Генеалогический метод исследования в биологии. Методы изучения наследственности человека

Для генетических исследований человек является неудобным объектом, так как у человека: невозможно экспериментальное скрещивание; большое количество хромосом; поздно наступает половая зрелость; малое число потомков в каждой семье; невозможно уравнивание условий жизни для потомства.

В генетике человека используется ряд методов исследования.

Генеалогический метод

Использование этого метода возможно в том случае, когда известны прямые родственники — предки обладателя наследственного признака (пробанда ) по материнской и отцовской линиям в ряду поколений или потомки пробанда также в нескольких поколениях. При составлении родословных в генетике используется определенная система обозначений. После составления родословной проводится ее анализ с целью установления характера наследования изучаемого признака.

Условные обозначения, принятые при составлении родословных:
1 — мужчина; 2 — женщина; 3 — пол не выяснен; 4 — обладатель изучаемого признака; 5 — гетерозиготный носитель изучаемого рецессивного гена; 6 — брак; 7 — брак мужчины с двумя женщинами; 8 — родственный брак; 9 — родители, дети и порядок их рождения; 10 — дизиготные близнецы; 11 — монозиготные близнецы.

Благодаря генеалогическому методу были определены типы наследования многих признаков у человека. Так, по аутосомно-доминантному типу наследуются полидактилия (увеличенное количество пальцев), возможность свертывать язык в трубочку, брахидактилия (короткопалость, обусловленная отсутствием двух фаланг на пальцах), веснушки, раннее облысение, сросшиеся пальцы, заячья губа, волчья пасть, катаракта глаз, хрупкость костей и многие другие. Альбинизм, рыжие волосы, подверженность полиомиелиту, сахарный диабет, врожденная глухота и другие признаки наследуются как аутосомно-рецессивные.

Доминантный признак — способность свертывать язык в трубочку (1) и его рецессивный аллель — отсутствие этой способности (2).
3 — родословная по полидактилии (аутосомно-доминантное наследование).

Целый ряд признаков наследуется сцепленно с полом: Х -сцепленное наследование — гемофилия, дальтонизм; Y -сцепленное — гипертрихоз края ушной раковины, перепончатость пальцев ног. Имеется ряд генов, локализованных в гомологичных участках Х - и Y -хромосом, например общая цветовая слепота.

Использование генеалогического метода показало, что при родственном браке, по сравнению с неродственным, значительно возрастает вероятность появления уродств, мертворождений, ранней смертности в потомстве. В родственных браках рецессивные гены чаще переходят в гомозиготное состояние, в результате развиваются те или иные аномалии. Примером этого является наследование гемофилии в царских домах Европы.

— гемофилик; — женщина-носитель.

Близнецовый метод

1 — монозиготные близ-нецы; 2 — дизигот-ные близ-нецы.

Близнецами называют одновременно родившихся детей. Они бывают монозиготными (однояйцевыми) и дизиготными (разнояйцевыми).

Монозиготные близнецы развиваются из одной зиготы (1), которая на стадии дробления разделилась на две (или более) части. Поэтому такие близнецы генетически идентичны и всегда одного пола. Монозиготные близнецы характеризуются большой степенью сходства (конкордантностью ) по многим признакам.

Дизиготные близнецы развиваются из двух или более одновременно овулировавших и оплодотворенных разными сперматозоидами яйцеклеток (2). Поэтому они имеют различные генотипы и могут быть как одного, так и разного пола. В отличие от монозиготных, дизиготные близнецы характеризуются дискордантностью — несходством по многим признакам. Данные о конкордантности близнецов по некоторым признакам приведены в таблице.

Признаки	Конкордантность, %
	Монозиготные близнецы	Дизиготные близнецы
Нормальные
Группа крови (АВ0)	100	46
Цвет глаз	99,5	28
Цвет волос	97	23
Патологические
Косолапость	32	3
«Заячья губа»	33	5
Бронхиальная астма	19	4,8
Корь	98	94
Туберкулез	37	15
Эпилепсия	67	3
Шизофрения	70	13

Как видно из таблицы, степень конкордантности монозиготных близнецов по всем приведенным признакам значительно выше, чем у дизиготных, однако она не является абсолютной. Как правило, дискордантность монозиготных близнецов возникает в результате нарушений внутриутробного развития одного из них или под влиянием внешней среды, если она была разной.

Благодаря близнецовому методу, была выяснена наследственная предрасположенность человека к ряду заболеваний: шизофрении, эпилепсии, сахарному диабету и другим.

Наблюдения за монозиготными близнецами дают материал для выяснения роли наследственности и среды в развитии признаков. Причем под внешней средой понимают не только физические факторы среды, но и социальные условия.

Цитогенетический метод

Основан на изучении хромосом человека в норме и при патологии. В норме кариотип человека включает 46 хромосом — 22 пары аутосом и две половые хромосомы. Использование данного метода позволило выявить группу болезней, связанных либо с изменением числа хромосом, либо с изменениями их структуры. Такие болезни получили название хромосомных .

Материалом для кариотипического анализа чаще всего являются лимфоциты крови. Кровь берется у взрослых из вены, у новорожденных — из пальца, мочки уха или пятки. Лимфоциты культивируются в особой питательной среде, в состав которой, в частности, добавлены вещества, «заставляющие» лимфоциты интенсивно делиться митозом. Через некоторое время в культуру клеток добавляют колхицин. Колхицин останавливает митоз на уровне метафазы. Именно во время метафазы хромосомы являются наиболее конденсированными. Далее клетки переносятся на предметные стекла, сушатся и окрашиваются различными красителями. Окраска может быть а) рутинной (хромосомы окрашиваются равномерно), б) дифференциальной (хромосомы приобретают поперечную исчерченность, причем каждая хромосома имеет индивидуальный рисунок). Рутинная окраска позволяет выявить геномные мутации, определить групповую принадлежность хромосомы, узнать, в какой группе изменилось число хромосом. Дифференциальная окраска позволяет выявить хромосомные мутации, определить хромосому до номера, выяснить вид хромосомной мутации.

В тех случаях, когда необходимо провести кариотипический анализ плода, для культивирования берутся клетки амниотической (околоплодной) жидкости — смесь фибробластоподобных и эпителиальных клеток.

К числу хромосомных заболеваний относятся: синдром Клайнфельтера, синдром Тернера-Шерешевского, синдром Дауна, синдром Патау, синдром Эдвардса и другие.

Больные с синдромом Клайнфельтера (47, ХХY ) всегда мужчины. Они характеризуются недоразвитием половых желез, дегенерацией семенных канальцев, часто умственной отсталостью, высоким ростом (за счет непропорционально длинных ног).

Синдром Тернера-Шерешевского (45, Х0 ) наблюдается у женщин. Он проявляется в замедлении полового созревания, недоразвитии половых желез, аменорее (отсутствии менструаций), бесплодии. Женщины с синдромом Тернера-Шерешевского имеют малый рост, тело диспропорционально — более развита верхняя часть тела, плечи широкие, таз узкий — нижние конечности укорочены, шея короткая со складками, «монголоидный» разрез глаз и ряд других признаков.

Синдром Дауна — одна из самых часто встречающихся хромосомных болезней. Она развивается в результате трисомии по 21 хромосоме (47; 21, 21, 21). Болезнь легко диагностируется, так как имеет ряд характерных признаков: укороченные конечности, маленький череп, плоское, широкое переносье, узкие глазные щели с косым разрезом, наличие складки верхнего века, психическая отсталость. Часто наблюдаются и нарушения строения внутренних органов.

Хромосомные болезни возникают и в результате изменения самих хромосом. Так, делеция р -плеча аутосомы №5 приводит к развитию синдрома «крик кошки». У детей с этим синдромом нарушается строение гортани, и они в раннем детстве имеют своеобразный «мяукающий» тембр голоса. Кроме того, наблюдается отсталость психомоторного развития и слабоумие.

Чаще всего хромосомные болезни являются результатом мутаций, произошедших в половых клетках одного из родителей.

Биохимический метод

Позволяет обнаружить нарушения в обмене веществ, вызванные изменением генов и, как следствие, изменением активности различных ферментов. Наследственные болезни обмена веществ подразделяются на болезни углеводного обмена (сахарный диабет), обмена аминокислот, липидов, минералов и др.

Фенилкетонурия относится к болезням аминокислотного обмена. Блокируется превращение незаменимой аминокислоты фенилаланин в тирозин, при этом фенилаланин превращается в фенилпировиноградную кислоту, которая выводится с мочой. Заболевание приводит к быстрому развитию слабоумия у детей. Ранняя диагностика и диета позволяют приостановить развитие заболевания.

Популяционно-статистический метод

Это метод изучения распространения наследственных признаков (наследственных заболеваний) в популяциях. Существенным моментом при использовании этого метода является статистическая обработка получаемых данных. Под популяцией понимают совокупность особей одного вида, длительное время обитающих на определенной территории, свободно скрещивающихся друг с другом, имеющих общее происхождение, определенную генетическую структуру и в той или иной степени изолированных от других таких совокупностей особей данного вида. Популяция является не только формой существования вида, но и единицей эволюции, поскольку в основе микроэволюционных процессов, завершающихся образованием вида, лежат генетические преобразования в популяциях.

Изучением генетической структуры популяций занимается особый раздел генетики — популяционная генетика . У человека выделяют три типа популяций: 1) панмиктические, 2) демы, 3) изоляты, которые отличаются друг от друга численностью, частотой внутригрупповых браков, долей иммигрантов, приростом населения. Население крупного города соответствует панмиктической популяции. В генетическую характеристику любой популяции входят следующие показатели: 1) генофонд (совокупность генотипов всех особей популяции), 2) частоты генов, 3) частоты генотипов, 4) частоты фенотипов, система браков, 5) факторы, изменяющие частоты генов.

Для выяснения частот встречаемости тех или иных генов и генотипов используется закон Харди-Вайнберга .

Закон Харди-Вайнберга

В идеальной популяции из поколения в поколение сохраняется строго определенное соотношение частот доминантных и рецессивных генов (1), а также соотношение частот генотипических классов особей (2).

p + q = 1, (1)
р 2 + 2pq + q 2 = 1, (2)

где p — частота встречаемости доминантного гена А ; q — частота встречаемости рецессивного гена а ; р 2 — частота встречаемости гомозигот по доминанте АА ; 2pq — частота встречаемости гетерозигот Аа ; q 2 — частота встречаемости гомозигот по рецессиву аа .

Идеальной популяцией является достаточно большая, панмиктическая (панмиксия — свободное скрещивание) популяция, в которой отсутствуют мутационный процесс, естественный отбор и другие факторы, нарушающие равновесие генов. Понятно, что идеальных популяций в природе не существует, в реальных популяциях закон Харди-Вайнберга используется с поправками.

Закон Харди-Вайнберга, в частности, используется для примерного подсчета носителей рецессивных генов наследственных заболеваний. Например, известно, что в данной популяции фенилкетонурия встречается с частотой 1:10000. Фенилкетонурия наследуется по аутосомно-рецессивному типу, следовательно, больные фенилкетонурией имеют генотип аа , то есть q 2 = 0,0001. Отсюда: q = 0,01; p = 1 - 0,01 = 0,99. Носители рецессивного гена имеют генотип Аа , то есть являются гетерозиготами. Частота встречаемости гетерозигот (2pq ) составляет 2 · 0,99 · 0,01 ≈ 0,02. Вывод: в данной популяции около 2% населения — носители гена фенилкетонурии. Заодно можно подсчитать частоту встречаемости гомозигот по доминанте (АА ): p 2 = 0,992, чуть меньше 98%.

Изменение равновесия генотипов и аллелей в панмиктической популяции происходит под влиянием постоянно действующих факторов, к которым относятся: мутационный процесс, популяционные волны, изоляция, естественный отбор, дрейф генов, эмиграция, иммиграция, инбридинг. Именно благодаря этим явлениям возникает элементарное эволюционное явление — изменение генетического состава популяции, являющееся начальным этапом процесса видообразования.

Генетика человека — одна из наиболее интенсивно развивающихся отраслей науки. Она является теоретической основой медицины, раскрывает биологические основы наследственных заболеваний. Знание генетической природы заболеваний позволяет вовремя поставить точный диагноз и осуществить нужное лечение.

Перейти к лекции №21 «Изменчивость»

Генетика человека изучает явления наследственности и изменчивости в популяциях людей, особенности наследования признаков в норме и их изменения под действием условий окружающей среды.

Человек как объект генетического анализа . Изучение генетики человека связано с большими трудностями:

1. Невозможность экспериментирования.

Одно из первых условий гибридологического анализа у человека невыполнимо, поскольку экспериментальные браки у человека невозможны. Люди вступают в брак не преследуя никаких «экспериментальных» целей.

1. Сложный кариотип - много хромосом и групп сцепления.

23 пары хромосом затрудняет генетическое и цитологическое картирование, что в свою очередь уменьшает возможности генетического анализа.

1. Длительность смены поколений.

Для смены одного поколения нужно в среднем 30 лет. Следовательно, генетик не может наблюдать более одного двух поколений.

1. Малое количество потомков.

Размер семьи в настоящее время настолько мал, что не позволяет вести анализ расщепления признаков в потомстве в пределах одной семьи.

1. Невозможность создания одинаковых условий жизни.

Для человека понятие «среда» имеет более широкий характер, чем для животных и растений. Помимо таких факторов, как физические упражнения, питание, жилищные условия, климат, средой человека являются условия его социальной жизни, и она не поддается изменению по желанию генетика.

Основные методы исследования генетики человека

1. I. Клинико-генеалогический метод

Генеалогия в широком смысле слова родословная - генеалогический метод - метод родословных. Он был введен конце XIX века Ф.Гальтоном и основан на построении родословных и прослеживание болезни (или признака) в семье или роду с указанием типа родственных связей между членами родословной. В настоящее время является наиболее универсальным и широко применяется при решении теоретических и прикладных проблем.

Метод позволяет установить

1) является ли данный признак наследственным

2) тип наследования и пенетрантность гена

3) предположить генотип лиц родословной

4) определить вероятность рождения ребенка с изучаемым заболеванием

5) интенсивность мутационного процесса

6) используется для составления генетических карт хромосом

Таким образом, цель генеалогического метода сводится к выяснению родственных связей и к прослеживанию признака или болезни среди близких и дальних, прямых и непрямых родственников. Технически он складывается из следующих этапов.

Этапы генеалогического анализа :

1) сбор данных о всех родственниках обследуемого (анамнез)

2) построение родословной

3) анализ родословной и выводы

Сложность сбора анамнеза заключается в том, что пробанд должен хорошо знать большинство своих родственников и состояние их здоровья. Пробанд - человек, обратившийся в медико-генетическую консультацию, в отношении которого строится родословная, и от которого получены сведения в отношении этой же болезни у родственников. Сибсы - братья и сестры пробанда.

Типы наследования:

1. Аутосомно-доминантный

1. больные в каждом поколении

2. больной ребенок у больных родителей

3. болеют в равной степени мужчины и женщины

4. наследование идет по вертикали и по горизонтали

5. вероятность наследования 100%, 75% и 50%.

Данные признаки будут проявляться только при полном доминировании, так наследуются у человека полидактилия, веснушки, курчавые волосы, карий цвет глаз и др. При неполном доминировании будет проявляться промежуточная форма наследования. При неполной пенетрантности гена, больные могут быть не в каждом поколении.

2. Аутосомно-рецессивный

1. больные не в каждом поколении
2. болеют в равной степени мужчины и женщины
3. наследование идет преимущественно по горизонтали
4. вероятность наследования 25, 50 и 100%

Чаще всего вероятность наследования болезни данного типа составляет 25%, так как вследствие тяжести заболевания больные либо не доживают до детородного возраста, либо не вступают в брак. Так наследуются фенилкетонурия, серповидно-клеточная анемия, голубой цвет глаз и т.д.

3. Х-сцепленный рецессивный тип наследования

1. больные не в каждом поколении
2. у здоровых родителей больной ребенок
3. болеют преимущественно мужчины
4. наследование идет в основном по горизонтали
5. вероятность наследования 25% от всех детей и 50% у мальчиков

Примеры: гемофилия, дальтонизм, наследственная анемия, мышечная дистрофия и др.

4. Х-сцепленный с полом доминантный тип наследования сходен с аутосомно-доминантным, за исключением того, что мужчина передает этот признак всем дочерям

Пример: рахита, устойчивый к лечению витамином D, гипоплазия эмали зубов, фолликулярный гиперкератоз.

5. Голандрический

1. больные во всех поколениях
2. болеют только мужчины
3. у больного отца больны все его сыновья
4. вероятность наследования 100% у мальчиков.

Примеры: гипертрихоз ушной раковины, перепонки между вторым и третьим пальцами на ногах; ген, определяющий развитие семенников. Голандрические признаки не имеют существенного значения в наследственной патологии человека.

II . Цитогенетический метод

В настоящее время цитогенетический метод в генетике занимает существенное место. Применение данного метода позволяет изучить морфологическое строение отдельных хромосом и кариотипа в целом, определить генетический пол организма, а также диагностировать различные хромосомные болезни, связанные с нарушением числа хромосом или нарушением их структуры. Метод используется для изучения мутационного процесса и составления генетических карт хромосом. Наиболее часто метод используется в пренатальной диагностике хромосомных болезней.

Цитогенетический метод основан на микроскопическом изучении кариотипа и включает следующие этапы:

Культивирование клеток человека (чаще лимфоциты) на искусственных питательных средах

Стимуляция митозов фитогемагглютинином (ФГА)

Добавление колхицина (разрушает нити веретена деления) для остановки митоза на стадии метафазы

Обработка клеток гипотоническим раствором, вследствие чего хромосомы рассыпаются и лежат свободно

Окрашивание хромосом

Изучение под микроскопом (компьютерные программы).

Цитологические карты хромосом -

Генетические карты хромосом , т.е схемы описывающие порядок расположения генов и других генетических элементов в хромосоме с указанием расстояния между ними. Генетическое расстояние определяется по частоте рекомбинации между гомологичными хромосомами (расстояние между генами прямо пропорционально частоте кроссинговера) и выражается в сантиморганидах (сМ). Одна сантиморганида соответствует частоте рекомбинации, равной 1%.............. Такие генетические карты помимо инвентаризации генов отвечают на вопрос о вовлеченности генов в образование отдельных признаков организма.

Метод позволяет выявлять геномные (например, болезнь Дауна) и хромосомные (синдром кошачьего крика) мутации. Хромосомные аберрации обозначают номером хромосомы, короткого или длинного плеча и избытком (+) или нехваткой (-) генетического материала.

1. III. Близнецовый метод

Метод заключается в изучении закономерностей наследования признаков в парах монозиготных и дизиготных близнецов. Он позволяет определить соотносительную роль наследственности (генотипа) и среды в проявлении различных признаков, как нормальных, так и патологических. Позволяет выявить наследственный характер признака, определить пенетрантность аллеля, оценить эффективность действия на организм некоторых внешних факторов (лекарственных препаратов, обучения, воспитания).

Суть метода заключается в сравнении проявления признака в разных группах близнецов при учете сходства или различия их генотипов

Различают моно- и дизиготных близнецов.

Монозиготные близнецы развиваются из одной оплодотворенной яйцеклетки. Они имеют совершенно одинаковый генотип, т.к. имеют 100% общих генов. И если они отличаются по фенотипу, то это обусловлено воздействием факторов внешней среды.

Дизиготные близнецы развиваются после оплодотворения сперматозоидами нескольких одновременно созревших яйцеклеток. Близнецы будут иметь разный генотип и их фенотипические различия будут обусловлены как генотипом, так и факторами внешней среды.

Процент сходства группы близнецов по изучаемому признаку называется конкордантностью, а процент различия дискордантностью. Так как монозиготные близнецы имеют одинаковый генотип, признак развивается у обоих близнецов, то конкордантность их выше, чем у дизиготных. Сравнение монозиготных близнецов, воспитывающихся в разных условиях, позволяет выявить признаки, в формировании которых существенная роль принадлежит факторам среды, по эти признакам между близнецами наблюдается дискордантность, т.е. различия.

Для оценки ли наследственности и среды в развитии того или иного признака используют формулу Хольцингера:

С МЗ - С ДЗ

Н = --------------------- х 100 Е = 100 - Н

Н - роль наследственности, Е - роль среды

По мере разработки теоретических основ близнецового метода постепенно сформировался особый раздел этих исследований - метод контроля по партнеру. Позволяет оценить лечебный эффект новых фармакологических средств при разных способах введения, исследовать фазы их действия, показать различия фармакокинетики новых и старых препаратов). Метод используется для предрасположенности к различным заболеваниям: ИБС, язвенная болезнь, ревматизм, инфекционные болезни, опухолей.

IV . Популяционно-статистический метод

С его помощью изучают наследственные признаки в больших группах населения, в одном или нескольких поколениях Он позволяет определять частоту встречаемости в популяции различных аллелей гена и разных генотипов по этим аллелям, выяснить распространение в ней различных наследственных признаков, в том числе заболеваний. Он позволяет изучать мутационный процесс, роль наследственности и среды в возникновении болезней, особенно с наследственной предрасположенностью. Существенным моментом использования этого метода является статистическая обработка полученных данных на основе закона генетического равновесия Харди - Вайнберга.

Математическим выражением закона служит формула (рА+qа) 2 где р и q частоты встречаемости аллелей А и а соответствующего гена. Раскрытие этой формулы дает возможность рассчитать частоту встречаемости людей с разным генотипом и в первую очередь гетерозигот - носителей скрытого рецессивного аллеля: р 2 АА + 2рq + q 2 аа.

Однако перед тем как говорить о практическом применении этих формул, следует отметить условия возникновения равновесия генотипов в популяциях:

1) Наличие панмиксии, т.е. случайный подбор супружеских пар

2) Отсутствие притока аллелей, вызываемого мутационным давлением

3) Отсутствие оттока аллелей, вызываемого отбором.

4) Равная плодовитость гетерозигот и гомозигот

5) Поколения не должны перекрываться во времени

6) Численность популяции должна быть достаточно большой.

Известные генетики отмечают, что хотя ни в одной конкретной популяции эта совокупность условий не может быть соблюдена, в большинстве случаев расчеты по закону Харди -Вайнберга настолько близки к действительности, что этот закон оказывается вполне пригодным для анализа генетической структуры популяций.

Пример……..

Например, гомозиготы по гену НbS в Беларуссии практически не встречаются, а в странах Западной Африки частота их варьирует от 25% в Камеруне до 40% в Танзании. Изучение распространения генов среди населения различных географических зон (геногеография) дает возможность установить центры происхождения различных этнических групп и их миграции, определить степень риска появления наследственных болезней у отдельных индивидуумов.

V . Метод дерматоглифики и пальмоскопии (дактилоскопии)

В 1892 г. был предложен Гальтонов в качестве одного из методов исследования генетики человека - Это метод изучения кожных гребешковых узоров пальцев и ладоней, а также сгибательных ладонных борозд. Указанные узоры являются индивидуальной характеристикой человека и не изменяются в течение его жизни, восстанавливаются после повреждений (ожогов).

Пример (Гальтон, Джоконда)

Сейчас установлено, что признак наследуется по полигенному типу и большое влияние на характер пальцевого и ладонного узоров оказывает мать через механизм цитоплазматической наследственности.

Метод нашел широкое применение в криминалистике, идентификации зиготности близнецов, установлении отцовства. Характерные изменения данных узоров наблюдаются при некоторых хромосомных болезнях (с-м Дауна, Клайнфельтера, Шер.-Тернера).

VI . Биохимические методы

Позволяет изучать наследственные заболевания, обусловленные генными мутациями - причины болезней обмена веществ (фенилкетонурия, серповидно-клеточная анемия). С помощью этого метода описано более 1000 врожденных болезней обмена веществ, для многих из них выявлен дефект первичного генного продукта. Наиболее распространенными среди этих заболеваний являются болезни связанные с дефектностью ферментов, структурных, транспортных или иных белков.

Метод основан на изучении активности ферментных систем: либо по активности самого фермента, либо по количеству конечных продуктов реакции, катализируемой данным ферментом.

Дефекты ферментов определяют путем определения содержания в крови и моче продуктов метаболизма, являющихся результатом функционирования данного белка. Дефицит конечного продукта, сопровождающийся накоплением промежуточных и побочных продуктов нарушенного метаболизма, свидетельствует о дефекте фермента или его дефиците в организме.

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, а если он гетерозиготен (Аа), то снижение концентрации фенилаланина идет вдвое медленнее.

Аналогично проводятся тесты, выявляющие предрасположенность к сахарному диабету, гипертонии и другим болезням.

VII . Методы рекомбинантной ДНК

Позволяют анализировать фрагменты ДНК, находить и изолировать отдельные гены и сегменты генов и устанавливать в них последовательность нуклеотидов. К данному методу относиться метод клонирования ДНК. Термин «клонирование» означает, что ген клонирован, специальными приемами выделен, изучена его структура, клонирование гена означает также, что известен белок, синтез которого контролируется соответствующим геном. На основе клонированных генов создаются «геномные библиотеки» и международные банки данных, Любой специалист в мире может практически беспрепятственно войти в эти банки данных и воспользоваться для исследовательских целей собранной там информацией. Данные геномных библиотек широко используются при реализации программы «геном человека». (Коллекция фрагментов ДНК из всего генома)

Благодаря достигнутым успехам в рамках этой программы появилась возможность реально оценить функции генов в организме человека. Хотя более чем для четверти генов информация пока недоступна, для двух третей генов она или полностью установлена, или может быть примерно указана. Также была получена исключительно интересная информация о вовлеченности генов в образование и функционирование отдельных органов и тканей человеческого тела. Оказалось, что самое большое число генов необходимо для формирования мозга и поддержания его активности, а самое маленькое для создания эритроцитов - всего 8 генов. Эти сведения помогут разобраться в генетических программах развития и функционирования организма человека, в причинах возникновения раковых заболеваний и старения. Выявление молекулярных основ заболеваний поможет перевести на новый уровень методы их ранней диагностики, а значит, вести более утонченно и успешно борьбу с заболеваниями. Такие методы, как, например, адресная доставка лекарств к пораженным клетки, замещение больных генов здоровыми, и многие другие становятся частью арсенала современной медицины.

VIII . Методы генетики соматических клеток

С помощью этих методов изучают наследственность и изменчивость соматических клеток, что в значительной мере компенсирует невозможность применения к человеку гибридологического метода.

Культуры соматических клеток человека получают из материала биопсий (периферическая кровь, кожа, опухолевая ткань, ткань эмбриона, клетки из околоплодной жидкости).

В генетике человека используют следующие четыре метода.

1. Простое культивирование - клетки пригодны для цитогенетических, биохимических, иммунологических и др. исследований.

2. Клонирование - получение потомков одной клетки. Дает возможность проводить в генетически идентичных клетках биохимический анализ наследственно обусловленных процессов.

3. Селекция соматических клеток с помощью искусственных сред используется для отбора мутантных клеток с некоторыми свойствами, отбор гибридных клеток. Метод широко используется для изучения генных мутаций (механизмы, спонтанная и индуцируемая частота).

4. Гибридизация соматических клеток основана на слиянии совместно культивируемых клеток разных типов. При введении в культуру клеток РНК-сод. Вируса Сендай инактивированного при облучении ультрафиолетом - частота гибридизации значительно повышается. Гетерокарионы -2 ядра разных клеток в одной цитоплазме. После митоза образуются две одноядерные клетки - синкарионы - настоящая гибридная клетка, содержащая хромосомы обеих исходных клеток. В дальнейшем происходит постепенное удаление хромосом того организма, клетки которого имеют более медленный темп размножения.

Утрата хромосом носит случайный характер и поэтому среди большого числа гибридов всегда можно найти клетку, сохранившую какую-нибудь одну хромосому человека.

Используя подходящую селективную систему, можно отобрать клетки с определенной ферментативной активностью и локализовать ген этого фермента на конкретной хромосоме.

Метод используется для изучения проблемы сцепления и локализации генов.

Можно изучать механизмы первичного действия и взаимодействия генов, регуляцию генной активности. Метод позволяет широко изучать патогенез наследственных болезней на биохимическом и клеточном уровне.

IX . Создание моделей наследственных болезней человека с помощью трансгенных

животных.

Биологическое моделирование наследственных болезней представляет собой большой раздел экспериментальных биологии и генетики. Принцип биологического моделирования генных мутаций основан на законе гомологичных рядов в наследственной изменчивости, открытом Н.И.Вавиловым. У животных встречаются мутации, вызывающие такой же патологический эффект, как и у человека (мыши, кролики, собаки, хомяки, мыши). Среди наследственных аномалий у животных встречаются такие заболевания как, гемофилия, ахондроплазия, мышечная дистрофия, сахарный диабет и многие другие, составляющие основу наследственной патологии человека.

Методы основаны на введении чужеродных генов в клетки зародышей.

Как и всякая модель мутантные линии трансгенных животных не могут полностью воспроизвести наследственное заболевание, поэтому моделируются какие-то определенные фрагменты с целью изучения первичного механизма действия генов, патогенеза заболевания разработки принципов его лечения.

Основные закономерности наслед­ственности, установленные для живых организмов, универсальны и в полной мере справедливы и для человека. Вместе с тем как объект генетических исследований человек имеет свои пре­имущества и недостатки.

Для людей невозможно планиро­вать искусственные браки. Еще в 1923 г. Н.К. Кольцов отмечал, что "...мы не мо­жем ставить опыты, мы не можем за­ставить Нежданову выйти замуж за Шаляпина только для того, чтобы по­смотреть, какие у них будут дети". Од­нако эта трудность преодолима благо­даря прицельной выборке из большого числа брачных пар тех, которые соот­ветствуют целям данного генетическо­го исследования.

В значительной мере затрудняет возможности генетического анализа человека большое число хромосом - 2п=4б. Однако разработка новейших методов работы с ДНК, метода гибри­дизации соматических клеток и неко­торых других методов устраняют эту трудность.

Из-за небольшого числа потомков (во второй половине XX в. в большин­стве семей рождалось по 2-3 ребенка) невозможен анализ расщепления в по­томстве одной семьи. Однако в боль­ших популяциях можно выбрать се­мьи с интересующими исследователя признаками. Кроме того, в некоторых семьях определенные признаки про­слежены на протяжении многих поко­лений. В таких случаях возможен ге­нетический анализ. Еще одна труд­ность связана с длительностью смены поколений у человека. Одно поколе­ние у человека занимает в среднем 30 лет. И, следовательно, генетик не мо­жет наблюдать более одного-двух по­колений.

Для человека характерен большой генотипический и фенотипический полиморфизм. Проявление многих признаков и болезней в сильной степе­ни зависят от условий внешней среды. Следует отметить, что понятие "среда" для человека более широкое по сравне­нию с растениями и животными. На­ряду с питанием, климатом и другими абиотическими и биотическими фак­торами, средой для человека являются и социальные факторы, трудно изме­няемые по желанию исследователя. Вместе с тем, человека как генетичес­кий объект широко изучают врачи всех специальностей, что нередко по­могает установить различные наслед­ственные отклонения.

В настоящее время интерес и вни­мание к изучению генетики человека активно возрастают. Так, глобальная международная программа " Геном че­ловека" имеет своей задачей изучение генома человека на молекулярном уровне. Для ее решения используются все новейшие современные методы ге­нетики и медицины.

Какими же методами располагает генетика человека в настоящие дни? Их немало: генеалогический, близне­цовый, цитогенетический, популяционно-статистический, биохимический, метод генетики соматических клеток и молекулярно-генетический. Рассмот­рим подробнее каждый из них.

Относящийся к числу основных в генетике человека, этот метод опирает­ся на генеалогию - учение о родослов­ных. Его сутью является составление родословной и последующий ее ана­лиз. Впервые такой подход был пред­ложен английским ученым Ф. Гальтоном в 1865 г.

Генеалогический метод широко ис­пользуется для решения как научных, так и прикладных проблем. Он позво­ляет выявить наследственный харак­тер признака и определить тип насле­дования. Наряду с этим метод дает возможность установить сцепленное наследование, определить тип взаимо­действия генов и пенетрантность алле­лей. Генеалогический метод лежит в основе медико-генетического консуль­тирования. Он включает два этапа: со­ставление родословных и их генеало­гический анализ.

Составление родословной. Сбор сведений о семье начинается с человека, называемого пробандом. Обычно это больной с изучаемым забо­леванием. Дети одной родительской пары называются сибсами (братья-сес­тры). В большинстве случаев родо­словная собирается по одному или не­скольким признакам. Родословная мо­жет быть полной или ограниченной. Чем больше поколений прослежено в родословной, тем она полнее и тем вы­ше шансы на получение полностью до­стоверных сведений. Сбор генетической информации проводится путем опроса, анкетирова­ния, личного обследования семьи. Оп­рос начинается обычно с родственни­ков по материнской линии: бабушки и дедушки по материнской линии, с ука­занием внуков, детей каждого ребенка бабушки и дедушки. В родословную вносят сведения о выкидышах, абор­тах, мертворожденных, бесплодных браках и др.

При составлении родословной ве­дется краткая запись данных о каждом члене рода с указанием его родства по отношению к пробанду. Обычно ука­зываются: фамилия, имя и отчество, дата рождения и смерти, возраст, наци­ональность, место жительства семьи, профессия, наличие хронических забо­леваний в семье, причину смерти умерших и др.

После сбора сведений составляют графическое изображение родослов­ной, используя систему условных обо­значений (рис. 2.1).

Выполняя эту работу, важно соблю­дать следующие правила:

1. Составление родословной начи­нают с пробанда. Братья и сестры рас­полагаются в порядке рождения слева направо, начиная со старшего.

2. Все члены родословной распола­гаются строго по поколениям в один ряд.

3. Поколения обозначаются римски­ми цифрами слева от родословной сверху вниз.

4. Арабскими цифрами нумеруется потомство одного поколения (один ряд) слева направо.

5. В связи с тем, что некоторые бо­лезни проявляются в разные периоды жизни, указывается возраст членов се­мьи.

6. Отмечаются лично обследован­ные члены родословной.

Графическое изображение родо­словной может быть вертикально-го­ризонтальным или расположенным по кругу (в случае обширных дан­ных). Схема родословной сопровож­дается описанием обозначений под рисунком, которое называется леген­дой (рис. 2.2).

Генетический анализ родословной

Задача генетического анализа - ус­тановление наследственного характера заболевания и типа наследования, вы­явление гетерозиготных носителей мутантного гена, а так же прогнозирование рождения больных детей в семьях с наследственной патологией.

Анализ родословной включает сле­дующие этапы: 1. Установление, явля­ется ли данный признак или заболева­ние единичным в семье или имеется несколько случаев (семейный харак­тер). Если признак встречается не­сколько раз в разных поколениях, то можно предполагать, что этот при­знак имеет наследственную природу. 2. Определение типа наследования признака. Для этого анализируют ро­дословную, учитывая следующие мо­менты:

1) встречается ли изучаемый при­знак во всех поколениях и многие ли члены родословной обладают им;

2) одинакова ли его частота у лиц обоих полов и у лиц какого пола он встречается чаще;

3) лицам какого пола передается признак от больного отца и больной матери;

4) есть ли в родословной семьи, в ко­торых у обоих здоровых родителей рождались больные дети, или у обоих больных родителей рождались здоро­вые дети;

5) какая часть потомства имеет на­следуемый признак в семьях, где болен один из родителей.

Аутосомно-доминантное наследо­вание характеризуется тем, что мутантный ген связан с аутосомой и про­является как в гомозиготном (АЛ), так и в гетерозиготном (Аа) состояниях. В силу этого прослеживаются следую­щие особенности наследования:

1) передача патологии от больных родителей к детям;

2) оба пола поражаются в равных пропорциях;

3) здоровые члены семьи обычно имеют здоровое потомство;

4) отец и мать одинаково передают мутантный ген дочерям и сыновьям. Возможна передача болезни от отца к сыну.

Клинические проявления болезни могут значительно варьировать в зави­симости от экспрессивности и пенетрантности гена. Экспрессивностью на­зывается степень выраженности гена (в нашем случае - тяжесть заболева­ния). При высокой экспрессивности гена развивается тяжелая, часто с ле­тальным исходом форма заболевания, при низкой - внешне человек здоров. Под пенетрантностю понимается час­тота проявления мутантного гена сре­ди его носителей. Она определяется отношением числа особей, имеющих данную болезнь (или признак), к чис­лу особей, имеющих данный ген, выра­женным в процентах. Например, пенетрантность атеросклероза 40%, синд­рома Марфана 30%, ретинобластомы 80% и т.д.

В зависимости от типа наследова­ния общая картина родословной вы­глядит по-разному

При аутосомно-рецессивиом типе наследования мутанный ген прояв­ляет свое действие только в гомозигот­ном состоянии По это л причине в гете­розиготном состоянии он может суще­ствовать во многих поколениях, не проявляясь фенотипически.

При данном типе наследования за­болевание встречаете в родословной редко и не во всех поколениях. Вероят­ность заболевания у девочек и мальчи­ков одинакова. Признак может про­явиться у детей, родит ели которых бы­ли здоровы, но являлось гетерозигот­ными носителями мутантного гена. Возможны несколько вариантов таких браков:

1) мать аа х отец аа - у таких роди­телей все дети будут больными (аа);

2) мать Аа х отец аа - 50 % детей бу­дут больными (генотип аа) и 50 % фе­нотипически здоровыми (генотип Аа), но будут являться гетерозиготными носителями дефектного гена;

3) мать Аа х отец Аа - 25 % детей будут больными (генотип аа), 75 % фе­нотипически здоровыми (генотипы АА и Аа), но 50 % из них будут носителя­ми мутантного гена (генотип Аа).

Экспрессивность и пенетрантность колеблются в широких пределах (от О до 100%) и сильно зависят от условий внешней среды. По аутосомно-доминантному типу наследуется полидак­тилия (шестипалость), брахидактилия (короткопалость), ахондроплазия (карликовость), синдром Марфана ("паучьи пальцы") и другие заболева­ния (рис. 2.3).

При доминантном типе наследова­ния, если один из родителей болен (Аа), вероятность рождения больного ребенка равна 50% при условии пол­ной пенетрантности гена. В случае гетерозиготности обоих родителей (Аа х Аа) больные дети могут родиться с ве­роятностью 75%. Многие аутосомно-доминантные заболевания в гомози­готном состоянии протекают в более тяжелой форме, чем у гетерозигот. Од­нако в практике нередки случаи, когда носители доминантного гена остаются фенотипически здоровыми. В резуль­тате вид родословной изменяется и по­являются пропуски поколений.

Носительство доминантного гена без фенотипического проявления можно заподозрить у одного из роди­телей, если среди его потомков появи­лись больные с такой же доминантной патологией. Когда у здоровых родите­лей появился больной ребенок и в ро­дословной есть другие случаи этой бо­лезни, то правомочно предполагать, что у одного из родителей больного был дефектный ген, который не пенетрировал, но был передан потомку.

Доминантный ген может обладать разной степенью экспрессивности, что затрудняет установление аутосомно-доминантного типа наследования. Рас­смотрим это на примере наследствен­ной патологии соединительной ткани - синдрома Марфана.

Известно, что частота возникнове­ния наследственных рецессивно-аутосомных болезней находится в прямой зависимости от степени распростра­ненности мутантного гена среди насе­ления. Частота таких болезней особен­но повышается в изолятах и среди на­селения с высоким процентом кровно­родственных браков. Такие браки отри­цательно влияют на потомство, на это указывает тот факт, что умственная от­сталость среди детей от родственных браков в 4 раза выше, чем в семьях с не­родственными браками.

При аутосомно-рецессивном типе наследования (как и при аутосомно-доминантном) возможны различная степень экспрессивности и пенетрантности признака. К заболеваниям с аутосомно-рецессивным типом наследо­вания относятся многие болезни об­мена веществ, среди которых фенилкетонурия, галактоземия, альбинизм (рис.2.4), муковисцидоз и др. Установ­лено, что рецессивные заболевания чаще диагностируются в раннем воз­расте.

Наследование заболеваний, сцеп­ленных с полом, определяется тем, что мутантный ген расположен в X или Y-хромосоме. Известно, что у женщин имеются две Х-половые хромосомы, а у мужчин - одна Х- и одна Y-хромосома. У человека в Х-хромосоме локализова­но более 200 генов. Гены, расположен­ные в хромосоме X, могут быть рецес­сивными или доминантными.

У женщин мутантный ген может на­ходиться в обеих Х-хромосомах или только в одной из них; в первом случае она гомозиготна, во втором - гетеро­зиготна. Мужчины, являясь гемизиготными (имеют только одну хромосо­му X), передают ее только дочерям и никогда - сыновьям. Любой ген, как доминантный, так и рецессивный, локализованый в его Х-хромосоме, обя­зательно будет проявляться. В этом главная особенность Х-сцепленного наследования.

Для Х-сцепленного рецессивного наследования характерны следующие особенности:

1) заболевание встречается чаще у лиц мужского пола;

2) от здоровых родителей могут ро­диться больные дети (если мать гете­розиготна по мутантному гену);

3) больные мужчины не передают заболевание своим сыновьям, но их дочери становятся гетерозиготными носителями болезни;

4) больные женщины могут ро­диться только в семьях, где отец бо­лен, а мать гетерозиготна по мутант­ному гену.

Рассмотрим несколько примеров, когда в Х-хромосоме локализован ре­цессивный ген. Если в брак вступает здоровая женщина и больной мужчи­на, то в такой семье все дети будут здо­ровыми, а дочери получат от отца одну Х-хромосому с мутантным геном и будут гетерозиготными носителями (т.к. вторую нормальную Х-хромосому они получат от матери). В том случае, если в брак вступают здоровый мужчина и женщина - носительница патологиче­ского гена, то вероятность рождения больного мальчика составит 50% от всех мальчиков и 25% - от всех детей.

Вероятность рождения больных де­вочек очень низка и возможна лишь, если отец болен, а мать гетерозиготна по мутантному гену. В такой семье по­ловина мальчиков будут больными. Среди девочек болезнь проявится у половины, а другая половина будет не­сти дефектный ген.

Классическим примером рецессив­ного, сцепленного с полом наследова­ния, может служить гемофилия. Боль­ные страдают повышенной кровоточи­востью. Причина - недостаточное со­держание в крови факторов свертыва­ния крови. На рис. 2.5 изображена ро­дословная семьи с гемофилией

Ана­лиз родословной показывает, что боле­ют только мальчики. (II - 1,4; III - 7,15). Отсюда можно предположить, что ген гемофилии сцеплен с полом. Больные дети чаще рождаются от здо­ровых родителей и, следовательно, ген болезни рецессивный.

Известно, что гемофилия широко распространена в королевских семьях Европы. Это связано с заключением близкородственных браков. В резуль­тате возникшие мутации сохранялись внутри семьи. Королева Виктория в Англии была носительницей гена ге­мофилии. Ее сын Леопольд родился гемофиликом. Через своих дочерей и внуков королева Виктория передала ген гемофилии Вольдемару и Генриху Прусским, Фридриху Гессенскому, ца­ревичу Алексею Романову, Рупрехту Тех-Атлонскому, двум баттенбергским и двум испанским принцам (рис 2.6). Кроме гемофилии, в Х-хромосоме ло­кализованы рецессивные гены, обус­ловливающие миопатию Дюшенна, не­которые формы дальтонизма и др. за­болевания.

При локализации в хромосоме X до­минантного гена тип наследования называется Х-сцепленным доминант­ным. Для него характерны следующие признаки:

1) болеют как мужчины, так и жен­щины, однако больных женщин в два раза больше, чем больных мужчин;

2) заболевание прослеживается в каждом поколении;

3) если болен отец, то все его дочери будут больными, а все сыновья здоро­выми;

4) если мать больна, то вероятность рождения больного ребенка равна 50 % независимо от пола;

5) больными дети будут только тог­да, если болен один из родителей;

6) у здоровых родителей все дети будут здоровы.

По Х-сцеплснному доминантному типу наследуются фосфатемия (недо­статок фосфата в крови), коричневая окраска эмали зубов и др.

Имеет свои особенности и Y-сцепленное наследование.

В Y-хромосоме у мужчин локализо­вано немного генов. Они передаются только сыновьям и никогда дочерям (голандрическое наследование). С Y-хромосомой у мужчин наследуются та­кие признаки, как гипертрихоз (нали­чие волос по краю ушных раковин), кожные перепонки между пальцами ног, развитие семенников, интенсивность роста тела, конечностей и зубов. Харак­терные особенности наследования с Y-хромосомой можно видеть на рис. 2.7.

Генеалогический метод, или метод сбора и анализа родословной, является основным в практике медико-генетического консультирования. Применяется с конца Х1Х века, разработан и внедрен в практику знаменитым английским исследователем Френсисом Гальтоном. Основан на прослеживании нормального или патологического признака в ряду поколений, связанных между собой родственными связями. Осуществляют в два этапа:

1) составление родословной;

2) анализ родословной.

Составление родословной начинают с пробанда , т.е. человека, относительно которого проводится исследование. В генетическую карту записываются сведения о сибсах (братьях и сестрах) пробанда, его родителях, о сибсах родителей и их детях и т.д. Очень важно выяснить вопрос о наличии самопроизвольных абортов, мертворождений и ранней детской смертности.

На основании собранных сведений готовят графическое изображение родословной, используя условные символы, предложенные еще в начале 30-х годов ХХ века А. Ютом. Они были модифицированы и дополнены в последующем некоторыми другими авторами.

Метод применяется с целью:

1. Выявления наследственного характера изучаемого признака. Если в семье регистрируется один и тот же признак несколько раз, то возможно предположить наследственную природу или семейный характер заболевания.

2. Определения гетерозиготного носительства мутантного гена.

3. Установления сцепленного наследования признаков.

4. Определения пенетрантности гена.

5. Изучения интенсивности мутационного процесса.

6. Установления типа наследования моногенного заболевания.

Моногенным называется заболевание, обусловленное действием одного патологического гена. В зависимости от того, каким является патологический ген (доминантным или рецессивным) и где он расположен (в аутосоме или половой хромосоме), различают пять типов наследования:

- аутосомно-доминантный,

- аутосомно-рецессивный,

- Х-сцепленный доминантный,

- Х-сцепленный рецессивный,

- У-сцепленный, или голандрический.

Признаки, характерные для родословной при аутосомно-доминантном типе наследования

Каждый больной член семьи обычно имеет больного родителя.

Заболевание передается из поколения в поколение; больные есть в каждом поколении (вертикальное наследование).

У здоровых родителей дети будут здоровы (при 100% пенетрантности гена).

Вероятность рождения больного ребенка в семье, где один из супругов болен, составляет 50%.

Признаки, характерные для родословной при аутосомно-рецессивном типе наследования

Наличие больных детей у здоровых родителей.

Накопление пораженных лиц в одном поколении (наследование по горизонтали).

Одинаковая частота поражения мужчин и женщин.

Повышенный процент инбридинга (кровно-родственный брак).

Признаки, характерные для родословной при Х-сцепленном доминантном типе наследования:

1. Рождение больных детей в семьях, где болен один из супругов.

2. Если болен отец, то все дочери будут больны, а все сыновья здоровы.

3. Если больна мать, то вероятность рождения больного ребенка составляет 50% независимо от пола.

4. Болеют лица обоих полов, но частота поражения женщин в два раза выше, чем мужчин.

5. Заболевание прослеживается в каждом поколении.

Признаки родословной при Х-сцепленном рецессивном типе наследования:

1. Преимущественное поражение мужчин.

2. Наличие здоровых сыновей у больных отцов.

3. Передача патологического гена от больного отца дочерям, у которых высок риск рождения больного сына (25%).

Признаки родословной при У-сцепленном (голандрическом) типе наследования

Признак, имеющийся у отца, передается всем его сыновьям.

Близнецовый метод

Метод предложен в конце Х1Х века Ф.Гальтоном.

Близнецы рождаются в одном случае из 84 родов. Из них 1/3 приходится на рождение монозиготных близнецов, 2/3 – на дизиготных.

Монозиготные (MZ) близнецы развиваются из одной яйцеклетки, оплодотворенной одним сперматозоидом. Их генотип идентичен, и различия между близнецами определяются преимущественно средовыми факторами.

Дизиготные (DZ) близнецы развиваются при оплодотворении двух яйцеклеток двумя сперматозоидами. Общих генов у них 50%, как у братьев и сестер, рожденных в пределах одной супружеской пары в разное время. Различия в фенотипе у DZ определяются как генотипом, так и факторами среды.

Близнецовые исследования проводятся в три этапа.

Подбор близнецовых пар.

Установление зиготности.

Сопоставление пар близнецов по изучаемым признакам.

Совпадение у близнецов анализируемых признаков обозначается как конкордантность , несовпадение – дискордантность .

Методпозволяет установить роль наследственности и среды в развитии какого-либо признака.

На заключительном этапе исследования сравнивают показатели конкордантности признака между моно- и дизиготными близнецами. Если показатели конкордантности в обеих группах близки, это значит, что в развитии признака ведущая роль принадлежит факторам внешней среды. Чем больше разница между показателями конкордантности в группах моно- и дизиготных близнецов, тем больший вклад в развитие признаков вносит генотип.

Существует формула, по которой можно определить роль наследственности и среды в развитии признака:

% сх-ва MZ - % сх-ва DZ

100% - % сх-ва DZ

Н – коэффициент наследуемости.

Если Н = 1, признак строго наследственный (группы крови).

Если Н = 0, признак определяется факторами внешней среды (инфекционные болезни).

Если Н = 0,5, признак определяется в равной степени и генотипом, и средой.

П ризнак	% сходства
	MZ	DZ
Группа крови
Шизофрения
Корь

Цитогенетический метод

Включает два основных вида исследования:

1) изучение хромосомного набора в соматических клетках организма человека, т.е. кариотипа;

2) определение полового хроматина.

Генеалогический метод

Типы наследования и формы проявления генетических задатков у человека весьма многообразны и для дифференциации между ними требуются специальные методы анализа, в первую очередь – генеалогический, предложенный Ф. Гальтоном.

Генеалогический метод или изучение родословных предусматривает прослеживание признака в семье или роду с указанием типа родственных связей между членами родословной. В медицинской генетике этот метод обычно называют клинико-генеалогическим, поскольку речь идет о наблюдении патологических признаков с помощью приёмов клинического обследования. Генеалогический метод относится к наиболее универсальным методам в генетике человека. Он широко применяется при решении теоретических и практических проблем:

1) для установления наследственного характера признака,

2) при определении типа наследования и пенетрантности генотипа,

3) выявление сцепления генов и картирование хромосом,

4) при изучении интенсивности мутационного процесса,

5) при расшифровке механизмов взаимодействия генов,

6) при медико-генетическом консультировании.

Суть генеалогического метода сводится к выяснению родственных связей и прослеживанию признака среди близких и дальних прямых и непрямых родственников. Технически он складывается из двух этапов: составления родословных и генеалогического анализа.

Составление родословной

Сбор сведений о семье начинается с пробанда, которым называется лицо, первым попавшее в поле зрения исследователя.

Дети одной родительской пары (родные братья и сестры) называются сибсами. Семьей в узком смысле, или ядерной семьей, называют родительскую пару и их детей. Более широкий круг кровных родственников лучше обозначать термином «род». Чем больше поколений вовлекается в родословную, тем она обширнее. Это влечёт за собой неточность полученных сведений и, следовательно, неточность родословной в целом. Часто люди не знают даже числа своих двоюродных братьев и сестер, не говоря уже о каких-то признаках у них и их детей.

Для наглядности готовят графическое изображение родословной. Для этого обычно пользуются стандартными символами. Если рассматриваемых признаков в родословной много, то можно прибегать к буквенным или штриховым различиям внутри символов. Схема родословной обязательно сопровождается описанием обозначений под рисунком – легендой, что исключает возможность неправильных истолкований.

Генеалогический анализ

Целью генеалогического анализа является установление генетических закономерностей.

1 этап – установление наследственного характера признака. Если в родословной встречается один и тот же признак несколько раз, то можно думать о наследственной его природе. Однако надо прежде всего исключить возможность экзогенного накопления случаев в семье или роду. Например, если один и тот же патогенный фактор действовал на женщину во время всех беременностей, то у нее могут родиться несколько детей с одинаковыми аномалиями. Или же какой-то фактор действовал на многих членов семьи, необходимо сличить действие сходных внешних факторов. С помощью генеалогического метода были описаны все наследственные болезни.

2 этап – установление типа наследования и пенетрантности гена. Для этого используют принципы как генетического анализа, так и статистические методы обработки данных из родословной.

3 этап – определение групп сцепления и картирования хромосом, до недавнего времени основывающегося только на генеалогическом методе. Выясняют сцепленные признаки и процесс кроссинговера. Этому способствуют разработанные математические методы.

4 этап – изучение мутационного процесса. Он применяется в трех направлениях: при изучении механизмов возникновения мутаций, интенсивности мутационного процесса и факторов, вызывающих мутации. Особенно широко генеалогический метод применяется при изучении спонтанных мутаций, когда надо различать «спорадически» возникшие случаи от «семейных».

5 этап – анализ взаимодействия генов в клинической генетике был сделан С. Н. Давиденковым (1934, 1947) по анализу полиморфизма заболеваний нервной системы.

6 этап – в медико-генетическом консультировании для составления прогноза без генеалогического метода обойтись нельзя. Выясняют гомо- или гетерозиготность родителей и рассматривают вероятность рождения детей с теми или иными признаками.

Близнецовый метод исследования

Исследование близнецов – один из основных методов генетики человека. Существуют однояйцевые близнецы, возникающие из одной яйцеклетки, оплодотворенной одним сперматозоидом. Возникают они из-за разделения зиготы на два генетически идентичных друг другу и всегда однополых зародыша.

Разнояйцовые близнецы развиваются из разных яйцеклеток, оплодотворенных разными сперматозоидами. Генетически они различаются как братья и сестры одних родителей.

При помощи близнецового метода можно изучить:

1) Роль наследственности и среды в формировании физиологических и патологических особенностей организма. В частности, изучение наследственной передачи людьми некоторых болезней. Изучение экспрессивности и пенетрантности генов, вызывающих наследственные заболевания.

2) Конкретные факторы, усиливающие или ослабляющие влияние внешней среды.

3) Корреляцию признаков и функций.

Особенно важна роль близнецового метода в изучении проблемы «генотип и среда».

Сравнивают обычно три группы близнецов: ДБ в одинаковых условиях, ОБ в одинаковых условиях, ОБ в разных условиях.

При изучении близнецов определяют частоту, степень совпадения (конкордантности) тех или иных признаков.

При изучении роли наследственности в происхождении того или иного признака производят расчет по формуле К. Хольцингера.

Коэффициент наследуемости - Н

Н= % сходства ОБ - % сходства РБ

100 - % сходства РБ

При Н=1 вся изменчивость в популяции обусловлена наследственностью.

При Н=0 вся изменчивость вызвана средовыми факторами. Влияние среды С выражается формулой:

где Н – коэффициент наследуемости. Например, конкордантность монозиготных (однояйцевых) близнецов 3%.

Тогда Н = 67 – 3 = 64 = 0,7 или 70 %. С = 100 – 70 = 30%

Итак, данный признак на 70% обусловлен наследственностью, а на 30% - влиянием факторов внешней среды.

Другой пример. Группы крови по системе АВО у ОБ =100%, т.е. полностью зависит от наследственности.

Частота совпадения групп крови и некоторых заболеваний у близнецов (в %)

	Признаки или болезни
	группы крови АВО
	корь
	коклюш
	шизофрения
	свинка
	эпилепсия
	Врожденный стеноз привратника

Метод дерматоглифики

Это наука, изучающая наследственную обусловленность рисунков, которые образуют линии кожи на кончиках пальцев, ладонях и подошвах человека.

Оказалось, что у каждого народа, у каждой расы, у каждого человека рисунки имеют свои особенности, и на ладонях они строго индивидуальны. На это впервые обратил внимание Ф. Гальтон, который предложил английской уголовной полиции по отпечаткам пальцев идентифицировать преступников.

Дерматоглифические исследования имеют важное значение в криминалистике, в определении зиготности близнецов, в диагностике ряда наследственных заболеваний, а так же в отдельных случаях спорного отцовства.

Ладонный рельеф очень сложен. В нем выделяют ряд полей, подушечек и ладонных линий. Подушечек на ладони 11, их делят на 3 группы:

1) пять концевых (эпликальных) подушечек на концевых фалангах пальцев.

2) четыре межпальцевые подушечки, располагаются против межпальцевых промежутков.

3) две ладонные проксимальные подушечки тенар и гипотенар. У основания большого пальца – тенар, у противоположного края ладони - гипотенар.

На наиболее возвышенных частях подушечек заметны кожные гребешки. Это линейные утолщения эпидермиса, которые представляют собой модифицированные чешуйки кожи. Кожные гребешки идут потоками, как на ладонях, так и на пальцевых подушечках. Точки встречи этих потоков образуют трирадиусы или дельты.

Гребешковые узоры обычно изучают под лупой. Отпечатки узоров, при помощи типографской краски, делают на чистой белой, лучше мелованной, бумаге или целлофане. Как на кончиках пальцев, так и на ладонных возвышениях могут наблюдаться различные папиллярные узоры в виде завитков, петель и дуг, открытых в ульпарную или радиальную стороны. На тенаре и гипотенаре чаще бывают дуги. На средней и основной фалангах пальцев гребешковые линии идут поперек пальцев, образуя различные узоры – прямые, серповидные, волнообразные, дугообразные и их сочетания. В среднем на одном пальце бывают 15-20 гребешков.

Рисунок ладони:

1 – поперечная проксимальная борозда, линия прижатия 4 пальцев

2 - поперечная средняя борозда, линия прижатия 3 пальцев

3 – поперечная дистальная борозда, линия прижатия 2 пальцев

4 – борозда большого пальца

5 – продольная срединная борозда от запястья к основанию 3го пальца

6 – продольная промежуточная борозда от запястья к основанию 4го пальца

7 – продольная ульнарная борозда, от запястья к основанию 5го пальца

1 – синдром Патау

2 – синдром Дауна

3 – синдром Шерешевского-Тернера

4 – норма

5 – синдром Клайнфельтера

При изучении кожного рельефа ладони исследуют:

1) Ход главных ладонных линий А, В, С, Д 1,2,3,4,5,6,7.

2) Ладонные узоры на тенаре и гипотенар.

3) Пальцевые узоры (форму узоров, гребневый счет)

4) Осевые трирадиусы.

Аналогичные исследования проводят и на подошвах ног. Направление главной ладонной линии Д у родителей и их детей одинаковое.

Изучение больных с хромосомными болезнями (болезнь Дауна, синдром Клайнфельтера) показало, что у них меняется не только рисунок пальцевых и ладонных узоров, но и характер основных сгибательных борозд на коже ладоней.

Несколько меньшую выраженность имеют дерматоглифические отклонения у больных с такими дефектами развития, как врожденные пороки сердца и магистральных сосудов, незаращения мягкого и твердого неба, верхней губы и т.д.

Установлены изменения в характере пальцевых и ладонных узоров при проказе, шизофрении, сахарном диабете, раке, ревматизме, полиомиелите и других заболеваниях.

Цитогенетический метод

Этот метод позволяет с помощью микроскопа исследовать структуры клетки – хромосомы. С помощью метода микроскопии изучен кариотип организма человека (хромосомный набор клеток организма). Установлено, что многие заболевания и дефекты развития связаны с нарушением числа хромосом и их строения. Этот метод позволяет изучить также действие мутагенов на состав и строение хромосом. Цитогенетический метод связан с временными культурами тканей (обычно лейкоцитов) и получением метафазных ядер с укороченными, утолщенными хромосомами, деление которых останавливают на стадии метафазной пластинки колхицином. Если в кариотипе изучаются половые хромосомы, то этот метод позволяет исследовать половой хроматин в соматических клетках.

Гибридизация соматических клеток

Гибридные клетки обладают определенными свойствами, позволяющими определять локализацию гена или сцепление гена. Потеря хромосом человека из некоторых типов гибридных клеток позволяет получать клоны с отсутствием определенной хромосомы. Наиболее употребительны гибриды соматических клеток человек – мышь.

Прослеживание за наличием биохимического генетического маркера в гибридных клонах по мере элиминации хромосом человека может привести к обнаружению локализации гена, если признак исчезает из клеток, как только они меняются определенными хромосомами. Цитогенетический анализ большого числа клонов и сопоставления результатов с присутствием большого числа генетических маркеров позволяет подметить сцепленные гены и их локализацию. Дополнительно используют информацию, при использовании клонов от инвалидов с транслокациями и другими хромосомными аномалиями.

Этим методом была установлена локализация гена фосфоглицераткиназы в длинном плече Х-хромосомы, т.е. место гибридных клеток позволяет установить:

1) локализацию гена

2)сцепление генов

3)картирование хромосом

Свыше 160 локусов определены с помощью метода гибридных соматических клеток.

Онтогенетический метод

Позволяет изучить закономерности проявления какого-либо признака или заболевания в процессе индивидуального развития. Выделяют несколько периодов развития человека. Антенатальный (развитие до рождения) и постнатальный. Большинство признаков человека формируются в фазу морфогенеза антенатального периода. В фазу морфогенеза постнатального периода заканчивается формирование коры головного мозга и некоторых других тканей и органов, формируется иммунологическая система организма, которая достигает наивысшего развития через 5-7 лет после рождения ребенка. В постморфогенетический период развиваются вторичные половые признаки.

В морфогенетический период изменение активности генов происходит по двум типам:

1) включение и выключение генов

2) усиление и ослабление действия генов

В постморфогенетический период развития первый тип изменения активности генов почти отсутствует, происходит лишь небольшое включение отдельных генов – например, генов, определяющих вторичные половые признаки, развитие некоторых наследственных заболеваний. Выключение же генов в этом периоде более значительное. Репрессируется активность многих генов, связанных с выработкой меланина (в результате происходит поседение), а также генов, связанных с выработкой γ-глобулинов (повышается восприимчивость к заболеваниям). Подавляются многие гены в клетках нервной системы, мышечных клетках и т.д.

Репрессия генов осуществляется на уровне транскрипции, трансляции, посттрансляции. Однако основной тип изменения активности генов на этом этапе – усиление и ослабление действия генов. Может изменяться доминирование генов, что вызывает изменение внешних признаков, особенно в период полового созревания. Меняется соотношение половых гормонов и соответственно признаки пола. Репрессивные гены с возрастом могут оказывать большое влияние на развитие того или иного признака. Например, ген фенилкетонурии в гетерозиготном состоянии изменяет психику человека.

Популяционно-статистический метод исследования

Представляет собой метод математического подсчета тех или иных генов и соответствующих признаков в определенных популяциях. Теоретической основой данного метода является закон Харди-Вайнберга.

Этим методом установлено, что все гены человеческой популяции по частоте встречаемости можно разделить на 2 категории:

1) имеющие универсальное распространение, к которым относится большинство генов. Например, ген дальтонизма, имеющийся у 7%мужчин и более чем у 13%женщин. Ген амавротической идиотии, встречающийся у населения Европы с частотой 4 на 10 000 населения.

2) гены, встречающиеся преимущественно в определенных районах. Например, ген серповидно-клеточной анемии распространен в странах, где свирепствует малярия. Ген врожденного вывиха бедра, имеющий высокую концентрацию у аборигенов северо-востока нашей страны.

Метод моделирования

Закон гомологических рядов Н. И. Вавилова (виды и роды генетически близкие обладают сходными рядами наследственной изменчивости) позволяет с определёнными ограничениями экстраполировать экспериментальные данные на человека.

Биологическая модель наследственного заболевания на животном часто является более удобной для исследования, чем больной человек. Оказалось, что у животных имеется около 1300 наследственных болезней, так же, как у человека. Например, у мышей – 100, у крокодилов – 50, у крыс – 30. на модели гемофилии А и В у собак показано, что она обусловлена рецессивным геном, расположенным в Х-хромосоме.

Моделирование мышечной дистрофии у мышей, хомяков и кур дало возможность понять патогенетическую сущность этого заболевания. Было установлено, что при этом заболевании поражается не нервная система, а непосредственно мышечные волокна.

Начальные механизмы галактоземии были выяснены на модели кишечной палочки. И у человека, и у бактерий неспособность усваивать галактозу вызвана одинаковым наследственным дефектом – отсутствием активного фермента – галактоза-1-фосфатилуридилтрансферазы.

Иммунологический метод исследования

Этот метод основан на изучении антигенного состава клеток и жидкостей человеческого организма – крови, слюны, желудочного сока и т.п. Чаще всего исследуют антигены форменных элементов крови: эритроцитов, лейкоцитов, тромбоцитов, а также белков крови. Различные виды антигенов эритроцитов образуют системы групп крови.

В начале ХХ столетия К. Ландштейнер и Я. Янский показали, что в зависимости от характера реакций между эритроцитами и плазмой крови, всех людей можно разделить на 4 группы. В дальнейшем было доказано, что реакции эти происходят между белковыми веществами эритроцитов, которые были названы агглютино-генами, и белками сыворотки крови, которые были названы агглютининами.

Группы крови определяются антигенами, содержащими липидную и белковые фракции, и которые находятся на поверхности эритроцитов. Белковая часть антигена контролируется геном, который работает на ранних этапах развития эритроцита. Антигены специфичны для каждой группы крови.

Всего сейчас известно 14 систем эритроцитарных групп крови, в которые входят более 100 различных антигенов. В системе групп крови АВО на поверхности эритроцитов формируется два антигена под контролем генных аллелей I а, I в.

Бернштейн в 1925 году показал, что есть третья аллель I о, которая не контролирует синтез антигена. Таким образом, в системе АВО групп крови существует три аллеля, но у каждого человека имеется только два из них. Если расписать возможные мужские и женские гаметы в решетке Пеннета, то можно проследить, какие возможные комбинации групп крови будут у потомков.

Группы крови АВО у потомков в зависимости от групп крови у родителей

Иммунологические методы применяют для обследования пациентов и их родственников при подозрении на иммунодефецитные состояния (агаммаглобулинемия, дисгаммаглобулинемия, атаксия-телеангиэктазия и другие), при подозрении на антигенную несовместимость матери и плода, при пересадке органов и тканей, при установлении истинного родства, в случаях медико-генетического консультирования, при необходимости изучения генетических маркеров при диагностике сцепления генов или при определении наследственной предрасположенности к заболеваниям, при установлении зиготности близнецов.

Определение групповой принадлежности крови имеет практическое значение в разнообразных генетических исследованиях:

1) при установлении зиготных близнецов

2) при установлении сцепления генов.

3) в судебно-медицинской экспертизе в случаях спорного отцовства или материнства. Известно, что у ребенка не могли появится антигены, которых нет у родителей.

Система групп крови М была открыта К. Ландштейнером и И. Левиным в 1927 году (в этой группе антитела к соответствующим антигенам не продуцируются). В системе имеется два аллеля M,N.

Гены, определяющие фактор М и N, являются кодоминантными, т.е. если встречаются вместе, то оба и проявляются. Таким образом, существуют гомозиготные генотипы MM и NN, и гетерозиготные MN. В популяциях европейцев генотипы ММ встречаются примерно в 36%, NN – в 16%, MN – в 48%.

А гены соответственно:

М=36 + 48/2 = 60%

N=16 + 48/2 = 40%

Резус-фактор

Как показали исследования ученых, 85% европейцев имеют эритроцитарный антиген, общий с антигеном обезьян вида макака-резус. У 15% людей резус-антигенов на поверхности эритроцитов нет.

Система групповых резус-антигенов очень сложна. Предполагается, что резус-антигены контролируются тремя тесно сцепленными локусами С, Д и Е в двух хромосомах и наследуются доминантно. Поэтому возможны по каждому локусу три генотипа: гомозиготные резус-положительные, гетерозиготные резус-положительные и гомозиготные резус-отрицательные.

Наиболее иммуногенным является антиген Д. Антигены С и Е являются менее активны.

В 1962 году было установлено наличие эритроцитарного изоантигена Х д, передающегося через половую Х-хромосому. По этому антигену всех людей можно разделить на Х д -положительных и Х д -отрицательных. Среди Х д -положительных женщин встречается 88%, а среди мужчин – 66%. Если оба родителя Х д -отрицательны, то все их дети (как девочки, так и мальчики) будут Х д -отрицательны. Если отец Хд-положительный, а мать Х д -отрицательна, то их дочери будут Х д -положительными, а сыновья Х д -отрицательными. Если мать Х д -положительна, а отец Х д -отрицателен, то их сыновья будут Х д -положительными т.е. тип наследования «крест-накрест». Дочери же могут быть как Хд-положительными, так и Х д -отрицательными, в зависимости от гомозиготности матери. Ген Х д – группы локализован в коротком плече Х-хромосомы. Система Х д используется для изучения анеуплоидий (аномального числа Х-хромосом у ребенка с трисомией Х, синдрома Клайнфельтера, синдрома Шерешевского-Тернера и др.). Предполагается, что Х д -несовместимость матери и плода (мать Х д -отрицательная, а плод Х д -положительный) приводит к уменьшению частоты рождения девочек.

Биохимический метод

Позволяет, с одной стороны, изучить количество ДНК в клетках человека в норме и патологии, с другой – определять наследственные дефекты обмена веществ при помощи:

1) определения аномального белка (структурных белков или ферментов), которые образуются в результате биохимических реакций;

2) определения промежуточных продуктов обмена, которые появляются вследствие генетического блока прямой реакции обмена.

Например, при фенилкетонурии аминокислота фенилаланин не превращается в тирозин. Происходит увеличение её концентрации в крови и уменьшение концентрации тирозина. Фенилаланин при этом превращается в фенилпировиноградную кислоту и ее производные – фенилмолочную, фенилуксусную и фенилацетилглутаминовую.

Эти соединения обнаруживают в моче больного при помощи хлорного железа FeCl 3 или 2,4 – динитрофенилгидразина.