Методы изучения наследственности человека лектор доцент к б

Методы изучения наследственности человека лектор: доцент, к. б. н. Тихомирова С. В. Внешняя среда Геном XI век –век генетики

Изменчивость Способность живых организмов изменять свои свойства и признаки в ходе онтогенеза. Заключается в изменении генов, изменении комбинации генов, а так же в изменении проявления генов.

Изменчивость Наследственная Комбинативная Мутационная Ненаследственная Онтогенетическая Модификационная Случайная

Модификационная изменчивость - Выражается в изменении фенотипа под влиянием факторов внешней среды. Не затрагивает генотип и не наследуется.

Норма реакции Возможный (допустимый) размах фенотипической изменчивости без изменения генотипа (под влиянием внешних условий) Чем шире норма реакции, тем больше влияние среды и тем меньше влияние генотипа в онтогенезе. Генотип определяет пределы нормы реакции

Онтогенетическая изменчивость Реализация нормы реакции организма во времени, в ходе его индивидуального развития

Мутационная изменчивость Мутация –количественные или качественные изменения генома – могут возникать как вследствие ошибочной рекомбинации и репарации, так и при действии на геном повреждающих факторов (мутагенов) Мутагенез – генез (возникновение) мутаций Мутаген – агент, вызывающий мутации

Наследственные болезни – это часть наследственной изменчивости, накопившейся за время эволюции человека Причиной всех наследственных болезней являются мутации 8

Классификация мутаций Принцип классификации мутаций Классификация В зависимости от причин, Спонтанные, индуцированные вызывающих мутации По проявлению в гетерозиготе Доминантные, рецессивные По локализации в клетке Ядерные, цитоплазматические По отношению к возможности Генеративные, соматические наследования По фенотипическому проявлению По исходу для организма По характеру изменения генома Морфологические, физиологические, биохимические, поведенческие. Летальные, полулетальные, нейтральные, положительныt 9 Генные, хромосомные, геномные

Индуцированный мутагенез Мутации вызванные факторами физической, химической или биологической природы, заведомо превышающие по интенсивности воздействия допустимые пределы Основная проблема возникающая при оценке влияния экологических условий - Дифференциация спонтанного и индуцированного мутагенеза 10

Соматические мутации Приводят к клеточному мозаицизму (наличие в организме клеток отличающихся по своему генотипу) Активируют механизмы канцерогенеза – злокачественных новообразований; Стимулируют процессы клеточного старения; Вызывают нарушение фертильной (репродуктивной) функции Не наследуются 11

Эффект Мутаций в клетках эмбриона и плода Спонтанные аборты и выкидыши (хромосомные аномалии до 50 -70% абортусов в ранние сроки беременности) Снижение нормы реакции (приспособленности) - младенческая смертность Повышение частоты врожденных пороков развития (ВПР) 12

Эффект генеративных мутаций наследуются приводят к развитию наследственного заболевания приводят к развитию наследственного предрасположения могут вызывать гибель клетки 13

«То, над чем бились большие умы, стало опасней войны и чумы» . В. Шефнер

Классификация мутаций: в зависимости от уровня организации генома Генные (точечные), Хромосомные (структурные хромосомные перестройки), Геномные (изменения числа хромосом)

Генные мутации Замены нуклеотидов: транзиции (А-Г) и (Т-Ц) трансверсии (А, Г на Т, Ц) (Т, Ц на А, Г) Сдвиг рамки считывания: делеции инцерсии инверсии внутри гена Динамические мутации

Динамические мутации Увеличение числа нуклеотидных повторов. Увеличение числа копий коротких повторяющихся последовательностей нуклеотидов в ряду поколений. ГЦЦ при синдроме ломкой X-хромосомы умеренная или глубокая умственная отсталость; большие оттопыренные ушные раковины, выступающий лоб и массивный подбородок; макроорхизм; ломкость X хромосомы в сегменте q 28.

Эффекты генных мутаций Не оказывают никакого влияния на структуру и функцию соответствующего белка Ведут к полной потере функции. Сопровождаются количественными изменениями соответствующих м-РНК и первичных белковых продуктов Доминантно-негативные мутации (GAIN-OF-FUNCTION) Ведут к появлению новой функции. Изменяют свойства белка таким образом, что он оказывает повреждающее действие на жизнеспособность или функционирование клеток В популяции Многократные мутации одного локуса приводят к появлению множества аллелей одного гена

Генетический полиморфизм –вариации наследственного материала в пределах одного биологического вида (основа разнообразия людей) Множественный аллелизм генетический полиморфизм клинический полиморфизм Какой -либо ген считается полиморфным если он встречается в популяции в виде двух аллелей и более, причем частота встречаемости редкого не менее 1% (гены группы крови АВО, гены HLA –антигенов I и II) 25% - 10000 генов представлено в виде полиморфных систем, т. о. число индивидуальных вариаций 210000

Диагностика генных болезней • Объектом исследования является молекула ДНК • ДНК-диагностика возможна на любой стадии онтогенеза • Два варианта ДНК-диагностики: - прямая – детекция мутаций - непрямая – идентификация ДНК-маркера, сцепленного с мутацией или с мутантным геном Методы детекции мутаций Полимеразная цепная реакция -ПЦР (1985) прямое секвенирование -DS Диагностика с помощью биочипов ( 2 000) Для каждой НБ характерен свой тип мутаций, свой алгоритм ДНК-диагностики

Биохимические методы Направлены на выявление биохимического дефекта и помогают диагностировать генные наследственные болезни

Патогенез фермент 2 фермент 1 А В С 1. Увеличение количества субстрата ( 2. Снижение концентрации продуктов реакции ( В и С ) А )

Патогенез фермент 2 фермент 1 А А 1, А 2 В С производные субстрата 1. Субстрат или его производные в больших количествах являются токсичными веществами 2. Недостаточность концентрации продуктов реакции, которые необходимы для определенных функций клетки

Фенилкетонурия 12 q 24. 1 (накопление токсических продукров предшествеников)

Классификация хромосомных мутаций Внутрихромосомные Межхромосомные Транслокации (t) Фрагментация Сбалансированные Делеция (del) Несбалансированные Дупликация (dup) Робертсоновские трансл-и Инверсия (inv) Транспозиция Изохромосомы Кольцевые хромосомы 25

Виды хромосомных мутаций ДЕЛЕЦИЯ ТРАНСЛОКАЦИЯ

Инверсия и кольцевая хромосома

Геномные мутации Полиплоидия – кратное гаплоидному увеличение числа хромосом (3 n=69; 4 n=92; 5 n; …) Гаплоидия – одинарный набор хромосом (1 n) Анеуплоидия (гетероплоидия) – некратное гаплоидному изменение числа хромосом: моносомии (2 n – 1=45), трисомии (2 n + 1=47), нуллисомии (2 n – 2=44).

Эффекты геномных мутаций: • Избыток генетического материала (трисомия) менее драматичен, чем его отсутствие (моносомия) Летальные – нуллисомии; триплоидия; отсутствие любой аутосомы, трисомии по крупным аутосомам Обнаруживается у эмбрионов при неразвивающихся беременностях Сублетальные - трисомии по аутосомам, полисомии по половым хромосомам и моносомия Х. - встречаются в виде синдромов

Синдром Дауна 47, ХХ+21 46, ХХ, t(14; 21)

Синдром Вольфа-Хиршхорна (46, ХУ 4 p-) (46, ХХ 4 p-)

Цитогенетический метод выявления геномных и хромосомных мутаций Возможности метода: Изучение кариотипа (особенность строения и число хромосом) Определение генетического пола организма Оценка мутагенеза Цитогенетика – область генетики, изучающая цитологические основы наследственности и изменчивости, структуру и функции хромосом

Этапы ЦИТОГЕНЕТИЧЕСКОГО МЕТОДА метода: культивирование клеток человека на 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, используют различные методы(Qокраска, G-окраска, дифференциальная окраска сестринских хроматид); Изучение под микроскопом и фотографирование. Специальные методы: Гибридизация in situ: варианты FISH, ДНК-зонды, Метод CGH (Comparative Genome Hybridization) Молекулярная диагностика хромосомных болезней

Материально-техническое оснащение для кариотипирования

Нормальный кариотип человека (однородная окраска- рутинная)

Нормальный кариотип человека (G-окраска)

КАРИОТИП – характеристика вида, в которой учтены число, величина и морфологические особенности хромосом КАРИОТИП – ЭТО “ЛИЦО” ВИДА

ИДИОГРАММА- схематичное изображение дифференциальной исчерченности хромосом

СЕЛЕКТИВНОЕ ОКРАШИВАНИЕ конститутивный гетерохроматин, активные ядрышкообразующие районы, центромерные и теломерные районы.

Показания к проведению метода: - подозрения на хромосомную болезнь; - множественные врожденные пороки развития; - несколько неблагополучных исходов беременности (спонтанные аборты, мертворождения); - стойкое первичное бесплодие у мужчин и у женщин при исключении гинекологической и урологической патологии; - Лейкозы (дифференциальная диагностика, оценка эффективности лечения и прогноз) - пренатальная диагностика посредством хорионбиопсии амниоцентеза и кордоцентеза; - оценка мутагенных воздействий.

Экспресс-диагностика позволяет выявить в интерфазных клетках половой Х-хроматин

Схема инактивации Х-хромосомы Х 0 клетка раннего эмбриона Хм Равновероятная конденсация любой из двух Х 0 Х-хромосом Хм Х 0 Хм Прямое наследование инактивированной хр-мы В этом клоне активны только Хм В этом клоне активны только Х 0

Синдром Шерешевского-Тернера 45, Х

Молекулярно-цитогенетические методы (Метод флюоресцентной гибридизации in situ (FISH))

Метод флюоресцентной гибридизации in situ (FISH) Метод (Fluorescence in situ hybridization) основан на гибридизации известной по нуклеотидному составу ДНК-пробы с участком тестируемой хромосомы и с последующим выявлением результата гибридизации по метке – флуоресцентному сигналу в ожидаемом месте. Объектом исследования в данном случае являются особенности нуклеотидного состава конкретной хромосомы или ее отдельного участка.

Мультицветная FISH и спектральное кариотипирование Индивидуального окрашивания каждой хромосомы. (выявляют межхромосомные перестройки) Применение -онкоцитогенетика

Технология микробиочипов Институт молекулярной биологии им. В. А. Энгельгардта РАН, Москва

Бланк заключения

Клиникогенеалогический метод наследственных болезней (метод родословных)

Метод позволяет установить: наследственный характер признака; тип наследования и пенетрантность аллеля; вероятность рождения ребенка с данным признаком или наследственной патологией; характер сцепления генов при картировании хромосом; предположить зиготность лиц родословной;

Аутосомно-доминантное наследование Заболевание проявляется в каждом поколении У каждого больного, как правило, поражен один из родителей; 3. Болеют в равной степени и мужчины и женщины; 4. Вероятность наследования 100%, 75% и 50%. 1. 2.

Аутосомно-рецессивное наследование 1. Больные не в каждом поколении 2. У здоровых родителей больной ребенок 3. Болеют в равной степени и мужчины и женщины 4. Возможно наличие близкородственных связей

Наследование, сцепленное с X-хромосомой (рецессивные гены) I. 1 2 II. 2 1 3 4 6 5 III. 1 1. 2. 3. 4. 2 3 4 5 6 7 8 Больные не в каждом поколении У здоровых родителей больной ребенок Практически все больные мужского пола Заболевание чаще всего наследуется от здоровой матери - гетерозиготной носительницы патологического гена

Наследование, сцепленное с Xхромосомой (доминантные гены) Тип наследования сходен с Аутосомнодоминантным, за исключением того, что мужчина передает этот признак всем дочерям

Другие типы наследования Y-сцепленное наследование (голандрическое) Больные во всех поколениях Болеют только мужчины У больного отца больны все его сыновья Вероятность наследования 100% у мальчиков (нарушения сперматогенеза, рост тела, конечностей, зубов ) Митохондриальные болезни Болезнь передается только по материнской линии • Болеют мальчики и девочки • Больные мужчины не передают болезнь потомству (атрофия зрительного нерва Лебера, кардиомиопатии, миоклоническая эпилипсия)

Близнецовый метод

Дизиготных Монозиготных

Дизиготные близнецы Конкордантность - процент сходства группы близнецов по изучаемому признаку Дискордантность – процент различия по изучаемому признаку

Формула Хольцингера Н= КМБ% - КДБ% 100% - КДБ%, Где Н – доля наследственности (коэффициент наследуемости), Е – коэффициент среды, Е=100 -Н КМБ% - конкордантность монозиготных близнецов, КДБ% - конкордантность дизиготных близнецов.

Пример: Конкордантность монозиготных близнецов по сахарному диабету равна 65%, т. е. если один болен сахарным диабетом, то второй заболеет в 65% случаев. Конкордантность дизиготных близнецов по данному заболеванию составляет 18% Н= 65% - 18% 100% - 18% =57% Е=100 -57%=43% Таким образом, доля наследственности при сахарном диабете составляет 57%, доля среды-43%

Метод дерматоглифики и пальмоскопии (дактилоскопии)

Наследование, сцепленное с X-хромосомой (доминантные гены) I. 1 II. 1 2 4 3 2 III. 2 1 4 3 5 6 7 8 IV. 1 1. 2. 3. 2 3 4 5 6 Заболеванием страдают лица мужского и женского пола Больные женщины в среднем передают заболевание половине своих детей независимо от их пола Больные отцы никогда не передают заболевание своим сыновьям, но обязательно передают его всем дочерям

Популяционно-статистический метод Цели метода: Изучение генетической структуры популяции Изучение закономерностей распространения патологического признака в популяции Анализ встречаемости патологических генотипов и генов в популяциях различных местностей.

закон генетического равновесия Харди – Вайнберга (p. A+qа)2 ; где р - частота встречаемости аллеля А, q - частота встречаемости аллеля а. Раскрытие этой формулы дает возможность рассчитать частоту встречаемости людей с разным генотипом и в первую очередь гетерозигот – носителей скрытого рецессивного аллеля: р2 АА + 2 рq + q 2 аа. p+q= const p+q=1 или (100%)

Генетика - наука о наследственности и изменчивости Медицинская генетика (МГ) - наука о роли наследственности в патологии человека, закономерностях передачи наследственных болезней, их диагностике, лечении, профилактике. Клиническая генетика - прикладная МГ, направленная на применение достижений генетики и МГ для решения клинических проблем пациентов и их семей.

АКСИОМЫ МЕДИЦИНСКОЙ ГЕНЕТИКИ 1. Наследственные болезни - часть общей наследственной изменчивости человека 2. Патогенез и клиника любой НБ зависят от генотипа и среды 3. В процессе эволюции генофонд человечества накопил множество разнообразных мутаций 4. Постоянно меняющаяся среда привела к появлению новых видов наследственной патологии –экогенетическим болезням 5. Прогресс медицины способствует накоплению вредных мутаций в обществе, но одновременно увеличивает возможности диагностики, лечения и профилактики НБ. 6. Расшифровка генома человека знаменует переход всей медицины на качественно новый уровень, отличительные особенности которого- профилактическая направленность и индивидуальный (персонифицированный) подход к пациенту