Х - сцепленный тип наследования. Основой метода является составление родословной и ее последующий анализ, который был предложен Ф.Гальтоном в 1895 году
КЛИНИКО - ГЕНЕАЛОГИЧЕСКИЙ МЕТОД
Основой метода является составление родословной и ее последующий анализ, который был предложен Ф.Гальтоном в 1895 году. Задачами метода является установление наследственного характера признака и определение типа наследования. Он лежит в основе медико-генетического консультирования. Составление родословной - сбор сведений о семье - начинается с человека, обратившегося к врачу-генетику. Этот человек называется пробандом. Основные типы передачи моногенных заболеваний: аутосомно-доминантный, аутосомно-рецессивный и сцепленный с хромосомой Х.
Аутосомно - доминантный тип наследования. В связи с тем, что доминантные гены, детерминирующие развитие заболевания, в гомозиготном состоянии являются, как правило, летальными, все браки между больными и здоровыми членами семьи относятся к типу Аа х аа, где А - доминантный ген, определяющий развитие наследственного заболевания, а - рецессивный ген. Родословная при этом имеет характерные признаки:
· каждый больной член семьи обычно имеет больного родителя:
· заболевание передается из поколения в поколение, больные встречаются в каждом поколении;
· у здоровых родителей дети будут здоровы;
· заболеть могут и мужчины, и женщины в равной степени, поскольку ген локализуется в аутосоме;
· вероятность рождения больного ребенка, если болен один из родителей, равна 50%.
При некоторых аутосомно-доминантных заболеваниях наблюдается неполная пенетрантность гена (вероятность проявления гена). Она выражается в процентах заболевших от числа носителей. Так, если доминантный ген проявляется в фенотипе всех его носителей, то его пенетрантность составляет 100%.
Носительство доминантного гена без фенотипического проявления можно заподозрить у одного из родителей, если среди его потомков появились больные с соответствующим доминантным заболеванием. Когда у здоровых родителей родился больной ребенок и в родословной есть и другие случаи этой болезни, то можно предполагать, что у одного из родителей больного был патологический ген, который не пенетрировал, но был передан потомку.
Aутосомно - рецессивный тип наследования. Рецессивный ген проявляет свое действие только в гомозиготном состоянии, поэтому в гетерозиготном состоянии он может существовать во многих поколениях, никак не проявляясь фенотипически. В результате первый больной рецессивной болезнью появляется через многие поколения после возникновения мутации. Аутосомно-рецессивное наследование имеет следующие отличительные признаки:
· у здоровых родителей рождаются больные дети. Наиболее частый тип браков - это брак между гетерозиготными носителями (Аа х Аа); вероятность рождения больного ребенка равна 25%.
· В браке лица с рецессивной болезнью со здоровым человеком все дети будут здоровы;
· болеют в основном сибсы, а не родители:
· более высокий процент кровнородственных браков;
· все дети больных родителей являются гетерозиготными носителями патологического гена;
· мужчины и женщины болеют одинаково часто;
Частота возникновения аутосомно-рецессивного заболевания находится в прямой зависимости от степени распространения мутантного гена. Особенно повышается частота рецессивных заболеваний в изолятах и популяциях, в которых процент кровнородственных браков высок. Вероятность рождения больного ребенка в кровнородственном браке значительно выше, чем в неродственных браках, поскольку больше вероятность гетерозиготного носительства гена, полученного от общего предка.
Х - сцепленный тип наследования
Главной особенностью Х-сцепленного наследования является отсутствие передачи сыну соответствующего гена отца, так как мужчины, будучи гемизиготными (имеют только одну хромосому X), передают свою хромосому Х только дочерям. Если в хромосоме Х локализуется доминантный ген, такой тип наследования называется Х-сцепленным доминантным. Для него характерно.
· если болен отец, то все его дочери будут больны, а все сыновья здоровы;
· дети больны только в том случае, если болен один из родителей;
· у здоровых родителей все дети будут здоровы;
· заболевание прослеживается в каждом поколении;
· если мать больна, то вероятность рождения больного ребенка независимо от пола равна 50%:
· болеют как мужчины, так и женщины, но в целом среди больных женщин в 2 раза больше.
При локализации в хромосоме Х рецессивного гена тип наследования называется X-сцепленным рецессивным. Для него характерно:
· болеют преимущественно лица мужского пола;
· заболевание наблюдается у мужчин - родственников пробанда по материнской линии;
· сын никогда не наследует заболевание отца:
· если пробанд женщина, ее отец обязательно болен, а мать - гетерозиготная носительница и болеют все ее сыновья;
· в браке больных мужчин и здоровых гомозиготных женщин все дети будут здоровы, но у дочерей могут быть больные сыновья;
· в браке здорового мужчины и гетерозиготной женщины вероятность рождения больного ребенка составит 50% для мальчиков и 0% для девочек.
Генеалогический анализ при заболеваниях с цитоплазматическим типом наследования. Строго говоря, к этим заболеваниям относятся болезни, гены которых локализованы в цитоплазме, в митохондриях. Эти болезни передаются только по линии матери, а их наследование не соответствует менделевскому. Для цитоплазматического наследования характерно:
• заболевание передается от матери 50% сыновей и дочерей;
• заболевание не передается от отца детям, независимо от пола;
• мужчины болеют чаще, чем женщины (около 85% больных - мужчины):
• заболевание может передаваться внукам через дочерей-носительниц:
Генеалогический анализ при мультифакториальных заболеваниях. Анализ родословных при мультифакториальных заболеваниях основан не на законах Менделя, как при моногенных признаках, а на эмпирически полученных данных. В результате многолетних наблюдений были выявлены следующие особенности, характерные для этих форм патологии.
1. Вероятность заболевания зависит от степени родства с пораженным членом семьи, т.е. от числа общих генов.
2. Число больных родственников в семье определяет прогноз для пробанда. Например, при сахарном диабете риск для сибсов пробанда в зависимости от числа больных родственников будет следующим: • 5-10%, если родители здоровы; • 10-20% - если болен один из родителей; до 40%, если больны оба родителя.
3. Генетический прогноз зависит от степени тяжести заболевания пораженного родственника, так как степень тяжести при мультифакториальных заболеваниях определяется суммарным действием нескольких генов. Так, человек, получивший несколько генов, от которых зависит артериальная гипертензия, будет иметь более тяжелую форму заболевания и большую вероятность передачи наследственного предрасположения потомству
4. Вероятность возникновения заболевания увеличивается в семье, в которой больной родственник относится к редко поражаемому полу. Так, в случае язвенной болезни желудка в каждой семье, отягощенной по этому заболеванию, вероятность передачи генов потомству одинакова. Однако вероятность заболевания всегда больше для лиц мужского пола и в том случае, если поражены женщины - родственницы пробанда.
БЛИЗНЕЦОВЫЙ МЕТОД
Ф.Гальтон в 1876 году предложил использовать метод анализа близнецов для разграничения роли наследственности и среды в развитии различных признаков у человека. Этот метод позволяет определить роль генетического вклада в наследование сложных признаков. При использовании этого метода проводится сопоставление: партнеров в монозиготных парах между собой; монозиготных близнецов (МБ) с дизиготными (ДБ); данных анализа близнецовой выборки с общей популяцией.
Монозиготными близнецами называются близнецы, образовавшиеся из одной зиготы, разделившейся на стадии дробления на две (или более) части.С генетической точки зрения они идентичны, го есть обладают одинаковыми генотипами. Естественно, что они всегда одного пола.
Дизиготные близнецы возникают путем оплодотворения двух разных яйцеклеток разными сперматозоидами и развиваются в матке одновременно. С генетической точки зрения они сходны между собой не более чем обычные братья и сестры, так как имеют в среднем 50% идентичных генов. Общая частота рождения близнецов составляет 1%, 1/3 из них приходится на монозиготных близнецов.
Факторы, вызывающие у человека деление зиготы на ранних стадиях дробления с образованием МЗ близнецов, пока неизвестны. Но отмечены факторы, влияющие на частоту рождения близнецов: возраст матери и порядок рождения. Вероятность рождения близнецов повышается с возрастом матери, но это относится только к ДЗ близнецам. Возможно, это связано с повышением уровня гонадотропина с увеличением возраста женщины, который приводит к учащению полиовуляции.
Близнецовый метод включает в себя следующие этапы:
а) подбор близнецовых пар,
б) определение зиготности близнецов, которое основано на анализе наиболее изученных моногенных признаков, таких как группы крови, лейкоцитарные антигены, чувствительность к горькому вкусу фенилтиомочевины и т.д. Если у обоих близнецов по этим признакам нет различий, то их считают монозиготными. Наиболее достоверный критерий монозиготности - свободная приживляемость трансплантантов, но его используют редко.
в) сопоставление групп моно- и дизиготных близнецов по изучаемому признаку. При этом определяется коэффициент парной конкордантности (К) (степень сходства), указывающий на долю близнецовых пар, в которых исследуемый признак проявился у обоих партнеров, днскордантность(Д) - степень несходства.
С С - число конкордантных пар
К =-------- где: Д - число дискондартных пар
С + Д
К можно выражать в процентах и в долях единицы. Если у монозиготных близнецов К высок, а у дизиготных - низок, считают, что доминирующая роль в определении признака принадлежит наследственным факторам. При близких значениях К у моно- и дизиготных близнецов, считают, что признак развивается в основном под действием внешней среды. Если значение К у монозиготных близнецов не высоко, но существенно выше, чем у дизиготных близнецов, считают, что в формировании признака сыграли роль как факторы внешней среды, так и факторы генетической природы.
Для объективности суждения о роли среды и наследственности в развитии признака используют критерий «Н» - наследуемость.
КМБ-КДБ КМБ-КДБ в долях
Н=---------- в процентах или Н= ---------
100-КДБ 1-КДБ единицы
При значениях Н, приближающихся к 0, считают, что признак развивается исключительно под действием факторов внешней среды. При значениях 1> Н >0,7- признак развивается под действием генетических факторов. Средние значения Н (от 0,4 до 0,7) свидетельствуют о том, что признак развивается под действием факторов внешней среды на фоне генетической предрасположенности.
| Примеры конкордантности по некоторым признакам и заболеваниям у МБ и ДБ у человека (в %) | ||
| Признаки | МБ | ДБ |
| Цвет глаз | 99,5 | 28,0 |
| Цвет кожи | 100,0 | 45,0 |
| Цвет волос | 97,0 | 23,0 |
| Форма губ | 100,0 | 65,0 |
| Форма ушей | 98,0 | 20,0 |
| Папиллярные линии | 92,0 | 40,0 |
| Маниакально-депрессивный психоз 73,1 | 15,2 | |
| Шизофрения | 67,0 | 12,1 |
| Эпилепсия | 60,8 (37,2) | 12,3 (1,8) |
| Сахарный диабет | 84,0 (58,0) | 37,0 (20,0) |
| Туберкулез | 66,7 | 23,0 |
| Ревматизм | 47,3 | 17,3 |
| Косолапость | 45,5 | 18,2 |
| Корь | 97,4 | 95,7 |
| Коклюш | 97,7 | 92,0 |
| Ветряная оспа | 92,8 | 89,2 |
| Скарлатина | 56,4 | 41,2 |
ЦИТОГЕНЕТИЧЕСКИЙ МЕТОД
Строение и аномалии хромосом изучает цитогенетика. Цитогенетические методы диагностики позволяют судить о кариотипе больного - числе и структуре хромосом. В 1956 году Тио и Леван, в своей знаменитой статье (Tjio, Levan, 1956) сообщили, что число хромосом у человека в клетках эмбриона - 46, а не 48 как считали раньше. Цитогенетически хромосомы и их структура выявляются при изучении различных соматических клеток (костного мозга, культур лимфоцитов периферической крови и кожных фибробластов). Хромосомные синдромы связаны либо с различными структурными преобразованиями хромосом, либо с изменением их числа в клеточном ядре. Численные изменения хромосомных наборов могут быть двух типов: полиплоидии - умножение полного хромосомного набора, или генома, кратное гаплоидному числу хромосом; анеуплоидии - увеличение или уменьшение числа хромосом в наборе, некратное гаплоидному. Оба типа количественных изменений кариотипа обусловлены, как правило, патологией мейоза или митоза.
В кариотипе человека аутосомыпронумерованы с 1-й по 22-ю по мере уменьшения их длины. Половые хромосомы обозначаются как Х и У. Когда хромосомы окрашиваются гомогенно (без поперечной исчерченности), они могут быть легко представлены как хромосомы 7 различных групп, обозначаемых от А до G. Деление на группы основано на порядке уменьшения величины хромосом и по расположению центромеры. Группа А (1-3) - большие хромосомы, легко отличимые друг от друга по размерам и расположению центромер. Хромосомы 1 и 3 – метацентрические, хромосома 2- субметацентрическая. Группа В (4-5) - большие субметацентрические хромосомы. Группа С (6-12 и Х) - субметацентрические хромосомы среднего размера, хромосома Х похожа на самые большие хромосомы из этой группы. Группа D (13-15) - среднего размера акроцентрические хромосомы со спутниками на коротких плечах. Группа Е (16-18) - относительно небольшие метацентрические и субметацентрические хромосомы. Группа F (19-20) – небольшие метацентрические хромосомы. Группа G - (21-22 и У) - маленькие акроцентрические хромосомы со спутниками на коротких плечах; хромосома У в нормальном кариотипе никогда не имеет спутников.
При дифференциальном окрашивании хромосом можно наблюдать их специфическую исчерченность, строго индивидуальную для каждой пары гомологичных хромосом. В хромосоме выделяют короткое и длинное плечо, которые обозначаются буквами “р” и “q”, соответственно, а в каждом плече выделяют районы, которые пронумерованы последовательно от центромеры к теломере. В каждом районе хромосом полосы и сегменты нумерованы также последовательно в таком же направлении - от центромеры к теломере. Когда исследователям необходимо обозначить какой-либо участок при описании аномалии хромосом, то вначале пишут номер хромосомы, затем символ плеча (р или q), номер района и номер полосы (или сегмента) хромосомы. Например, запись - 6q 23 указывает на то, что это хромосома 6, длинное плечо, район 2, полоса (или сегмент) 3.
На рисунке представлено изображение дифференциального G-окрашивания хромосом
Кариотипа человека.
ГЕНОМ ЧЕЛОВЕКА
Проект был начат в 1988 в США по инициативе лауреата Нобелевской премии Дж. Уотсона, а в России в 1989 году по инициативе академика Баева. Исходной задачей программы «Геном человека» было создание генетической и физической карт генома человека, которые должны были стать основой расшифровки точной последовательности четырех нуклеотидов молекул ДНК, для чего были разработаны специальные методы секвенирования ДНК.
Результаты проекта «Геном человека»
Прежде всего, необходимо отметить, что секвенирован не весь геном, а только 90% нуклеотидной последовательности ДНК эухроматиновых районов хромосом. Размер эухроматических районов генома составил около 2,9 млрд.п.н. Наиболее сложными для секвенирования оказались сателлитная ДНК теломерных и околоцентромерных районов хромосом, а также сильно спирализованные участки интеркалярного гетерохроматина.
Основные характеристики первого «чернового» варианта генома человека (Nature, 2001)
| Общая длина молекулы ДНК | 1,5 – 1,7 м |
| Число нуклеотидов | 3,3 х 109 |
| Просеквенировано | 90 % |
| Повторяющиеся последовательности | 45 – 50 % |
| Транскрибируется в РНК | 23 25 % |
| Транслируется до белков (экзонная часть генома) | 5 % |
| Кодирует синтез всех белков организма | 1,2 % |
| «Паразитическая» ДНК | 45 % |
| Короткие повторы (микросателлитная ДНК) | 3 % |
| Длинные геномные повторы | 5 % |
| Идентичность геномов разных индивидуумов | 99,9 % |
| Общее число однонуклеотидных замен | 3,2 х 106 |
| Число «значимых» (внутригенных) SNP | 1,5 х 106 |
| Число генов на хромосоме 21 | |
| Число генов на хромосоме 22 | |
| Всего определено генов | |
| Всего идентифицировано генов |
Только 1,2 % всей ДНК кодирует структуру белковых молекул, в то время как более 80 % ядерной ДНК представлено повторяющимися нуклеотидными последовательностями, более половины которых составляет ДНК, функции которой до настоящего времени не известны. Структура геномов людей разных национальностей, рас и этнических групп на 99,9 % идентична. Межиндивидуальная вариабельнность при секвенировании генов представителей европеоидной, монголоидной и негроидной рас не превысила 0.1 % и была обусловлена в основном однонуклеотидными заменами –SNP (single nucleotide polymorphism). Такие замены многочисленны, они встречаются через каждые 1 – 2 т.п.н. и их общее число оценивают в 3.2 млн.
При расшифровке первичной структуры генома человека установлены следующие его особенности:
- размер генома человека оценен в 3164,7 м.п.н. (общая длина секвенированого генома составляет 2,9 млрд п.н., то есть еще примерно 0,4 млрд п.н. предстоит секвенировать); геном каждого человека состоит из 23 пар молекул ДНК размером от 60 до 250 млн п.н.
- Суммарное число генов, в зависимости от используемых критериев, составляет от 26 до 39 тысяч. Экспериментально (по функции продукта, тканеспецифичности, наличию мутаций) охарактеризовано пока около 6500 генов человека. Для 40% из предполагаемых генов человека функция не известна. Средний размер одного гена около 3 т.п.н., а самого большого из известных – гена дистрофина – 2,7 м.п.н. Лишь 0,6% от размера этого гена являются кодирующими, а 99,4% составляет некодирующая часть гена;
- почти 35% генома человека приходится на повторяющиеся элементы, некоторые из которых представлены миллионом копий. Повторяющиеся последовательности генома не кодируют белки, но они важны для поддержания структуры и функции хромосом и содержащихся в них генов; число повторов в геноме человека (50 %) намного больше, чем у пшеницы (11%), нематоды (7%);
- районы хромосом, богатые АТ-блоками, содержат мало генов;
- гены сосредоточены в областях генома, которые отделены друг от друга длинными районами некодирующей ДНК;
- структурные гены отделены от «эгоистичной» ДНК протяженными последовательностями из ГЦ-пар, длиной до 30 т.п.н., которые регулируют функциональную активность генов;
в геноме человека уже идентифицировано 1,4 млн SNP, что очень важно для быстрого картирования новых генов; его изучение имеет теоретическое значение (изучение возраста популяций и пути их миграций – одинаковый рисунок и частота однонуклеотидного полиморфизма указывает на общее происхождение данных индивидов) и практическое (минимальные генетические отличия, определяемые однонуклеотидным полиморфизмом, обуславливают эффективность лекарств и их переносимость в каждом конкретном случае).
- число спонтанных мутаций в сперматозоидах человека превышает этот показатель в яйцеклетках, что может быть связано с большим числом клеточных делений при сперматогенезе.
Следующий этап программы – изучение структуры продуктов экспрессии генов, т.е. РНК и белков, изучение регуляции процесса экспрессии; исследование разнообразия геномов людей. Изучение условий функционирования каждого гена – характеристика каждого из возможных транскриптов в каждой из тканей на каждой из стадий развития в опре6деленных условиях.
Геномные исследования уже много дали медицине. Выявлено 1430 болезней человека, вызванных мутациями в 1112 генах. Показано, что дефект одного гена может приводить к более чем одной болезни. Основная группа охарактеризованных наследственных заболеваний – моногенные – обусловлены нарушением функции одного гена, проявление болезни близко к 100% и мало зависит от условий среды.
Расширяются возможности исследования мультифакториальных болезней – болезнь вызывается сочетанием мутаций в нескольких генах, причем в определенных условиях среды.