МЕТОД ИЗУЧЕНИЯ НАСЛЕДСТВЕННОСТИ ЧЕЛОВЕКА. ГЕНЕАЛОГИЧЕСКИЙ, БЛИЗНЕЦОВЫЙ, ДЕРМАТОГЛИФИЧЕСКИЙ, ИММУНОЛОГИЧЕСКИЙ МЕТОДЫ И МЕТОД ГИБРИДИЗАЦИИ СОМАТИЧЕСКИХ КЛЕТОК. ХРОМОСОМНЫЕ БОЛЕЗНИ. ЦИТОГЕНЕТИЧЕСКИЙ МЕТОД ИХ ДИАГНОСТИКИ. БОЛЕЗНИ ОБМЕЛА ВЕЩЕСТВ. БИОХИМИЧЕСКИЙ МЕТОД И ДНК-ДИАГНОСТИКА.
Генетика человека изучает явления наследственности и изменчивости в популяциях людей, особенности наследования нормальных и патологических признаков, зависимость заболеваний от генетической предрасположенности и факторов среды. Задачей медицинской генетики является выявление и профилактика наследственных болезней.
Генетика человека — одна из важнейших теоретических основ современной медицины. Академик И.П. Павлов, признавая важное значение генетики для физиологии и медицины, писал: «Наши врачи должны как азбуку знать законы наследственности. Воплощение в жизнь научной истины о законах наследственности поможет избавить человечество от многих скорбей и горя».
Одним из основоположников медицинской генетики является выдающийся советский невропатолог С. Н. Давиденков (1880—1961), начавший свою плодотворную работу в двадцатых годах на Украине. Он впервые применил идеи генетики в клинике, дал анализ ряда наследственных заболеваний, часть из которых была описана им впервые. Важной заслугой С. Н. Давиденкова является разработка методов медико-генетического консультирования и его первое практическое применение в нашей стране.
Особенности генетики человека. Исследование генетики человека связано с большими трудностями, причины которых связаны с невозможностью экспериментального скрещивания, медленной сменой поколений, малым количеством потомков в каждой семье. Кроме того, в отличие от классических объектов, изучаемых в общей генетике, у человека сложный кариотип, большое число групп сцепления. Однако, несмотря на все эти затруднения, генетика человека успешно развивается.
Невозможность экспериментального скрещивания компенсируется тем, что исследователь, наблюдая обширную человеческую популяцию, может выбрать из тысяч брачных пар те, которые необходимы для генетического анализа. Метод гибридизации соматических клеток позволяет экспериментально изучать локализацию генов в хромосомах, проводить анализ групп сцепления (см. ниже).
При изучении генетики человека используются следующие методы: генеалогический, близнецовый, популяционно-статистический, дерматогли-фический, биохимический, цитогенетический, гибридизации соматических клеток и методы моделирования.
У человека установлены все 24 теоретически возможные группы сцепления генов; из них 22 локализованы в аутосомах, в каждой из которых содержится по нескольку сот генов. Более 100 генов локализовано в половых хромосомах.
У млекопитающих, в том числе и человека, Х-, и У-хромосомы имеют гомологичный участок, в котором происходит их синапсис и возможен крос-синговер. Все гены, локализованные в половых хромосомах человека, можно разделить на три группы в зависимости от того, в каких участках половых хромосомони находятся.
Первая группа — сцепленная с полом. В нее входят гены, локализованные в той части Х-хромосомы, которая не имеет гомологичного участка в Х-хромосоме. Они полностью сцеплены с полом, передаются исключительно через Х-хромосому. К их числу относятся рецессивные гены гемофилии, дальтонизма, атрофии зрительного нерва и др. Доминантные гены из этого участка одинаково проявляются у обоих полов, рецессивные же — у женщин только в гомозиготном, а у мужчин — и в гемизиготном состоянии.
Вторую группу составляет небольшое число генов, расположенных в непарном участке Y-хромосомы. Они могут встречаться только у лиц мужского пола и передаются от отца к сыну. К ним относятся: волосатость ушей, ихтиоз (кожа в виде рыбьей чешуи), перепончатые пальцы на ногах. Красно-зелёная слепота, гемофилия, атрофия зрительного нерпа и другие сцепленные с полом признаки
Третья группа — гены, расположенные в парном сегменте половых хромосом, т. е. гомологичном для Х-и Y–хромосом. Их называют неполно или частично сцепленными с полом. Они могут передаваться как с Х-, так и с Y -хромосомой и переходить из одной в другую в результате кроссинговера (Шевченко В.А. и др., 2004).
Генеалогический метод был введён в науку в конце XIX в. Ф. Гальтоном. Суть его состоит в том, чтобы выяснить родственные связи и проследить наличие нормального или патологического признака среди близких и дальних родственников в данной семье.
Сбор сведений начинается от пробанда. Пробандом называется лицо, родословную которого необходимо составить. Им может быть больной или здоровый человек — носитель какого-либо признака или лицо, обратившееся за советом к врачу-генетику. Братья и сестры пробанда называются сибсами. Обычно родословная составляется по одному или нескольким признакам. Метод включает два этапа:
-сбор сведений о семье и генеалогический анализ. Составление родословной представляется несложным делом, однако при кажущейся доступности и простоте этот метод требует большой тщательности, умения правильно задавать вопросы, высокой квалификации врача. Генеалогический метод является основным связующим звеном между теоретической генетикой человека и применением ее достижений в медицинской практике.
Хотя генеалогический метод является одним из самых давних, его возможности далеко не исчерпаны благодаря использованию новых, более совершенных методов анализа фенотипа, выявлению гетерозиготных носителей, учету влияния факторов среды и т. п. Для составления родословной проводят краткие записи о каждом члене родословной с точным указанием его родства по отношению к пробандуЛра-тем делают графическое изображение родословной; для составления схемы приняты стандартные символы.
При составлении родословной поколения можно обозначать римскими цифрами сверху вниз (слева от родословной). Потомство одного поколения (сибсы) располагается в одном горизонтальном ряду в порядке рождения (слева направо). В пределах одного поколения каждый член обозначается арабскими цифрами, в том числе мужья и жены сибсов. Каждый член родословной может быть обозначен соответствующим шифром, например П-5, Ш-7.
Генеалогический, метод тем информативнее, чем больше имеется достоверных сведений о здоровье родственников больного. При собирании генетических сведений и их анализе надо иметь в виду, что признак может быть выражен в “разной степени, иногда незначительной (так называемые микропризнаки). Микропроявлением врожденного вывиха бедра может считаться уплощение вертлужной впадины и увеличенная подвижность («разболтанность») тазобедренных суставов. У родственников людей с наследственно-обусловленными расщелинами губы и неба чаще, чем в контроле, встречаются высокое укороченное небо, борозда на язычке, аномалии прикуса, уплощение носа или раздвоение его кончика.
После составления родословной начинается второй этап — генеалогический анализ, целью которого является установление генетических закономерностей. Вначале требуется установить имеет ли признак наследственный характер. Если какой-либо признак встречался в родословной несколько раз, то можно думать о его наследственной природе. Однако это может быть и не так. Например, какие-то внешние факторы или профессиональные вредности могут вызвать сходные заболевания у членов одной семьи. Если какое-то вредное воздействие действовало на женщину во время нескольких беременностей, то возможно рождение детей со сходными пороками.(Слюсарев А.А. и др., 1987)
В случае обнаружения наследственного характера признака необходимо установить тип наследования: доминантный, рецессивный, сцепленный с полом
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.
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.
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 .
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 лицо боих 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.
В зависимости от типа наследования общая картина родословной выглядит по-разному
Аутосомно-доминантное наследование характеризуется тем, что мутантный ген связан с аутосомой и проявляется как в гомозиготном (АА), 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.
Экспрессивность и пенетрантность колеблются в широких пределах (от 0 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 (Слюсарев А.А. и др., 1987) .
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 × 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. Встречаются тяжелые формы заболевания с классическим поражением костной системы (сколиоз или кифосколиоз, деформация грудины, высокий рост), нарушением зрения (двусторонний вывих хрусталика) и сердечно – сосудистой системы (расширение аорты). Наблюдаются и стертые формы синдрома Марфана, которые ни диагностируются (астеническое телосложение, арахнодактилия, небольшая миопия). Слабо выраженные клинические формы болезни могут легко пропускаться, тогда родословная тгкже теряет свой “классический” вид, появляются пропуски поколений. По; тому важно проводить личное обсле; ование всех членов семьи.
Основные признаки аутосомно-доминантного наследования следующие: проявление признака в равной мере у представителей обоих полов, наличие больных во всех поколениях (по вертикали) и при относительно большом количестве сибсов и по горизонтали (у сестер и братьев пробанда). У гетерозиготного родителя вероятность рождения больного ребенка (если второй родитель здоров) составляет 50 %. Следует учесть, что и при доминантном типе наследования может быть пропуск в поколениях за счет слабо выраженных, «стертых» форм заболевания (малая экспрессивность мутантного гена) или за счет его низкой пенетрантности (когда у носителя данного гена признак отсутствует). Возможно, в некоторых случаях мутантный ген подавляется каким-то имеющимся в генотипе эпистатическим геном. Надо также учесть, что при некоторых доминантно наследуемых заболеваниях человек может заболеть после 40—50 лет. В случае смерти в более раннем возрасте никаких данных о возможной болезни этого члена семьи, естественно, нет, но имеется вероятность заболевания у потомков.
При аутосомно-рецессивном типе наследования мутантный ген проявляет свое действие только в гомозиготном состоянии По это я причине в гетерозиготном состоянии он может существовать во многих поколениях, не проявляясь фенотипически.
При данном типе наследования заболевание встречается в родословной редко и не во всех поколениях. Вероятность заболевания у девочек и мальчиков одинакова. Признак может проявиться у детей, родители которых были здоровы, но являлaсь гетерозиготными носителями мутантного гена. Возможны несколько вариантов таких браков:
1) мать аа × отец аа – у таких родителей все дети будут больными (аа);
2) мать Аа × отец аа – 50 % детей будут больными (генотип аа) и 50 % фенотипически здоровыми (генотип Аа),но будут являться гетерозиготными носителями дефектного гена;
3) мать Аа × 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).
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 Слюсарев А.А. и др., 1987).
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, муковисцидоз и др. Установлено, что рецессивные заболевания чаще диагностируются в раннем возрасте.
Основные признаки рецессивного наследования: относительно небольшое число больных в родословной, наличие больных «по горизонтали» (болеют сибсы — родные, двоюродные). Родители больного ребенка чаще фенотипически здоровы, но являются гетерозиготными носителями рецессивного гена. Вероятность рождения больного ребенка составляет 25 %. При проявлении рецессивных заболеваний нередко встречается кровное родство родителей больных. Следует иметь в виду, что наличие отдаленного родства бывает неизвестно членам семьи. Приходится учитывать косвенные соображения, например, происхождение из одного и того же малонаселенного пункта или принадлежность к какой-либо изолированной этнической или социальной группе.
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 улиц мужского пола;
2) от здоровых родителей могут родиться больные дети (если мать гетерозигот на 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 б9лен, 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. 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. 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-сцепленному 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.
Близнецовый метод
Это метод изучения генетических закономерностей на близнецах. Впервые он был предложен Ф. Гальтоном в 1875 г. Близнецовый метод дает возможность определить вклад генетических (наследственных) и средовых факторов (климат, питание, обучение, воспитание и др.) в развитии конкретных признаков или заболеваний у человека.
При использовании близнецового метода проводится сравнение:
1) монозиготных (однояйцевых) близнецов – МБ с дизиготными (разнояйцевыми) близнецами – ДБ;
2) партнеров в монозиготных парахмежду собой;
3) данных анализа близнецовой выборки с общей популяцией. (Слюсарев А.А. и др., 1987)
Сиамские близнецы Чанг и Энг
Монозиготные близнецы образуются из одной зиготы, разделившейся на стадии дробления на две (или более) части. С генетической точки зрения они идентичны, т.е. обладают одинаковыми генотипами. Монозиготные близнецы всегда одного пола.
Особую группу среди МБ составляют необычные типы близнецов: двухголовые (как правило нежизнеспособные), каспофаги (“сиамские близнецы”). Наиболее известный случай – родившиеся в 1811 г. в Сиаме (ныне Таиланд) сиамские близнецы – Чанг и Энг. Они прожили 63 года, были женаты на сестрах-близнецах; Чанг произвел на свет 10, а Энг – 12 детей. Когда от бронхита умер Чанг, спустя 2 часа умер и Энг (рис.) Их связывала тканевая перемычка шириной около 10 см от грудины до пупка. Позднее было установлено, что соединявшая их перемычка содержала печеночную ткань, связывающую две печени. Любая хирургическая попытка разделить братьев вряд ли в то время была бы успешной. В настоящее время разъединяют и более сложные связи между близнецами.
Дизиготные близнецы развиваются в том случае, если одновременно две яйцеклетки оплодотворены двумя сперматозоидами. Естественно, дизиготные близнецы имеют различные генотипы. Они сходны между собой не более, чем братья и сестры, т.к. имеют около 50 % идентичных генов. Общая частота рождения близнецов составляет примерно 1 %, из них около 1/3 приходится на монозиготных близнецов. Известно, что число рождений монозиготных близнецов сходно в разных популяциях, в то время как для дизиготных эта цифра существенно различается. Например, в США дизиготные близнецы рождаются чаще среди негров, чем белых. В Европе частота появления дизиготных близнецов составляет 8 на 1000 рождений. Однако в отдельных популяциях их бывает больше. Самая низкая частота рождения близнецов присуща монголоидным популяциям, особенно в Японии. Отмечается, что частота врожденных уродств у близнецов, как правило, выше, чем у одиночно рожденных.
Полагают, что многоплодие генетически обусловлено. Однако это справедливо лишь для дизиготных близнецов. Факторы, влияющие на частоту рождения близнецов, в настоящее время мало изучены. Есть данные, показывающие, что вероятность рождения дизиготных близнецов повышается с увеличением возраста матери, а так же порядкового номера рождения. Влияние возраста матери объясняется, вероятно, повышением уровня го-надотропина, что приводит к учащению полиовуляции. Имеются также данные о снижении частоты рождения близнецов почти во всех индустриальных странах.
Близнецовый метод включает в себя диагностику зиготности близнецов. В настоящее время используются следующие методы для ее установления.
1. Полисимптомный метод. Он заключается в сравнении пары близнецов по внешним признакам (форма бровей, носа, губ, ушных раковин, цвет волос, глаз и.т.п.). Несмотря на очевидное удобство, это метод до известной степени субъективный и может давать ошибки.
2. Иммуногенетический метод. Более сложный, он основывается на анализе групп крови, белков сыворотки крови, лейкоцитарных антигенов, чувствительности к фенилтиокарбамиду и др. Если у обоих близнецов по этим признакам различий нет, их считают монозиготными.
3. Достоверным критерием зиготности близнецов является приживляемость кусочков кожи. Установлено, что у дизиготных близнецов такая пересадка всегда заканчивается отторжением, в то время как у монозиготных пар отмечается высокая приживляемость трансплантантов.
4. Метод дерматоглифики заключается в изучении папиллярных узоровпальцев, ладоней и стоп. Эти признакистрого индивидуальны и не изменяютсяв течение всей жизни человека. Не случайно, что эти показатели используютсяв криминалистике и в судебной медицине для опознания личности и установления отцовства. Сходство дерматогли-фических показателей у монозиготныхблизнецов значительно выше, чем у дизиготных.
5. Близнецовый метод включает также сопоставление групп моно- и дизиготных близнецов по изучаемому признаку.
Если какой-либо признак встречается у обоих близнецов одной пары, то она называется конкордантной, если же у одного из них, то пара близнецов называется дискордантной. (конкордантность – степень сходства, дискордантность – степень различия).
При сопоставлении моно- и дизиготных близнецов определяют коэффициент парной конкордантности, указывающий на долю близнецовых пар, в которых изучаемый признак проявился у обоих партнеров. Коэффициент конкордантности (Кn) выражается в долях единицы или в процентах (Слюсарев А.А. и др., 1987)
Сравнение парной конкордантности у моно- и дизиготных близнецов дает ответ о соотносительной роли наследственности и среды в развитии того или иного признака или болезни. При этом исходят из предположения о том, что степень конкордантности достоверно выше у монозиготных, чем у дизиготных близнецов, если наследственные факторы имеют доминирующую роль в развитии признака.
Если значение коэффициента конкордантности примерно близко у монозиготных и дизиготных близнецов, считают, что развитие признака определяется главным образом негенетическими факторами, т.е. условиями среды.
Если в развитии изучаемого признака участвуют как генетические, так и негенетические факторы, то у монозиготных близнецов наблюдаются определенные внутрипарные различия. При этом различия между моно- и дизиготными близнецами по степени конкордантности будут уменьшаться. В этом случае считают, что к развитию признака имеется наследственная предрасположенность.
Таблица. Примеры конкордантности по некоторым признакам
и заболеваниям у МБ и ДБ, %
Признаки |
МБ |
ДБ |
Цвет глаз, волос |
99,5 |
28,0 |
Форма губ, ушей |
100,0 |
65,0 |
Папиллярные линии |
92,0 |
40,0 |
Маниакально-депрессивный психоз |
73,1 |
15,2 |
Шизофрения |
67,0 |
12,1 |
Эпилепсия |
60,8 |
12,3 |
Сахарный диабет |
84,0 |
37,0 |
Туберкулез |
66,7 |
23,0 |
Ревматизм |
47,3 |
17,3 |
Воспаление среднего уха |
30,1 |
9,8 |
Косолапость |
45,5 |
18,2 |
Врожденный вывих бедра |
41,4 |
2,8 |
Корь |
97,4 |
95,7 |
Коклюш |
97,7 |
92,0 |
Ветряная оспа |
92,8 |
89,2 |
Скарлатина |
56,4 |
41,2 |
среды. При значении Н от 1 до 0,7 – наследственные факторы имеют доминирующее значение в развитии признака или болезни, а среднее значение Н от 0,4 до 0,7 свидетельствует о том, что признак развивается под действием факторов внешней среды при наличии генетической предрасположенности .
Рассмотрим несколько примеров. Как уже было отмечено, группы крови у человека полностью обусловлены генотипом и не изменяются под влиянием среды. Коэффициент наследуемости равен 100 %. По некоторым морфологическим признакам (форме носа, бровей, губ и ушей, цвету глаз, волос и кожи) монозиготные близнецы конкордантны в 97-100 %, а дизиготные в зависимости от признака – в 70-20 % случаев. Конкордантность МБ по заболеваемости шизофренией равна 70 %, а у ДБ – 13 %. В данном случае преобладают генетические факторы, но существенную роль играют и условия среды.
С помощью близнецового метода было выявлено значение генотипа и среды в патогенезе многих инфекционных болезней. Так, при заболевании корью и коклюшем ведущее значение имеют инфекционные факторы, а при туберкулезной инфекции – существенное влияние оказывает генотип. Исследования, проводимые на близнецах, помогут ответить на такие вопросы как: влияние наследственных и средовых факторов на продолжительность жизни человека, развитие одаренности, чувствительность к лекарственным препаратам и др. В настоящее время близнецовый метод в генетике человека используется в сочетании с другими методами генетического анализа.
Метод дерматоглифики. Дерматоглифика (гр. derma — кожа, gliphe — рисовать) — это изучение рельефа кожи на пальцах, ладонях и подошвенных поверхностях стоп. В отличие от других частей тела здесь имеются эпидермальные выступы — гребни, которые образуют сложные узоры. Еще в древности в Китае и Индии обратили внимание на то, что рисунки кожных узоров на пальцах и ладонях строго индивидуальны, и пользовались отпечатками пальцев вместо подписи. На земле нет двух людей с одинаковыми рисунками на пальцах (кроме монозиготных близнецов). В 1892 г. Ф. Гальтон предложил классификацию этих узоров, позволившую использовать этот метод для идентификации личности в криминалистике. Таким образом, выделился один из разделов дерматоглифики — дактилоскопия (изучение узоров на подушечках пальцев). Другие разделы дерматоглифики — пальмоскопия (рисунки на ладонях) и плантоскопив (изучение дерматоглифики подошвенной поверхности стопы).
Дактилоскопия. Гребни на коже пальцев рук соответствуют сосочкам дермы (от лат. papilla — сосочек), поэтому их называют также папиллярными линиями, рельеф этих выступов повторяет пласт эпидермиса. Межсосочковые углубления образуют бороздки. На поверхности гребней открываются выводные протоки потовых желез, а в толще соединительнотканного сосочка находятся чувствительные нервные окончания. Поверхность, покрытая гребневой кожей, отличается высокой тактильной чувствительностью. Закладка узоров происходит между 10 и 19 неделями внутриутробного развития; у 20-недельных плодов уже хорошо различимы формы узоров. Формирование папиллярного рельефа зависит от характера ветвления нервных волокон. Полное формирование деталей строения тактильных узоров отмечается к шести месяцам, после чего они остаются неизменными до конца жизни. При повреждении кожи (ожог, отморожение, травмы) их рисунок восстанавливается через некоторое время в своем первоначальном виде, причем воспроизводится не только характер узора, но и самые тонкие его детали. Конечно, восстановление возможно до тех пор, пока повреждение не связано с глубокой травмой, влекущей образование рубцов из плотной соединительной ткани.
Дерматоглифические исследования имеют важное значение в определении зиготности близнецов, в диагностике некоторых наследственных заболеваний, в судебной медицине, в криминалистике для идентификации личности. Папиллярные линии пальцев на подушечках образуют токи различного направления. Узоры обычно изучают на отпечатках, сделанных на бумаге после смазывания кожи типографской краской. Детальное исследование узора проводят с помощью лупы. Папиллярные линии разных токов никогда не пересекаются, но могут сближаться в определенных пунктах, образуя трирадиусы, или дельты (по сходству образующейся фигуры с греческой буквой А). На пальцевых подушечках различают линии центрального узора и линии рамки, которые окаймляют центральный узор. Несмотря на индивидуальную неповторимость узоров, выделяют три основных их типа: дуги А (англ. arch — дуга); петли L (англ. loop — петля) и завитковые узоры W (англ. whorl — завиток). Дуговые узоры встречаются реже остальных (6 %), в этом узоре имеется лишь один поток папиллярных линий. Начинаясь с одного края узора, линии приподнимаются к другому, противоположному краю, образуя дуговой, шатровый узор, изгиб которого бывает то крутым, то отлогим. Петлевые узоры являются наиболее распространенными (около 60 %). Это замкнутый с одной стороны узор: гребни начинаются также от края узора, но, не доходя до противоположного края, изгибаются в виде петли и возвращаются к тому же краю, от которого начались. Петли имеют одну дельту. Если петля открывается в сторону лучевой кости, она называется радиальной, если в сторону локтевой кости,— ульнарной (Z; I ) (Слюсарев А.А. и др., 1987).
Завитковые узоры занимают среднее место по распространенности (34 %). Они имеют вид концентрических кругов, овалов, спиралей, снизу к сверху центральная часть узора окаймлена двумя потоками линий. Завитки имеют две дельты. На пальцах ног имеются тоже три типа узоров, но в ином процентном соотношении (больший процент дуг). Тактильные узоры на подошве у человека редуцированы по сравнению с обезьянами и занимают меньшую площадь. Количественным показателем дерматоглифики является гребневой счет (число папиллярных линий между дельтой и центром узора). В среднем на одном пальце бывает 15—20 гребней, на всех десяти пальцах у мужчин эта цифра равна 144,98 ± 51,08, а для женщин — 127,23 ±52,51.
Пальмоскопия. Ладонный рельеф очень сложный, в нем выделяют ряд полей, подушечек и ладонных линий. Центральную ладонную ямку окружают шесть возвышений — подушечек. У основания большого пальца — тенар, у противоположного края ладони — гипотенар, против межпальцевых промежутков находятся четыре межпальцевые подушечки. У основания II, III, IV и V пальцев находятся пальцевые трирадиусы — точки, где сходятся три разнонаправленных тока папиллярных линий. Их обозначают латинскими буквами а, Ь, с, d. Вблизи браслетной складки, отделяющей кисть от предплечья, по продольной линии, идущей от IV пястной кости, располагается главный (осевой) ладонный трирадиус t. Если провести линии от трирадиусов and к t, то образуется ладонный угол atd, в норме он не превышает 57°.
В ряде случаев могут встречаться дополнительные трирадиусы, а также их редукция. Чем проксимальнее расположен трирадиус t, тем острее угол aid и, наоборот, дистальное его расположение приводит к увеличению этого угла. Частота встречаемости узоров варьирует в разных популяциях. Подсчет числа трирадиусов дает понятие об интенсивности узора, она тем выше, чем меньше дуг и больше петель.
У правшей более сложные узоры встречаются на правой руке, у левшей — на левой. У женщин частота завитковых узоров ниже, чем у мужчин, меньше гребневой счет, а частота петлевых и дуговых — выше. Понятно, что все эти варианты относятся к нормальной изменчивости. Индивидуальные особенности кожных узоров наследственно обусловлены. Это доказано многими генетическими исследованиями, в частности, на монозиготных близнецах. Коэффициент конкор-дантности у них составляет 0,8—0,9. Практически зто означает, что из 10 пальцев 8—9 имеют сходные узоры и показатели гребнегого счета. У дизи-готных близнецов конкордантность ве превышает 0,3—0,5.
Обширные исследования по изучению особенностей дерматоглифики проведены у нас в стране Т. Д. Гладковой (1966), а по наследственной обусловленности кожных узоров — И. С. Гусевой (1970, 1980). На основании этих работ был сделан вывод, что количественные показатели рельефа гребневой кожи программируются полигенной системой, включающей небольшое число действующих генов. Гены гребневой кожи проявляют свой морфогенетический эффект, влияя на степень ветвления нервного волокна, и фенотипически определяют гребневую плотность.
На формирование дерматоглифических узоров могут оказывать влияние некоторые повреждающие факторы на ранних стадиях эмбрионального развития. Так, при внутриутробном действии вируса коревой краснухи у ребенка наблюдаются некоторые отклонения в узорах, сходные с таковыми при болезни Дауна. Многие вопросы наследственной обусловленности дерматоглифики и влияния факторов среды на развитие этих структур в эмбриональном периоде остаются невыясненными. В последние годы метод дерматоглифики стали использовать в клинической генетике. Этот метод применяется в качестве дополнительного для подтверждения диагноза хромосомных синдромов у людей с изменениями кариотипа. Менее показательны данные дерматоглифического анализа при заболеваниях генной природы.
Их причинами бывают:
1. Транслокации – обменные перестройки между негомологичными хромосомами.
2. Делеции – потери участка хромосомы.
3. Инверсии – повороты участках ромосомы на 180 градусов.
4. Дупликации – удвоения участках ромосомы.
5. Изохромосомия – хромосомы с повторяющимися генетическим материалом в обоих плечах.
6. Возникновение кольцевых хромосом (соединение двух концевых делеций в обоих плечах хромосомы).
В настоящее время у человека известно более 700 хромосомных заболеваний, вызванных структурными нарушениями хромосом. Имеющиеся данные показывают, что около 25% приходится на аутосомные трисомии, 46% – на патологию половых хромосом. Структурные перестройки составляют 10,4%. Среди хромосомных перестроек наиболее часто встречаются транслокации и делеции. В основе классификации хромосомной патологии лежат 3 принципа, позволяющие точно охарактеризовать форму хромосомной патологии и ее варианты у обследуемого.
Делеция (16 пара хромосом)
Дупликация (8 пара хромосом)
Первый принцип – характеристика хромосомной или геномной мутации (триплоидия, простая трисомия по хромосоме 21, частичная моносомия и т.д.) с учетом конкретной хромосомы. Этот принцип можно назвать этиологическим. Клиническая картина хромосомной патологии определяется типом геномной или хромосомной мутации, с одной стороны, и индивидуальной хромосомой – с другой. Второй принцип – определение типа клеток, в которых возникла мутация (в гаметах или зиготе). Гаметические мутации ведут к полным формам хромосомных болезней. У таких индивидов все клетки несут унаследованную с гаметой хромосомную аномалию. Если хромосомная аномалия возникает в зиготе или на ранних стадиях дробления (такие мутации называют соматическими, в отличие от гаметических), то развивается организм с клетками разной хромосомной конституции (два типа и более). Такие формы хромосомных болезней называют мозаичными. Для возникновения мозаичных форм, по клинической картине совпадающих с полными формами, нужно не менее 10% клеток с аномальным набором. Третий принцип – выявление поколения, в котором возникла мутация: возникла она заново в гаметах здоровых родителей (спорадические случаи) или родители уже имели такую аномалию (наследуемые, или семейные, формы).
О наследуемых хромосомных болезнях говорят тогда, когда мутация имеется в клетках родителя, в том числе и в гонадах. Это могут быть и случаи трисомии. Например, у индивидов с синдромами Дауна и трипло-Х образуются нормальные и дисомные гаметы. Такое происхождение дисомных гамет – следствие вторичного нерасхождения, т.е. нерасхождения хромосом у индивида с трисомией. Большая часть наследуемых случаев хромосомных болезней связана с робертсоновскими транслокациями, сбалансированными реципрокными транслокациями между двумя (реже более) хромосомами и инверсиями у здоровых родителей. Клинически значимые хромосомные аномалии в этих случаях возникли в связи со сложными перестройками хромосом в процессе мейоза (конъюгация, кроссинговер).
Таким образом, для точной диагностики хромосомной болезни необходимо определить:
• тип мутации;
• вовлеченную в процесс хромосому;
• форму (полную или мозаичную);
• встречаемость в родословной – спорадический или наследуемый случай.
Такая диагностика возможна только при цитогенетическом обследовании пациента, а иногда и его родителей и сибсов.
Хромосомные аномалии вызывают нарушение общего генетического баланса, той скоординированности в работе генов и системности регуляции, которые сложились в процессе эволюции каждого вида. Неудивительно, что патологические эффекты хромосомных и геномных мутаций проявляются на всех стадиях онтогенеза и, возможно, даже на уровне гамет, влияя на их формирование (особенно у мужчин).
Изучение первичных эффектов хромосомных аномалий началось в начале 1960-х годах вскоре после открытия хромосомных болезней и продолжается до сих пор. Главные эффекты хромосомных аномалий проявляются в двух связанных между собой вариантах: летальности и врожденных пороках развития.
Летальность. Имеются убедительные свидетельства того, что патологические эффекты хромосомных аномалий начинают проявляться уже со стадии зиготы, будучи одним из главных факторов внутриутробной гибели, достаточно высокой у человека. Выявить количественный вклад хромосомных аномалий в гибель зигот и бластоцист (первые 2 нед после оплодотворения) в полной мере трудно, поскольку в этот период беременность ни клинически, ни лабораторно еще не диагностируется. Однако некоторая информация о разнообразии хромосомных нарушений на самых ранних этапах развития зародыша может быть получена из результатов предымплантационной генетической диагностики хромосомных заболеваний, проводимой в рамках процедур искусственного оплодотворения. С использованием молекулярно-цитогенетических методов анализа показано, что частота числовых нарушений хромосом у предымплантационных зародышей варьирует в пределах 60-85% в зависимости от обследуемых групп пациентов, их возраста, показаний для проведения диагностики, а также числа анализируемых хромосом при проведении флюоресцентной гибридизации in situ (FISH) на интерфазных ядрах отдельных бластомеров. До 60% зародышей на стадии 8-клеточной морулы имеют мозаичную хромосомную конституцию, а от 8 до 17% эмбрионов, по данным сравнительной геномной гибридизации (CGH), обладают хаотичным кариотипом: разные бластомеры в составе таких зародышей несут различные варианты числовых хромосомных нарушений. Среди хромосомных аномалий у предымплантационных эмбрионов выявлены трисомии, моносомии и даже нуллисомии аутосом, все возможные варианты нарушений числа половых хромосом, а также случаи три- и тетраплоидии.
Столь высокий уровень аномалий кариотипа и их разнообразие, безусловно, негативно влияют на успешность протекания предымплантационных этапов онтогенеза, нарушая ключевые морфогенетические процессы. Около 65% эмбрионов с хромосомными аномалиями останавливают свое развитие уже на этапе компактизации морулы.
Такие случаи ранней остановки развития можно объяснить тем, что нарушение геномного баланса вследствие развития какой-то определенной формы хромосомной аномалии приводит к дискоординации включения и выключения генов на соответствующей стадии развития (временной фактор) или в соответствующем месте бластоцисты (пространственный фактор). Это вполне понятно: поскольку в процессах развития на ранних стадиях участвуют примерно 1000 генов, локализованных во всех хромосомах, хромосомная ано-малия нарушает взаимодействие генов и инактивирует какие-то конкретные процессы развития (межклеточные взаимодействия, дифференцировка клеток и др.). Многочисленные цитогенетические исследования материала спонтанных абортов, выкидышей и мертворожденных позволяют объективно судить об эффектах разных типов хромосомных аномалий во внутриутробном периоде индивидуального развития. Летальный или дисморфогенетический эффект хромосомных аномалий обнаруживается на всех стадиях внутриутробного онтогенеза (имплантации, эмбриогенеза, органогенеза, росте и развитии плода). Суммарный вклад хромосомных аномалий во внутриутробную гибель (после имплантации) у человека составляет 45%. При этом чем раньше прерывается беременность, тем вероятнее, что это обусловлено аномалиями развития эмбриона, вызванными хромосомным дисбалансом. У 2-4-недельных абортусов (эмбрион и его оболочки) хромосомные аномалии обнаруживают в 60-70% случаев. В I триместре гестации хромосомные аномалии встречаются у 50% абортусов. У плодоввыкидышей II триместра такие аномалии находят в 25-30% случаев, а у плодов, погибших после 20-й недели гестации,- в 7% случаев.
Высокая морфогенетическая значимость аутосом еще более отчетлива при полных аутосомных моносомиях. Последние редко обнаруживаются даже в материале ранних спонтанных абортов из-за летального эффекта такого дисбаланса.
Врожденные пороки развития
Если хромосомная аномалия не дает летального эффекта на ранних стадиях развития, то ее последствия проявляются в виде врожденных пороков развития. Практически все хромосомные аномалии (кроме сбалансированных) приводят к врожденным порокам
развития, сочетания которых известны как нозологические формы хромосомных болезней и синдромов (синдромы Дауна, Вольфа- Хиршхорна, кошачьего крика и т.д.).
Роль хромосомных и геномных мутаций не ограничивается их влиянием на развитие патологических процессов в ранних периодах онтогенеза (незачатие, спонтанный аборт, мертворождение, хромосомная болезнь). Их эффекты прослеживаются в течение всей жизни.
Хромосомные аномалии, возникающие в соматических клетках в постнатальном периоде, могут вызывать различные последствия: остаться нейтральными для клетки, обусловить гибель клетки, активировать деление клетки, изменить функцию. Хромосомные аномалии возникают в соматических клетках постоянно с невысокой частотой (около 2%). В норме такие клетки элиминируются иммунной системой, если они проявляют себя чужеродно. Однако в некоторых случаях (активация онкогенов при транслокациях, делециях) хромосомные аномалии становятся причиной злокачественного роста. Например, транслокация между хромосомами 9 и 22 вызывает миелолейкоз. Облучение и химические мутагены индуцируют хромосомные аберрации. Такие клетки гибнут, что наряду с действием других факторов способствует развитию лучевой болезни, аплазии костного мозга. Имеются экспериментальные доказательства накопления клеток с хромосомными аберрациями в процессе старения.
Рассмотрим наиболее часто встречаемые хромосомные болезни.
Синдром Дауна (трисомия по 21-й хромосоме). Данное заболевание относится к числу наиболее распространенных патологий человека. Встречается у новорожденных с частотой 1 : 700-800. Частота рождения детей с болезнью Дауна зависит от возраста матери и в меньшей степени от возраста отца. Риск рождения больного ребенка матерью в 40-46 лет в 16 раз выше, чем в 20-24 года. Заметных различий по частоте заболевания болезнью Дауна в разных географических и расовых популяциях не отмечается. Обычно трисомия по 21-й паре хромосом составляет около 95% от общего числа больных с синдромом Дауна. Примерно 4% больных страдает транслокационной формой и около 2% – мозичными. При транслокационном варианте в кариотипе наблюдается 46 хромосом, а лишняя 21-я хромосома транслоцирована чаще всего на хромосому из групп D или G.
Лежащее в основе синдрома Дауна нерасхождение 21-й пары хромосом происходит либо в яйцеклетке во время мейоза, либо на ранних стадиях дробления зиготы. Соотношение больных мальчиков и девочек среди новорожденных составляет 1:1. Признаки синдрома заметны уже при рождении и позднее проявляются более четко. Больные обычно невысокого роста, отличаются слабоумием. У них характерная внешность: монголоидный разрез глаз, круглое уплощенное лицо, короткий нос, плоская переносица, эпикант (полулунная вертикальная складка у внутреннего угла глаза), маленькие деформированные уши, полуоткрытый рот со слегка высунутым языком и выступающей нижней челюстью.
Наиболее частые внешние признаки синдрома Дауна
Пораженная система и порок |
Встречаемость, % |
Сердечно-сосудистая система |
53,2 |
За счет сильной мышечной гипотонии объем движений в суставах увеличен. Дети с синдромом Дауна в первый год жизни заметно отстают в психомоторном развитии. Они позже начинают ходить и сидеть. Нередко у них отмечаются врожденные пороки сердца, характерные изменения дерматоглифики (на ладони имеется глубокая “обезьянья борозда”).
Умственное развитие больных с синдромом Дауна отстает; если не применяются специальные методы обучения возможно, развитие тяжелой идиотии. Болезнь сопровождается расстройством эндокринных желез, нарушением обмена веществ, снижением иммунитета. По этой причине они часто болеют пневмонией, инфекционными заболеваниями.
Продолжительность жизни больных ограничена. Однако с помощью специальных методов обучения, укрепления физического здоровья, правильного питания и ухода, применения лекарственных препаратов и др. ее можно значительно продлить. Многие люди с синдромом Дауна способны жить самостоятельно, овладевать несложными профессиями, создавать семьи.
Аномалия была описана английским врачом Л. Дауном еще в 1866 г., но природа ее почти сто лет оставалась неясной. В 1959 г. французские генетики Ж. Лежен и Р. Тюрпин обнаружили в хромосомном наборе больных наличие добавочной малой акроцентрической хромосомы.
Причиной патологии оказалась трисомия по 21 хромосоме, наиболее распространенная из всех хромосомных аномалий. Для врачей диагноз болезни Дауна часто не представляет затруднений. Наблюдается псическая отсталость, выраженная в разной степени. Нередко имеются нарушения строения внутренних органов (сердца, крупных сосудов). Эти аномалии, а также сниженный иммунитет часто приводят к смерти в детском возрасте.
Для уточнения диагноза пользуются методом дерматоглифики У больных отмечается ряд изменений; так, если угол aid у людей с нормальным кариотипом не превышает 57°, то при болезни Дауна он расширен и достигает 80° и больше. Характерным является изменение сги-бательныхскладок на ладони. В норме на ладони человека имеются 3 крупные сгибательные складки, при болезни Дауна происходит слияние 4 и 3 пальцевых борозд в одну поперечную борозду. Среди родственников больных иногда встречается такая же поперечная складка ладони и увеличенный угол aid. Имеется предположение, что причиной этого могут быть скрытый мо-заицизм или иосительство сбалансированной транслокации. Вероятность рождения больных детей с трисомией-21 статистически достоверно увеличивается с возрастом матери.
Раньше считалось, что единственной причиной рождения таких детей является нерасхождение гомологичных хромосом 21-й пары во время митоза. Однако в 1966 г. были описаны больные, в кариотипе которых количество хромосом составляло 46. Оказалось, что и в этом случае лишняя хромосома все же имелась, но она была трансло-цирована на хромосому другой группы (чаще 13—15), т. е. на одну из больших акроцентрических хромосом.
Такая форма синдрома называется транслокационной; она встречается реже, чем обычная трисомия (фенотипически эти формы неотличимы). В этом случае возраст матери значения не имеет, дети с транслокационной формой могут рождаться и у очень молодых матерей. При транслокационной форме риск рождения больного ребенка более высокий: около 30 %. Это объясняется тем, что один из родителей является фенотипически здоровым носителем транслокации; лишняя 21 хромосома транслоцируется на 15 и составляет с ней в кариотипе одно целое. У такого носителя наряду с нормальными гаметами образуются и половые клетки, содержащие аномальный набор хромосом.
Синдром Патау (трисомия по 13-й хромосоме) Впервые эта аномалия кариотипа описана в 1960 г. К. Патау у детей с множественными врожденными пороками развития. Встречается у новорожденных с частотой 1:5000 – 1:7000. Болезнь обсуловлена трисомией по 13-й хромосоме у 80-85% больных с синдромом Патау. Добавочная хромосома находится в группе D — кариотип 47 (13+). Нерасхождение хромосом в мейозе происходит чаще всего у матери. Другие случаи (мозаицизм, изохромосома, транслокация и др.) встречаются очень редко. Мальчики и девочки с синдромом Патау рождаются с одинаковой частотой. При рождении больные дети отличаются малым весом, хотя рождаются в срок. Для беременных женщин типично многоводие. При синдроме Патау характерны различные врожденные пороки развития лица и головного мозга. Определяют типичный внешний вид больного: окружность черепа уменьшена, низкий скошенный лоб, узкие глазные щели, запавшая переносица, ушные раковины низко расположены и деформированы. Часто встречается расщелина верхней губы и неба. Из аномалий костно-мышечной системы характерны полидактилия (шестипалость), повышенная подвижность суставов. Среди патологии внутренних органов всегда отмечаются врожденные пороки сердца (дефекты межжелудочковой и межпредсердной перегородок), органов пищеварения, кисты почек и др.). Кроме того, в большинстве случаев поражены гениталии: у девочек – это удвоение матки и влагалища, у мальчиков – крипторхизм (задержка яичка при спускании в мошонку). У 80-85% больных выявляется глухота. В связи с тяжелыми пороками развития 95% больных детей умирают в возрасте до одного года. Практически все дети с синдромом Патау страдают глубокой идиотией. Впервые эта аномалия кариотипа описана в 1960 г. К. Патау. Характерны тяжелые аномалии строения: расщепление мягкого и твердого неба, незаращение губы, недоразвитие или отсутствие глаз (микрофтальмия или анофтальмия), неправильно сформированные уши, деформация кистей и стоп, встречается полидактилия и синдактилия (сращение пальцев), многочисленные нарушения со стороны внутренних органов — сердца, почек, пищеварительной системы.
Обычно продолжительность жизни таких детей меньше года. Случаев синдрома трисомии 13+ значительно меньше, чем случаев болезни Дауна. Большая часть эмбрионов с таким кариотипом погибает внутриутробно; чем более крупная хромосома вовлечена в нарушение кариотипа, тем больше тяжелых нарушений, не совместимых с жизнью. Частота рождения детей с синдромом Патау — 1/14500 живорождений.
Уточнение диагноза проводится при помощи дерматоглифического исследования: характерно крайне дистальное расположение осевого трирадиуса, угол aid = 108°.
Описаны случаи мозаицизма: например, у 14-летней умственно отсталой девочки без внешних аномалий с нормальной дерматоглификой 15 % клеток содержали 47 хромосом и лишней была хромосома из группы D (13—15). Считают, что среди умственно отсталых детей может быть много мозаиков.
Синдром Эдвардса (трисомия по 18-й хромосоме). Эта аномалия кариотипа описана в 1960 г. Кариотип 47 (18+) Хромосомы группы Е представляют собой субметацентрические хромосомы средних размеров. Разные авторы приводят различные цифры частоты этого заболевания: от 1/4500 до 1/6500. Соотношение мальчиков и девочек с синдромом Эдвардса составляет 1:3. Причины преобладания больных девочек пока не известны. Наиболее характерными особенностями синдрома являются изменения мозгового черепа и лица, дефекты опорно-двигательного аппарата, сердечно-сосудистой системы и половых органов. Внешняя картина нарушений многообразна : маленький рот, узкие и короткие глазные щели, косоглазие, низкорасположенные и деформированные уши, вывернутая нижняя губа, короткая и складчатая шея, выступающий затылок, удлиненный череп. Отмечаются также флексорное положение кистей, аномально развитые стопы, косолапость и др. Для синдрома характерны дефекты мочевой системы, пороки сердца. У 90% детей с синдромом Эдвардса Смерть наступает до 2—3 месяцев. Причиной смерти становятся пневмонии, кишечная непроходимость, сердечно-сосудистая недостаточность. Внешний вид больных настолько характерен, что позволяет поставить диагноз до цитологического исследования. Череп необычной формы: узкий лоб и широкий, выступающий затылок, очень низко расположенные, деформированные уши, постоянный признак — недоразвитие нижней челюсти. Пальцы рук широкие и короткие, характерная аномалия кисти поперечная ладонная складка. Наблюдается искаженная дерматоглифика (дуги на всех пальцах, единичная складка на V пальце и поперечная складка на ладони).
Если сопоставить фенотипы при различных видах трисомий, то можно отметить некоторые общие признаки: отставание в развитии, врожденный порок сердца, низко расположенные, уродливые уши. Многие исходные признаки порознь встречаются при различных аномалиях кариотипа. Однако каждый синдром характеризуется специфическим сочетанием отдельных аномалий. Точное подтверждение диагноза дает анализ кариотипа.
Аномалии половых хромосом. Впервые аномалии количества половых хромосом в кариотипе были обнаружены еще в 1916 г. К. Бриджесом у дрозофилы. Бриджес объяснил это явление нарушением расхождения хромосом при мейозе. Долгое время такое явление считали уникальной особенностью дрозофилы. Но спустя несколько десятилетий выводы из опытов Бри-джеса помогли расшифровать некоторые описанные ранее патологические состояния у человека, природа которых была неизвестна.
При созревании половых клеток у человека может также иметь место нерасхождение половых хромосом в мейозе. Имеются данные, что это происходит в 0,3 % всех гамет. Вследствие этого в яйцеклетке вместо одной Х-хро-мосомы может оказаться две или не будет ни одной. При оплодотворении таких аномальных яйцеклеток нормальными сперматозоонами будут образовываться зиготы, в которых изменено количество половых хромосом. Равным образом возможны такие отклонения и при сперматогенезе. Такие аномалии, обусловленные ненормальным набором половых хромосом, не так редко встречаются у новорожденных (тем более, что кроме сочетания Y0 остальные комбинации совместимы с эмбриональным и постнатальным развитием).
Синдромы с числовыми аномалиями половых хромосом
Синдром Шерешевского-Тернера впервые описан Н.А. Шерешевским в 1925 г., а позднее, в 1938 г. Х.Х. Тернером. Причиной болезни является нарушение расхождения половых хромосом. Болеют только женщины, у них отсутствует одна Х-хромосома (45 ХО). Это единственная совместимая с жизнью моносомия. Частота встречаемости этой аномалии 1/4000—1/5000 новорожденных девочек. Однако причины этой аномалии стали ясны только в свете достижений цитогенетики, когда стало возможным проводить анализ кариотипа. Именно это раскрыло причину патологии: отсутствие одной Х-хромосомы. Исследования показали, что единственная Х-хромосома может быть у лиц с синдромом Шерешевского – Тернера как материнской, так и отцовской. Использование различных признаков (маркеров), сцепленных с Х-хромосомой, позволяет выяснить это в некоторых случаях. Используя сцепление с Х-хромосомой признака цветовой слепоты (дальтонизм), удалось показать, что в подавляющем большинстве случаев синдрома Шерешевского – Тернера Х-хромосома была материнской природы и, значит, нерасхождение имело место в сперматогенезе.
Отмечается, что только у 20% женщин беременность больным плодом сохраняется до конца и рождается живой ребенок. В остальных случаях происходит самопроизвольный аборт или мертворождение. Для синдрома характерны: низкорослость, половой инфантилизм, соматические нарушения. У детей уже на первом году жизни отмечается отставание в росте, что становится наиболее четко заметно к 9-10 годам. Средний рост больных взрослых женщин составляет в среднем 135 см. У них имеются аномалии в развитии скелета: короткая шея с боковыми кожными складками, короткая и широкая грудная клетка, чрезмерная подвижность локтевых и коленных суставов, укорочение 4-5-го пальцев на руках. Характерен внешний вид больных: микрогнатия (недоразвитие нижней челюсти), эпикант, низкопосаженные деформированные уши, высокое твердое небо и др. Нередко отмечается косоглазие, катаракта, дефекты слуха, аномалии мочевой системы (удвоение почек, мочевыводящих путей). Важной особенностью этого заболевания является половой инфантилизм. Внутренние и наружные гениталии недоразвиты, в период полового созревания вторичные половые признаки отсутствуют или развиты слабо, недоразвиты влагалище и матка, менструаций нет, больные бесплодны. Однако в литературе существуют данные о рождении детей у женщин с синдромом Шерешевского-Тернера. В 50 % случаев больные страдают умственной отсталостью, они пассивны, склонны к психогенным реакциям и психозам. Продолжительность жизни близка к норме. Лечение направлено на стимуляцию роста и уменьшение полового инфантилизма (длительные курсы половых гормонов и др.).
Диагноз иногда устанавливается не сразу (так как некоторые перечисленные внешние признаки могут отсутствовать), а спустя годы, когда обнаруживается задержка роста и половое недоразвитие. Экспресс-диагностика проводится цитологическим методом в соматических клетках: половой хроматин в клетках у таких женщин отсутствует.
Введение половых гормонов, начиная с периода, соответствующего половому созреванию, способствует развитию вторичных половых признаков и в определенной степени нормализует состояние женщин с моносомией-Х. Поскольку яичники не развиты,больные остаются бесплодными. (Слюсарев А.А. и др., 1987)
Синдром полисемии по Х-хромосоме у женщин. Синдром включает трисомию (кариотип 47, XXX), тетрасомию (48, ХХХХ), пентасомию (49, ХХХХХ). Наиболее часто встречается трисомия – 1 на 1000 родившихся девочек. Клиническая картина довольно разнообразная. Отмечается незначительное снижение интеллекта, повышенная вероятность развития психозов и шизофрении с неблагоприятным типом течения. Плодовитость таких женщин страдает в меньшей степени. При тетра- и пентасомии – X повышается степень умственной отсталости, отмечаются соматические аномалии, недоразвитие гениталий. Диагностика синдрома полисемии X включает определение полового хроматина и исследование кариотипа больного. Рационального лечения нет.
Несмотря на фенотипическую неоднородность при синдроме трисомии-Х, цитологические показатели одинаковы; у всех женщин в соматических клетках имеется два тельца полового хроматина, а в нейтрофилоцитах — 2 барабанные палочки. Дерматоглифика не изменяется (Шевченко, 2004).
Синдром Клайнфельтера описан в 1942 г. Н. Клайнфельтером. Болеют только мальчики. Частота встречаемости – 2 из 1000 новорожденных мальчиков. Установлено, что больные имеют лишнюю Х-хромосому (кариотип 47, XXY, вместо 46, XY). Наряду с этим, встречаются варианты полисомии с большим числом Х- и Y-хромосом, которые также относят к синдрому Клайнфельтера.
До рождения заболевание клинически не диагностируется. Генетические аномалии проявляются в период полового созревания в виде недоразвития семенников и вторичных половых признаков.
Для мужчин с синдромом Клайнфельтера характерны высокий рост, евнухоидный тип сложения (широкий ” таз, узкие плечи), гинекомастия (развитие грудных желез больше, чем в норме), слабый рост волос на лице, в подмышечных впадинах и на лобке. Яички уменьшены в размерах, отмечается половой инфантилизм, склонность к ожирению. При этом у больных нарушен сперматогенез и они бесплодны. Их умственное развитие отстает, однако иногда интеллект нормальный.
Увеличение числа Х-хромосом в генотипе сопровождается усилением умственной отсталости, нарушением психики, антисоциальными поступками и алкоголизмом.
Синдром дисомии по Y-хромосоме (47, XYY, 48 XXYY, 49XXXYYY) описан в 1961 г. Встречается с частотой 1 на 1000 новорожденных мальчиков.
Мужчины с набором хромосом 47 XYY не отличаются от нормы по физическому и умственному развитию. Отмечается небольшое увеличение роста – около 185 см. Иногда наблюдается незначительное снижение интеллекта, склонность к агрессивным и антисоциальным поступкам. По некоторым данным, в местах заключения мужчин с генотипом XYY в 10 раз больше, чем мужчин с нормальным генотипом. При увеличении числа Y-хромосом половые железы развиты нормально, рост, как правило, высокий, имеются некоторые аномалии зубов и костной системы.
Диагностика этих аномалий облегчается в связи с определением Y-хроматина методом люминесцентной микроскопии. У таких индивидуумов наблюдаются психопатические черты: неустойчивость эмоций, неадекватное поведение. При этом не наблюдается значительной задержки умственного развития, а часть больных вообще имеет нормальный интеллект, могут иметь потомство, в том числе с нормальным кариотипом.
Синдромы, обусловленные внутрихромосомными перестройками
К этому типу перестроек хромосом (наряду с делениями, дупликациями и инверсиями) относятся частичные трисомии и моносомии аутосом. Обнаружение указанных хромосомных нарушений стало возможным после разработки методов дифференциальной окраски хромосом, позволяющих не только идентифицировать каждую хромосому набора, но и судить о происхождении аномальной хромосомы, ее дополнительного или утраченного участка. В настоящее время для большинства хромосом человека обнаружены частичные дупликации или делеции. Они могут затрагивать как короткое или длинное плечо хромосомы, так и одновременно оба плеча. Для многих хромосом выявлена относительная клиническая специфичность фенотипических отклонений при аутосомных частичных трисоми-ях или моносомиях, однако клинико-цитогенетические синдромы пока выделить не удалось. Приведем два примера синдромов, обусловленных внутрихромосомной патологией.
Синдром “кошачьего крика” связан с делецией короткого плеча 5-й хромосомы. Впервые описан Дж. Леженом в 1963 г. Признаком его служит необычный плач детей, напоминающий мяуканье или крик кошки. Это связано с патологией гортани или голосовых связок. Однако с возрастом этот крик исчезает. Клиническая картина синдрома значительно варьирует. Наиболее типичным, помимо “кошачьего крика”, является умственное и физическое недоразвитие, микроцефалия (аномально уменьшенная голова). Своеобразен внешний вид больных: лунообразное лицо, микрогения (маленькие размеры верхней челюсти), эпикант (вертикальная складка кожи у внутреннего угла глазной щели), высокое небо, плоская спинка носа, косоглазие. Ушные раковины расположены низко и деформированы. Отмечаются также врожденные пороки сердца, патология костно-мышечной системы, синдактилия стоп (полное или частичное сращение соседних пальцев), плоскостопие, косолапость и др.), мышечная гипотония. Большинство детей умирает в раннем возрасте. Вместе с тем известны описания больных старше 50 лет. По-пуляционная частота синдрома “кошачьего крика” 1:40000 – 1:50000 новорожденных. Размер делеции в разных случаях различен.
Полиплодия – связана с кратным увеличением гаплодиного набора хромосом. Причной образования полиплоидов является нарушение процесса мейоза вследствие мутации. В результате дочерняя половая клетка получает вместо гаплоидного (23) диполидный (46) набор хромосом, т.е. 69 хромосом (у мужчин кариотип 69, XYY, у женщин – 69, XXX). Рождение детей с полиплоидией наблюдается очень редко. Около 22,6% всех спонтанных абортов обусловлены полиплоидей. Следует отметить, что триплодия встречается в три раза чаще по сравнению с тетраплоидией. При триплоидии беременность протекает с осложнениями (сильный токсикоз, повышение уровня хорионального гонадотропина и др.) Основными пороками развития являются : расщелина губы и неба, низко расположенные ушные раковины, сращение соседних пальцев кисти или стопы, аномалии в развитии всех внутренних органов и др. Дети с синдромом триштоидии практически нежизнеспособны и погибают в первые дни после рождения. Биопсия разных участков кожи у таких детей показала, что часть тканей у них триплоидная, часть – диплоидная (Слюсарев А.А. и др., 1987).
Факторы, повышающие риск рождения детей с хромосомными болезнями
Причины возникновения хромосомных болезней до настоящего времени недостаточно изучены. Имеются экспериментальные данные о влиянии на мутационный процесс таких факторов, как: действие ионизирующих излучении, химических веществ, вирусов. Другими причинами нерасхождения хромосом могут быть: сезонность, возраст отца и матери, порядок рождения детей, прием лекарств во время беременности, гормональные нарушения, алкоголизм и др. Не исключается до определенной степени и генетическое детерминирование нерасхождения хромосом. Повторим, однако, что причины образования геномных и хромосомных мутаций на ранних стадиях развития зародыша до сих пор окончательно не раскрыты. К биологическим факторам повышения риска рождения детей с хромосомными аномалиями может быть отнесен возраст матери. Риск рождения больного ребенка особенно резко возрастает после 35 лет. Это характерно для любых хромосомных болезней, но наиболее четко наблюдается для болезни Дауна (Слюсарев А.А. и др., 1987). В медико-генетическом планировании беременности особое значение уделяется двум факторам – наличию анеуплоидии по аутосомам у ребенка и возрасту матери старше 35 лет. К кариотипическим факторам риска у супружеских пар относятся: анеупло-идия (чаще в мозаичной форме), робертсоновские транслокации (слияние двух телоцентрических хромосом в области деления) кольцевые хромосомы, инверсии. Степень повышения риска зависит от типа хромосомных нарушений. В настоящее время оценка степени риска уступает более точной пренатальной цитогенетической диагностики эмбриона или плода.
Успехи генетики человека, ее история, тесно связаны с развитием всех разделов генетики. Задолго до открытия Г. Менделя различными авторами были описаны патологические наследственные признаки у человека и основные типы наследования. Первые сведения о передаче наследственной патологии у человека содержатся в Талмуде (4 в. до н.э.), в котором указано на опасность обрезания крайней плоти у новорожденных мальчиков, старшие братья которых или дяди по материнской линии страдают кровотечением.
К XVIII в. относятся первые описания доминантного (полидактилии, т.е. шестипалости) и рецессивного (альбинизма у негров) признаков, сделанных французским ученым П. Мопертюи. В начале XIX в. несколькими авторами одновременно было описано наследование гемофилии, в результате изучения родословных семей, в которых встречались лица, страдающие этой болезнью.
В 1814 г. вышла книга лондонского врача Д. Адамса “Трактат о предполагаемых наследственных свойствах болезней, основанный на клиническом наблюдении.” Позже она была переиздана под названием “Философский трактат о наследственных свойствах человеческой расы”. Этот труд стал первым справочником для генетического консультирования. В нем Адаме сформулировал многие важные принципы медицинской генетики: “Браки среди родственников повышают частоту семейных (т.е. рецессивных) болезней”, “Наследственные (доминантные) болезни не всегда проявляются сразу после рождения, но могут развиваться в любом возрасте”, “Не все врожденные болезни являются наследственными, часть из них связана с внутриутробным поражением плода (например, за счет сифилиса)”.
В середине XIX в. в России над проблемами наследственных болезней и наследственной природы человека работал В.М. Флоринский. В 1866 г. вышла его книга “Усовершенствование и вырождение человеческого рода”. Наряду с противоречивыми или неверными положениями, в ней был поднят и правильно освещен ряд вопросов медицинской генетики. Среди них: значение среды для формирования наследственных признаков, вред близкородственных браков, наследственный характер многих патологий (глухонемоты, альбинизма, заячьей губы, пороков развития нервной трубки). Однако этот труд В.М. Флоринского не был оценен в полной мере его современниками в силу неподготовленности к восприятию этих идей. В последней четверти XIX в. весомый вклад в развитие генетики человека внес английский биолог Ф. Гальтон, названный К.А. Тимирязевым “одним из оригинальнейших ученых, исследователей и мыслителей.”
Гальтон впервые поставил вопрос о наследственности человека как предмете для изучения наследственных признаков. Анализируя наследственность ряда семей, Гальтон пришел к выводу, что психические особенности человека обусловлены не только условиями среды, но и наследственными факторами. Кроме того, он предложил и применил близнецовый метод для изучения соотносительной роли среды и наследственности в развитии признаков. Им же разработан ряд статистических методов, среди которых наиболее ценен метод вычисления коэффициента корреляции. Эти работы заложили основу для будущего развития генетики человека. Помимо этого Гальтон стал родоначальником евгеники – науки о наследственном здоровье человека и путях его улучшения. Однако принципиальная ошибка Гальтона состояла в том, что в практических мероприятиях евгеники он рекомендовал не столько избавляться от патологических генов, сколько увеличивать количество “хороших” генов в человеческих популяциях путем создания условий для преимущественного размножения одаренных людей. Особого внимания заслуживают исследования известного английского клинициста А. Гэррода (1857 – 1936 гг.), внесшего существенный вклад в изучение проблемы генетики человека. Его работа “Распространенность алкаптонурии: изучение химических особенностей” несла ряд новых идей. Гэррод первым обнаружил взаимосвязь между генами и ферментами, открыл врожденные нарушения обмена веществ и положил начало биохимической генетике. В настоящее время изучение наследственных болезней обмена веществ – наиболее актуальный раздел генетики человека.
В 1903 г. американский антрополог Фараби, изучая родословные в нескольких поколениях, впервые установил, что брахидактилия (короткопалость) у челoвека наследуется по аутосомно-доминантному типу.
В 1908 г. Г. Харди и В. Вайнберг независимо друг от друга пришли к выводу, что менделевские законы дают возможность объяснить распределение частоты генов из поколения в поколение в популяциях (от латинского – populus – население, народ) и условиях генетической стабильности популяции. Этот закон был установлен путем анализа наследственности человека и лег в основу популяционной генетики.
Тесная связь современной генетики с химией, физикой, биохимией, физиологией, экологией, фармакологией и другими науками способствовала появлению новых разделов генетики: цитогенетики, радиационной генетики, иммуногенетики, фармакогенетики, экологической генетики .
Возможности молекулярной генетики и развитие современных методов работы с ДНК нашли применение для решения практических задач медицинской генетики.
Биохимический метод
Наследственные заболевания, которые обусловлены генными мутациями, изменяющими структуру или скорость синтеза белков, обычно сопровождаются нарушением углеводного, белкового, липидного и других типов обмена веществ. Наследственные дефекты обмена можно диагностировать посредством определения структуры измененного белка или его количества, выявления дефектных ферментов или обнаружения промежуточных продуктов обмена веществ во внеклеточных жидкостях организма (крови, моче, поте и т.д.). Например, анализ аминокислотных последовательностей мутационно измененных белковых цепей гемоглобина позволил выявить несколько наследственных дефектов, лежащих в основе ряда заболеваний, — гемоглобинозов. Так, при серповидно-клеточной анемии у человека аномальный гемоглобин вследствие мутации отличается от нормального заменой только одной аминокислоты (глутаминовой кислоты на валин).
В практике здравоохранения кроме выявления гомозиготных носителей мутантных генов существуют методы выявления гетерозиготных носителей некоторых рецессивных генов, что особенно важно при медико-генетическом консультировании. Так, у фенотипически нормальных гетерозигот по фенилкетонурии (рецессивный мутантный ген; у гомозигот нарушается обмен аминокислоты фенилаланина, что приводит к умственной отсталости) после приема фенилаланина обнаруживается повышенное его содержание в крови. При гемофилии гетерозиготное носительство мутантного гена может быть установлено с помощью определения активности фермента, измененного в результате мутаций (Слюсарев, Жукова, 1987).
Генные мутации и нарушения обмена веществ.
У человека обнаружены различные виды генных мутаций: замена одной пары нуклеотидов другой, изменение последовательности нуклеотидов, выпадение или вставка одного или нескольких нуклеотидов.
Генные мутации у человека являются причиной многих наследственных заболеваний, некоторые из них были известны в клинике уже давно, но механизм их возникновения стал понятен только после создания молекулярной генетики.
Английский врач Гаррод еще в 1908 г. предположил генетическую природу врожденных нарушений обмена веществ у человека. На основании своих исследований он пришел к выводу, что в организме имеется система: ген-фермент- биохимическая реакция. Однако уровень развития генетики и биохимии в то время не позволял конкретизировать механизмы этой взаимосвязи. Выводы Гаррода получили подтверждение в опытах Д. Билла и Э. Тейтума (1941), обосновавших экспериментально основной постулат молекулярной генетики: 1 ген — 1 фермент (1 белок), а в более уточненном варианте 1 ген — 1 полипептидная цепь.
Уже в 50-е годы XX в. была выделена особая группа заболеваний — молекулярные болезни. Следует отметить, что это название условно, смысл этого термина, который довольно широко применяется, состоит в том, что он подчеркивает причину заболевания: дефект на молекулярном уровне, нарушение в структуре молекулы ДНК.
К генным болезням у человека относятся многочисленные болезни обмена веществ. Они могут быть связаны с нарушением обмена углеводов, липидов, стероидов, пуринов и пиримидинов, билирубина, металлов и др. Пока еще нет единой классификации наследственных болезней обмена веществ.
Научной группой ВОЗ предложена следующая классификация:
1) болезни аминокислотного обмена (фенилкетонурия, алкаптонурия и др.);
2) наследственные нарушения обмена углеводов (галаюгоземия, гликогеновая болезнь и др.);
3) болезни, связанные с нарушением липидного обмена (болезнь Ниманна-Пика, болезнь Гоше и др.);
4) наследственные нарушения обмена стероидов;
5) наследственные болезни пуринового и пиримидинового обмена (подагра, синдром Леша-Найяна и др.);
6) болезни нарушения обмена соединительной ткани (болезнь Марфана, мукополисахаридозы и др.);
7) наследственные нарушения гема- и порфирина (гемоглобинопатии и др.);
8) болезни, связанные с нарушением обмена в эритроцитах (гемолитические анемии и др.);
9) наследственные нарушения обмена билирубина;
10) наследственные болезни обмена металлов (болезнь Коновалова-Вильсона и др.)
11) наследственные синдромы нарушения всасывания в пищеварительном тракте (муковисцидоз, непереносимость лактозы и др.).
В зависимости от того, какая произошла мутация, ферментная активность может быть изменена различным образом: повышена или понижена — вплоть до полного отсутствия фермента. Фенотипически такие мутации проявляются как наследственные болезни обмена веществ — ферментопатии (энзимопатии). Вещества, накапливающиеся в результате выпадения ферментов, оказывают либо сами токсическое действие, либо включаются в сложные цепи вторичных обменных расстройств, и токсическое действие оказывают образующиеся побочные продукты. Такие болезни называются болезнями накопления. В результате многообразия мутаций у человека обнаруживается большое количество генных болезней. В настоящее время их известно более 2 тыс. и продолжают выявляться новые формы. По данным разных авторов, общая частота генных болезней в популяциях составляет 2—4 %. Распространенность каждого конкретного заболевания невелика, но в целом они составляют значительную по удельному весу группу в структуре заболеваемости. Следует учитывать, что заболевания, связанные с генной мутацией, могут проявляться в разные периоды жизни, как вскоре после рождения или в первой половине жизни, так и в зрелом или даже пожилом возрасте (болезнь Коновалова — Вильсона, хорея Гентингтона).
Генные болезни классифицируют по их фенотипическому проявлению: болезни, связанные с нарушением аминокислотного, углеводного, липидного, минерального обмена, обмена нуклеиновых кислот. Примером нарушения обмена аминокислот является заболевание фенилкетонурия. (Слюсарев, Жукова, 1987)
Фенилкетонурия (ФКУ) впервые была описана А. Фелингом в 1934 г. У больных нарушено превращение аминокислоты фенилаланина в тирозин из-за резкого снижения активности фермента фенилаланингидроксилазы. В результате содержание фенилаланина в крови и моче больных значительно возрастает. Далее фенилаланин превращается в фенилпировиноградную кислоту, которая является нейротропным ядом и нарушает формирование миелиновой оболочки вокруг аксонов центральной нервной системы.
Фенилкетонурия встречается в среднем в мировом масштабе с частотой 1 на 1000 новорожденных. Однако по этому показателю имеются значительные различия между популяциями: 1:2600 в Турции, 1:4500 в Ирландии, 1: 30000 в Швеции, 1:119000 в Японии. Частота гетерозиготного носительства в большинстве европейских популяций составляет 1:100.
Локус (фенилгидроксилазы) расположен в длинном плече 12-й хромосомы. В настоящее время для большинства семей возможна молекулярно-генетическая диагностика и выявление гетерозиготного носительства. Болезнь наследуется по аутосомно-доминантному типу. Известно несколько форм фенилкетонурии, которые различаются по тяжести протекания болезни. Это связано с наличием 4-х аллелей гена и их комбинациями.
Ребенок с фенилкетонурией рождается здоровым, но в первые же недели в связи с поступлением фенилаланина в организм с молоком матери развивается повышенная возбудимость, судорожный синдром, склонность к дерматитам, моча и пот больных имеют характерный “мышиный” запах, но но главными симптомами ФКУ являются судорожные припадки и олигофрения.
Большинство больных – блондины со светлой кожей и голубыми глазами, что определяется недостаточным синтезом пигмента меланина. Диагноз заболевания устанавливается на основании клинических данных и результатов биохимического анализа мочи (на фенилпировиноградную кислоту) и крови (на фенилаланин). С этой целью несколько капель крови на фильтровальной бумаге подвергают хроматографии и определяют содержание фенилаланина. Иногда используют пробу Феллинга – в 2,5 мл свежей мочи ребенка добавляют 10 капель 5% раствора треххлористого железа и уксусной кислоты. Появление сине-зеленого окрашивания указывает на наличие заболевания.
Метод лечения фенилкетонурии в настоящее время хорошо разработан. Он состоит в назначении больному диеты (овощи, фрукты, варенье, мед) и специально обработанных гидролизатов белков с низким содержанием фенилаланина (лофелак, кетонил, минафен и др). В настоящее время разработаны методы дородовой диагностики. Ранняя диагностика и профилактическое лечение предупреждают развитие болезни.
Больной фенилкетонурией
Оно наследуется по аутосомно-рецессивному типу. В результате генной мутации имеется недостаточность фермента, расщепляющего аминокислоту фенилаланин (фенилаланингидроксилазы).
Это заболевание является наиболее изученным среди ферментопатий, оно встречается с относительно высокой частотой (1/14000) и стало модельным для изучения болезней накопления.
В результате дефекта фермента возникает метаболический блок: аминокислота фенилаланин не усваивается организмом. Нарушаются и последующие звенья биохимической цепи реакций, в ходе которых образуются такие необходимые для жизнедеятельности вещества, как тирозин, адреналин, норадреналин, пигмент меланин.
Неусвоившийся фениланин превращается во вторичный продукт — фенилпировиноградную кислоту, накапливающуюся в крови и выделяющуюся с мочой. Оба эти вещества, находясь в крови в высокой концентрации, оказывают в конечном итоге токсическое действие на нервные клетки мозга. В результате развивается нарушение высшей нервной деятельности, слабоумие, расстройство регуляции двигательных функций. У больных слабая пигментация вследствие нарушения синтеза меланина.
Альбинизм (глазо-кожный) описан в 1959 г. Болезнь обусловлена отсутствием синтеза фермента тирозиназы. Для нее характерна обесцвеченность кожи, волос, глаз, независимо от расы и возраста. Кожа больных розово-красная; совершенно не загорает. Имеет предрасположенность к злокачественным новообразованиям. Волосы белые или желтоватые. Радужка серо-голубого цвета, но может быть и розоватая из-за отражения света от глазного дна. Больным свойственна сильная светобоязнь, их зрение снижено и не улучшается с возрастом. Альбинизм встречается с частотой 1 на 39.000, наследуется по аутосомно-рецессивному типу.
Ген локализован на длинном плече 11-й хромосомы .Известно, что углеводы входят в состав ряда биологически-активных веществ – гормонов, ферментов, муко-полисахаридов, выполняющих энергетическую и структурную функции. В результате нарушения углеводного обмена развивается гликогеновая болезнь, галактоземия и др.
Другим примером нарушения аминокислотного обмена является альбинизм. При этом заболевании нарушается второе звено в биохимической цепи реакции (дефект фермента тирозиназы, расщепляющего тирозин). В результате блокируется превращение тирозина в меланин.
В странах Западной Европы альбинизм встречается с частотой 1/25000. У альбиносов молочно-белый цвет кожи, очень светлые волосы и отсутствие пигмента в радужной оболочке глаз. Альбиносы имеют повышенную чувствительность к солнечному облучению, которое вызывает у них воспалительные заболевания кожи. Известны болезни, связанные с нарушением обмена аминокислот гистидина, аргинина и др.
Генные мутации могут приводить к различным нарушениям углеводного обмена: неусвоеиие молочного сахара (галактоземия), неусвоение фруктозы (фруктозурия) вследствие дефекта соответствующих ферментов. При поступлении с пищей этих углеводов развиваются тяжелые обменные расстройства, задержка физического развития и умственная отсталость. Одно из наиболее распространенных заболеваний углеводного обмена веществ — сахарный диабет. Причиной его является недостаточность гормона инсулина или изменение восприимчивости тканей к этому гормону. При этом снижен процесс образования гликогена, уровень глюкозы в крови повышен и часть ее выводится с мочой. По поводу типов наследования диабета, имеющего различные формы, нет единого мнения (Слюсарев, Жукова, 1987).
Амавротическая идиотия (болезнь Тея-Сакса) также относится к заболеваниям, связанным с нарушением липидного обмена. Для нее характерно отложение в клетках мозга, печени, селезенки и других органах липида ганглиозида. Причина- снижение активности фермента гексозаминидазы А в организме. В результате происходит разрушение аксонов нервных клеток.
Болезнь проявляется в первые месяцы жизни. Ребенок становится вялым, малоподвижным, безразличным к окружающим. Задержка психического развития приводит к снижению интеллекта до степени идиотии. Отмечается мышечная гипотония, судороги, характерный симптом “вишневой косточки” на сетчатке глаза. К концу первого года жизни наступает слепота. Причина – атрофия зрительных нервов. Позднее развивается полная обездвиженность. Смерть наступает в 3-4 года.
Тип наследования болезни – аутосомно-рецессивный. Ген локализован на длинном плече 15-й хромосомы.
Расстройства липидного обмена могут сопровождаться увеличением концентрации липидов в сыворотке крови (что играет важную роль в развитии атеросклероза), понижением концентрации липидов или отложением этих веществ в клетках различных тканей, где в норме этого не наблюдается: в нервных клетках, как при болезни Тея — Сакса, а также в селезенке, печени, костном мозге при других формах липидозов.
В результате недостаточности ферментов пуринового обмена повышается содержание мочевой кислоты в крови и происходит отложение мочекислых солей, что приводит к заболеванию подагрой.
Гликогеновая болезнь связана с нарушением синтеза и разложения гликогена – животного крахмала. Гликоген образуется из глюкозы при голодании; в норме он снова превращается в глюкозу и усваивается организмом. При нарушении этих процессов у человека развиваются тяжелые заболевания – различные типы гликогенозов. К ним относятся болезнь Гирке, болезнь Помпе и др.
Гликогеноз (I тип – болезнь Гирке). У больных в печени, почках и слизистой кишечника накапливается большое количество гликогена. Превращение его в глюкозу не происходит, т.к. отсутствует фермент глюко-6-фосфатаза, регулирующий уровень глюкозы в крови. В результате у больного развивается гипогликемия, в печени, почках и слизистой кишечника накапливается гликоген. Болезнь Гирке наследуется по аутосомно-рецессивному типу.
Сразу после рождения главными симптомами болезни являются глико-гемические судороги и гепатомегалия (увеличение печени). С 1-го года жизни отмечается задержка роста. Характерен вид больного: большая голова, “кукольное лицо”, короткая шея, выступающий живот. Кроме того, отмечаются носовые кровотечения, задержка физического и полового развития, мышечная гипотония. Интеллект при этом нормальный. В крови повышается уровень мочевой кислоты, так что с возрастом может развиться подагра.
В качестве лечения используется диетотерапия: частый прием пищи, повышенное содержание углеводов и ограничение жиров в диете.
Гликогеноз (II тип – болезнь Помпе) протекает в более тяжелой форме. Гликоген накапливается как в печени, так и в скелетных мышцах, миокарде, легких, селезенке, надпочечниках, стенках сосудов, в нейронах.
У новорожденных спустя 1-2 месяца появляется мышечная слабость, дефицит 1,4-глюкозидазы в печени и в мышцах. В этот же период возникают кардиомегалия (увеличение сердца) и макроглоссия (патологическое увеличение языка). Нередко у больных развивается тяжелая форма пневмонии из-за накопления секрета в дыхательных путях. Дети погибают на первом году жизни.
Болезнь наследуется по аутосомно-рецессивному типу. Ген локализован на длинном плече 17-й хромосомы. Диагностика заболевания возможна еще до рождения ребенка. С этой целью определяют активность фермента 1,4-глюкозидазы в амниотической жидкости и ее клетках.
Известны и другие типы гликогенозов (III-VII), которые в общем повторяют клиническую картину первого типа. Для их диагностики необходимы специальные биохимические исследования (Шевченко, 2004).
Галактоземия. При этом заболевании происходит накопление в крови больного галактозы, что приводит к поражению многих органов: печени, нервной системы, глаз и др. Симптомы болезни появляются у новорожденных после приема молока, поскольку галактоза – составная часть молочного сахара лактозы. При гидролизе лактозы образуются глюкоза и галактоза. Последняя необходима для миелинизации нервных волокон. При избытке галактозы в организме она в норме превращается в глюкозу с помощью фермента галактоза-1 – фосфат-уридил-трансферазы. При понижении активности этого фермента происходит накопление галактоза-1-фосфата, токсичного для печени, мозга, хрусталика глаза. (Слюсарев, Жукова, 1987)
Болезнь проявляется с первых дней жизни расстройствами пищеварения, интоксикацией (понос, рвота, обезвоживание). У больных увеличивается печень, развивается печеночная недостаточность и желтуха. Обнаруживается катаракта (помутнение хрусталика глаза), умственная отсталость. У погибших в первый год жизни детей при вскрытии обнаруживают цирроз печени. Наиболее точные методы диагностики галактоземии – определение активности фермента галактоза-1-фос-фат-уридилтрансферазы в эритроцитах, а также галактозы в крови и моче, где уровни ее увеличены. При исключении из пищи молока (источника галактозы) и раннем назначении диеты больные дети могут нормально развиваться. Тип наследования галактоземии – аутосомно-рецессивный. Ген локализован на коротком плече 9-й хромосомы. Болезнь встречается с частотой 1 на 16.000 новорожденных.
Наследственные заболевания, связанные с нарушением
липидного обмена
В число липидов входят холестерол (холестерин), триглицериды, эфиры холестерола, фосфолипиды, сфинголипиды и др.
Наследственные болезни обмена липидов (липидозы) подразделяются на два основных типа :
1) внутриклеточные, при которых происходит накопление липидов в клетках различных тканей;
2) болезни с нарушением метаболизма липопротеидов, содержащихся в крови.
К числу наиболее изученных наследственных заболеваний липидного обмена первого типа относятся болезнь Гоше, болезнь Ниманна – Пика и амавротическая идиотия (болезнь Тея-Сакса).
Болезнь Гоше характеризуется накоплением цереброзидов в клетках нервной и ретикуло-эндотелиальной системы, обусловленным дефицитом фермента глюкоцереброзидазы. Это приводит к накоплению в клетках ретикуло-эндотелиальной системы глюкоцереброзида. В клетках мозга, печени, лимфатических узлах обнаруживаются крупные клетки Гоше. Накопление цереброзида в клетках нервной системы приводит к их разрушению.
Выделяют детскую и ювенильную формы болезни. Детская проявляется в первые месяцы жизни задержкой умственного и физического развития, увеличением живота, печени и селезенки, затруднением глотания, спазмом гортани. Возможна дыхательная недостаточность, инфильтрация (уплотнение легких клетками Гоше) и судороги. Смерть наступает на первом году жизни .
Наиболее часто встречается ювенильная форма болезни Гоше. Она поражает детей различного возраста и носит хронический характер. Заболевание проявляется, как правило, на первом году жизни. Возникают пигментация кожи (коричневые пятна), остеопороз (снижение плотности кости), переломы, деформация костей. В тканях мозга, печени, селезенки, костного мозга содержится большое количество глюкоцереброзидов. В лейкоцитах, клетках печени и селезенки снижена активность глюкозидазы. Тип наследования аутосомно-рецессив-ный. Ген локализован на длинном плече 1-й хромосомы.
Болезнь Ниманн-Пика обусловлена снижением активности фермента сфингомиелиназы. В результате происходит накопление сфингомиелина в клетках печени, селезенке, мозге, ретикуло-эндотелиальной системе. Вследствие дегенерации нервных клеток нарушается деятельность нервной системы. Выделяют несколько форм заболевания, различающихся клинически (время начала, течение и тяжесть неврологических проявлений). Однако имеются и общие для всех форм симптомы.
Болезнь чаще проявляется в раннем возрасте. У ребенка увеличиваются лимфатические узлы, размеры живота, печени и селезенки; отмечаются рвота, отказ от пищи, мышечная слабость, снижение слуха и зрение. У 20-30% детей на сетчатке глаза обнаруживается пятно вишневого цвета (симптом “вишневой косточки”). Поражение нервной системы ведет к отставанию нервно-психического развития, глухоте, слепоте. Резко снижается устойчивость к инфекционным заболеваниям. Дети погибают в раннем возрасте. Наследование болезни – аутосомно-рецессивное. Ген сфингомиелиназы картирован на хромосоме 11. Диагностика болезни Ниманна-Пика основана на выявлении в плазме крови и спинномозговой жидкости повышенного содержания сфингомиелина. В периферической крови выявляются большие зернистые пенистые клетки Пика. Лечение симптоматическое.
Наследственные аномалии циркулирующих белков.
Гемоглобинопатии
Гемоглобинопатии – это болезни, связанные с наследственным нарушением синтеза гемоглобина. Выделяют количественные (структурные) и качественные их формы. Первые характеризуются изменением первичной структуры белков гемоглобина, что может приводить к нарушению его стабильности и функции. При качественных формах структура гемоглобина остается номрмальной, снижена лишь скорость синтеза глобиновых цепей.
Талассемии. Данная патология обусловлена снижением скорости синтеза полипептидных цепей нормального гемоглобина А. Впервые болезнь описана в 1925 г. Ее название происходит от греческого “Таласса” – Средиземное море. Полагают, что со средиземноморским регионом связано происхождение большинства носителей гена талассемии. Талассемия встречается в гомо- и гетерозиготных формах. По клинической картине принято различать большую, промежуточную, малую и минимальную формы. Остановимся на одной из них.
Гомозиготная (большая) талассемия, она же – анемия Кули вызывается резким снижением образования гемоглобина HbA1 и увеличением количества гемоглобина F. Клинически болезнь проявляется к концу первого года жизни ребенка. Для нее характерны монголоидность лица, башенный тип черепа, отставание физического развития. При данной патологии в крови больного обнаруживаются мишеневидные эритроциты с низким содержанием Нв, укороченной продолжительностью жизни и повышенной осмотической стойкостью. У больных отмечается увеличение селезенки и, реже, печени. По тяжести заболевания выделяют несколько форм талассемии. Тяжелая талассемия заканчивается быстрой гибелью в первые месяцы жизни ребенка. При хронической – больные дети доживают до 5-8 лет, а при легких формах больные доживают до взрослого возраста.
Встречаются генетически обусловленные расстройства минерального обмена. Это различные нарушения обмена калия, кальция, фосфора. Так, при наследственной форме рахита нарушена реабсорбция неорганических фосфатов в почечных канальцах. Заболевание наследуется по доминантному типу, ген локализован в Х-хромосоме, поэтому болеют и мужчины, и женщины.
Нарушения минерального обмена могут касаться и ионов металлов. Примером может служить расстройство обмена меди. Соединения меди играют большею роль в обменных процессах. Медь входит в состав многих ферментов, участвующих в реакциях окисления, которые встроены в мембраны митохондрий и осуществляют важнейшие этапы окислительных реакций. Недостаток этих ферментов приводит к тяжелым нарушениям как на клеточном, так и на организменном уровнях. При определенной генной мутации тормозится синтез белка церуллоплазмина, связывающего медь. В результате нарушается обмен этого иона, содержание его в крови падает и медь накапливается в тканях печени и мозга, вызывая их дегенерацию (гепатоцере-бральная дегенерация, или болезнь Вильсона — Коновалова).
Ряд патологических признаков человека определяется не одним, а несколькими генами — явление полимерии, или полигенного наследования. Примерами таких заболеваний являются гипертоническая болезнь, атеросклероз, подагра. Они отличаются тем, что в большей степени зависят от влияния условий среды, это так называемые болезни с наследственным предрасположением. Такое заболевание может и не проявиться при благоприятных условиях среды или проявиться в слабой степени (Слюсарев, Жукова, 1987).
Генные болезни – это большая группа заболеваний, возникающих в результате повреждения ДНК на уровне гена.
Общая частота генных болезней в популяции составляет 1-2%. Условно частоту генных болезней считают высокой, если она встречается с частотой 1 случай на 10.000 новорожденных, средней – 1 на 10.000-40.000 и далее – низкой. Моногенные формы генных заболеваний наследуются в соответствии с законами Г. Менделя. По типу наследования они делятся на аутосомно-доминантные, аутосомно-рецессивные и сцепленные с Х- или Y-хромосомами. Большинство генных патологий обусловлено мутациями в структурных генах, осуществляющих свою функцию через синтез полипептидов – белков. Любая мутация гена ведет к изменению структуры или количества белка. Начало любой генной болезни связано с первичным эффектом мутантного аллеля. Основная схема генных болезней включает ряд звеньев: мутантный аллель → измененный первичный продукт → цепь последующих биохимических процессов клетки → органы → организм.
В результате мутации гена на молекулярном уровне возможны следующие варианты:
2) выработка избыточного количества генного продукта;
3) отсутствие выработки первичного продукта;
4) выработка уменьшенного количества нормального первичного продукта,
Не заканчиваясь на молекулярном уровне в первичных звеньях, патогенез генных болезней продолжается на клеточном уровне. При различных болезнях точкой приложения действия мутантного гена могут быть как отдельные структуры клетки – лизосомы, мембраны, митохондрии, пероксисомы, так и органы человека. Клинические проявления генных болезней, тяжесть и скорость их развития зависят от особенностей генотипа организма (гены-модификаторы, доза генов, время действия мутантного гена, гомо- и гетерозиготность и др.), возраста больного, условий внешней среды (питание, охлаждение, стрессы, переутомление) и других факторов. Особенностью генных (как и вообще всех наследственных) болезней является их гетерогенность. Это означает, что одно и то же фенотипическое проявление болезни может быть обусловлено мутациями в разных генах или разными мутациями внутри одного гена. Впервые гетерогенность наследственных болезней была выявлена С. Н. Давиденковым в 1934 г.
Рассмотрим наиболее часто встречающиеся и генетически наиболее изученные в настоящее время генные болезни. Генные мутации происходят на молекулярном уровне и затрагивают, как правило, один или несколько нуклеотидов внутри отдельного гена. Этот тип мутаций можно разделить на две большие группы. Первую из них обсусловливает сдвиг рамки считывания. К второй группе относят генные мутации, связанные с заменой пар оснований. Последние составляют не более 20% спонтанных мутаций, остальные 80% мутаций происходят в результате различных делеций и вставок.
Существуют два типа замены оснований:
1. Транзиции заключаются в замене одного пуринового на пуриновое основание или одного пиримидинового на пиримидиновое основание (А → G; С→ Т).
2. Трансверсии, при которых пуриновое основание меняется на пиримидиновое или наоборот (А → С; G → Т).
Такие изменения происходят как спонтанно, так и под действием различных мутагенов. Спонтанные транзиции возможны при репликации ДНК, что обусловлено существованием молекулы ДНК в нескольких таутомерных формах (за счет изменения положения протона, меняющего химические свойства
А – спаривание 5-бромурацила (BU) с аденином и Б – с гуанином. Внизу – два механизма индукции транзиции; В – ошибка репликации, состоящая в том, то BU включается при репликации в редкой енольной форме, с G (2); в третьем цикле репликации (3) G нормально спаривается с С, и таким образом завершается переход AT → GC. Г – ошибка включения, состоящая в том, что BU в редкой фенольной форме спаривается с G (1), а затем в обычной кетоформе спаривается с А (2); в третьем цикле репликации (3) А нормально паривается с Т, и таким образом завершается переход GC → AT молекул). В результате изменяется способность нуклеотидов образовывать водородные связи, а аденин приобретает свойства гуанина, гуанин – аденина, цитозин – тимина, а тимин – цитозина. При последующей репликации такой таутомерный переход приводит к транзиции. Так, например, в обычной аминной форме аденин взаимодействует с тимином, а в редкой иминоформе образует пару с цитозином. При последующей репликации будет иметь место транзиция AT → GC.
Доказательством связи процесса репликации с мутагенезом стало открытие мутагенного эффекта аналогов оснований ДНК – 5-бромурацила и 2-аминопурина. 5-бромурацил включается в ДНК вместо тимина и образует пары с аденином. В дальнейшем при репликации ДНК возможна мутация за счет ошибочного спаривания 5-бромурацила с гуанином (ошибка считывания) либо за счет ошибки при включении аналога ДНК (ошибка включения).
Менее ясны механизмы возникновения трансверсий. Одна из причин их возникновения, по-видимому, заключена в механизме репарации. Серповидно-клеточная анемия является ярким примером молекулярной болезни, возникающей из-за наследственного нарушения структуры гемоглобина. У мутантного гена, кодирующего одну из цепей гемоглобина, нарушен всего один нуклеотид, и в матричной РНК происходит замена аденина на урацил (ГАА на ГУА). В результате происходит изменение биохимического фенотипа – в β-цепи гемоглобина глутаминовая кислота замещается на валин. Это замена изменяет поверхность гемоглобиновой молекулы таким образом, что она вступает в реакцию с соседними молекулами и образует длинные линейные тяжи, деформирующие эритроциты. Приобретая серповидно-клеточную форму, эритроциты либо закупоривают мелкие сосуды, либо быстро удаляются из кровообращения, что может приводить к гемолитической анемии.
Мутации со сдвигом рамки считывания представляют собой вставки или выпадения одной или нескольких пар нуклеотидов. В зависимости от места нарушения изменяется то или иное количество кодонов. Соответственно в белке могут появиться дополнительные аминокислоты или измениться их последовательность. Большая часть мутаций этого типа обнаружена в молекулах ДНК, состоящих из одинаковых оснований. Значимость генных мутаций для жизнеспособности организма неодинакова. Различные изменения в нуклеотидной последовательности ДНК по-разному проявляются в фенотипе. Некоторые “молчащие мутации” не оказывают влияния на структуру и функцию белка. Примером такой мутации может служить замена нуклеотидов, не приводящая к замене аминокислот.
По функциональному значению генные мутации можно разделить на 3 класса:
1) ведущие к полной потере функции;
2) в результате которых происходят количественные изменения мРНК и первичных белковых продуктов;
3) доминантно-негативные, изменяющие свойства белковых молекул таким образом, что они оказывают повреждающее действие на жизнедеятельность клеток (Гуттман, 2004).
Наследственные болезни аминокислотного обмена
Это – самая многочисленная группа наследственных болезней обмена веществ. Почти все они наследуются по аутосомно-рецессивному типу. Причина заболеваний – недостаточность того или иного фермента, ответственного за синтез аминокислот. Болезни сопровождаются рвотой и обезвоживанием организма, летаргическим состоянием или возбуждением и судорогами. В позднем возрасте проявляется угасание умственного и физического развития.
К наследственным болезням с нарушенным аминокислотным обменом относится фенилкетонурия, альбинизм и др.
Серповидноклеточная анемия – наиболее часто встречаемое наследственное заболевание, вызванное изменением структуры молекулы гемоглобина. Люди, страдающие серповидно-клеточной анемией, в большинстве случаев погибают, не достигнув зрелого возраста. В условиях низкого парциального давления кислорода их эритроциты приобретают форму серпа. У родителей больного эритроциты
Это заболевание впервые обнаружил в 1910 г. Дж. Херрик у студента-негра, страдавшего тяжелой формой анемии. В крови больного он выявил эритроциты необычной серповидной формы. Оказалось, что это заболевание не редкое явление у американских негров (рис. 8.8).
В 1946 г. Нобелевский лауреат Л. Полинг с коллегами провели биохимический и генетический анализ гемоглобина больных и здоровых людей и показали, что гемоглобины нормальных и серповидноклеточных эритроцитов различаются по подвижности в электрическом поле и растворимости. Оказалось, что гемоглобин у людей с признаками серповидноклеточности представляет смесь равных количеств и нормального и мутантного гемоглобина. Стало ясно, что мутация, вызывающая серповидноклеточную анемию, связана с изменением химической структуры гемоглобина.
Дальнейшие исследования показали, что в случае серповидноклеточной анемии происходит замена глютаминовой кислоты на валин в шестой паре нуклеотидов гена, кодирующего β -цепь гемоглобина человека. У гетерозигот измененный гемоглобин составляет 20-45 %, у гомозигот – 60-99 % общего гемоглобина.
При данной патологии отмечают бледность кожи и слизистых оболочек, желтушность. У 60% детей увеличена печень. Отмечается также шумы в области сердца и др. Болезнь протекает в виде чередования кризов и ремиссий.
Специальных методов лечения нет. Важное значение имеет предохранение больного от воздействия факторов, провоцирующих развитие болезни (гипоксия, обезвоживание, холод и др.) (Слюсарев, Жукова, 1987).
Основная цель медико-генетического консультирования – предупреждение рождения больного ребенка. Главными задачами МГК являются:
1. Установление точного диагноза наследственной патологии.
2. Пренатальная (дородовая) диагностика врожденных и наследственных заболеваний различными методами (ультразвуковыми, цитогенетическими, биохимическими, молекулярно-генетическими).
3. Определение типа наследования заболевания.
4. Оценка величины риска рождения больного ребенка и оказание помощи в принятии решения.
5. Пропаганда медико-генетических знаний среди врачей и населения.
Поводом для медико-генетического консультирования могут быть:
1. Рождение ребенка с врожденными пороками развития, умственной и физической отсталостью, слепотой и глухотой, судорогами и др.
2. Спонтанные аборты, выкидыши, мертворождения.
3. Близкородственные браки.
4. Неблагополучное течение беременности.
5. Работа супругов на вредном предприятии.
6. Несовместимость супружеских пар по резус-фактору крови.
7. Возраст женщины старше 35 лет, а мужчины – 40 лет.
Современные методы пренатальной диагностики
наследственных заболеваний
Эффективность медико-генетического консультирования значительно возрастает благодаря использованию современных методов пренатальной (дородовой) диагностики. Она позволяет задолго до рождения ребенка определить заболевание и, если необходимо, прервать беременность. Такая ситуация возникает в случае наследственных заболеваний, лечение которых в настоящее время не дает нужных результатов.
Основными показателями к проведению дородовой диагностики являются:
1). Наличие в семье точно установленного наследственного заболевания.
2). Наличие в семье заболевания, сцепленного с полом.
3). Возраст будущей матери от 35 лет, а отца – от 40 лет.
4). Гетерозиготность обоих родителей по одной паре аллелей при аутосомно-рецессивном заболевании
5). Наличие структурных перестроек хромосом (особенно транслокаций и инверсий) у одного из родителей.
6). Наличие в анамнезе беременной, длительной работы на вредных для здоровья производствах, проживание в зонах с повышенным радиационным фоном и др.
К основным методам пренатальной диагностики относятся:
1. Определение альфа-фетопротеина.
2. Ультразвуковое исследование плода (УЗИ).
3. Биопсия хориона и плаценты.
4. Амниоцентез (прокол плодного пузыря для получения околоплодной жидкости).
5. Кордоцентез (взятие крови из пуповины).
6. Фетоскопия (введение зонда и осмотр плода).
Определение альфа-фетопротеина (АФП) в крови и амниотической жидкости беременной получило большое распространение. АФП – это белок, вырабатываемый клетками печени плода. Оптимальным сроком для его определения в сыворотке крови матери является 15-16-я неделя беременности. Установлено, что концентрация АФП в крови беременной может существенно повышаться при некоторых аномалиях плода, например, спиномозговой грыже, врожденном нефрозе, дефектах нервной трубки и брюшной стенки. В случае уточнения диагноза аномалии нервной трубки проводится детальное ультразвуковое обследование плода и содержание белка в амниотической жидкости. Следует отметить, что концентрация АФП в крови беременных может быть повышена и при других заболеваниях матери: опухоль печени, хронический гепатит, цирроз и др.
В крови женщин, вынашивающих плод с хромосомными аномалиями (синдром Дауна, Эдвардса и др.) уровень АФП снижен. Если концентрация АФП мала, назначается цитогенетический анализ клеток плода.
Биохимические методы. Эти методы используются для диагностики болезней обмена веществ, причиной которых является изменение активности определенных ферментов. С помощью биохимических методов открыто около 500 молекулярных болезней, являющихся следствием проявления мутантных генов. При различных типах заболеваний удается либо определить сам аномальный белок-фермент, либо промежуточные продукты обмена. Эти методы отличаются большой трудоемкостью, требуют специального оборудования и потому не могут быть широко использованы для массовых популяционных исследований с целью раннего выявления больных с наследственной патологией обмена.
В последние два десятилетия в разных странах разрабатываются и применяются для массовых исследований специальные программы. Первый этап такой программы состоит в том, чтобы среди большого количества обследуемых выделить предположительно больных, имеющих какое-то наследственное отклонение от нормы. Такая программа называется просеивающей, или скрин-нинг-программой (англ. screening — просеивание). Для этого этапа обычно используется небольшое количество простых, доступных методик (экспресс-методов). Экспресс-методы основаны на простых качественных реакциях выявления продуктов обмена в моче, крови. На втором этапе проводится уточнение (подтверждение диагноза или отклонение при ложно-положительной реакции на первом этапе). Для этого используются точные хроматографические методы определения ферментов, аминокислот и т. п.
Применяют также микробиологические тесты, они основаны на том, что некоторые штаммы бактерий могут расти только на средах, содержащих определенные аминокислоты, углеводы. Удалось получить штаммы по веществам, являющимся субстратами или промежуточными метаболитами у больных при нарушении обмена. Если в крови или моче есть требуемое для роста вещество, то в чашке Петри вокруг фильтровальной бумаги, пропитанной одной из этих жидкостей, наблюдается активное размножение микробов, чего не бывает в случае анализа у здорового человека. Разрабатываются различные варианты микробиологических методов.
Цитогенетический метод. Принципы цитогенетических исследований сформировались в течение 20—30-х годов на классическом объекте генетики — дрозофиле и на некоторых растениях. Метод основан на микроскопическом исследовании хромосом.
Нормальный кариотип человека включает 46 хромосом, из них 22 пары аутосом и 2 половые хромосомы. До 1956 г. количество хромосом у человека не было точно установлено, это удалось шведским ученым Д. Тийо и А. Левану. К этому времени в лаборатории успешно производили культивирование клеток человека (клетки костного мозга, культуры фибробластов или лейкоцитов периферической крови, стимулированных к делению фито- . гемагглютинином). Добавление колхицина останавливает процесс митоза на стадии метафазы, так как инактивируются нити веретена; затем клетки обрабатываются гипотоническим раствором. В результате набухания и разрыва клеточных мембран хромосомы оказываются лежащими свободно и на некотором расстоянии друг от друга (метафазные пластинки). Это дает возможность подсчитывать их и анализировать. Важнейшая задача состоит в умении различать индивидуальные хромосомы в данной метафазной пластинке. Непосредственно, путем визуального наблюдения под микроскопом это сделать трудно, поэтому обычно делают микрофотографии, а затем вырезают отдельные хромосомы и располагают их в порядке убывающей величины, т. е. производят построение карио граммы.
Для идентификации хромосом применяют количественный морфометриче-ский анализ. С этой целью проводят измерение длины хромосомы в микрометрах. Определяют также соотношение длины короткого плеча к длине всей хромосомы (центромерный индекс).
В 1960 г. была разработана первая Международная классификация хромосом человека (Денверская). В основу ее были положены особенности величины хромосом и расположение первичной перетяжки. По форме и общим размерам все аутосомы человека подразделяются на 7 групп, обозначаемых латинскими буквами А, В, С, D, E, F, G. Все хромосомы имеют порядковые номера. Наиболее крупная пара гомологичных хромосом имеет № 1, следующая — № 2 и т. д. Самые маленькие из хромосом человека— № 21 и 22. Половые хромосомы — крупная X и мелкая Y—выделяются отдельно. В последнее время разрабатываются автоматические и полуавтоматические системы для измерения и количественного анализа хромосом. (Слюсарев, Жукова, 1987)
Однако идентификация хромосом только по указанным признакам встречает большие затруднения. Фактически удается определить, к какой группе относится хромосома, а в пределах группы определить ее место и номер часто не представляется возможным. В дальнейшем положения Денверской классификации были развиты, дополнены. Классификация хромосом человека дополнены новыми критериями и конкретизированы на последующих международных конференциях, последней из которых была Парижская IV конференция по стандартизации хромосом человека (1971). Были использованы принципиально новые методические подходы. В 1968—1970 гг. были опубликованы работы шведского генетика Касперссона, который применил для изучения хромосом флюоресцентные красители, в частности акрихин-иприт и его производные. Последующее изучение в люминесцентном микроскопе показало, что хромосомы не дают равномерного свечения по длине.
Выявляемая обычными ядерными красителями однородность хромосом оказалась обманчивой, в ней выделяется несколько светящихся полос, совпадающих с локализацией структурного гетерохроматина. Кроме крупных, еильно флюоресцирующих участков, каждая хромосома имеет чередующиеся диски. Этот рисунок свечения строго специфичен для каждой хромосомы. После удаления из хромосом ДНК они теряют почти полностью способность к флюоресценции. При изучении многих видов млекопитающих оказалось, что способностью к акрихиновой флюоресценции обладают хромосомы человека, гориллы и шимпанзе. В интерфазных ядрах этим методом выявляется К-хромосома, которая имеет вид очень ярко светящегося зеленоватого тельца.
В настоящее время разработано несколько методов выявления структурной неоднородности по длине хромосом человека. Основу всех методов составляют произведенные на препаратах процессы денатурации и ренатурации ДНК хромосом. Если после денатурации ДНК, вызванной нагреванием и некоторыми другими факторами, провести затем ее ренатурацию— восстановление исходной двунитчатой структуры, а затем окрасить хромосомы красителем Гимзы, то в них выявляется четкая дифференцировка на темноокра-шенные и светлые полосы — диски. Последовательность расположения этих дисков, их рисунок строго специфичен для каждой хромосомы. В результате различных вариантов метода удается выявить центромерный и околоцентромерный гетерохроматин (С-диски), диски, расположенные по длине хромосом (собственно Гимзы-диски, G-диски).
Значительный вклад в изучение хромосом сделан советскими цитогенетика-ми А. А. Прокофьевой — Бельговской, А. Ф. Захаровым. В институте медицинской генетики А. Ф. Захаровым был разработан перспективный метод изучения хромосом. В основу его положен процесс неодновременной репликации хромосом: одни участки реплицируются раньше, у других этот процесс задерживается и репликация происходит значительно позднее. Неодновременно идет процесс спирализации. хромосом, вступающих в митоз. Однако к тому моменту, когда хромосомы вступают в метафазу, успевает завершиться процесс выравнивания этих различий, и степень конденсации метафазных хромосом становится одинаковой. Было показано, что можно задержать этот процесс путем введения 5-бромдезоксиуридина (5-БДУ), которое является аналогом тимидина — предшественника ДНК. Если 5-БДУ вводить в конце S-периода, то он включается в синтез ДНК; те участки хромосом, где находится это вещество, остаются слабоокрашенными, так как была задержана спирализация. Рано редуцировавшиеся участки хромосомы, успевшие спирализоваться, интенсивно окрашиваются (Р-диски). Расположение светлых и темных дисков при этом методе противоположно тому, что наблюдается при G-окраске.
Сравнительный анализ различных методов окраски показал, что один и тот же диск может выделяться как светлый, неокрашенный или темноокра-шенный, но порядок расположения дисков идентичен при всех методиках (Q, С, G и Р-диски). Следовательно, не вызывает сомнения, что их расположение и последовательность имеют закономерный характер, специфичный для каждой хромосомы. Природа этой специфической дифференциации хромосом на диски еще окончательно не выяснена, как и причины акрихиновой флюоресценции участков хромосом. Имеются предположения, что это связано с наличием блоков повторяющихся последовательностей нуклеотидов в молекуле ДНК или с особенностями ее связи с белками, входящими в состав хромосомы. Выявление внутренней структурной неоднородности хромосом сыграло важную роль в дальнейшем развитии цитогенетики человека и положено в основу международной номенклатуры.
Если нарушения касаются половых хромосом, то диагностика упрощается. В этом случае проводится не полное кариотипирование, а применяется метод исследования полового хроматина в соматических клетках.
Половой хроматин — это небольшое дисковидное тельце, интенсивно окрашивающееся гематоксилином и другими основными красителями. Оно обнаруживается в интерфазных клеточных ядрах млекопитающих и человека, непосредственно под ядерной мембраной. Половой хроматин обнаружили впервые в 1949 г. М. Барр и Ч. Бертрам в нейронах кошки; исследователи обратили внимание, что он присутствует только в ядрах клеток самок и отсутствует у самцов.
Впоследствии было уточнено, что половой хроматин имеется в большинстве клеточных ядер самок (60—70 %), у самцов его обычно нет, либо встречается очень редко (3—5 %). В клетках мужчины иногда можно видеть очень небольшое количество псевдотелец полового хроматина — это конденсированные участки аутосом и спирализованныеY-хромосомы. Они значительно мельче Х-хроматина и отличаются по форме, расположению и количеству. Половой хроматин представляет собой спирализованную Х-хромосому, которая у женщин претерпевает инактивацию еще в раннем эмбриогенезе до развития половых желез. Инактивация одной из Х-хромосом является механизмом, выравнивающим баланс генов половых хромосом в клетках организмов мужского и женского пола.
Половой хроматин может быть определен в любых тканях. Чаще всего исследуются эпителиальные клетки слизистой оболочки щеки. Это особенно удобно для массовых исследований. Могут использоваться и клетки других тканей.
К числу перспективных методов пренатальной диагностики относится биопсия плода и плаценты. Она проводится на более ранних, чем УЗИ, сроках беременности (7-9 недель). Ворсинки хориона берут особым шприцом с помощью гибкого катетера через шейку матки. Затем их подвергают лабораторной диагностике с помощью цитологических, биохимических, молекулярно-генетических методов. В случае выявления наследственных заболеваний у плода беременность прерывают. Одним из осложнений хорионбиопсии является относительно высокая частота спонтанных абортов (выкидышей). Общие потери плода после хорионбиопсии в среднем составляют 2,5-3%, а в некоторых случаях и выше, что ограничивает применение этого метода. Каких-либо нарушений плаценты, роста плода, появлений пороков развития и увеличения перинатальной смертности после хорионбиопсии не отмечается. Однако, существуют данные, что ранняя хорионбиопсия может вызывать поперечные врожденные апмутации конечностей (редукционные пороки). По этой причине в последнее время хорионбиопсию не рекомендуется проводить ранее 8-й недели, а плацентобиопсию – 12-й недели беременности (Слюсарев, Жукова, 1987).
Амниоцентез – это прокол плодного пузыря для взятия 8-10 мл околоплодной жидкости с находящимися в ней слущенными клетками амниона и плода. Последние являются основным субстратом для цитологических и биохимических исследований. Этот метод является наиболее распространенным и доступным. Проводится на 15-18-й неделе беременности. Риск осложнения ее течения незначителен (0,2%).
Амниоцентез делают чрезбрюшинно под контролем УЗИ, чтобы не повредить плаценту. Чрезвлагалищный амниоцентез применяется редко.
С помощью этого метода диагностируют многие хромосомные нарушения, болезни, сцепленные с полом, болезни обмена веществ (болезнь Тея-Сакса, мукополисахаридозы, гликогенозы, фенилкетонурия и др.).