Методы изучения генетики человека
реклама
Методы изучения генетики человека Человек, как вид имеет ряд особенностей, требующих для изучения его генетики разработки и применения специальных методик. К таким особенностям относятся: биосоциальная сущность человека, не разрешающая применение для изучения наследственности и изменчивости классического гибридологического метода генетического анализа; низкая плодовитость; редкая смена поколений, происходящая в среднем через 25-30 лет; наличие в геноме большого числа групп сцепления (23 у женщин и 24 у мужчин); полигенный характер наследования и невозможность стандартизации условий среды, в которых осуществляется экспрессия этих генов. Человек, как объект генетических исследований, имеет и ряд преимуществ: - большое количество особей в популяции людей; - социальный характер человека; - человек лучше других объектов изучен клинически; - разработано много методов, позволяющих компенсировать вышеупомянутые трудности изучения. Для изучения генетики человека разработаны и успешно используются следующие методы: клинико-генеалогический популяционно-статистический, пальмоскопии, (метод близнецовый, цитогенетический, родословных), дерматоглифики и молекулярно-цитогенетические: биохимические, молекулярно-генетические методы и метод генетики соматических клеток. На основании совокупности методов основана пренатальная диагностика наследственных заболеваний. На лабораторных занятиях подробно изучаются клинико-гениалогический, цитогенетический и популяционно-статистический методы, а также статистическое изучение модификационной изменчивости. Для формулировки научно обоснованных выводов необходимо использовать методы биометрии. Клинико-генеологический метод Теоретическая часть. Клинико-генеологический метод был предложен в 1865 году Ф. Гальтоном. Метод основан на прослеживании интересующего нас признака (нормального или патологического) в семье, с указанием родственных связей между отдельными членами этой семьи (составлением родословной). Клинико-генеалогический метод дает возможность: - выявлять наследственный характер признака; - определять тип наследования; - определять зиготность членов родословной; - определять особенности взаимодействия генов; - устанавливать сцепленное наследование и проводить картирование хромосом; - определять пенетрантность гена; - изучать закономерности мутирования отдельных генов; - устанавливать носительство мутантного гена тем или иным членом семьи; - определять вероятность генетически обусловленных событий и рассчитывать риск наследования патологического гена (признака) при медико-генетическом консультировании. Клинико-генеалогический метод часто осложняется невозможностью сбора достаточного количества информации из-за малодетности семей, либо из-за прерывания связей между поколениями, отсутствия связей между родственниками, либо по морально-этическим причинам. Клинико-генеалогический метод лежит в основе медико-генетического консультирования и включает 3 этапа: 1 этап – клиническое обследование; 2 этап – составление родословной; 3 этап – генетический анализ родословной. Первый этап – клиническое обследование. При составлении родословной сбор сведений о семье начинается с человека, которого называют пробанд (обычно это больной с изучаемым заболеванием или признаком). В сведениях о пробанде указывается анамнез заболевания, включающий начальные признаки и возраст их манифестации, последующее течение болезни; если пробанд – ребенок – сведения о раннем психомоторном и последующим умственном и физическом развитии. Чем больше поколений удается проследить и чем более полно охватить членов родословной при сборе сведений, тем больше вероятность получения достоверных сведений о характере наследования изучаемого признака. Сбор генетической информации проводится путем опроса, анкетирования, личного собеседования. Опрос начинается обычно с родственников по материнской линии. В родословную вносят сведения о выкидышах, абортах, мертворожденных, бесплодных браках, внебрачных детях и др. При сборе генетической информации о проявлении изучаемого признака ведется краткая запись данных о каждом члене рода с указанием его родства по отношению к пробанду. Обычно указывается фамилия (для женщин девичья фамилия), имя, отчество, дата рождения и смерти. Полученные данные записываются в медико-генетическую карту. При сборе информации необходимо внимательно анализировать сообщения об инфекциях и травмах, следует учитывать гетерогенность и варьирующую экспрессивность наследственных заболеваний. Необходимо выяснять акушерский анамнез, учитывать наличие и характер профессиональных вредностей, возраст, национальность, место жительства семьи, профессию, наличие хронических заболеваний в семье, причину смерти умерших и др. На основании изученных данных составляется анамнез (греч. – anamnesis – воспоминание). Второй этап – составление родословной. После сбора сведений составляется графическое изображение родословной, для этого используется система символов, предложенная в 1931 году Г. Юстом. (Рис. 1). При составлении графического изображения родословной важно соблюдать следующие правила: 1. Составление родословной начинают с пробанда. Братья и сестры (сибсы) 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 (одного ряда) слева направо. Благодаря такой нумерации каждый член семьи имеет свой шифр (например: I-1, I-2, II-2, II-4 и др.) 5. Указывается возраст членов семьи (родословной), в связи с тем, что некоторые болезни проявляются в разные периоды жизни. 6. Отмечаются лично обследованные члены родословной. Графическое изображение родословной может быть вертикальногоризонтальным или расположенным по кругу (в случае многочисленных данных). Схема родословной сопровождается описанием обозначений под рисунком (легендой). Рис. 1 Символы, используемые при составлении родословных Третий этап – генетический анализ родословной. Этот этап требует хороших знаний критериев установленных типов наследования. Задача генетического анализа – установление наследственного характера заболевания и типа наследования, выявление гетерозиготных носителей мутационного гена, установление генотипа пробанда и , как заключение, прогнозирование потомства. Анализ родословной рекомендуется проводить в следующей последовательности: 1. Установление, является ли данный признак (заболевание) наследственным. Если признак встречается несколько раз в разных поколениях (имеет семейный характер), то можно предполагать, что признак имеет наследственную природу. 2. Определение типа наследования признака. Для этого учитывают: - во всех ли поколениях и как часто среди членов родословной встречается признак; - одинакова ли частота признака у обоих полов и если нет, то у какого пола встречается чаще; - детям какого пола передается признак от больного отца и от больной матери; - есть ли семьи, в которых от больных родителей рождаются здоровые дети, или наоборот, от здоровых родителей рождаются больные дети; - какая часть потомства имеет наследуемый признак в семьях, где болен один из родителей. Наряду с заболеваниями, обусловленными ядерными генами у человека все более изученными становятся заболевания митохондриальные и болезни геномного импритинга. эпигенетический Под процесс, генетическим приводящий к импритингом стойким понимают функциональным различиям экспрессии гомологичных генов, полученных от одного из родителей. Так, например, в настоящее время хорошо известно влияние ряда отцовских и материнских генов на вес плода, степень развития плаценты и другие особенности внутриутробного развития. Наличие генов, подверженных импритингу, четко установлено для хромосом 7,11,15. Предполагают, что такие гены присутствуют и в хромосомах 2, 3, 6, 14 и 20. В настоящее время идентифицировано не менее 30 импритированных генов, часто группирующихся в кластеры, по некоторым данным, таких генов в геноме человека насчитывается не менее 100. Большой класс составляют болезни экспансии тринуклеотидных повторов. и наследственные болезни обмена. У человека установлены следующие типы наследования, подчиняющиеся менделеевским закономерностям наследования: аутосомнорецессивное наследование (АР), аутосомно-доминантное наследование (АД). Болезни с нетрадиционными типами наследования: доминантное, сцепленное с Х хромосомой наследование (ХД), рецессивное, сцепленное с Х хромосомой наследование (ХР), сцепленное с Y хромосомой наследование (YН) и цитоплазматическое наследование (ЦН). В зависимости от типа наследования родословные выглядят поразному. Аутосомно-доминантный тип наследования (АД). При аутосомно- доминантном типе наследования мутантный ген локализован в аутосоме и проявляется в генотипах АА и Аа. Для этого типа наследования характерны: равная вероятность встречаемости данного признака как у мужчин, так и у женщин. Признак прослеживается при достаточном по численности потомстве в каждом поколении по вертикали. - признак передается одинаково от больных родителей (как матери, так и отца) к детям (Рис. 2); - у здоровых родителей рождается здоровое потомство; - у больных родителей может рождаться здоровое потомство; По аутосомно-доминантному (шестипалость), типу брахидактилия наследуются (короткопалость), полидактимия ахондроплазия (карликовость), синдром Марфана (паучьи пальцы), ангиоматоз сетчатой оболочки, метгемоглобинемия (гемоглобины Бостон, Чикаго), аниридия, глаукома, синдром Ван дер Хеве, врожденный вывих бедра, гиперхолистеринемия, глухонемота (некоторые формы), нейрофиброматоз, подагра, анемия серповидно-клеточная доминированием), ахондроплазия и др. (АД тип с неполным Рис. 2 Родословная семьи с наследованием синдактилии. Аутосомно-рецессивный тип наследования (АР). При АР типе наследования мутантный ген проявляет свое действие только в гомозиготном состоянии (аа). При аутосомно-рецессивном наследовании заболевание (признак0 встречается в родословных редко и не во всех поколениях, при этом вероятность заболевания у мальчиков и девочек одинакова (Рис. 3). Признак может появиться у детей, родители которых здоровы и являлись гетерозиготными носителями мутантного гена. Вероятность появления рецессивного потомства возрастает в близкородственных браках, где оба родителя могут быть носителями одного и того же рецессивного аллеля, полученного от общего предка. Рецессивный признак от родителей, как от отца, так и от матери, передается одинаково. К заболеваниям с аутосомно-рецессивным типом наследования относятся многие болезни обмена веществ, среди которых фенилкетонурия (ФКУ), галактоземия, альбинизм общий, муковисцидоз, акаталазия, алькаптонурия, гидроцефалия, болезнь Вильсона (гепато-церебральная дистрофия), мышечная дистрофия Дюшена (или миопатия), цистинурия болезнь Тея-Сакса и др. Рис. 3 Родословная семьи с наследованием серповидноклеточности и серповидноклеточной анемии. Х-сцепленное рецессивное наследование (ХР). ХР тип наследования характеризуется следующими особенностями: мутантный ген локализован в Х хромосоме и проявляется в генотипе ХаХа у женщин и ХаY у мужчин. - От здоровых родителей, если мать гетерозиготный носитель, могут родиться больные дети – мальчики; больные мужчины не передают заболевание своим сыновьям, но их дочери становятся гетерозиготными носителями болезни; - Больные девочки могут родиться только в семьях, где отец болен, а мать гетерозиготна по мутантному гену (Рис. 4). Рис. 4 Родословная семьи с наследованием гемофилии. Характерной особенностью родословных при ХР-наследовании является преимущественное проявление признака у гемизиготных (ХаY) мужчин, которые наследуют его от матерей-носителей рецессивного аллеля. Как правило, признак наследуется мужчинами через поколение от деда по материнской линии к внуку. У женщин ХР признак проявляется лишь в гомозиготном состоянии, вероятность чего возрастает в близкородственных браках. По ХР типу наследуются гемофилия, дальтонизм, альбинизм, ангидрозная эктодермальная дисплазия, ангиокератома, ихтиоз врожденный (большинство форм ихтиоза летальны), пигментный ретинит (ХР форма) и др. Х-сцепленное доминантное наследование (ХД). ХД тип наследования характеризуется следующими признаками: - доминантный мутантный аллель локализован в Х хромосоме и может проявляться как в гомозиготном (ХАХА), в гетерозиготном (ХАХа), так и в гемизиготном (хАу) состоянии; - лица с генотипом ХАХА, ХАХа, ХАY – больны, с генотипом ХаХа, ХаY – здоровы; - болеют как мужчины, так и женщины, однако больных женщин вдвое больше, чем мужчин; - заболевание проявляется в каждом поколении; - если болен отец, то все его дочери будут больны, а сыновья здоровы; - если мать больна, то вероятность рождения больного ребенка 50%, независимо от пола. - больными будут дети только тогда, когда болен один из родителей; - у здоровых родителей все дети будут здоровы (Рис. 5). Рис. 5 Родословная семьи с наследованием дефекта зубной эмали. При анализе родословных в ряде случаев очень трудно отличить Хсцепленный доминантный тип от аутосомно-доминантного типа наследования. Наиболее информативны те семьи, в которых передача заболевания происходит через больных отцов. В этом случае наблюдается избирательное поражение потомков женского пола – все дочери таких больных отцов заболевают, т.к. получат от отца Х-хромосому, несущую патологический ген, а все сыновья будут здоровы, т.к. унаследуют от отца Yхромосому. Х-сцепленный доминантный тип наследования встречается крайне редко. По ХД типу наследуются фолликулярный кератоз, фосфатемия, коричневая окраска эмали зубов, маторно-сенсорная нейропатия 1 Х-типа (ОМIМ: 302800). Рис. 6 Родословная семьи с наследованием гипертрихоза ушной раковины. Y-сцепленный (галандрический) тип наследования. Данный тип наследования характеризуется только прямой передачей признака от отца к сыну (Рис. 6). В настоящее время идентифицировано около 100 генов, локализованных в Y-хромосоме. Большинство из них обусловливают развитие организма по мужскому типу, участвуют в сперматогенезе, в контроле роста тела и зубов. Мутации в некоторых генах приводят к развитию рака яичек, простаты и другим гонадопластомам. Все гены Y-хромосомы делятся на 3 группы: 1. Гены псевдоаутосомных областей, идентичные в Х- и Y-хромосомах. Мутации в генах этой группы нарушают конъюгацию геносом (половых хромосом) в мейозе у мужчин, приводят к бесплодию. 2. Группа включает 10 Х-Y-гомологичных генов, локализованных в некомбинирующих областях Yp иYq. Эти гены экспрессируются во многих тканях и органах, включая яички и простату. 3. Группа включает 11 Y-специфичных генов, располагающихся в некомбинирующих областях Yp иYq. Продукты этих генов могут играть роль транскрипционных факторов и цитокининовых рецепторов, выполнять функции протеинкиназ и фосфатаз. Некоторые из этих генов формируют AZF-регион, микроделеции в котором часто приводят к мужскому бесплодию: азооспермии и олигоспермии. Y-сцепленные заболевания, как правило, возникают вследствии мутаций de novo. Мальчики, которые получили от своего отца мутацию, нарушающую развитие и функционирование мужских гонад, оказываются стерильными и не могут передать ее своему потомству, поэтому родословные с этим признаком оказываются неинформативными. В целом, Y-хромосома характеризуется высокой нестабильностью, вследствие наличия большого числа различных повторов, мобильных генетических элементов, аберрантной рекомбинации между гомологичными облястями Х- и Y-хромосом или несбалансированного обмена между сестринскими хроматидами Y-хромасомы. Примерами сцепленного с Y-хромосомой признака является гипертрихоз, синдиктимия. При цитоплазматическом наследовании (ЦН) признак передается по материнской линии через цитоплазму, т.к. гены, обусловливающие цитоплазматическую наследственность расположены в цитоплазматических молекулах ДНК. Так, например, все митохондрии человека имеют материнское происхождение и получены человеком с материнской яйцеклеткой. При наличии мутации в том или ином количестве митохондрий яйцеклетка может передать мутации ДНК митохондрии своим детям обоего пола. Скорость мутаций в митохондриальной ДНК в 17 раз выше, что обусловливает высокую частоту спорадических случаев митохондриальных заболеваний. Цитоплазматическая наследственность не подчиняется законам наследования ядерных генов. Клинические характеризуются щитовидной проявления задержкой железы, митохондриальных физического печеночной заболеваний развития, недостаточностью, дисфункцией миопатиями и кардиомиопатиями и многое другое. Пенетрантность и экспрессивность. В генетике человека и в медицинской генетике часто выстречаются признаки, которые наследуются по типу неполного доминирования, по типу кодоминирования и по различным типам взаимодействия неаллельных генов. В процессе онтогенеза не все гены реализуются в признак. Некоторые из них оказываются блокированными другими неаллельными генами, проявлению некоторых признаков неспособствуют, неблагоприятствуют внешние условия. Пробиваемость гена в признак называется пенетрантностью. Пенетрантность отражает частоту фенотипического проявления имеющейся в генотипе генетической информации. Пенетрантность выражается в процентах особей, у которых анализируемый аллель фенотипически проявляется. Пенетрантность может быть полной (100%) и неполной ( 100%). При анализе родословной и составлении генетического прогноза необходимо учитывать значение пенетрантности, установленное для данного признака. Например: арахнодактилия наследуется как доминантный аутосомный признак с пенетрантностью 30%. Леворукость – рецессивный аутосомный признак с полной пенетрантностью. Определите вероятность проявления обеих аномалий в семье, где оба родителя гомозиготны по обоим парам генов. Какова вероятность появления детей с арахнодактилией? Решение: А – арахнодактилия, а – нормальная длина пальцев, В – праворукость, в – леворукость. Родители: мать – АаВв – с арахнодактимией, праворукая; отец – АаВв – с арахнодактимией, праворукий. Анализ потомства В соответствии со IIзаконом Г. менделя Формулы фенотипов Фенотип А-В- соотношения % Арахнодактимия, праворукость 9/16 56,25 А-вв Арахнодактимия, леворукость 3/16 18,75 ааВ- Нормальные пальцы, праворукость 3/16 18,75 аавв Нормальные пальцы, леворукость 1/16 6,25 Процент фенотипов при пенетрантности арахнодактилии 30% Арахнодактилия, праворукость 16,875 Нормальные пальцы, праворукость 39,375 Арахнодактилия, леворукость 5,625 Нормальные пальцы, леворукость 13,125 Нормальные пальцы, праворукость 18,75 Нормальные пальцы, леворукость 6,25 Следовательно, с учетом пенентрантности 30% признака арахнодактилия в семье 5,625% детей будут иметь обе аномалии (18,75%30%=5,625%). Вероятность появления детей с арахнодактимией составляет 22,55 (16,875%+5,625%=22,5%). Фенотипическое характеризуется проявление показателем, который наследственной называется информации экспрессивность. Экспрессивность характеризует степень выраженности признака и зависит как от дозы соответствующего аллеля гена, так и от факторов среды. Задание: 1. Изучите конспекты лекций и литературу по данной теме. 2. Зарисуйте в тетради систему символов по Г. Юсту, используемых при составлении родословной. 3. Изучите особенности родословных с различными типами наследования АД, АР, ХД, ХР, YН, ЦН. Зарисовать в тетради родословные с разными типами наследования и провести их анализ. 4. Запишите в тетрадь и выучите примеры заболеваний с разными типами наследования и их клиническое проявление. 5. Постройте родословную для анализа наследования хореи Гентингтона – тяжелого наследственного заболевания (обычно болезнь развивается в возрасте более 40-45 лет), используя следующие данные анмнеза: пробанд – здоровый молодой человек, обратившийся в медикогенетическую консультацию в связи с предполагаемой женитьбой. Отец пробанда болен хореей Гентингтона, а мать здорова и имеет здоровых брата, сестру, отца и мать. У отца пробанда имеется здоровый брат пожилого возраста и сестра, страдающая этим заболеванием; их отец (дедушка пробанда) был здоров, а мать (бабушка пробанда) болела хореей. Известно также, что у бабушки пробанда были две здоровые сестры и два больных брата, а ее отец (прадедушка пробанда) также страдал этим заболеванием. - Определите тип наследования этого заболевания; - Определите возможные генотипы генотипы родителей пробанда, а также других членов родословной; - Рассчитайте вероятность того, что сам пробанд является носителем патологического гена и у него появятся признаки заболевания при достижении соответствующего возраста (пенетрантность патологического гена 100%); - Составьте генетический прогноз потомства пробанда в различных вариантах брака при предполагаемом генотипе пробанда Аа (♀АА х♂ Аа; . ♀Аа х ♂Аа; ♀аа х ♂Аа). Вероятность появления больного потомства выражается в %. 6. Проанализируйте родословную на Рис.4, составленную для семьи, в которой были больные гемофилией. Определите тип наследования патологического признака в семье. Укажите членов семьи, которые являются вероятными носителями мутантного гена. Определите вероятность рождения больных детей в браке индивидуума III-7 и здоровой девушки из семьи, в которой никогда не наблюдалась эта болезнь. Определите вероятность в % рождения больных детей и их пол в случае близкородственного брака индивидуумов III-3 и III-9. 7. Составьте и пронумеруйте родословную схему для анализа миопатии Дюшенна (резко выраженная мышечная слабость, развивающаяся в детском возрасте, которая обычно приводит к ранней смерти), используя следующие данные. Пробанд – здоровая женщина, имеющая двух здоровых дочерей и сына, который страдает миопатией. Муж пробанда здоров, два его брата, сестра и родители тоже здоровы. Старший брат пробанда умер в детстве от миопатии, а другой брат здоров и имеет двух здоровых сыновей и здоровую дочь. Сестра пробанда здорова, но имеет сына, больного миопатией, а также здорового сына и здоровую дочь. Родители пробанда здоровы. Определите тип наследования патологического признака (болезни) в семье. Укажите генотипы больных индивидуумов (на схеме можно сделать запись генотипа рядом с символическим изображением соответствующего индивидуума). Определите членов семьи, являющихся гетерозиготными носителями мутантного гена, и обозначьте их на схеме в соответствии с рекомендациями, приведенными на Рис. 1. Установите вероятность в % того, что следующий ребенок, который может родиться у пробанда, будет больным (здоровым). Какова вероятность в % того, что больной ребенок окажется мальчик (девочка)? Рассчитайте вероятность того, что из двух мальчиков, которые могут родиться у пробанда, оба будут больными (оба будут здоровыми). Какова вероятность того, что первый из двух мальчиков будет больным, а второй здоровым (либо наоборот, первый будет здоровым, а второй больным)?. 8. Проведите анализ и постройте генетический прогноз. У человека полидактилия контролируется доминантным геном. Его аллель обусловливает нормальное развитие конечностей. Какова вероятность полидактилии у будущих детей (пенетрантность доминантного гена в данной семье 90%), если: а) один из супругов гетерозиготен, а у второго нормальнее число пальцев; б) оба супруга гетерозиготны. 9. Определите вероятность аутосомно-доминантный ретинобластомы признак с (ретинобластома неполной – пенетрантностью, пенетрантность доминантного гена в одних семьях составляет 60%, в других – 90%) среди детей в семьях, где: а) один из родителей страдает ретинобластомой (пенетрантность в семье 90%); б) один из родителей страдает ретинобластомой (пенетрантность гена в семье 60%); в) один из родителей был оперирован по поводу ретинобластомы и в настоящее время здоров (пенетрантность гена в семье 60%); г) оба родителя здоровы, но отец одного из них умер от ретинобластомы (пенетрантность гена в семье 60%). 10. Дайте генетический аутосомно-доминантный прогноз. признак с Витилиго наследуется как неполной пенетрантностью. Предположим, что пенетрантность доминантного гена в семье 70%. Какова вероятность рождения ребенка с витилиго, если: а) у одного из родителей имеется витилиго; б) оба родителя здоровы, но их первый ребенок имеет витилиго? 11. Определите вероятность рождения в семье детей с различными формами цистинурии, если: у человека одна из форм цистинурии контролируется мутантным аллелем. У гомозигот по данному аллелю наблюдается образование цистиновых камней в почках, у гетерозигот – повышенное содержание цистина в моче. а) у родителей повышенное содержание цистина в моче; б) один из родителей был оперирован по поводу цистиновых камней в почках и в настоящее время здоров, а у второго повышенное содержание цистина в моче; в) один из родителей был оперирован по поводу цистиновых камней в почках и в настоящее время здоров, второй страдает цистинурией. 12. Какова вероятность рождения в семье где мужчина с I группой крови, страдающий подагрой, женился на здоровой женщине, имеющей II группу крови. а) здорового ребенка со II группой крови; б) больного ребенка со II группой крови; в) здорового ребенка с I группой крови; г) больного ребенка с I группой крови? 13. Синдром Марфана наследуется как аутосомно-доминантный признак с перентрантностью рециссивный 30%. признак с Резус-отрицательность полной – аутосомно- пенетрантностью. Определите вероятность рождения в семье, где оба родителя гетерозиготны: а) резус-положительного здорового ребенка; б) резус-положительного больного ребенка; в) резус-отрицательного здорового ребенка; г) резус-отрицательного больного ребенка. 14. Постройте и проанализируйте родословные по заданию преподавателя. 15. Постройте родословную своей семьи. Оформите работу как самостоятельную на отдельных листах в соответствии с планом: 1. Название: Родословная моей семьи. Изучение наследования _______ (назовите изучаемый признак). 2. Анамнез (составьте анамнез). 3. Условные обозначения по Г. Юсту (приведите все условные обозначения, которые встречаются в литературе при изучении данной темы. 4. Схема родословной (со всеми общепринятой нумерацией поколений и каждого члена родословной). 5. Анализ родословной, установление типа наследования. Дайте обоснование. 6. Генетический прогноз. Для этого установите возможные генотипы родственников пробанда и самого пробанда. Постройте генетический прогноз для потомства пробанда. 7. Примеры и клиническое проявление болезней с таким же типом наследования. 8. Список использованной литературы. Вопросы для самоконтроля 1. Что изучает генеалогический метод. 2. Каковы возможности и недостатки генеалогического метода. 3. Как построить родословную. 4. Как провести генетический анализ родословной. 5. К каким типам наследования относятся наследственные признаки человека. Приведите примеры. 6. Как характеризуются родословные с разными типами наследования. 7. Объясните понятие пенетрантность и экспрессивность. Приведите примеры. Форма отчета: 1) Представление на проверку тетради 2) Представление на проверку родословной своей семьи и устная защита работы. Цитогенетический метод Теоретическая часть. Цитологический метод основан на микроскопическом изучении хромосом в клетках человека. Цитогенетический метод широко применяется с 1956 года, когда Дж. Тио и Л. Леван установили, что в кариотипе человека 46 хромосом. Цитогенетический метод основывается на данных о хромосомах. В 1960 году на научной конференции в Денвере была принята классификация идентифицируемых хромосом, в соответствии с которой им были даны номера, увеличивающиеся по мере уменьшения размеров хромосом. Эта классификация была уточнена на конференции в Лондоне (1963) и Чикаго (1966). Применение цитогенетического метода позволяет изучать нормальную морфологию хромосом и кариотипа в целом, определять генетический пол организма, и, главное, диагностировать различные хромосомные болезни, связанные с изменением числа хромосом или с нарушением структуры хромосом. Цитогенетический метод позволяет изучать процессы мутагенеза на уровне хромосом и кариотипа. Метод широко применяется в медикогенетическом консультировании для целей пренатальной диагностики хромосомных болезней. В соматических клетках человека диплоидный набор хромосом, 2n=46, а в половых – гаплоидный n=23. При оплодотворении диплоидный набор хромосом восстанавливается. В хромосоме выделяют короткое (р) и длинное (q) плечи. Концы обоих плеч хромосомы называют теломерами. В метафазе митоза хромосомы представлены двумя сестринскими хроматидами, соединенными центромерой. В центромере содержится вещество – кинетохор, участвующее в формировании нитей веретена при клеточном делении. При изучении кариотипа определяют следующие морфометрические характеристики хромосом: Lа – абсолютная длина хромосомы в мкм; Lр – длина короткого плеча; Lg – длина длинного плеча. Iв – плечевой индекс, Iс – центромерный индекс, Lr – относительная длина хромосомы, Ih - процент гетерохроматиновой зоны, Is – индекс спирализации. По значению плечевого индекса определяется форма хромосом. При Iв 1-1,9 хромосома называется равноплечей (метацентрической), 2-4,9 – слабонеравноплечей (субметацентрической), 5 и более – акроцентрической или резко неравноплечей. Для кариотипирования подбирают метафазные пластинки в количестве не менее 30 с одинаковым индексом спирализации. На основании различий в длине выделены 23 пары хромосом. По форме в кариотипе человека имеются метацентрические, субметацентрические и акроцентрические хромосомы. Отнесение хромосом к той или иной группе производится на основе расчета центромерного индекса. На основании размеров и комбинации плечевого и центромерного индексов хромосомы человека в соответствии с Международной Денверской классификацией (1960) сгруппированы в 7 групп, обохзначаемых буквами английского алфавита: A, B, C, D, E, F, G. Таблица 1 Международная денверская классификация хромосом человека (1960г.) Номер пары хромосом Центромерный индекс 1 0,48-0,49 2 0,38-0,40 3 0,45-0,46 B 4,5 0,24-0,30 C 6-12 Х - хромосома 0,28-0,43 D 13, 14, 15 до 0,15 E 16-18 0,26-0,40 F 19,20 0,36-0,46 G 21,22 Y - хромосома 0,13-0,33 Группа A Размеры и форма хромосом Самые крупные, метацентрики Самые крупные, метацентрики Самые крупные, метацентрики Крупные, субметацентрики Среднего размера, метацентрики и субметацентрики. Группа включает 7 аутосом и Ххромосому Среднего размера, акроцентрики, характерна межиндивидуальная вариабельность и наличие спутников на коротких плечах Относительно короткие метацентрики и субметацентрики Небольшие метацентрики Небольшие акроцентрики. Для аутосом характерно наличие спутников не коротких плечах В настоящее время для идентификации хромосом в соответствии с номенклатурой ISCN-1995 (парижская номенклатура) все чаще используется дифференциальное окрашивание, которое на хромосомах дает полосы поперечной исчерченности, благодаря которым можно более точно идентифицировать пары гомологов. Анализ кариотипа проводят в культуре делящихся соматических и половых клеток. Наиболее часто используют культуру клеток переферической крови, прежде всего лимфоцитов, костного мозга и фибробластов. Для анализа кариотипа плода используют различные клеточные культуры; их выбор определяется сроком беременности (до 12 недель – используют клетки ворсин хориона, в более поздние сроки – клетки плода, выделенные из амниотической жидкости, пуповинной крови и плаценты). Цитологический анализ включает три основынх этапа: 1) Культивирование клеток; 2) Окраска препарата; 3) Микроскопический анализ препарата. Культивирование.Образец помещают в питательную солевую среду с добавлением цельной сыворотки крупного рогатого скота и белка бобовых растений – фитогемагглютинина, стимулирующего процесс деления клеток. Для увеличения числа метафазных клеток (кариотип изучают в метафазных клетках, где хромосомы достигают наибольшей спирализации и наиболее четко проявляется их форма) за 1,5 часа до окончания культивирования в культуру вводят колхицин (C22H25NO6), который разрушает клеточное веретено, приостанавливает деление клеток на стадии увеличивает конденсацию (спирализацию) метафазы и хромосом. Обычно культивирование составляет 72 часа. После этого клетки отделяют центрифугированием и помещением в гипотонический раствор хлорида калия или цитрата натрия. В гипотонической среде происходит разрыв ядерной оболочки и межхромосомных связей и хромосомы свободно перемещаются в цитоплазму. Затем производится фиксация клеток в фиксаторе Карнуа (3:1): 3 части составляет 96% этиловый спирт ректификат, 1 часть ледяная уксусная кислота. После фиксации клеточную суспензию раскладывают на обезжиренные, охлажденные влажные предметные стекла и высушивают на воздухе. Окраска. Наиболее простой метод окраски хромосом – это сплошная по Гимза. Сплошная окраска применяется для определения количества хромосом, выявления геномных мутаций и анеуплоидии. Для выявления структурной перестройки хромосом (хромосомные мутации) используют дифференциальную окраску, в результате которой хромосомы приобретают поперечную исчерченность. Расположение и длина темных и светлых полос строго индивидуальна для каждой хромосомы, благодаря этому можно провести более точную идентификацию гомологичных пар и выявить перестройки хромосом. Наиболее эффективен G-метод дифференциального окрашивания, для этого можно использовать краситель Гимзы, после предварительной обработки хромосом раствором трипсина. При таком окрашивании количество полос на хромосомах в метафазных пластинках достигает 400. Для дифокраски используют также R-метод, и Q-метод. После окраски объект заключают в Канадский бальзам, препарат становится постоянным и может храниться десятки лет. Микроскопирование препаратов метафазных хромосом. Для описания кариотипа человека используется универсальная схема и специальные символы. Например, запись 46,хх – обозначает нормальный кариотип женщины, а 46, ху – нормальный кариотип мужчины. В ряде случаев при изучении хромосом обнаруживают полиморфизм, который наиболее характерен для акроцентрических хромосом и, как правило, отражает вариабельность размеров гетерохроматиновых сегментов, наличие спутников, спутничных нитей в области коротких плеч и их величину. В таблице 2 приведены некоторые из них. Таблица 2 Обозначение полиморфизма хромосом человека Символы кариотипа 46,ХХ,9qh+ 46,XY,Yqh46, XX,22ps+ 46,XY,21pstk 46,XX,fra(16)(q21.3) 46,XX,15pss 46,XX,21ps+ Тип хромосомной перестройки Увеличение размера гетерохроматинового участка в длинном плече хромосомы 9 женщины Уменьшение размера гетерохроматинового района на длинном плече Y хромосомы у мужчины Увеличение размера спутников на коротком плече хромосомы 22 у женщины Увеличение длины спутничных нитей на коротком плече хромосомы 21 у мужчины Ломкий сайт в сегменте 21 длинного плеча хромосомы 16 Появление двойных спутников на коротком плече хромосомы 15 у женщины Увеличение размера спутников на коротком плече хромосомы 21 у женщины Установлено, что наличие нормального полиморфизма хромосом увеличивает риск рождения ребенка с хромосомными аномалиями. Среди супружеских пар, у которых наблюдалось рождение детей с пороками развития, а также страдающих бесплодием и привычным невынашиванием беременности, чаще выявляется носительство хромосом с крупными гетерохроматиновыми увеличенными гетерохроматиновыми блоками. Преобладание сегментами в лиц с акроцентрических хромосомах, а также в хромосомах 1, 9 и 16 отмечено в группе детей с множественными врожденными пороками развития. Следуя рекомендациям IV Международного конгресса по генетике человека в Париже (1971), при описании добавочных хромосом их номер помещают после общего числа аутосом и половых хромосом со знаком «плюс» или «минус» перед номером вовлеченной аутосомы. Например, запись (формула) 47,ХХ+21 обозначает кариотип женщины с трисомией по 21 паре хромосом. Напротив, кариотип мужчины с экстрахромосомой Х изображают как 47,ХХY. Знак «плюс» или «минус» ставят после символа хромосомы, чтобы указать удлинение или укорочение ее плеча. Буква q символизирует длинное плечо, а p – короткое. Например, запись 46,ХY,1q+ указывает на 47,ХY+14р+ увеличение - кариотип длинного плеча мужчины с 47 хромосомы 1. Формула хромосомами, включая и дополнительную хромосому 14 с удлинением ее короткого плеча. Сокращение – def (дефишенс), dup (дупликация), r (кольцо, возникающее после воссоединения двух разрывов в хромосоме), inv (инверсия) и t (транслокация) – обозначают аберрации хромосом. Номера хромосомы или хромосом помещают после сокращений в скобках. Например, запись 46,ХХ,r(18) означает кариотип женщины с 46 хромосомами, включая r-хромосому 18. Формула 46,Х,inv(Хq) – кариотип женщины с 46 хромосомами, включая одну нормальную Х-хромосому и изохромосому Х (с двумя генетически идентичными длинными плечами). Банды помечаются числами по мере удаления от центромеры вдоль короткого (р) и длинного (q) плечей хромосомы. С помощью цитогенетического метода выявлены хромосомные мутации типа реципрокных транслокаций, робертсоновских транслокаций и делеций. Так, транслокация 21-й хромосомы на другую 21, 22, 13, 14 или 15 вызывает синдром Дауна. Так, делеция короткого плеча Х-хромосомы (трактуется как моносомия по Х-хромосоме) укорочение короткого плеча 21й хромосомы (филадельфийская хромосома), делеция короткого плеча хромосомы 5-й пары (синдром «кошачьего крика»), делеция длинного и короткого плеча 18-й хромосомы (нарушение строения лица, скелета, умственная отсталость, гипотрофия, гипотония и многие другие аномалии). В результате двух концевых нехваток образуются кольцевые хромосомы. При кольцевой 5-й хромосоме развивается синдром «кошачьего крика», в х- хромосоме – клиническая картина близка синдрому Шерешевского-Тернера. Среди геномных мутаций наиболее часто встречается синдром Дауна (трисомия по 21 паре). Трисомия по 13 хромосоме вызывает синдром Патау, по 18 хромосоме – синдром Эдвардса. Среди анеуплоидных синдромов по половым хромосомам (ХО) – синдром Шершевского-Тернера. Полисомия по Х хромосоме называется синдром Клайнфельтера (ХХY), встречаются отклонения по числу половых хромосом (ХХХY, XYY и др.) и синдром ТриплоХ. Метод определения полового хроматина. Это экспресс метод, позволяющий выявить изменения числа половых хромосом в неделящихся клетках слизистой оболочки щеки. Половой хроматин, или тельце Барра, образуется одной из хромосом женского организма. Оно выглядит как интенсивно окрашенная глыбка, расположенная вблизи ядерной оболочки. При увеличении количества Х-хромосом в кариотипе организма образуются тельца Барра в количестве на единицу меньше числа Х-хромосом. При моносомии по Х-хромосоме тельце Барра отсутствует. Y-хромосома в мужском кариотипе обнаруживается по более интенсивной люминисценции при обработке акрихинипритом и излучении в ультрафиолетовом свете. Задание 1. Изучите конспект лекции и материал учебников. Задание 2. Запишите в словарь и выучите основные термины и понятия: хромосома, плечо хромосомы, центромер (кинетохор), различия хромосом по форме (метацентрическая, субметацентрическая, акроцентрическая), проксимальный, дистальный и теломерный участок плеча, вторичная перетяжка, спутник, спутничные дизоксирибонуклеопротеиды (ДНП): хромосомы, SAT-хромосомы, эухроматин, гетерохроматин, метафазная пластинка. Кариотип, гомологичные хромосомы, изохромосомы, кариограмма, идиограмма, морфометрические параметры (абсолютная длина хромосомы, плечевой индекс, центромерный индекс, относительная длина, процент гетерохроматиновой зоны, индекс спирализации, нуклеосома, нуклеосомная нить, элементарная хроматиновая фибрилла, интерфазная хромонема, метафазная хроматида, политенная хромосома, хромосома типа ламповых щеток, гаплоидный набор хромосом, диплоидный набор хромосом, половые хромосомы, аутосомы, В-хромасомы. Задание 3. Зарисуйте строение метафазной хромосомы, спутничной хромосомы, политенной хромосомы, хромосомы типа ламповых щеток . Задание 4. Подсчитайте число хромосом на метафазной пластинке. Постройте идиограмму (по заданию преподавателя) на основании унифицированной номенклатуры.. Задание 5. Измерьте абсолютную длину и плечи хромосом (в мм) и данные занесите в Таблицу 3. Таблица 3. Параметры хромосом № Длина, в мм № пары хромоLh длина гомолоПримечаДлинного сомы Общая Короткого гетерохрамагичных ния плеча, в паре тина La плеча, Lq p хромосом L (1,2) I 1 2 Число строк в таблице должно соответствовать числу хромосом изучаемого кариотипа. Задание 6. Вычислите индекс спирализации Is и значения морфометрических показателей La, Ir, Ib, Ic, Ih и занесите их в таблицу 2. Абсолютная длина самой хорошо заметной хромосомы (ее называют тестерная) хромосомы измеряется при микроскопировании, с помощью окуляр-микрометра и выражается в мкм. Затем вычисляется коэффициент увеличения хромосом на фотографии метафазной пластинки, а затем – через коэффициент увеличения – вычисляется абсолютная длина каждой хромосомы кариотипа. Например, длина тестерной хромосомы La1.1 на фотографии равна 27 мм, или 271000мкм, физическая или абсолютная длина этой же хромосомы La1.1 составляет 10,5 мкм, тогда коэффициент увеличения 𝐾 = 𝐿𝑎′ 1.1 𝐿𝑎 1.1 . В нашем примере 𝐾 = 𝐿𝑎′ 1.2 = 𝐿𝑎′ 1.2∙1000 𝐾 = 26,5∙1000 2571 27∙100 10,5 = 2571. Далее, например La’1.2=26,5 мм. = 10,3мкм. La, выраженную в мкм, заносим в таблицу 4. 𝐿𝑎 𝐼𝑟 = ∑ 𝐿𝑎 ∙ 100,%, 𝐼𝑏 = 𝐿𝑝 𝐿 ; 𝑞 𝐼𝑐 = 𝐿𝑞 𝐿𝑎 , 𝐼ℎ = длина гетерохроматина 𝐿𝑎 ∙ 100%. Is вычисляется как отношение суммы абсолютной длины 2-х самых коротких хромосом к сумме абсолютной длины 2-х самых длинных хромосом. Таблица 4. Основные морфометрические параметры хромосом Группа, № № пары хромоLa I r, Ih , гомолоIb Ic сомы в мкм % % гичных паре хромосом I 1 2 Число строк в таблице должно соответствовать числу хромосом изучаемого кариотипа. Задание 7. Проанализируйте данные идиограмм и таблиц используя представления о морфологическом подобии гомологичных хромосом и их числе в кариотипе. Сделайте вывод по результатам выполненной работы. Задание 8. Ответьте на вопросы для самопроверки: 1. Раскройте понятия кариотип, кариограмма, идиограмма. 2. Каковы химический состав, строение и морфология хромосом. 3. В чем заключается содержание цитогенетического метода, каковы его возможности. 4. Какое значение имеет дифокраска хромосом. 5. Опишите степени упаковки ДНК в метафазную хромосому (нуклеосома, нуклеосомная нить, хромонема). 6. Охарактеризуйте различные типы хромосом. 7. Приведите примеры хромосомных и геномных мутаций у человека. Задание 9. В нормальном кариотипе человека присутствуют 44 аутосомы и 2 половые хромосомы (ХХ либо ХY). В случае истинного гермафродизма (одновременно мужские и женские половые железы у индивидуума) в организме обнаруживают два клона клеток, отличающихся по составу половых хромосом (XX/XY). а) Сделайте символическую запись нормального кариотипа женщины и мужчины. б) Сделайте запись гермафродитизмом. кариотипа человека с истинным Задание 10. Сделайте расшифровку кариотипов больных людей: 1) 47, XY,+G; 2) 46,XX,1p+; 3) 46,XY,14q-; 4) 47,XX,+14p+; 5) 46,XX,del(1)(q21); 6) 46,XY,t(2;5)(q21;q31); 7) 46,XX,r(18). Примечание: del – делеция, t – транслокация, r – кольцевая хромосома. Задание 11. Сколько телец полового хроматина можно обнаружить в большинстве интерфазных клеток людей с кариотипами: 1)46,XX; 2)46,XY; 3)47,XXY; 4) 48,XXXY; 5) 45,X; 6)47,XXX; 7)48,XXXX; 8)49,XXXXX? Форма отчета: - представление на проверку оформленной тетради и устная защита работы; - выполнение проверочного теста. Работа по изучению кариотипа должна быть оформлена как отдельное задание. Популяционно-статистический метод Теоретическая часть. Методы, используемые для установления частот генов и генотипов в популяции, демонстрирующие характер их изменения под влиянием окружающей среды и различных факторов популяционной динамики, называются популяционно-статистические. С помощью этих методов можно: - определить частоты генов, степень гомозиготности и полиморфизма; - установить, как меняются частоты генов под действием отбора; - выявить влияние факторов популяционной динамики на частоты тех или иных фенотипов и генотипов; - проанализировать влияние факторов окружающей среды на экспрессию генов; - определить степень межпопуляционного генетического разнообразия и вычислить расстояние между популяциями. Генетическое изучение популяций человека предполагает знание их демографических характеристик (размер популяций, рождаемость, смертность, возрастная структура, национальный состав), географических и климатических условий жизни, религиозных убеждений и др. Это связано с некоторыми особенностями популяций человека, которые могут быть панмиксными (случайные браки) и инбредными (высокая частота кровнородственных браков). В популяции человека формирование субпопуляций связано с такими формами изоляции, которые свойственны только человеку: расовая, социальная (специальное положение, экономические, этнические, языковые, административные особенности), религиозно-конфессиональная и идеологическая. Для изучения достоверных результатов популяция должна быть достаточно большой, для генетических исследований оптимальным является размер популяции с численностью от 0,5 до 5,0 млн. человек. Для сбора материала используется обзорный метод и его различные модификации, т.е. можно исследовать всю наследственную патологию, или отдельную группу заболеваний, или только одно заболевание, но изучая при этом все население выбранного региона. Наследственные заболевания распределены по различным регионам земного шара, среди разных рас и народностей неравномерно, а знания о распространении частот заболеваний и количестве гетерозиготных носителей в регионе имеет большое значение, т.к. способствует организации профилактических мероприятий. При статистической обработке материала основой для определения генетической структуры популяции является закон генетического равновесия Харди-Вайнберга, 1908г. Закон отражает закономерность, в соответствии с которой «В популяции из бесконечно большого числа свободно скрещивающихся особей, в отсутствии мутаций, избирательной миграции организмов с различными генотипами и давления естественного отбора первоначальные частоты аллелей сохраняются из поколения в поколение». В основе сохранения частот аллелей лежат статистические закономерности случайных событий в больших выборках. Для расчета частот генотипов, фенотипов и аллелей в диаллельной системе применяются формулы pA+qa=1 и (pA+qa)2=1 или p2AA+2pqAa+q2aa=1, где pA – частота доминантного аллеля, qa – частота рецессивного аллеля, p2 – частота гомозиготной АА, 2pq – частота гетерозигот Аа. Закон Харди-Вайнберга описывает условия генетической стабильности популяции. Популяцию, генофонд которой не меняется в ряду поколений, называют Менделевской. В природе эти популяции не встречаются, но их выделение имеет чисто теоретическое значение. Применение закона Харди-Вайнберга Одно из важнейших применений закона Харди-Вайнберга состоит в том, что он дает возможность рассчитать некоторые из частот генов и генотипов в том случае, когда не все генотипы могут быть идентифицированы вследствии доминантности некоторых аллелей. Пример 1: альбинизм у человека обусловлен редким рецессивным геном. Если аллель нормальной пигментации обозначить А, а аллель альбинизма а, то генотип альбиносов будет аа, а генотипы нормально пигментированных людей – АА и Аа. Предположим, что в популяции людей (Европейской части) частота альбиносов составляет 1 на 10000. Согласно закону ХардиВайнберга, в данной популяции частота гомозигот q2аа=1:10000=0,0001 (0,1%), а частота доминантного рецессивных аллеля гомозигот рА=1-qa=1-0,01=0,99. 𝑞𝑎 = √𝑞 2 =0,01. Частота Частота нормально пигментированных людей составляет р2АА=0,992=0,98(98%), а частота гетерозигот 2pqАа=20,990,1=0,198(1,98%). Важное следствие из закона Харди-Вайнберга состоит в том, что редкие аллели присутствуют в популяции главным образом в гетерозиготном состоянии. Рассмотрим приведенный пример с альбинизмом (генотип аа). Частота альбиносов равна 0,0001, а гетерозигот Аа 0,00198. Частота рецессивного аллеля у гетерозигот составляет половину частоты гетерозигот, т.е. 0,0099. Следовательно, в гетерозиготном состоянии содержится примерно в 100 раз больше рецессивных аллелей, чем в гомозиготном состоянии. Таким образом, чем ниже частота рецессивного аллеля, тем большая доля этого аллеля присутствует в популяции в гетерозиготном состоянии. Пример 2: частота фенилкетонурии (ФКУ) в популяции составляет 1:10000, ФКУ – аутосомно-рецессивное заболевание, следовательно индивидуумы с генотипами АА и Аа – здоровы, с генотипами аа – больны ФКУ. Популяция, следовательно представлена генотипами в следующем соотношении: p2AA+2pqAa+q2aa=1 ? ? ? = 10000. Исходя их этих условий: q2aa=1/10000=0,0001. 𝑞𝑎 = √0,0001 = 0,01 pA=1-qa=1-0,01=0,99 p2AA=0,992=0,9801 2paAa=20,990,01=0,0198, или 1,98% (2%) Следовательно в данной популяции частота гетерозигот по гену ФКУ по изучаемой популяции составляет приблизительно 2%. Количество индивидумов с генотипом АА составляет 100000,9801=9801, количество индивидуумов с генотипом Аа (носителей) составляет 100000,0198=198 человек, т.к. относительные доли генотипов в этой популяции представлены соотношением 1(аа):198(Аа):980 (АА). В том случае, если ген в генофонде представлен несколькими аллелями, например ген I группы крови системы АВ0, то соотношение различных генотипов выражается формулой (𝑝𝐼 𝐴 + 𝑞𝐼 𝐵 + 𝑟𝐼 0 )2 и принцип Харди-Вайнберга остается в силе. Например: среди Египтян встречаются группы крови в системе АВ0 в следующем процентном соотношении: 0(I) - 27,3%, A(II) - 38,5%, B(III) - 25,5%, AB(IV) - 8,7% Определить частоту аллелей I0, IA, IB и разных генотипов в этой популяции. При решении задачи можно воспользоваться формулами: 𝑝(𝐼 𝐴 ) = √(𝐴 + 0) − √0; (𝑞(𝐼 𝐵 ) = √(𝐵 + 0) − √0; 𝑟(𝐼 0 ) = √0, где А – частота группы крови А (II); 0 – частота группы крови 0(I); В – частота группы крови В(III). 𝑟(𝐼 0 ) = √0,273 = 0,52; (𝑝(𝐼 𝐴 ) = √0,385 + 0,273 − √0,273 = 0,8112 − 0,5225 = 0,28; 𝑞(𝐼 𝐵 ) = √0,255 + 0,273 − √0,273 = 0,7266 − 0,5225 = 0,20 Проверка: pIA+qIB+rI0=1 (0,52+0,28+0,20=1). Для генов, сцепленных с полом, равновесие частоты ХА1ХА1, ХА1ХА2 и ХА2ХА2 совпадают с таковыми для аутосомных генов: p2+2pq +q2. Для самцов (в случае гетерогаметного пола) в силу гемизиготности возможны лишь два генотипа ХА1Y или ХА2Y, которые воспроизводятся с частотой равной частоте соответствующих аллелей у самок в предшествующем поколении: p и q. Из этого следует, что фенотипы, определяемые рецессивными аллелями сцепленных с Х-хромосомой, у самцов встречаются чаще, чем у самок. Так, при частоте аллеля гемофилии qa=0,0001, у мужчин заболевание встречается в 10000 раз чаще, чем у женщин (1/10000млн. у мужчин и 1/100млн. у женщин). Для установления и подтверждения типа наследования заболеваний необходимо проверить соответствие сегрегации в отягощенных семьях заданной популяции менделеевским закономерностям. Методом -квадрат подтверждает соответствие количества больных и здоровых сибсов для аутосомной патологии в семьях с полной регистрацией (через больных родителей). Для расчета сегрегационной частоты можно использовать ряд методов: метод сибсов Вайнберга, пробандовый метод. Задание 1. Изучите конспект лекций и материал учебной литературы. Задание 2. Запишите в словарь и выучите основные термины и понятия: популяция, панмиксия, панмиксная популяция, генофонд, частота аллеля, частота фенотипа и генотипа в популяции, Закон Харди-Вайнбергера (его содержание), генетическая структура популяции, равновесие генетической структуры популяции в поколениях, мутационное давление, генетический груз, коэффициент отбора, популяционно-генетический анализ, факторы генетической динамики популяции, генетический дрейф, инбридинг, адаптационный коэффициент. Задание 3. Смоделируйте панмиксную популяцию и сделайте вывод о ее генетической структуре и о генетическом равновесии в ряду поколений (по заданию преподавателя), в двух вариантах, при s=0 и при s=-1аа. Гаметы условно представлены картонными кружочками. Кружок темного цвета обозначает гамету с доминантным аллелем А, белого – с рецессивным аллелем а. Каждая подгруппа получает по два мешочка, в которых по сто «гамет»: в одном – «яйцеклетки», в другом - «сперматозоиды»: например, А – 30 кружочков, а – 70 кружочков, всего – 100 сперматозоидов и также яйцеклеток. Один из студентов достает, не глядя, по одному кружочку («яйцеклетки»), другой аналогично достает кружки –«сперматозоиды», третий студент записывает полученную комбинацию генотипа в Таблицу 5, используя правило конвертов. Сочетание двух темных кружков означает АА, гомозиготу по доминанту; двух белых аа, гомозиготу по рецессиву; темный и белый – Аа, гетерозиготу. Так как сочетание кружков–гамет случайно, то имитируется процесс панмиксии. Таблица 5. Число генотипов и частота аллелей в модельной популяции Поколение Число генотипов АА Аа аа Всего χ2 Частота аллелей рА qА IвариантS=0 F1 F2 F3 Х IIвариантS=-1aa F1 F2 F3 F4 F5 F6 Во втором варианте следует выполнять работу до тех пор, пока число генотипов не будет повторяться, что свидетельствует об установлении в популяции нового равновесного состояния. При записи генотипов могут вкрадываться как случайные ошибки, так и отражаться закономерное изменение числа генотипа. Поэтому необходимо вычислить критерий χ2 – критерий соответствия практически полученных данных теоретически ожидаемому. Для этого определим теоретически ожидаемую частоту генотипов для заданного соотношения гамет. Например, если исходные гаметы: кружки А – 30, а –70; то по таблице Пеннета: ♂ pА 0,3 qа 0,7 pА 0,3 p2AA 0,09 pqAa 0,21 qa 0,7 pqAa0,21 q2aa 0,49 ♀ В этой таблице 0,09 АА – соответствует 9 генотипам АА из 100, 0,42 Аа – соответствует 42 генотипам Аа из 100, 0,49 аа – соответствует 49 генотипам аа из 100 полученных в опыте. Далее составим таблицу для определения χ2 : Генотипы Допустим, практически полученные (P) (в среднем по 3 поколениям) Теоретически ожидаемые (q) Отклонение (d) Число генотипов АА Аа Аа Всего 12 36 52 100 9 +3 9 42 -6 36 49 +3 9 100 χ2факт. = Σd2/q =9:9+36:42+9:49=1 + 0,85 + 0,18 = 2,03 ; при n' =2 , при P =0,05 Сравнив методом χ2 полученные результаты с теоретически ожидаемыми делаем вывод, что в данном случае полученное отношение не отличается от ожидаемого, так как χ2факт. < χ2 табличное 5,99. Следовательно, в I варианте в панмиксной популяции сохраняются первоначальные частоты аллелей (рА – 03 и qa – 0,3). Аналогичную работу проведите для I и II вариантов. Сделайте выводы. Задание 4. Решите следующие задачи: 1. Болезнь Тея-Сакса обусловлена аутосомным рецессивным аллелем. Характерные признаки этой болезни – отставание в умственном развитии и слепота, смерть наступает в возрасте около четырех лет. Частота заболевание среди новорожденных около десяти на 1 млн. Исходя из равновесия ХардиВайнберга, рассчитайте частоты аллелей и гетерозигот. 2. Кистозный наследственная фиброз поджелудочной болезнь, обусловленная ткани (муковисцидоз) рецессивным – аллелем; характеризуется плохим всасыванием в кишечнике и абструктивными изменениями в легких и других органах. Смерть наступает обычно в возрасте около 20 лет. Среди новорожденных кистозный фиброз случается в среднем у 4 на 10000. Исходя из равновесия Харди–Вайнберга, рассчитайте частоты всех трех генотипов у новорожденных, какой процент составляют гетерозиготные носители. 3. Акаталазия – заболевание, вызываемое рецессивным геном, впервые было обнаружено в Японии. У гетерозигот по этому гену наблюдается пониженное содержание каталазы в крови. Частота гетерозигот составляет 0,09% среди население Хиросимы и Нагасаки; и 1,4% среди остального населения Японии. Исходя из равновесия Гарди–Вайнберга, рассчитайте частоты аллелей и генотипов: - в Хиросиме и Нагасаки; - среди остального населения Японии. Задача 4. В таблице приведена частота аллелей, контролирующих группы крови системы АВ0, среди людей из 4 обследованных популяций. Определите частоту различных генотипов в каждой из указанных популяций. Таблица 6. Частота аллелей, определяющих группы крови АВ0 Популяция Частота гена IB 0,0 0,027 0,038 0,254 IA 0,013 0,333 0,198 0,206 Индейцы ута Эскимосы Грузины Индийцы i 0,987 0,640 0,764 0,540 5. В таблице приведена частота (в процентах) групп крови 0, А, В и АВ в 4 различных популяциях. Определите частоту соответствующих аллелей и разных генотипов в каждой из этих популяций. Таблица 7. Частота групп крови АВ0 Популяция 0 Индейцы навахо Полинезийцы Немцы Египтяне Группа крови системы АВ0 А В АВ 77,7 22,3 0 0 36,5 36,5 27,3 60,8 42,5 38,5 2,2 14,5 25,5 0,5 6,5 8,7 Задание 5. Ответьте на вопросы для самопроверки: 1. Объясните, что нужно понимать под генетической и генотипической структурой популяции. 2. Какому закону подчиняется генетическая структура популяции, в чем его сущность. 3. Охарактеризуйте факторы динамических процессов в популяции. 4. Коэффициент отбора, его сущность. 5. Почему в близкородственных браках чаще проявляются наследственные заболевания? 6. В каких генотипах содержатся рецессивные аллели в популяциях. Форма отчета: - предоставление на проверку рабочей тетради; - решение задач на определение генетической структуры популяции с использованием Закона Харди-Вайнберга; - устная защита выполненной работы. Метод дерматоглифики и пальмоскопии Теоретическая часть. Метод предложен в 1892г. Ф. Гальтоном. Основан метод на изучении кожных узоров пальцев и ладоней, а также сгибательных ладонных борозд. Ф. Гальтон установил, что названные узоры являются индивидуальной характеристикой человека и не изменяются в течение его жизни. Ф Гальтон дополнил классификацию рельефа кожных узоров, основы которой были разработаны Я. Туркинье в 1823г. В настоящее время установлена наследственная обусловленность кожных узоров. Вероятно, признак наследуется полигенно, на характер пальцевого и ладонного узоров оказывает влияние материнский организм через механизм цитоплазматической наследственности. Дерматоглифические исследования важны при идентификации зиготности близнецов. Сходство узоров 4-5 пальцев из 10 пар свидетельствует в пользу разнояйцевости близнецов, если не менее 7 имеют сходные узоры – это указывает на однояйцевость. Установлено, Клайнфельтера, что у людей с Шершевского-Тернера синдромом Дауна, наблюдаются синдромом специфические изменения не только рисунков пальцев и ладоней, но и характера основных сгибательных борозд на коже ладоней. Наблюдаются дерматоглифические изменения и специфические при некоторых хромосомных дерматоглифические аберрациях. отклонения при Описаны шизофрении, миастении, лимфоидной лейкемии. Методы генетики соматических клеток Теоретическая часть. Методы генетики соматических клеток в значительной мере компенсируют невозможность применения к человеку метода гибридологического анализа. Благодаря разработке методов генетики соматических клеток человек оказался включенным в группу объектов экспериментальной генетики. Соматические клетки быстро размножаются на питательной среде, они успешно клонируются, давая идентичное потомство, могут сливаться и образовывать гибридные клоны. Соматические клетки подвергаются селекции на различных питательных средах и долго сохраняются при глубоком замораживании. Все это позволяет использовать культуры соматических клеток, полученных из материала биопсии (переферическая кровь, кожа, опухолевая ткань, ткань эмбрионов, клетки из околоплодной жидкости), для генетических исследований человека. При генетических исследованиях соматических клеток человека используют простое культивирование, клонирование, селекцию, гибридизацию. Так, для гибридизации могут использоваться клетки от разных людей, а также от человека и других животных (мыши, крысы, морской свинки, обезьяны, джунгарского хомячка, курицы и др.). Гибридные клетки при делении обычно «теряют» хромосомы одного из видов. Например, в гибридных клетках «человек-мышь» постепенно утрачиваются все хромосомы человека, а в клетках «человек-крыса» - сохраняются все хромосомы человека и одна хромосома крысы. Таким образом можно получать клетки с желаемым набором хромосом, что дает возможность изучать сцепление генов и их локализацию, изучать механизмы первичного действия и взаимодействия генов, регуляцию генной активности. Методы генетики соматических клеток дают возможность судить о генетической гетерогенности наследственных болезней, изучать их патогенез на биохимическом и клеточном уровнях, появилась возможность точной диагностики наследственных болезней в пренатальный период. Близнецовый метод Метод предложен в 1875г. Гальтоном первоначально для оценки роли наследственности и среды в развитии психических свойств человека. В настоящее время метод широко применяется в изучении наследственности и изменчивости человека для определения соотносительной роли наследственности и среды в формировании различных признаков. С помощью близнецового метода можно выявить наследственный характер признака, определить пенетрантность аллеля, оценить эффективность действия на организм некоторых внешних факторов (лекарственных препаратов, обучения, воспитания). Сущность метода заключается в сравнении проявления признака в разных группах близнецов при учете сходства или различия их генотипов. Монозиготные близнецы (МБ) генетически идентичны, т.к. развиваются из одной зиготы, поэтому среди монозиготных близнецов наблюдается высокий процент конкордантных пар, в которых признак развивается у обоих близнецов, что свидетельствует о генетической обусловленности признака. По признакам, в формировании которых ведущая роль принадлежит факторам среды между близнецами дискордантность. Количественную наблюдается оценку несовпадение или относительной роли наследственности и среды можно сделать на основе расчета коэффициента наследственности Н и коэффициента влияния среды Е. с помощью формулы К. Хольцингера: Н=(КМБ-КДБ)/(100-КДБ), где КМБ – конкорданность признака (в %) для МБ; КДБ – то же для ДБ. Если Н=1, т.е. 100%, то можно считать, что экспрессия признака определяется только генотипом индивидуума. Если Н=70%, то 70% - в формировании признака отводится наследственности, а 30% - факторам среды. Существуют таблицы конкордантности близнецов по различным признакам и заболеваниям. Таблица 8. Конкордантность (в процентах) нормальных признаков человека, установленная при исследовании пар МБ и ДБ Признаки Группа крови (система АВ0) Цвет кожи Цвет глаз Цвет волос Форма волос Форма носа Форма грудной клетки Папиллярные линии Возраст, в котором ребенок начал ходить МБ 100 100 99,5 97 100 98 96 92 67 ДБ 46 45 28 23 79 20 60 40 30 Трудности близнецового метода связаны с низкой рождаемостью близнецов в популяциях (1:86 – 1:88), с идентификацией монозиготности близнецов, что важно для достоверности выводов. Для идентификации монозиготности применяют полисимптомный метод сравнения близнецов по многим признакам, методы основанные на иммунологической идентичности близнецов по эритроцитарным антигенам (АВ0, МN, резусу), по сывороточным белкам, -глобулину), наиболее достоверный критерий – трансплпнтационный тест с применением перекрестной пересадки кожи. Задание 1. Решите задачи: Задача 1. В таблице «Конкордантность (в процентах) нормальных признаков человека, установленная при исследовании пар МБ и ДБ» приведены данные о конкордантности некоторых нормальных признаков у пар МБ и ДБ. Проанализируйте приведенные результаты и сделайте предварительное заключение об относительной роли наследственности и факторов среды в развитии каждого из указанных признаков. Для уточнения сделанного заключения проведите расчеты коэффициентов наследственности (Н) и влияния среды (Е), используя формулу Хольцингера. Задача 2. Роанализировав результаты изучения пар близнецов, приведенные в таблице рассчитайте коэффициенты Н и Е с помощью формулы Хольцингера и сделайте заключение об относительной роли наследственности и факторов среды в развитии указанных заболеваний человека. Таблица 9. Встречаемость некоторых заболеваний среди пар МБ и ДБ Конкордантность, % МБ ДБ 84 37 71 70 88 22 28,6 8 20 12,7 Заболевание Сахарный диабет Эндемический зоб Рахит Экзема Доброкачественная опухоль Задача 3. Проанализируйте результаты наблюдений за близнецами, приведенные в таблице и сделайте заключение об относительной роли наследственности и факторов среды в развитии указанных инфекционных заболеваний (в некоторых случаях можно использовать формулу Хольцингера) Таблица 10. Встречаемость некоторых инфекционных заболеваний у близнецов Заболевание Корь Коклюш Скарлатина Дифтерия Ангина Пневмония Полиомиелит Туберкулез Ревматизм Инфекционный гепатит Эпидемический паротит Конкордантность, % МБ 97,4 97,1 54,6 50,0 51,1 32,3 35,7 32,8 26,0 45,5 82,0 ДБ 95,7 92,0 47,1 37,7 39,7 18,2 6,1 20,6 10,5 18,2 74,0 Пренатальная диагностика наследственных заболеваний Изучение клеточного материала развивающегося плода методами генетики соматических клеток, молекулярной биологии, цитологических и биохимических методов дает возможность ранней диагностики наследственной патологии у человека. Материал внутриутробно развивающегося организма можно получать разными способами. 1. Амниоцентез (15-16 неделя беременности). Материалом для исследований служит амниотическая жидкость, содержащая продукты жизнедеятельности плода и клетки его кожи и слизистых цитологическими методами определяют пол плода и выявляют хромосомные и геномные мутации. Биохимическими методами обнаруживают дефект белковых продуктов генов, изучают ДНК с помощью ДНК-зондов. С помощью амниоцентеза диагностируются все хромосомные аномалии, свыше 60 наследственных болезней обмена веществ, несовместимость матери и плода по эритроцитарным антигенам. 2. Биопсия ворсин хориона (первая треть беременности). 3. Пункция сосудов плода. Методы фетоскопии и ультрозвуковых исследований дают возможность определять пол плода, некоторые пороки развития путем непосредственного наблюдения. Пренатальная диагностика должна проводиться на 20-22-й неделе беременности. Пренатальное обследование проводится в случаях: 1) при обнаружении транслокаций хромосом у одного из родителей; 2) при наличии у родителей АД заболевания; 3) при наличии в семье детей с АР; 4) при возрасте матери старше 35 лет; 5) при привычных выкидышах; 6) при наличии в семье детей с врожденными пороками развития. Медико-генетическое консультирование Эффективным способом профилактики наследственных болезней является медико-генетическое консультирование. Медико-генетическое консультирование – это вид специализированной помощи населению, направленной на предупреждение появления в семье детей с наследственной патологией. С этой целью составляют прогноз рождения в данной семье ребенка с наследственной болезнью, родителям объясняют вероятность этого события и оказывают помощь в принятии решения. В случае большой вероятности рождения больного ребенка родителям рекомендуется либо воздержаться от деторождения, либо провести пренатальную диагностику, если она возможна при данном виде патологии. Медико-генетическое консультирование включает 3 основных этапа. 1. Уточнение диагноза. Для этой цели используют генеалогический, цитологический, биохимический и другие необходимые методы исследований, которым подвергаются пробанд и его родственники. Точный клинический и генетический диагноз заболевания позволяет установить степень генетического риска и выбор эффективных методов пренатальной диагностики и профилактического лечения. 2. Прогноз потомства. Сущность генетического прогноза заключается в определении вероятности появления наследственной патологии в семье. Генетический риск может быть определен либо путем теоретических расчетов, либо с помощью эмпирических данных. Наиболее эффективным является проспективное консультирование, когда риск рождения больного ребенка определяется до наступления или в ранние сроки беременности. Проспективное консультирование проводят в случае кровного родства супругов, при отягченной наследственности по линии мужа или жены, при воздействии мутагенных средовых факторов на супругов незадолго до наступления беременности, а также после рождения больного ребенка относительно здоровья будущих детей. Расчет риска при моногамном заболевании может осложниться при пониженной экспрессивности или неполной пенетрантности гена, позднем проявлением генетической аномалии, генетической гетерогенности заболевания. При хромосомных болезнях в случае отсутствия нарушений в кариотипе родителей, вероятность повторного рождения второго ребенка с хромосомной аномалией оценивается по эмпирическим данным для каждого вида аномалии с учетом возраста родителей. При мультифакторных заболеваниях, т.е. заболеваниях с наследственной предрасположенностью, для расчета генетического риска используют данные о популяционной и семейной частоте каждого из них. Специфический генетический риск до 5% - низкий, до 10% повышенный в легкой степени, до 20% - средний, более 205 – высокий. 3. Принятие правильного решения в отношении деторождения. Задание 1. Изучите конспект лекций и материал учебной литературы. Задание 2. Ответьте на вопросы: 1. Какова, по Вашему мнению, результативность лечения наследственных болезней? 2. В чем заключается профилактика наследственных болезней? 3. В чем заключается медико-генетическое консультирование? 4. Что вы знаете о перспективных научных направлениях в разработке способов радикального лечения наследственных заболеваний? 5. Что такое генетический мониторинг и каково его значение в профилактике наследственных болезней? 6. В чем состоит причина возникновения наследственных болезней человека?
