Генетика человека изучает явления наследственности и изменчивости в

Генетика человека изучает явления наследственности и изменчивости в популяциях людей, т. е. наследование нормальных и патологических признаков, зависимость заболеваний от генетической предрасположенности и факторов среды. Является базой для медицинской генетики. Генетика человека использует особые методы по ряду причин: q людей невозможно экспериментально скрещивать, т. е. неприменим гибридологический метод q смена поколений происходит медленно q плодовитость низкая q кариотип сложный Методы генетики человека q генеалогический q близнецовый q популяционно-статистический q биохимический q цитогенетический q метод гибридизации соматических клеток q метод моделирования Обычно включают метод культуры тканей

1. Генеалогический метод – признак прослеживается в ряду поколений (сбор сведений, ведется от пробанда, т. е. человека, чью родословную составляют). Затем ведется генеалогический анализ - выявляется характер наследования признака Условные обозначения для построения родословных Каждое поколение нумеруется римскими цифрами слева. Символы, обозначающие особей одного поколения, располагаются на горизонтальной линии и нумеруются арабскими цифрами. Основой родословной является пробанд — лицо, с которого начинается исследование семьи; его братья и сестры - сибсы.

Родословная с аутосомнорецессивным типом наследования Аутосомно-рецессивный тип наследования характеризуется следующими признаками: 1) больные не в каждом поколении; 2) больной ребенок (гомозигота) рождается у здоровых родителей (гетерозигот); 3) болеют в равной степени мужчины и женщины; 4) проявление признака (болезни) наблюдается по горизонтали (у сибсов); 5) вероятность наследования 25 % (если оба родителя гетерозиготны), 50 % (если один родитель гетерозиготен, а второй гомозиготен по рецессивному признаку) и 100 % (если оба родителя рецессивные гомозиготы). Чаще всего вероятность наследования болезни аутосомно -рецессивного типа составляет 25 %, так как вследствие тяжести заболевания такие больные либо не доживают до детородного возраста, либо не вступают в брак. Так наследуются у человека фенилкетонурия ( фенилаланин не расщепляется, при накоплении токсичен), идиотия Тея-Сакса (нарушен липидный обмен в нейронах), серповидно-клеточная анемия, муковисцидоз, галактоземия, болезнь Вильсона-Коновалова, адреногенитальный синдром, мукополисахаридозы и др.

Родословная с аутосомнодоминантным типом наследования Аутосомно-доминантный тип наследования характеризуется следующими признаками: 1) больные в каждом поколении; 2) больной ребенок у больных родителей; 3) болеют в равной степени мужчины и женщины; 4) проявление признака (болезни) наблюдается по вертикали и по горизонтали; 5) вероятность наследования 100 % (если хотя бы один родитель гомозиготен), 75 % (если оба родителя гетерозиготны) и 50 % (если 'один родитель гетерозиготен). Доминантно наследуемые болезни характеризуются полиморфизмом клинических проявлений и высокой вариабельностью сроков начала болезни (хорея Гентингтона проявляется в пожилом возрасте). Для большинства болезней этого типа характерны такие патологические состояния, которые не наносят серьезного ущерба здоровью человека и в большинстве случаев не влияют на его способность иметь потомство. Так наследуются у человека полидактилия (шестипалость), веснушки, курчавые волосы, нейрофиброматоз , ахондроплазия, синдром Марфана и др. Следует подчеркнуть, что перечисленные признаки аутосомно-доминантного типа наследования будут проявляться обычно только у гомозигот, у гетерозигот будет промежуточная форма наследования. Например, летальный в гомозиготе ген брахидактилии, в фенотипе у гетерозигот проявляется в виде коротких пальцев. Для многих генов характерна неполная пенетрантность и экспрессивность или их эпистатическое подавление

Родословная с Х-сцепленным рецессивным типом наследования Х-сцепленный рецессивный тип наследования характеризуется следующими признаками: 1) больные появляются не в каждом поколении; 2) больной ребенок рождается у здоровых родителей; 3) болеют преимущественно мужчины; 4) проявление признака (болезни) наблюдается преимущественно по горизонтали; 5) вероятность наследования — у 25 % всех детей, в том числе у 50 % мальчиков; 6) здоровые мужчины не передают болезни. Так наследуются у человека гемофилия, дальтонизм, умственная отсталость с ломкой Х-хромосомой, мышечная дистрофия Дюшена, синдром Леша-Найхана, атрофия зрительного нерва, и др.

Цветовая слепота на красный (справа) Д. встречается у 8% мужчин и у 0, 5% женщин. Цветовая слепота на зеленый (справа)

Родословная с Х-сцепленным доминантным типом наследования Х-сцепленный доминантный тип наследования сходен с аутосомнодоминантным, за исключением того, что мужчина передает этот признак только дочерям (сыновья получают от отца Y-хромосому). Примером такого заболевания является особая форма рахита, устойчивая к лечению витамином D.

Родословная с голандрическим типом наследования Голандрический тип наследования характеризуется следующими признаками: 1) больные во всех поколениях; 2) болеют только мужчины; 3) у больного отца больны все его сыновья; 4) вероятность наследования у мальчиков 100 %. Так наследуются у человека некоторые формы ихтиоза (чешуя на коже) , волосяной покров в наружных слуховых проходах и на средних фалангах пальцев, некоторые формы синдактилии (перепонки между пальцами ног) и др. Признаки, частично сцепленные с полом, т. е. локализованные в гомологичных участках хромосом Х и У, наследуются, как аутосомные (куриная слепота, пигментная ксеродерма и др. )

2. Близнецовый метод – анализ степени сходства по фенотипу в парах монозиготных и дизиготных близнецов; особенно эффективен при сравнении между собой монозиготных близнецов, выросших в разных условиях среды. Метод позволяет определить норму реакции генотипа ( т. е. ту амплитуду, в пределах которой генотип может позволить фенотипу измениться в процессе онтогенеза под действием среды). Метод позволяет также выявить чувствительный период в онтогенезе, во время которого среда влияет на формирование фенотипа наиболее сильно. Признак Конкордантность в % Монозиготных Дизиготных Группа крови 100 46 Цвет глаз 99, 5 28 Цвет волос 97 23 Папиллярные узоры 92 40 Шизофрения 70 13 Эпилепсия 67 3 Сахарный диабет 65 18 Гипертония 26, 2 10 Туберкулез 37 15 В одном случае из 84 родов рождается двойня; из всех двоен 2/3 – дизиготные (ДБ), 1/3 – монозиготные (МБ) Конкордантность – процент сходства по признаку

Для того, чтобы оценить тот вклад, который вносит в формирование признака наследственность, и то, до какой степени на этот процесс влияет среда, используют коэффициент наследуемости Н (от Heredity) Н = % сходства МБ - % сходства ДБ 100 - % сходства ДБ Пример с шизофренией: Н = 70 - 13 = 57/87 = 0, 65 = 65% 100 - 13

Из данных, приведенных на рисунке слева видно, что скорость реакции имеет самый высокий коэффициент наследуемости, разброс данных по этому признаку минимальный

3. Биохимические методы – используются для диагностики болезней обмена веществ. С помощью этих методов выявлено более 2000 болезней, связанных с генными точечными мутациями (в популяции их частоты – 2 -4%). Примеры аутосомно-рецессивных сублетальных мутаций: фенилкетонурия: из-за нарушения метаболизма фенилаланина прекращается синтез тирозина и образование миелиновой оболочки вокруг аксонов. Причина - рецессивная мутация гена фенилаланингидроксилазы, расположен в длинном плече 12 -й хромосомы. В моче обнаруживается фенилпировиноградная кислота В тех случаях, когда количество тестируемого вещества очень маленькое, в дополнение к биохимическим тестам используют микробиологические – штаммы бактерий, нуждающиеся в данном веществе, хорошо растут и размножаются в его присутствии несмотря на крайне низкую концентрацию

- серповидноклеточная анемия – нарушение в строении бета-цепи гемоглобина: вместо глутаминовой кислоты в 6 -м положении стоит валин. У гомозигот нормальный Hb. A на 80 -100% замещен на Hb. S, транспорт кислорода нарушен, и структура мембран эритроцитов изменена, в результате чего они приобретают форму серпа. От этого возрастает вязкость крови и нарушается прохождение эритроцитов по капиллярам. Гомозиготы в детстве умирают, но гетерозиготы почти не страдают от анемии, имеют эритроциты нормальной формы и важное преимущество в районах, где распространена малярия – в их крови малярийный плазмодий не способен паразитировать (пример разнонаправленного действия естественного отбора) Валин, в отличие от глутаминовой кислоты, имеет гидрофобный радикал, поэтому оба валина (бета-цепей две) притягиваются к валинам других молекул гемоглобина с образованием фибрилл; фибриллы упираются в мембрану эритроцита и деформируют эритроцит

4. Популяционно-статистический метод – анализ архивов больниц, данных диспансеризации населения, результатов анкетирования. Используется для определения генетической структуры популяции, т. е. частот гомо- и гетерозигот, для выяснения распространения в популяциях наследуемых признаков, в т. ч. патологических. Благодаря этому методу выяснено, что бывают болезни с универсальным распространением – например, дальтонизм, которым страдают 7 -8% мужчин и 0, 5% женщин (однако носителей дальтонизма среди женщин 13 -15%), бывают болезни с локальным распространением – серповидноклеточная анемия чаще встречается в районах, где распространена малярия, из-за устойчивости к ней гетерозигот (рис. слева) Распространение людей с I группой крови – эффект «бутылочного горлышка»

Резус-фактор наследуется по аутосомно-доминантному типу, у гетерозигот резусный белок (антиген Rh+) есть; среди европейцев резус-положительны 85% людей. При попадании крови от Rh+ к Rh- у реципиента вырабатываются антитела, которые разрушают эритроциты с Rh+ - развивается гемолитическая желтуха (резус-конфликт)

5. Цитогенетический метод – микроскопирование хромосом, построение кариограмм, изучение кариотипа. Для получения препаратов на стадии метафазы проводят обработку клеток колхицином, который блокирует работу веретена деления и можно сделать фотографии хромосом. По размерам хромосом и их центромерному индексу (соотношению длин плеч) 22 пары аутосом разделены на 7 групп, восьмая группа – половые хромосомы. Окрашивание специальными красителями показывает неравномерность строения хромосом – каждая пара имеет свой рисунок из чередующихся светлых и темных дисков Кариотип и кариограмма человека

Хромосомы с разным центромерным индексом Цитогенетический метод позволяет выявить различные типы хромосомных и геномных мутаций К геномным относят увеличение числа наборов хромосом, в результате чего организм становится полиплоидным (3 n, 4 n и т. д. ). Такие мутации широко распространены у растений, обычно они приводят к увеличению вегетативной массы растений. Человек с такими мутациями жить не может. Хромосомные мутации включают изменения количества отдельных хромосом* и различные хромосомные перестройки внутри той или иной хромосомы. Чаще всего у человека такие мутации приводят к бесплодию либо летальны, поэтому не наследуются, заново возникают в каждом поколении с частотой 0, 5 – 0, 7%. Частота таких мутаций, как синдром Дауна, зависит от возраста матери: меняется от 0, 3% у роженицы в возрасте до 25 лет, до 3%, если ее возраст старше 35 лет. *Могут быть отнесены к геномным мутациям

Анеуплоидия (моносомия, трисомия) – геномная мутация, связанная с изменением количества отдельных хромосом ХХ - нормальный женский организм. ХХХ - синдром G Х. ХО - синдром Шеришевского-Тернера ХУ - нормальный мужской организм. ХХУ и ХХХУ - синдром Кляйнфельтера УО и ОО - зиготы нежизнеспособны. Половые хромосомы в гаметах Х ХХ 0 Х ХХ Х 0 У ХУ ХХУ У 0 ХУ ХХХУ ХУ 0 ХХ 00 Синдром Дауна – трисомия по 21 хромосоме

Хромосомные перестройки Инверсия – разворот участка хромосомы Транслокация – перемещение участка Дупликация хромосомы с одного плеча на другое, либо на другую хромосому Делеция Интересной делецией является делеция в гене, кодирующем рецептор CCR 5. Этот рецептор используется ВИЧ для распознавания своей цели — Т-лимфоцитов. Продукт гена с делецией получил название CCR 5 -Δ 32, этот вариант CCR 5 не узнается ВИЧ, и носители такой мутации к ВИЧ невосприимчивы (это порядка 10 % европейцев).

6. Методы культуры тканей в сочетании с методами гибридизации клеток, цитогенетическими, биохимическими и иммунологическими. Клетки культуры тканей обрабатывают инактивированным с помощью УФ вирусом парагриппа Сендай, который воздействует на мембраны клеток. Клетки, в том числе мыши и человека, приобретают способность к слиянию друг с другом. Образуется гетерокарион, после митоза – синкарион. В процессе серии делений синкариона в нем постепенно происходит элиминация хромосом, и одновременно потеря серии ферментов, что позволяет картировать кодирующие их гены. Методы позволяют выявить первичное (на биохимическом уровне) действие генов, механизмы взаимодействия генов, мутагенное действие факторов среды. 7. Методы моделирования. Согласно закону гомологических рядов наследственной изменчивости Н. И. Вавилова для близких видов и родов характерны сходные ряды наследственной изменчивости. Пользуясь этим обстоятельством, можно изучать наследование ряда признаков на тех животных, у которых это сделать легче, чем у человека.

Всего известно около 5000 наследственных заболеваний, из них 2000 - тяжелых инвалидизирующих расстройств. Значительные успехи достигнуты в изучении молекулярных причин наследственных заболеваний. Наследственные заболевания связаны с изменением числа хромосом или с мутациями. Большинство таких мутаций на протяжении десятков тысяч лет передаются из поколения в поколение, сохраняясь в популяции. Так, в случае заболевания фенилкетонурии частота появления больных (гомозигот по рецессивному аллелю) составляет 1: 15000 рождений, а частота гетерозиготного носительства болезнетворного аллеля - 1: 62. Именно поэтому генетический груз в популяции не уменьшается при таких евгенических мерах, как уничтожение больных (как это происходило в античной Спарте) или их стерилизации (как в США, где в первой половине ХХ века более 60 тыс. человек было принудительно подвергнуто этой процедуре). Для выявления болезнетворных мутаций исследуют семьи, в которых то или иное заболевание встречается в нескольких поколениях. Для почти 500 заболеваний найдены связанные с ними гены и выявлены мутации, приводящие к болезни. Но иногда болезнетворные мутации возникают заново в клетках зародышевого пути. Например, один из видов карликовости - ахондроплазия - встречается с частотой 1: 100 000. В 80% случаев ахондроплазия вызывается вновь возникшей доминантной мутацией (замене гуанина на цитозин), приводящей к замене аминокислоты глицина на аргинин в рецепторе гормона роста. При этом ни у кого из родственников больного нет этого заболевания. Эмбрионы, гомозиготные по данной мутации, погибают.

Другой механизм появления у детей заболевания, которого не было у их родителей - накопление из поколения в поколение повторяющихся фрагментов ДНК внутри некоторых генов. К таким заболеваниям относится синдром ломкой Х-хромосомы. Это заболевание проявляется уже в детстве и сопровождается нарушениями роста, задержкой умственного развития, уходом ребенка от социальных контактов (аутизмом). В одном из генов Х-хромосомы у больных обнаружено увеличенное число повторов тринуклеотида ЦГГ. В норме число повторов не превышает 50, тогда как у больных оно больше 90. Число повторов увеличивается при репликации хромосом. Большинство вредных мутаций проявляется на ранних этапах развития - в детстве или даже во внутриутробном периоде. Однако некоторые "поломки" генов могут не проявляться до глубокой старости. Ученые нашли гены, мутации в которых связаны с различными формами старческого слабоумия - болезнями Альцгеймера, Паркинсона, Гентингтона. Наиболее часто встречающаяся болезнь Альцгеймера начинается в 60 -80 лет с утраты памяти на недавние события и способности выполнять привычные действия (одеваться, причесываться). Постепенно больной перестает узнавать своих близких, забывает даже свое имя и через несколько лет умирает, находясь к этому времени в совершенно беспомощном состоянии. Изучение найденных генов помогает понять причины изменений работы мозга на молекулярном уровне и найти пути лечения этой болезни. Одним из средств профилактики нарушения работы мозга в старости является высокая интеллектуальная активность на протяжении всей жизни человека.

Не только наследственные болезни, но и предрасположенность к инфекционным заболеваниям имеет генетическую основу. Разные люди в разной степени восприимчивы к различным инфекциям. "Чума" ХХ века - СПИД - пока неизлечимое заболевание. Но некоторые люди (в Европе около 1 -2 %) невосприимчивы к вызывающему СПИД вирусу иммунодефицита человека (ВИЧ) из-за мутации в гене хемокинового рецептора. Хемокиновый рецептор расположен на поверхности клеток и служит "посадочной площадкой" для вируса СПИДа. В отсутствии этого белка вирус, попав в организм, не способен проникнуть внутрь клетки и не приводит к заболеванию. Описаны и другие мутации, приводящие к повышенной устойчивости к ВИЧ. Другой пример - эпидемия "коровьего бешенства" (губчатая болезнь мозга), распространившаяся в Англии в связи с изменением технологии приготовления костной муки, используемой в качестве кормовой добавки для скота (была снижена температура обработки) и поразившая 160 000 животных. Пик эпидемии пришелся на 1992 г. Заболевание вызывается белком-прионом - инфекционным агентом, не содержащим ДНК и вызывающим изменение конформации клеточных белков и нарушение функций клеток нервной системы. Хотя зараженную говядину употребляли многие, только два десятка человек заболели. Все заболевшие люди имели одну и ту же мутацию, известную ранее и считавшуюся нейтральной.

В последние годы особое внимание уделяют распространенности в различных популяциях аллелей генов предрасположенности к тем или иным заболеваниям и так называемых генов "внешней среды". В частности, это гены, контролирующие детоксикацию чужеродных веществ. Все вещества, посутупающие в организм, метаболизируются в два этапа. На первом этапе образуются промежуточные генотоксические вещества. На втором этапе эти промежуточные метаболиты превращаются в растворимые безвредные соединения, которые выводятся из организма. То, как организм реагирует на вредные воздействия среды, например, на табачный дым, также в значительной мере определяется активностью системы детоксикации. Например, у 3% женщин встречается сочетание генов, ответственных за обезвреживание канцерогенов табачного дыма ферментами печени, которое в 10 раз повышает риск развития рака молочной железы. Таким женщинам курить строго противопоказано. Влияют гены и на эффективность лечения различными препаратами. Так, лечение эндометриоза - заболевания, встречающегося почти у 10% женщин белой расы - широко используемым препаратом циклофероном у части больных безрезультатно по причинам генетического характера. С частотой 15% встречается аллель гена аполипопротеина Е (белок, отвественный за связывание липидов), приводящий к ухудшению регенерации нервных тканей после травм или сотрясений мозга, особенно если индивид гомозиготен по данному аллелю. Значит, таким людям не стоит выбирать профессию боксера или автогонщика.