дискордант-ностью. Так как монозиготные близнецы имеют
одинаковый генотип, то конкордантность у них выше, чем у дизиготных. Для оценки роли
наследственности и среды в развитии того или иного признака используется формула
Хольцингера:
КМБ(%) - КДБ(%) /100%-КДБ(%)
где Н - доля наследственности, КМБ - конкордантность монозиготных близнецов, КДБ конкордантность дизиготных близнецов. Если результат расчетов по формуле
Хольцингера приближается к единице, то основная роль в развитии признака
принадлежит наследственности, и наоборот, чем ближе результат к нулю, тем больше
роль средовых факторов.
Популяционно-статистический метод изучения генетики человека основан на
использовании математического выражения закона Харди-Вейнберга, где р - частота
встречаемости в популяции доминантного гена, q - частота встречаемости рецессивного
гена, р2 - частота доминантных гомозигот, q2 - частота рецессивных гомозигот, a 2pq частота гетерозигот. Сумма частот всех генотипов может быть принята за 1 (100%): р2 +
2pq + q2 = 1(100%). Метод позволяет определять частоту генов и генотипов в больших
(свыше 4,5 тыс.) популяциях людей.
Цитогенетические методы. Цитогенетический метод основан на макроскопическом
исследовании кариотипа. Этапы исследования:
1) культивирование клеток человека (чаще лимфоцитов) на искусственных питательных
средах;
2) стимуляция митозов фитогемагглютинином (ФГА);
3) добавление колхицина (разрушает нити веретена деления) для остановки митоза на
стадии метафазы;
4) обработка клеток гипотоническим раствором, вследствие чего хромосомы
"рассыпаются" и лежат свободно;
5) простое и дифференциальное окрашивание хромосом;
6) изучение хромосом под микроскопом и фотографирование;
7) вырезание отдельных хромосом и построение идиограммы.
В 70-е годы прошлого века были разработаны методы
дифференциального окрашивания хромосом человека, которые
показали, что каждая пара хромосом имеет свой специфический
характер чередования неокрашенных, светло- и темноокрашенных
дисков (Парижская классификация). Метод позволяет выявлять
геномные (например, болезнь Дауна) и хромосомные (например,
синдром кошачьего крика) мутации. В таких случаях кариотип
больного обозначают следующим образом: количество хромосом,
набор гетерохромосом, номер хромосомы, короткого или длинного
плеча и избыток (+) или нехватка (-) генетического материала.
Например, болезнь Дауна у мальчика: 47,XY,21 + ; синдром
кошачьего крика у девочки: 46,ХХ,5р-. хромосомные мутации, их
разнообразие и проявление в форме синдромов.
Хромосомные болезни. Известно около 300 хромосомных
синдромов, которые могут быть обусловлены изменением числа
хромосом – аутосом (синдром Дауна) или половых хромосом
6
(синдромы: Шерешевского – Тернера, Кляйнфельтера). Если
обнаруживается одна лишняя хромосома (46+1), то это трисомия.
Например синдром Дауна возникает при трисомии по 21 хромосоме
(обозначают 21+).
Впервые открытие того, что синдромы врождённых пороков развития
могут быть обусловлены отклонениями в составе хромосом,
произошло в 1959 г. на болезни Дауна, клиническое описание
которой было сделано ещё в прошлом веке. Открытие
последовало за разработкой к концу 50-х годов эффективных
методов определения числа и морфологии хромосом в клетках
человека и млекопитающих.
Синдром Клайнфельтера – это группа клинически сходных отклонений
в половом,соматическом и психическом развитии, которые
развиваются у индивидуумов мужского пола при полных или
частичных Х- или Y- полисомиях. Его суммарная частота 2,5 на
1000 живорожденных мальчиков.
Если одной хромосомы не хватает (46-1=45) – это моносомия. Если
моносомия у женщин по половым хромосомам, то обозначают ХО.
Часты синдромы Шерешевского - Тернера (частота 0,7 на 1000
новорожденных девочек) и трипло-Х (1,4 на 1000 девочек).
Клинические проявления синдрома в виде отставания в росте,
отклонений в строении лица, шеи и др. проявляются в ранние годы,
но основная симптоматика, выражающаяся в отсутствии развития или
недоразвития вторичных половых признаков, в первичной аменорее,
развивается в годы полового созревания. Взрослые пациенты
бесплодны.
Наиболее частой из них и достаточно известной среди врачей и
населения является трисомия по хромосоме 21, или болезнь Дауна.
На втором месте по частоте находится трисомия по
хромосоме 18, или синдром Эдвардса. Она встречается в 10 раз
реже болезни Дауна, пороки
развития тяжелее; такие младенцы погибают в основном на первом
году жизни.
Ещё реже, с частотой 7:100 000, рождаются живые дети с трисомией
по хромосоме 13 (синдром Патау). Очень редки также трисомии по
аутосомам 8 и 9.
Изменение числа половых хромосом оказывают менее вредное влияние
на организм, чем аномалии аутосом. Большинство аутосомных
хромосомных мутаций летально, в связи с чем эмбрион погибает на
ранних сроках беременности.
Не только изменение числа хромосом, но и аномалии их структуры
(делеции) вызывают хромосомные заболевания.
Синдромы, обусловленные делециями: 4р- (синдром Вольфа –
Хиршхорна), 5р- (синдром кошачьего крика), 9p-, 13q-, 18q-,
18r, 21q-, 22q-.
В качестве примера хромосомных мутаций приведём 5p – утрата
короткого плеча (p) 5-й хромосомы, или синдром «кошачьего крика»
(название обусловлено сходством плача ребёнка с мяуканьем
кошки). Такой крик объясняется
не аномалией голосового аппарата, а нарушениями центральной
нервной системы.
Для синдрома 5p характерны микрогнаитя (от греческого гнатос –
челюсть) и синдактилия, которые дополняют фенотипическую
7
картину синдрома. У больных отмечается понижение
сопротивляемости к инфекциям, поэтому относительно часто
они умирают рано. Отягощающим фактором являются различные
нарушения внутренних рганов (аномалии сердца, почек, грыжи и
др.).
Делеция – утеря участка хромосомы. Условное обозначение: 5р(пятая хромосома, утрата в плече р).
в) геномные мутации и их последствия.
Геномные мутации – это полиплодия – у человека редкое явление.
Описаны
редкие триплоиды и тетраплоиды в основном среди спонтанно
абортированных
эмбрионов или плодов и среди мертворождений. Новорождённые с
такими нарушениями живут несколько дней.
Молекулярно-цитогенетические
методы основаны на флюоресцентной
гибридизации in situ (FISH). Для исследуемой хромосомы или ее участка готовят
однонитевой участок ДНК, к которому присоединяют биотин и дигоксигенин. Такой
"помеченный" участок ДНК называется зондом. На микроскопическом препарате in situ
денатурируют хромосомную ДНК (взятую у больного) щелочной обработкой, то есть
разрывают связи между двумя цепочками ДНК. Препарат обрабатывают зондом. Так как
последовательность нуклеотидов зонда и соответствующего участка исследуемой
хромосомы комплементарны, то зонд присоединяется к хромосоме. В этом участке
происходит ренатура.ция ДНК. Далее препарат обрабатывают стрептовидином (вещество,
избирательно присоединяющееся к биотину) и антиди-гоксигениновым антителом
(избирательно присоединяется к дигоксигенину). К этим веществам присоединяют
флюоресцентные красители (родамин - красный цвет или флюоресцеин - зеленый цвет). В
люминесцентном микроскопе хорошо видны окрашенные хромосомы на фоне
неокрашенных.
С помощью метода FISH можно определять локализацию генов в хромосомах и все
хромосомные аберрации. В последнее время разработана методика применения этого
метода для диагностики анеуплоидий в интерфазных ядрах.
Биохимические методы. Биохимические методы основаны на изучении активности
ферментных систем либо по активности самого фермента, либо по количеству конечных
продуктов
реакции,
катализируемой
данным
ферментом.
Применяются
хроматографические, флюорометрические, радиоиммунологические и некоторые другие
методы. Они позволяют выявлять генные мутации - причины болезней обмена веществ
(например, фенилкетонурии, серповидно-клеточной анемии). Они могут применяться и
как экспресс-методы.
С помощью биохимических нагрузочных тестов можно выявлять гетерозиготных
носителей патологических генов, например фенилкетонурии. Обследуемому человеку
вводят внутривенно определенное количество аминокислоты фенилаланина и через
равные промежутки времени определяют его концентрацию в крови. Если человек
гомозиготен по доминантному гену (АА), то концентрация фенилаланина в крови
довольно быстро возвращается к контрольному уровню (определяется до введения
фенилаланина), а если он гетерозиготен (Аа), то снижение концентрации фенилаланина
идет в два раза медленнее. Аналогично проводятся тесты, выявляющие
предрасположенность к сахарному диабету, гипертонии и другим болезням.
8
Молекулярно-генетические методы. Эти методы позволяют анализировать
фрагменты ДНК, находить и изолировать отдельные гены и их сегменты и устанавливать
в них последовательность нуклеотидов.
Метод клонирования ДНК позволяет изолировать отдельные гены или их части,
создавать неограниченное количество их копий, транскрибировать и транслировать
изолированные гены, что стало возможным благодаря открытию ферментов-рестриктаз.
Эти ферменты "узнают" специфическую олигонуклеотидную последовательность в
двухнитевой ДНК и разрезают ее в данном месте - сайте. Разные рестриктазы распознают
различные последовательности нуклеотидов и разрезают ДНК в определенных местах.
9