Предмет и проблематика медицинской генетики.

История развития генетической науки

Впервые представления о передаче патологических наследственных признаков отражены в Талмуде (собрание догматических, религиозно-этических и правовых положений иудаизма, сложившихся в IV в. до н.э.).

В ХVIII в. описано наследование доминантного (полидактилия) и рецессивного (альбинизм у негров) признаков. Особого внимания заслуживает книга лондонского врача Адамса, вышедшая в 1814 г. под названием «Трактат «О предполагаемых наследственных свойствах болезней, основанных на клиническом наблюдении». Через год она была переиздана под названием «Философский трактат о наследственных свойствах человеческой расы». Это был первый справочник для генетического консультирования. В ней сформулировано несколько принципов медицинской генетики:

- браки между родственниками повышают частоту семейных болезней;

- 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 работал В.М. Флоринский. Он изложил свои взгляды по усовершенствованию человеческого рода. Однако ряд предположений был противоречив и неверен. В своих трудах он правильно оценил значение среды для формирования наследственных признаков, подчеркнул вред родственных браков. Показал наследственный характер многих патологических признаков (глухонемота, альбинизм). Однако книга не нашла отклика среди медиков и биологов того времени, так как ученые еще не были подготовлены к Восприятию этих идей.

В последней четверти XIX в. наибольший вклад в становление генетики человека внес английский биолог Ф. Гальтон (двоюродный брат Ч. Дарвина). Он первым поставил вопрос о наследственности человека как предмете для изучения, обосновал применение генеалогического, близнецового и статистического методов для ее изучения и заложил основы для будущего развития генетики человека. Принципиальная ошибка Ф. Гальтона заключается в том, что во всех евгенических мероприятиях он рекомендовал не столько избавиться от патологических генов человека, сколько повысить количество «хороших» генов в человеческих популяциях путем предоставления преимущественных условий для размножения более одаренных, гениальных людей.

В 1865 г. Грегор Мендель глубоко и последовательно с математическим описанием в опытах на горохе сформулировал законы доминирования для первого поколения гибридов, расщепления и комбинирования наследственных признаков в потомстве гибридов.

В 1900 г. три ботаника независимо друг от друга, не зная работы Г. Менделя, на разных объектах повторили его открытие: Де Фриз из Голландии - в опытах с энтерой, маком и дурманом, Корренс из Германии - с кукурузой, Чермак из Австрии - с горохом. Поэтому 1900 г. считается годом рождения генетики. С него начался период изучения наследственности, отличительной чертой которого стал предложенный ранее Г. Менделем гибридологический метод, анализ наследования отдельных признаков родителей в потомстве.

В 1908 г. Г. Харди и В. Вайнберг показали, что менделевские законы объясняют процессы распределения генов в популяциях (от лат. populus-население, народ).

В это время работал молодой Н.И. Вавилов, сформулировавший один из генетических законов - закон гомологических рядов наследственной изменчивости.

Н.К. Кольцов, Ю.А. Филипченко и некоторые другие ученые в рамках евгенической программы проводили работы по генетике одаренности, изучая родословные выдающихся личностей.

Так, Н.К. Кольцов и Ю.А. Филипченко правильно поставили вопрос о значении социальной среды в реализации индивидуальных способностей. Они полностью отвергли насильственный путь улучшения породы человека.

Конец 20-х - начало 30-х годов характеризуются довольно большими успехами в развитии генетики. К этому времени стала общепризнанной хромосомная теория наследственности. Т. Морган и его ученики экспериментально доказали, что гены расположены в хромосомах в линейном порядке и образуют группы сцепления.

Теоретическая и экспериментальная работы С.С. Четверикова (1926, 1929) положили начало современной генетике популяций

В ряде стран начала развиваться медицинская генетика. В 20-30-х годах работал талантливый клиницист и генетик С.Н. Давиденков (1880-1961), который внес свой вклад в изучение наследственных болезней, а также первым в стране начал проводить медико-генетическое консультирование и разрабатывать методику этого вида медицинской помощи.

К концу 30-х - началу 50-х годов интерес к генетике человека снизился. Возобновились исследования лишь в начале 60-х годов.

Исследование ДНК проводилось многими учеными. Весь накопленный комплекс биологических и физико-химических знаний привел к тому, что в 1953 г. Д. Уотсон и Ф. Крик открыли двух цепочечную спиральную (пространственную) структуру молекулы ДНК. Затем бурно начала развиваться молекулярная и биохимическая генетика человека, а также иммуногенетика.

Развитие цитогенетики человека является ярким примером значения фундаментальных исследований для практического здравоохранения. Так, в 1956 г. А. Леван и Дж. Тио установили, что у человека хромосомный набор состоит из 46 хромосом, а через три года были открыты хромосомные болезни. Очередным переломным моментом в цитогенетике человека была разработка методов дифференциальной окраски хромосом.

Следующим шагом в развитии современной генетики явилось картирование (определение места положения) генов в хромосомах человека. Успехи цитогенетики, генетики соматических клеток обеспечили прогресс в изучении групп сцепления (групп генов, наследующихся совместно). В настоящее время у человека известно 24 группы сцепления.

Предмет и проблематика медицинской генетики.

Медицинская генетика – раздел антропогенетики, изучающий наследственные болезни человека.

Наследственные болезни – болезни, причиной которых являются нарушения генотипа.

Наследственные болезни необходимо отличать от:

1) Врожденных болезней - болезней проявляющихся с момента рождения человека – наследственный генез для них не является обязательным, они могут развиться во время эмбриогенеза. Среди них часто встречаются фенокопии (Фенокопии — изменения фенотипа под влиянием неблагоприятных факторов среды, по проявлению похожие на мутации. В медицине фенокопии — ненаследственные болезни, сходные с наследственными.) наследственных заболеваний.

2) Семейных болезней – заболеваний, которые проявляются в нескольких поколениях в одной семье, обусловлены одинаковыми условиями жизни (например, туберкулёз).

Медицинская генетика изучает закономерности наследственности и изменчивости под углом зрения патологии (болезни), а именно - причины возникновения наследственных болезней, характер их наследования в семьях, распространение в популяциях людей, специфические процессы на клеточном и молекулярном уровнях.

Одна из задач медицинской генетики относится к изучению наследственной изменчивости - геномных, хромосомных и генных мутаций. Генетика выясняет условия их возникновения. При действии на формирующиеся половые клетки здоровых людей химических соединений и физических факторов возникает изменение генетических механизмов - мутации, которые выявляются не у лиц, подвергшихся воздействию, а у их потомства и выражаются в виде наследственных болезней и пороков развития.

К задачам медицинской генетики относится разработка методов лечения наследственных болезней, методов ранней диагностики (распознавания) наследственных болезней и методов их превентивного (предупредительного) дородового лечения.

К концу ХХ века в науке о генетике человека сформировались основные положения медицинской генетики:

1. Наследственные болезни являются частью общей наследственной изменчивости человека. Отсутствует четкая граница между наследственной изменчивостью, ведущей к различным вариантам нормальных признаков, и изменчивостью, вызывающей наследственные болезни.

2. Наследственная конституция (генотип) и внешняя среда принимают участие в развитии наследственных признаков или болезней. Всегда прослеживается взаимодействие во всех жизненных проявлениях, между наследственностью и средой. Но для развития одних признаков или болезней главенствующую роль занимает наследственность (генотип), а для возникновения иных важное значение имеет внешняя среда.

3. Человечество «отягощено» огромным «грузом» разнообразных мутаций,накопление данных мутаций происходит от поколения в поколение. Постоянно протекающий мутационный процесс поставлял новые мутации в генофонд человечества.

4. Наследственная «отягощенность» современного человечества состоит из нескольких компонентов.Первый — это накопленные в процессе передачи из поколения в поколение патологические мутации, другой — возникающие вновь наследственные изменения в половых клетках. Количество вновь возникающих мутаций изменяется под воздействием мутагенных факторов среды (ионизирующая радиация, химические вещества и другие факторы).

Основной раздел МГ (медицинской генетики) составляет клиническая генетика, которая изучает причину и патогенез наследственных болезней, изменчивость клинических проявлений и течения наследственной патологии и болезней, характеризующихся наследственным предрасположением, в зависимости от влияния генетических факторов и факторов окружающей среды, а также разрабатывает методы диагностики, лечения и профилактики этих болезней.

Клиническая генетика включает в себя нейрогенетику, дерматогенетику (изучающую наследственные заболевания кожи), фармакогенетику (изучающую наследственно обусловленные реакции организма на лекарственные средства).

Медицинская генетика связана со всеми разделами современной клинической медицины и другими областями медицины и здравоохранения, в т.ч. с биохимией, физиологией, морфологией, общей патологией, иммунологией.

Наследственные болезни делятся на генные и хромосомные.

Генные болезни- (молекулярные болезни,фенотипически - это болезни обмена веществ) – заболевания, причиной которых являются генные ("точковые") мутации. Эти болезни можно выявить и прогнозировать генеалогическим и биохимическим методами. Мутантные гены передаются из поколения в поколение, в соответствии с типом наследования. Известно более 2 тысяч генных болезней.

Хромосомные болезни – заболевания, причиной которых являются хромосомные или геномные мутации.

Генные (молекулярные) болезни встречаются чаще, чем хромосомные. У человека, по данным разных авторов, от 30 тыс. до 500 тыс. генов. Любая мутация гена – изменение структурного белка или белка – фермента приводит к нарушению обмена веществ и фенотипическому проявлению болезни. Частота возникновения мутаций у человека 10^–4 – 10 ^–6.

Доминантные гены со 100% пенетрантностью выявляются в первом поколении. Рецессивные патологические гены, их большинство, проявляются только в гомозиготном состоянии и заболевание может возникать через несколько поколений. Для рецессивных генов возможно проявление в каждом поколении, если они находятся в Х- хромосоме у мужчины.

Строение и функция хромосом

Хромосомы представляют собой надмолекулярный уровень организации генетического материала и морфологический субстрат наследственности. Основным компонентом хромосомы является ДНК, которая обеспечивает хранение, передачу и реализацию генетической информации, представленной в виде специфических полинуклеотидных последовательностей - генов.

Номенклатура хромосом.

На основании морфологических количественных (длина и положение центромеры) и качественных (сателлиты и вторичные перетяжки) критериев хромосомы человека классифицируют на 7 групп, которые обозначают буквами латинского алфавита от А до G:

- группаА (пары 1-3) – большие метацентрические хромосомы; хромосома 1 может иметь вторичную перетяжку (1qh), хромосома 2 слабо субметацентрическая;

- группа В(пары 4-5) – большие субметацентрические хромосомы;

- группа С(пары 6-12 и хромосома X) – субметацентрические хромосомы средних размеров; в этой группе у женщин 16 хромосом, у мужчин - 15; хромосомы 8, 9, 10 и 12 более субметацентрические, в то время как хромосомы 6, 7, 11 и X менее субметацентрические; хромосома 9 может иметь вторичную перетяжку на дистальном плече (9qh);

- группа D(пары 13-15) – средние акроцентрические хромосомы; все хромосомы этой группы имеют вторичную перетяжку и сателлит на проксимальном плече;

- группаЕ (пары 16-18) – хромосома 16 средняя метацентрическая, может иметь вторичную перетяжку на дистальном конце; хромосомы 17 и 18 мелкие и субметацентрические;

- группа F(пары 19-20) – мелкие метацентрические хромосомы;

- группа G (пары 21-22 и хромосома Y) – мелкие акроцентрические хромосомы; хромосомы 21 и 22 могут иметь вторичную перетяжку и сателлит на проксимальном плече; хромосома Y не имеет сателлита; хромосомы группы G используют для определения пола: в этой группе у женщин 4 акроцентрические хромосомы (2 хромасомы 21 + 2 хромасомы 22), а у мужчин – 5 акроцентрических хромосом (2 хр. 21 +2хр. 22+Y).

Номенклатура хромосом человека основана на международной системе стандартизации, которая позволяет обозначить нормальный или патологический кариотипы с использованием специальных символов и знаков, отражающих число хромосом и тип нарушения - недостаток, избыток или перераспределение хромосомного материала.

В случае нормального кариотипа человеказаписывается общее число хромосом, затем после запятой следует обозначение половых хромосом: нормальный кариотип женщины – 46 ХХ, нормальный кариотип мужчины - 46, XY.

Аномальные кариотипымогут быть связаны с численными и структурными нарушениями, например:

- аутосомные аномалии - в этом случае записывается общее число хромосом, запятая, половые хромосомы, запятая, + (лишняя хромосома) или - (отсутствие хромосомы), номер вовлеченной в нарушение хромосомы (например: 47, XX, +21 (трисомия 21); 47, XY, +13 (трисомия 13); 45, ХХ, -8 (моносомия 8); и.т.д.;

- гоносомные аномалии - записывается хромосомное число, и после запятой указываются соответствующие половые хромосомы (например: 45, Х0 (моносомия X); 47,XXY (дисомия X); 47,ХХХ (трисомия X)).

Используя метод дифференциальной окраски, в каждой хромосоме можно выявить реперы - важные элементы для идентификации хромосомы (см. рис.):

- чередование бэндов,

- центромера,

- теломеры.

Хромосомные реперы ограничивают районы хромосом, каждый из которых содержит несколько бэндов, а бэнды, в свою очередь, состоят из суббэндов. В метафазных хромосомах различают около 400-500 бэндов, в то время как в хромосомах ранней профазы можно выделить до 1800-2000 бэндов.

Номенклатура бэндов: участки и бэнды нумеруются от центромеры к теломеру для каждого плеча отдельно; например: 7q12 - хромосома (7), дистальное плечо (q), участок (1), бэнд (2).

При обозначении структурных хромосомных нарушений указывают тип перестройки, точки разрывов, бэнд и участок, вовлеченные в нарушение. Например:

- 46, XX, del(1)(q2 lq31) - делеция в хромосоме 1, от района 2, бэнда 1 до района 3, бэнда 1.

- 46, XY, r(2)(p21q31) - кольцевая хромосома 2; точки разрыва находятся в проксимальном плече: район 2 бэнд 1 и в дистальном плече: район 3 бэнд 1.

- 46, XX, inv(2)(p21q31) - перицентрическая инверсия фрагмента от района 2 бэнда 1 проксимального плеча до района 3 бэнда 1 дистального плеча хромосомы 2.

- 46, X, i(Xq) - изохромосома по дистальному плечу хромосомы X.

Генетические карты.

Каждая хромосома специфична по морфологии и характеру дифференциального окрашивания. Хромосомная ДНК подразделяется на две группы участков: с уникальной последовательностью пар нуклеотидов и с повторяющимися последовательностями. Последние различаются по длине каждого повтора и числу повторов (тандемные). Если повтор состоит из 2-8 пар нуклеотидов, то их называют микросателлитами. Другую группу повторов с числом пар нуклеотидов от 10 до 100 000 называют мини-сателлитами. Мини - и микросателлитные тандемные повторы разбросаны по всему геному и представляют собой уникальную для каждого человека комбинацию по числу тандемных повторов в локусах и числу таких локусов. Выявление их характеризует генетический полиморфизм каждого человека, оценка которого используется в медико-генетических и судебно-медицинских целях.

Представление о хромосомах как носителях комплекса генов было высказано на основе наблюдений сцепленного наследования ряда родительских признаков друг с другом при передаче их в ряду поколений. Такое сцепление неальтернативных признаков было объяснено нахождением соответствующих генов в одной хромосоме. Совокупность генов, входящих в состав одной хромосомы, образует группу сцепления. Каждая хромосома уникальна по набору заключенных в ней генов и представляет собой довольно устойчивую структуру. Представление о линейности расположения генов в каждой хромосоме основывается на наблюдении нередко возникающей рекомбинации (взаимообмена) между материнскими и отцовскими комплексами генов, расположенных в гомологичных хромосомах. Это наблюдение дало возможность высказать предположение о связи частоты рекомбинации с последовательностью расположения генов в хромосоме. Представление о линейном распределении генов хорошо объясняло зависимость частоты рекомбинации от расстояния между ними в хромосоме. Открытие сцепленного наследования неальтернативных признаков легло в основу методики построения генетических карт хромосом. В настоящее время существуют генетические карты хромосом, описывающие порядок расположения генов и других генетических элементов на хромосоме с указанием расстояния между ними.

Знание генетических карт необходимо в разных разделах медицинской генетики:

· для диагностики болезней методом сцепления;

· оценки патологических эффектов хромосомных мутаций;

· решение вопросов популяционной и эволюционной генетики.

Хромосома как комплекс генов представляет собой эволюционно сложившуюся структуру. Взаимное расположение генов в составе хромосомы играет немаловажную роль в характере их функционирования. Расположение гена в той или иной хромосоме определяет тип наследования соответствующего признака.

Геномом называют всю совокупность наследственного материала, заключенного в гаплоидном наборе хромосом клеток данного организма. При половом размножении в процессе оплодотворения объединяются геномы двух родительских половых клеток, образуя генотип нового организма. Все соматические клетки такого организма обладают двойным набором генов, полученных от обоих родителей. Таким образом, генотип - это генетическая конституция организма, представляющая собой совокупность всех наследственных задатков его клеток, заключенных в хромосомном наборе - кариотипе. Хромосомный набор человека состоит из 23 пар хромосом. Кариотип различается у представителей разных полов по одной паре хромосом (гетерохромосомы или половые хромосомы). Различия касаются строения половых хромосом, обозначаемых различными буквами - X и Y (XX или XY). Благодаря половому размножению гены, представленные в геноме уникальными нуклеотидными последовательностями, в генотипе присутствуют в двойной дозе. Исключение составляют гены, расположенные в половых хромосомах, ввиду того, что морфология эти хромосом различна и одна из них (X) крупнее, многие гены имеются лишь в одной гетерохромосоме и отсутствуют или неактивны в другой. Таким образом, генотипы индивидов и их клеток - сбалансированные по дозам генов системы. Нарушение дозовой сбалансированности генотипа сопровождается различными отклонениями в развитии. Гены в генотипе объединены в систему благодаря сложным и разнообразным взаимодействиям между ними, которые играют немаловажную роль реализации информации, заключенной в каждом отдельном гене.

[1] Кариоти́п — совокупность признаков (число, размеры, форма и т. д.) полного набора хромосом, присущая клеткам данного биологического вида (видовой кариотип), данного организма (индивидуальный кариотип) или линии (клона) клеток. Кариотипом иногда также называют и визуальное представление полного хромосомного набора (кариограммы)

[2] В 70-е годы ХХ века были разработаны методы дифференциального окрашивания хромосом человека, которые показали, что каждая пара хромосом имеет свой специфический характер чередования неокрашенных, светло- и темноокрашенных дисков (Парижская классификация хромосом человека). Разработка специальных методов окраски значительно упростила распознавание всех хромосом человека, а в совокупности с генеалогическим методом и методами клеточной и генной инженерии дала возможность соотносить гены с конкретными участками хромосом. Комплексное применение этих методов лежит в основе составления карт хромосом человека.