гены человека - Anatomia omului
реклама
Государственный Университет Медицины и Фармации "Николае Тестемицану" Кафедра Молекулярной биологии и Генетики человека Генетика человека Курс лекций КИШИНЕВ, 2015 Оглавление ВВЕДЕНИЕ В ГЕНЕТИКУ ЧЕЛОВЕКА .............................................................................................................. 3 ГЕНЕТИЧЕСКИЙ АППАРАТ КЛЕТКИ ЧЕЛОВЕКА ...................................................................................... 6 ИЗМЕНЧИВОСТЬ И ЕЕ ФОРМЫ ...................................................................................................................... 13 НЕНАСЛЕДСТВЕННАЯ ИЗМЕНЧИВОСТЬ .................................................................................................... 14 НАСЛЕДСТВЕННАЯ, ИЛИ ГЕНОТИПИЧЕСКАЯ ИЗМЕНЧИВОСТЬ ......................................................... 15 МУТАЦИОННАЯ ИЗМЕНЧИВОСТЬ ................................................................................................................ 15 ХРОМОСОМЫ ЧЕЛОВЕКА ................................................................................................................................ 17 МОЛЕКУЛЯРНАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ ХРОМОСОМ ......................................................................................... 17 КЛАССИФИКАЦИЯ ХРОМОСОМ ЧЕЛОВЕКА .............................................................................................. 19 ИЗУЧЕНИЕ ХРОМОСОМ ЧЕЛОВЕКА ............................................................................................................. 21 НОМЕНКЛАТУРА ХРОМОСОМ ЧЕЛОВЕКА ................................................................................................. 25 ХРОМОСОМНЫЕ АНОМАЛИИ ........................................................................................................................ 28 ПОСЛЕДСТВИЯ ХРОМОСОМНЫХ АНОМАЛИЙ ......................................................................................... 31 ХРОМОСОМНЫЕ СИНДРОМЫ ........................................................................................................................ 32 ОСОБЕННОСТИ ПОЛОВЫХ ХРОМОСОМ ..................................................................................................... 34 ПЕРЕДАЧА ГЕНЕТИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ ОТ КЛЕТКИ К КЛЕТКЕ ............................................. 39 ОШИБКИ МИТОЗА И ИХ ПОСЛЕДСТВИЯ ..................................................................................................... 43 ПЕРЕДАЧА ГЕНЕТИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ ОТ РОДИТЕЛЕЙ ДЕТЯМ ........................................... 47 ГАМЕТОГЕНЕЗ .................................................................................................................................................... 47 ОШИБКИ МЕЙОЗА И ИХ ПОСЛЕДСТВИЯ ..................................................................................................... 51 ГЕНЫ ЧЕЛОВЕКА ................................................................................................................................................. 53 СТРОЕНИЕ, ЛОКАЛИЗАЦИЯ И ФУНКЦИИ ГЕНОВ ЧЕЛОВЕКА ............................................................... 53 КЛАССИФИКАЦИЯ ГЕНОВ ЧЕЛОВЕКА ........................................................................................................ 56 ГЕННЫЕ МУТАЦИИ ........................................................................................................................................... 59 МЕТОДЫ АНАЛИЗА ГЕНОВ ............................................................................................................................. 65 НАСЛЕДСТВЕННЫЕ ПРИЗНАКИ .................................................................................................................... 71 ХАРАКТЕРИСТИКА АЛЛЕЛЬНЫХ И НЕАЛЛЕЛЬНЫХ ГЕНОВ ................................................................. 71 МОНОГЕННЫЕ МЕНДЕЛИРУЮЩИЕ ПРИЗНАКИ ....................................................................................... 72 НОРМАЛЬНЫЕ НАСЛЕДСТВЕННЫЕ МОНОГЕННЫЕ ПРИЗНАКИ .......................................................... 74 НАСЛЕДОВАНИЕ МОНОГЕННЫХ НЕМЕНДЕЛИРУЮЩИХ ПРИЗНАКОВ............................................. 77 ПОЛИГЕННЫЕ ПРИЗНАКИ .............................................................................................................................. 79 СЦЕПЛЕННОЕ НАСЛЕДОВАНИЕ. ГЕНЕТИЧЕСКИЕ КАРТЫ .................................................................... 79 ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ И ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ ИЗУЧЕНИЯ НОРМАЛЬНЫХ НАСЛЕДСТВЕННЫХ ПРИЗНАКОВ (МОНОГЕННЫХ И ПОЛИГЕННЫХ) ................................................ 81 ИЗУЧЕНИЕ НАСЛЕДСТВЕННЫХ ПРИЗНАКОВ .......................................................................................... 82 ОСОБЕННОСТИ НАСЛЕДСТВЕННЫХ ПРИЗНАКОВ................................................................................... 82 МЕТОДЫ ИЗУЧЕНИЯ В ГЕНЕТИКЕ ЧЕЛОВЕКА .......................................................................................... 84 МЕДИКО-ГЕНЕТИЧЕСКОЕ КОНСУЛЬТИРОВАНИЕ................................................................................. 89 ПОКАЗАНИЯ ДЛЯ МЕДИКО-ГЕНЕТИЧЕСКОГО КОНСУЛЬТИРОВАНИЯ .............................................. 89 ПРЕНАТАЛЬНАЯ ДИАГНОСТИКА ................................................................................................................. 90 2 ВВЕДЕНИЕ В ГЕНЕТИКУ ЧЕЛОВЕКА Генетика это бурно развивающаяся фундаментальная наука, изучающая универсальные свойства жизни наследственность, изменчивость и их биологический субстрат - молекулы ДНК. По современным представлениям живой организм является открытой самовоспроизвдящейся и саморегулирующейся системой. Основой жизнедеятельности организма является обмен веществ и энергии. Пути превращения вещества и энергии определяются генетической информацией, содержащейся в генах. Раскодирование наследственной информации генов сопровождается биосинтезом разнообразных белков, которые обеспечивают все жизненные процессы организма. Генетика человека изучает закономерности хранения, передачи и реализации генетической информации (гены, строение, функции), механизм возникновения закономерности передачи изменений, их проявление и последствия. Современная генетика человека является сплавом классической и молекулярной генетики. Наследственность - это свойство сохранять и передавать морфологические, молекулярные, физиологические поведенческие признаки последующим поколениям. Сохраняются и передаются не сами признаки, а генетическая информация о признаках, закодированная в ДНК. Молекулы ДНК с большой точностью реплицируются (удваиваются) и передаются родителями потомству, сменяя миллионы поколений. Редупликация молекул ДНК является основой наследственности. Наследственность объясняет сохранение видов во времени и пространстве. Изменчивость – это противоположное наследственности свойство способность изменяться, существовать в различных вариантах. Проявляется изменчивость межиндивидуальными и групповыми различиями. Несмотря на высокую точность репликации молекул ДНК, существует возможность возникновения ошибок, то есть происходит изменение генетической информации содержащейся в генах – элементарных структурных и функциональных единицах наследственности и изменчивости. Кроме этого молекуле ДНК присуща способность к рекомбинации, в процессе которой изменяется последовательность нуклеотидов в генах, и в результате чего образуются новые комбинации генов и соответствующих признаков. Происходят изменения генетической информации и под влиянием факторов окружающей среды. Многочисленные сигналы внешней и внутренней среды поступают к генам, регулируют их активность, осуществляя ответ организма на воздействия сигналов. Возникновение новых признаков у потомства обеспечивает адаптацию особей к меняющимся условиям жизни, передачу этих признаков потомству т.е. развитие вида во времени, его эволюцию. Веществом наследственности и изменчивости является молекула ДНК или РНК у некоторых вирусов. Молекулы ДНК содержат генетическую информацию – программу жизни индивида. Структуру молекул ДНК, их свойства, строение генов, функции, молекулярные механизма регуляции их активности изучает современная генетика. Она разрабатывает, создает новые методы исследования, открывает неизвестные гены, новые закономерности, все глубже проникая в тайну жизни. Итак, генетика дает научное понимание основных биологических нормальных процессов, обеспечивающих жизнедеятельность организма человека, а также их отклонения. Поэтому все науки о человеке интегрируют достижения генетики. Это подтверждается и существующими разделами генетики, которые превратились в ряд самостоятельных дисциплин: - Общая генетика, классическая - Генетика развития - Генетика старения - Иммуногенетика - Экологическая генетика - Нейрогенетика - Фармакогенетика - Генетика поведения - Медицинская генетика - Клиническая генетика 3 Врачи разных специальностей в своей деятельности встречаются с генетическими болезнями, используют методы генетики человека. Прямая ДНК – диагностика, профилактика генетических, инфекционных и других болезней основываются на достижениях современной генетики человека. На основе генно-инженерных методов синтезируются разнообразные лекарственные препараты: гормон роста, инсулин и др. Сейчас широко обсуждается возможность клонирования эмбрионов человека для трансплантации органов и тканей человека . Разрабатываются методы генной терапии генетических болезней. Это позволяет отнести генетику и к прикладным наукам. Современная генетика человека использует методы как классической, так и молекулярной генетики: - генеалогический; - близнецовый; - цитогенетический; - популяционно-статистический; - математического и биологического моделирования; - методы генетики соматических клеток; - методы пренатальной диагностики; - методы генной инженерии – создание искусственных генетических конструкций их перенос в другую клетку или организм и дальнейшее изучение их функции; - создание трансгенных животных и растений; - конструирование новых белков с нужными свойствами; - методы клонирования организмов из отдельных соматических клеток и другие. Этапы развития генетики: Генетика как наука возникла в 1900 г., когда H.De Vries, C.Korrens u E.Ts.Chermac независимо друг от друга переоткрыли законы Г.Менделя (1822-1884) основоположника генетики. I этап 1900-1912 г. – период триумфального шествия менделизма, когда на разных объектах (растения, насекомые, птицы, млекопитающие) была доказана универсальность переоткрытых законов. II этап 1912-1925 г. – создание хромосомной теории наследственности Т.Н.Морганом и его учениками, коллегами: развивается селекция растений . А в 1924 Bernstain открыл наследования системы АВО группы крови человека. III этап 1925-1940 г. – открытие индуцированного мутагенеза; американский ученый Н.Мuller открыл мутагенных эффект рентгеновских лучей, а B.Saharov и S.А.Aulrbach мутагенное действие химических веществ. IV этап 1940-1950 г. – бурное развитие генетики микроорганизмов вирусов , так же открыт субстрат, вызывающий трансформацию бактерий (O.Т.Аvery и др.) и наследственный материал вирусов – ДНК и РНК (А.Херши и М.Чейз) 1949 Лайнус Полинг показал, что серповидно-клеточная анемия есть молекулярная болезнь – следствие изменений гена. V этап 1951 продолжается и поныне – рождение и стремительное развитие молекулярной биологии и молекулярной генетики, генетики человека. Классическая генетика обогащаясь данными молекулярной генетики, составляет современную генетику. Американский химик J.Watson и английский физик F.Crick открыли молекулярную и пространственную структуру ДНК в 1953 году. В 1956 году Тjio и Levan установили 46 хромосом в клетках человека, что вызвало бурное развитие цитогенетики человека. 1960 г. - Создание метода гибридизации соматических клеток (G.Barskia) и развитие генетики соматических клеток. 1951 г. - Fred Sangher определяет структуру инсулина. Barbara Macklintoc открыла мобильные гены. 1958 г. - Открытие ферментов репликации и транскрипции. 1961 г. - Расшифровка генетического кода – F.Crick, S.Ochoa, M.Nirenberg. 1961 г. - Теория Оперона и контроля экспрессии гена F.Jacob и I.Mono. M.Nirenberg и Mattei создание бесклеточной системы биосинтеза белка и его автоматизирование. 1969 г. - А.G.Khorana синтезировал первый ген в пробирке 1970 г. - Открытие обратной трнскриптазы Говардом, Теминым и Дэвидом Балтимором и раскрытие взаимодействия вируса и клетки 4 1970 г. - Dausset , Bodmer W.F.,Terasaki P.I. oткрыли гены гистосовместимоcти HLA. Casperson Tetal – предложение метода дифференциальной окраски хромосом. 1972 - П. Берг получил первые рекомбинантные ДНК. 1977 - У. Гилбелрт и А. Максам, Ф. Сангер методы быстрого определения последовательности нуклеотидов. 1981 - создание трасгенных животных 1985 - технология ПЦР 1986 - создание международной программы «Геном человека», выполнение которой завершается вполне выполнение этой программы. Определена последовательность нуклеотидов ДНК молекул человека. Предстоящей задачей генетики является определение функций этих последовательностей, изучение всех уровней взаимодействия и регуляции генетического аппарата клетки организма человека 2003 – завершение программы «Геном человека». 5 ГЕНЕТИЧЕСКИЙ АППАРАТ КЛЕТКИ ЧЕЛОВЕКА Генетический аппарат клетки человека представлен клеточными структурами, которые: - содержат ДНК (ядро и митохондрии), - участвуют в реализации функций ДНК (рибосомы и клеточный центр). Ядро является главным элементом генетического аппарата и содержит 98% клеточной ДНК. Количество молекул ядерной ДНК коррелирует с числом хромосом, специфичным для каждого вида: - в соматических клетках человека содержится 46 линейных молекул ДНК в 46 хромосомах (диплоидный набор = 2n хромосом); - в половых клетках - 23 молекулы ДНК в 23 хромосомах (гаплоидный набор=n хромосом). Хромосомная ДНК очень гетерогенна, и только 25% ее нуклеотидных последовательностей соответствует структурным генам, кодирующим белки. Совокупность генов 46 хромосом соматической клетки образует ее генотип, 50% которого имеет материнское и 50% - отцовское происхождение. Митохондрии содержат около 2% клеточной ДНК. В отличие от ядра, в каждой митохондрии находится 2-10 небольших кольцевых молекул ДНК. Генетическая информация митохондрий составляет плазмотип клетки. Передача наследственной информации, заключенной в митохондриях, осуществляется по материнской линии. Рибосомы представляют собой компонент аппарата трансляции генетической информации; они обеспечивают биосинтез белков и, тем самым, экспрессию закодированной в ДНК информации. Клеточный центр участвует в образовании митотического аппарата (веретена деления), ответственного за точное и равное распределение генетического материала в процессе его передачи от клетки к клетке в ходе митоза и от родителей к детям в ходе мейоза. ГЕНЕТИЧЕСКИЙ АППАРАТ Клетки человека Клеточные компоненты обеспечивающие хранение ГИ: Ядро: - 98% клеточной ДНК - системы репарации ДНК Митохондрии - 2% клеточной ДНК Клеточные компоненты обеспечивающие реализацию ГИ: - Аппарат транскрипции ГИ - Аппарат процессинга РНК - Аппарат трансляции ГИ РИБОСОМЫ Клеточные компоненты обеспечивающие передачу ГИ: - Аппарат репликации ядерной и митохондриальной ДНК - Аппарат митоза ЦЕНТРИОЛИ Уровни организации генетического материала Ядерный генетический материал представлен молекулами ДНК, организованными в форме хроматина или хромосом. С функциональной точки зрения можно выделить три уровня организации генетического материала: генный, хромосомный, геномный, для которых характерны следующие общие черты: - самовоспроизведение, обеспечивающее передачу генетической информации потомству путем репликации ДНК и клеточного деления , что является основой наследственности; - самосохранение, обеспечивающее стабильность и постоянство организации, а также сохранения и распределения генетического материала в ряду поколений посредством репликации и репарации ДНК, что важно для сохранения признаков вида; - мутабильность, которая обеспечивает способность генетического материала изменяться и передавать эти изменения потомству, что представляет основной источник изменчивости. Наряду с общими чертами, каждый из уровней отличается рядом особенностей. Ген – это структурно-функциональная единица наследственности и изменчивости: - представляет специфическую полинуклеотидную последовательность ДНК; - содержит информацию об элементарном признаке – белке, последовательность аминокислот которого зашифрована нуклеотидной последовательностью; - обеспечивает материальную преемственность генетической информации в ряду поколений, т.е. наследование потомками признаков родителей; 6 изменения в структуре гена могут приводить к изменениям в синтезе белка и соответствующего признака. Хотя существование генов было гипотетически постулировано Г.Менделем еще в 1865 году, сам термин «ген» был предложен позднее В. Иогансеном в 1909 году. Хромосома – морфологический субстрат наследственности и изменчивости: - представлена линейной молекулой ДНК, упакованной с помощью гистоновых и негистоновых белков; - содержит много генов, от нескольких сот (хр.Y) до нескольких тысяч (хр.1); - обеспечивает упорядоченное расположение генетической информации в пространстве, в группах сцепления, при этом, каждый ген занимает определенное место в ДНК, называемое локусом; - определяет передачу генов блоками, благодаря способности хромосом реплицироваться и быстро компактизироваться; - обеспечивает рекомбинацию генетического материала - кроссинговер. Геном – это высший уровень организации генетического материала, который обеспечивает единство систем организма и интеграцию различных молекулярных, биохимических, морфологических и физиологических процессов. Геном человека представляет собой совокупность молекул клеточной ДНК и характеризуется следующими особенностями: - геном половых клеток человека состоит из 23 молекул ядерной ДНК (гаплоидный набор) и нескольких молекул митохондриальной ДНК; - геном соматических клеток человека состоит из 46 молекул ядерной ДНК (диплоидный набор) и нескольких молекул митохондриальной ДНК; - геном содержит набор последовательностей ДНК, обеспечивающих развитие всех специфических признаков организма; Диплоидный набор молекул ядерной ДНК, организованной в форме хромосом (нуклепротеиновых комплексов) представляет кариотип. - Характеристика генома человека Геном – это полная генетическая система клетки человека, определяющая индивидуальное развитие организма, жизненные процессы и передачу структурных и функциональных признаков потомству. Ядерный геном соматической клетки составляет 95-98% ДНК клетки и распределен по 24 молекулам ДНК: 22 молекулам аутосом и 2 – половых хромосом X и Y. В ядре содержится: - 7 пикограмм ДНК длиной около 7 млрд. п.н. (7x109), - 30.000 пар кодирующих белки генов, распределенных по разным хромосомам, что составляет 2-5% клеточной ДНК; - эухроматиновая область, которая обеспечивает транскрипцию 90% генома и характеризуется чередованием уникальных и повторяющихся, кодирующих и некодирующих последовательностей; - гетерохроматиновая область, которая занимает около 10% и состоит из высоко повторяющихся некодирующих последовательностей; - некодирующая часть генома, которая характеризуется высоким полиморфизмом, не проявляется в фенотипе и представляет молекулярную основу индивидуальности ДНК человека – “генетический отпечаток”. В заключение, ядерный геном человека представляет симбиотическое сообщество, состоящее из облигатных и факультативных нуклеотидных последовательностей. Элементы ядерного генома Облигатные элементы Факультативные элементы Структурные гены Мобильные генетические элементы Гены тРНК (транспозоны) Гены рРНК Псевдогены Обращенные повторы и палиндромы Вирусные и бактериальные (регуляторные сайты) последовательности Сателлитная ДНК (центромерная, теломерная) Ретротранскрипты (кДНК) 7 Облигатные последовательности представлены, в частности, характерными для данного вида структурными генами, число и расположение которых в геноме отличаются постоянством, и являются видоспецифичным. Облигатные элементы обеспечивают: - формирование и передачу видоспецифических и индивидуальных, структурных и функциональных признаков в ряду поколений; - контроль онтогенетического развития. Облигатные и факультативные элементы генома могут изменяться под влиянием факторов среды. Последствия изменений в факультативных элементах отличаются от таковых в структурных генах, т.к. последние приводят к изменению и фенотипа. Примеры последовательно стей Число копий в геноме Локализация Функции Классификация последовательностей ядерного генома человека Уникальные Умеренно повторяющиеся Высокоповторяющиеся последовательности ДНК последовательности ДНК последовательности ДНК 60% 30% 10% - гены I-го и III-го классов; - сателлитная ДНК (100 - структурные гены; - псевдогены; - SINE; 200 п.н.); - спейсеры; - LINE; - минисателлиты (14 - 65 п.н.); - микросателлиты (1 - 4 п.н.); - сотни и тысячи копий - миллионы копий - уникальные; последовательностей из 300- коротких - мультигенные семейства с 1000 п.н.; последовательностей из небольшим числом копий; 2-200 п.н.; - распределены по всем - распределены по всем - α-сателлиты в области хромосомам; хромосомам; конститутивного - образуют тандемы; гетерохроматина; - минисателлиты имеют специфическое расположение в хромосомах; - кодируют белки; - кодируют рРНК, тРНК, - структурная роль в - разделяют кодирующие мяРНК; образовании последовательности; - образуют транспозоны; конститутивного - регулируют экспрессию - регулируют репликацию (в гетерохроматина (αгенов. составе ORI), экспрессию сателлиты); генов (ARS); - специфические маркеры - контролируют хромосом правильность коньюгации (минисателлиты); хромосом в ходе мейоза; - индивидуальные - другие неизвестные генетические маркеры функции. (микросателлиты )„геномная дактилоскопия” Митохондриальный геном представлен 2-10 молекулами кольцевой ДНК, локализованными в матриксе митохондрий. Каждая молекула состоит из 16.569 пар нуклеотидов. Обе цепи молекулы ДНК содержат структурные гены, которые лишены интронов и отделены друг от друга генами тРНК. Из 37 генов, расположенных в одной молекуле митохондриальной ДНК, 13 являются структурными и кодируют белки, 2 гена рРНК и 22 гена тРНК. Особенности митохондриального генома: - компактное расположение генов; - переписывание генетической информации с обеих цепей ДНК; - высокая мутабильность нуклеотидных последовательностей; - передача генов по материнской линии; - мутации митохондриальных генов являются причиной ряда наследственных болезней, (например, миопатии, энцефалопатии и др.). 8 Геном человека Ядерный геном ~7 млрд. п.н., 30000 пар генов 25% Генная ДНК Митохондриальный геном 16 569 п.н., 37 генов 75% Внегенная ДНК 60% 10% Экзоны 40% 90% Уникальные последовательности Некодирующие участки Умеренно и высоко повтор. последовательности Тандемы и кластеры Псевдогены Фрагменты генов Разбросанные повторы Нетранслир. послед. ДИНАМИКА ЯДЕРНОГО ГЕНЕТИЧЕСКОГО МАТЕРИАЛА Ядерный генетический материал представлен хроматином или хромосомами, которые являются нуклеопротеиновыми комплексами (ДНК, гистоны, негистоновые белки, РНК) (Рис 1). Количество, форма и активность генетического материала изменяются в зависимости от: - периода клеточного цикла; - периода онтогенеза; - типа клетки. В разных периодах клеточного цикла генетический материал может быть представлен в форме: - хроматина или хромосом, благодаря различным уровням компактизации; - одноили двухроматидных хромосом (до или после репликации); - транскрипционно активных или неактивных участков (Табл. 3). Упаковка ядерной ДНК 9 Таблица 3. Динамика генетического материала в ходе клеточного цикла Периоды клеточного цикла Уровень упаковки Эухроматин и гетерохроматин G1 Эухроматин и гетерохроматин S Эухроматин и гетерохроматин G2 Профаза Метафаза Анафаза Телофаза Гетерохроматин Метафазные хромосомы Гетерохроматин Гетерохроматин Генетические процессы Транскрипция, трансляция, репарация Репликация, транскрипция, трансляция, репарация Транскрипция, трансляция репарация Транскрипция , Число хромосом Число молекул ДНК 46 46 46 46→92 46 92 46 92 46 92 92 46+46 92 46+46 Компактизация генетического материала Генетический материал клетки представлен хроматином в интерфазном ядре и хромосомами во время деления. Хроматин является неконденсированной и деспирализованной формой хромосом. В зависимости от способности связываться с основными красителями, хроматин бывает двух типов: эухроматин и гетерохроматин (Tабл. 4). Эухроматин представляет собой слабо конденсированные и функционально активные области хроматина. В них расположены структурные гены и активно происходит транскрипция. Таким образом, эухроматиновые участки отвечают за специфическую экспрессию генетической информации, контроль основных жизненных процессов через экспрессию генов “house keeping”. Количество эухроматина может варьировать от клетки к клетке, благодаря дифференциальной экспрессии генов в разных тканях или в разные периоды онтогенеза. - Таблица 4. Характеристика различных типов хроматина Эухроматин Гетерохроматин слабо окрашен; - интенсивно окрашен; слабо конденсирован; - сильно конденсирован с образованием содержит уникальные последовательности, хромоцентров; богатые парами G≡C; - содержит, в основном, повторяющиеся генетически активный и транскрибируется; последовательности , богатые парами A=T; реплицируется в начале фазы S. - генетически неактивный и не транскрибируется; - реплицируется в конце фазы S. Гетерохроматин представлен сильно конденсированными участками хроматина, которые не транскрибируются и, таким образом, являются неактивными с генетической точки зрения. Различают два типа гетерохроматина: конститутивный и факультативный. Конститутивный гетерохроматин содержит только повторяющиеся последовательности ДНК (сателлитную ДНК), которые не транскрибируются. Являясь неактивными с генетической точки зрения, эти последовательности имеют, тем не менее, ряд важных функций. Так, они обеспечивают индивидуальность хромосом (теломерные последовательности), разграничение и функционально упорядоченное расположение кодирующих последовательностей, участвуют в регуляции митоза и мейоза (центромеры). Расположение участков конститутивного гетерохроматина в гомологичных хромосомах является идентичным и, как правило, одинаково в разных клетках. Факультативный гетерохроматин содержит кодирующие последовательности в неактивном состоянии, функция и активность которых зависят от периода онтогенеза, типа ткани или пола. При определенных условиях факультативный гетерохроматин может деконденсироваться и превращаться в эухроматин. Факультативный аутосомальный 10 гетерохроматин участвует в непрямой регуляции экспрессии генов, которые активируются в зависимости от типа ткани или возраста. Факультативный гетерохроматин половых хромосом делится на: - половой хроматин X – представляет собой хромосому X, инактивированную путем гетерохроматизации в соматических клетках с двумя хромосомами X; инактивация хромосомы X происходит случайным образом, независимо от ее материнского или отцовского происхождения; таким образом, в клетках с кариотипом 46,XX одна из хромосом Х является активной (деконденсированная, в виде эухроматина), а другая – неактивная (конденсированная, в Графическое изображение одного и того же участка хромосомы в разные периоды клеточного цикла (A, B, C). E – ‚эухроматин, Hc виде гетерохроматина); – конститутивный гетерохроматин, Hf – факультативный гетерохроматин Количество генетического материала Количество генетического материала в соматической клетке зависит от периода клеточного цикла. Молодая соматическая клетка в фазе G1 и до репликации содержит 46 однохроматидных хромосом (46 молекул ДНК). В фазе S происходит полуконсервативная и асинхронная репликация ДНК, в результате чего хромосомы становятся двухроматидными (92 молекулы ДНК). Две хроматиды одной хромосомы остаются соединенными друг с другом в области центромеры до анафазы митоза, когда происходит расщепление центромеры и распределение генетического материала по дочерним клеткам. В результате, каждая дочерняя клетка получает то же количество генетической информации, что было в исходной материнской клетке (наследственная передача Динамика хромосом на протяжении клеточного цикла генетического материала от клетки к клетке). Активность генетического материала Активность генетического материала выражается способностью ДНК к транскрипции. Инициация и интенсивность транскрипции зависят как от периода клеточного цикла, так и от типа клетки, действия различных генетических и негенетических факторов. Последовательность ДНК транскрибируется, если: - соответстующий белок необходим в данный момент клетке; - активированы специфические факторы транскрипции; - обеспечена эухроматинизация соответствующего участка хромосомы. Так как во время клеточного деления ДНК упакована в хромосомы, эухроматинизация и, соответственно, транскрипция возможна только в интерфазе. Под действием ряда индукторов транскрипции происходит селективная деспирализация определенного участка хромосомы, 11 инициация транскрипции и синтез молекулы РНК. Тип и количество синтезированного белка обусловлены потребностью клетки или организма. Конечные продукты генной активности (белки) можно разделить на несколько групп: - белки house keeping , необходимые любой клетки, - белки, специфичные для определенного типа ткани, - белки, необходимые для определенного периода онтогенеза клетки или организма; - белки, специфичные для организмов женского и мужского пола; - белки, необходимые в определенных условиях среды. Таким образом, в клетке одновременно экспрессируются около 10% генов. Характеристика генов в зависимости от периода и места экспрессии Примеры белков Место экспрессии Период активности АТФ-синтетаза, актин, Все клетки Все периоды онтогенеза гистоны, ДНКГены House keeping полимераза Инсулин -клетки поджелудочной С момента рождения Опсин С момента рождения Тканеспецифичные железы Меланин С момента рождения гены Клетки сетчатки глаза Клетки эпидермиса В первом триместре -глобин (эмбриональный Желточный мешок внутриутробного гемоглобин) Печень эмбриона развития Гены, специфичные Со второго триместра для определенного -глобин (фетальный внутриутробного периода онтогенеза гемоглобин) развития и до 6-го месяца после рождения Tdf (фактор Зачатки половых гонад Начиная с 9-11-го дня дифференциации до 9-й недели Гены, специфичные семенников) внутриутробного для пола развития. 12 ИЗМЕНЧИВОСТЬ И ЕЕ ФОРМЫ Изменчивость – это свойство живых организмов приобретать новые признаки, отличные от родительских. Изменчивость, являясь универсальным и комплексным биологическим явлением: - обусловлена генетическими и экологическими факторами; - проявляется генетическими, биохимическими, морфологическими изменениями. Изменчивость имеет важное значение в жизни организма, популяции и вида, обеспечивая: - индивидуальный генетический и фенотипический полиморфизм; - выживание организмов в различных условиях среды; - различную чувствительность организмов к действию факторов среды; - проявление некоторых патологических состояний; - естественный отбор; - материальную основу эволюции человека. Экологические факторы, индуцирующие изменчивость, делят на внешние (физические, химические и биологические) и внутренние (промежуточные продукты метаболизма, различные физиологические состояния) факторы. КЛАССИФИКАЦИЯ ИЗМЕНЧИВОСТИ Наследственный или ненаследственный характер изменения является основным критерием в классификации изменчивости. Биологическое значение изменчивости рассматривается во взаимосвязи с изменениями на уровне генетического материала, и с этой точки зрения различают два типа изменчивости: - ненаследственная изменчивость (= фенотипическая, модификации); - наследственная изменчивость (=генотипическая). Адаптивные изменения в пределах нормы реакции Онтогенетические изменения ФЕНОТИПИЧЕСКАЯ Спонтанные аномалии под влиянием факторов среды Фенокопии ИЗМЕНЧИВОСТЬ Геномная рекомбинация КОМБИНАТИВНАЯ Межхромосомная рекомбинация Внутрихромосомная рекомбинация Генная рекомбинация ГЕНОТИПИЧЕСКАЯ Геномные мутации МУТАЦИОННАЯ Хромосомные мутации Генные мутации 13 НЕНАСЛЕДСТВЕННАЯ ИЗМЕНЧИВОСТЬ Ненаследственные изменения, или модификации, не затрагивают генотип. Они отражают наследственно закрепленную способность живых организмов отвечать на действие факторов среды. Эта ответная реакция может отличаться по продолжительности и проявляться в виде морфологических, физиологических и биохимических изменений. Для модификаций характерны следующие особенности: - это ненаследуемые фенотипические изменения; - носят адаптивный характер и способствуют выживанию организма в неблагоприятных условиях среды; - являются обратимыми реакциями разной продолжительности, что обусловлено типом экологического фактора, интенсивностью и длительностью его действия, а также особенностями действующего фактора; - определяет способность организмов отвечать различным образом в сходных условиях обитания в пределах наследственно детерминированной нормы реакции. В качестве примеров модификаций у человека можно привести следующие: реакция на действие ультрафиолетовых лучей (увеличение содержания меланина в эпидерме – приобретение загара); реакция на регулярные физические упражнения (рост мышечной массы); реакция на продолжительное действие пониженной температуры (увеличение подкожного жирового слоя – арктический тип); реакция на гипоксию (увеличение концентрации гемоглобина в крови). Модификации происходят в определенных пределах, они контролируются генетически и зависят от дозы и продолжительности действия фактора. Эти пределы являются индивидуальными для каждого организма и называются нормой реакции. Таким образом, норма реакции представляет собой генетически обусловленные пределы фенотипического ответа организма на действие факторов среды и отражает соотношение между генетическим потенциалом каждого генотипа и возможностью его фенотипического проявления. Среда в данном случае является понятием многосторонним и включает: - экологическую среду; - семейную среду; - социальную среду. Признаки отдельных индивидов и популяции человека, в целом, фенотипически проявляются в пределах нормы реакции и генетического потенциала (ядерный и митохондриальный геномы), а путем воспитания и обучения могут формироваться навыки и умения, которые также вписываются в наследственно обусловленную норму реакции. Например в популяции человека есть: (1) индивиды с благоприятным генетическим потенциалом и широкой нормой реакции (музыкальный талант, высокий интеллект, хорошие физические данные) a. в неблагоприятных социальных условиях данные способности не проявляются в полной мере; b. путем воспитания, обучения и приложения собственных усилий эти люди могут достичь превосходных результатов. (2) индивиды со средним генетическим потенциалом: a. без воспитания и обучения потенциал не реализуются; b. путем воспитания и обучения можно полностью реализовать данный потенциал. (3) индивиды с наследственными психо-соматическими нарушениями, с ограниченной нормой реакции (олигофренией), которые обучаются в специальных учебных заведениях. Некоторые факторы среды могут оказывать повреждающее действие на организмы, вызывая изменения, выходящие за пределы нормы реакции. Примером этого являются врожденные аномалии как результат действия терратогенных факторов. Терратогенные факторы (физические, химические, биологические), действуя на организм беременной женщины, нарушают нормальное развитие эмбрионов с развитием морфологических, физиологических и биохимических нарушений, представленных у новорожденных. Эти аномалии иногда повторяют другие наследственно обусловленные дефекты и называются фенокопиями (например, врожденная глухота, алкогольная микроцефалия и др.). 14 НАСЛЕДСТВЕННАЯ, ИЛИ ГЕНОТИПИЧЕСКАЯ ИЗМЕНЧИВОСТЬ Наследственные изменения, в отличие от модификаций, затрагивают генетический материал, а именно, его количество и структуру. Для наследственной изменчивости характерны следующие особенности: - обусловлена специфическими изменениями генетического материала; - возникает спонтанно или под действием физических, химических или биологических факторов; - передается от поколения к поколению; - представляет собой основной источник эволюции живого мира; - лежит в основе полиморфизма в популяции. Биологической основой наследственной изменчивости являются рекомбинации и мутации, приводящие к появлению новых признаков, часто имеющих важное адаптивное значение. КОМБИНАТИВНАЯ ИЗМЕНЧИВОСТЬ Рекомбинация генетического материала обеспечивается, в основном, процессами, связанными с половым размножением. Различают следующие типы рекомбинаций: - геномная рекомбинация – сочетание материнского и отцовского геномов во время оплодотворения; - межхромосомная рекомбинация – независимое сочетание негомологичных хромосом в анафазе I мейоза; - внутрихромосомная рекомбинация – рекомбинация генов гомологичных хромосом во время кроссинговера. Биологическое значение рекомбинации генетического материала: a. Случайное сочетание генов разного родительского происхождения и рождение детей с новыми сочетаниями признаков – уникальными с биологической и генетической точки зрения; b. Естественный отбор с элиминацией организмов с неблагоприятным сочетанием генов, летальными и полулетальными мутациями и выживание организмов с нормальными и адаптивными признаками; c. Эволюция вида, благодаря прогрессивному отбору генов. МУТАЦИОННАЯ ИЗМЕНЧИВОСТЬ Мутации – это внезапные, устойчивые, наследуемые изменения, приводящие к появлению новых признаков. Мутации возникают относительно редко и сохраняются в ряду поколений. Процесс возникновения мутации называется мутагенезом, а факторы, которые их вызывают – мутагенами. К мутагенам относятся физические, химические и биологические факторы. Путем мутаций появляются новые гены (мутантные гены), которые отличаются по структуре и функциям от исходных генов (генов дикого типа). Мутации включают изменения в строении нуклеиновых кислот и генов, количественные изменения генетического материала (численные аномалии хромосом); они могут затрагивать как ядерный (генотип), так и митохондриальный (плазмотип) геномы. В зависимости от вовлеченного в мутацию материала различают следующие типы мутаций: генные мутации, которые происходят на уровне ДНК, вовлекая целый ген, несколько нуклеотидов или даже один нуклеотид (точковые мутации); хромосомные мутации (хромосомные аберрации) – нарушения структуры хромосом, приводящие к утере, добавлению или перестановке участка хромосомы; геномные мутации связаны с изменениями нормального диплоидного (46) числа хромосом, затрагивая 1-2 пары хромосом (анеуплоидия) или 1-2-3 гаплоидных набора (полиплоидия). Иногда геномные и структурные мутации объединяют в один тип – хромосомные аномалии. Другая классификация мутаций основана на типе клетки: половой или соматической. Генеративные мутации приводят к образованию аномальных гамет, которые после оплодотворения передают данную мутацию следующему поколению, приводя к развитию организма, в котором все клетки являются мутантными. Соматические мутации возникают в одной, отдельно взятой клетке, а в результате деления ее приводят к образованию мутантного 15 клона. Они не передаются по наследству и могут быть причиной канцерогенеза или старения организма. По происхождению различают спонтанные и индуцированные мутации. Спонтанные возникают в обычных условиях под действием естественных факторов, природу которых иногда достаточно трудно определить. Причиной спонтанных мутаций могут быть: естественный уровень радиации, космические излучения, некоторые метаболиты, тепловая депуринизация и депиримидинизация и др. Частота спонтанных мутаций невелика и составляет около 1,5% от общего числа мутаций у человека. К другому типу относятся индуцированные мутации, которые возникают под действием повреждающих факторов: физических (ионизирующей радиации, ультрафиолетового облучения), химических (аналогов азотистых оснований, алкилирующих агентов) и биологических (вирусов). Генные мутации могут быть спонтанными и индуцированными. Изменения генетического материала могут различно влиять на жизненно-важные процессы и свойства организма. В зависимости от этого их делят на: положительные, появление которых способствует лучшей адаптации организма; отрицательные (летальные и полулетальные), которые приводят к появлению патологических и, часто, несовместимых с жизнью признаков; нейтральные, не влияющие на жизнеспособность организмов и определяющие фенотипический полиморфизм. 16 ХРОМОСОМЫ ЧЕЛОВЕКА МОЛЕКУЛЯРНАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ ХРОМОСОМ Термин хромосома был предложен В. Вальдейером в 1888 году для обозначения интенсивно окрашенных структур, наблюдаемых в ядре во время деления клетки. В интерфазе хромосомы деконденсируются и представлены в виде хроматина. В хроматине выделяют два типа участков: эухроматин, который транскрибируется и является генетически активным, и гетерохроматин, который не может быть транскрибирован и, таким образом, генетически неактивен. В метафазе клеточного деления хромосомы достигают максимальной конденсации, что позволяет точно идентифицировать хромосомы и изучить их морфологию. Каждая хромосома состоит из одной или двух молекул ДНК (в зависимости от периода клеточного цикла), которые, связываясь с гистоновыми и негистоновыми белками, образуют нуклепротеиновые комплексы с разным уровнем конденсации: - нуклеосомный уровень - молекула ДНК с диаметром 2нм взаимодействует с гистонами, формируя первичную нуклеосомную нить, единицей организации которой является гистоновый октамер из восьми молекул гистоновых белков (2H2A, 2H2B, 2H3 и 2H4) и ДНК; на каждый октамер приходится около двух витков спирали ДНК из 160 п.н.; в результате образуется нуклеопротеиновая полинуклеосомная нить диаметром 11 нм, а длина молекулы ДНК в результате упаковки сокращается в 6 раз; - соленоид – второй уровень упаковки генетического материала; образуется посредством конденсации нуклеосомной нити при участии гистона H1; диаметр нуклеосомной нити на этом уровне составляет около 30 нм, а уровень укладки достигает 40 раз; - третий уровень конденсации – петли, которые образуются следующим образом: соленоидная нить фиксируется к специальной продольной оси, образованной белками ядерного матрикса (scaffold); соленоид взаимодействует с осью в специфических сайтах (SAR) посредством специальных белков хромосомной нити (SAP); на этом уровне генетический материала конденсируется в 600 – 1000 раз; - четвертый уровень конденсации – метафазная хромосома – является результатом спирализации петель вокруг хромосомной оси после утери контакта scaffold / ядерная оболочка; один виток спирали состоит из примерно 30-ти петель, при этом обеспечивается максимальный (10 000 раз) уровень упаковки генетического материала. 17 ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ХРОМОСОМ Хромосомы представляют собой надмолекулярный уровень организации генетического материала и морфологический субстрат наследственности. Основным компонентом хромосомы является ДНК, которая обеспечивает хранение, передачу и реализацию генетической информации, представленной в виде специфических полинуклеотидных последовательностей – генов. Одна хромосома содержит от нескольких сотен до нескольких тысяч структурных генов и: - представляет одну группу сцепления, - обеспечивает упорядоченное расположение генов в пространстве и времени; - обеспечивает сцепленное (совместное) наследование генов. Хромосомы удваиваются путем полуконсервативной репликации ДНК в фазе S клеточного цикла. Репликация различных участков хромосомы происходит асинхронно, но к концу фазы S полностью завершается, и все хромосомы становятся двухроматидными. Хромосомы являются очень динамичными образованиями, меняя свою форму и активность в зависимости от периода клеточного цикла. Кроме того, они отличаются гетерогенностью, благодаря чередованию различных последовательностей ДНК, среди которых: - кодирующие и некодирующие последовательности; - уникальные и повторяющиеся последовательности; - эухроматиновые и гетерохроматиновые сегменты; - участки, отличающиеся по уровню закручивания хроматиновой нити (размеры петель); - последовательности, богатые парами AT и GC; - участки с разным содержанием ассоциированных белков. Все это обусловливает полиморфизм хромосом, их дифференциальную окраску и специфическое чередование полос (бэндов). Каждый индивид, каждая клетка содержит диплоидный набор хромосом, который представлен парами гомологичных хромосом. 23 пары хромосом соматической клетки человека составляют ее кариотип и обеспечивают, как количественно, так и качественно фенотип клетки и организма человека. Изменение числа или структуры хромосом приводит к серьезным нарушениям развития –хромосомным синдромам (например: 47, XX(XY),+21 – синдром Дауна; 46,XX(XY),5p- - синдром „cri-du-chat”) или вызывают трансформацию анеуплоидных клеточных клонов. В настоящее время ученые-цитогенетики располагают разнообразными методами кариотипирования для выявления численных и структурных хромосомных аномалий с целью: диагностики хромосомных болезней, пренатальной диагностики и предупреждения рождения детей с хромосомными болезнями, изучения хромосомных нарушений в опухолевых клетках. - МОРФОЛОГИЯ МЕТАФАЗНЫХ ХРОМОСОМ Хромосомы лучше всего изучать во время метафазы митоза, т.к. в этой фазе они: располагаются в центре клетки, образуя метафазную пластинку; максимально конденсированы и легко различимы с использованием световой микроскопии; являются двухроматидными, а сестринские хроматиды соединены между собой в области центромеры, что позволяет различить их морфологию. - Морфологическими элементами метафазной хромосомы являются: 2 хроматиды; центромера; теломеры; вторичная перетяжка; спутник (сателлит); ломкие (фрагильные) участки. Хроматида представлена одной линейной молекулой ДНК, ассоциированной с гистоновыми и негистоновыми белками и максимально конденсированной. Метафазная хромосома состоит из двух сестринских хроматид, являющихся результатом репликации ДНК в фазе S и, таким 18 Строение метафазных хромосом образом, генетически идентичных. Хроматиды одной хромосомы соединены в области центромеры и остаются в таком состоянии до анафазы. Центромера, или первичная перетяжка, представляет собой специфический участок хромосомы из ДНК и специальных центромерных белков (CENP-A,B,C,D,E). Центромерная ДНК состоит из высокоповторяющихся последовательностей (сателлитная ДНК), практически одинаковых для всех хромосом. Положение центромеры в хромосоме постоянно и специфично для каждой хромосомы/пары гомологичных хромосом. Центромера делит хромосому на два плеча: p (проксимальное) и q (дистальное). По положению центромеры хромосомы делятся на: - метацентрические – центромера расположена посередине и плечи равные; - субметацентрические – центромера несколько смещена к одному из концов, а плечи имеют разную длину; - акроцентрические – центромера значительно смещена к концу хромосомы, из-за чего одно плечо намного короче другого. Центромеры выполняют следующие функции: - созревание кинетохоров для прикрепления хромосом к нитям веретена деления; - продольное расщепление и разделение сестринских хроматид с образованием из одной двухроматидной хромосомы двух однохроматидных хромосом; - точное и равное распределение генетического материала во время митоза, точная передача генетической информации от клетки к клетке. Теломеры представлены специфическими последовательностями ДНК на концах хромосом в комплексе со специальными белками. В состав теломерной ДНК входят: (a) тандемно и многократно повторяющиеся короткие последовательности (TTAGGG), одинаковые у всех хромосом, (b) специфические для каждой хромосомы последовательности ДНК. Теломеры выполняют следующие функции: - защищают концы хромосом от действия нуклеаз; - предотвращают слипание концов хромосом; - обеспечивают репликацию всей ДНК; - предотвращают укорачивание хромосом благодаря активности теломеразы; - контролируют процессы старения клеток и многоклеточного организма; - регулируют фиксацию хроматина к ядерной мембране в интерфазе, обеспечивая тем самым нормальную архитектуру интерфазных хромосом; - обеспечивают правильную конъюгацию гомологичных хромосом в мейозе. Вторичные перетяжки (h) представляют собой деспирализованные и слабо окрашенные участки повторяющейся ДНК; в норме они могут быть как в проксимальных плечах (р) акроцентрических хромосом 13, 14, 15, 21, 22, так и в дистальных плечах хромосом 1, 9, 16, реже 4, 6, 10 и Y. Вторичные перетяжки акроцентрических хромосом образуют область ядрышкового организатора. Длина вторичной перетяжки может варьировать в пределах нормального индивидуального полиморфизма. Сателлиты – это терминальные участки коротких плеч акроцентрических хромосом 13, 14, 15, 21, 22, отделенные вторичной перетяжкой и состоящие из конститутивного гетерохроматина; число и размеры сателлитов варьируют от индивида к индивиду. Ломкие (фрагильные) участки представляют собой деконденсированные сегменты хромосом, отличающиеся повышенной чувствительностью к действию мутагенных факторов, под влиянием которых в них легко происходят разрывы и , в результате этого, хромосомные перестройки. Фрагильные участки: - являются маркерами нормального индивидуального полиморфизма; - ассоциированы с некоторыми моногенными синдромами (например, FRAXA и семейная умственная отсталость); - могут участвовать в опухолевой прогрессии (путем инактивации генов-супрессоров). КЛАССИФИКАЦИЯ ХРОМОСОМ ЧЕЛОВЕКА Каждая соматическая клетка организма человека содержит диплоидный набор хромосом (2n=46), или 23 пары хромосом: - 22 пары, идентичные у мужчин и женщин, – аутосомы; 19 1 пару отличающуюся у разных полов хромосом (XX - у женщин, XY - у мужчин) – гоносомы. Идентичные по морфологии (размеры и форма) и содержанию генов, но различные по родительскому происхождению хромосомы, называются гомологичными. В зрелых половых клетках – гаметах – содержится по одному гаплоидному набору хромосом (n=23): в яйцеклетках 22+X, а в сперматозоидах 22+X или 22+Y. Для идентификации хромосом используют морфологические критерии, данные авторадиографического анализа и выявляемые методами дифференциальной окраски бэнды. Морфологические критерии отражают размеры и конфигурацию хромосомы. Различают количественные (длина хромосомы, центромерный индекс) и качественные (наличие вторичной перетяжки и сателлитов) критерии классификации хромосом человека. Длина хромосомы – абсолютная длина (в микронах) или относительная длина, которая вычисляется по следующей формуле: - В зависимости от длины хромосомы классифицируют на: большие, средние, мелкие. Положение центромеры. Для характеристики положения центромеры на хромосоме используют центромерный индекс, который определяют по формуле: Ic p X 100. pq Исходя из положения центромеры и величины центромерного индекса хромосомы человека делят на: метацентрические: Ic = 46 – 49% субметацентрические: Ic = 31 – 45% акроцентрические: Ic = 17 – 30% На основании морфологических количественных (длина и положение центромеры) и качественных (сателлиты и вторичные перетяжки) критериев хромосомы человека классифицируют на 7 групп, которые обозначают буквами латинского алфавита от A до G: - группа A (пары 1-3) - большие метацентрические хромосомы; хромосома 1 может иметь вторичную перетяжку (1qh), хромосома 2 слабо субметацентрическая; - группа B (пары 4-5) - большие субметацентрические хромосомы; - группа C (пары 6-12 и хромосома X) - субметацентрические хромосомы средних размеров; в этой группе у женщин 16 хромосом, у мужчин - 15; хромосомы 8, 9, 10 и 12 более субметацентрические, в то время как хромосомы 6, 7, 11 и X менее субметацентрические; хромосома 9 может иметь вторичную перетяжку на дистальном плече (9qh); - группа D (пары 13-15) - средние акроцентрические хромосомы; все хромосомы этой группы имеют вторичную перетяжку и сателлит на проксимальном плече; - группа E (пары 16-18) - хромосома 16 средняя метацентрическая, может иметь вторичную перетяжку на дистальном конце; хромосомы 17 и 18 мелкие и субметацентрические; - группа F (пары 19-20) - мелкие метацентрические хромосомы; 20 - группа G (пары 21-22 и хромосома Y) - мелкие акроцентрические хромосомы; хромосомы 21 и 22 могут иметь вторичную перетяжку и сателлит на проксимальном плече; хромосома Y не имеет сателлита; хромосомы группы G используют для определения пола: в этой группе у женщин 4 акроцентрические хромосомы (2 хр. 21 + 2 хр. 22) , а у мужчин - 5 акроцентрических хромосом (2 хр. 21 + 2 хр. 22+ Y). ИЗУЧЕНИЕ ХРОМОСОМ ЧЕЛОВЕКА Изучение хромосом предполагает определение количества, формы и структуры хромосом, идентификацию специальных показателей - реперов и анализ индивидуального полиморфизма. Современная цитогенетика человека располагает разнообразными методами, позволяющими идентифицировать численные и структурные хромосомные аномалии, выявлять хромосомные маркеры в норме и патологии. Более того, некоторые методы, основанные на технологии рекомбинантной ДНК, позволяют выявить изменения на уровне последовательностей ДНК. В зависимости от поставленной цели, хромосомы можно изучать как в интерфазе, так и во время клеточного деления. Это позволяет идентифицировать изменения в строении и числе хромосом (хромосомные аберрации, анеуплоидии), а также некоторые небольшие по размерам изменения в молекуле ДНК (микроделеции, микродупликации). Изучение метафазных хромосом Оптимальным этапом для изучения хромосом является стадия метафазы, когда хромосомы достигают максимальной конденсации и располагаются в одной плоскости, что позволяет их идентифицировать с высокой точностью. Для изучения кариотипа требуется выполнение нескольких условий: - стимуляция клеточных делений для получения максимального количества делящихся клеток, - блокирование клеточного деления в метафазе; - гипотонизация клеток и приготовление препарата хромосом для дальнейшего исследования под микроскопом. Для изучения хромосом можно использовать клетки из активно пролиферирующих тканей (клетки костного мозга, стенок семенников, опухолей) или клеточные культуры, которые получают путем культивирования в контролируемых условиях на специальных питательных средах клеток, выделенных из организма (клетки периферической крови*, лимфоциты Т, клетки красного костного мозга, фибробласты разного происхождения, клетки хориона, опухолевые клетки) * Техника получения хромосомных препаратов из лимфоцитов периферической крови, культивируемых в изолированных условиях является наиболее простым методом и состоит из следующих этапов: - забор венозной крови в асептических условиях; - добавление гепарина для предотвращения свертывания крови; 21 - перенос материала во флаконы со специальной питательной средой; - стимуляция клеточных делений добавлением фитогемагглютинина; - инкубация культуры в течение 72 часов при температуре 37°C. Блокирование клеточного деления на стадии метафазы достигается введением в среду колхицина или колцемида – веществ–цитостатиков, разрушающих веретено деления. Получение препаратов для микроскопического анализа включает следующие этапы: - - гипотонизацю клеток, которая достигается добавлением гипотонического раствора хлорида калия; это приводит к набуханию клетки, разрыву ядерной оболочки и дисперсии хромосом; фиксацию клеток для остановки жизнедеятельности клетки с сохранением структуры хромосом; для этого используются специальные фиксаторы, например, смесь этилового спирта и уксусной кислоты; окрашивание препарата по Гимзе или использование других способов окрашивания; анализ под микроскопом с целью выявления численных нарушений (гомогенных или в мозаике) и структурных аберраций; фотографирование и вырезание хромосом; идентификацию хромосом и составление кариограммы (идиограммы). Этапы кариотипирования Дифференциальная окраска хромосом В настоящее время наряду с рутинными методами изучения кариотипа используются методы дифференциальной окраски, позволяющие выявить в хроматидах чередование окрашенных и неокрашенных полос. Они называются бэндами и имеют специфическое и точное распределение, обусловленное особенностями внутренней организации хромосомы Методы дифференциальной окраски были разработаны в начале 70-х годов XX-го века и стали важной вехой в развитии цитогенетики человека. Они имеют широкое практическое применение, т.к.: - чередование полос не носит случайный характер, а отражает внутреннюю структуру хромосом, например распределение эухроматиновых и гетерохроматиновых участков, богатых AT или GC последовательностями ДНК, Метафазные хромосомы человека, окрашенные по Гимзе 22 участков хроматина с разной концентрацией гистонов и негистонов; распределение бэндов идентично для всех клеток одного организма и всех организмов данного вида, что используется для точной идентификации вида; - метод позволяет точно идентифицировать гомологичные хромосомы, которые являются одинаковыми с генетической точки зрения и имеют сходное распределение бэндов; - метод обеспечивает точную идентификацию каждой хромосомы, т.к. разные хромосомы имеют разное распределение бэндов; - дифференциальная окраска позволяет выявить многие структурные нарушения хромосом (делеции, инверсии), которые с трудом обнаруживаются методами простой окраски. В зависимости от способа предобработки хромосом и техники окрашивания различают несколько методов дифференциальной окраски (G,Q,R,T,C). Используя их, можно получить чередование окрашенных и неокрашенных полос – бэндов, стабильных и специфичных для каждой хромосомы. - Нормальный кариотип мужчины (46,XY), полученный методом дифференциальной окраски G Нормальный кариотип женщины (46, XX), полученный методом дифференциальной окраски G Чередование бэндов в хромосоме Х, полученное разными методами дифференциальной окраски. 23 Характеристика различных методов дифференциальной окраски хромосом Используемый Название метода Природа бэндов Практическая роль краситель Окрашенные – Выявление численных и гетерохроматин; Giemsa структурных аномалий Метод G неокрашенные – хромосом эухроматин. Окрашенные – Куинакрин Выявление численных и гетерохроматин; Метод Q (флюоресцентный структурных аномалий Неокрашенные – краситель) хромосом эухроматин. Giemsa или Окрашенные – эухроматин; Выявление численных и Метод R флюоресцентный неокрашенные – структурных аномалий (реверс) краситель гетерохроматин. хромосом Giemsa или Окрашенные – Анализ полиморфизма Метод C флюоресцентный центромерный хромосом краситель гетерохромтаин Giemsa или Окрашенные – теломерный Анализ полиморфизма Метод T флюоресцентный гетерохроматин хромосом краситель Молекулярно-цитогенетические методы На основе методов молекулярного анализа нуклеиновых кислот была разработана серия новых техник изучения интерфазных хромосом, характеризующихся высокой специфичностью и точностью – методы гибридизации in situ (FISH, CGH, SKY). Метод FISH – флуоресцентная гибридизация in situ –включает следующие этапы: - создание зондов – однонитевых фрагментов ДНК, к которым присоединяют биотин или дигоксигенин; зонды могут быть комплементарны хромосоме или ее конкретному участку; - щелочная обработка препаратов in situ с целью денатурации хромосомной ДНК за счет разрыва водородных связей между двумя цепями ДНК; - гибридизация хромосомной ДНК с зондом путем комплементарного связывания зонда со специфической последовательностью хромосомы; - обработка препаратов веществами, которые избирательно связываются с биотином (и дигоксегенином; для биотина таким веществом является стрептовидин, для дигоксегенина – антидигоксигениновое антитело; к этим веществам могут быть присоединены флуоресцентные красители (родамин или флуоресцеинт изотиоцианат); - визуализация хромосом с помощью люминесцентного микроскопа на фоне неокрашенных хромосом. Метод FISH используется для выявления: - численных хромосомных аномалий в интерфазном ядре; - структурных аномалий; - сложных межхромосомных перестроек; - учета симметричных аберраций у облученных лиц; - локализации гена. Этот достаточно простой, точный, быстрый и экономичный метод находит все более широкое применение в диагностике врожденных аномалий, моногенных синдромов, в том числе, в пренатальной диагностике. CGH – метод сравнительной геномной гибридизации, используется в онкологической цитогенетике для выявления делетированных (выпавших) или амплифицированных участков хромосом при некоторых типах опухолей. Делетированные участки, как правило, содержат генысупрессоры опухолей, а амплифицированные участки - онкогены. Это позволяет использовать метод для картирования и клонирования генов, вовлеченных в канцерогенез. 24 Метод CGH заключается в следующем: ДНК, выделенную из опухоли и из нормальной ткани, метят разными флуорохромами. Меченую ДНК из опухоли и нормальной ткани гибридизуют с хромосомным препаратом, и по интенсивности свечения метки определяют участки, содержащие делеции и амплификации. Для обработки данных используют специальные программы компьютерного анализа. SKY – спектроскопический анализ хромосом. Метод основан на использовании набора зондов и флуоресцентных красителей, имеющих сродство к определенным участкам хромосом. Каждая пара хромосом, таким образом, имеет уникальные спектральные характеристики. Используя интерферометр, аналог аппарата для измерения спектра астрономических объектов, можно определить незначительные вариации в спектральном составе хромосом, неразличимые человеческим глазом. Данные подвергаются компьютерной обработке по специальной программе, в результате чего каждая пара хромосом приобретает определенный цвет. Преимущество метода состоит в более точной идентификации гомологичных хромосом, которые имеют один и тот же цвет, и возможности выявления некоторых транслокаций, которые другими цитогенетическими методами не определяются. Метод используется в онкоцитогенетике для выявления в кариотипе опухолевых клеток даже очень незначительных по величине хромосомных аберраций. НОМЕНКЛАТУРА ХРОМОСОМ ЧЕЛОВЕКА Номенклатура хромосом человека основана на международной системе стандартизации, которая позволяет обозначить нормальный или патологический кариотипы с использованием специальных символов и знаков, отражающих число хромосом и тип нарушения – недостаток, избыток или перераспределение хромосомного материала. Символы, используемые для описания кариотипа (международные стандарты) Символы A-G 1-22 X, Y / p q pter qter cen del der dup dic fra i ins inv mat pat r t upd :: + - Значение символа Группы хромосом Порядковый номер аутосом Гоносомы (половые хромосомы) Хромосомный мозаик Короткое, проксимальное плечо Длинное, дистальное плечо Конец проксимального плеча Конец дистального плеча центромера Делеция, потеря участка хромосомы Хромосома, возникшая в результате перестройки Дупликация, удвоение хромосомного участка Дицентрическая хромосома, с двумя центромерами Ломкий (фрагильный участок) Изохромосома с двумя плечами p или q Инсерция фрагмента хромосомы Инверсия фрагмента хромосомы Материнское происхождение Отцовское происхождение Кольцевая хромосома (ring) Трнслокация фрагмента хромосомы на негомологичную хромосому Однородительская дисомия Разрыв с воссоединением Впереди номера хромосомы – добавление целой хромосомы, после номера хромосомы – добавление фрагмента хромосомы Впереди номера хромосомы – отсутствие целой хромосомы, после номера хромосомы – отсутствие фрагмента хромосомы В случае нормального кариотипа человека записывается общее число хромосом, за чем, после запятой, следует обозначение половых хромосом: нормальный кариотип женщины - 46,XX нормальный кариотип мужчины - 46,XY. 25 Аномальные кариотипы могут быть связаны с численными и структурными нарушениями, например: - аутосомные аномалии – в этом случае записывается общее число хромосом, запятая, половые хромосомы, запятая, + (лишняя хромосома) или – (отсутствие хромосомы) , номер вовлеченной в нарушение хромосомы (например: 47, XX, +21 (трисомия 21); 47,XY,+13 (трисомия 13); 45,XX,-8 (моносомия 8); и.т.д..; - гоносомные аномалии – записывается хромосомное число, и после запятой указываются соответствующие половые хромосомы (например: 45,X (моносомия X); 47,XXY (дисомия X); 47,XXX (трисомия X)). Используя метод дифференциальной окраски, в каждой хромосоме можно выявить реперы – важные элементы для идентификации хромосомы (рис. 6): - чередование бэндов, - центромера, - теломеры. Хромосомные реперы ограничивают районы хромосом, каждый из которых содержит несколько бэндов, а бэнды, в свою очередь, состоят из суббэндов. В метафазных хромосомах различают около 400-500 бэндов, в то время как в хромосомах ранней профазы можно выделить до 1800-2000 бэндов. Таким образом метод изучения профазных хромосом отличается более высокой разрешающей способностью. Номенклатура бэндов: участки и бэнды нумеруются от центромеры к теломеру для каждого плеча отдельно; например: 7q12 - хромосома (7), дистальное плечо (q), участок (1), бэнд (2). При обозначении структурных хромосомных нарушений указывают тип перестройки, точки разрывов, бэнд и участок, вовлеченные в нарушение. Нарушение: - 46,XX,del(1)(q21q31) - делеция в хромосоме 1, от района 2, бэнда 1 до района 3, бэнда 1. - 46,XY,r(2)(p21q31) – кольцевая хромосома 2; точки разрыва находятся в проксимальном плече: район 2 бэнд 1 и в дистальном плече: район 3 бэнд 1. - 46,XX,inv(2)(p21q31) – перицентрическая инверсия фрагмента от района 2 бэнда 1 проксимального плеча до района 3 бэнда 1 дистального плеча хромосомы 2. - 46,X,i(Xq) - изохромосома по дистальному плечу хромосомы X. 26 ВАРИАЦИИ КАРИОТИПА В ПРЕДЕЛАХ НОРМАЛЬНОГО ФЕНОТИПА Существует ряд отклонений от нормального кариотипа, которые определяют незначительные вариации в пределах нормального фенотипа. К ним относятся: а) численные изменения: - у женщин – в возрасте после 60-ти лет до 7% соматических клеток могут терять хромосому X, в результате кариотип становится 45,X; - у мужчин – в возрасте более 70-ти лет до 2% соматических клеток утрачивают хромосому Y, кариотип становится 45,X. в) структурные изменения: - длина и форма гомологичных хромосом может незначительно варьировать; изменения затрагивают чаще короткие плечи хромосом групп D, G (особенно гетерохроматиновые участки – например, хромосома Y может быть метацентрической); - спутники (сателлиты) обычно располагаются в акроцентрических хромосомах, за исключением хромосомы Y, но иногда могут наблюдаться и в других хромосомах – например, хромосомах 17, 18; при это они значительно варьируют по форме и размерам. - вторичные перетяжки представлены обычно в хромосомах 1, 9, 16 и Y, иногда перетяжка несколько увеличена. Хромосомный полиморфизм Полиморфизм бэндов (Q, G и C) отражает вариации по размерам и аспекту некоторых участков хромосом; чаще всего они затрагивают область центромеры, короткие плечи и спутники хромосом групп D и G, область вторичной перетяжки в длинном плече Y. Полиморфизм хромосом 1, 9, 16 у пяти разных индивидов (a, b, c, d, e) Значение полиморфизма: полиморфизм наследуется по доминантному типу, не меняя фенотипического проявления, т.к. обычно ограничен только гетерохроматиновыми участками, неактивными с генетической точки зрения (изменения касаются количества повторяющейся ДНК). Полиморфизм хромосом используют: - в качестве маркера передачи некоторых признаков от родителей детям (например, установление отцовства); - для установления родительского происхождения лишней хромосомы в случае анеуплоидий (например, происхождение дополнительных хромосом при трисомиях); - для идентификации хромосом, содержащих маркерный ген какой-то моногенной болезни; - для установления групп сцепления генов; - для анализа частоты полиморфизма хромосом при некоторых формах лейкемии, а также при наличии врожденных аномалий у детей. 27 ХРОМОСОМНЫЕ АНОМАЛИИ 1. Полиплоидия – увеличение числа хромосом кратное гаплоидному (основному числу в геноме). 2. Анеуплоидия – (гетероплоидия) – измененный набор хромосом, в котором одна или несколько хромосом из обычного набора или отсутствуют, или представлены дополнительными копиями. 3. Мозаицизм – наличие у организма 2-х или большего числа разных клеточных популяций, как следствие анормального распределения генетического материала (хромосом) на первоначальных стадиях деления зиготы. 4. Химеры – организмы с двумя генетически разными клеточными популяциями, одна из которых сосуществует как следствие ее внедрения до появления иммунной компетенции. - Частота хромосомных аномалий специфические врожденные аномалии - установлено более 60 рекогносцированных синдромов (в целом с большей частотой чем все моногенные болезни). встречаются у: 0,7%.новорожденных; 2 % зачатий у женщин в возрасте более 35 лет; 50 % спонтанно абортированных зародышей в 1-ом триместре беременности. Классификация хромосомных мутаций По времени возникновения: а) появляются при рождении – врожденные конституциональные аномалии; в) появляются в течение жизни – приобретенные аномалии. II. По типу изменений генетического материала. А. Численные изменения хромосомного набора Б. Структурные изменения хромосом I. Численные изменения хромосомного набора полиплоидии – увеличение числа хромосом кратное гаплоидному набору примеры: - триплоидии (3n) – 69, ХХХ; 69, ХХY или 69, XYY; - тетраплоидии (4n) – 92, ХХХХ или 92 XXYY. 2. анeуплоидии - уменьшение или увеличение числа на одну, две, три хромосомы а) по наличию лишних или отсутствию хромосом: - моносомия (2n-1) = отсутствует одна хромосома; - трисомия (2n+1) = наличие лишней хромосомы. б) по типу хромосом: - аутосомные анеуплоидии; - гоносомные анеуплоидии; в) по числу пораженных клеток; - гомогенные (наличие аномалии во всех клетках); - мозаичные (присутствие некоторых клеточных аномальных линий на ряду с нормальными); г) по ассоциации со структурными аномалиями: - свободные аномалии (без хромосомных структурных аномалий); - аномалии в результате транслокаций (присутствие лишних хромосом присоединившихся к другими – без изменения нормального диплоидного числа, или ложное отсутствие одной хромосомы как следствие её присоединения к другой. Иногда этот термин используется по отношению к любым количественным модификациям генетического материала (в том числе структурных аномалий); - полные аномалии (добавление или потеря одной целой хромосомы); - частичные аномалии (добавление или потеря одного сегмента хромосомы); 1. 28 СТРУКТУРНЫЕ МУТАЦИИ По типу модификации генетического материала: 1. Несбалансированные (количественные изменения) – делеции, дупликации, кольцевые хромосомы, изохромосомы, дицентрики; 2. Сбалансированные (изменения позиции генов в хромосоме) а). сбалансированные реципрокные транслокации (робертсоновские транслокации, инсерции); б) инверсии – перецентрические или парацентрические. Этиология врожденных конституционыхых и приобретенных аномалии 1. Факторы нарушающие митоз, которые могут вызвать разрывы ДНК или нарушение её репликации: a. химические: цитостатики, антиметаболиты, свободные радикалы, алкилирующие агенты; b. физические: радиации (ионизирующее излучение, ультрафиолетовые лучи); c. биологические – вирусы. 2. Возраст родителей – с возрастом матери улечивается риск анеуплоидий у потомков. 3. Сбалансированные врожденные аномалии у родителей (транслокации, инверсии). 4. Другие: a. многоплодия – чаще в семьях дизиготных близнецов; b. межхромосомные эффекты; c. терапия с индукторами овуляции. I. Сбалансированные аномалии а. Инверсии Инверсия это структурная аномалия с изменением порядка расположения генов во фрагменте хромосомы. Механизм возникновения состоит в разрыве хромосомы в 2-х точках и в повороте промежуточного фрагмента на 180. Инверсии могут быть 2-х типов: Перицентрические: образуются при разрыве хромосомы в 2-х точках, расположенных на разных плечах с последующим поворотом на 180 и присоединение промежуточного фрагмента. Вследствие поворота может произойти изменение строения хромосомы. Парацентрические: образуются посредством разрыва хромосомы в 2-х точках на одном плече, с последующим поворотом на 180 промежуточного фрагмента и воссоединение фрагмента. В результате этого поворота не изменяется строение хромосомы, только порядок сегментов. б. Транслокации Транслокация – аномалия структуры хромосомы, характеризующаяся переходом одного или нескольких хромосомных фрагментов с одной хромосомы на другую без последующих фенотипических изменений. Транслокациии могут быть 3-х типов: Реципрокные: образуются посредством разрыва 2-х хромосом в одной точке, в последующем происходит обмен оторванными фрагментами и соединение с хромосомами. Со вставкой (с инсерцией): образуются путем разрыва двух не гомологичных хромосом, одна – в одной точке, другая – разрывается в 2-х точках на одном плече. Далее, в точке разрыва первой хромосомы происходит вставка промежуточного фрагмента со второй хромосомы. Робертсоновская транслокация образуется посредством разрыва в двух акроцентрических хромосомах на уровне центромеры с последующим соединением длинных плеч - центрическое слияние-, и потеря коротких плеч (короткие плечи содержат только гены для рРНК и т.о. их потеря не вызывает фенотипических изменений): этот тип аномалий определяет уменьшение числа хромосом с 46 до 45. 29 2. Несбалансированные аномалии а. Делеции – структурные аномалии хромосом, характеризующиеся потерей некоторых фрагментов хромосом. Аномалии могут быть 2-х типов: концевые делеции: образуются путем разрыва хромосомы в одной точке с последующей потерей концевого фрагмента. интерстициальные делеции: образуются путем разрыва хромосомы в двух точках, расположенных на одном плече, с последующей потерей промежуточного фрагмента. Делеции могут образоваться и другими путями: неравным кроссинговером между гомологичными хромосомами с нарушением линейности; распределение аномальных хромосом в мейозе у родителей в случае, когда один из родителей имеет сбалансированную аномалию. Делеция имеет как результат возникновение различий в длине между гомологичными хромосомами. Место делеции может быть с точностью определено при применении специальных молекулярных зондов или при дифференциальной окраске. б. Дупликации - структурная аномалия, характеризующаяся присутствием дублированной копии определенного фрагмента хромосомы. Аномалия может быть результатом: - неравного кроссинговера - ненормального распределения хромосом с транслокацией. в. Кольцевые хромосомы Аномалия состоит в наличии хромосомы в виде кольца. Кольцевые хромосомы возникают путем разрыва в двух точках, расположенных в различных плечах, с последующей потерей конечных сегментов (ацентрических) и воссоединения концов центрического сегмента в кольцевую структуру. г. Изохромосомы – аномальные хромосомы, образованные только из коротких или из длинных плеч. Механизм появления аномалии состоит в поперечном делении центромеры. Аномалия проявляет эффекты хромосомы, которая представляет одновременно делецию одного из плеч и дупликацию другого плеча. д. Дицентрические хромосомы – аномальные хромосомы, которые характеризуются присутствием в хромосоме двух центромер. Механизм появления состоит в разрыве 2-х хромосом в одной точке с последующей потерей концевых фрагментов и соединением 2-х хромосомных сегментов, которые имеют центромеры, в одну хромосому. Механизмы изменений числа хромосом 1. Механизмы полиплоидий: а) триплоидия (3п); - слияние при оплодотворении одной нормальной гаплоидной гаметы (1n) с ненормальной – диплоидной (2n); диплоидная гамета результат нерасхождения гоноцитов II порядка во время мейоза родителей (неразделения первого полярного тельца в овогенезе → дигиния; редко в сперматогенезе → диандрия; - нарушения оплодотворения – оплодотворение одной яйцеклетки (n) двумя сперматозоидами (2n) = диспермия; б) Тетраплоидия (4п): - нерасхождение сестринских хроматид в первом митотическом делении дробления зиготы ведет к удвоению числа хромосом тотчас за оплодотворением (эндомитоз); - оплодотворение двух диплоидных гамет (2n+2n=4n) 2. Механизмы анeуплоидии а) гомогенные анeуплоидии - оплодотворение одной нормальной гаметы с аномальной, возникшей в результате нарушения распределения генетического материала в мейозе родителей; б) анеуплоидии у мозаиков - нарушения распределения генетического материала в митозе (обычно при делении в начальных стадиях эмбриогенеза). 30 Механизмы возникновения структурных аномалий хромосом Хромосомные структурные аномалии возникают в результате разрыва хромосом, за которым следует потеря некоторых сегментов или их анормальное присоединение. ПОСЛЕДСТВИЯ ХРОМОСОМНЫХ АНОМАЛИЙ Они зависят от типа аномалии и от количества измененного генетического материала: - несбалансированные хромосомные аномалии – количественные модификации генетического материала с последующим изменением фенотипа индивидуума (все численные аномалии и некоторые структурные изменения) определяют различные хромосомные синдромы. - сбалансированные хромосомные аномалии изменяют лишь позицию генов в хромосоме не меняя фенотип носителя, но представляют значительные последствия для воспроизведения (смотри описание сбалансированных хромосомных аномалий). Последствия количественных ( несбалансированных) хромосомных аномалий следующее: Последствия полиплоидий – затрагивают большое количество генетического материала → как правило, у человека несовместимы с жизнью (зародыши погибают в 1-ом триместре беременности/ мертворожденные). Последствия анеуплоидий и несбалансированных структурных аномалий хромосом – изменения «генетической дозы», генетической информации лишних или структурно модифицированных хромосом. Эффекты и тяжесть хромосомных количественных аномалий зависят: 1. от типа аномалии и величины генетического дисбаланса. Чем больше количественный дефект, тем тяжелее его последствия. Дефицит имеет более тяжелые последствия чем избыток. 2. от содержания генов и активности вовлеченной хромосомы. Пример: трисомия по первой паре хромосом – обуславливает нежизнеспособность, носитель трисомии по 21 паре хромосом – жизнеспособен; 3. от типа и числа анормальных клеток: анеуплоидии соматических клеток ведут к модификации фенотипа индивида, анеуплоидии половых клеток – к нарушению воспроизведения. При моносомии – последствия тяжелее, чем у трисомиков. Единственная жизнеспособная моносомия у человека – моносомия Х; аутосомные моносомии, моносомия – Y и 98% зигот с моносомией – Х элиминируются, как продукты аборта в первые 3 месяца беременности. Трисомия больших (крупных) хромосом, генетически активных, ведут к гибели зародыша (самопроизвольный выкидыш в 1-ом триместре беременности / мертворождение. Жизнеспособные хромосомные аномалии (хромосомные синдромы) представляют общие фенотипические модификации: 1. Нарушения пренатального и постнатального роста; 2. Задержка психомоторного развития и умственная отсталость; 3. Синдром «множественных аномалий», дисгенезии гонад + специфические нарушения вовлеченных хромосом. ПОСЛЕДСТВИЯ СТРУКТУРНЫХ ХРОМОСОМНЫХ АНОМАЛИИ Последствия сбалансированных аномалий Сбалансированные аномалии не изменяют фенотип носителя, поскольку перестройка хромосомы не вызывает количественных изменений. Носитель сбалансированной транслокации хотя фенотипически нормален, может производить аномальные гаметы благодаря независимому распределению хромосом с транслокацией. Носитель инверсии, хотя фенотипически нормальный, может производить анормальные гаметы благодаря феномену кроссинг-овера с инверсионной петлёй. Сбалансированные аномалии могут детерминировать нарушения воспроизведения (стерильность, бесплодие, мертворождение, новорожденные с хромосомными аномалиями). 31 Последствия несбалансированных аномалий несбалансированные аномалии определяют количественный дисбаланс генетического материала (плюс или минус), что выражается фенотипически подобно аномалиям количества хромосом. частичные трисомии и моносомии по одной хромосоме детерминируют аномальные альтернативные признаки сходные с тотальной моно- и трисомией этой же хромосомы: трисомия 18 (синдром Эдвардса) и частичная моносомия, детерминированная 18q-; трисомия 13 (синдром Патау) и частичная моносомия детерминированная r(13). ХРОМОСОМНЫЕ СИНДРОМЫ 1. Синдром Дауна (трисомия 21) a) Цитогенетика - 92-95% свободных гомогенных трисомий (47,ХХ,+21 или 47,ХY,+21) - 5% - транслокации G-D (46,ХX,t (14q21q) или G-G - 3% - мозаики (47,ХY+21/46,ХY); б) Частота – 1:650 новорожденных выживают (1,5%); соотношение по полу 3 мужского пола к 2-м женского. в) Этиологические факторы - для простых трисомий –возраст матери >35 лет; - для транслокационных форм– сбалансированные транслокации у родителей. г) Клинические признаки у новорожденного: - масса тела и рост ниже среднего; - гипотония мышц, чрезмерная подвижность в суставах, гипорефлексия, шершавая кожа. - черепно-лицевая дисморфия: - брахицефалия (череп круглый с плоским затылком), плоский лицевой профиль; - косой разрез глаз (монголоидный), ориентированы вверх и наружу, эпикант, гипертелоризм; - рот маленький, язык большой протрузивный - уши маленькие, без мочек; - конечности – широкие руки, пальцы кисти и стопы укорочены (брахимезофалангия), клинодактилия пятого пальца, одна складка кожи – флексия пятого пальца; широкое пространство между первым и вторым пальцами стопы; - дерматоглифы – одна глубокая поперечная складка на ладони, аксиальный трирадиус t’ или t”, избыточное количество локтевых петель; - висцеральные аномалии развития – пороки сердца (атриовентрикулярный проток, DSV, DSA), аномалии пищеварительной системы (стеноз двенадцатиперстной кишки, анальная атрезия), пороки почек; д) Клинические признаки у детей - те же признаки, отмечается умственная отсталость. е) Прогноз выживания – 25-30% умирают в первый год жизни, 50% - в первые 5 лет, 2-6% доживают до 30 и более лет; мужчины – стерильны, женщины могут иметь детей. Причины смерти: аномалии развития сердца, респираторные инфекции, острые формы лейкемий, особенно лимфобластических. Другие аутосомные синдромы: - трисомия 18 (47,ХХ,+18 или 47,XV,+18) синдром Эдвардса; трисомия 13 (47,ХХ,+13 или 47,XV,+13) синдром Патау; трисомия 8 (47,ХХ+8 или 47,XV,+8) – «головчатые» руки, скелетные аномалии, интелект квазинормальный. 2. Синдром ТЕРНЕРА (моносомия Х) а) Цитогенетика: половой хроматин отсутствует - Кариотип: 55%-45,Х; 10% - мозаицизм (46,ХХ/45,Х); i(Хр); i(Хq); r(Х) б) Частота – 1% новорожденных в) Клинические признаки - у новорожденных: 32 малый рост (45 см), женский пол; лимфедема конечностей, особенно задней поверхности рук и ног, твердая, невоспаленная: крыловидная складка шеи или короткая шея с избытком кожи на затылке; соски груди отдаленные; у детей отмечается отставание в росте, в зрелом возрасте низкий рост (менее 150 см); - дискретная черепно-лицевая дисморфия; - крыловидная шея, низкая линия роста волос на затылке; - грудная клетка широкая «щитовидная», широко расставлены соски, биакромиальный диаметр больше диаметра битрохантера; - конечности – вальгусная деформация локтевого сустава, кости запястья IV-V укорочены; - ногти и дерматоглифы – ногти чрезвычайно выпуклые, гипоплазические, с белыми пигментными пятнами, складчатые, на пальцах гипотенарные петли /завитки/; - не достигают половой зрелости / половое недоразвитие/ и первичная аменорея /наружные половые органы инфантильны, оволосение на лобке редуцировано, яичники - фиброзные тяжи, гипоплазия матки → бесплодие. - пороки развития: сердца (коарктация аорты), почек, скелета - психика нормальная. д) Гормональные исследования – после полового созревания – резко повышается выделение гонадотропных гормонов (лютеинизирующего LH и фолликулостимулирующего FSH, тест LHRH отрицательный, эстрадиол, половые стероиды на том же уровне, что и до периода полового созревания. е) Лечение - раннее выявление заболевания; - гормональное лечение в детстве соматотропными и половыми гормонами; - в период полового созревания гормональная субституция для искусственных менструальных циклов. 3) Синдром КЛАЙНФЕЛЬТЕРА а) Цитогенетика - половой хроматин и Х и Y положительные; - кариотип: 80% - 47,ХХY; мозаицизм, 47,ХХY/46,ХY и др. b) частота встречаемости – 1% из живых новорожденных с) клинические проявления у новорожденных и детей трудно выявить, возможно только по внешнему удлиненному виду, нарушения поведенческого характера; - после периода полового созревания – высокий рост, длинные конечности/узкие плечи, широкий таз. - 33 ОСОБЕННОСТИ ПОЛОВЫХ ХРОМОСОМ Половые хромосомы (по Susumu Ohno, 1967) произошли от аутосом, которые в ходе эволюции дифференцировались генетически и морфологически, образовав хромосомы X и Y. Хромосома Y является результатом длительной прогрессивной „специализации”, в процессе которой были сохранены гены дифференцировки пола и утеряны почти все аутосомные гены, а размеры хромосомы стали намного меньше. Хромосома Х сохранила не только исходную форму, но также и большинство генов, как аутосомных, так и связанных с половой дифференцировкой. Различия в половых хромосомах не случайны, а имеют важное биологическое значение, так как они: – препятствуют обмену генами между хромосомами X и Y в мейозе и обеспечивают сохранение в чистом виде половых детерминант каждой из половых хромосом; – обеспечивают образование при оплодотворении зигот разного пола: XX или XY. Половые хромосомы (гоносомы, гетеросомы) отличаются по структуре (длина, положение центромеры, количество гетерохроматина) и по содержанию генов. Хромосома X – средняя субметацентрическая хромосома (группа C); представлена в соматических клетках обоих полов: в двойном экземпляре в женском кариотипе - 46,XX и в единственном экземпляре - в кариотипе мужчин - 46,XY. В половых клетках хромосома Х представлена следующим образом: в одном экземпляре во всех яйцеклетках и у 50% сперматозоидов. Хромосома Х богата эухроматиновыми участками и содержит 1336 генов, среди которых: структурные соматические гены (например, гены групп крови Xg, факторов свертывания крови VIII и IХ, фермента 6-фосфатдегидрогеназы, цветного зрения и др.); регуляторные гены феминизации, структурные гены феминизации, структурные гены маскулинизации. Хромосома Y –мелкая акроцентрическая хромосома (группа G); 2/3 дистального плеча q представлены гетерохроматином в генетически неактивном состоянии. Хромосома Y представлена одним экземпляром во всех соматических клетках индивидов мужского пола с кариотипом 46,XY и у 50% сперматозоидов. Она содержит около 300 генов, среди которых: регуляторные гены маскулинизации (SRY = Tdf); гены, обеспечивающие фертильность (AZF1, AZF2); структурные соматические гены (фактор контроля роста зубов, рецептор интерлейкина); псевдогены. Так как в женском кариотипе две хромосомы Х, а у мужчин – только одна, то логично предположить, что в клетках женского организма должно быть в два раза больше конечных продуктов генов, локализованных в хромосоме Х, чем в клетках мужчин. Однако, в реальности это не так, так как одна из хромосом Х у женщин (в норме) или у индивидуумов с дополнительной хромосомой Х (при патологии) инактивируется. В результате активной у обоих полов остается лишь одна хромосома Х. Данное явление называется компенсацией сцепленных с Х хромосомой генов. Гипотеза компенсации была сформулирована М. Лайон в 1961 году и включает три основных положения: I. В соматических клетках млекопитающих активной является одна хромосома X, в то время как другая – инактивируется путем гетерохроматинизации с образованием тельца Барра, различимого в интерфазном ядре; инактивированная хромосома Х реплицируется в конце фазы S. II. Инактивация происходит на 16-й день эмбрионального развития, когда эмбрион состоит из ~3000-4000 клеток. До этого момента в каждой клетке женского эмбриона функционируют обе хромосомы Х, т.е. вырабатывается вдвое больше, чем у мужских эмбрионов, мРНК и ферментов, закодированных генами Х-хромосомы; вследствие этого, эмбрионы 46,XX и 46,XY биохимически и функционально отличаются. Инактивация одной Х-хромосомы остается в дальнейшем неизменной у всех потомков данной клетки. 34 III. Процесс инактивации носит случайный характер, поэтому в половине клеток активной сохраняется материнская хромосома Х, а в другой половине клеток активной остается отцовская хромосома Х. Генетические последствия инактивации хромосомы X 1. Компенсация дозы Х-сцепленного гена. В результате инактивации одной их хромосом Х у женщин общее количество конечных продуктов Х-сцепленных генов одинаково у обоих полов. Однако, процесс инактивации не всегда является полным и имеет ряд ограничений, что находит и экспериментальное подтверждение. Так, здоровые женщины с двумя хромосомами Х ( 46,ХХ) и женщины с кариотипом 45,Х фенотипически отличаются. Различия наблюдаются и у мужчин с нормальным кариотипом (46,ХY) и больными с синдромом Клайнфельтера (47,XXY). Отмечено, что чем больше в кариотипе дополнительных хромосом Х, тем больше анормальных признаков в фенотипе носителя. 2. Разная экспрессия у гетерозиготных женщин. Гетерозиготные по Х-сцепленным генам женщины отличаются по фенотипическому проявлению, так как инактивация Х-хромосомы носит случайный характер и, как следствие, соотношение клеток с активным и неактивным аллелями гена варьирует от 0% до 100%. Если мутантный аллель активен в большинстве клеток организма, то гетерозиготные женщины проявляют серьезные фенотипические нарушения („неблагоприятная лайонизация”), например, в случае следующих болезней: дефицита фермента 6фосфатдегидрогеназы, дальтонизма, гемофилии, мышечной дистрофии Дюшенна. 3. Мозаицизм. Нормальный женский организм представляет собой своеобразную “мозаику” по Х-сцепленным генам, имея две популяции соматических клеток, отличающихся по родительскому происхождению активной Х-хромосомы: одна с активной материнской Х-хромосомой и другая – с отцовской. Данное явление мозаицизма было обнаружено у женщин, гетерозиготных по: – редкой форме Х-сцепленного альбинизма, когда у этих женщин были выявлены клетки с пигментом и непигментированные клетки; – гену фермента 6-фосфатдегидрогеназы, имеющему две аллели, которые кодируют две разные формы данного фермента. У гетерозиготных женщин были выделены клетки кожи, которые выращивали в изолированной культуре. Было показано, что потомки одной клетки синтезируют только один тип фермента. Молекулярные механизмы инактивации Х-хромосомы Выявлено, что Х-хромосома инактивируется не полностью, и в ней сохраняются генетически активные локусы. Объяснением этому может служить тот факт, что часть генов Ххромосомы имеет гомологичные гены на хромосоме Y и не требует компенсации дозы. К ним относятся гены из псевдоаутосомальной области (PAR), расположенной в сегменте Xp22- pter и имеющей размеры около 2Mb, и ряд других генов, например: – ген STS, кодирующий стероид-сульфатазу; – ген MIC-2, расположенный вблизи псевдоаутосомальной области; – гены DXS, U23E, UBEI проксимального участка короткого плеча; – ген RPS4X, контролирующий синтез рибосомного белка S4 и расположенный в проксимальной части длинного плеча. Молекулярно-биологические исследования позволили выявить в хромосоме Х участок - (q13), который вовлечен в процесс инактивации и, поэтому назван центром инактивации хромосомы X (XIC). В этом участке расположен ген XIST, который был изучен и клонирован с использованием искусственной дрожжевой хромосомы YAC. Ген XIST имеет дину около 450 Kb. Конец 3' гена участвует в „подсчете” числа хромосом Х и определяет, какая именно хромосома Х останется активной. На 5'-конце гена расположен промотор с тремя областями: - активирующей областью, длиной около 100pb; - областью, состоящей из множества повторов одной и той же последовательности и обеспечивающей стабилизацию РНК– XIST на уровне неактивной хромосомы; - областью, образованной повторами CG, расположенной на расстоянии 25Kb от транскрибируемой области гена и оказывающей ингибирующее действие на активирующую область промотора. 35 Ген XIST относится к нетипичным генам, т.к. он утратил способность экспрессироваться в виде белка. Его экспрессия завершается синтезом мРНК, длиной около Kb, которая остается связанной с генетически неактивной хромосомой Х. Путем экспериментального трансгенеза было показано, что ген XIST, будучи встроенным в одну из аутосом, способен индуцировать процесс хромосомной инактивации с образованием гетерохроматина. Методом FISH обнаружено наличие на аутосоме, в которую был встроен данный ген, молекулы РНК-XIST, которая и вызывает инактивацию аутосомных генов. Кроме того, было выявлено, что аутосома со встроенным генов XIST гипоацетилирована на уровне гистона H4 и имеет новый тип гистона - макроH2A1. Результаты других исследований позволяют предположить, что механизм инактивации зависит от стабильности молекулы РНК-XIST на неактивной хромосоме Х. Стабильная и нестабильная формы РНК переписываются с участием разных промоторов одного и того же гена. Регуляцию экспрессии гена XIST можно объяснить на основе явления геномного импринтинга. Геномный импринтинг – это подавление активности одного из двух аллелей гена в зависимости от родительского происхождения, которое происходит в гаметогенезе и представляет один из механизмов регуляции фенотипической экспрессии генов. ПОЛОВОЙ ХРОМАТИН X Хроматин Х – это небольшое тельце, которое интенсивно окрашивается основными красителями и выявляется в интерфазных ядрах соматических клеток млекопитающих и человека непосредственно под ядерной оболочкой. Хроматин Х впервые обнаружили в 1949 г. М. Барр и Ч. Бертрам в ядрах нейронов кошки, причем только в клетках самок. В дальнейшем было показано наличие хроматина Х и у других млекопитающих, в том числе человека. Происхождение и значение полового хроматина Х получило свое объяснение позднее, в гипотезе М. Лайон (1961). Хроматин Х может быть определен в любых тканях, однако чаще всего используются эпителиальные клетки слизистой полости рта (тест Барра) и клетки периферической крови. Иногда используются клетки волосяной луковицы. В качестве Х-хроматина учитывается самый большой хромоцентр, прилегающий к ядерной мембране. Анализ результатов основан на установлении числа телец хроматина Х, которое коррелирует с количеством Х-хромосом. Анализ полового хроматина Х в клетках слизистой полости рта Тельце Барра представляет собой одну инактивированную хромосому Х и выявляется в интерфазном ядре в виде конденсированного и интенсивно окрашенного тельца. Как правило, оно прилегает к внутренней стороне ядерной мембраны и имеет овальную или треугольную форму. Размер тельца Барра составляет в среднем около 1 микрона (± 0,3). Следует отличать тельце Барра от других хорошо окрашиваемых структур интерфазного ядра, например ядрышка или центрально расположенных хромоцентров. Морфология тельца Барра в клетках слизистой полости рта: A. Микрофотография интерфазных ядер. B. Схема одной клетки. CB – тельце Барра; NC – ядрышко. Тест Барра включает в себя следующие этапы: 36 - - - получение биологического материала: стерильным шпателем проводится соскоб с внутренней поверхности щеки (у детей - с поверхности нижней губы) и делается мазок на предметном стекле; фиксация: с использованием специального фиксатора, в котором препарат выдерживают от 30 минут до 12 часов; дегидратация: последовательный перенос из одного раствора в другой с выдержкой в каждом в течение 5 минут: в спирте 70°, в спирте 50°, в дистиллированной воде I, в дистиллированной воде II; гидролиз: в HCl (необязательно); окрашивание: красителем CARR (основной фуксин); анализ препарата под микроскопом с использованием иммерсионного объектива. Интерпретация теста Барра Число телец Барра = числу хромосом X - 1 В норме тельце Барра представлено в одном экземпляре в клетках женщин и отсутствует у мужчин, так как мужчины имеют в кариотипе только одну хромосому Х, которая является активной, в то время как в кариотипе женщин 2 хромосомы Х, одна из которых инактивируется путем гетерохроматинизации, образуя тельце Барра. Хотя теоретическая частота хроматина Х в клетках слизистой полости рта составляет 100%, практически можно выявить тельце Барра только в 30-40% клеток. Это обусловлено следующими факторами: - исключением из подсчета центрально расположенных хромоцентров; - наложением некоторых клеток друг на друга, что затрудняет точный анализ; - дефектами окрашивания; - наличием Барр-отрицательных клеток, как следствие нарушений в конденсации хромосомы Х; - другими причинами: возрастом, овариальным циклом, болезнями, приемом некоторых лекарственных препаратов. В патологических случаях, связанных с нарушением числа хромосом Х (дисгенезия гонад), тельце Барра может: выявляться у мужчин (47,XXY), отсутствовать у женщин (45,X) или присутствовать в дополнительных экземплярах у обоих полов (полисомии X). Величина тельца Барра зависит от размеров инактивированной хромосомы Х; она может быть: больше 1 микрона в случае isoXq, дупликации хромосомы X; меньше 1 микрона в случае isoXp, делеции хромосомы X, кольцевой хромосомы Х. Если на одном и том же препарате встречаются клетки с разным числом телец Барра, то учитывется их максимальное количество в клетке (см.частоту телец Барра). Анализ полового хроматина Х в мазках периферической крови Хроматин Х можно также выявить в ядрах полиморфноядерных нейтрофилов на препаратах, окрашенных по MAY-GRUNWALD–GIEMSA, в виде ядерных придатков. Ядерные придатки типа А имеют форму барабанных палочек (“drum stick”), соединенных нитевидным образованием с одной из долей ядра полиморфноядерного нейтрофила; ядерные придатки типа В, или “сидячие узелки” (”sessile nodules”) имеют сходные с барабанными палочками размеры и форму, но связаны непосредственно с ядром. Величина ядерных придатков в обоих случаях составляет около 1,5 микрона. В норме частота ядерных структур варьирует (1/6 - 1/98 ПМН) и, в среднем, составляет 38%. На практике на одном препарате должно быть выявлено не менее 6 типичных ядерных придатков для заключения о наличии хроматина Х (положительный результат). Вывод об отрицательном тесте на хроматин Х делается, если просмотрено не менее 500 нейтрофилов и не выявлено ни одного ядерного придатка. 37 Интерпретация результатов основана на тех же правилах, что и тест Барра: Число ядерных придатков = числу хромосом X - 1 ПОЛОВОЙ ХРОМАТИН Y Хроматин Y представляет 2/3 дистального плеча q хромосомы Y и в норме выявляется в интерфазных клетках мужчин. Для окрашивания используется флуоресцентный краситель куинакрин, Микроскопический анализ проводят в ультрафиолетовом свете, используя люминесцентный микроскоп. Хроматин Y выявляется в виде светящегося (флюоресцирующего) образования, в связи с чем и был назван тельцем F. Тельце может быть расположено свободно или прикреплено к ядерной мембране; размеры его составляют около 0,25 микрона, а частота варьирует в различных клетках мужского организма: 70-80% в фибробластах; 45% в сперматозоидах. Интерпретация результатов теста F: Число телец F = числу хромосом Y Тельце F представлено исключительно только у мужчин: в норме - в одном экземпляре, у лиц с кариотипом 47,XYY – в двух. ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ ТЕСТА ПОЛОВОГО ХРОМАТИНА (ПОКАЗАНИЯ И ОГРАНИЧЕНИЯ) Тест хроматина Х относится к экспресс тестам, т.к. является быстрым и недорогим методом, доступным даже для скромно оснащенной лаборатории, что обусловило его широкое применение. 1. Показания: a) в пренатальном периоде: для установления генетического пола плода в случае, когда женщина является носителем Х-сцепленного патологического гена (например, гена гемофилии или мышечной дистрофии Дюшенна); проводится с использованием клеток амниотической жидкости; b) у новорожденных: в случае интерсексуальности новорожденных (у новорожденного не выражены признаки пола и не пальпируется яичко) – для уточнения генетического пола и приведения его в соответствие с гражданским полом, последний имеет особое значение для формирования в дальнейшем соответствующего полового самосознания и поведения; c) в постнатальный период: при различных нарушениях половой дифференцировки и уточнения генетического пола, для диагностики дисгенезии гонад, как следствия аномалий по числу и структуре половых хромосом; d) в судебной медицине и криминалистике: для установления половой принадлежности фрагментов тканей, пятен крови, волос и т.д. 2. Ограничения: Тест полового хроматина носит субъективный характер и не позволяет выявить все случаи мозаицизма, а также аутосомные аномалии. В большинстве случаев для уточнения диагноза необходимо проведение кариотипирования. 38 ПЕРЕДАЧА ГЕНЕТИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ ОТ КЛЕТКИ К КЛЕТКЕ Одним из фундаментальных свойств живых организмов является самовоспроизведение, которое обеспечивается уникальной способностью ДНК реплицироваться. Во время репликации генетический материал удваивается, а в ходе клеточного деления распределяется равным образом в дочерние клетки. Таким образом, деление клетки - это сложный комплекс генетических, биохимических и морфологических событий, которые обеспечивают передачу генетической информации последующим поколениям клеток или организмов. Передача генетической информации от клетки к клетке осуществляется благодаря двум основным процессам: - удвоению хромосомной ДНК; - точному и равному распределению хромосом между дочерними клетками. Точность удвоения генетического материала и распределения хромосом в ходе клеточного деления обеспечивается последовательностью запрограммированных генетически событий клеточного (митотического) цикла. Клеточный цикл состоит из двух периодов: интерфазы и митоза. Интерфаза – это период между двумя последовательными делениями, в ходе которого генетический материал деконденсирован и представлен в виде хроматина. В интерфазе происходит реализация генетической информации путем экспрессии определенных генов и синтеза белков, необходимых для роста, жизнедеятельности, специализации и интеграции клетки в ткань. Во время интерфазы клетка получает митогенные сигналы (для клеток пролиферативных тканей индукция митоза запрограммирована) и осуществляет, в ответ на них, процессы подготовки к митозу. К ним относятся: - репликация хромосомной ДНК и удвоение генетического материала, в результате чего хромосомы становятся двухроматидными; - проверка качества генетического материала и устранение дефектов в молекуле ДНК путем активации различных систем репарации; - удвоение центриолей, которые обеспечивают образование веретена деления в митозе. К-во хромосом К-во хроматид Удвоение генетического материала Упаковка генетического материала Расхождение генетического материала G1 S G2 Профаза 46 46 46 46 46 92 92 92 Репликация - - Метафаза 46 92 - слабая конденсация слабая конденсация слабая конденсация сильная конденсация максимальная конденсация Анафаза 92 92 - сильная конденсация Расхождение сестринских хроматид Телофаза 46 + 46 46 + 46 - сильная / слабая конденсация Цитокинез МИТОЗ ИНТЕР ФАЗА Периоды клеточного цикла 39 - Удвоение генетического материала Репликация - это молекулярный процесс точного удвоения молекул ДНК (нуклеотидных последовательностей) и, как следствие, точного удвоения генетического материала. Из одной молекулы ДНК образуются две новые молекулы, идентичные как между собой, так и с исходной молекулой ДНК. Процесс репликации обусловлен уникальными свойствами ДНК, а именно комплементарностью и антипараллельностью ее цепей. В основе репликации лежат следующие основные принципы: - синтез ДНК является полуконсервативным, т.е. каждая из двух цепей исходной ДНК служит матрицей для синтеза новой цепи, а каждая новая молекула содержит одну старую и одну новую цепи; - репликация происходит лишь один раз в ходе митотического цикла, а именно, в периоде S интерфазы; - процесс репликации является асинхронным, т.к. некоторые последовательности ДНК (эухроматин) реплицируются раньше, а другие (гетерохроматин) – позже. В результате репликативного синтеза ДНК генетический материал удваивается, а хромосомы становятся двухроматидными. Так, если до репликации в клетке 46 однохроматидных хромосом и, Полуконсервативная соответственно, 46 молекул ДНК, то после репликации в клетке 46 репликация ДНК двухроматидных хромосом, которым соответствуют 92 молекулы ДНК. Образованные в результате репликации две новые молекулы ДНК остаются соединенными в области центромеры до анафазы (каждая из сестринских хроматид одной хромосомы содержит по одной молекуле ДНК). Распределение генетического материала путем эквационного деления (митоза) Митоз представляет собой эквационное деление, в результате которого из одной клетки образуются две новые клетки, идентичные между собой и сходные с материнской клеткой. Митоз относится к непрямому типу деления и сопровождается формированием веретена деления, обеспечивающему точное распределение хромосом. В ходе митоза, который является очень динамичным процессом, происходят следующие события: - конденсация генетического материала – хроматин преобразуется в хромосомы, что облегчает точное и равное распределение генетического материала; - хромосомы становятся двухроматидными, а сестринские хроматиды, образованные в результате репликации хромосомной ДНК, являются идентичными и соединены в области центромеры до анафазы; - в области центромеры (с обеих сторон) образуется по кинетохору, которые обеспечивают взаимодействие хромосом с нитями веретена деления; - формирование аппарата деления – центриоли в периоде S удваиваются, а в профазе мигрируют к полюсам, обеспечивая образование веретена деления; 40 - - микротрубочки веретена деления соединяются с хромосомами по обе стороны центромеры при помощи кинетохоров; перемещение максимально конденсированных хромосом в область экватора с образованием метафазой пластинки; распределение реплицированного и конденсированного генетического материала путем: - продольного расщепления центромеры; - расхождения сестринских хроматид (из каждой двухроматидной хромосомы образуются две однохроматидные хромосомы); - одновременной и синхронной миграции хроматид к противоположным полюсам клетки. процесс распределения генетического материала завершается образованием двух идентичных ядер, за которым следует цитокинез. Генетический материал 46 реплицированных хромосом соматической клетки передается в митозе дочерним клеткам. Каждая из образованных клеток наследует 46 хромосом, содержит идентичный генетический материал и одинаковый набор генов. Следовательно, митоз является механизмом, обеспечивающим наследственность – свойство клеток или организмов передавать из поколения в поколение сходные признаки и свойства. 41 Характеристика периодов клеточного цикла Период клеточного цикла ИНТЕРФАЗА G1 МИТОЗ Профа за Метаф аза Анафа за Телоф аза В какой форме представлен генетический материал Клеточный рост Специализация клетки Проверка готовности клетки к фазе S Транскрипция Трансляция Репарация Удвоение генетического материала Удвоение центриолей Репликация Репарация Транскрипция Трансляция Проверка готовности клетки к митозу Накопление белковых митотических факторов Дезинтеграция ядерной оболочки Конденсация хроматина и трансформация его в хромосомы Образование веретена деления Созревание кинетохоров Взаимодействие хромосом с нитями веретена деления Репарация Транскрипция Трансляция Хромосомы располагаются в экваториальной плоскости Контроль взаимодействия хромосом с нитями веретена деления Продольное расщепление центромеры Расхождение сестринских хроматид Одновременная и синхронная миграция сестринских хроматид к противоположным полюсам Деконденсация хромосом и трансформация их в хроматин Реорганизация ядерной оболочки с образованием двух ядер Цитокинез с образованием двух новых клеток - Двухроматидные хромосомы максимально конденсированы - В результате расщепления центромеры из каждой двухроматидной хромосомы образуются две однохроматидные хромосомы - Однохроматидные хромосомы деконденсируются, превращаясь в хроматин S G2 Основные генетические процессы Основные клеточные события - Однохроматидные хромосомы, деконденсированы и представлены в виде эухроматина и гетерохроматина Хромосомы становятся двухроматидными, деконденсированы и представлены в виде эухроматина и гетерохроматина Хромосомы двухроматидные, деконденсированы и представлены в виде эухроматина и гетерохроматина Двухроматидные хромосомы конденсируются Биологическая роль митоза: - обеспечивает точное и равное распределение генетического материала в дочерние клетки; - является универсальным механизмом размножения соматических клеток в многоклеточном организме; - обеспечивает рост многоклеточных организмов на пренатальном и постнатальном этапах; - лежит в основе обновления тканей; - участвует в процессах регенерации тканей; - является основой клонального размножения соматических клеток. 42 ОШИБКИ МИТОЗА И ИХ ПОСЛЕДСТВИЯ Ошибки митоза представляют собой нарушения, связанные с распределением генетического материала в ходе клеточного деления. Известно, что распределение наследственного материала имеет место в анафазе и происходит путем продольного расщепления центромеры, разделения хроматид и миграции их к полюсам клетки, за чем следует разделение цитоплазмы и образование двух дочерних клеток, каждая из которых содержит одинаковый набор хромосом. В силу различных причин (генетические и метаболические дефекты, действие факторов среды) эти процессы могут нарушаться. К таким нарушениям относятся следующие: - нарушения в сборке веретена деления и взаимодействии кинетохоров с его нитями; - асинхронная деполимеризация микротрубочек, вследствие чего хромосомы мигрируют к полюсам неодновременно; - нарушения в структуре центромеры, препятствующие ее нормальному расщеплению и разделению сестринских хроматид; - изменения вязкости цитоплазмы, что препятствует нормальному процессу перемещения хромосом к полюсам клетки и др. Основные ошибки, ведущие к нарушениям распределения генетического материала: - поперечное расщепление центромеры с образованием изохромосом; - нерасхождение хроматид c образованием анеуплоидных клеток (трисомных и моносомных); - анафазное отставание с образованием анеуплоидных клеток (моносомных). Различные ошибки митоза и типы образованных клеток из исходной клетки с участием двух пара хромосом: Нормальный набор хромосом – дисомия– 2n; Аномальный набор хромосом: - трисомия – 2n + 1; - моносомия– 2n – 1; наборы со структурными нарушениями хромосом: - с iso p– 2n, i(?p); - с iso q – 2n, i(?q). Поперечное расщепление центромеры В анафазе двухроматидные хромосомы разделяются на две хроматиды путем расщепления центромеры. В норме это расщепление происходит продольно, в результате чего образуются две идентичные по размерам, морфологии и генетическому материалу хромосомы, каждая из которых имеет два плеча: проксимальное (p) и дистальное (q). Иногда расщепление может происходить поперечно, что 43 приводит к образованию двух разных хромосом, отличающихся по размерам, морфологии и генетическому материалу. Они называются изохромосомами и бывают двух типов: - iso p (ip) – хромосома из двух плеч p, но без плеча q; - iso q (iq)– хромосома из двух плеч q, но без плеча p. В результате поперечного расщепления дочерние клетки будут иметь удвоенный генетический материал одного плеча и в них будет отсутствовать генетический материал другого плеча. Например: 46,X,i(Xp) – кариотип ♀, с iso p хромосомы X 46,X,i(Xq) – кариотип ♀, c iso q хромосомы X 46,X,i(Yp) – кариотип ♂, c iso p хромосомы Y 46,X,i(Yq) – cariotip ♂, c iso q хромосомы Y 46,XX (XY), i(21p) - кариотип ♀ или ♂ , c iso p хромосомы 21 46,XX (XY), i(21q) - кариотип ♀ или ♂, c iso q хромосомы 21. Хроматидное нерасхождение Сестринские хроматиды, образованные в результате предшествующей митозу репликации, соединены в области центромеры до анафазы, когда они разделяются и мигрируют к полюсам. Этот процесс является ключевым моментом в распределении генетического материала в ходе деления. В случае нерасщепления/нерасхождения обе сестринские хроматиды одной хромосомы мигрируют к одному полюсу, что приводит к неравному распределению генетического материала. В результате одна клетка наследует одну дополнительную хромосому (2n+1 → 47 хромосом – трисомия), в то время как в другой клетке одна их хромосом этой пары отсутствует (2n-1 → 45 хромосом – мономосия). Например: - 45,X / 47,XXX - кариотип ♀, с моносомией X в одной клетке и трисомией X в другой клетке; - 45,X / 47,XYY- кариотип ♀/♂, с моносомией X в одной клетке и гоносомной трисомией (дисомия Y) в другой клетке; - 45,XX,-13 / 47,XX,+13 - кариотип ♀, с моносомией 13 в одной клетке и трисомией 13 в другой клетке; - 45,XY, -18 / 47,XY,+18 - кариотип ♂, с моносомией 18 в одной клетке и трисомией 18 в другой клетке; - 45,XY,-21 / 47,XY,+21 – кариотип ♂, с моносомией 21 в одной клетке и трисомией 21 в другой клетке; - 45,XX,-8 / 47,XX,+8 - кариотип ♀, с моносомией 8 в одной клетке и трисомией 8 в другой клетке. Анафазное отставание Разделившиеся после расщепления центромеры сестринские хроматиды (однохроматидные хромосомы) одновременно мигрируют к противоположным полюсам клетки. Таким образом, к концу анафазы на каждом из полюсов располагается по 46 хромосом. После реорганизации ядерной оболочки в телофазе и цитокинеза образуются две дочерние клетки с набором хромосом, идентичным материнской клетке. Иногда синхронность миграции хромосом к полюсам может нарушаться вследствие дефектов деполимеризации микротрубочек или изменения вязкости цитоплазмы. В результате, не все хромосомы достигнут одновременно полюсов и, соответственно, не попадут в дочерние клетки. ”Опоздавшие” хромосомы образуют в цитоплазме микроядра, которые затем деградируют. Образованные в результате деления дочерние клетки имеют разные наборы хромосом: одна из клеток – нормальный диплоидный набор, в то время как другая клетка является моносомной. Например: 45,X / 46,XX - кариотип ♀, с моносомией X в одной клетке и нормальным набором хромосом – в другой; 45,X / 46,XY - кариотип ♀/♂, с моносомией X в одной клетке и нормальным набором хромосом – в другой; 45,XX,-13 / 46,XX - кариотип ♀, с моносомией 13 в одной клетке и нормальным набором хромосом – в другой; 45,XY, -18 / 46,XY - кариотип ♂, с моносомией 18 в одной клетке и нормальным набором хромосом – в другой. 44 Последствия ошибок митоза Нарушения в распределении генетического материала приводят к появлению в организме клеток с различным набором хромосом, которые делятся и образуют два или более клеточных клона, отличающиеся по числу хромосом. Такие организмы называются мозаиками. В результате поперечного расщепления центромеры образуются следующие мозаики: - 46,isop/46,isoq – если ошибка происходит при делении зиготы; - 46 /46,isop /46,isoq – если ошибка происходит при любом последующем делении. Хроматидное нерасхождение приводит к появлению мозаик 45/46/47 или 45/47: - 45/47 - если ошибка происходит при делении зиготы; - 45/46/47 - если ошибка происходит при любом последующем делении. Анафазное отставание является причиной образование мозаик 45/46. Эволюция аномальных клонов зависит от жизнеспособности клеток с нарушениями: - тяжелые аномалии, как правило, несовместимы с жизнью и вызывают гибель клеток (аномальные клоны элиминируются); - при незначительных нарушениях аномальные клетки делятся и образуют аномальные клоны. Трисомии характеризуются меньшими последствиями, чем моносомии, а нарушения половых хромосом не столь тяжелы, как нарушения аутосом. Кроме того, чем меньше хромосомы по размерам и количеству генов, тем к меньшим последствиям приводят нарушения в них. Хромосомные аномалии Ошибки митоза – причины хромосомных аномалии Хроматидное нерасхождение Трисомии (47,+?) Моносомии (45,-?) Хроматидное нерасхождение Анафазное отставание i (?p) Поперечное расщепление центромеры i (?q) 45 Жизнеспособные хромосомные аномалии 47,XXX 47,XXY 47,XYY 47,XX(XY),+21 47,XX(XY),+13 47,XX(XY),+18 47,XX(XY),+8 45,X Летальные хромосомные аномалии Все остальные аутосомные трисомии 46,X,i (Xp) 46,X,i (Yp) Все остальные аномалии 46,XX(XY),i (?p) 46,X,i (Xq) 46,X,i (Yq) 46,XX(XY),i (Dq) 46,XX(XY),i (Gq) Все остальные аномалии 46,XX(XY),i (?q) Все аутосомные моносомии Фенотипические последствия ошибок митоза зависят от времени их возникновения в онтогенезе. Если они происходят в эмбриогенезе – нарушается нормальное формирование тканей и органов с развитием врожденных аномалий (патологический фенотип при рождении); в случае, если нарушения возникают в постнатальный период, они приводят к изменению структуры или функций отдельно взятого органа или ткани и неоплазиям (опухоли). 46 ПЕРЕДАЧА ГЕНЕТИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ ОТ РОДИТЕЛЕЙ ДЕТЯМ Постоянство вида и сохранение его отличительных признаков определяются фундаментальным свойством живых организмов размножаться. Появление полового размножения в ходе эволюции живых организмов явилось важным шагом, так как оно обеспечивает внутривидовое разнообразие и имеет особое значение для адаптации и выживания организмов в постоянно меняющихся условиях среды. Благодаря рекомбинации генетического материала возникают новые комбинации признаков, что значительно расширяет адаптивные возможности организмов и предоставляет исходный материал для естественного отбора. У размножающихся половым путем организмов связь между поколениями, хранение и передачу генетической информации от поколения к поколению обеспечивают два процесса: - гаметогенез формирование половых клеток с гаплоидным набором хромосом (n=23), - слияние гамет и образование зиготы с диплоидным набором хромосом (2n=46) и новой генетической конституцией. ГАМЕТОГЕНЕЗ Гаметогенез представляет собой сложный комплекс генетических, биохимических и морфологических процессов, лежащих в основе образования и созревания гамет в гонадах (семенниках и яичниках). Овогенез – это процесс формирования гаплоидных яйцеклеток из недифференцированных диплоидных овогониев. Он происходит в яичниках, причем начальные этапы имеют место еще до рождения девочки, в пренатальном периоде, а другие – только с наступлением половой зрелости и продолжаются до менопаузы. В процессе овогенеза есть две фазы ожидания: диктиотена профазы I и метафаза II мейоза. Сперматогенез – это процесс формирования гаплоидных сперматозоидов из недифференцированных диплоидных сперматогониев. Он происходит в семенниках, начинается с наступлением половой зрелости, включает несколько этапов и характеризуется постоянным обновлением половых клеток. Гаметогенез состоит их следующих этапов: - период размножения, когда клетки делятся митотически и образуют первичные половые клетки – гаметогонии (2n=2c); - период роста, в ходе которого происходит репликация ДНК, синтез необходимых для мейоза веществ, накопление факторов, обеспечивающих образование и развитие зиготы; в результате образуются гаметоциты I-го порядка (2n=46); - период созревания, когда путем мейоза – решающего для гаметогенеза процесса – образуются гаплоидные гаметы.: - в овогенезе из одного овогония образуется только одна функциональная яйцеклетка и два/три полярных тельца; - в сперматогенезе из одного сперматогония образуются четыре функциональных сперматозоида; - период формирования/дифференциации, характерный только для сперматогенеза, когда в результате морфологических изменений сперматиды трансформируются в сперматозоиды, подвижные и способные к оплодотворению. 47 Овогенез Сперматогенез Локализация процесса Яичники (женские гонады) Семенники (мужские гонады) Характерные события I. Размножение овогониев I. Размножение сперматогониев II. Рост овоцитов I-го порядка II. Рост сперматоцитов I-го порядка III. Созревание яйцеклеток (из одного овоцита I-го III. Созревание сперматид (из одного сперматоцита порядка образуется одна яйцеклетка и три полярных I-го первого порядка образуются четыре тельца) сперматиды) IV. Формирование сперматозоидов Регуляция процесса Нейро-гуморальный контроль, зависимый от Нейро-гуморальная саморегуляция факторов среды Тип гамет Яйцеклетки – крупные округлые клетки, Сперматозоиды – мелкие, подвижные клетки, содержащие набор клеточных органоидов и состоящие из головки, шейки и хвоста (жгутика) и гаплоидное ядро (23,X) содержащие гаплоидное ядро ( 23,X или 23,Y) Периодизация процесса Период размножения и роста осуществляются в Пренатально, одновременно с образованием гонад пренатальном периоде. формируется популяция сперматогониев; Яичник новорожденной девочки содержит овоциты С наступлением половой зрелости происходят 4 I-го порядка, заблокированные в профазе I мейоза); этапа сперматогенеза; процесс непрерывный с Период созревания начинается с наступлением образованием огромного количества сперматозоидов половой зрелости, по одному (реже два) овоциту в Сперматозоиды постоянно обновляются; период цикл до стадии метафазы II; обновления составляет 64 дня. Мейоз завершается только в случае оплодотворения !!! Овоциты не обновляются Риск генеративных мутаций Увеличивается с возрастом женщины, в частности, Риск генных мутаций, независимо от возраста хромосомных нарушений. мужчины 48 ОПЛОДОТВОРЕНИЕ Процесс слияния гаплоидных гамет разного родительского происхождения называется оплодотворением. Образованная в результате этого клетка имеет диплоидный набор хромосом и называется зиготой. Половые клетки (гаметы) отличаются большим генетическим разнообразием, как следствие внутри- и межхромосомной рекомбинации в ходе гаметогенеза. Сочетание мужской и женской гамет при оплодотворении носит случайный характер (геномная рекомбинация), обеспечивая, тем самым, образование новых генетических вариантов в зиготе. Кроме того, слияние гамет восстанавливает нормальный диплоидный набор хромосом, характерный для данного вида. Следующие за этим митотические деления обеспечивают рост и развитие многоклеточного организма. В соматических клетках организма хромосомы представлены парами, а хромосомы одной пары являются гомологичными – идентичными по морфологии и набору генов, но разными по происхождению. Таким образом, организм взрослого человека содержит: (i) соматические клетки, из которых состоят ткани и органы: - имеют диплоидный набор хромосом (2n=46); - возникают в результате митотических делений зиготы; - 51% генетического материала имеет материнское происхождение (включая митохондриальную ДНК) и 49% - отцовское; - делятся митотически, обеспечивая рост, регенерацию и обновление тканей; (ii) половые клетки, которые обеспечивают передачу наследственной информации от родителей детям и образование зиготы; - имеют гаплоидный набор хромосом (n=23); - образуются из диплоидных гаметогониев – специализированных клеток, обеспечивающих гаметогенез; - созревают в гонадах в результате мейоза - определяют постоянство числа хромосом данного вида. ДИНАМИКА ХРОМОСОМ В МЕЙОЗЕ Мейоз (“meiosis” – уменьшение) является сложным процессом из двух последовательных делений, завершающихся уменьшением числа хромосом в два раза. Из каждой клетки с 46 хромосомами (диплоидный набор) образуются 4 гаметы с 23 хромосомами (гаплоидный набор). Гаметы отличаются чрезвычайным генетическим разнообразием вследствие внутрихромосомной и межхромосомной рекомбинации. Мейозу предшествует интерфаза, во время которой имеет место репликация ДНК. Между двумя мейотическими делениями есть очень непродолжительная фаза – интеркинез – в ходе которой ДНК не реплицируется. Первое мейотическое деление – редукционное, обеспечивает уменьшение числа хромосом в два раза. В результате этого деления из гаметоцитов I-го порядка с 46 двухроматидными хромосомами образуются гаметоциты II-го порядка с 23 двухроматидынми Рис. . Особенности расщепления хромосом в хромосомами. мейозе овогенеза и сперматогенеза Сокращение числа хромосом в два раза обеспечивается следующими механизмами: - коньюгация гомологичных хромосом с образованием 23 бивалентов (тетрад) в профазе I; - расположение бивалентов в экваториальной плоскости в метафазе I; - расщепление гомологичных хромосом и миграция их к противоположным полюсам, по одной к каждому из них; 49 цитокинез обеспечивает разделение цитоплазматической массы с образованием двух клеток с гаплоидным набором двухроматидных хромосом (1n=2c) – гаметоцитов II-го порядка. Одновременно с процессами, обеспечивающими распределение хромосом в ходе редукционного деления, происходит рекомбинация генетического материала: - внутрихромосомная рекомбинация – в результате кроссинговера, или обмена участками (генами) между материнской и отцовской гомологичными хромосомами, в профазе I, благодаря конъюгации и образованию бивалентов; - межхромосомная рекомбинация – результат независимого сочетания негомологичных отцовских и материнских хромосом в ходе их распределения к полюсам клетки в анафазе I, благодаря случайному расположению бивалентов в экваториальной плоскости. - Конъюгация гомологичных хромосом и кроссинговер Второе мейотическое деление – эквационное, обеспечивает точное и равное распределение генетического материала в дочерние клетки – гаметы. Образование гаплоидных гамет (1n=1c) из гаметоцитов II-го порядка (1n=2c) обеспечивается следующими процессами: - созревание кинетохоров – с обеих сторон центромеры; - расположение в экваториальной плоскости отдельных хромосом; - продольное расщепление центромеры и разделение сестринских хроматид; - одновременная и синхронная миграция хроматид (однохроматидных хромосом) к противоположным полюсам; - разделение цитоплазмы с образованием двух гаплоидных гамет из каждого гаметоцита II-го порядка, а всего 4-х клеток в результате мейоза. К-во хромосом К-во хроматид Удвоение генетического материала Рекомбинация Распределение генет. материала Предмейотическая интерфаза 46 (гаметоцит I) 92 + - - ПI 46 92 - + - MI 46 92 - - - AI 46 92 - + + 46 + 46 - - Цитокинез МЕЙОЗ I Редукционное деление Периоды клеточного цикла П II 23 + 23 (гаметоциты II) 23 23 23 23 46 46 46 46 - - - M II 23 23 46 46 - - - A II 46 46 46 46 - - + 23+23 23+23 - - Цитокинез TI МЕЙОЗ II эквационное деление Интеркинез T II - 23+23 23+23 (гаметы) Биологическая роль мейоза обеспечивает воспроизводство организмов и передачу родительских признаков и, тем самым, - связь между родителями и детьми; увеличивает генетическое разнообразие в популяции человека путем внутрихромосомной (в профазе I) и межхромосомной (в анафазе I) рекомбинации; 50 - является материальной основой основных законов наследственности независимого наследования, закона сцепленного наследования). (закон Динамика хромосом в мейозе ОШИБКИ МЕЙОЗА И ИХ ПОСЛЕДСТВИЯ В ходе мейоза могут происходить следующие нарушения в распределении генетического материала: - неравный кроссинговер с образованием гамет – носителей хромосомных делеций или дупликаций; - хромосомное или хроматидное нерасхождение с образованием нулисомных или дисомных гамет; - анафазное отставание с образованием нулисомных гамет; - неразделение гаметоцитов с образованием диплоидных гамет; - поперечное расщепление центромеры с образованием изохромосом. Неравный кроссинговер является результатом неправильной конъюгации гомологичных хромосом и, как следствие, обмена негомологичными участками между несестринскими хроматидами бивалента. В результате неравного кроссинговера возникают хромосомы с удвоенным участком (дупликацией) и с отсутствием одного из участков (делецией), а образованные гаметы являются носителями хромосомных мутаций. [например: 23,X(Y),1p- и (23,X(Y),1p+ приведут к образованию зигот с частичной моносомией и трисомией - 46,XX(XY), 1p- и 46, XX(XY), 1p+]. Хромосомное нерасхождение может происходить в анафазе I, когда обе гомологичные хромосомы отходят к одному и тому же полюсу и, как следствие, попадают в один и тот же гаметоцит II-го порядка. Хроматидное нерасхождение имеет место в анафазе II, когда, по различным причинам, не происходит расщепления центромеры и обе хроматиды одной хромосомы отходят вместе к одному полюсу. В обоих случаях образуются гаметы с 51 хромосомными анеуплоидиями – дисомией и нулисомией, которые, участвуя в оплодотворении, приведут к образованию аномальных зигот: трисомных и моносомных. Анафазное отставание хромосомы или хроматиды является следствием отставания одной из хромосом в мейозе I или хроматиды – в мейозе II в процессе миграции к полюсам (опоздавшая хромосома/хроматида остается за пределами ядра в цитоплазме и далее расщепляется. В результате анафазного отставания образуются нулисомные гаметы. Неразделение гаметоцитов происходит в случае, если за делением ядра не следует деление цитоплазмы и оба ядра остаются в одной клетке, которая, таким образом будет диплоидной. Образованные диплоидные гаметы (2n), участвуя в оплодотворении, дадут начало триплоидным зиготам (3n). Поперечное расщепление центромеры, вызванное нарушениями центромерной ДНК или аномальной сборкой центромерных белков, может произойти в анафазе II. В результате образуются гаметы с изохромосомами 23,ip (с удвоенным генетическим материалом плеча p данной хромосомы и без генетического материала плеча q) или 23,iq (с удвоенным генетическим материалом плеча q данной хромосомы и без генетического материала плеча p), которые, участвуя в оплодотворении, дадут начало зиготам с частичной моносомией и трисомией. Таким образом, все ошибки в распределении генетического материала в мейозе приводят к образованию анеуплоидных гамет, а после оплодотворения – к образованию анеуплоидных зигот (моносомных и трисомных), которые являются причиной репродуктивных нарушений (стерильности, спонтанных абортов, мертворождений или врожденных аномалий), нарушений роста и развития (пренатального и постнатального), умственного отставания и т.д. Ошибки оплодотворения Двойное оплодотворение – возможно в случае, когда в процессе овуляции образуются две яйцеклетки, которые, будучи оплодотворенными двумя сперматозоидами, дают начало двум зиготам; зиготы, в дальнейшем могут развиваться независимо или совместно, образуя, в последнем случае, одну эмбриональную структуру, называемую химерой; если образующие химеру зиготы одного генетического пола, то отклонений в репродуктивном развитии обычно не наблюдается, в то время как, если зиготы имеют разный генетический пол, то кариотип организма будет XX/XY с вытекающими из этого нарушениями в дифференцировке пола – истинный гермафродитизм. Диспермия – наблюдается тогда, когда одна яйцеклетка оплодотворяется двумя сперматозоидами, приводя к образованию триплоидных зигот (69,XXX или 69,XXY или 69,XYY). Дигиния или диандрия – процесс слияния нормальной гаплоидной гаметы с диплоидной (яйцеклеткой или сперматозоидом); образованные триплоидные зиготы развиваются с серьезными нарушениями, как правило, несовместимыми с жизнью. Последствия Двойное оплодотворение Дизиготные близнецы Химера Диспермия Триплоидия Дигиния Триплоидия Диандрия Триплоидия Генетическая конституция 46,XX и 46,XX 46,XX и 46,XY 46,XX/46,XX 46,XX/ 46,XY 69,XXX или 69,XXY или 69,XYY 69,XXX или 69,XXY 69,XXY 69,XYY или 52 Эволюция Нормальное развитие Нормальное развитие Истинный гермафродитизм Серьезные нарушения в эмбриогенезе Серьезные нарушения эмбрионального развития, плацента меньших размеров и необычной формы, ранний спонтанный аборт Частичный пузырный занос, увеличенная поликистозная плацента, аномальный эмбрион. ГЕНЫ ЧЕЛОВЕКА СТРОЕНИЕ, ЛОКАЛИЗАЦИЯ И ФУНКЦИИ ГЕНОВ ЧЕЛОВЕКА Согласно классической концепции ген является фрагментом хромосомы, контролирующим фенотипическое проявление признака. В современной концепции ген – это участок ДНК, кодирующий синтез полипептида или РНК. Таким образом, молекулярным субстратом наследственной информации является молекула ДНК, в то время как молекулярным субстратом признака является белок. Связь между локализацией, строением и функциями гена в геноме человека. ОРГАНИЗАЦИЯ СТРУКТУРНЫХ ГЕНОВ ЧЕЛОВЕКА Гены человека можно условно разделить на две категории: структурные гены, несущие информацию о полипептидах, и гены, кодирующие рРНК и тРНК. В состав структурных генов входят следующие регулирующие и кодирующие последовательности: – проксимальные регуляторные последовательности – промотор, энхансер и сайленсер, которые ответственны за инициацию транскрипции и контролируют ее скорость и интенсивность; 53 – – дистальные регуляторные последовательности – терминатор и сайт полиаденилирования, которые участвуют в контроле терминации транскрипции и процессинга первичных транскриптов; кодирующий участок, образованный экзонами и интронами. Гены локализованы вдоль ДНК в линейном порядке и разделены некодирующими участками – спейсерами. Каждый ген занимает определенное положение, которое называется локус. Гены не имеют четких морфологических границ, а разделены лишь функционально. В геноме человека 30000-40000 пар структурных генов, что составляет около 2% от генома. В настоящее время известны функции для 50% генов. Размеры генов человека варьируют, а их среднее значение составляет около 3000 п.н. Ниже представлены длины некоторых генов человека: - ген β глобина – 1, 5 kb; - ген инсулина - 1, 7 kb; - ген каталазы - 34 kb; - ген дистрофина - 2,5 mb/ Классификация генов человека по размерам Категория Малые гены Средние гены Крупные гены Гигантские гены Супергигантские гены 0,8 1,5 1,7 34,0 34,0 Размеры мРНК, в kb 0,5 0,6 0,4 2,8 1,6 Число интронов 2 2 2 7 12 90 2,4 12 186,0 ~300,0 9 8,7 26 36 ~2000,0 16,0 60 Название гена Размеры , в kb Ген α-глобина Ген β-глобина Ген инсулина Ген фактора коагуляции IX Ген каталазы Ген фенилаланингидроксилазы Ген фактора коагуляции VIII Ген тиреоглобулина Ген дистрофина Распределение генов человека по длине Длина, kb % от общего числа до 10 10-25 25-50 51-100 101-500 более 500 23,3 35,6 20,2 13,0 6,7 1,2 Особенности структурных генов человека: a. сложное строение: – могут иметь более одного промотора или сайтов инициации транскрипции; – могут иметь более одного инициирующего и стоп-кодонов; – имеют сложно организованные регулирующие последовательности; – альтернативный сплайсинг; b. наличие различных механизмов регуляции активности генов в зависимости от: – типа клетки; – фазы клеточного цикла и этапа онтогенеза; – внешних и внутренних факторов. 54 Ген дистрофина и его изоформы Длина мРНК, kb Мышечный 14 Спинномозговой Спинно-мозговой 1-Dp71 14 14 4,5-4,8 Локализация промотора Конец 5' не транскрибируется Интрон 1 Интрон 1 Интрон 63 2-Dp116 5,5 Интрон56 3-Dp40 2,2 Dp140 7,5 Типы Полноразмерные Укороченные в Интрон 44 Dp260 Проявление Сердце, скелетные мышцы Кора, гипоталамус Клетки Пуркинье Везде, кроме мышц Периферические нервы Везде, кроме мышц Эмбриональные нейроны Сетчатка СВОЙСТВА ГЕНОВ ЧЕЛОВЕКА 1. Репликация. Гены, являясь участками ДНК, реплицируются и передаются от клетки к клетке (в митозе) и от поколения к поколению (в мейозе). Это обеспечивает преемственность наследственной информации в ряду поколений и генеалогическую передачу признаков – наследственность; 2. Специфичность – один ген кодирует один полипептид, определяет один признак; 3. Эффект дозы. Ген обладает дозированным действием, то есть количество конечного продукта гена (РНК или полипептид) строго определено; 4. Стабильность. Гены стабильны, благодаря преемственности наследственного материала, что определяет сходство между родителями и детьми. Исключением являются нестабильные гены, которые реорганизуются в ходе дифференцировки (например, гены тяжелых и легких цепей иммуноглобулинов); 5. Различная экспрессивность. Проявление некоторых генов зависит от негенетических факторов и отличается при разных условиях или у различных лиц; при этом факторы среды могут: модулировать проявление генов (усиливать или ослаблять); изменять экспрессию генов (измененное проявление, отсутствие проявления); 6. Плейотропное действие. Плейотропия, или множественное действие гена, позволяет одному гену контролировать несколько признаков. Различают первичную и вторичную плейотропию. В случае первичной плейотропии ген непосредственно контролирует проявление нескольких признаков, а при вторичной плейотропии результат экспрессии плейотропного гена влияет на другие признаки (в разных клетках, тканях, органах); 7. Множественный аллелизм. Гены могут существовать в нескольких молекулярных формах. Путем генных мутаций возникают новые варианты гена – аллели, которые контролируют различные состояния или формы одного и того же признака. Эти аллели образуют серии и называются множественными, а контролируемые ими признаки называются полиморфными. Около 25% генов человека характеризуются множественным аллелизмом. ФУНКЦИИ ГЕНОВ ЧЕЛОВЕКА Функциями генов человека является хранение и передача наследственной информации о полипептидах и различных признаках (биохимических, морфологических, физиологических, психических и поведенческих). Гены передают наследственную информацию благодаря репликации ДНК и деления клетки, тем самым, осуществляют связь между поколениями и обеспечивают генеалогическое наследование признаков в пределах семьи, вида. Реализация наследственной информации обеспечивается транскрипцией в РНК и трансляцией в ходе синтеза белка – материального субстрата различных признаков на уровне клетки, ткани и организма. 55 Фенотипическое проявление гена Экспрессия гена представляет собой процесс реализации закодированной в гене информации в виде признака – фенотипа. На клеточном уровне она заключается в последовательности этапов, в результате которых записанная в ДНК информация реализуется путем формирования признаков. На молекулярном уровне это процесс реализации генетической информации в виде полипептида, рРНК или тРНК. Экспрессия генов является сложным процессом и включает следующие этапы: активация и транскрипция гена – переписывание генетической информации с ДНК и синтез первичных транскриптов (гетерогенная ядерная РНК); процессинг–созревание мРНК: кэпирование, полиаденилирование, сплайсинг; перенос мРНК в цитоплазму; трансляция – процесс перевода генетической информации из нуклеотидной последовательности в последовательность аминокислот полипептидной цепи; конформация – преобразование полипептидной цепи в белок. На клеточном уровне экспрессия гена является результатом интеграции вновь синтезированного белка в определенную клеточную структуру, цепь метаболизма или в систему клеточной сигнализации. Фенотип клетки – морфология и функции – определяются ее геномом и реализуется при участии целого набора синтезированных клеткой белков – протеосома. Специфичность белков является основой дифференцировки и специализации клеток. На уровне организма экспрессия гена проявляется в виде различных признаков и свойств благодаря взаимодействию молекулярных и надмолекулярных компонентов в процессе морфогенеза и развития организма человека. Следовательно, в рамках современной концепции гена выделяют три уровня экспрессии генов: - молекулярный – заключается в синтезе полипептида, который является первичным продуктом экспрессии генов; - клеточный – конформация и образование функциональных белков, выполняющих различные функции в клетке; - организменный – фенотипическое проявление гена в виде признака. Например, мутация гена β-глобина является причиной серповидно-клеточной анемии. На молекулярном уровне это проявляется в виде синтеза дефектной полипептидной цепи, в которой глутаминовая кислота заменена на валин. Как следствие, вместо нормального гемоглобина HbA образуется мутантный гемоглобин HbS. На клеточном уровне наблюдается образование аномальных эритроцитов серповидно-клеточной формы. Это приводит к проявлению патологических признаков анемии на уровне организма. КЛАССИФИКАЦИЯ ГЕНОВ ЧЕЛОВЕКА Различают несколько классификаций генов, основанных на разных критериях. Например: 1. по типу конечного продукта: - гены, кодирующие белки – структурные гены; - гены, кодирующие рРНК и тРНК; 2. по количеству копий в геноме: - уникальные – представлены, как правило, одной копией; - повторяющиеся – организованы тандемно или разбросаны по геному; 3. по количеству клеток, в которых гены активны: - общие гены, или гены домашнего хозяйства; - тканеспецифичные гены. 4. по времени фенотипического проявления: - активные в эмбриональном периоде; - активные на этапе полового созревания; - активные во взрослом организме. 5. по степени активности: - нормоморфные; - гипоморфные: - гиперморфные; 56 - аморфные. Об активности генов можно судить по количеству транскрибированной РНК и количеству синтезированного белка. 6. по функции конечного продукта: - ферменты - 31,2%; - модуляторы функции белков - 13, 6 % - рецепторы; - факторы транскрипции; - белки внутриклеточного и внеклеточного матриксов; 50% - транспортные белки; - сигнальные молекулы; - гормоны; - иммуноглобулины. 7. по зависимости экспрессии генов от негенетических факторов: - стабильные; - пластичные. ЛОКАЛИЗАЦИЯ ГЕНОВ Согласно хромосомной теории наследственности Т. Моргана (1911): (1) гены расположены в хромосомах в линейном порядке, занимая определенное место локус; (2) гены одной хромосомы образуют одну группу сцепления и наследуются вместе; (3) количество групп сцепления равно гаплоидному числу хромосом; (4) между гомологичными хромосомами может происходить обмен участками – кроссинговер (5) частота кроссинговера прямо пропорциональна расстоянию между генами и обратно пропорциональна силе сцепления; (6) расстояние между генами измеряется в сантиморганидах - 1cM = 1% кроссинговера. Гены, расположенные в идентичных локусах гомологичных хромосом выполняют одинаковые функции и называются аллельными, в то время как гены, расположенные в разных локусах гомологичных или негомологичных хромосом, называются неаллельными. Распределение генов вдоль хромосом неодинаково: хромосомы отличаются по количеству и плотности расположения генов. Некоторые гены представлены в одном экземпляре, а другие – многими копиями и образуют семейства повторяющихся и неповторяющихся генов. Гены одной хромосомы, расположенные близко друг от друга, образуют гаплотип и имеют часто общие регуляторные элементы. В широком смысле под гаплотипом понимают совокупность генов одной молекулы ДНК. Гены, локализованные в аутосомах, определяют аутосомные признаки и наследуются независимо от пола, а гены, расположенные в гоносомах, определяют сцепленные с полом признаки, и их наследование зависит от пола: - X-сцепленные гены и признаки передаются от матери к дочерям и сыновьям, а от отца – только дочерям; - Y-сцепленные гены и признаки (голандрические) передаются исключительно от отца к сыну. 57 Хромосома К-во генов Длина, Mb 1 3511 250 2 2368 243 3 1926 198 4 1444 191 5 1633 181 6 2057 171 7 1882 159 8 1315 146 Хромосома К-во генов Длина, Mb 9 1534 141 10 1391 136 11 2168 135 12 1714 134 13 720 115 14 1532 107 15 1249 103 16 1326 90 Хромосома К-во генов Длина, Mb 17 1773 81 18 557 78 19 2066 59 20 857 63 21 450 48 22 855 51 X 1672 155 Y 429 59 ГЕНЕТИЧЕСКИЕ КАРТЫ В состав генома человека входят две различающиеся по организации и особенностям наследования системы: ядерный геном и митохондриальный геном. В ядре соматических клеток человека содержится около 30 000 пар генов, которые локализованны в 46 молекулах ДНК. Каждая хромосома содержит в среднем 2000 генов. Гены расположены в линейном порядке и разделены некодирующими последовательностями (сателлитная ДНК, спейсеры). Гены одной хромосомы наследуются совместно. Это явление называется сцеплением генов. Каждая хромосома, таким образом, представляет одну группу сцепления. Митохондриальный геном представлен кольцевыми молекулами ДНК и содержит 37 генов, расположенными очень компактно и наследуемыми по материнской линии. Полное и неполное сцепление генов. Образование нерекомбинантных (NR) и рекомбинантных (R) зигот в результате кроссинговера 58 Генетическая карта фрагмента хромосомы 9 - У человека существуют 25 групп сцепления: 22 – аутосомы; 1 – хромосома X; 1 – хромосома Y; 1 – митохондриальные гены. Явление сцепление характерно только для генов одной и той же хромосомы, в то время как расположенные в разных хромосомах гены наследуются независимо, по законам Менделя. Сцепление бывает полным и неполным. Причина неполного сцепления – кроссинговер, происходящий в мейозе. В ходе кроссинговера происходит взаимный обмен аллельными генами. Частота кроссинговера неодинакова для различных локусов и может варьировать от 0% до 50%, коррелируя с расстоянием между генами. Чем далее друг от друга расположены гены, тем больше частота кроссинговера между ними и, наоборот. Данное положение позволяет определить расстояние между генами по частоте кроссинговера и лежит в основе составления генетических карт. Эти Механизм генетической рекомбинации путем кроссинговера карты представляют собой графическое изображение хромосом и расположенных на них генов с указанием расстояния между ними. В настоящее время, благодаря методам дифференциальной окраски и соматической гибридизации, разработаны физические карты хромосом, в которых показано точное расположение генов с указанием расстояния между ними в парах нуклеотидов. Установление сцепления между генами и определение групп сцепления представляет значительный интерес в медицинской генетике. Примерами сцепленных генов у человека являются: ген фактора Rh и ген эллиптоцитоза; ген AB0 и ген пигментной ксеродермы (XP); гены Duffy и врожденной катаракты; ген MNSs и dentinogenesis imperfecta-1 (DI-1); ген Xg и гены гемофилии А (HEMA), гемофилии В (HEMB), дальтонизмаl (Dalt). Примеры сцепления нормальных и патологических генов ГЕННЫЕ МУТАЦИИ Генные мутации могут происходить на уровне кодирующих или регуляторных последовательностей структурных генов: в первом случае, изменяется структура (качество синтезированного полипептида), а во втором – изменяется скорость синтеза (количество) конечного продукта. В результате генных мутаций возникают альтернативные формы гена, называемые аллелями. 59 Классификация генных мутаций По механизму образования По происхождению По типу наследования Субституции Делеции Инверсии Инсерции Дупликации По фенотипическому проявлению По типу мутантных клеток Спонтанные Индуцированные Доминантные Рецессивные Кодоминантные По жизнеспособности Аморфные Изоморфные Гиперморфные Гипоморфные Соматические Генеративные Доброкачественны еНейтральные Полулетальные Летальные Механизмы генных мутаций: нарушения последовательности нуклеотидов – замены, инверсии, делеции, инсерции (вставки) нуклеотидов; - внутригенные рекомбинации и неравный кроссинговер; - реверсии; - дупликации и гипердупликации. Наиболее часто встречаются замены нуклеотидов, которые относятся к точечным мутациям и бывают двух типов: трансверсии – замена пуринового основания на пиримидиновое и наоборот; транзиции – замена одного пуринового основания на другой пуриновое или одного пиримидинового основания на другой пиримидиновое. - Замена приводит к изменению только одного кодона (смыслового или стоп-кодона). Замена смыслового кодона может приводить к: - замене аминокислоты, как следствию замены кодона – misens-мутация; - остановке синтеза полипептида, если в результате замены появился стоп-кодон (UAA, UAG şi UGA) –nonsens-мутация; - сохранению исходной (нормальной) структуры полипептида, если в результате замены образовался кодон-синоним, кодирующий ту же аминокислоту – samesens- мутация. 60 . Замена иногда может возникать в стоп-кодоне, и тогда UAA или UAG может стать CAA или CAG, которые кодируют глутамин. В этом случае синтез полипептида продолжается до следующего стоп-кодона. Примером такого “удлинения цепи” может быть анормальный гемоглобин Hb– Hb CS (Hb Constant Spring), который состоит из 172-х аминокислот вместо 141, а дополнительная последовательность действительно начинается глутамином. Замены могут происходить в разных кодонах, приводя к замене двух и более аминокислот в одной и той же полипептидной цепи. Например: Hb C-Harlem = 2 alfa 2 beta 6 Glu→Val; 73 Asp→Asn. Инверсия приводит к изменению последовательности нуклеотидов в кодоне и обратному чтению кодона. Последствия инверсии сходны с таковыми в случае замен. Делеция – это выпадение одной или нескольких пар нуклеотидов в молекуле ДНК. Последствия зависят от количества вовлеченных в делецию пар нуклеотидов. Если отсутствует одна пара нуклеотидов, то это приводит к сдвигу рамки чтения (мутация “frame shift”); а в синтезированном полипептиде все аминокислоты после делеции будут изменены (например, Hb Wayne). Если количество делетированных нуклеотидов превышает 3, в полипептидной цепи будет отсутствовать одна или более аминокислот (например, в Hb Gun-Hill отсутствуют 5 аминокислот в цепи β: 91-95). Иногда происходит делеция целого гена. При альфа-талассемии не образуются цепи α, т.к. данный ген отсутствует в геноме, и в этом случае образуются другие типы цепей : Hb H=4 beta или Hb Bart=4 gama. Инсерция, или вставка, представляет собой появление нового нуклеотида в последовательности гена, что приводит к сдвигу рамки чтения и синтезу измененного полипептида. Инсерция Аденина Неравный кроссинговер является следствием неправильной коньюгации гомологичных хромосом, в результате чего происходит перестановка нуклеотидных последовательностей ДНК и изменяется структура полипептида (например, Hb Lepore). Реверсия (обратная мутация) - это изменение в мутантном гене, приводящее к возврату его в исходное нормальное состояние. Истинная реверсия трансформирует мутантный кодон в нормальный, а супрессивная реверсия индуцирует другую мутацию, которая отличается по положению, но имеет сходный эффект. Например Hb. Harlem связана с мутацией в цепи β 6 Glu-Val , как и Hb S, но действие ее в виде образования эритроцитов анормальной формы аннулируется в результате обратной мутации в цепи β 73 Asp—Asn. Аналогичная ситуация в случае Hb Memphis/S: alfa 23 Glu—Gln; beta 6 Glu—Val. 61 Неравный кроссинговер Последствия генных мутаций. Первичный эффект мутации гена проявляется в изменении последовательности аминокислот в полипептидной цепи, кодируемой данным геном. Биологический эффект (на уровне организма) зависит от типа замененной аминокислоты или его расположения в молекуле полипептида. Изменения в структуре или интенсивности синтеза полипептида приводят к нарушениям какого-либо метаболического пути. Таким образом, первичное действие мутантного гена сопровождается многочисленными вторичными эффектами на уровне организма, которые определяют изменения в фенотипе. Мутации могут затрагивать как кодирующую, так и регуляторную часть гена. Изменения в нуклеотидной последовательности в области промотора приводят к количественным изменениям в синтезе мРНК и белка, а именно: - блокированию транскрипции→ отсутствию белкового продукта → нарушениям метаболизма (например, в случае фенилкетонурии, галактоземии); - непрерывной активации транскрипции → синтезу белка в избытке → нарушениям в фенотипе (например, избыточный синтез HbF и HbA2 приводит к гемолизу и анемии). Изменения в нуклеотидной последовательности кодирующей части гена, в особенности, в экзонах, приводят к изменению генетической информации и, соответственно, последовательности аминокислот, вызывая качественные изменения в конечном продукте – белке, например: синтез белка с пониженной активностью (гипоморфная мутация); синтез белка с повышенной активностью (гиперморфная мутация); - синтез неактивного белка (аморфная мутация). Исходя из адаптивного значения и влияния их на строение и функции организма, генные мутации можно разделить на: - нейтральные мутации – образуют новые нормальные варианты, увеличивающие внутривидовой биологический полиморфизм (например, группы крови, белки плазмы, тканевые антигены); - отрицательные мутации – приводят к патологическим нарушениям и являются причиной болезней, предрасположенности к болезням; могут нарушать жизнеспособность и воспроизводство, а иногда приводить к смерти носителя из-за несовместимых с жизнью нарушений; - благоприятные мутации – способствуют появлению новых признаков, которые позволяют организмам лучше приспособиться к условиям среды.. 62 Изоморфный ген Аморфный ген Нормальный ген Гиперморфный ген Кодирующая область Нормальная мРНК Нормальный белок Отсутствие мРНК Мутантная мРНК Отсутствие белка Мутантный белок Избыток мРНК Избыток белка Нормальный фенотип Мутантный фенотип из-за нового белкового продукта Мутантный фенотип из-за отсутствия белкового продукта Мутантный фенотип из-за избытка белкового продукта Связь между генными мутациями и фенотипом Динамические мутации В 1991 году был открыт новый тип генных мутаций – динамические мутации. В основе этого типа мутаций лежит нестабильность генов, связанная с увеличением количества специфических тринуклеотидных повторов, которые могут возникать в различных участках гена. Число этих повторов растет в ходе клеточных делений и является причиной нестабильного состояния гена. Различают несколько состояний в процессе увеличения количества тринуклеотидных повторов: - доброкачественный полиморфизм ДНК; - предмутация– последовательность ДНК становится нестабильной, но фенотип носителя нормальный; - полная мутация – число повторов превышает пороговое значение, а в фенотипе проявляется патологический признак. Увеличение количества повторов происходит в гаметогенезе, что приводит к увеличению количества повторов в следующем поколении. Чем больше будет в генотипе тринуклеотидных повторов, превышающих пороговое значение, тем тяжелее будет протекать болезнь (явление антиципации). Носители предмутаций имеют нормальный фенотип. Увеличение числа повторов происходит в процессе гаметогенеза. Фенотип Ген FMR1 < 60 CCG Нормальный аллель Нормальный мРНК 60 - 230 CCG Предмутация Нормальный мРНК > 230 метилированных CCG Полная мутация 63 Клинические проявления: 80% умственная отсталость, макроорхизм, дисплазия соединительной ткани Носительница предмутации Носитель предмутации Нестабильность гена FMR1 в овогенезе Больной с синдромом X фрагильной хромосомы - 1-2% лиц имеют минимум 1 патологию, связанную с генной мутацией; каждый индивид является гетерозиготным носителем 6-10 рецессивных мутантных аллелей; каждый индивид является носителем 3-5 летальных рецессивных аллелей, которые в гомозиготном состоянии в потомстве приведет к гибели). 64 “генетический груз” Частота мутаций Средняя вероятность, с которой возникает мутация в клетке (организме), называется частотой мутации. Частота мутаций неодинакова и варьирует для разных локусов в пределах 1:25000 (или 4x10-5) – 1:1000000 (или 1x10-6) на одну гамету в одном поколении. Необходимо отметить, что в силу разных причин, частота мутаций из года в год растет, что увеличивает «генетический груз» популяции человека. МЕТОДЫ АНАЛИЗА ГЕНОВ Методы рекомбинантной ДНК создали предпосылку для разработки новых методов молекулярной диагностики с большей разрешающей способностью и, следовательно, более точных и информативных. Об абсолютном преимуществе молекулярного подхода говорит тот факт, что в отличие от других методов диагностики, ограниченных выявлением исключительно фенотипических аспектов, анализ ДНК, направленный непосредственно на изучение генотипа, является единственным методом, изучающим первичные нарушения (мутации), то есть именно первопричину возникновения болезней. Технология рекомбинантной ДНК позволяет определить нормальные гены и/или мутантные их варианты, установить носителей мутантного гена, диагностировать наследственную патологию до рождения ребенка или в предсимптоматической стадии, а в ближайшем будущем проводить и генную терапию. Молекулярное изучение генов может осуществляться многими путями в зависимости от поставленной цели: 1. секвенирование ДНК для определения первичной структуры гена; 2. метод Саузерн-блот для определения позиции гена в геноме; 3. метод Нозерн-блот для определения экспрессии генов (анализ мРНК); 4. метод Вестерн-блот для определения белкового продукта гена; 5. метод ПЦР для специфичной амплификации фрагментов ДНК. В лабораториях молекулярной биологии используются различные варианты перечисленных методов. Все перечисленные методы основаны на различных принципах манипулирования нуклеиновыми кислотами: - - специфическая рестрикция ДНК с целью получения интересующего фрагмента; идентификация фрагментов ДНК или РНК с помощью специальных зондов, комплементарных искомому участку; идентификация нормальных и патологических генов путем ПЦР – специфическая реакция отбора праймеров, комплементарных гену/последовательности; визуализация необходимого фрагмента по результатам электрофореза и специфического маркирования ДНК/РНК с использованием компьютерных программ чтения и анализа результатов; комплексная интерпретация результатов в зависимости от использованного метода. Для разделения полученных фрагментов ДНК применяется электрофорез макромолекул в агарозном или полиакриламидном геле. Будучи отрицательно заряжены, фрагменты молекул нуклеиновых кислот в электрическом поле перемещаются с разной скоростью в зависимости от молекулярной массы. Более короткие фрагменты перемещаются быстрее, в то время, как более длинные - медленнее. Для определения размеров фрагментов в геле, одновременно с интересующими фрагментами помещаются на соседние дорожки и фрагменты - маркеры длины. Молекулы нуклеиновых кислот могут быть обнаружены в геле при окраске флуоресцентным красителем или по радиоактивной метке. В случае радиоактивного мечения, фрагменты определяются с помощью авторадиографии, которая заключается в накладывании на гель светочувствительной пленки. 65 ИЗУЧЕНИЕ ГЕНОВ Анализ ДНК Секвенирование Саузерн-блот Анализ РНК Анализ белка Нозерн-блот Секвенирование РТ-ПЦР Вестерн-блот ПЦР Гибридизация in situ Гибридизация in situ Секвенирование ДНК Секвенирование заключается в определении последовательности нуклеотидов (азотистых оснований) в исследуемом фрагменте ДНК. Анализ последовательностей нуклеотидов ДНК может быть осуществлен двумя путями: 1) химическим (метод Максама - Гильберта), при котором используются химические реакции последовательного расщепления фрагмента ДНК на отдельные нуклеотиды, однако этот метод очень трудоемкий, сложный и в последнее время не используется; 2) ферментативным (метод Сэнгера), при котором фрагменты ДНК синтезируются in vitro таким образом, что реакция завершается в положении, соответствующем определенному основанию. Для определения последовательности нуклеотидов любым из этих методов, ДНК подвергается серии из 4-х отдельных реакций, каждая из которых является специфической для одного из 4-х видов нуклеотидов. При одновременном электрофорезе продукты реакции на 4-х соседних дорожках будут мигрировать по ним с разной скоростью. Размер синтезированных фрагментов можно определить, а, следовательно, может быть определен и порядок нуклеотидов в ДНК. Метод Сэнгера (дидеокси) использует ферментативный синтез одной цепи, комплементарной клонированной матрице. В ходе данного процесса синтез ДНК останавливается добавлением одного из дидезоксинуклеозидтрифосфата, аналога нуклеотидов. Дидезоксинуклеозидтрифосфат содержит в позиции 3' не группу ОН, а Н-группу, которая препятствует полимеризации нуклеотидов. Используя четыре разных аналога дидезокси в процессе синтеза новой цепи ДНК, можно, таким образом, определить каждый нуклеотид матричной цепи. Электрофорез полученных фрагментов позволяет определить порядок нуклеотидов ДНК. В последние годы применяются методы автоматического секвенирования. С целью диагностики носителей мутантного гена результат секвенирования сравнивают с первичной структурой гена. К сожалению, не для всех генов человека к настоящему моменту известны последовательности нуклеотидов, поэтому применяются и непрямые методы диагностики: сцепление с близлежащими ДНК-маркерами (определение гипервариабельных минии микросателлитных повторов), определение характерных для данного гена полиморфных сайтов рестрикции, гибридизация со специфическими зондами и др. 66 Секвенирование ДНК методом дидеокси (метод Singer) Метод Саузерн-блот Метод основан на специфическом анализе определенных фрагментов геномной ДНК/гена, полученных путем рестрикции ДНК одной или несколькими рестриктазами. Ферменты рестрикции действуют не случайно, а разрезают ДНК в строго определенных местах, поэтому в результате действия одной рестриктазой получают двухцепочечные фрагменты ДНК разной длины (количество фрагментов и их длина специфичны для данной рестриктазы). Учитывая полиморфизм ДНК/генов, обусловленный точечными мутациями, длины фрагментов специфичны и неодинаковы у разных индивидов (полиморфизм длины рестрикционных фрагментов - ПДРФ). Для анализа ПДРФ ряда генов необходимо знать специфическую локализацию сайтов рестрикции. Эта информация может быть полезна для сравнения нормальных и мутантных генов, для раннего выявления носителей патологических генов. На данном принципе основан метод Саузерн-блот, который позволяет идентифицировать интересующий фрагмент в смеси из тысячи разных фрагментов, полученных в результате рестрикции геномной ДНК. Идентификация необходимого фрагмента осуществляется на основе гибридизации ДНК-мишени с комплементарным меченым зондом. Метод Саузерн-блота состоит из последовательности следующих этапов: (1) выделение высокомолекулярной геномной ДНК из клетки; (2) ферментативное расщепление ДНК разными рестриктазами с образованием фрагментов разной длины; (3) разделение рестрикционных фрагментов в агарозном геле; (4) денатурация фрагментов ДНК щелочным раствором; (5) нейтрализация геля буферным раствором; (6) капиллярный перенос фрагментов на нейлоновый или нитроцеллюлезный фильтр; (7) гибридизация с одноцепочечными радиоактивными зондами; (8) авторадиография для выявления гибридов: исследуемая ДНК / зонд. Перенос фрагментов на нитроцеллюлезный фильтр- блоттинг Саузерн. 67 предложил Эдвард Принципы переноса нуклеиновых кислот на фильтры и гибридизация с радиоактивными зондами (Саузерн-блот – для ДНК и Нозерн-блот – для РНК) В результате анализа полученного материала можно определить наличие или отсутствие некоторых сайтов рестрикции, характерных для изучаемого гена, которые ассоциируются с определенными мутациями. Различные варианты расположения сайтов рестрикции в ДНК у двух разных людей называют Полиморфизмом Длины Рестрикционных Фрагментов (ПДРФ). Этот полиморфизм используется как генетический маркер в изучении генотипа. Практическое применение метода Саузерн-блот: - выявление точечных мутаций, затрагивающих сайты рестрикции (появляются новые или исчезают старые сайты рестрикции) по изменению количества и длины фрагментов рестрикции; - выявление мутаций типа делеции, дупликации, инсерции более длинных фрагментов (50-100 п.н.) по изменению длины фрагментов рестрикции. Это позволяет проводить пренатальную и пресимптоматическую диагностику патологических мутаций и выявление гетерозиготных носителей мутантных генов. Метод Саузерн-блот имеет, однако, следующие недостатки: (1) не позволяет выявить точечные мутации, не затрагивающие сайтов рестрикции (в пределах фрагмента рестрикции); (2) является достаточно трудоемким, сложным и дорогим методом. Метод Нозерн-блот Метод состоит в переносе разделенных молекул РНК на нейлоновые или нитроцеллюлезные фильтры с последующей гибридизацией с мечеными зондами. Метод схож с методом Саузерн-блот, за исключением того, что выделенные и очищенные мРНК не подвергают рестрикции, а электрофорез не происходит в условиях денатурации. Метод Нозерн-блот позволяет идентифицировать транскрипты анализируемых генов, количества мРНК, их размеры. Метод Вестерн-блот Этот метод заключается в определении специфического белка из смеси клеточных белков. Для этого белки разделяют электрофорезом в условиях денатурации, в присутствии додецилсульфата Nа. Белки, разделенные по молекулярной массе, переносят на плотный фильтр и обрабатывают специфическими мечеными антителами. Этот метод позволяет определить наличие или отсутствие белка, его размер и скорость экспрессии гена по количеству синтезированного белка. 68 Полимеразная цепная реакция Метод ПЦР используется для выборочного размножения определенной последовательности гена. В результате получают гомогенные популяции фрагментов, которые используются в исследованиях по молекулярной генетике или диагностике. Для осуществления амплификации определенной последовательности необходимо знать первичную структуру нормального или мутантного гена и синтезировать специфические праймеры, комплементарные концам интересующих фрагментов. Праймеры представляют собой искусственно синтезированные одноцепочечные олигонуклеотиды (20-30 нуклеотидов). ПЦР основана на гибридизации исследуемой последовательности ДНК - праймер и полуконсервативной репликации ДНК (см. главу 11). Преимущества метода ПЦР следующие: требуются минимальные количества ДНК; высокая скорость амплификации (за несколько часов получают более миллиона копий одинаковых фрагментов); благодаря специфичности праймера амплифицируется только нужный фрагмент, который затем используется как зонд в других методах. Использование техники ПЦР для обнаружения делеций Использование техники ПЦР для обнаружения точечных мутаций при помощи специфичных для нормального гена праймеров Практическое применение метода ПЦР: - выявление известных мутаций у больных или носителей; - пренатальная и пресимптоматическая диагностика генетических болезней; 69 - определение генов предрасположенности к распространенным болезням взрослого населения (коронаропатии, гипертония, психические расстройства и др.); - ранняя диагностика и помощь в прогнозе онкологических заболеваний; - пренатальное определение пола; - выявление патогенных возбудителей (вирусов, бактерий); - опознание личности методом геномной дактилоскопии; - установление отцовства, материнства; - типирование тканевых антигенов HLA. Гибридизация in situ Гибридизация in situ представляет собой молекулярный метод, при котором специфический меченый зонд может гибридизоваться прямо на цитологическом препарате, выявляя: - определенный тип мРНК в какой-то клетке или ткани; - ген на хромосоме или фрагменты хромосомы; - изменение количества мРНК (а значит и активности гена) в зависимости от периода онтогенеза или типа ткани. - наличие в клетке вирусной ДНК; - субмикроскопические делеции; - наличие генов, отвечающих за развитие рака, их локализацию и уровень их экспрессии. В последние годы используется метод FISH (Fluorescent In Situ Hybridization), при котором зонды метятся различными флуоресцентными красителями. Метод FISH очень прост, используется и на архивных препаратах, быстрый, не вызывает разрушения клеток. Метод FISH 70 НАСЛЕДСТВЕННЫЕ ПРИЗНАКИ ВЗАИМООТНОШЕНИЕ ГЕНОТИП - ФЕНОТИП Биологическая индивидуальность человека определена совокупностью морфологических, физиологических, биохимических, психических и поведенческих признаков – фенотипом, контролируемых воздействием, в разных пропорциях, генетических факторов и факторов среды. Система генов диплоидного набора хромосом одного человека, которая определяет формирование фенотипа, называется генотип. Признаки, в образовании которых доля участия генотипа составляет более 50%, называются наследственными признаками. Наследственные признаки могут иметь моногенный или полигенный (мультифакториальный) детерминизм. ХАРАКТЕРИСТИКА АЛЛЕЛЬНЫХ И НЕАЛЛЕЛЬНЫХ ГЕНОВ Аллельные гены локализованы в идентичных локусах гомологичных хромосом и контролируют один признак или альтернативные формы одного признака. Аллельные гены могут быть представленными в популяции многими молекулярными формами (множественные аллели), но в генотипе одного индивидуума могут быть только два аллеля – пара аллелей (исключение составляют гены Х и Y хромосом у мужчин, представленные только одним аллелем). Генотип каждого человека содержит около 30 000 пар аллельных генов; по некоторым из них он является гомозиготным – имеет одинаковые аллели, по другим является гетерозиготным – имеет разные аллели, а у мужчин также гемизиготным – для генов, сцепленных с хромосомой Х. В случае гетерозиготности проявляется только один аллель (доминантный ген), в то время как проявление другого аллеля (рецессивного гена) подавлено. По степени проявления различают аллели: - нормоморфные - с умеренной активностью; - гиперморфные – с повышенной активностью; - гипоморфные – с пониженной активностью; - аморфные – неактивные; - неоморфные – с новой функцией. Фенотипическое проявление аллеля зависит от других аллелей, а также факторов среды. В процессе мейоза аллельные гены распределяются в разные гаметы (происходит сегрегация), а в результате оплодотворения сочетаются разным образом, образуют различные генотипы. Это процесс определяет расщепление признаков и лежит в основе законов менделевского наследования. Аллели одной пары имеют разное происхождение – материнское и отцовское. Гомозиготный организм формирует идентичные гаметы по данному аллелю, а гетерозиготный организм образует разные гаметы – 50% будут иметь один из аллелей и 50% - другой аллель. Неаллельные гены имеют следующие характеристики: занимают разные локусы на гомологичных или негомологичных хромосомах; контролируют образование разных признаков; одна хромосома содержит много неаллельных генов (от нескольких сотен до нескольких тысяч); в течение мейоза гены одной хромосомы, как правило, передаются блоком - сцепленно; неаллельные гены разных (негомологичных) хромосом в мейозе сегрегируют, определяя независимое их комбинирование. 71 Независимое распределение неаллельных генов разных хромосом Сцепленное наследование неаллельных генов одной хромосомы МОНОГЕННЫЕ МЕНДЕЛИРУЮЩИЕ ПРИЗНАКИ Моногенные признаки – это признаки, контролируемые одной парой аллельных генов (одна пара аллелей – один признак, что соответствует классической "догме генетики"). Примерами моногенных нормальных признаков являются: группы эритроцитарных антигенов (АВО, Rh, MN, Xg, др.); белки плазмы (гаптоглобины, трансферрины, и др.); ферментативные группы; тканевые антигены (HLA). Эти признаки являются результатом взаимодействия двух аллелей, между которыми существуют отношения доминантности / рецессивности и/или кодоминирования. Моногенные признаки передаются по законам Менделя, подчиняются законам моногибридного скрещивания В популяции распределение моногенных признаков, как правило, имеет бимодальный характер и характеризуется дискретными фенотипами (пр.: 75% популяции носители Rh+, а 25% Rh-). Некоторые моногенные признаки проявляются в нескольких альтернативных формах, которые определены существованием множественных аллелей и/или взаимодействием с другими генетическими и негенетическими факторами – явление полиморфизма (пр.: несколько вариантов эритроцитарных групп по системе АВО – I (О); II (А1 или А2); III (В); IV(А1В или А2В). Моногенные признаки могут быть как нормальными, так и патологическими (пр.: полидактилия, альбинизм, фенилкетонурия, гемофилия, дальтонизм, некоторые формы дисплазии эмали зубов). 72 Одни гены контролируют формирование одного признака (один ген – один признак), другие – имеют множественное действие. Явление, когда один ген контролирует формирование нескольких признаков, называется плейотропией . Признаки, в зависимости от фенотипического проявления могут быть: доминантными, рецессивными и промежуточными. Ген, который проявляется фенотипически и у гомозигот и у гетерозигот, называется доминантным (А), а тот, который проявляется только у гомозигот – рецессивным (а). Каждый человек гетерозиготен по одним локусам и гомозиготен по другим локусам. Между аллельными генами существуют различные типы взаимодействия: - полное доминирование – у гетерозигот проявляется доминантный аллель (пр.: DD или Dd → Rh+, a dd → Rh-); - неполное доминирование – у гетерозигот образуется промежуточной признак: o HbA HbА – нормальный гемоглобин, нормальные эритроциты; o HbA HbS – легкая форма анемии, 50% нормальных эритроцитов, 50% эритроцитов необычной, серповидной формы; o HbS HbS – серповидно-клеточная анемия, летальная форма. - кодоминирование – у гетерозигот проявляются оба аллеля (пр.: IV группа крови – А1В или А2В). Фенотипическое проявление моногенных признаков может зависеть и от других неаллельных генов из той же группы сцепления или из других хромосом, т.е. взаимодействия неаллельных генов. К ним относятся: эпистаз – это феномен, когда один ген (эпистатический) влияет на активность другого неалельного гена (гипостатического) (пр.: ген h в гомозиготном состоянии (hh) блокирует экспрессию генов системы АВО – фенотип Bombay). комплементарное действие генов – в формировании одного признака участвуют разные неаллельные гены, посредством одновременного взаимодействия их продуктов (пр.: гемоглобин А образуется в результате экспрессии гена α–глобина с хромосомы 16 и гена β–глобина с хромосомы 11); эффект положения (позиции) – активность одного гена зависит от других соседних генов; изменение соседних последовательностей приводит к инактивации или анормальной активности гена (пр.: гены CDE, контролирующие фактор Rh). Генотип находится под воздействием различных генетических и негенетических внутренних и внешних факторов, которые могут влиять на фенотипическое проявление гена, например: - пенетрантность – это частота, с которой ген проявляется фенотипически у гетерозигот; пенетрантность может быть: o полной – все гетерозиготы проявляют доминантной признак; o частичной – только у части гетерозигот проявляется доминантный признак; - экспрессивность – это степень или интенсивность фенотипического проявления гена у разных индивидуумов при одном и том же генотипе (пр.: полные и неполные формы некоторых синдромов, легкие или тяжелые формы ряда наследственных болезней). 73 НОРМАЛЬНЫЕ НАСЛЕДСТВЕННЫЕ МОНОГЕННЫЕ ПРИЗНАКИ ГРУППЫ КРОВИ Группа крови - это 100% наследственный биохимический признак, который определен присутствием на поверхности эритроцитов некоторых антигенных веществ (в основном белков или мукополисахаридов). Система групп крови представляет собой совокупность антигенных веществ, контролирующих их генов и взаимодействий между генами, а также взаимоотношений генотип– фенотип. Группы крови изучают давно из-за необходимости учета их особенностей при переливании крови: – 1900 – Landsteiner вперые описал систему АВО; – 1940 – Landsteiner совместно с Weiner описал систему Rh, имеющую особое значение в несовместимости плод-мать; – на сегодняшний день описаны более 20 систем, среди которых: ABO, Rh, MN, Ss, Le, Xg. ГРУППЫ КРОВИ СИСТЕМЫ АВО Система АВО представлена следующими фенотипами - группами крови I (0), II (A1, A2), III (B), IV (A1B, A2B) и фенотипом Bombay (0). Генотипы обусловлены аллельными генами А1, А2, В, О, расположенными в хромосоме 9 и существующими в эпистатическом взаимодействии с генами Н и h, локализованными в хромосоме 19. Отношения между аллелями могут быть следующими: - кодоминирования : А1 и В; А2 и В; - доминантности/рецессивности: А1 О, А2 О; В О; А1 А2; Н h; - эпистаза: Н и О, А1, А2, В. [(A1>A2)=B] > o; H > h Разнообразные отношения между аллелями можно объяснить следующим образом: - гены h и О являются аморфными (не имеют первичного продукта); - аллель А2 является гипоморфным по отношению к А1; - аллели А и В имеют разные конечные продукты; - ген Н необходим для проявления генов А1, А2, В, О; - фенотип Bombay серологически выражается идентично группе О, но не имеет Аg Н на поверхности эритроцитов. Образование антигенов системы АВО можно выразить следующей схемой: Ген A Ген Н Антиген H Ген B Ген O Предшественник S Ген hh Антиген A Антиген B Антиген H Вещество S СООТНОШЕНИЕ ГЕНОТИП - ФЕНОТИП в системе АВО: ГЕНОТИП ФЕНОТИП А1 А2 В А1В А2В О BOMBAY аллели АВО гомозиготы гетерозиготы А1А1 А1А2, А1О А2А2 А2О ВВ ВО А1В А2В ОО Любой генотип АВО 74 аллели Н гомозиготы НН НН НН НН НН НН hh гетерозиготы Нh Нh Нh Нh Нh Нh - СИСТЕМА ГРУППЫ КРОВИ ПО Rh В системе Rh различают фенотипы Rh+ (85%) и Rh- (15%), обусловленные наличием /отсутствием на поверхности эритроцитов антигена D (АgD). В норме в сыворотке нет специфических антител (Аc анти-D), они могут образовываться только в результате контакта с АgD у лиц Rh-. На хромосоме 1 существует три локуса, передающиеся сцепленно (D,С,Е), и каждый имеет несколько аллелей. Таким образом, у каждого человека есть по два гаплотипа (чаще встречаются Сdе\сdе и СDе\Сdе), расположенных на гомологичных аутосомных хромосомах. Ген D определяет АgD, имеющий самые сильные антигенные свойства и определяет Rh фенотипы. Отношение между аллелями локуса D – по типу доминантности\рецессивности: D, так как ген d является аморфным. Фенотип Rh+ людей генотип может быть DD или Dd; у Rh- людей генотип может быть только гомозиготным dd. Система Rh имеет важное практическое значение, так как она связана с гемолитической болезнью новорожденных детей (ГБНД). Данная патология поражает плод Rh+, у которого мать Rh-, и которая предварительно была иммунизирована против АgD. В этом случае Аc анти-D (типа IgG) переходят от матери к плоду через плацентарный барьер и определяют гемолиз в контакте с АgD плода Иммунизация матери достигается переливанием ей Rh+ крови или переход в ее кровеносную систему антигенов D во время предыдущей беременности. ГРУППА КРОВИ MNSs В этой системе есть несколько фенотипов: MS, Ms, NS, Ns, MNS, MNs, которые определяются двумя парами с одинаковой частотой, (M, N и S, s). Они расположены в очень близких локусах, чем и объясняется сцепленная наследуемость. Гены М и N являются кодоминантными, а гены S и s находятся в доминантно – рецессивном взаимодействии. Знание этой системы важно, в основном, для судебной медицины. ГРУППА КРОВИ СИСТЕМЫ Xg Различают два фенотипа Xg(a+) и Xg(a-) , которые определяются присутствием или отсутствием Ag Xg на поверхности эритроцитов. Генотипы определяются 2 аллелями: Xg(a+) (доминантным) и Xg(a-) (рецессивным), расположенными на Х хромосоме; женский пол гомоили гетерозиготен; мужской – гемизиготен. Связь между генотипом и фенотипом следующая: - у женщин: Xg(a-)Xg(a-) Xg(a-); у мужчин: Xg(a-)Y Xg(a-) Xg(a+)Xg(a+) Xg(a+) Xg(a+)Y Xg(a+) Xg(a+)Xg(a-) Xg(a+) B. СЕКРЕТОРНЫЕ ГРУППЫ Фенотипы секретор и несекретор, определены наличием или отсутствием в выделениях (моче, желудочном соке, слюне, молоке, поте, сперме) антигенов системы АВО и Le. Генотипы образуются сочетанием двух аллелей Se (доминантного) и se (рецессивного), расположенных на хромосоме 19. Продукт гена Se определяет преобразование жирорастворимых Ag эритроцитов в водорастворимые Ag, которые выделяются через секреты. Связь генотип-фенотип следующая: - SeSe и Sese секреторы (78%) - sese несекреторы (22%). C. ГРУППЫ СЫВОРОТКИ КРОВИ И ГРУППЫ ФЕРМЕНТОВ Фенотипы данных групп определяются наличием структурных белков или ферментов в сыворотке или на поверхности эритроцитов в многочисленных формах и комбинациях выраженный полиморфизм. Каждый индивидуум имеет определенную белковую структуру, детерминированную генетически, стабильную на протяжении всей жизни, что и определяют его биологическую индивидуальность. Гаптоглобины - это альфа-2 глобулины, определяющие фиксацию и рециркуляцию гемоглобина. Возможные фенотипы: Hp 1-1; Hp 1-2; Hp 2-2. Они детерминированы 2 кодоминантными аллелями: Hp-1 и Hp-2, расположенными в хромосоме 16. 75 Трансферины - это β–1- глобины, определяющие фиксацию и транспорт тяжелых металлов (Fe, Cu и др.):. Сушествует 14 разных фенотипов, контролируемых несколькими кодоминантными аллелями, из которых, чаще встречаются TfC, TfD, TfB. Система Gc (GROUP SPECIFIC COMPONENT) – α-2 глобулины, в данной системе есть 3 фенотипа - Gc 1-1, Gc 1-2, Gc 2-2, контролируемые 2-мя кодоминантными аллелями Gc-1, Gc2. Система имеет значение как маркер в изучении популяций. Иммуноглобулины представляют собой гамма глобулины с разнообразными фенотипами и контролируются многими аллелями, расположенными в хромосомах 2, 14 и 22. Ферментные группы многочислены и представлены ферментами эритроцитов и плазмы крови,отличаются значительным генетическим полиморфизмом (например: кислая фосфатаза эритроцитов). D. ТКАНЕВЫЕ ГРУППЫ (HLA) Фенотипы в системе тканевых антигенов отличаются чрезвычайным разнообразием и характеризуются наличием на поверхности клеточной мембраны ряда белков с антигенными свойствами, которые имеют структурную или защитную роль, значение в иммунном надзоре, клеточной сигнализации и ряде других важных процессов. Они находятся на поверхности ядерных клеток, эритроцитов, тромбоцитов. Генотипы в этой системе определяются генами, расположенными в коротком плече 6-ой хромосомы близко друг к другу, причем каждый ген представлен несколькими аллелями (A, B, C, D), которые образуют гаплотип и наследуются сцеплено. Система HLA имеет значение в распознавании клеток организма, совместимости при трансплантации и в судебной медицине. E. ВКУСОВАЯ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ Вкусовая чувствительность / нечувствительность – это физиологический признак, определяемый генетически; он характеризуется разным порогом вкусовой чувствительности на сладкое, горькое, соленое, кислое. Тестирование проводится при помощи фенилтиокарбамида (PTC) - вещества с горьким вкусом. В популяции существуют 2 категории лиц: 2/3 населения чувствительны и 1/3 нечувствительна. Кроме того, существуют различия в чувствительности в зависимости от возраста, пола, момента тестирования, расовой принадлежности. Генотипы определяются 2-мя аллелями: G – доминантным и g - рецессивным. Связь генотип-фенотип следующая: GG – чувствительный, Gg - чувствительный, gg - нечувствительный. Наследование некоторых нормальных признаков человека Признак Аллели Хромосома Взаимодействие между аллелями Доминантность / рецессивность DD, Dd dd Rh+ Rh- Генотипы Фенотипы Резус фактор D, d 1 Вкусовая чувствительность G, g ? Доминантность / рецессивность GG, Gg gg Чувствителен Нечувствителен Секретор Se, se 19 Доминантность / рецессивность Группы крови AB0 0, A1, A2, B SeSe, Sese sese 00 A1A1, A1A2, A10 A2A2, A20 BB, B0 Секретор Несекретор 0 (I) A1 (II) A2 (II) B (III) A1B A2B MM MN NN Hp1Hp1 Hp1Hp2 Hp2Hp2 Xg(a+)Xg(a+), Xg(a+)Xg(a-), Xg(a+)Y Xg(a-)Xg(a-), Xg(a-)Y A1B (IV) A2B (IV) M MN N Hp1-1 Hp1-2 Hp2-2 9 Доминантность / рецессивность Кодоминирование Группы крови MN M, N 4 Кодоминирование Гаптоглобины Hp1, Hp2 16 Кодоминирование Группы крови Xg Xg(a+), Xg(a-) X Доминантность / рецессивность 76 Xg+ Xg- НАСЛЕДОВАНИЕ МОНОГЕННЫХ НЕМЕНДЕЛИРУЮЩИХ ПРИЗНАКОВ Большинство нормальных моногенных признаков человека наследуются по законам Г.Менделя и отличаются четким бимодальным проявлением в зависимости от генотипа. В то же время, есть ряд исключений, обусловленных взаимодействием генов друг с другом и со средой. К ним относятся неполная пенетрантность и вариабельная экспрессивность. Кроме того, есть ряд отклонений от законов наследования, которые обусловлены необычными генетическими явлениями: - нестабильностью генов, - геномным импринтингом; - однородительской дисомией, - мозаицизмом; - митохондриальной наследственностью. Пенетрантность представляет собой частоту, с которой ген фенотипически проявляется у гетерозиготных лиц. Пенетрантность может быть полной (все гетерозиготы проявляют доминантный признак) и неполной (только часть гетерозигот проявляет данный признак). Причиной неполной пенетрантности гена является взаимодействие неаллельных генов типа эпистазии, эффекта положения или действие факторов среды. Пример неполной пенетрантности гена В – бомбейский фенотип – в случае рецессивного эпистаза между генами Н и АВО. Экспрессивность отражает степень фенотипического проявления конкретного гена у разных индивидуумов в одной и той же популяции. Причинами вариабельной экспрессивности также являются взаимодействие генов и действие факторов среды. В медицинской практике это явление характеризуется разной степенью проявления клинических признаков и тяжестью протекания болезни. Вариабельная экспрессивность гена полидактилии у гетерозиготных носителей: I-1 шесть пальцев на правой ноге, II-4 по шесть пальцев на руках и на ногах, II-5 – только на ногах, III-4 – на левой ноге, III-5 – на левой руке и ноге III-6 – на обоих руках, III-8 только на правой руке. 77 Нестабильность генов в ряду поколений обусловлена динамическими мутациями. Этот тип мутаций был открыт недавно и связан с увеличением количества тринуклеотидных повторов в проксимальной, а иногда, и внутри кодирующей части структурных генов. Увеличение происходит в ходе последовательных митотических делений клеток-носителей. В зависимости от количества этих повторов различают несколько состояний: - доброкачественные полиморфизмы ДНК; - предмутация – последовательность ДНК становится нестабильной, но не вызывает патологических проявлений на уровне фенотипа; - полная мутация – число повторов переходит пороговое значение, что приводит к патологическим проявлениям. Носители предмутаций фенотипически нормальны. Увеличение количества повторов происходит в гаметогенезе. Для каждого типа повторов существует пороговое значение, переход которого приводит к проявлению нарушений на уровне фенотипа. Таким образом, у родителей число повторов может быть ниже порогового, и они фенотипически здоровы. В результате увеличения количества повторов в гаметогенезе это число может стать больше порогового у детей и привести к патологии (явление антиципации). Геномный импринтинг является генетическим процессом, вовлеченным в регуляцию активности генов, в особенности в пренатальный период. Он связан с контролем дозы генов путем выборочного подавления действия гена материнского или отцовского происхождения. Механизмы геномного импринтинга недостаточно изучены. Предполагают, что одним из механизмов является метилирование ДНК – процесс, связанный с инактивацией генов. Однородительская дисомия – это явление, когда зигота содержит две гомологичные хромосомы одного родительского происхождения. Это происходит в случае нерасхождения хромосом в мейозе у одного из родителей с последующей элиминацией дополнительной хромосомы, полученной от другого родителя. Таким образом, лица с однородительской дисомией наследуют от одного родителя оба алелля для одного признака. Но нормальное развитие организма требует равного участия обоих родителей в формирование признака. Примером однородительской дисомии у человека являются синдромы Прадера-Вилли и Энгельмана, которые импринтингом гена Snrpn, локализованным в хромосоме 15: 15q11-13. 78 обусловлены геномным ПОЛИГЕННЫЕ ПРИЗНАКИ Полигенные признаки контролируются несколькими неаллельными генами, которые действуют независимо друг от друга (нет взаимодействий типа доминантности/ рецессивности или эпистаз) и, как правило, имеют незначительный количественный аддитивный эффект. Полигенные признаки в популяции имеют непрерывное распределение, по Гауссу; нет резко отличающихся форм признака, специфичных для моногенных признаков. Каждый индивидуум популяции отличается, почти незаметно, ото всех остальных. Экспрессия полигенных признаков может измениться под воздействием факторов среды, поэтому они называются мультифакториальными. Примеры полигенных нормальных признаков: пигментация кожи, рост, масса тела, умственная способность, дерматоглифы и др. Цвет кожи зависит от множества факторов: толщины и прозрачности эпидермиса; состояния кровообращения на уровне сосудов кожи; количества пигмента – меланина и его распределения (самый важный фактор). Количество меланина в коже определено 2-6 парами генов. Модель наследования пигментации кожи представлена на рисунке. Каждый доминантный аллель (А,В,С) определяет синтез определенного количества меланина, а рецессивные (а,в,с) являются аморфными (неактивными). Количество меланина, и в результате – интенсивность пигментации, зависит от суммы доз доминантных генов, а феномен называется аддитивной полигенией (кумулятивная полигения или полимерия). СЦЕПЛЕННОЕ НАСЛЕДОВАНИЕ. ГЕНЕТИЧЕСКИЕ КАРТЫ Геном клетки включает две системы генов с различной организацией и разным механизмом наследования: ядерный геном и митохондриальный геном. В ядрах клеток человека содержатся 70-80000 генов, которые расположены по длине 46 молекул ДНК, что соответствует 46 хромосомам диплоидного набора. Каждая хромосома содержит в среднем 2000 генов. Гены на хромосоме расположены линейно, один за другим, и разделены некодирующими последовательностями (сателлитная ДНК, спейсеры). Гены одной хромосомы передаются от поколения поколению блоком, феномен называется сцепленное наследование. Каждая хромосома представляет одну группу сцепления. Митохондриальный геном организован в виде кольцевой ДНК, содержит 37 генов, которые расположены компактно и передаются по материнской линии. У человека 25 групп сцепления: 22 группы аутосом (гомологичные хромосомы имеют одинаковые группы сцепления); 1 группа сцепления Х хромосомы; 1 группа сцепления У хромосомы; 1 группа - митохондриальные гены. Феномен сцепления проявляется только в отношении генов одной хромосомы, в то время когда гены, расположенные на разных хромосомах, наследуются независимо, по законам Менделя. Изучение механизмов наследования показало что не всегда гены одной группы сцепления передаются сцеплено. Исключение объясняется возможностью рекомбинации гомологичных хромосом – кроссинговером, который возможен в мейозе. Во время кроссинговера происходит реципрокный обмен аллелями между хромосомами одной пары – гомологичными хромосомами. 79 Частота кроссинговера является разной для различных локусов, варьирует от 0% до 50% и коррелирует с расстоянием между генами. При показателях свыше 50% уже происходит не рекомбинация, а независимая сегрегация. На основании наблюдений установлено, что между генами, которые расположены очень близко друг к другу, возможность образования хиазмы и соответственно кроссинговера является малой, а между генами, расположенными дальше друг от друга возможность кроссинговера возрастает до 50%. Таким образом, определение частоты генных рекомбинаций в % является критерием для определения локализации генов на хромосоме и, соответственно, составления генетических карт. Генетические карты составляются на основании феномена сцепления, кроссинговера, линейного расположения генов на хромосоме. Эти карты отражают относительное расположение генов, которые образуют различные группы сцепления (1% кроссинговера = 1сМ (сантиМорганида)). В настоящее время, благодаря методам молекулярной генетики, были разработаны физические карты хромосом: точное расположение генов на хромосоме; длина генов и расстояние между генами указаны в парах нуклеотидов. Определение групп сцепления генов и феномена сцепления признаков очень важно в медицинской генетике. Прослеживается совместная передача определенных нормальных и патологических признаков. Нормальный признак служит маркером (указателем) патологии, и это особенно важно для болезней, которые проявляются позже с возрастом. Примерами групп сцепления могут быть: гены Rh и эллиптоцитоза; гены АВО и xeroderma pigmentosum (ХМ); гены групп крови Duffu и врожденной катаракты; гены групп крови Lutheran, секреторного статуса и миопатии; гены группы МNSs и dentinogenesis imperfecta–1 (DI-1); гены группы крови Xg и дальтонизма (Dalt); и.т.д. 80 ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ И ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ ИЗУЧЕНИЯ НОРМАЛЬНЫХ НАСЛЕДСТВЕННЫХ ПРИЗНАКОВ (МОНОГЕННЫХ И ПОЛИГЕННЫХ) Теоретическое значение: демонстрирует достоверность законов Менделя у человека; позволяет изучить генетические функции (синтез белков – ферментов); позволяет выявить у человека генетические феномены, известные для др. видов (химеры, двойное оплодотворение, генетическая рекомбинация, нерасхождение хромосом в мейозе); увеличивает возможности исследования локализации генов в хромосоме и составления “генетических карт” (использования нормальных признаков в качестве маркеров, анализа сцепления нормальных генов, детерминирующих группу сцепления, а также и других генов, нормальных или анормальных); освещение некоторых аспектов популяционной генетики. Практическое значение: тест идентификации личности; каждому индивидууму свойственна уникальная специфическая комбинация нормальных наследственных признаков = биологическая индивидуальность; примеры: уникальные дерматоглифы, специфическая комбинация иммуноглобулинов (HLA); установление совместимости между донором и реципиентом (группы крови для переливания крови; тканевые группы, группы крови – для трансплантации); экспертиза родственных связей и для установления отцовства; установление моно- и дизиготности близнецов (у монозиготных близнецов конкордантность по моногенным признакам 100%, по дерматоглифам 95 %); связь с различными болезнями; патогенез гемолитической болезни новорожденных = несовместимость матери и плода по резус фактору (Rh); диагностика некоторых заболеваний посредством изучения сцепления аномальных генов с определенными нормальными генами (пример: эллиптоцитоз, локус которого сцеплен с локусом Rh –фактора); соотношения между системой HLA и предрасположенностью или резистентностью к определенным болезням; наличие некоторых модификаций дерматоглифов при некоторых хромосомных аномалиях (пример: при синдроме Дауна – единая поперечная ладонная складка, главный, осевой, трирадиус tI или tII , преобладание ульнарных петель; при синдроме Тернера сумма пальцевых гребней больше (повышен гребневой счет), аксиальный трирадиус расположен дистально и др). 81 ИЗУЧЕНИЕ НАСЛЕДСТВЕННЫХ ПРИЗНАКОВ Наследственные нормальные и патологические признаки характеризуются моногенным, полигенным или мультифакториальным детерминизмом. Как правило, генетический детерминизм признаков определяется в момент образования генотипа индивидуума при оплодотворении. Таким образом, наследственные признаки имеют ряд особенностей, что отличает их от ненаследственных: - образуются до рождения (пренатально); - являются врожденными; - характеризуются генеалогическим наследованием; - являются семейными; - являются конкордантными у монозиготных близнецов; - ассоциируются с генетическими маркерами; - имеют специфическое распределение в разных популяциях. Но эти критерии, в отдельности, не имеют абсолютного значения, поскольку некоторые из них могут встречаться и у ненаследственных признаков; когда несколько критериев ассоциируют вместе, это, как правило, подчеркивает наследственную природу признака. ОСОБЕННОСТИ НАСЛЕДСТВЕННЫХ ПРИЗНАКОВ 1. Генетический детерминизм Каждый наследственный признак является результатом взаимодействия генотип . факторы среды. Наследуемый ген (или гены) определяет проявление фенотипического признака посредством: - синтеза определенного белка (элементарный признак); - реализации специфической функции белка на уровне клетки / ткани; - появления признака (нормального или патологического) на организменном уровне – фенотипический признак. 2. Пренатальный детерминизм Генетическая конституция каждого организма определяется в момент образования зиготы, а фенотип формируется при дифференцированной экспрессии унаследованных генов (видовые признаки, нормальные индивидуальные признаки, аномалии). Наследственные признаки определены до рождения, но могут проявиться в разные периоды онтогенеза. Но в пренатальном периоде органогенез может быть нарушен факторами среды, образуя ненаследственные тератогенные аномалии развития (фенокопии). 3. Врождённое проявление Представляет собой наличие признаков или болезни от рождения. Большинство наследственных признаков и болезней обнаруживаются при рождении, но есть и исключения, когда они проявляются в определённом возрасте: раннем детстве или позже (например: гиподонтия – недоразвитие зубов, миопатия, хорея Гентингтона и др.). Бывают и ненаследственные болезни с врождённым проявлением (например: фетопатия при краснухе у матери). 4. Генеалогическое наследование Генеалогическое наследование представляет собой унаследование признака от родителей и его передача потомкам. Хорошо известно, что наследственные признаки и болезни передаются от одного поколения к другому, однако есть и такие, которые не передаются по наследству, либо изза смерти больных в раннем возрасте, либо вследствие бесплодия (пример: синдром Морриса – тестикулярная феминизация). Существуют также и ненаследственные болезни, которые могут передаваться от одного поколения к другому (пример: передача от матери ребёнку сифилиса, СПИДа и др.). 82 Изучение генеалогического наследования очень важно в определении наследственной природы какого-то признака или болезни, поскольку наследование этих признаков осуществляется по определённым правилам (пример: законы Менделя), в то время как ненаследственная передача имеет случайный характер и зависит от условий среды на данный момент. 5. Семейное распределение В некоторых случаях частота встречаемости патологического признака у близких родственников одной семьи повышена в сравнении с частотой характерной для популяции в целом (тест семейного концентрирования, накопления). Для большинства наследственных болезней характерно внутрисемейное распределение, хотя существуют наследственные болезни и со спорадическим возникновением (например, хромосомные аберрации, которые возникают внезапно и как обычно, не передаются по наследству. Существуют и ненаследственные болезни, которые характеризуются семейным распределением, в случаях, когда члены семьи подвержены воздействию одинаковых условий среды (пример: эндемический зоб, туберкулёз, интоксикации, инфекции и т.д.). 6. Спонтанное возникновение болезни Возникновение болезни обусловлено неизвестными причинами. Каждый случай наследственной болезни возникает впервые в связи с появлением новой мутации. Спонтанные мутации возникают в популяциях постоянно с разной частотой (чаще или реже). Каждая наследственная болезнь характеризуется определённой частотой мутации. Внутрисемейные болезни передаются из поколения в поколение, начиная с момента первого случая, возникшего спонтанно в отдалённом ряду поколений. Существуют, однако и некоторые наследственные аномалии, которые проявляются только при воздействии определённых факторов среды (например: при дефиците глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы – наблюдается гемолиз, обусловленный попаданием в организм некоторых веществ окислителей, лекарств или пищевых компонентов). 7. Идентичность признака у монозиготных близнецов Моногенные признаки с полной (100%) наследственной зависимостью всегда идентичны у монозиготных близнецов (100% конкордантность). В случаях, когда конкордантность является правилом, а дискордантность исключением, признаки являются частично контролируемыми наследственностью (мультифакториальные). В случае экологических признаков, конкордантность равна дискордантности и у монозиготных близнецов. 8. Наличие хромосомных аномалий. Все нарушения, которые сопровождаются изменением числа хромосом или их структурными изменениями (обнаруживаемыми при кариотипировании), являются, само собой разумеется, генетическими (наследственными) аномалиями; но не все наследственные болезни обязательно сопровождаются хромосомными аномалиями. Так, наследственные болезни, возникающие при генных мутациях, не могут быть выявлены путём кариотипирования, поскольку в этом случае мутация затрагивает один или несколько генов, вызывая изменения на молекулярном уровне. Итак, нормальный кариотип не исключает существование каких-либо наследственных патологических признаков. 9. Привязанность к генетическим маркерам Каждый фенотипический наследственный признак (нормальный или патологический) может быть маркирован, то есть привязан к какой-то последовательности ДНК; которая либо представляет собой целый ген, либо микросателлит и даже сайт рестрикции. Этот маркер, как правило, характерен для определённой семьи. Привязанность маркера к соответствующему гену объясняется следующим: - гены передаются сцепленно (например: взаимосвязь Rh – эллиптоцитоз); - определённый ген благоприятствует возникновению некоторых форм патологии (взаимосвязь генов HLA – В 27 анкилозирующий спондилёз). 83 10. Различная частота признака в разных популяциях. Некоторые наследственные признаки имеют разную частоту встречаемости в генетически разных популяциях. Это объясняется накоплением определённых генов в данных популяциях. Например: - недостаток Г6ФД или некоторые гемоглобинопатии, как серповидноклеточная анемия встречаются чаще в зонах распространения малярии, поскольку гетерозиготы по данной патологии являются устойчивыми к малярийному паразиту; - в человеческих изолятах (территориальных, этнических или религиозных), при родственных браках возрастает частота мутантных генов. Только совокупность вышеперечисленных критериев позволяет определить наследственную природу определённого признака. Эти критерии в отдельности не имеют практического значения. МЕТОДЫ ИЗУЧЕНИЯ В ГЕНЕТИКЕ ЧЕЛОВЕКА Для определения наследственной природы признаков у человека, используются разные методы в зависимости от поставленной цели: – молекулярно-генетические методы и цитогенетические методы для анализа наследственного материала и выявления мутаций; анализа генетических маркеров; – биохимические методы для анализа первичного генного продукта (белка) и выявления дефектов метаболизма; – генеалогический метод для анализа передачи нормальных и патологических признаков в семье; – близнецовый метод для определения доли наследственных факторов и факторов среды в формировании нормального или патологического признака; – популяционно-статистический метод для определения генетической структуры популяции. Молекулярно-генетические методы Молекулярно-генетические методы основаны на технологии рекомбинантной ДНК и включают разные техники изучения нуклеотидной последовательности ДНК и генной экспрессии на уровне мРНК. Методы целенаправленны на выявление: - нормальных или мутантных генов, ответственных за определенный признак; - генных изменений, связанных с определенным фенотипом; - некоторых особенностей организации ДНК, которые ассоциируют с определенными аномалиями генетические маркеры (мини– и микросателлиты, сайты рестрикции, метилирование ДНК и др.) - экспрессии генов (уровень экспрессии, тканеспецифичность экспрессии, экспрессия в разные периоды онтогенеза). В зависимости от цели исследования возможно использовать различные методы, основанные на техниках: - секвенирования ДНК; - ПЦР; - Southern-blot и др. Анализ нуклеиновых кислот является важным для: - выявления носителей генных мутаций; - пренатальной и постнатальной диагностики генных болезней; - выявления генов предрасположенности к болезням; - анализа родства (материнство/отцовство); - анализа биологической принадлежности (в криминологии); - выявления чужеродной ДНК (РНК) в диагностике инфекций. 84 На схеме показаны: А. семья в двух поколениях, где оба родителя здоровы и имеют 5 детей, из которых 2 проявляют клинические симптомы ФКУ (фенилкетонурия, аутосомно-рецессивная болезнь); В. результаты электрофореза продуктов ПЦР всех членов семьи: I-1, I-2, II-3, II-5, - являются гетерозиготными (Na), II-2 и II-4 являются гомозиготными по патологическому рецессивному аллелю (аа), а II.1 является гомозиготным по доминантному нормальному аллелю (NN). Цитогенетические методы Цитогенетические методы включают различные техники микроскопического анализа хромосом на уровне клетки: - анализ метафазных и прометафазных хромосом (кариотипирование); - молекулярно-цитогенетические тесты на интерфазных хромосомах (FISH, мFISH, SKY). - тест Барра для анализа Х-полового хроматина; - тест F для анализа Y-полового хроматина. Кариотипирование представляет анализ набора хромосом соматической клетки в процессе деления для определения количества, формы и величины хромосом, используя разные методы окраски / визуализации. Т.о., анализ метафазных или прометафазных пластинок позволяет выявить различные аномалии количества или структуры хромосом, которые вызывают плюримальформативные синдромы, неоплазии, нарушения половой дифференциации. Анализ интерфазных хромосом, основанный на технике гибридизации in situ, позволяет определить субмикроскопические хромосомные аномалии (микроделеции и микродупликации) или определить позицию генов на хромосоме. Тест полового хроматина используется для диагностики хромосомных синдромов в которые вовлечены гоносомы Х и определения генетического пола. Х-половой хроматин (тельце Барра) может быть легко визуализирован на цитологических препаратах в интерфазе (количество Ххромосом в анализируемой клетке = количеству телец Барра + 1 хромосома). Биохимические методы Спектр биохимических методов предполагает анализ первичного генного продукта (белка), а также и метаболитов, контролируемых соответствующим белком. Используются методы качественного или количественного анализа, специфичные для определенного типа метаболитов. Биохимические методы показаны для: - изучения и диагностики моногенных болезней (особенно энзимопатий); - изучения и диагностики мультифакториальных болезней (общие болезни взрослого); - выявления предрасположенности к болезням - изучения эволюции патологического процесса; - определения эффективности лечения и т.д. К примеру, при электрофорезе белков плазмы крови можно выявить индивидуальный полиморфизм и определить генетическую конституцию человека (генотип гомозиготный или гетерозиготный по данному признаку). Генеалогический метод Одна из особенностей наследственных признаков это их семейное накопление и передача из поколения в поколение. Генеалогический метод предусматривает семейный анализ, выявление индивидуумов с определенным признаком и прослеживание признака в нескольких поколениях. Это является очень важным для определения типа передачи признака и расчета вероятности проявления наследственного признака у потомков определенной пары родителей. Генеалогический анализ реализуется в несколько этапов: - семейный анамнез; - семейный анализ; - составление родословной; - анализ типа передачи признака; - определение генотипа членов изучаемой семьи и расчет вероятности (риска) проявления определенного фенотипа у потомков; 85 генетическое консультирование. Семейный анализ является первым шагом в получении информации о наличии определенного признака в семье. Как правило, информация собирается от пробанда (рrinceps propositus - первичный случай, человек который обращается в медико-генетическую консультацию). Данные анализа заполняются в специальных анкетах для медико-генетического консультирования и дополняются данными семейного анамнеза. Семейный анализ включает: - опрос родственников пробанда (как минимум 2-3 поколений); - клинический и параклинический анализ пробанда и родственников пробанда (если анализируется патологический признак, исследованию подвергаются и здоровые и больные члены семьи); - анализ индивидуальных медицинских карточек и листов; - генетическое тестирование (в зависимости от случая – кариотип, половой хроматин, анализ ДНК, анализ сцепления с маркерами и т.д.). Вся полученная информация с одной стороны составляет или дополняет семейный анамнез, а с другой стороны уточняет тип аномалии или болезни (точный клинический диагноз). Анкеты медико-генетического консультирования включают следующие сведения: (а) если пробанд детского возраста: эволюция беременности, острые или хронические болезни у матери и прием во время беременности лекарств, контакт с мутагенными или терратогенными факторами; возраст родителей; степень родства между родителями; протекание родов (срок, продолжительность, акушерская помощь); новорожденные – вес, рост, баллы по шкале Апгар; постнатальное развитие. (в) если пробанд взрослый: эволюция пубертантности, репродуктивная функция (нормальная или нарушенная: бесплодие, спонтанные аборты, мертворожденные или новорожденные с мальформациями); место работы, контакт с токсическими веществами. Семейный анализ очень важный этап в дифференциации ненаследственной врожденной аномалии от ненаследственной патологии. Составление родословной. Родословная или генеалогическое древо это графическое изображение результатов семейного анкетирования и используется для определения типа наследования, если признак наследственный. Определение типа наследования признака, когда признак – наследственный, осуществляется в соответствии с критериями распознавания (наличие признака в каждом поколении или прерывистость в передаче; пропорции наличия признака у двух разных полов). Передача может быть моногенной или полигенной, аутосомной или сцепленной с половыми хромосомами, может быть определена доминантными или рецессивными аллелями. В зависимости от типа передачи, определяется генотип нормальных и больных членов семьи, рассчитывается риск (вероятность проявления анализируемой аномалии у потомков). Результаты генеалогического анализа являются основой медико-генетического консультирования в целях: - объективной информированности семьи; - планирования семьи; - определения возможности пренатальной диагностики для предупреждения рождения детей с мажорными аномалиями; - предупреждения проявления осложнений в случае болезней с поздним проявлением у взрослых. - Близнецовый метод При сравнительном анализе признаков у монозиготных и дизиготных близнецов можно выявить конкордантность или дискордантность, которые дают возможность установить долю генетических факторов и факторов среды в проявлении анализируемого фенотипа. Монозиготные близнецы (МЗБ) развиваются из одной зиготы и являются идентичными генетически. Как правило, МЗБ, у которых идентичный генотип имеют и схожие фенотипы (конкордантность), но отличаются по признакам, подвергающимся влиянию факторов среды (дискордантность). Дизиготные близнецы (ДЗБ) развиваются из двух разных яйцеклеток оплодотворенными двумя разными сперматозоидами и генетически различаются. По одним признакам ДЗБ могут быть конкордантными, а по другим дисконкордантными. 86 Для определения доли генетических факторов и факторов среды в образовании признака, рассчитывается или определяется коэффициент наследственности (Н): H КонкордантностьМЗБ - КонкордантностьДЗБ x100% 100% - КонкордантностьДЗБ Конкордантность МЗБ или ДЗБ это процент схожести по определенному признаку у определенного количества пар близнецов (статистически достоверные результаты). В зависимости от значения Н судят о влиянии генетических и средовых факторов на развитие признака. Например, если значение Н близко к 0, считают что развитие признака обусловлено только факторами внешней среды. При значении Н от 100% до 70% - наследственные факторы имеют доминирующее значение в развитии признака или болезни, а среднее значение Н от 70% до 40% свидетельствует о том, что признак развивается под действием факторов внешней среды при наличии генетической предрасположенности. Признак Пол ABO Дерматоглифы Ревматизм Сахарный диабет Конкордантность МЗБ (%) 100 100 95 60 30 Конкордантность ДЗБ (%) 58 65 60 34 16 H (%) Тип признака 100 100 88 40 17 Наследственный Наследственный Наследственный Мультифакториальный Экологический В настоящее время близнецовый метод в генетике человека используется в сочетании с другими методами, которые помогут ответить на такие вопросы как: влияние генетических и средовых факторов на продолжительность жизни человека, развитие одаренности, чувствительности к лекарственным препаратам и др. Популяционно-статистический метод Популяционно-статистический метод является методом генетики человека, который изучает частоту генов и генотипов в различных популяциях. Популяция – это группа людей, которая имеет общих предков, общий генофонд, живет на определенной территории, и имеет общие обычаи и традиции. Человеческая популяция характеризуется постоянством генофонда на протяжении поколений, является сбалансированной («идеальная популяция»). Условия сохранения генного равновесия в популяции следующие: – популяция должна быть большой, – браки носят случайный характер (панмиксия) – отсутствуют мутации данных генов (очень редко или одинаково часто). – отсутствует миграция генов из популяции или приток генов в популяцию. – аллельные гены одинаково влияют на способность к размножению; – нет отбора в пользу одного из генотипов. Закон Харди-Вайнберга В случае наследования монофакториальных признаков: 1. Соотношение аллелей, контролирующих один признак, является постоянным на протяжении поколений; 2. Соотношение генотипов по данной паре аллелей также является постоянным на протяжении поколений. Учитывая то, что определенный признак детерминируется парой аллельных генов – одним доминантным, другим – рецессивным, используются следующие обозначения: p – частота доминантного гена q – частота рецессивного гена Существует вероятность, что локус данного признака может быть занят в одинаковой мере доминантным аллелем или рецессивным аллелем, что выражается уравнением: p+q = 1 (100%) 87 Например – моногенное рецессивное аутосомное заболевание. Аллели а; N частота гена а = q частота гена N = p, р+q = 1 Соотношение генотипов определяется уравнением: (p+q)2 = p2 + 2pq +q2 = 1 Генотипы аа, аN, NN определяют результат вероятностного соответствующих генов. a (q) N(p) a (q) aa (q2) aN (pq) комбинирования N (p) aN (pq) NN (p2) В итоге: Частота генотипа NN = р2 Частота генотипа Nа = 2pq Частота генотипа аа = q2 Где р2 + 2рq + q2 = 1 (100%) представляет всю популяцию Факторы, которые вызывают нарушения частоты генов и генотипов в популяции, нарушают генетическое равновесие Харди-Вайнберга: – мутации; – поток генов (миграция) – предпочтительное внесение аллелей в популяцию (частота генов у иммигрантов отличается от частоты генов популяции, в которую иммигранты внедрились; – отбор (естественный и искусственный); – выборочные (ассортативные) браки; – кровное родство (браки между родственными лицами); – дрейф генов – в маленькой популяции незначительное событие может привести к исчезновению гена или закреплению определённых генов в популяции. Популяционно-статистический метод используется для изучения генофонда популяции, определения частоты мутантных аллелей, определения частоты носителей мутантных генов и болезней. Статистические данные могут быть использованы в планировании работы медицинских учреждений для планирования мероприятий по профилактике наследственных болезней. 88 МЕДИКО-ГЕНЕТИЧЕСКОЕ КОНСУЛЬТИРОВАНИЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ Медико-генетическое консультирование – это один из видов специализированной и комплексной медицинской помощи, которая дает возможность получения необходимых сведений о вероятности проявления и передачи в ряду поколений наследственной болезни. Медико-генетическое консультирование – это круг обязанностей врача-генетика, направленных на оказание помощи заинтересованным лицам в установлении риска рождения ребенка с наследственной патологией, c объяснением их дальнейшего поведения. Медикогенетическое консультирование, таким образом, выполняет определенную роль в профилактике генетических болезней. После определения и доведения до сведения о вероятном риске, необходимо иметь в виду возможность проведения пренатальной диагностики, а также и прерывания беременности, если предполагается, что риск очень значительный. 1. 2. Необходимость медико-генетического консультирования определяется рядом причин: Различные вещества-загрязнители окружающей среды, случайная профессиональная или диагностическая радиация во время беременности приводят к возникновению мутаций и генетических заболеваний. Из-за роста частоты генетических болезней растет и заболеваемость, смертность новорожденных, детей от генетических болезней. Благодаря вмешательству современной медицины лица с генетическими заболеваниями могут жить до половозрелого возраста и могут передавать эти заболевания потомкам. Пример: использование трансфузий при талассемиях. ПОКАЗАНИЯ ДЛЯ МЕДИКО-ГЕНЕТИЧЕСКОГО КОНСУЛЬТИРОВАНИЯ Медицинское консультирование показано в следующих ситуациях: До брака: Один или оба партнера имеют врожденные аномалии или генетические болезни. Здоровые партнеры, но у одного из них или у обоих имеются близкие родственники с генетическими болезнями (братья, родители, бабушки, дяди, тёти, двоюродные братья). Здоровые партнёры, желающие вступить в близкородственный брак. Лица, случайно подвергшиеся воздействию тератогенных или мутагенных факторов во время лечения. Партнёры, которые поздно вступают в брак или планируют иметь детей позже 35 лет. После брака: Рождение ребенка с врожденным пороком развития или с наследственным заболеванием. Семьи с мертворожденными или повторными спонтанными абортами. Женщины которые принимали: большие дозы медикаментов которые могут отрицательно воздействовать на развитие плода; перенесли инфекционные вирусные заболевания (краснуху). Рентгенография области малого таза, вакцинации. В ОРГАНИЗАЦИОННОМ ПЛАНЕ Медико-генетическое консультирование – структурное подразделение в специализированных центрах медицинской генетики организуется из группы специалистов: генетика, акушера, педиатра, хирурга-педиатра, эндокринолога и др. оснащается оборудованная лаборатория для проведения правильного комплексного диагностического обследования. МЕТОДОЛОГИЯ МЕДИКО-ГЕНЕТИЧЕСКОГО КОНСУЛЬТИРОВАНИЯ ЭТАПЫ - Установление точного клинического и параклинического диагноза (данные биохимические, рентгенографии, эхографии, ЭКГ, ЭЭГ и др.). Установление аутентичности филиации и генетический характер болезни при помощи: 89 Фамильной анкеты, которая дает возможность выявлять как больных, так и носителей патологических (ненормальных) генов на основе анализа генеалогического древа. Генетические исследования (антропометрических изменений, полового хроматина, кариотипа, блот-гибридизация, полимеразной цепной реакции и др.) - Знание данных литературы по специальности в особенности частоты проявления болезни в данной популяции. - Определение текущего риска предполагает использование некоторых новых понятий по определению возможностей. ТИПЫ РИСКА: а. Тотальный риск - 100% при: моногенных болезнях: больной + больной с рецессивными аномалиями; хромосомных болезнях: уравновешенные реципрокные транслокации между гомологичными хромосомами. в. Очень большой риск - 50-75% при моногенных болезнях: - больной + здоровый, гетерозиготный по рецессивной аномалии; - больной + больной по аутосомно-доминантной болезни с большой пенетрантностью (75%). - больной + здоровый по аутосомно-доминантной болезни с большой пенетрантностью (50%); с. Большой риск - 25% при моногенных болезнях: - гетерозигота + гетерозигота по рецессивной болезни. d. Умеренный риск - 10-25% при моногенных болезнях. - доминантные болезни с уменьшенной пенетрантностью. - при полигенных болезнях: - в случае, когда в семье присутствует больше пораженных лиц. - при хромосомных болезнях: - транслокации между разными хромосомами. е. Малый риск - меньше 5% при: - полигенных болезнях: - в ситуации, когда в семье имеется единственное лицо: - аномалии. Риск в 0% не существует. Минимальный риск составляет 3.2%. Медико-генетическая консультация должна уточнить: а) природу и последствия болезни; в) текущий риск; с) средства изменения последствий; d) средства предупреждения последствий (пренатальная диагностика, консультация). Ответ консультанта должен быть ясным, объективным, конкретно по каждому пациенту, сформулированный по психологическому контексту созданного тяжестью уродства, срока его возникновения, срока беременности наличия других нормальных или ненормальных детей, психологического равновесия семьи. Врач должен проинформировать, а не решать. Психологическая сторона медико-генетического консультирования особенно важная. ПРЕНАТАЛЬНАЯ ДИАГНОСТИКА После оказания медико-генетического консультирования можно установить пренатальную диагностику. А. Показания к пренатальной диагностике: 1. Возраст женщины (старше 35 лет); 2. Наличие в семье ребенка с хромосомной аномалией; 3. Наличие у одного из родителей структурной хромосомной аномалии; 4. Наличие в семье генетического заболевания (дефекта), поддающегося биохимическому анализу или анализу ДНК; 5. Наличие в семье заболевания, сцепленного с Х-хромосомой. Б. Методы: 90 а) Анализ клеток зародыша, полученных при: 1. амниоцентезе - примерно на 16 неделе внутриутробного развития; - пункции амниона (трансабдоминально с эхографическим контролем); - экстрагирование определенного количества амниотической жидкости, содержащей клетки плода; 2. пункции ворсинок хориона - на 9-12 недели внутриутробного развития; - аспирация ткани трофобласта из ворсинок хориона, трансабдоминально или через шейку матки. 3. пункции пупочной вены - взятие крови через пупочную вену плода под эхографическим контролем; - размножение клеток плода в течение нескольких дней для хромосомного анализа, анализ ДНК, анализ крови. б) Эхографическое изучение плода позволяет определить срок, многоплодную беременность, жизнеспособность плода, пол, морфологические аномалии. в) Исследование крови матери в период беременности. В) Исследования могут быть; а) цитогенетические; б) биохимические; - уровень альфа-протеина в сыворотке матери повышен, когда у плода имеется дефекты нервной трубки; - уровень свободного эстрадиола в сыворотке матери снижен при синдроме Дауна; - уровень хориального гонадотропина повышен при синдроме Дауна. Эти три биохимические показатели являются тестом, который используется в ранней диагностике некоторых хромосомных аномалий. в) молекулярные исследования, анализ ДНК: - Саузерн-Блот при мышечной дистрофии Дюшенна; - Полимеразная цепная реакция (ПЦР) для муковисцидоза. Г) Неоналатальный скрининг. Объективно: выявление новорожденных с генетическими заболеваниями, последствия которых могут быть предупреждены или облегчены посредством пресимптоматического лечения (раннего лечения). Принципы: а) заболевание должно быть точно установлено, поддаваться лечению, встречаться с высокой частотой в популяции; б) тест должен быть быстрым (экспресс тест), дешевым, точным, широко применимым; в) обследование должно включать: быстрый и окончательный диагноз, срочное лечение, генетическое консультирование. При неонатальном скрининге обычно выявляют болезни с высокой популяционной частотой и для которых есть шансы коррекции. Примерами могут быть: – Фенилкетонурия (ФКУ) – Галактоземия. – Врожденный гипотиреоз. – Муковисцидоз. Фенилкетонурия (ФКУ) Фенотип: умственная отсталость, психомоторное недоразвитие, поведенческие отклонения, судороги. Частота: 1/5000 – 1/16.000 Этиология: аутосомно-рецессивная мутация, ген локализован в участке 12q 22q –q24 Молекулярный дефект: дефект фенилаланин-гидроксилазы. Патофизиология : фенилаланин или его производные вызывают отклонения ЦНС. 91 Лечение: - диета без фенилаланина в первые годы жизни; - ограничение фенилаланина на протяжение всей жизни. Тест для выявления ФКУ у новорожденных: - в моче – фенилпировиноградная кислота входит в реакцию с хлористым железом в течение нескольких секунд с получением зеленой окраски; - в крови – малое количество фенилаланина добавленное в среду с культурой которая предварительно была подавлена бета-2-тиниламином, в результате это подавление исчезает. 92
