Государственное автономное образовательное учреждение среднего профессионального образования Республики Башкортостан «Уфимский медицинский колледж» Реферат по теме «Методы исследования наследственности человека» ОП 05 Генетика человека с основами медицинской генетики 31.02.01 Лечебное дело (углублённой подготовки) Студентки группы 103 Ф______________ Золотова Д.С. (подпись) Руководитель Алексеева А.А. ___________ (подпись) Уфа 2021 Содержание 1. Введение……………………………………………………………………3 стр. 2. Генеалогический метод……………………………………………………4 стр. 3. Цитогенетический метод……………………………………………….....7 стр. 4. Близнецовый метод………………………………………………………..9 стр. 5. Биохимический метод…………………………………………………....11 стр. 6. Популяционно-статистический метод……………………….………….13 стр. 7. Дерматоглифический метод………………………………….……….…15 стр. 8. Вывод.………………………………………………………….………….17 стр. 9. Список литературы…………………………………………….…………18 стр. 2 Введение В настоящее время главным объектом генетических исследований становится человек. Для генетических исследований человек является очень неудобным объектом, так как у человека: большое количество хромосом; невозможно экспериментальное скрещивание; поздно наступает половая зрелость; малое число потомков в каждой семье; невозможно уравнивание условий жизни для потомства. Генетика человека, быстро развиваясь в последние десятилетия, дала ответы на многие из давно интересовавших людей вопросы: от чего зависит пол ребенка? Почему дети похожи на родителей? Какие признаки и зaбoлeвaния нacлeдуютcя, а какие – нет, почему люди так не похожи друг на друга, почему вредны близкородственные браки? Интерес к генетике человека обусловлен несколькими причинами. Во-первых, это естественное стремление человека познать самого себя. Вовторых, после того как были побеждены многие инфекционные болезни – чума, холера, оспа и др., – увеличилась относительная доля наследственных болезней. В-третьих, после того как были поняты природа мутаций и их значение в наследственности, стало ясно, что мутации могут быть вызваны факторами внешней среды, на которые ранее не обращали должного внимания. Началось интенсивное изучение воздействия на наследственность излучений и химических веществ. С каждым годом в быту, сельском хозяйстве, пищевой, косметической, фармакологической промышленности и других областях деятельности применяется все больше химических соединений, среди которых используется немало мутагенов. Генетика человека достаточно хорошо изучена. Это оказалось возможным благодаря использованию разнообразных методов исследования. 3 Генеалогический метод Генеалогический метод (греч. genealogia родословная) — составление и анализ родословных с целью установления закономерностей наследственной передачи нормальных и патологических признаков. Сущность генеалогического метода состоит в выяснении родственных связей и в прослеживании признака или болезни среди всех родственников. Генеалогический метод наряду с цитогенетическим, близнецовым, популяционностатистическим методами и методом моделирования наследственных болезней является одним из основных методов изучения наследственности человека. В медицинской генетике (см.) метод чаще называют клинико-генеалогическим, поскольку наблюдают за патологическими признаками с помощью клинического обследования. Родословная составляется по одному или нескольким интересующим специалиста признакам. В основе Генеалогического метода лежат установленные Г. Менделем закономерности наследственной передачи признаков и хромосомная теория наследственности. Генеалогический метод во многом эквивалентен гибридологическому методу общей генетики, но отличается тем, что при нем вместо проведения скрещиваний из популяции выбирают определенные браки и следят за передачей интересующего признака в поколениях. Генеалогический метод позволяет делать вероятностные предсказания относительно появления определенного признака или болезни в семье. Генеалогический метод относится к наиболее универсальным методам в генетике человека. Он применяется с целью установления наследственного характера признака, определения типа наследования и пенетрантности гена, изучения мутационного процесса, взаимодействия генов. сцепления генов, картирования хромосом. Составление родословной для анализа наследования у человека предложено в конце 19 в. англ. ученым-антропологом Гальтоном (F. Galton). Однако эмпирическое наблюдение за родословными, в которых отмечалось наследование патологических признаков, известно давно. Напр., в Талмуде нашла отражение зависимость от пола наследования гемофилии. В середине 18 в. описано наследование доминантного признака полидактилии и дан анализ расщепления этого признака в потомстве. В начале 19 в. Адамс (J. Adams) на основе эмпирического анализа родословных описал доминантный и рецессивный типы наследования. В это же время дан анализ наследования гемофилии и цветовой слепоты. Эти и некоторые другие факты можно рассматривать как предпосылки формирования генеалогического метода. С развитием генетики как науки Г. м. совершенствуется по линии составления родословных и особенно в отношении методов статистического анализа данных. Г. м. в Советском Союзе начал широко применяться в начале 30-х гг. 20 в. С. Н. Давиденковым, Т. И. Юдиным, Ю. А. Филипченко, Н. К. Кольцовым и др. В Генеалогическом методе условно можно выделить два этапа — составление родословных и генеалогический анализ, т. е. анализ родословных по принципам генетического анализа. Для составления родословной пробанда (лицо, с которого начинают обследование) необходимы сведения о возможно большем числе родственников — носителей наследственного признака или болезни по материнской и отцовской линиям. Существенным условием для выяснения особенностей наследования является также достаточное число семей, в которых прослеживается изучаемый признак. В понятие «семья» включают родителей с детьми. В зависимости от цели родословная может быть полной (включение в исследование всех семей родственников пробанда) или ограниченной (включение в исследование только семей с больными детьми). Источниками для составления родословной обычно являются непосредственное обследование, истории 4 болезней (или выписки из них), результаты опроса членов семьи. Сведения о родственниках должны быть уточнены путем перекрестного опроса. Основным элементом родословной — генеалогической единицей — является индивид. Рис. 1. Условные обозначения при составлении родословных. При составлении родословных используются общепринятые условные обозначения (рис. 1). Лица мужского пола обозначаются квадратом, женского — кружком. В Великобритании для обозначения лиц мужского пола используют символ Марса ♂ а женского — символ Венеры ♀. При наличии нескольких болезней в исследуемой семье используются первые буквы названий этих болезней. Графическое изображение родословной (генеалогическая таблица) составляется таким образом, чтобы лица, относящиеся к одному поколению, располагались по одной горизонтальной линии. Обычно составление родословной начинают с пробанда. При наличии нескольких детей в семье дети изображаются слева направо, начиная со старшего. Сестер и братьев одной родительской пары, рассматриваемых вместе, называют сибсами. Каждое предшествующее поколение располагается выше линии пробанда, а последующее поколение — ниже линии пробанда. Для удобства составления родословной сначала можно вычертить родословные связи, относящиеся к матери пробанда (материнская линия), после чего изображают отцовскую линию или наоборот. Поколения обозначаются римскими цифрами, лица, относящиеся к одному поколению,арабскими цифрами. К родословной рекомендуется прилагать текстовое описание отдельных ее членов — легенду. Генеалогический метод помогает проследить особенности наследования на протяжении ряда поколений, отметить влияние внешних факторов, кровных браков на проявляемость мутантного гена и степень выраженности его свойств. В последние годы для изучения родословной все шире начинают использоваться компьютеры. Практическая ценность Генеалогического метода увеличивается с повышением точности составления родословных; этому способствует более полная регистрация генеалогических данных и выявление тетерозиготных носителей мутантного гена с помощью всестороннего 5 обследования. Рис. 2. Пример генеалогического древа 6 Цитогенетический метод Цитогенетическое изучение хромосом человека начали проводить с начала 20-х гг. XX в. Полученные данные позволили разработать и использовать цитогенетический метод при исследовании и диагностике наследственных болезней. Цитогенетический метод основан на микроскопическом исследовании кариотипа с применением тех или иных способов окрашивания хромосом. Данный метод позволяет проанализировать хромосомный комплекс клеток человека, установить структурные особенности отдельных хромосом, а также выявить нарушения числа и строения хромосом у исследуемого индивидуума. Наличие связи между обнаруженными нарушениями и появлением определенных патологических признаков в фенотипе человека дает возможность диагностировать различные хромосомные заболевания. Помимо диагностики хромосомных наследственных болезней человека, этот метод применяется при изучении закономерностей мутационного процесса и хромосомного полиморфизма человеческих популяций, а также при составлении генетических карт. Для проведения исследования можно использовать любые ядерные клетки, способные к делению (наиболее удобным объектом являются лимфоциты, выделенные из периферической крови), поскольку с помощью световой микроскопии обнаружить и исследовать хромосомы можно лишь во время митотического деления соматических клеток (предпочтительно в метафазе митоза). Необходимый объем периферической крови пациента для анализа — 1—2 мл. Анализ кариотипа проводят в несколько этапов: культивирование клеток на питательной среде с добавлением ФГА (фитогемаглютинина), стимулирующего митотическое деление клеток, в течение 72 часов; добавление в среду колхицина, разрушающего нити веретена деления, с целью остановки митоза на стадии метафазы; обработка гипотоническим раствором хлорида натрия для разрушения мембранных структур клетки; фиксация хромосом на предметном стекле; окрашивание хромосом. Методы окрашивания хромосом: сплошная окраска красителем Романовского — Гимзы (рутинный метод), дифференциальное окрашивание. После приготовления препарата и окраски хромосом их исследуют с помощью микроскопа. Обнаруженные митотически делящиеся клетки фотографируют для последующего анализа и систематизации. В результате проделанной работы может быть составлена кариограмма исследуемого человека в соответствии с международной классификацией. Рутинный метод окрашивания позволяет относительно легко отнести ту или иную пару гомологичных хромосом к соответствующей группе. Однако использование данного метода, обеспечивающего интенсивное равномерное окрашивание каждой хромосомы, малоинформативно при идентификации хромосом и изучении структурных перестроек. 7 Цитогенетический метод с использованием полной схемы кариотипирования применяется как один из обязательных диагностических тестов в следующих случаях: 1) при обследовании детей с врожденными пороками развития; 2) обследовании женщин, у которых наблюдались привычные выкидыши или мертворожденна; 3) проведении дородовой диагностики наследственных заболеваний в случае пожилого возраста матери либо предполагаемого наследования в семье структурных нарушений отдельных хромосом (небольших делеций, транслокаций и др.); 4) для подтверждения диагноза хромосомной патологии, поставленного на основании исследования полового хроматина. Рис. 3. Цитогенетический метод 8 Близнецовый метод Близнецовый метод — исследование генетических закономерностей на близнецах. В основе Близнецового метода лежит сравнение изучаемых признаков (или реакций) в разных группах близнецов с учетом сходства или различий их генотипов и среды, в которой близнецы росли, т. е. оценка роли наследственности и среды в изменчивости признака. Частным случаем использования Близнецового метода являются, напр., установление наследственного характера признака и определение частоты фенотипического проявления гена — его пенетрантности. Б. м. применяется также и для оценки действия некоторых внешних факторов: лечебных препаратов, методов воспитания, обучения и т. д. В целом близнецовые исследования, кроме Б. м., включают еще изучение явления многоплодия с медицинской, демографической, генетической и других точек зрения. Термин «близнецовый метод» был предложен Гальтоном (F. Galton) в 1875 г. В дальнейшей разработке этого метода принимали участие Вейнберг (W. Weinberg), Сименс (Н. Siemens), Хольцингер (К. Holzinger), Пенроуз (L. Penrose), Аллен (G. Allen), С. Г. Левит и другие, усилиями которых учение о близнецах превратилось в самостоятельный раздел биологии, называемый гемеллологией (лат. gemelli близнецы + греч, logos учение). При использовании Близнецового метода проводится сопоставление: 1) монозиготных близнецов с дизиготными; 2) конкретных представителей (партнеров) монозиготных пар между собой; 3) результатов анализа близнецовой выборки с общей популяцией. Монозиготными близнецами (однояйцовые, идентичные близнецы) называют близнецов, развивающихся из одной оплодотворенной яйцеклетки (зиготы) и разделившейся при первом дроблении зиготы на две части. Такие близнецы генетически одинаковы. Дизиготные близнецы (двуяйцовые, неидентичные близнецы) возникают при одновременном оплодотворении двух яйцеклеток. С генетической точки зрения они сходны не более, чем обычные братья и сестры, и имеют в среднем по 50% идентичных генов. Однако у дизиготных близнецов совпадает время зачатия, время и условия эмбрионального развития в материнском организме и постэмбрионального — в семье, т. е. двуяйцовые близнецы обладают большей общностью средовых факторов, чем обычные братья и сестры. При многоплодных беременностях рождаются не только двойни, но и тройни, четверни и т. д. Частота рождения таких близнецов не велика, и в Б. м. они используются редко. Общая частота рождений близнецовых пар равна примерно 1%, из которых приблизительно около трети приходится на монозиготных близнецов. Соотношение моно- и дизиготных близнецов для каждой популяции можно определить по методу Вейнберга, суть которого в упрощенной форме сводится к следующему: отклонения от равного соотношения полов в близнецовых выборках невелики, все разнополые пары — заведомо дизиготны. Количество разнополых и равнополых пар среди дизиготных близнецов примерно одинаково. Поэтому число монозиготных близнецов можно определить, вычитая из всех обследованных пар близнецов удвоенное количество разнополых пар. Этот метод следует использовать только при популяционных исследованиях, т. к. в малых выборках он дает неточные результаты. Исследования с применением близнецового метода проводят в три этапа: 1) составление близнецовой выборки; 2) установление моно- или дизиготности; 3) сопоставление пар и групп близнецов по рассматриваемым признакам. 9 Составление близнецовой выборки. Из популяции выбираются все близнецы, а затем те из них, кто имеет рассматриваемый признак, или же из всего населения выделяются лица с данным признаком, а потом уже из них выделяют близнецов. В наблюдение должны включаться только те пары близнецов, в которых можно обследовать обоих партнеров. Если популяция, в которой проводится исследование близнецового метода, велика и выявить всех близнецов в ней невозможно, то составление близнецовой выборки должно основываться на общих статистических правилах, включая правильное для данной популяции соотношение моно- и дизиготных пар. Близнецовый метод не всегда требует большой выборки, и исследование можно ограничить одной или несколькими парами близнецов. В этом случае, однако, будет невозможна экстраполяция результатов на популяцию. Рис. 4. 1. Монозиготные близнецы 2. Дизиготные близнецы 10 Биохимический метод Биохимический метод – основной метод в биохимии из основных методов диагностики различных заболеваний, которые вызывают нарушение обмена веществ. Именно об этом методе анализа и пойдет речь в данной статье. Объектами диагностики биохимического анализа являются: кровь; моча; пот и другие биологические жидкости; ткани; клетки. Биохимический метод исследования позволяет определять активность ферментов, содержание продуктов метаболизма в различных биологических жидкостях, а также выявлять нарушения в обмене веществ, которые обусловлены наследственным фактором. История Открыт биохимический метод английским врачом А. Гарродом в начале ХХ века. Он изучал алкаптонурию, и в ходе изучения им было установлено, что врожденный метаболизм или заболевание обмена веществ можно определить по признаку отсутствия специфических ферментов. Различные наследственные заболевания обуславливаются мутациями в генах, которые изменяют структуру и скорость синтеза белков в организме. При этом нарушается углеводный, белковый и липидный обмен. Основное В целях клинической диагностики изучается химический состав биологических материалов и тканей, так как при патологии могут проявиться изменения концентрации, отсутствие компонентов или наоборот появление какого-либо другого компонента. По биохимическому анализу определяют количество определенных веществ, гормональный баланс, ферменты. Исследуются молекулы, белки, нуклеиновые кислоты и другие вещества, которые входят в состав живого организма. Результаты Результат биохимического метода исследования может быть разделен на качественный (обнаружен или не обнаружен) и количественный (каково содержание того или иного вещества в биоматериале). В качественном методе исследования используются свойства, характерные для используемого вещества, которые проявляются при определенных химических воздействиях (при нагревании, при прибавлении реагентов). 11 Прямой количественный метод исследования определяется на основе этого же принципа, но сначала определяют обнаружение какого-либо вещества, а затем уже измеряют его концентрацию. Гормоны, медиаторы содержатся в организме в очень малых количествах, поэтому их содержание измеряют при помощи биологических тест-объектов (например, отдельного органа или целого экспериментального животного). Этим повышается чувствительность и специфичность исследований. Историческая эволюция Биохимический метод совершенствуется, чтобы получать наиболее точный результат и информацию о состоянии обменных процессов в организме, процессов обмена веществ в определенных органах и клетках. В последнее время биологические методы диагностики сочетают с другими методами исследований, такими как иммунные, гистологические, цитологические и другие. Для использования более сложного метода или методов обычно используют специальное оборудование. Существует другое направление биохимического метода, которое не вызывается запросом клинической диагностики. С помощью разработки и применения быстрого и максимально упрощенного метода, который может позволить за несколько минут определить оценку нужных биохимических показателей. В наше время лаборатории оснащены новейшим усовершенствованным оборудованием и механическими, и автоматическими системами, и приборами (анализаторами), которые позволяют быстро и точно определить нужный показатель. Биохимический метод изучения: способы Измерение какого-либо вещества в биологических жидкостях и их определение осуществляется разными многочисленными способами. Например, определить такой показатель как холестеринэстераза, можно сотнями вариантов методов биохимического исследования. Выбор конкретной методики во многом зависит от характера исследуемых биологических жидкостей. Биохимический метод исследования используется для определения одного вещества или показателя как однократно, так и в динамике. Этот показатель проверяют при определенном времени суток, под определенной нагрузкой, в процессе заболевания, при приеме каких-либо препаратов. Особенности биохимического метода: минимальное количество используемого биоматериала; скорость выполнения анализа; возможное многократное применение данного метода; точность; биохимический метод можно использовать в процессе болезни; прием препаратов не влияет на результат исследования. 12 Популяционно-статистический метод Популяционно-статистический метод Это метод изучения распространения наследственных признаков (наследственных заболеваний) в популяциях. Существенным моментом при использовании этого метода является статистическая обработка получаемых данных. Под популяцией понимают совокупность особей одного вида, длительное время обитающих на определенной территории, свободно скрещивающихся друг с другом, имеющих общее происхождение, определенную генетическую структуру и в той или иной степени изолированных от других таких совокупностей особей данного вида. Популяция является не только формой существования вида, но и единицей эволюции, поскольку в основе микроэволюционных процессов, завершающихся образованием вида, лежат генетические преобразования в популяциях. Изучением генетической структуры популяций занимается особый раздел генетики — популяционная генетика. У человека выделяют три типа популяций: 1) панмиктические, 2) демы, 3) изоляты, которые отличаются друг от друга численностью, частотой внутригрупповых браков, долей иммигрантов, приростом населения. Население крупного города соответствует панмиктической популяции. В генетическую характеристику любой популяции входят следующие показатели: 1) генофонд(совокупность генотипов всех особей популяции), 2) частоты генов, 3) частоты генотипов, 4) частоты фенотипов, система браков, 5) факторы, изменяющие частоты генов для выяснения частот встречаемости тех или иных генов и генотипов используется закон Харди-Вайнберга. Закон Харди-Вайнберга В идеальной популяции из поколения в поколение сохраняется строго определенное соотношение частот доминантных и рецессивных генов (1), а также соотношение частот генотипических классов особей (2). p + q =1,(1) р2 + 2pq + q2 = 1, (2) где p — частота встречаемости доминантного гена А; q — частота встречаемости рецессивного гена а; р2 — частота встречаемости гомозигот по доминанте АА; 2pq — частота встречаемости гетерозигот Аа; q2 — частота встречаемости гомозигот по рецессиву аа. Идеальной популяцией является достаточно большая, панмиктическая (панмиксия — свободное скрещивание) популяция, в которой отсутствуют мутационный процесс, естественный отбор и другие факторы, нарушающие равновесие генов. Понятно, что идеальных популяций в природе не существует, в реальных популяциях закон ХардиВайнберга используется с поправками. Закон Харди-Вайнберга, в частности, используется для примерного подсчета носителей рецессивных генов наследственных заболеваний. Например, известно, что в данной популяции фенилкетонурия встречается с частотой 1:10000. Фенилкетонурия наследуется по аутосомно-рецессивному типу, следовательно, больные фенилкетонурией имеют генотип аа, то есть q2 = 0,0001. Отсюда: q = 0,01; p = 1 - 0,01 = 0,99. Носители рецессивного гена имеют генотип Аа, то есть являются гетерозиготами. Частота встречаемости гетерозигот (2pq) составляет 2 · 0,99 · 0,01 ≈ 0,02. Вывод: в данной популяции около 2% населения — носители гена фенилкетонурии. Заодно можно подсчитать частоту встречаемости гомозигот по доминанте (АА): p2 = 0,992, чуть меньше 98%. 13 Изменение равновесия генотипов и аллелей в панмиктической популяции происходит под влиянием постоянно действующих факторов, к которым относятся: мутационный процесс, популяционные волны, изоляция, естественный отбор, дрейф генов, эмиграция, иммиграция, инбридинг. Именно благодаря этим явлениям возникает элементарное эволюционное явление — изменение генетического состава популяции, являющееся начальным этапом процесса видообразования. 14 Дерматоглифический метод Дерматоглифический анализ — это изучение папиллярных узоров пальцев, ладоней и стоп. На этих участках кожи имеются крупные дермальные сосочки, а покрывающий их эпидермис образует гребни и борозды. Дерматоглифические узоры обладают высокой степенью индивидуальности и остаются неизменными в течение всей жизни. Поэтому их используют для определения зиготности близнецов, для идентификации личности в криминалистике и установления отцовства в судебной медицине. Трудности использования дерматоглифического анализа в медицине заключаются в отсутствии специфических изменений дерматоглифики при определенных заболеваниях. В медико-генетических консультациях дерматоглифический анализ чаще используется в качестве экспресс-метода диагностики некоторых геномных мутаций (болезни Дауна), реже - хромосомных мутаций. Схема флексорных борозд и главного ладонного угла (atd). Б большого пальца, К косая, П поперечная Папиллярные гребни на различных участках гребешковой кожи образуют узоры разного типа и ориентации. Узоры изучают на отпечатках, сделанных на бумаге, после нанесения на кожу типографской краски. На пальцевых подушечках имеются узоры трех типов: дуги (А - arch), петли (L - loop) и завитки (W - whorl). Для большинства узоров характерна дельта (трирадиус) - место схождения трех разнонаправленных папиллярных линий. Дуга представляет собой открытый, бездельтовый узор; петля - замкнутый с одной стороны, однодельтовый узор; завиток - полностью замкнутый, двухдельтовый узор. Иногда встречаются комбинированные сложные узоры. Количественным показателем узора является гребневый счет - число папиллярных линий между дельтой и центром узора. Гребневый счет дугового узора равен нулю. Узоры, аналогичные пальцевым, имеются и на ладонях - в области тенора и гипотенора и на II, III, IV и V межпальцевых промежутках. В межпальцевых промежутках имеются трирадиусы (a, b, c, d), а вблизи браслетной складки расположен главный ладонный трирадиус t. Если соединить трирадиусы a, d и t, то получим главный ладонный угол atd, который в норме не превышает 57°. На ладони различают три главные флексорные (сгибательные) борозды: борозды большого пальца, косая и поперечная. Иногда косая борозда сливается с поперечной в одну четырехпальцевую 15 борозду (ЧПБ). Частота ее встречаемости в норме не превышает 5%. Совокупность радиальных петель на IV и V пальцах, четырехпальцевой борозды и главного ладонного угла свыше 60°-80° свидетельствует о врожденной компоненте наследственного заболевания 16 Вывод Таким образом, подведя итоги проделанной работы, можно дать четкие определения: Генеалогический метод — составление родословной и её анализ. Популяционно-статистический метод — анализ частоты встречаемости генов и генотипов в популяции. Цитогенетический метод — микроскопическое изучение числа, формы и размеров хромосом в делящихся клетках организма. Биохимический метод — анализ состава веществ, содержащихся в организме, и биохимических реакций, протекающих в его клетках. Близнецовый метод — изучение проявления признаков у однояйцевых и разнояйцевых близнецов. Дерматоглифка – это изучение рельефа кожи на пальцах, ладонях и подошвенных поверхностях стоп, который образован эпидермальными выступами – гребнями, которые образуют сложные узоры. Все эти методы позволяют определить заранее вероятность проявления различных признаков, в том числе наследственных заболеваний, что немаловажно для развития человечества. Со временем эти методы будут улучшаться, будут появятся новые, и возможно, когда-нибудь появится возможность преодоления, избежания данных наследственных болезней, поэтому сейчас необходимо накапливать больше знаний о них. 17 Список литературы 1. М42 Медицинская генетика: учебник для медицинских училищ и колледжей / под ред. Н. П. Бочкова. – М.: ГЭОТАР-Медиа, 2012. – 224 с.: ил. 2. Интернет ресурсы сайтов: studfile.net; studopedia.ru; vmede.org. 18
