Медична біологія, паразитологія, генетика

План

1. Антропогенетика. Особливості людини як об’єкту генетики.

2. Медична генетика: предмет і завдання.

3. Методи медичної генетики.

 

1. АНТРОПОГЕНЕТИКА. ОСОБЛИВОСТІ ЛЮДИНИ ЯК ОБ’ЄКТУ ГЕНЕТИКИ

Генетика людини, або антропогенетика, - наукова дисципліна, яка вивчає закономірності спадковості та мінливості стосовно людини. Вона розглядає ці генетичні явища на всіх рівнях організації та існування людини: молекулярному, клітинному, організмовому, популяційному, біогеоценотичному, біогеохімічному.

Генетика людини вивчає:

- генетичну зумовленість фізіологічних, біохімічних і морфологічних властивостей окремих тканин і органів людини, психічної та інтелектуальної діяльності;

- статистичні закономірності розподілу генних частот у мікропопуляціях;

- методи захисту генотипу людини від несприятливих чинників довкілля;

- генетичну зумовленість хвороб, їх передачу в поколіннях, прояв в онтогенезі, поширення  в популяціях, географічне поширення;

- роль спадковості і середовища у формуванні особистості;

- молекулярні механізми пам’яті;

- накопичення і передавання у поколіннях набутої в онтогенезі інформації тощо.

Людина як об'єкт генетики має цілу низку особливостей, обумовлених як біологічними, так і соціальними факторами:

-     неможливість проведення спеціальних схрещувань для гібридологічного аналізу;

-     відсутність гомозиготних ліній;

-     неможливість експериментального мутагенезу;

-     тривалий час розвитку до настання статевої зрілості, значна тривалість життя;

-     нечисленне потомство;

-     неможливість забезпечення однакових, контрольованих умов розвитку дітей у різних сім'ях;

-     недостатньо точна реєстрація спадкових ознак, невеликі родоводи;

-     порівняно велика кількість хромосом, які важко розрізнити.

Генетика людини набула виняткового значення як теоретична та практична складова медичної генетики.

 

2. МЕДИЧНА ГЕНЕТИКА: ПРЕДМЕТ І ЗАВДАННЯ

Спеціальним розділом генетики людини є медична генетика, яка вивчає залежність хвороб людини від спадкових чинників, а також закономірності передавання з покоління в покоління спадкових хвороб, їх поширення в популяціях людей.

У своїх дослідженнях медична генетика грунтується на успіхах таких наукових напрямків, як цитогенетика, біохімічна генетика, радіаційна генетика, генетика мікроорганізмів та ін. Особлива галузь медичної генетики – клінічна генетика, яка вивчає спадкові хвороби, їх патогенез, різноманітність (поліморфізм), методи діагностики, лікування і профілактики.

З успіхами і досягненнями медичної генетики пов'язані надії на вирішення складних проблем медицини: запобігання та лікування злоякісних новоутворень, атеросклерозу, серцево-судинних захворювань, вад розвитку та ін.

Завданнями медичної генетики є вивчення характеру спадкових хвороб на молекулярному, клітинному рівнях і на рівні цілісного організму, удосконалення методів генної інженерії з метою отримання лікарських речовин (інсулін, інтерферон та ін.) і генотерапії (заміщення патологічних генів нормальними алелями), інтенсивний розвиток методів пренатальної (допологової) діагностики, які запобігають народженню дитини з тяжкою спадковою патологією.

Завдання медичної генетики

1. Захист людини від ураження спадкового матеріалу і розвитку спадкових хвороб.

2. Вивчення спадкових хвороб і синдромів:

- визначення спадкового характеру захворювань;

- встановлення характеру змін спадкового матеріалу, типу успадковування патологій;

- вивчення клінічних ознак, патогенезу, молекулярних механізмів спадкових хвороб;

- розробка методів діагностики;

- розробка методів лікування;

- вивчення закономірностей поширення спадкових хвороб людини.

3. Використання генноінженерних методів створення вакцин з метою запобігання інфекційним хворобам.

4. Визначення ролі спадковості і середовища у виникненні та перебігу неспадкових хвороб.

 

3. МЕТОДИ МЕДИЧНОЇ ГЕНЕТИКИ

В медико-генетичних дослідженнях використовуються наступні методи:

1.  Генеалогічний (клініко-генеалогічний).

2.  Популяційно-статистичний.

3.  Близнюковий.

4.  Цитогенетичний.

5.  Біохімічний.

6.  Дерматогліфіка та пальмоскопія (вивчення шкірних візерунків пальців і згинальних борозен долонь)

7.  Культура соматичних клітин.

Застосування цих методів дає можливість вирішувати широке коло задач медичної генетики. З одного боку, це дослідження спадкових захворювань (з'ясування типу успадковування, картування мутантних генів, розшифровка механізму взаємодії генів, вивчення впливу середовища на розвиток хвороби). З іншого боку, це дослідження окремих хворих людей та їх сімей (діагностика захворювання, визначення особливостей його протікання, ризику народження хворих у сім'ї, виявлення гетерозиготних носіїв). Тобто медико-генетичні дослідження можуть бути поділені на два напрямки: наукові та прикладні. Звичайно, в наукових установах можуть бути застосовані більш складні, точні, дорогі методи, ніж у повсякденній практиці генетика певної лікарні. Але обидва напрямки тісно пов'язані між собою: наукові досягнення є базою для розвитку прикладних методик, а результати вивчення великого контингенту хворих з практики медиків-генетиків дають дуже цінний матеріал для фундаментальних досліджень.

Розглянемо деякі методи медичної генетики більш докладно.

ГЕНЕАЛОГІЧНИЙ, КЛІНІКО-ГЕНЕАЛОГІЧНИЙ МЕТОД АБО МЕТОД РОДОВОДІВ

Суть цього методу полягає в аналізі передавання ознаки (хвороби) серед родичів хворого у деяких поколіннях. Назва "клініко-генеалогічний" застосовується тому, що проводиться дослідження патологічних ознак в родині за допомогою засобів клінічного обстеження. Генеалогічний метод є важливою ланкою, що сполучає теоретичну генетику людини та її практичне застосування.

Цей метод може бути застосований, якщо відомі предки обстежуваної людини у декількох поколіннях з батьківської та материнської сторони, причому є достатня кількість нащадків у кожному поколінні.

Проблеми, які можуть бути вирішені даним методом:

- при вивченні захворювання - встановлення його спадкового характеру, типу успадковування, пенетрантності гена, зчеплення з іншими ознаками, картування гена, визначення інтенсивності мутаційного процесу, вивчення взаємодії генів;

- при дослідженні конкретної родини - діагностика спадкового захворювання, встановлення імовірних генотипів членів родини, в тому числі й майбутніх нащадків, визначення ризику захворювання при неповній пенетрантності або складних типах успадковування.

В генеалогічному методі виділяють два етапи: складання родоводу та його аналіз.

СКЛАДАННЯ РОДОВОДУ. Збір відомостей про родину починають від пробанда – особи, родовід якої вивчається. Діти одного подружжя називаються сибсами, особи, що мають спільну матір або спільного батька - напівсибси.

Збір інформації проводиться методами опитування, очного або заочного анкетування, власного обстеження членів родини. Необхідно намагатися отримати відомості про найбільшу кількість родичів по висхідному, низхідному, бічним напрямкам. Неприпустимо довільно обривати родовід без зазначення наявності або можливості існування необстежених родичів.

При зборі даних можуть виникати суттєві ускладнення, викликані тим, що люди часто не знають стану здоров'я і навіть причин смерті своїх родичів, помиляються стосовно цих питань або свідомо надають неправильну інформацію (наприклад, з метою перекласти "провину" за спадкову хворобу дитини на родичів чоловіка або жінки). Тому важливо особисто опитати максимально можливу кількість членів родини, проаналізувати результати обстежень, проведених лікарями.

Яку ж саме інформацію про хворого та членів його родини необхідно збирати? Це залежить певною мірою від того, яке саме захворювання вивчається, але загальні моменти спільні для всіх випадків. Необхідно знати анамнез хвороби пробанда, особливості його розвитку (як протікала вагітність, як відбувалось становлення фізичних і психічних функцій, особливості умов життя, перенесені хвороби, наявність патологічної реакції на певні продукти або ліки). Потім вивчають сибсів пробанда, в тому числі аналізують акушерський анамнез його батьків. Далі проводять обстеження родичів при якому реєструють:

1.       Прізвище, ім'я, по-батькові. Для жінок - дівоче прізвище.

2.       Вік.

3.       Національність.

4.       Місце проживання сім'ї та її предків.

5.       Професію.

6.       Наявність хронічних захворювань.

7.       Аналіз фенотипу з точки зору досліджуваного захворювання: чи воно проявлялось, чи були наявні супутні ознаки, якою мірою були виражені симптоми.

Зібрані відомості прийнято зображувати графічно у вигляді сімейного древа - родоводу. При цьому використовуються спеціальні позначення та правила побудови схеми. Окрім загальноприйнятих умовних значків можуть вводитись додаткові, які повинні мати пояснення в описі родоводу, так званій легенді.

Правила зображення родоводу.

1.       Складання родоводу починають від пробанда. Зображують покоління пробанда і його дітей, потім - його батьків.

2.       При наявності в родині декількох дітей їх зображують зліва направо, від найстаршого до молодших.

3.       Покоління розташовують суворо по лініях, попередні - вище, наступні - нижче. При дуже великих родоводах покоління розташовують по концентричних колах.

4.       Для зручності складання родоводу доцільно спочатку накреслити зв'язки однієї з ліній (материнської або батьківської), потім - іншої.

5.       Покоління нумерують римськими цифрами, які розміщують зліва від родоводу, нумерація іде зверху вниз. Представників одного покоління нумерують арабськими цифрами зліва направо. Таким чином, кожна особа отримує власний шифр (ІІ-3, ІІІ-1).

6.       Треба вказувати вік членів родини (як правило, біля їх символів), дату складання родоводу.

7.       Дружини та чоловіки родичів пробанда можуть не зображуватись, якщо вони здорові і не мають генів, що впливають на розвиток аналізованої хвороби.

8.       Реєстрація осіб, що мають спорідненість з пробандом (до 3-4 поколінь), повинна бути якнайповнішою. Якщо відомостей про членів родини немає, необхідно хоча б вказати на їх наявність або можливість їх наявності.

Легенда родоводу – це письмовий додаток до нього, який містить усі відомості, що можуть бути корисними при аналізі генетичної ситуації в сім'ї. В легенду включають:

1.  Дані клінічного і позаклінічного обстеження пробанда, його родичів.

2.  Дані опитування родичів, зіставлення відомостей, отриманих від різних осіб.

3.  Письмові відомості про родичів, що живуть в інших містах.

4.  Висновок про тип успадковування захворювання.

5.  Умовні позначення, які відрізняються від загальноприйнятих.

АНАЛІЗ РОДОВОДУ. Необхідно:

- встановити, чи є дана ознака або хвороба одиничною в сім'ї, чи є декілька випадків;

- виділити осіб, підозрілих у відношенні даного захворювання, скласти план їх обстеження для встановлення діагнозу;

- визначити тип успадковування, з'ясувати, по якій лінії – материнській чи батьківській – іде передача захворювання;

- визначити зиготність пробанда (гомо- або гетерозиготний);

- виявити осіб, що потребують медико-генетичного консультування.

При аналізі родоводів застосовуються різноманітні методи математичної статистики. Це необхідно для визначення співвідношення окремих гено- та фенотипів у потомстві, враховуючи невелику кількість дітей у сім'ях. Крім того, підраховуються ступінь спорідненості (r) та коефіцієнт інбридингу (F).

Ступінь спорідненості (табл. 1) – це доля тих генів, які у двох осіб ідентичні завдяки їх походженню від спільного предка (предків).

Коефіцієнт інбридингу – це імовірність того, що два алелі будь-якого гена особини ідентичні за походженням, тобто були отримані від одного предка. Його можна визначити, як ступінь спорідненості батьків, помножений на 1/2. Якщо загальний предок сам був інбредною особою, то на це робиться спеціальна поправка.

 

Таблиця 1

Доля загальних генів у родичів різного ступеню спорідненості

Ступінь спорідненості	Доля загальних генів
Монозиготні близнюки	100%
1 ступінь (батьки-діти, сибси)	1/2 (50%)
2 ступінь (дядьки, тітки - племінники, бабусі, дідусі - онуки, напівсибси)	1/4 (25%)
3 ступінь (двоюрідні сибси)	1/8 (12,5%)

 

ОСОБЛИВОСТІ РОДОВОДІВ ПРИ РІЗНИХ ТИПАХ УСПАДКОВУВАННЯ

1.  Аутосомно-домінантний

-       кожний хворий член сім'ї, як правило, має хворих батька чи матір;

-       захворювання передається з покоління в покоління, хворі є в кожному поколінні;

-       у здорових батьків - діти здорові;

-       чоловіки та жінки хворіють у рівній мірі;

-       імовірність народження хворої дитини, якщо хворий один з батьків, становить 50%.

Відхилення від цих закономірностей можливі при неповній пенетрантності гена, різній експресивності, залежності хвороби від статі, виникненні захворювання внаслідок нової мутації.

2.  Аутосомно-рецесивний

- від здорових батьків можуть народжуватись хворі діти;

- у хворої людини можуть народжуватись здорові діти;

- в одній сім'ї хвороба частіше зустрічається на окремих горизонталях (серед сибсів), ніж на вертикалях (батьки-діти);

- в родоводах часто зустрічаються споріднені шлюби;

- батьки хворих дітей обов'язково мають патологічний ген;

- в шлюбі двох гетерозиготних осіб імовірність народження хворої дитини 25%.

Відхилення від цих правил можливі в тих же випадках, що і для аутосомно-домінантних захворювань. Крім того, родовід може приймати вигляд псевдодомінантного успадковування, якщо даний рецесивний ген часто зустрічається в популяції, або в родині часті споріднені шлюби.

3.  Х-зчеплений домінантний

-       хворі діти народжуються в сім'ях, де хворий хоча б один з батьків;

-       у здорових батьків всі діти здорові;

- захворювання простежується в кожному поколінні;

- у хворого батька всі дочки хворі, всі сини здорові;

- у хворої матері імовірність народження хворої дитини 50% незалежно від статі;

- хворих жінок вдвічі більше, ніж хворих чоловіків.

4.  Х-зчеплений рецесивний

- хворіють переважно чоловіки;

- захворювання спостерігається у чоловіків-родичів пробанда по материнській лінії;

- син ніколи не успадковує хворобу батька;

- у хворої жінки обов'язково хворий батько, хворими будуть всі її сини;

- у шлюбі хворого чоловіка та здорової жінки всі діти будуть здоровими, але у дочок можливе народження хворих синів;

- у шлюбі здорового чоловіка та гетерозиготної жінки імовірність народження хворого сина - 50%, хворих дочок не буде.

5.  Мультифакторіальні хвороби

-       імовірність захворювання залежить від ступеня спорідненості з хворими членами родини;

-       чим більше хворих родичів, тим вище ризик захворювання, народження кожної хворої дитини збільшує цей ризик, здорової – зменшує (наприклад, при цукровому діабеті народження хворої дитини в сім'ї, де перша дитина хвора, а батьки здорові, має імовірність 5-10%; якщо хворий один з батьків і перша дитина - 10-20%; якщо хворі обидва батьки і перша дитина - 40%);

- передавання ознаки не відповідає менделівським закономірностям;

- генетичний прогноз залежить від тяжкості хвороби у родичів, яка визначається кількістю наявних у них дефектних генів;

- ризик збільшується, якщо в сім'ї хворіють особи, що відносяться до більш стійкої статі.

БЛИЗНЮКОВИЙ МЕТОД

Близнюковий метод полягає у дослідженні генетичних закономірностей на близнятах. Монозиготні (однояйцеві, ідентичні) близнята - це особи, що виросли з однієї зиготи, що поділилася надвоє на початку дроблення. Дизиготні (двояйцеві, різнояйцеві, неідентичні) близнята - особи, що розвивалися з двох одночасно запліднених яйцеклітин.

Для вивчення закономірностей успадковування певної ознаки проводять порівняння: 1) між представниками монозиготної пари; 2) між моно- та дизиготними близнятами; 3) між близнятами та сибсами різного віку; 4) між близнятами та загальною популяцією (табл. 2). Це дає можливість визначити долю впливу на формування фенотипу таких факторів: генотипу, умов внутрішньоутробного розвитку, умов середовища.

Звичайно, умови життя є найменш контрольованим у дослідах і взагалі нестабільним показником, який може суттєво змінюватись у різних випадках, залежно від економічного та наукового розвитку суспільства, рівня достатку родини, місця її проживання, ставлення батьків до дітей.

 

Таблиця 2

 

Порівняння моно- та дизиготних близнят із сибсами різного віку

та загальною популяцією

 

Показники	Монозиготні близнята	Дизиготні близнята	Сибси різного віку	Загальна популяція
Коефіцієнт спорідненості	1	1/2	1/2	?
Умови внутрішньоутробного розвитку	однакові	однакові	різні	різні
Умови життя	подібні	подібні	подібні	різні

 

 

Проблеми, що можуть бути вирішені за допомогою близнюкового методу:

1. Аналіз закономірностей успадковування ознак, особливо мультифакторіальних.

2. Вивчення пенетрантності та експресивності генів.

3. Визначення впливу певного фактора (наприклад, вживання ліків, харчування, виховання) на формування фенотипу.

Реалізація близнюкового методу складається з трьох послідовних етапів.

1.                Формування виборки.

2. Діагностика зиготності близнят.

Використовуються співставлення зовнішніх морфологічних ознак (полісимптомний метод Сіменса), анкетування (опитування батьків і самих близнят - чи схожі, чи плутають їх батьки, вчителі та ін.), лабораторні методи (аналіз моногенних поліморфних ознак - еритроцитарних і лейкоцитарних антигенів, білків плазми крові та ін.). При аналізі зиготності необхідно враховувати можливість виникнення мутації вже після поділу зиготи надвоє. Так, наприклад, виникають монозиготні близнята різної статі.

3. Зіставлення досліджуваних груп.

При співставленні груп моно- та дизиготних близнят визначають рівень конкордантності за досліджуваною ознакою. Конкордантна пара - це та пара, в якій ознака реєструється в обох близнят. Якщо ознака є тільки в одного представника пари, то цю пару називають дискордантною. Очевидно, що ті ознаки, які більшою мірою залежать від генотипу, чим від середовища, будуть мати вищу конкордантність у монозиготних пар. Якщо ж ознака в основному залежить від зовнішніх умов, то конкордантність не буде залежати від зиготності. В таблиці 3 наведені приблизні величини конкордантності для деяких поширених хвороб.

Таблиця 3

 

Конкордантність близнят при різних захворюваннях

 

Захворювання	Конкордантність монозиготних близнят,%	Конкордантність дизиготних близнят,%
Кір	98	94
Пневмонія	32	18
Туберкульоз	53	21
Гіпертонічна хвороба	26	10
Ревматизм	26	10
Інсульт	22	11
Інфаркт міокарда	20	15

 

На основі отриманих даних можна вирахувати так званий коефіцієнт успадковуваності, який виражає частку спадкової мінливості  загальній мінливості: Н = (МЗ-ДЗ)/(100-ДЗ), де МЗ – конкордантність монозиготних близнят, ДЗ – дизиготних.

Наприклад, для епілепcії Н=(67-3)/(100-3)=0,66. Отже, при формуванні епілепсії спадковість більш важлива, ніж вплив середовища.

На основі результатів, отриманих при вивченні близнюкових пар, була оцінена успадковуваність багатьох ознак. В таблиці 4 наведені кілька прикладів:

 

Таблиця 4

Коефіціенти успадковування деяких ознак людини

 

Ознаки	Коефіцієнт успадковуваності,
Особливості будови тіла	0,81
Зріст у положенні сидячи	0,76
Маса тіла	0,78
Індекс інтелектуальності	0,68-0,80
Вербальні здібності	0,68
Арифметичні здібності	0,68
Здібності до природничих наук	0.34
Здібності до історії та літератури	0,45
Орфографічні здібності	0,53
Частота рухів	0,50

 

ПОПУЛЯЦІЙНО-СТАТИСТИЧНИЙ МЕТОД

Базується на дослідженні спадкових ознак у великих групах населення з однієї або декількох популяцій, в одному або декількох поколіннях. Застосовується для вирішення наступних проблем:

- оцінка частоти захворювань в популяції;

- вивчення мутаційного процесу;

- визначення ролі спадковості і середовища у формуванні хвороб.

Етапи дослідження:

1.                Вибір популяції, реєструємих ознак, визначення розміру вибірки.

2.                Збір матеріалів (безпосереднє дослідження, анкетування, вивчення статистичної документації).

3.                Статистичний аналіз отриманих даних.

ЦИТОГЕНЕТИЧНИЙ МЕТОД

Базується на мікроскопічному дослідженні хромосом. Застосовується для вирішення наступних задач:

- діагностика хромосомних захворювань;

- складання карт хромосом;

- вивчення мутаційного процесу;

- вивчення нормального хромосомного поліморфізму.

Морфологія хромосом вивчається в метафазі мітозу, а також у профазі-метафазі мейозу.

Етапи дослідження:

1.                Отримання достатньої кількості клітин, що діляться.

В організмі людини найбільша кількість поділів відбувається в клітинах кісткового мозку (йде процес кровотворення) та у гонадах (сім'яниках статево зрілих чоловіків, яєчниках ембріонів жіночої статі). Матеріал з цих органів може бути взятий шляхом біопсії, але ця процедура складна.

Тому основні цитогенетичні роботи виконуються на клітинах, отриманих при культивуванні первинного матеріалу на штучних поживних середовищах. У якості вихідного матеріалу найчастіше використовують лімфоцити периферійної крові, фібробласти, шматочки епідермісу.

2. Отримання препаратів метафазних пластинок з хромосомами, що лежать окремо.

3. Ідентифікація та вивчення хромосом.

БІОХІМІЧНИЙ МЕТОД

Базується на вивченні особливостей обміну речовин у хворих. Використовується для вирішення наступних задач:

-                     діагностика спадкових захворювань, в тому числі виявлення гетерозиготних носіїв;

-                     визначення особливостей протікання хвороби у даної людини;

-                     вивчення патогенезу спадкових захворювань.

Головна увага приділяється визначенню наявності аномальних білків та проміжних продуктів обміну, що накопичуються при тих чи інших біохімічних дефектах. Матеріалом для дослідження можуть бути кров, сеча, шлунковий сік та ін.

ДЕРМАТОГЛІФІКА ТА ПАЛЬМОСКОПІЯ

Використовуються для діагностики деяких захворювань, в основному хромосомних, та встановлення зиготності близнят. При вивченні візерунків на подушечках пальців та долонь визначають напрямки папілярних ліній, місця сходження трьох потоків (так звані дельти, або трирадіуси). Виділяють три основні форми візерунків: дуга (без трирадіусів), петля (з одним трирадіусом), завиток (з двома трирадіусами). Також визначають кути між окремими дельтами долоні, загальний гребневий рахунок (сума числа папілярних ліній між центром візерунку та дельтою на всіх десяти пальцях).

Шкірні візерунки визначаються спадково, найбільш імовірно - за полігенним типом успадковування. Крім того, деякі їх деталі передаються за механізмом цитоплазматичної спадковості.

В медичній генетиці аналіз шкірних візерунків досить складний, але загальні закономірності для деяких захворювань можуть бути чітко сформульовані.

1. Гребневий рахунок зменшується зі збільшенням кількості Х-хромосом в каріотипі. В нормі для жінок він складає біля 120, для чоловіків - біля 140, для окремого пальця доходить до 15-20. При синдромі Шерешевського-Тернера (Х0) - 180, при каріотипі ХХХХУ - 50, ХХХХХ - 0 (на пальцях є тільки дуги, дельти зовсім не утворюються).

2. Деякі візерунки можуть бути віднесені до патологічних, зокрема наявність декількох дуг на пальцях рук, радіальні (тобто відкриті в сторону променевої кістки) петлі на 1, 4, 5 пальцях рук, дуги на великих пальцях ніг. В таких випадках необхідно провести дослідження каріотипу.

3. При синдромі Дауна частота ульнарних (відкритих в сторону ліктьової кістки) петель висока, завитків дуже мало, тому кількість дельт зменшена, змінені візерунки долоні (збільшений кут між лініями, що розходяться від проксимальної дельти долоні), поперечна згинальна борозна долоні тільки одна (замість двох) - так звана чотирипальцева борозна.

КУЛЬТУРА СОМАТИЧНИХ КЛІТИН

Використовується з дослідницькою метою: для вивчення процесів синтезу білків, ферментативних процесів, впливу мутагенних факторів, умов культивування, ліків, проведення гібридизації, введення нового генетичного матеріалу та ін.