Тема 1 Введение в медицинскую генетику Преподаватель Муравьева

Тема 1. Введение в медицинскую генетику Преподаватель: Муравьева Ирина Владимировна

Содержание раздела 1. 1. История медицинской генетики 1. 2. Задачи медицинской генетики 1. 3. Предмет медицинской генетики 1. 4. Значение медицинской генетики 1. 5. Разделы медицинской генетики 1. 6. Распространённость наследственных заболеваний 1. 7. Методы медицинской генетики

Медицинская генетика изучает закономерности наследственности и изменчивости с точки зрения патологии человека, а именно: ü причины возникновения наследственных болезней, ü характер их наследования в семьях, распространение в популяциях, ü специфические процессы на клеточном и молекулярном уровнях.

1. 1. История медицинской генетики 1. Эпоха классической генетики (1900 -1930 гг. ) создана теория гена и хромосомная теория наследственности; разработано учение о взаимодействие генов, о фенотипе и генотипе. 2. Эпоха неоклассицизма в генетике (1930 -1953 гг. ) открыта возможность искусственного получения изменений в генах и в хромосомах (экспериментальный мутагенез); обнаружено, что ген – это сложная система, дробимая на части; обоснованы принципы генетики популяций и эволюционной генетики; посредством биохимической генетики доказано, что молекулы ДНК являются основой для записи генетической информации.

1. Эпоха синтетической генетики (с 1953 г. по настоящее время) раскрыта структура ДНК и показана ее генетическая значимость; установлено точное число хромосом у человека; возникла новая дисциплина – клиническая цитогенетика; получили дальнейшее развитие теории гена и теории мутаций; были получены новые данные в области биохимической и эволюционной генетики, иммуногенетики, онкогенетики, экологической генетики, генетики человека и других разделах общей и частной генетики; создана технология рекомбинантных ДНК (генная инженерия); вместе с геномом человека расшифрован (секвенирован) геном ряда бактерий, дрожжей, дрозофилы, нематоды, некоторых растений, мыши; возможно, скоро будет расшифрован и геном других организмов (крысы, кролика, свиньи, шимпанзе).

1. 2. Задачи медицинской генетики изучение роли генетических и внешних факторов в развитии наследственной патологии, а также характера наследования и проявления патологических генов; разработка принципов классификации, диагностики и профилактики наследственных заболеваний; изучение характера наследственной патологии на молекулярном, клеточном, организменном и популяционном уровне; выявление распространения наследственных болезней и врожденных пороков развития; совершенствование методов генной инженерии с целью генотерапии и получения новых лекарственных веществ; широкое и повсеместное внедрение медико-генетического консультирования; развитие методов пренатальной диагностики; выявление мутагенных факторов внешней среды и разработка методов их нейтрализации.

ЧЕЛОВЕК, КАК ОБЪЕКТ ИЗУЧЕНИЯ В КАРИОТИПЕ МНОГО ХРОМОСОМ И ГРУПП СЦЕПЛЕНИЯ НАД НИМ НЕВОЗМОЖНО ЭКСПЕРИМЕНТИРОВАТЬ ПОЗДНО СОЗРЕВАЕТ ДЛЯ НЕГО И ЕГО СЕМЬИ НЕВОЗМОЖНО СОЗДАТЬ ОДИНАКОВЫЕ УСЛОВИЯ ЖИЗНИ ИМЕЕТ МАЛО ПОТОМСТВА РЕДКО ПРОИСХОДИТ СМЕНА ПОКОЛЕНИЙ

1. 4. ЗНАЧЕНИЕ МЕДИЦИНСКОЙ ГЕНЕТИКИ картирование генов человека, определение конкретных мутации, вызывающие развитие наследственных заболеваний фундамент современной медицины: любой патологический процесс имеет определённую молекулярную основу профилактическая медицина ОДИН ГЕН ОДИН БЕЛОК ФУНКЦИЯ ОРГАНИЗМА

1. 5. РАЗДЕЛЫ МЕДИЦИНСКОЙ ГЕНЕТИКИ молекулярная генетика цитогенетика клиническая генетика фармакогенетика онкогенетика иммуногенетика генная терапия q болезни обмена веществ q q практически вся группа q хромосомных аномалий q инфекционные болезни q q авитаминозы диабет онкологические заболевания гипертония

1. 6. РАСПРОСТРАНЁННОСТЬ НАСЛЕДСТВЕННЫХ ЗАБОЛЕВАНИЙ НАСЛЕДСТВЕННЫЕ ЗАБОЛЕВАНИЯ Генетические факторы qболезни обмена веществ q хромосомные болезни Генетические факторы + Средовые факторы qдиабет qподагра qишемическая болезнь сердца qхронический алкоголизм qбронхиальная астма qязвенная болезнь

ГЕНЕТИЧЕСКИЙ ГРУЗ ü 1% популяции сахарный диабет и шизофрения; 0, 5% женщин 8% мужчин пороки зрения ü Описано более 13 тысяч наследственных признаков 50 % - вызывают заболевания ü Более 2 тысяч тяжёлые инвалидизирующие расстройства ü Около 1 тысячи можно выявить до рождения ü Каждый год регистрируются 3 новых заболевания ü В РФ 10% здоровых людей. ü в педиатрических клиниках около 50% больничных мест занято больными с наследственными заболеваниями или болезнями с наследственным предрасположением ü 50% первичного генофонда не воспроизводится в следующем поколении (спонтанные аборты – 15%; мертворожденные – 3%; неонатальная смертность – 2%; смертность до наступления репродуктивного периода – 3%; 20% лиц не вступают в брак; 10% браков бесплодны) ü В 70 гг 20 века груз наследственной патологии – 10, 5% ü В 2000 г. – 75% ü начале XXI в. у каждого человека, доживающего в среднем до 70 лет, должен проявиться какой-нибудь наследственный дефект ü В мире каждый 16 -й новорожденный имеет серьезные генетические отклонения (плохая экология, воздействия вредных химических веществ, некоторых видов инфекций, попадающих в организм будущей матери, а также кровнородственные браки и поздние роды)

Частота наследственной и врожденной патологии в провинции Британская Колумбия по данным Регистра состояния здоровья населения провинции [модифицировано из Baird P. A. et al. , 1988]

Частота наследственной и врожденной патологии в мире. Значение округлены. 2008 г. Источник: http: //www. answers. com/topic/genetic-disorder

ГЕОГРАФИЯ ГЕНЕТИЧЕСКИХ ЗАБОЛЕВАНИЙ Средиземноморский бассейн v периодическая болезнь, средиземноморская лихорадка Швецария, Германия, Франция, Испания, РФ (Урал) v Эндемический зоб Япония v Синдром Ямагучи v Чувствительность к алкоголю (+Крайний Север, Корея) Средиземномо рский бассейн, Северная Африка v Серповидноклеточная анемия v Сахарный диабет v Талассемия Страны Африки v квашиоркор , «детская пеллагра» Азербайджан, Узбекистан, Таджикистан, Грузия, Армения v Талассемия (болезнь Кули) Китай, районы Забайкалья v Синдром Кешана Россия v Муковисцидоз v Фенилкетонурия v спинальная амиотрофия v нейросенсорная тугоухость Страны Азии v Гиповитаминозы v Рак пищевода

1. 7. МЕТОДЫ МЕДИЦИНСКОЙ ГЕНЕТИКИ Клинико-генеалогический метод клиническое обследование членов семьи пациента, обратившегося за консультацией составление родословной и проведение генеалогического анализа определение типа наследования патологии выявление интенсивности мутационного процесса, оценка экспрессивности и пенетрантности аллеля прогнозирование состояния здоровья родственников больного, их детей и будущего потомства

Символы для записи родословной ü Пробанд - человек, родословную которого изучают ü Родословная - полная или ограниченная ü Легенда родословной краткая запись о каждом члене родословной

Близнецовый метод Определения соотносительной роли наследственности и среды в формировании различных признаков Сходства – генетически обусловленные признаки Различия – влияние среды Конкордантность/ дискордантность Н = (КМБ – КДБ)/(100 - КДБ), где КМБ и КДБ – выраженная в процентах конкордантность признака для моно- и дизиготных близнецов соответственно. Если Н>70% - наследственные факторы. При H<30% – средовые факторы

Близнецовый метод Трудности метода ü относительно низкой частотой рождения близнецов в популяции (1, 1 -1, 2 % ) ü идентификацией монозиготности близнецов

Популяционный метод изучение частот аллелей и генотипов в различных популяциях, а также факторов, влияющих на их динамику важны демографмческие характеристики популяции: численность, рождаемость, смертность, возрастная и социальная структура, национальный состав, религиозная принадлежность, образ жизни, особенности питания, наличие вредных привычек Закон Харди-Вайнберга - модель, используя которую можно количественно определять изменения в распределении генов в популяции вызванные, например, мутациями или миграцией. Этот закон является теоретическим критерием для измерения изменений в распределении генов.

р 2 +2 pq + q 2 = 100%, Р 2 частота, с которой сталкиваются носители генотипа АА, 2 pq - генотипов Аа, q 2 - с генотипом аа. Эти частоты, при соблюдении условий, будут постоянными из поколения в поколение, независимо от изменения количества индивидуумов и от того, насколько большие или малые значения p и q. Закон Харди-Вайнберга для двух аллелей* : горизонтально отложены частоты аллелей р и q, вертикально показаны частоты генотипов, три возможные генотипы показаны разными символами. *Аллели — различные формы одного и того же гена, расположенные в одинаковых участках (локусах) гомологичных хромосом и определяющие альтернативные варианты развития одного и того же признака.

Цитогенетический метод культивирование лимфоцитов крови (+колхицин) окраска препарата (метод дифференциального окрашивания) микроскопический анализ (количество, структура, эу- и гетерохроматических участков)

Флюоресцентная гибридизация ü последовательная обработка денатурированного препарата хромосом специфическими однонитевыми последовательностями ДНК с присоединенным биотином (ДНК-зонды) и веществами с флюоресцентными красителями. ü визуализация окрашенных хромосом на фоне неокрашенных. ü Метод применяется очень широко от локализации гена до расшифровки сложных перестроек между несколькими хромосомами.

Спектроскопический анализ ü Использование флюоресцентных красителей имеющих сродство к определенным участкам хромосом. ü Каждая пара хромосом имеет свои уникальные спектральные характеристики. ü Анализ спектра проводится с помощью интерферометра, аналогично используемым для измерения спектра астрономических объектов. ü Незначительные вариации в спектральном составе учитываются при компьютерной обработки, и затем каждой паре хромосом присваиваются определенные цвета. ü Анализ кариотипа значительно облегчается, поскольку гомологичные хромосомы окрашиваются в один цвет, а аберрации становятся легко различимы. ü Такое спектральное кариотипирование используется для выявления транслокаций, нераспознаваемых традиционными методами. ü Данный метод с успехом применяется в онкоцитогенетике.

Результаты флуоресцентной гибридизации in situ в варианте многоцветного бэндинга, полученного с использованием микродиссекционных районоспецифичных ДНК-проб хромосомы 9. Нормальный гомолог хромосомы 9 приведен слева, перестроенная хромосома – справа. Приведены профили интенсивностей сигналов флуорохромов и многоцветное окрашивание хромосомных районов, полученное при использовании различных классификаторов псевдоцветов.

Биохимические методы ü Направлены на выявление биохимического фенотипа организма. ü Позволяют диагностировать наследственные болезни, обусловленные генными мутациями. ü Биохимические показатели (первичный белковый продукт гена, накопление патологических метаболитов внутри клетки) отражают сущность болезни более адекватно, чем клинические симптомы. ü Дефекты ферментов устанавливают путем определения содержания в биологических средах (например, моче и крови) продуктов метаболизма, являющихся продуктом функционирования данного белка. ü Дефицит конечного продукта, сопровождающийся накоплением промежуточных и продуктов нарушенного метаболизма, свидетельствует о дефекте фермента или его дефиците в организме. ü Объектами биохимической могут быть моча, пот, плазма и форменные элементы крови, культуры клеток (фибробласты, лимфоциты).

Биохимические методы. Этапы. Первый этап – отбор предположительных заболеваний: • качественные и количественные тесты с мочой и кровью на белок, кетокислоты, цистин и гомоцистин, креатинин и другие показатели. Второй этап - более точные методы, позволяющих обнаружить большие группы биохимических аномалий. • Тонкослойная хроматография мочи и крови - диагностирование нарушений обмена аминокислот, олигосахаридов и гликозаминогликанов (мукополисахаридов). • Газовая хроматография - выявление наследственных болезней обмена органических кислот. • Электрофорез гемоглобинов – выявление всей группы гемоглобинопатий. • Современные высокоточные технологии (жидкостная хроматография, массспектрометрия, магнитная резонансная спектроскопия, бомбардировка быстрыми нейтронами) позволяют идентифицировать любые метаболиты, специфические для конкретной наследственной болезни. Показаниями для применения биохимических методов диагностики у новорожденных являются такие симптомы, как судороги, кома, рвота, гипотония, желтуха, специфический запах мочи и пота, нарушения кислотно-основного состояния, остановка роста.

Молекулярно-генетические методы v Предназначены для выявления вариаций (повреждений) в структуре участка ДНК (аллеля, гена, региона хромосомы) вплоть до расшифровки первичной последовательности оснований. v В основе методов лежат генно-инженерные манипуляции с ДНК и РНК. v Исходным этапом всех молекулярно-генетических методов является получение образцов ДНК. v Источником геномной ДНК могут быть любые ядросодержащие клетки. На практике чаще используют лейкоциты, хорион, амниотические клетки, культуры фибробластов v Выделенная ДНК одинаково пригодна для проведения различных исследований и может долго сохраняться в замороженном виде. v Выделение фрагментов стало возможным благодаря открытию ферментов - рестриктаз, которые разрезают молекулу ДНК на фрагменты в строго определенных местах. Получение достаточного количества таких фрагментов осуществляется путем амплификации (умножения) ДНК при помощи полимеразной цепной реакции

Молекулярно-генетические методы Прямая диагностика Предмет: мутации гена 100% эффективности v электрофарез v секвенирование (определение нуклеотидной последовательности) Косвенная диагностика v нуклеотидная последовательность гена еще не известна, но имеется представление о положении гена на генетической карте; v анализ полиморфных генетических маркеров у больных и здоровых членов семьи. Маркеры должны быть расположены в том хромосомном регионе, где и ген болезни

Наиболее просто диагностируются структурные внутригенные мутации – делеции и инсерции, так как они изменяют длину, а значит, и электрофоретическую подвижность амплифицируемого фрагмента ДНК.

Диагностика точковых мутаций миссенс- или нонсенс-типа более сложна, так как длина амплифицированного фрагмента при этом не меняется. Наиболее распространенным методом диагностики таких мутаций является метод рестрикционного анализа. Этот метод может быть использован только в тех случаях, когда мутации случайным образом изменяют последовательности, специфичные для узнавания рестриктазами - эндонуклеазами, катализирующими разрезание двунитевых последовательностей ДНК в местах локализации этих специфических сайтов.

Заключение 1. Общая генетика + Медицинская генетика = эффективная работа 2. Исследование человека затруднено по ряду причин 3. Медицинская генетика – фундамент современной медицины 4. Разделы медицинской генетики: молекулярная, цитогенетика, фармакогенетика, иммуногенетика, онкогенетика, генная терапия. 5. Методы медицинской генетики: клиникогенеалогический, популяционный, цитогенетический, биохимические, молекулярно-генетические

Спасибо за внимание!