К некоторым вопросам общей и медицинской генетики
реклама
Государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Ставропольский государственный медицинский университет» Министерства здравоохранения Российской Федерации КАФЕДРА БИОЛОГИИ М.Г. Гевандова, А.Б. Ходжаян, Н.Н. Федоренко, Т.С. Николенко УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ ДЛЯ СТУДЕНТОВ I КУРСА Ставрополь 2015 УДК: 575. 191. 057. 875 (07.07) ББК 28. 04 я 73 К 11 Гевандова М.Г. К НЕКОТОРЫМ ВОПРОСАМ ОБЩЕЙ И МЕДИЦИНСКОЙ ГЕНЕТИКИ: учебное пособие для студентов первого курса лечебного, педиатрического, стоматологического факультетов СтГМУ / М.Г. Гевандова, А.Б. Ходжаян, Н.Н. Федоренко, Т.С. Николенко – Ставрополь: Изд-во СтГМУ. – 2015 – 97 с. Настоящее пособие дает возможность в кратком курсе изучения биологии в медицинском вузе составить четкое современное представление студенту первого года обучения о некоторых фундаментальных и прикладных положениях, касающихся, в частности, строения хромосом и организации кариотипа человека; медицинского и экологического аспектов генетики человека. Разделы пособия соответствуют последовательности изучения предмета на кафедре биологии Ставропольского государственного медицинского университета. Рецензенты: Мануйлов И.М., профессор кафедры ботаники, зоологии, общей биологии Северо-Кавказского федерального университета, доктор ветеринарных наук. Радцева Г.Л., зав. кафедрой гистологии Ставропольского государственного медицинского университета, доцент, кандидат медицинских наук. УДК: 575. 191. 057. 875 (07.07) ББК 28. 04 я 73 К 11 Рекомендовано к печати редакционно-издательским советом СтГМУ. © Ставропольский государственный медицинский университет, 2015 1 ВВЕДЕНИЕ Уже давно ни у кого не вызывает сомнения необходимость биологической образованности врача любой специальности. При всей сохраняющейся и по сей день сложности объяснения природы человека он часть природы, существующей на нашей планете, а вместе с ней - и часть мироздания. Естественно и то, что он подчиняется общим принципам состава и структуры живых организмов, их развития и управления основными функциями, что не умаляет его уникальности, как и любого другого биологического вида. Нормальное функционирование человеческого организма возможно при условии сохранения в нем гармонии общебиологического и уникального. Поэтому студент уже первого курса должен владеть основами той информации, которая, во-первых, позволит ему составить соответствующее современным положениям науки представление о материальных основах жизни и, во-вторых, определить основные формы и направления взаимоотношения человека с окружающим его миром. Кроме того, у студента должно быть четко сформировано понимание и конкретное знание того, что фундаментальные положения биологии являются основой медицинского аспекта науки о человеке. Непосредственная задача этого учебного пособия: изложить предлагаемый материал наиболее информативно, в соответствии с современными научными данными; частично показать, в каких областях медицины используются сведения, представленные в разделах пособия; расположить материал в соответствии с организацией учебного процесса на кафедре, что облегчит студенту усвоение учебной программы. 2 СТРОЕНИЕ И ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ ХРОМОСОМ ЭУКАРИОТИЧЕСКОЙ КЛЕТКИ Одним из ключевых вопросов генетики является вопрос о строении и особенностях функционирования материальных носителей наследственности. Последние имеют три основных уровня организации: генный, хромосомный, геномный. Раздел генетики, который изучает химическую организацию, строение, значение и функционирование хромосом, называется цитогенетикой. Для медико-биологического образования особый интерес представляет цитогенетика человека, объектом изучения которой являются хромосомы человека. В истории развития этого раздела генетики можно выделить три периода, переходящих друг в друга. Начало первого периода приходится на конец прошлого столетия. Можно сказать, что цитогенетика человека началась с работ Арнольда (1879) и Флемминга (1882), которые первыми наблюдали хромосомы человека. Начало второму периоду было положено шведскими цитологами Тио и Леваном (1956), которые, применив колхицин, модифицировали методику получения метафазных пластинок хромосом и убедительно доказали, что в норме клетка человека содержит 46 хромосом. Вскоре эти данные были подтверждены и другими цитогенетиками. Начиная с 1956 года, цитогенетика человека получает бурное развитие. В этот период разрабатываются все основные методы хромосомного анализа, появляются фундаментальные работы по кариотипу человека. Третий период в развитии цитогенетики начинается в 70-х годах. Его по праву можно считать началом современного этапа в развитии науки о цитологических основах наследственности человека. К этому периоду стало возможным изучение индивидуальных особенностей хромосом человека и их отдельных участков. Появились сведения о надмолекулярной организации хромосом, стали создаваться их генетические карты. Строение хромосом на микроскопическом уровне Хромосомы как отдельные структуры становятся доступными для исследования только после значительной конденсации хроматина, которая наступает во время митоза (в соматических клетках) либо во время 3 мейоза (при образовании половых клеток). Начавшаяся в профазе конденсация хроматина заканчивается в метафазе, поэтому, как правило, хромосомы изучаются на стадии метафазной пластинки. В интерфазе хромосомы находятся в деконденсированном состоянии, и определить их как отдельные структуры не представляется возможным. В метафазе каждая хромосома имеет как бы иксобразную форму и состоит из двух идентичных половин - хроматид (сестринских хромосом), тесно прилежащих друг к другу только в области первичной перетяжки (центромеры), а на остальном протяжении между хроматидами видна большая щель. Центромера - это тот участок, где хромосома находится в деконденсированном состоянии, и к ней прикрепляются нити веретена деления. Центромера делит хромосомы на плечи (рис. 1). По положению центромеры выделяют три вида хромосом. 1. Метацентрические, у которых плечи имеют примерно одинаковую длину (т.е. центромера расположена посередине хромосомы). 2. Субметацентрические, у которых центромера смещена от середины, располагается субмедиально и делит хромосому на два плеча неравной длины. Верхнее всегда меньшее. З. Акроцентрические, у которых центромера расположена почти на конце хромосомы, отделяя от длинного плеча очень короткое верхнее плечо. Рисунок 1. Метафазные хромосомы. Верхние короткие плечи принято обозначать буквой "р", а нижние длинные - буквой "q". Характерной чертой для некоторых хромосом является наличие вторичных перетяжек, они возникают в участ4 ках неполной конденсации хромосом и располагаются в околоцентромерных участках 1-й, 9-й и 16-й хромосом. Вторичные перетяжки имеются также в 13-15 и 21 -22-й хромосомах, однако здесь они занимают удаленное от центромеры положение, отделяя небольшой концевой участок короткого плеча хромосом в виде спутника. Эти хромосомы называют спутничными. В этих хромосомах в области вторичной перетяжки сосредоточены гены, кодирующие р-РНК, и в прилежащих участках кариоплазмы образуются ядрышки. Поэтому такого рода вторичные перетяжки называют ядрышковыми организаторами (рис.2). В хромосомных наборах одних людей указанные хромосомы имеют вторичную перетяжку, а в Рисунок 2. Строение хромосомы. этих же хромосомах у других людей её может не быть. Химический состав хромосом Молекулярно-биологические исследования позволили получить представление не только о химической структуре хромосом, но также и об их надмолекулярной организации и особенностях функционирования. В настоящее время известно, что хромосомы представляют собой нуклеопротеидные образования, состоящие из ДНК и белка. Кроме того, в хромосомах присутствует некоторое количество РНК, образующейся при транскрипции, и ионы Са + и Mg+ (рис.3). Каждая хроматида, а в промежутке времени анафаза- S -период интерфазы и хромосома, содержит одну молекулу ДНК, которая определяет все функции хромосомы, связанные с хранением наследственной информации, её передачей и реализацией. 5 Рисунок 3. Химический состав хромосом. Молекула ДНК в хромосомах тесно связана с двумя классами белков - гистонами (основные белки) и негистонами (кислые белки). Гистоны - это небольшие по величине белки с высоким содержанием заряженных аминокислот (лизина и аргинина). Суммарный положительный заряд позволяет гистонам связываться с ДНК независимо от нуклеотидного состава. Им принадлежит в основном структурная функция. Это очень стабильные белки, молекулы которых могут сохраняться в течение всей жизни клетки. В эукариотической клетке присутствуют 5 типов гистонов, которые распределяются на две основные группы: первая группа (их обозначают как Н2А, Н2В, НЗ, Н4) отвечает за формирование специфических дезоксирибонуклеопротеидных комплексов - нуклеосом. Вторая группа гистонов (H1) располагается между нуклеосомами и фиксирует укладку нуклеосомной цепи в более высокий уровень структурной организации (супернуклеосомную нить). Среди гистоновых белков, кроме структурных, встречаются такие, которые способны ограничивать доступность ДНК для ДНК - связывающих регуляторных белков и тем самым участвовать в регуляции активности генов. Негистоновые белки весьма разнообразны. Число их фракций превышает 100. Они присутствуют в меньших количествах в хромосомах в сравнении с гистонами и выполняют в основном регуляторную функцию. Участвуют в регуляции транскрипционной активности генов, в обеспечении редупликации и репарации ДНК. Большинство негистоновых белков хроматина присутствуют в клетках в небольшом количестве (минорные) - это регуляторные белки, 6 узнающие специфические последовательности ДНК и связывающиеся с ними. Они вовлечены во многие генетические процессы, но известно о них пока немного. Количественно преобладают негистоновые белки (мажорные), высокоподвижные, относительно малого размера, с большим электрическим зарядом - они всегда соединяются с нуклеосомами, содержащими активные гены. Кроме того, в группу негистоновых белков входит много ферментов. Надмолекулярная организация хромосом Надмолекулярная организация хромосом называется еще или спирализацией, или конденсацией, или компактизацией. В настоящее время принято три уровня надмолекулярной организации хромосом: первичный, вторичный, третичный. Компактизация ДНК для эукариотической клетки важна по двум причинам: она позволяет не запутать и упорядоченно расположить очень длинные молекулы ДНК в небольшом объеме клеточного ядра и, кроме того, это один из способов функционального контроля генов характер упаковки ДНК влияет на активность некоторых участков генома. Первичный уровень надмолекулярной организации — нуклеосомный (рис.4). Элементарной структурой хромосомы, различаемой с помощью электронного микроскопа, является нить диаметром 10-13 нм, представляющая собой комплекс ДНК и гистоновых белков. Эта нить состоит из гистонового остова (в виде цепочки расположенных друг за другом белковых телец дисковидной формы), поверх которого спирально закручена нить ДНК. Комплекс ДНК и гистонов на уровне одного дисковидного тельца называется нуклеосомой. Она содержит по две молекулы каждого из 4-х типов гистона (Н2А, Н2В, НЗ, Н4), соединенных в форме октамера. ДНК в нуклеосоме лежит поверх октамера, накручиваясь спирально на гистоновый остов. На уровне каждой нуклеосомы ДНК образует 2,3 оборота спирали, что соответствует примерно 200 парам нуклеотидов. Связь между соседними нуклеосомами осуществляется за счет гистона H1. На этот связывающий участок приходится 60 пар нуклеотидов. Формируется нить диаметром примерно 11 нм. Нуклеосома - это универсальная частица, которая обнаруживается как в эухроматине, так и в гетерохроматине, в интерфазном ядре и метафазных хромосомах. 7 Рисунок 4. Уровни надмолекулярной организации хромосом. В случае линейной выпрямляемости, которая едва ли присутствует в живой клетке, образуемая нуклеосомами структура напоминает нитку "бус" и называется нуклеосомной нитью. Благодаря нуклеосомной организации хромосом происходит укорочение исходной длины ДНК в 7раз, т.е. происходит компактизация. Это, видимо, состояние интерфазной хромосомы, ее эухроматиновых участков. Дальнейшая компактизация ДНК в составе хромосом связана с образованием наднуклеосомных структур. Так, вторичный уровень хромосомной укладки ДНК выражается в формировании суперспиральной нити (соленоида), в которой исходная молекула ДНК укорачивается в 40раз. Толщина достигает 30-40 нм. При образовании суперРисунок 5. Строение соленоида. спирали нуклеосомная нить спирально закручивается за счет взаимодействия гистонов HI и НЗ. Не исключено также и участие в этом негистоновых белков (рис. 5). Этот уровень укладки ДНК соответствует, по-видимому, наблюдаемым под световым микроскопом профазным митотическим и мейотическим хромосомам. Или интерфазным, но не транскрибируемым, возможно, участкам хромосом, т. е. гетерохроматиновым. Третий уровень хромосомной укладки изучен менее всего. Существует две модели: в основу первой положен принцип спиральной укладки, в основе второй - строение по принципу складывания петель. В последние годы накоплен многочисленный материал, говоря8 щий о реальности петлеобразных структур в хромосоме и их плотной упаковке в метафазной хромосоме вокруг осевого каркаса, построенного из негистоновых белков. Петлевые структуры, но не плотно упакованные, есть и в интерфазной хромосоме. Вокруг каркаса, как в щеткеерше, располагаются петли суперспиральной нити. Причем концы каждой петли локализуются на одной и той же точке белкового каркаса. Предполагается также, что петли могут скручиваться вокруг своей собственной оси, т.е. метафазную хромосому можно изобразить в виде плотно уложенных соленоидных петель, свернутых в тугую спираль. Типичная хромосома человека может содержать до 2600 петель (рис. 6). Третий уровень укладки - это конденсация профазной хромосомы в метафазную. Толщина такой структуры достигает 1400 нм (две хроматиды), а молекула ДНК при этом укорачивается в I04 раз, т.е. с 5 см растянутой ДНК до 5 мкм. Эта суперспирализация сопровождается фосфорилированием в клетке всех молекул HI. В любом случае ДНК в ядрах эукариотических клеток образует иерархическую систему спиралей и петель, основной единицей которой является нуклеосома. Нуклеосомы, в свою очередь, расположены не везде строго одинаково. Эти малозаметные и малоизученные различия биологически очень важны, т.к., по-видимому, они преимущественно происходят в тех областях хроматина, где находятся активные гены. В S-период интерфазы про9 цесс репликации каким-то образом, как - неизвестно, проходит через нуклеосомы родительской цепи хроматина, которые переходят на одну из дочерних спиралей ДНК. Тогда все новые октамеры гистонов присоединяются ко второй дочерней спирали ДНК, свободной от нуклеосом. Нуклеосомная структура сохраняется и во время транскрипции ДНК, хотя довольно трудно представить себе, как РНК-полимераза может транскрибировать ассоциированную с гистонами ДНК без какихлибо заметных изменений в организации нуклеосомы. Но в клетках эмбрионов насекомых в области активированных генов для р-РНК, повидимому, нуклеосомы отсутствуют. И биохимические отличия между транскрибируемым активным и неактивным хроматином обнаружены. В частности, H1 соединен с нуклеосомами гораздо менее прочно в активном хроматине, и вообще гистоны в этих участках обнаруживают более высокую степень ацетилирования. Продольная организация хромосом Продольная организация хромосом высших организмов, в основе которой лежит взаимосвязь морфологических, химических и функциональных закономерностей, характеризуется линейной неоднородностью. Уже интерфазные хромосомы оказываются глубоко дифференцированными по степени конденсации хроматина, что первоначально было обнаружено с помощью световой микроскопии. Одни их участки становятся деконденсированными (эухроматин), другие остаются конденсированными (гетерохроматин). В метафазных хромосомах подразделение на эти два типа хроматина не исчезает. Оно проявляется в естественном ходе митотической конденсации: в ранней профазе районы гетерохроматина опережают в своей конденсации эухроматиновые участки. Остаточные явления неодинаковой конденсации интерфазной хромосомы обнаруживаются морфологически и в метафазе (в области вторичной перетяжки). Понятие "гетерохроматин" и "эухроматин" в результате цито - генетических исследований получили генетическое содержание. Гетерохроматин в отличие от эухроматина не содержит структурных генов или обеднён ими. В то же время эухроматин - это функционально активный, транскрибируемый хроматин, т.е. структура хроматина оказывает влияние на регуляцию экспрессии эукариотических генов. Подобно митотическому хроматину гетерохроматин не участвует в транскрипции, ДНК в составе гетерохроматина реплицируется в позднем 10 периоде S-периода клеточного цикла. Биохимические основы наблюдаемых различий между гетеро- и эухроматином неизвестны. Некоторые участки хромосом конденсируются в гетерохроматин во всех клетках организма - это конститутивный гетерохроматин. Другие участки хромосом формируют гетерохроматин лишь в определенных клетках - факультативный гетерохроматин. Конститутивный гетерохроматин содержит ДНК, которая, по всей видимости, никогда ни в одной клетке не транскрибируется. В хромосомах человека он локализуется вокруг центромер и легко обнаруживается в митотических хромосомах с помощью специальной окраски, хотя может быть обнаружен и в других районах некоторых хромосом (1, 9, 16, У). Подобное же состояние характерно для сателлитной ДНК и ДНК с высокоповторяюшимися последовательностями. Следовательно, большая часть конститутивного гетерохроматина содержит серии сравнительно простых, многократно повторяющихся последовательностей ДНК. В целом функция конститутивного гетерохроматина остается неясной. Предполагают, что некоторые сегменты этого хроматина играют определенную роль в спаривании хромосом в мейозе. Возможно, он влияет на стабилизацию структуры хроматина и защищает генетически значимые последовательности эухроматических районов от внешних воздействий, но классических менделевских генов здесь, скорее всего, нет. В интерфазной клетке участки конститутивного хроматина агрегируют с образованием хромоцентров, что мы видим в световой микроскоп в виде мельчайших "глыбок хроматина". У млекопитающих количество их и характер распределения варьируют в зависимости от типа клетки и стадии развития организма. Факультативный гетерохроматин имеет более отчетливое функциональное значение. Почти не вызывает сомнения, что он отражает устойчивые различия в характере генетической активности клеток разных типов, и количество этого хроматина в разных клетках варьирует: в эмбриональных клетках его совсем немного, тогда как высокоспециализированные клетки содержат его в чрезвычайно больших количествах, т.е. часть генов выключается из транскрипции. Факультативный гетерохроматин содержит уникальные участки ДНК, а не высокоповторяющиеся, и ничем не обнаруживает себя при окрашивании митотических хромосом. Подобный способ генетической регуляции бактериям недоступен. Частный случай факультативной гетерохроматизации - это инактивация одной из двух Х-хромосом в клетках женских особей млекопитающих, которая происходит на ранних стадиях эмбрионального 11 развития (в трофобласте человека на 12-й день развития, а собственно в эмбрионе - на 16-й день). Одновременно во всех клетках эмбриона женской особи с равной вероятностью одна или другая Х-хромосома конденсируется и образует гетерохроматин. Это состояние хромосомы устойчиво наследуется во всех последующих циклах репликации. Из-за этого каждый женский организм имеет как бы мозаичное строение, т.к. образован клональными группами клеток, примерно в половине которых гетерохроматизирована Х-хромосома, унаследованная по материнской линии, а в другой - Х-хромосома, унаследованная по отцовской линии. В интерфазе гетерохроматизированные Ххромосомы представляют собой четко оформленные структурные образования, называемые тельцами Барра, которые близко прилегают к внутренней мембране ядра и хорошо различимы в световой микроскоп. Тельца Барра называются ещё глыбками полового Х-хроматина Рисунок 7. Половой хроматин. (рис.7). Политенные хромосомы Чтобы уловить изменения в структуре хроматина на уровне индивидуальных генов, необходимо изучать растянутые интерфазные хромосомы. В обычных клетках это невозможно, потому что нити интерфазного хроматина слишком тонки и запутаны. Благодаря же явлению политении на интерфазных хромосомах отчетливо видны многочисленные поперечные полосы, частота чередования которых позволяет предположить, что они соответствуют индивидуальным генам. Политенные хромосомы (гигантские хромосомы) содержат во много раз больше ДНК, чем обычные (рис.8, 9). Они не изменяют своей формы на протяжении всего митотического цикла и достигают длины до 0,5 мм, а толщины - до 25 мкм. Они встречаются, например, в слюнных железах двукрылых (мух, комаров), в макронуклеусе инфузории и в тканях завязи бобов. Чаще всего они видны в гаплоидном числе, 12 т.к. гомологичные хромосомы бывают тесно спарены. Клетки с такими хромосомами вырастают до необычно большого размера. Рисунок 8. Политенные хромосомы слюнных желез дрозофилы Возникают политенные хромосомы вследствие многократно повторяющегося процесса редупликации ДНК. При этом разные участки ДНК редуплицируются в разной степени. Большинство генетически информативных областей редуплицируются 1000 раз, а некоторые более чем 30 тыс. раз. При этом циклы редупликации ДНК не сопровождаются делением клетки. По существу, политенные хромосомы представляют собой пучки множества неполностью разделенных, тесно прилежащих друг к другу индивидуальных хроматиновых нитей. В частности, политенные хромосомы слюнных желез личинки Drosophila содержат 1024 таких нити. Рисунок 9. Политенные хромосомы: 1 – нити ДНП; 2 – диски; 3 – пуфы; 4 – интерхромомерные участки ДНП. 13 Итак, интерфазные политенные хромосомы хорошо видны в световой микроскоп, хроматиновые петли в них располагаются в линейном порядке, при окрашивании этих хромосом заметны перемежающиеся поперечные полосы: темные - диски и светлые - междисковые участки. Предполагают, что именно диски содержат 1024 плотно уложенных гомологичных петли индивидуального петельного участка и расположенные там гены. Структурная организация и функция ДНК междисковых участков пока что неизвестны. С началом транскрипции генов диски, в которых они содержатся, декомпактизуются, становятся как бы вздувшимися и называются пуфами. Образующая их ДНК упакована гораздо менее плотно. По всей видимости, подобные структурные модификации хроматина, когда происходит его частичная деконденсация, и являются первым этапом активации эукариотических генов. Биохимически пуфы содержат меньше гистона HI, много РНК-полимеразы и, как минимум, один общий негистоновый белок. Возможно, функциональная единица генома и у высших кариот, в том числе у человека, устроена и функционирует так же. Хромосомы типа ламповых щеток Еще одним примером клеток, в которых хорошо различимы транскрипционно активные хромосомы, являются незрелые яйцеклетки, или ооциты. Усиленный синтез РНК в них сопровождается растяжением длинных хроматиновых петель, к которым присоединены многочисленные новообразованные транскрипты, упакованные в РНК-комплексы. Эти так называемые хромосомы типа ламповых щеток хорошо видны в световой микроскоп, хотя они не очень конденсированы. Хромосомы типа ламповых щеток (рис. 10) появляются во время диплонемы мейоза при образовании половых клеток у большинства позвоночных, беспозвоночных и зеленых водорослей. Содержание ДНК в таких хромосомах соответствует норме, они не политенны (каждая хромосома содержит две молекулы ДНК). В хромосомах типа ламповых щеток, помимо петлеобразной укладки суперспирали в виде ерша, имеются отдельные значительно вытянутые симметричные петли, выступающие над поверхностью основной структуры хромосомной укладки. 14 Рисунок 10. Хромосомы типа ламповой щетки. Обычно во время клеточного деления РНК не синтезируется, а хромосомы типа ламповых щеток, по-видимому, создают запас РНК для последующих стадий развития. Наблюдаемые структуры типа ламповых щеток представляют собой транскрипционно активный хроматин и не являются типичными для соматических клеток. Хромосомы человека Все, что изложено выше относительно химического состава и структуры хромосом эукариот, типично и для хромосом человека. Некоторой детализации требует информация, позволяющая идентифицировать с большей степенью точности любую хромосому человека. 1956 год - шведы Тио и Леван, англичане Форд и Хамертон установили, что ядро диплоидной клетки человека содержит 46 хромосом – это хромосомный набор или кариотип человека; в 1960 – Мурхед и сотр. (США) разработали метод приготовления препаратов хромосом из кратковременной культуры лимфоцитов; в 1968-70 гг. разработаны методы дифференциального окрашивания хромосом, что позволило однозначно идентифицировать все хромосомы человека - все эти манипуляции производились и производятся только на метафазных хромосомах, ибо они различимы лучше всего, т.к. они максимально укорочены и утолщены, лежат свободно одна от другой, располагаются все в одной 15 плоскости клетки (экваториальной); кроме того, исследуются только те метафазные хромосомы, хроматиды которых отделились друг от друга в области плеч, а в центромерной части еще соединены. Совокупность всех метафазных хромосом, расположенных относительно произвольно в экваториальной плоскости клетки, именуется метафазной пластинкой или просто хромосомным набором. После приготовления препаратов хромосом, которые можно приготовить из всех тканей и клеточных суспензий, содержащих делящиеся клетки (в зависимости от целей важно, конечно, количество метафаз), хромосомы окрашиваются, ибо только после этого их можно различить в световой микроскоп, получить микрофотографию, идентифицировать и, расположив их в определенном порядке, т.е. составив кариограмму, получить целостное представление о кариотипе конкретного человека. Кариограмма - это те же хромосомы метафазной пластинки, но расположенные упорядоченно. Принцип упорядоченности - общий для всего вида и определяется идиограммой. Идиограмма - это графическое изображение гаплоидного набора хромосом (можно и диплоидного) и расположения их по группам в зависимости от формы и величины. Группы располагаются в порядке уменьшения величины входящих в них хромосом. В современных цитогенетических лабораториях процесс составления кариограммы компьютеризирован. Наиболее простой способ окрашивания хромосом - красителем Гимза или 2%-м ацетоорсеином, или 2%-м ацетокармином. При этом хромосомы окрашиваются целиком, равномерно и интенсивно. Окрашенные таким образом хромосомы, согласно Денверской классификации (I960), располагались в идиограмме в зависимости от их длины и нумеровались по парам от 1 до 23. Тогда же Патау предложил разбить 23 пары хромосом на 7 групп от А до G с учетом расположения центромеры (рис.11). Важным признаком, уточняющим форму хромосомы, стал центромерный индекс: отношение длины короткого плеча к длине всей хромосомы, выраженное в %. Комплекс этих параметров позволял с немалой степенью точности распределить хромосомы по группам, но идентифицировать их, особенно в группах В, С, D, F и G, было невозможно. Однако уже при стандартном (рутинном) равномерном окрашивании хромосом замечали, но оставили без внимания некоторую неоднородность в плотности окрашивания по длине хромосом. И только позже (1968 г.), когда Касперсон с сотрудниками обнаружили, что после обработки акрихин-ипритом флуоресценция по длине хромосом распределена не равномерно, а в виде сегментов, они показали, что каждую хромосому можно надежно идентифицировать с помощью такого метода 16 дифференциального окрашивания, ибо расположение сегментов для каждой хромосомы строго специфично. Вскоре стало ясно, что очень сходный рисунок сегментации хромосом можно получить и с помощью красителя Гимза, дополнив окрашивание некоторыми приемами. Впоследствии при разных способах обработки хромосом были обнаружены разные типы сегментов. Рисунок 11. Денверская классификация хромосом (1960). На Парижской конференции по стандартизации и номенклатуре хромосом человека (1971) все полученные к тому времени данные по дифференциальному окрашиванию хромосом были сопоставлены, и оказалось, что все методы в принципе выявляют одни и те же структуры, но каждый специфичен в отношении определенных сегментов (рис. 12). И обозначать различные типы сегментов решили по методам, с помощью которых они выявляются. Q - сегменты - флуоресцирующие после окраски акрихинипритом; G - сегменты (Гимза) - выявляются при окрашивании красителем Гимза в сочетании с дополнительными процедурами; Q и G сегменты идентичны, но в большинстве лабораторий предпочитают этот метод, т.к. он не требует использования флуоресцентного микроскопа, и эти 17 препараты дольше хранятся; однако только с помощью Q-метода можно идентифицировать Y-хромосому человека даже в интерфазном ядре; R - сегменты - окрашиваются после контролируемой тепловой денатурации, располагаются между Q и G - сегментами; С - сегменты - конститутивный гетерохроматин, располагается в прицентромерных районах обоих плеч хромосомы; Т - сегменты - расположены в теломерных (концевых) районах хромосом. Химическая природа дифференциального окрашивания еще только исследуется. Обсуждаются две основные гипотезы: первая исходит из того, что различные участки хромосом человека отличаются по количественному содержанию пар оснований аденин - тимин и гуанин - цитозин. Отсюда разная степень усвоения ими красителей. В частности, блоки с большим содержанием пар А-Т связываются преимущественно с акрихинипритом, следовательно, Qсегменты соответствуют участкам, богатым А-Т - паРисунок 12. Парижская классификация рами; R-сегменты соответхромосом (1971) ствуют участкам, богатым ГЦ - парами, которые более устойчивы к тепловой денатурации - это, однако, не объясняет всех особенностей сегментации хромосом. Вторая гипотеза, белковая, исходит из данных о том, что предварительная протеолитическая обработка перед окрашиванием красителем Гимза индуцирует появление G-сегментов, а так как разные по составу участки ДНК связаны с разными белками, можно полагать, что рисунок сегментации зависит от особенностей комплекса ДНК - белок. И все же, что собой представляют полосы - сегменты митотических хромосом, остается загадкой. Даже небольшие тонкие полосы содержат не менее 30 гигантских петель, суммарный нуклеотидный состав которых более 1 млн. нуклеотидов. Возможно, существование таких структурных блоков связано с функционированием эукариотического генома 18 вообще, хотя сами по себе сегменты ничего конкретного о функционировании индивидуальных генов не говорят, ибо в самой тонкой полосе, которую еще можно различить, содержится от 10 до 100 генов. Но то, что картина распределения сегментов в хромосомах почти не изменилась за долгие периоды эволюции (почти каждая хромосома человека имеет своего аналога в кариотипе шимпанзе, гориллы, орангутана), свидетельствует о большом значении пространственной организации ДНК для экспрессии соответствующих генов. Итак, информация, полученная в результате анализа дифференциально окрашенных хромосом, позволяет представить идиограмму хромосом человека следующим образом: Группа А, 1-3 хромосомы - большие метацентрические и субметацентрические хромосомы; 1-ая - самая большая метацентрическая, центромерный индекс (ЦИ) 48 - 49%, в длинном плече вблизи центромеры часто обнаруживается вторичная перетяжка; вторая самая большая субметацентрическая ЦИ 38-40%; 3-я -почти на 20% короче 1 -ой, ЦИ 45-46%, метацентрическая. Группа В, 4 и 5 хромосомы - большие субметацентрические. ЦИ 24-30%, без дифференциального окрашивания друг от друга не отличаются. Группа С, 6-12 хромосомы и Х-хромосома - средние субметацентрические хромосомы 6, 7, 8,11 и 12 - относительно субметацентрические, ЦИ - 27-35; 11 и 12 обнаруживают очень сходный рисунок сегментации, однако 11-я хромосома более метацентрическая; в 9-й в длинном плече часто обнаруживают вторичную перетяжку, которая не окрашивается ни акрихином, ни красителем Гимза; Х-хромосома значительно варьирует по длине, в целом сходна с самыми длинными из С-группы, ЦИ - 40,12+2,12, отличить от других при стандартном окрашивании очень трудно. Группа D, 13-15 хромосомы - акроцентрические, ЦИ около 15 наименьший в кариотипе человека, все они могут иметь вторичную перетяжку на коротком плече или не иметь, а следовательно, иметь спутники или не иметь, спутники могут быть очень большими, а иногда двойными; короткие плечи этих хромосом содержат ядрышковый организатор. Группа Е, 16-18 хромосомы - относительно короткие метацентрические и субметацентрические; 16 - ЦИ - около 40, длина вариабельна, в длинном плече в 10% случаев выявляется вторичная перетяжка; 17-я, ЦИ -31; 18-ая хромосома на 5 -10%короче17,ЦИ-26. 19 Группа F, 19, 20 хромосомы - мелкие метацентрические, ЦИ - 3646, при стандартной окраске выглядят одинаково, при дифференциальной - резко отличаются. Группа G, 21, 22, Y-хромосомы - мелкие акроцентрические, ЦИ 13-33; 21 и 22-ая могут иметь спутники, короткие плечи имеют ядрышковый организатор; Y-хромосома обычно (но не всегда) больше, хроматиды ее длинного плеча, как правило, лежат параллельно одна другой, а у 21 и 22 - ой хромосомы они чаще образуют широкий угол; спутники в Y-хромосоме отсутствуют, ЦИ от 0 до 26. В интерфазных ядрах дистальный участок длинного плеча при окрашивании акрихин-ипритом сильно флуоресцирует и выявляется как яркое пятно, которое называется Y-хроматин. В соответствии с Парижской номенклатурой в хромосомах идиограммы показан рисунок сегментации (G - Q , R - сегменты) - позитивные светлые G (они же Q) сегменты, негативные темные - R, районы с варьирующей окраской заштриховываются. Латинскими буквами р и q обозначаются соответственно короткое и длинное плечи, в каждом плече выделяются районы, обозначенные арабскими цифрами, районы нумеруются от центромеры к теломерным участкам хромосомы. А уже внутри района выделяются сегменты (англ. bands), обозначенные арабскими цифрами по такому же принципу, т.е. сегмент имеет свой символ, например, 1 q 32 - второй сегмент третьего района в длинном плече 1 ой хромосомы (при чтении справа налево). Если в заключение сформулировать интегральную модель хромосомы, то она состоит из единственной двойной спирали ДНК, объединенной с гистонами в нуклеосомы. Некоторые районы этой двойной спирали представлены повторяющимися последовательностями, которые могут быть рассеяны по всему геному. Участки с повторяющимися последовательностями обнаруживают признаки конститутивного гетерохроматина. Участки с уникальными последовательностями пар нуклеотидов проявляют свойства эухроматина, это транскрибирующиеся участки - т.е. собственно гены, они соответствуют светлым G- и темным R-сегментам дифференциально окрашенных хромосом. Благодаря успехам в молекулярной генетике человека разработан принципиально новый метод изучения хромосом – метод флюоресцентной гибридизации in situ (FISH) (in situ – в месте нахождения). Суть этого молекулярно-цитогенетического метода заключается в следующем: 1 – для изучаемой хромосомы или ее конкретного участка готовят комплементарный однонитевой участок ДНК, к которому присоединя20 ют биотин или дигоксигенин, - такой помеченный участок ДНК называется зондом; 2 – на микроскопическом препарате хромосом (in situ) при обработке щелочью хромосомная ДНК денатурирует, т.е. разрываются водородные связи между двумя комплементарными нитями ДНК; 3 – полученным ранее зондом обрабатывают препарат – зонд присоединяется к хромосоме в комплементарном участке ДНК, происходит ренатурация – между зондом и соответствующим участком молекулы ДНК формируются водородные связи; 4 – затем препарат обрабатывают веществом, которое избирательно может присоединяться к биотину или дигоксигенину, после чего к зонду можно присоединить флюоресцентный краситель (или красный – родамин, или зеленый – флюоресцеина изотиоцианат); 5 – теперь с помощью люминесцентного микроскопа можно увидеть окрашенные хромосомы на фоне неокрашенных. Можно использовать не только двух, но и трехцветные варианты метода. Метод FISH применяется очень широко – от определения локализации гена до расшифровки сложных перестроек между несколькими хромосомами. Он требует меньше времени, чем кариотипирование дифференциально окрашенных хромосом. Метод FISH можно применять для диагностики анеуплоидий в интерфазных ядрах – интерфазная цитогенетика. Например, в течение нескольких часов можно получить информацию о количестве 21 - й хромосомы в клетках амниотической жидкости (пренатальная – дородовая диагностика синдрома Дауна у плода) – специфический ДНК – зонд для 21 - ой хромосомы покажет в ядрах этих клеток или 2 - е светящиеся точки, что соответствует двум 21-м хромосомам, или три – что выявит трисомию по 21-ой хромосоме. 21 ХРОМОСОМНЫЙ МЕХАНИЗМ ДЕТЕРМИНАЦИИ И ФОРМИРОВАНИЕ ПРИЗНАКОВ ПОЛА У ЧЕЛОВЕКА В формировании признаков пола выделяют четыре уровня: - хромосомное определение пола; - определение пола на уровне гонад; - фенотипическое определение пола (половых признаков); - психологическое определение пола. Хромосомное определение пола у животных и человека происходит в момент оплодотворения. Для человека это формирование кариотипа 46 XX или 46 ХУ, что определяется гаметой гетерогаметного пола. У человека женский пол гомогаметный, а мужской пол гетерогаметный. У птиц и бабочек, наоборот, самцы гомогаметные, а самки гетерогаметные. У прямокрылых насекомых самки гомогаметны, с кариотипом XX, а самцы гетерогаметны - ХО, у последних отсутствует ухромосома. Определение пола на уровне гонад у человека начинается с того, что на 3 - й неделе эмбрионального развития в энтодерме желточного мешка появляются первичные зародышевые клетки, которые под действием хемотаксических сигналов мигрируют в область закладки гонад (половых желез). Дальнейшее развитие признаков пола определяется наличием или отсутствием в кариотипе у-хромосомы. Семенники развиваются, если имеется Y-хромосома. Под контролем у-хромосомы в первичных зародышевых клетках начинает синтезироваться Н-Y-антиген, который кодируется структурным аутосомным геном, контролируемым Y-хромосомой. Для превращения зачатка гонады в семенник достаточно уже малой концентрации Н-Y-антигена. На развитие семенников также оказывает влияние, по меньшей мере, ещё 19 генов: аутосомных и сцепленных с Х-хромосомой. А под действием хориогонического гонадотропина, секретируемого плацентой матери, в семенниках начинают вырабатываться мужские половые гормоны (андрогены) - это тестостерон и 5-дигидро-тестостерон. Фенотипическое определение пола в виде развития внутренних и наружных половых органов и развития всего фенотипа по мужскому типу происходит следующим образом. Сцепленный с X-хромосомой ген (Tfm+) кодирует белок-рецептор, который, связываясь с тестостероном, доставляет его в ядра клеток, где тестостерон активизирует гены, обеспечивающие дифференцировку развивающегося организма по мужскому типу, в том числе и развитие семявыносящих путей. У зародыша 22 человека из протока первичной почки формируются два протока: мюллеров и вольфов. У мужчин редуцируются мюллеровы протоки, а вольфовы преобразуются в семенные протоки и семенные пузырьки. При мутации гена Tfm+ и дефекте, рецепторов тестостерона может развиться синдром тестикулярной феминизации. В таких случаях у лиц с мужским кариотипом наружные половые органы развиваются по женскому типу. При этом влагалище бывает укорочено и заканчивается слепым мешком, а матка и маточные трубы отсутствуют. По пропорциям тела такие женщины приближаются к типу манекенщиц. Отмечается аменорея (отсутствие менструаций). В то же время молочные железы развиты нормально. Психологическое развитие у них осуществляется по женскому типу, хотя имеет место мужской кариотип, и вместо яичников у них присутствуют семенники, которые располагаются либо в больших половых губах, либо в паховом канале, либо в брюшной полости. Сперматогенез отсутствует. Рецепторы к гормонам имеют не только клетки-мишени тех или иных половых органов, но и нейроны головного мозга. Влияние гормонов на головной мозг начинается уже в эмбриональном периоде, что сказывается в дальнейшем и на особенностях сексуального поведения. Если в кариотипе зиготы отсутствует У - хромосома, формируется женский фенотип без участия специальных регуляторных факторов. При этом из двух протоков, формирующихся из протока первичной почки, вольфов проток редуцируется, а мюллеровы преобразуются в матку и маточные трубы. 23 ГЕНОМНЫЙ УРОВЕНЬ ОРГАНИЗАЦИИ ГЕНЕТИЧЕСКОГО МАТЕРИАЛА Организация генома ГЕНОМ - полный состав ДНК диплоидного набора хромосом ядер соматических клеток, т.е. совокупность всех генов и межгенных участков. Таким образом, геном-полный набор инструкций для формирования и функционирования индивида. Общие принципы построения геномов и их структурнофункциональную организацию изучает геномика, которая проводит секвенирование, картирование и идентификацию функций генов и внегенных элементов. Геномика подразделяется на структурную, функциональную, сравнительную, эволюционную и медицинскую. Медицинская геномика решает прикладные вопросы клинической и профилактической медицины на основе знаний геномов человека и патогенных организмов, в частности, вопросы диагностики наследственных болезней, генотерапии, вирулентности болезнетворных микроорганизмов. Общее количество ДНК в хромосомах ядра соматической клетки человека составляет 6,4 х 109 пар нуклеотидов - это 95% всей ДНК клетки. Внехромосомный геном клетки - митохондриальный, это 0,5% от всей ДНК клетки. Кроме того, небольшое количество ДНК составляют кольцевые молекулы (150 - 20000 пар нуклеотидов) в ядре и цитоплазме. Природа их у человека пока неясна. Кодирующая часть ДНК составляет 3-5% (по другим данным - 12%), назначение неинформативной части ДНК неизвестно. В кодирующей части ДНК различают как уникальные гены, т.е. представленные только одной копией, так и избыточные гены, имеющие до 10 4 копий,это гены для т-РНК, р- РНК, гистоновых белков. Эти копии расположены рядом друг с другом (тандемно) и разделены идентичными спейсерами. Любые изменения в структуре ДНК- ведут к генетическому полиморфизму. Главная форма генетического полиморфизма – однонуклеотидный полиморфизм, т.е. различие в ДНК разных людей соответствует одной паре нуклеотидов на каждые 1000-2000 нуклеотидов. Таким образом, два человека на 99,9% идентичны по нуклеотидным последовательностям и только 0,1% различий по одному нуклеотиду создает огромные индивидуальные фенотипические вариации. В каждом гене (50-100 тысяч пар нуклеотидов) можно ожидать от 25 до 100 мутаций, 24 которые надо правильно интерпретировать то ли как нормальную вариацию, то ли как этиологический фактор наследственной патологии. Предполагают, что различия по одному основанию между определенными отрезками геномов лежат в основе не только генных болезней/ миссенс-мутации/, но и чувствительности к возбудителям или защиты от них, приспособительных реакций и в то же время наследственного предрасположения к мультифакториальным болезням. Гены и генетический код Ген - это информационная структура, состоящая из нуклеотидов ДНК (а у вирусов и РНК), неделимая в функциональном отношении, способная к неограниченной репликации и направляющая развитие и функционирование организма, обеспечивая в том числе и транскрипцию других генов. Обширная многолетняя (1990-2000 гг.) программа "Геном человека", заключающаяся в последовательном секвенировании участков генома человека, установила, что генотип человека - это всего лишь 30000 генов. Сотни генов получены человеком, вероятно, в результате горизонтальной передачи, начиная от бактерий, – у человека и бактерий одинаковы более 600 генов; геном мышей и человека совпадает на 90%; шимпанзе и человека - различается на 1% нуклеотидных последовательностей. В геноме каждый ген может быть представлен несколькими формами – аллелями: в гаплоидном геноме - одним аллелем (любым), в диплоидном – двумя (доминантным и рецессивным), в генофонде популяции – несколькими (более, чем двумя). Если у гетерозигот оба аллеля одинаково активны и каждый участвует в синтезе 50% продукта, считается, что оба имеют равные дозы. Однако дозы гена могут быть и разные. В крови у гетерозигот по гену серповидноклеточной анемии содержится 65% нормального гемоглобина и 35% аномального (НЬS).Молекулярный механизм разных доз аллельных генов до сих пор неясен. В зависимости от выполняемой функции различают гены: структурные – транскрибируются во все виды РНК; регуляторные – регулируют процесс транскрипции; модуляторы – изменяют активность структурных генов. Согласно хромосомной теории, каждый ген занимает в хромосоме свое определенное место - локус. Однако существуют прыгающие или блуждающие гены, которые называются транспозоны (мобильные эле25 менты геномов). У прокариот плазмиды способны переносить генетическую информацию между бактериями, частично или целиком встраиваясь в геном клетки-хозяина. К таким плазмидам относятся факторы F (от английского fertility-плодовитость) и гены устойчивости к лекарственным препаратам в плазмидах R. Но если интеграция плазмиды F в геном клетки-хозяина происходит в определенных местах генома, то гены устойчивости могут встраиваться во многие места хромосомы - такие гены и называются транспозонами. Впервые явление транспозиции было описано у эукариот много лет назад Барбарой Мак-Клинток, проводившей генетические исследования на кукурузе. Сейчас известно несколько систем блуждающих контролирующих элементов эукариот. В частности, контролирующие системы у кукурузы, которые отличаются по своему воздействию на структурные гены, влияя на экспрессию генов, контролирующих окраску семян кукурузы (транспозиция регуляторных элементов осуществляется автономно); транспозоны Drosophila melanogaster, встраивающиеся в Х-хромосому и вызывающие делеции в соседних генах, что приводит к изменению цвета глаз у плодовой мушки; описаны транспозирующие элементы дрожжей. Транспозоны про - и эукариот, по-видимому, не могут существовать вне генома. Неизвестно, существует ли взаимосвязь между транспозонами разных видов и сохраняются ли функции транспозиции при перемещении мобильных элементов из одного вида в другие. Присутствие транспозонов в геноме может индуцировать перестройки, обусловливает высокую частоту обмена генетической информацией. Эти элементы способствуют быстрому распространению генов в популяции, управляют процессами дифференцировки, ускоряют эволюцию про - и эукариот. Перемещение определенных последовательностей из одного специфического сайта в другой имеет регуляторный эффект. В случае иммуноглобулиновых генов в результате рекомбинации меняется содержание генома, создаются активные гены в соответствующих соматических клетках. В нуклеотидной последовательности структурных генов, транскрибируемых в и-РНК, должно быть достаточно кодирующих единиц, чтобы зашифровать 20 аминокислот. Генетический код триплетен, поэтому кодирующих единиц более, чем достаточно - их 64. Последовательность из трех нуклеотидов (триплет), соответствующая одной аминокислоте, называется кодоном, их 61. Три триплета из 64 (УАГ, УАА, УГА) - это кодоны-терминаторы, которые располагаются в окончании структурного гена и и-РНК, они транскрибируются, но никогда не транслируются - на них синтез белка останавливается. 26 Так как кодирующих единиц больше, чем кодируемых, то почти каждой аминокислоте соответствует несколько кодонов-синонимов (кроме триптофана и метионина). Эта особенность или свойство триплетного кода называется избыточностью или вырожденностью кода. При этом генетический код универсален, т.е. любая аминокислота в любой форме жизни зашифрована одинаково; генетический код специфичен, т.е. каждый триплет кодирует только свою аминокислоту. В пределах одной рамки считывания, что означает транскрипцию информации об одном полипептиде, генетический код неперекрываем каждый нуклеотид входит в состав только своего триплета. Ген как единица функции (с этой позиции он называется цистрон) неделим. Однако в нем выделяют разные составляющие: структурная составляющая - нуклеотид; информационная - триплет (кодон); кроме того, в гене различают единицы мутации (мутон) и единицы рекомбинации (рекон), соответствующие любой паре комплементарных нуклеотидов. В 1977 г. было обнаружено, что гены эукариот состоят из последовательностей ДНК двух типов: экзонов - информативных участков и интронов – неинформативных. Транскрибируется весь ген, но транслируется только его экзонная часть. У эукариот в процессе биосинтеза белка между транскрипцией и трансляцией происходит ряд событий, которые объединяются термином процессинг. Во время процессинга происходит преобразование проинформационной РНК (первичного транскрипта) в информационную: специфические ферменты (рестриктазы) вырезают интронные участки, оставшиеся экзоны сшиваются другими ферментами (лигазами) – это событие называется сплайсингом; в передней части (5'-конец) про-и-РНК формируется группа нуклеотидов, получивших название "колпачок" и предназначенных для узнавания рибосомой и-РНК; в хвостовой части (З'-конец) про-и-РНК формируется полиадениновый "хвост" (100-200 адениновых нуклеотидов), назначение которого пока что неизвестно. После всех этих событий формируется и-РНК, готовая к трансляции. Благодаря экзонно-интронной структуре гена у эукариот в пределах одной полинуклеотидной последовательности структурного гена может быть закодирована информация не об одной молекуле белка, а более. Извлекается эта разная информация из одного гена в результате альтернативного сплайсинга, когда некоторые участки про-и-РНК в одном случае ведут себя как экзоны, а при другом типе сплайсинга оказываются интронами. 27 Ген, являясь единицей функции, сам входит в состав единицы транскрипции, которой после открытия Жакоба и Моно (1961) является оперон. Точнее, единицей транскрипции является последовательность нуклеотидов в опероне от промотора до терминатора включительно. Осуществление транскрипции называется экспрессией гена или его генетической активностью. Таким образом, современное состояние теории гена включает следующие положения: Ген - материальная единица хранения и передачи наследственной информации, является частью молекулы ДНК или у вирусов РНК. Ген в хромосоме занимает определенный локус. Существуют гены с непостоянной локализацией - транспозоны. Гены делятся на структурные, регуляторные, гены модуляторы. Структурно-функциональной единицей гена является триплет. Триплеты в гене расположены колинеарно аминокислотам в белке. Гены эукариот имеют интронно-экзонную природу. Единицей транскрипции в геноме является оперон. Гены способны к рекомбинации (как межгенной, так и внутригенной) и мутации. Не всякое повреждение гена ведет к мутации, т.к. гены способны к репарации. Дискретные единицы - гены формируют целостную систему взаимодействующих генов – генотип. Митохондриальный геном и наследственная патология Митохондрии содержат кольцевую двухцепочечную ДНК, которую обозначили 25-й хромосомой человека (мт ДНК). Гены этой хромосомы не содержат интронов. В каждой соматической клетке содержится около 1000 митохондрий, а суммарная ДНК в них составляет 0,5% от общего количества ДНК в организме. Код мт ДНК слегка отличается от универсального, в этой ДНК транскрибируются обе цепи. Геном митохондрий был полностью секвенирован в 1981 году. Он содержит 16 569 пар нуклеотидов и кодирует 2 р-РНК, 22 т-РНК и 13 полипептидов. 28 Последние входят в состав ферментных компонентов окислительного фосфорилирования, 66 субъединиц дыхательной цепи кодируется в ядре. Мт ДНК наследуется по материнской линии. В зиготе насчитывается около 2 500 материнских митохондрий и от 0 до 4 – отцовских. При этом не исключено, что после оплодотворения репликация отцовских митохондрий блокируется. Комбинативная изменчивость мт ДНК (мейоз) отсутствует. Нуклеотидный состав меняется только за счет мутаций. Мутации генов мт ДНК лежат в основе «митохондриальных наследственных болезней». Они передаются из поколения в поколение и имеют некоторые общие черты. 1. Болезнь передается только по материнской линии. 2. Болеют и девочки, и мальчики. 3. Больные отцы не передают болезни ни дочерям, ни сыновьям. Примером митохондриальных генных болезней являются: атрофия зрительного нерва Лебера, митохондриальные миопатии и др. 29 ОСНОВЫ РЕГУЛЯЦИИ ЭКСПРЕССИИ ГЕНОВ Организмы, обладающие способностью регулировать свою генетическую активность, хорошо адаптируются к изменяющимся условиям окружающей среды. Наличие таких регуляторных систем характерно для всех эукариотических и прокариотических клеток. Специфические механизмы регуляции активности (экспрессии) генов были установлены французскими исследователями Франсуа Жакобом и Жаком Моно в 1961 году. Они предложили гипотезу "оперона", которая впоследствии была названа классической, и ее авторы были удостоены Нобелевской премии. На базе этого исследования была впервые разработана модель структурно-функциональной организации оперона. В настоящее время оперонная теория получила экспериментальное подтверждение. Строение оперона Оперон (рис. 13) - это блок генов, участвующих в обеспечении транскрипции генов, ответственных за синтез определенного генопродукта. Рисунок 13. Схема строения оперона Схема оперона: Регуляторная часть оперона: А - активатор, часть промотора, к которому присоединяется белок-активатор (САР - белок или catabolite activator protein), что активирует присоединение РНК - полимеразы к промотору; это "положительно" контролирующий элемент, который есть не в каждом опероне. П - ген-промотор - это участок ДНК, который распознается ферментом РНК - полимеразой и указывает место, где должна начинаться транскрипция. 30 О - ген-оператор, управляющий работой структурных генов; "негативно" контролирующий элемент - присутствие на нем белкарепрессора прекращает транскрипцию. Т - ген-терминатор - это участок, после которого прекращается транскрипция и перед которым прекращается трансляция. В состав этого участка входит один из трех кодонов терминаторов (стоп-кодонов). В некоторых оперонах между оператором и структурными генами расположен участок(16 пар оснований), частью которого является аттенуатор, служащий барьером для транскрипции. Подобная структура есть в триптофановом опероне кишечной палочки (Escherichia coli). Цистронная часть оперона: С1, С2, С3 – структурные гены, кодирующие соответствующие белки; структурные гены одного оперона включаются и выключаются одновременно. Транскрипция группы структурных генов (цистронов) контролируется геном-регулятором и геном-оператором. Оператор состоит приблизительно из 30 нуклеотидов. Генетические дефекты в операторе приводят к непрерывному синтезу ферментов, т.е. регуляция синтеза генопродукта нарушается. Ген-регулятор контролирует синтез белка репрессора, не входит в состав оперона и может находиться на разном расстоянии от оперона. Регуляторный белок репрессор определяет активность оперона. Он имеет два функциональных центра: 1) место связывания с опероном; 2) место связывания с индуктором или корепрессором. Большее сродство белок репрессор имеет ко второй группе веществ, которые высокоспецифичны. Оперон активен, если оператор свободен от репрессора. Этот белок с оператора снимается, если к его второму активному центру присоединяется вещество, называемое индуктором (по химической природе оно может быть различным). Следовательно, регуляторные белки либо запускают, либо блокируют транскрипцию цистронной части оперона. Таким образом, анализируя механизмы регуляции экспрессии генов у прокариот, можно выделить три типа регуляторных элементов. 1. Регуляторные белки – белки, влияющие на активность РНКполимеразы, т.к. или позволяют ей связываться с промотором или нет; или открывают ей доступ к следующим после промотора нуклеотидам ДНК, или закрывают, соединяясь с оператором. Активность регуляторных белков изменяется с помощью специфического связывания с низкомолекулярными эффекторами (индукторами, корепрессорами). 2. Эффекторы - небольшие небелковые молекулы, концентрация которых в клетке отражает её состояние. В качестве эффектора могут выступать циклический аденозинмонофосфат, триптофан, лактоза и др. 31 3. Регуляторные нуклеотидные последовательности оперона (промоторы, операторы, терминаторы, аттенуаторы), действуя на которые, регуляторные белки, влияют на уровень синтеза соответствующих и-РНК. Регуляция активности генов у прокариот В процессе синтеза катаболических ферментов (расщепляющих субстраты) у прокариот происходит индуцируемый синтез ферментов. Это дает клетке возможность приспосабливаться к условиям окружающей среды и экономить энергию, прекращая синтез соответствующего фермента, если потребность в нем исчезает. Для индукции синтеза катаболических ферментов обязательны следующие условия: 1. Фермент синтезируется только тогда, когда расщепление соответствующего субстрата необходимо для клетки. 2. Концентрация субстрата в среде должна превысить определенный уровень, прежде чем соответствующий фермент сможет образоваться. Наиболее хорошо изучен механизм регуляции экспрессии генов у кишечной палочки на примере lac-оперона, контролирующего синтез трех катаболических ферментов, расщепляющих лактозу (рис.14) . Если в клетке много глюкозы и мало лактозы, промотор остается неактивным, а на операторе находится белок репрессор - блокируется транскрипция lac-оперона. Когда количество глюкозы в среде, а следовательно и в клетке, уменьшается, а лактозы увеличивается, происходят следующие события: количество циклического аденозинмонофосфата увеличивается, он связывается с САР -белком - этот комплекс активирует промотор, с которым соединяется РНК-полимераза ; в это же время избыток лактозы соединяется с белком-репрессором и освобождает от него оператор путь для РНК-полимеразы открыт, начинается транскрипция структурных генов lac -оперона. Лактоза выступает в качестве индуктора синтеза тех ферментов, которые её расщепляют. Лактозный оперон будет находиться в состоянии экспрессии до тех пор, пока в клетке уровень индуктора - лактозы не будет доведен до определенного уровня, характерного для данной клетки (принцип обратной связи). Тогда белок-репрессор освободится от лактозы, займет свое место на операторе, и транскрипция оперона прекратится. 32 Рисунок 14. Механизм работы лактозного оперона. Такая регуляция синтеза катаболических ферментов получила название негативной индукции, т.к. сам белок-репрессор осуществляет негативный контроль работы оперона (его присутствие на операторе выключает транскрипцию), а снимается блок транскрипции благодаря индуктору, который инактивирует белок-репрессор. В настоящее время изучена работа многих оперонов, в том числе и оперонов анаболического ряда. Примером такого оперона у кишечной палочки может быть триптофановый оперон, контролирующий синтез пяти ферментов, необходимых для образования аминокислоты триптофана (рис.15). Рисунок 15. Механизм работы триптофанового оперона. 33 Для триптофанового оперона синтезируется неактивный репрессор, который активируется лишь под действием корепрессора (триптофана). Здесь наблюдается особая форма ингибирования конечным продуктом: оперон становится активным в случае недостатка триптофана в среде, а высокое содержание в среде данной аминокислоты подавляет выработку фермента, необходимого для синтеза триптофана, т.к. избыток триптофана активирует белок-репрессор, который соединяется с оператором, и транскрипция прекращается- оперон репрессируется. Такая система регуляции называется негативной репрессией. Она позволяет не синтезировать вещество в избытке. Особенности регуляции экспрессии генов у эукариот Регуляция экспрессии генов у эукариот протекает намного сложнее. Различные типы клеток многоклеточного эукариотического организма синтезируют ряд одинаковых белков, и в то же время они отличаются друг от друга набором белков, специфичных для клеток данного типа. Уровень продукции зависит от типа клеток, а также от стадии развития организма. Регуляция экспрессии генов осуществляется на уровне клетки и на уровне организма. Гены эукариотических клеток делятся на два основных вида: первый определяет универсальность клеточных функций, второй – детерминирует (определяет) специализированные клеточные функции. Функции генов первой группы проявляются во всех клетках. Для осуществления дифференцированных функций специализированные клетки должны экспрессировать определенный набор генов. Хромосомы, гены и опероны эукариотических клеток имеют ряд структурно-функциональных особенностей, что объясняет сложность экспрессии генов. 1. Опероны эукариотических клеток имеют несколько генов - регуляторов, которые могут располагаться в разных хромосомах. 2. Структурные гены, контролирующие синтез ферментов одного биохимического процесса, могут быть сосредоточены в нескольких оперонах, расположенных не только в одной молекуле ДНК, но и в нескольких. 3. Сложная последовательность молекулы ДНК. Имеются информативные и неинформативные участки, уникальные и многократно повторяющиеся информативные последовательности нуклеотидов. 4. Эукариотические гены состоят из экзонов и интронов, причем 34 созревание и-РНК сопровождается вырезанием интронов из соответствующих первичных РНК-транскриптов (про-и-РНК), т.е. сплайсингом. 5. Процесс транскрипции генов зависит от состояния хроматина. Локальная компактизация ДНК полностью блокирует синтез РНК. 6. Транскрипция в эукариотических клетках не всегда сопряжена с трансляцией. Синтезированная и-РНК может длительное время сохраняться в виде информосом. Транскрипция и трансляция происходят в разных компартментах. 7. Некоторые гены эукариот имеют непостоянную локализацию (лабильные гены или транспозоны). 8. Методы молекулярной биологии выявили тормозящее действие белков-гистонов на синтез и-РНК. 9. В процессе развития и дифференцировки органов активность генов зависит от гормонов, циркулирующих в организме и вызывающих специфические реакции в определенных клетках. У млекопитающих важное значение имеет действие половых гормонов. 10. У эукариот на каждом этапе онтогенеза экспрессировано 5-10% генов, остальные должны быть заблокированы. Генетический импринтинг Одним из основных правил наследования признаков является правило равнозначной функции аллеля, полученного от отца и от матери. Однако, как показали подробные исследования, это правило может не соблюдаться. Функции генов взаимосвязаны и могут изменяться вплоть до дифференциального выключения одного из аллелей на протяжении всего онтогенеза. Такое явление объясняется генетическим импринтингом, т.е. механизмом, с помощью которого различается активность генов в зависимости от того, от какого родителя они получены - материнского или отцовского организма. Следовательно, генетический импринтинг - это эпигенетический (надгенетический – не кодируемый) процесс маркировки (обозначения) некоторых локусов хромосом одного из родителей, что сопровождается выключением экспрессии расположенных в маркированных локусах генов. Таким образом, в участках генома, подверженных импринтингу, происходит моноаллельная (а не биаллельная) экспрессия генов. При этом в одних случаях импринтингу подвергаются отцовские гены, и, следовательно, 35 транскрибируются материнские, а в других - материнские, и, следовательно, транскрибируются отцовские, что приводит к отклонению от менделевских законов. Речь идёт о стойких функциональных различиях экспрессии гомологичных генов у потомства. В итоге фенотипическое проявление конкретного гена может меняться из-за трёх причин: его делеции, мутации в нём и эпигенетического выключения экспрессии, т.е. импринтинга. Механизм импринтинга наиболее вероятно заключается в специфическом метилировании цитозиновых оснований ДНК, что приводит к выключению транскрипции генов. Сейчас у человека известно около 30 генов, подверженных импринтингу и имеющих тканеспецифическую моноаллельную экспрессию, и 3 кластера (пучков) генов, локализованных в 7q, 11p и 15q хромосомах. В случае отсутствия мутаций это явление обеспечивает фенотипическое разнообразие белковых структур на уровне организма. Если же в этих участках происходит мутация (микроделеции, микродупликации), то все они имеют отношение к наследственной патологии. Генетический импринтинг может затрагивать целую хромосому и даже геномы. При изучении геномного импринтинга у человека на примере пузырного заноса (ткани эмбриона не развиваются, бурно разрастается [пролиферирует] трофобласт, заполняющий полость матки) стало известно, что развитие плаценты обеспечивается геномом отца, а раннее развитие эмбриональных структур - геномом матери. Генетическая инженерия Генетическая инженерия - это один из разделов молекулярной биологии и генетики, который занимается генетическим конструированием по заранее намеченному плану для создания организмов с новой генетической программой. Этот раздел науки появился в 70-х годах прошлого столетия, когда американским генетиком П. Бергом впервые в мире была получена гибридная ДНК. С технологической стороны генетическая инженерия включает в себя три этапа: • получение генов путем их искусственного синтеза или выделения генов из природного материала; • включение генов в векторную, автономно реплицирующуюся молекулу ДНК, т.е. создание гибридной молекулы ДНК; • введение гибридной ДНК в клетку-реципиент с последующим включением соответствующего гена в ее хромосому. 36 Впервые искусственным путем ген был получен индийским ученым Г.Корана в 1967 году - путем химического синтеза - это был ген, контролирующий синтез инсулина. Позже стали выделять гены из генома, используя для этого ферменты рестриктазы, действующие на строго специфичные последовательности нуклеотидов и, следовательно , «разрезающие» молекулу ДНК в определенных участках. Сейчас известно более 500 видов рестриктаз. Полученные таким путем гены лишены интронов, так как их «вырезают» рестриктазами. Поэтому эти гены можно использовать для получения гибридных ДНК с ДНК бактерий. Обеспечивается транскрипция этих «новых» генов бактерии регуляторными генами оперона бактериальной клетки. Таким способом были получены опероны, контролирующие синтез инсулина в кишечной палочке. Достижения современной молекулярной генетики позволяют выделять гены с пограничными областями, содержащими в себе важные регуляторные последовательности. После того, как будет получен ген, его встраивают в плазмиду или умеренный фаг, которые используются в качестве средства переноса (вектора) для введения данного гена в какую-нибудь бактериальную клетку, где они размножаются (клонируются) вместе с реплицирующимся вектором. Перед введением нужного фрагмента ДНК в плазмиду ее (плазмиду) переводят в линейную форму (“разрезают” рестриказой) для того, чтобы присоединить с помощью ДНК-лигаз необходимый ген. В зависимости от целей используют разные плазмиды. Существуют плазмиды с широким кругом хозяев, способные размножаться во многих бактериальных клетках, но есть и такие, которые размножаются в двух или даже в одном виде бактерий. Перенос (трансдукция) чужеродной ДНК в виде данного гена у эукариот осуществляется с помощью неонкогенных вирусов и фагов. Создание искусственных генов, получение рекомбинантных ДНК может привести к появлению организмов, не встречающихся ранее на Земле. Так, в США была получена кишечная палочка с генами стафилококка и обладающая свойствами обоих микроорганизмов. Угроза получения бактерий с новыми патогенными свойствами и устойчивыми к лекарствам заставила ученых - генетиков обсудить этот вопрос на Международной конференции в США (1975), где были определены основные положения манипуляций с генетическим материалом, чтобы не происходило случайного выхода из экспериментальных лабораторий рекомбинантных микроорганизмов. 37 Успехи генетической инженерии должны быть направлены на борьбу с наследственными заболеваниями и получение новых форм микроорганизмов для использования их в биотехнологических процессах, то есть для промышленного получения хозяйственно ценных веществ из нетрадиционных продуктов: белков из парафина и нефти, метанола и этанола из природного газа и т.д. Генетическая инженерия позволяет получить также микроорганизмы, способные продуцировать некоторые лекарственные препараты, гормоны и биологически активные пищевые добавки. Таким способом получены интерферон, человеческий инсулин, некоторые антибиотики, органические кислоты и многое другое. Успехи, достигнутые в области рекомбинантной ДНК, позволили уже в 80-х годах прошлого столетия разрабатывать условия для «генной терапии» наследственных болезней. «Генная терапия» - это доставка нового генетического материала в клетки больного, что обеспечивает лечебный эффект. Осуществление генной терапии возможно двумя путями: 1 - перенос необходимого гена (трансгеноз) в изолированные из организма соматические клетки, т.е. in vitro; клетки получают в результате резекции соответствующего органа больного или пункции и после трансгеноза возвращают в организм (реимплантация); 2 - прямой трансгеноз - введение генетического вектора с заданным геном непосредственно в организм, т.е. in vivo. Впервые метод «генной терапии» был применен 14 сентября 1990 г. у девочки 4 лет (США), страдающей тяжелой комбинированной формой первичного иммунодефицита - введением in vitro в Т- лимфоциты девочки гена аденозиндезаминазы. С этого же года выходит журнал «Генная терапия». Однако применять эти методы надо крайне осторожно, т. к. генетика человека еще не располагает достаточными сведениями о том, как будет реагировать наш генетический аппарат на введение дополнительной генетической информации. 38 МЕДИКО-ГЕНЕТИЧЕСКОЕ КОНСУЛЬТИРОВАНИЕ По мере развития медицинской генетики накопленные в области генетики человека знания поставили перед здравоохранением вопрос о необходимости создания специальных учреждений, выполняющих функции консультативной помощи населению по наследственной патологии. Генетическое консультирование является важной областью прикладной генетики человека. Еще в 30-х годах советский клиницист-генетик С.Н. Давиденков осуществлял на практике работу по генетическому консультированию и выдвинул основные положения по методике консультирования семей с наследственными заболеваниями нервной системы. Первые медико-генетические консультации, занимающиеся прогнозированием здоровья потомства при наследственной патологии, были организованы в 1967 году в Москве и Ленинграде, а три года спустя в республиканских и некоторых областных и краевых центрах. Современная генетическая консультация - это междисциплинарная отрасль здравоохранения, которая занимается не только проблемами наследственности человека, но и специальными вопросами, характер которых определяется интересами семьи и общества. Главная цель генетического консультирования - это предупреждение появления в семье больных с наследственной патологией, физически и психически неполноценных. В соответствии с этой целью задачами медико-генетического консультирования являются: 1. Определение точного клинического диагноза заболевания. 2. Определение типа наследования этого заболевания в данной семье и установление генотипов членов этой семьи по соответствующему гену, т.е. определение генетического диагноза. 3. Расчет величины риска повторения заболевания в семье. 4. Объяснение смысла медико-генетического прогноза обратившимся. 5. Пропаганда медико-генетических знаний среди врачей и населения. Поводом для направления в медико-генетическую консультацию являются следующие ситуации: - одному из членов семьи поставлен диагноз наследственного заболевания, и родственники хотят знать прогноз для будущего или уже имеющегося потомства, подозревается наследственный дефект и для уточнения диагноза необходимы генетические исследования, 39 - предполагается возможность рождения больного ребенка в связи с кровнородственным браком, приемом лекарственных препаратов во время беременности и т.д. Кроме перечисленных случаев, врач должен заподозрить наследственную патологию при следующих ситуациях: -наличие сходных патологических симптомов у нескольких членов семьи, отставание у них в умственном и физическом развитии, - первичное бесплодие супругов, - первичное отсутствие менструации, особенно в сочетании с недоразвитием вторичных половых признаков, - привычные выкидыши при беременности, - непереносимость лекарственных препаратов и пищевых продуктов. С точки зрения организации здравоохранения, оценка фактической потребности в генетических консультациях определяется частотой семей, нуждающихся в генетическом консультировании. Считается, что такие семьи составляют 5-10% от общего числа населения. Исходя из этого, оптимальным считается одна генетическая консультация на 1 млн. жителей. В медико-генетических консультациях работают клинические генетики (врачи), цитогенетики (врачи, биологи), биохимики, иммунологи, гематологи, педиатры, акушеры-гинекологи, референты по социальным вопросам и др. специалисты. Для быстрого внедрения новых данных науки в практику медико-генетические консультации имеют тесную связь с генетическими научно-исследовательскими институтами. Этапы медико-генетического консультирования Консультирование состоит из нескольких этапов, в процессе которых врач-генетик должен определить риск рождения больного потомства, дать обоснованную рекомендацию супругам и подготовить их к правильному восприятию советов. При этом перед врачом возникают не только генетические, но и морально-этические вопросы. В настоящее время медико-генетическое консультирование осуществляется в три этапа (таблица 1). 1-й этап. Диагностика, уточнение или постановка диагноза. Точность клинико-генетического диагноза - это первоочередная проблема современной генетической консультации, поскольку диагноз позволяет установить степень генетического риска для потомства и осуществить выбор эффективных методов пренатальной (внутриутроб40 ной) диагностики, а также решить вопрос о путях коррекции некоторых видов наследственных заболеваний. Установление правильного клинического диагноза требует использования разнообразных методов клинической диагностики (лабораторных, функциональных), характеризующих фенотип. Таблица 1.Этапы медико-генетического консультирования ЭТАПЫ МГК ЗАДАЧИ МГК Уточнение диагноза Расчет риска рождения детей с наследственной патологией МЕТОДЫ ОБСЛЕДОВАНИЯ Изучение фенотипа Составление родословной Цитогенетическая диагностика Биохимические методы Дерматоглифика Амниоцентез (исследование околоплодных вод) 7. Электрофизиологические и др. методы 1. Уточнение риска проявления наследственной патологии на основе анализа 2. Близнецовый метод 3. Популяционно - статистический метод (при аутосомно-рецессивных формах, когда известен генотип только одного родителя) 4. На основании таблиц эмпирического риска при полигенном наследовании 1. 2. 3. 4. 5. 6. Выдача письменного заключения и дача рекомендаций. Исходным пунктом генетического анализа является генеалогический метод. Совершенно необходимо, чтобы были получены данные обо всех членах семьи, здоровых и пораженных, включая также и рано умерших. При сборе информации важно обращать внимание на возраст родителей при рождении детей, спонтанные аборты, сроки манифестации (проявления) заболевания. При подозрении на хромосомные болезни используются цитогенетические методы исследования, в ряде случаев метод дермато41 глифики. При подозрении на молекулярные болезни, помимо генеалогического метода, проводятся биохимические исследования. Кроме того, в медико-генетической практике в настоящее время используются молекулярно-генетические методы (методы ДНКдиагностики), предназначенные для выявления вариаций в структуре исследуемого участка ДНК, где располагается интересующий генетика ген. В основе этих методов лежат манипуляции с ДНК и РНК. В большинстве случаев для успешной диагностики болезни или гетерозиготного состояния достаточно исследовать небольшой фрагмент ДНК. ДНК-диагностика бывает подтверждающей, пресимптоматической, пренатальной, а также ДНК-диагностикой носительства. Различают прямую и косвенную ДНК-диагностику моногенных наследственных болезней. Прямые методы возможны тогда, когда ген заболевания известен, известна его экзон - интронная организация и получены его копии(т.е. ген клонирован).В таком случае мутантный ген можно выявить в геноме больного с помощью этих методов. Косвенное выявление мутаций применяется тогда, когда нуклеотидная последовательность гена ещё неизвестна, но известно относительное положение гена на генетической карте, поэтому косвенная ДНК-диагностика основана на анализе полиморфных генетических маркеров, расположенных в том же хромосомном регионе, что и ген болезни, т.е. сцепленных с ним. Маркеры называются полиморфными, потому что они существуют в популяции в нескольких аллельных вариантах. Маркеры анализируются у больных и здоровых членов семьи из разных поколений. Далее следует математический анализ сцепления генов и признаков. Освоение этих методов требует специальной подготовки в соответствующих лабораториях. В ряде случаев в процессе медико-генетического консультирования возникает необходимость специализированных консультаций - неврологических, рентгенологических, стоматологических и т.д. 2-й этап. Определение риска рождения больного ребенка. Сущность генетического прогноза состоит в оценке вероятности появления наследственной патологии у будущих или уже родившихся детей. Главным условием при расчете генетического риска является точный диагноз. Существуют два главных метода оценки генетического риска: 1) эмпирический - основан на опыте прогноза сходных генетических ситуаций; 42 2) теоретический расчет, основанный на генетических закономерностях. В некоторых случаях оба метода комбинируются. В работе врача-генетика генетические ситуации могут иметь разное содержание. 1.Наследственное заболевание носит моногенный характер, при котором а) известны генотипы обоих родителей, б) имеется аутосомно-рецессивное наследование, но известен только генотип одного родителя, в) наследование аутосомно-доминантное с неполной пенетрантностью, г) брак кровно-родственный. В случае варианта "а" теоретические расчеты основываются на менделевских генетических закономерностях. В случае "б" риск рождения больного рассчитывается с учетом частоты гетерозигот в популяции. В случае "в" риск рассчитывается с учетом пенетрантности. И, наконец, в случае "г"- с учетом коэффициента родства с пораженными членами семьи. 2.Полигенно наследуемая патология. При этом болезнь хотя и повторяется среди родственников, но установить тип наследования и предсказать расщепление признаков у потомства невозможно, поскольку неприменимы методы теоретического расчета. Риск рождения больного ребенка в данном случае устанавливается на основании эмпирических (опытных) вероятностей. Используются специальные таблицы эмпирического риска, которые составляют на основании аналогичных ситуаций, описанных в литературе. 3.Хромосомные болезни, которые могут в отдельных случаях повторяться у потомства одной и той же супружеской пары. Так, если у родителей нормальные кариотипы, риск для детей пробанда оценивается по эмпирическим таблицам для каждого типа хромосомной болезни с учетом возраста матери, если у одного из детей имеет место гетероплоидия. До 30 летнего возраста частота нерасхождений не возрастает, но в дальнейшем увеличивается. Более 1% детей, рожденных от матери в возрасте свыше 40 лет, имеют трисомию по 21-й паре хромосом, 3,7% имеют хромосомную аномалию любого другого типа. Возраст отца не влияет на возникновение трисомии. При семейных формах хромосомных аберраций риск рождения больного ребенка оценивается по эмпирическим таблицам. При этом, как правило, риск выше при наличии перестройки у матери, чем у отца. 43 Так, для распространенных транслокаций эмпирический риск равен приблизительно 11%, когда носителем является мать, и 2% –когда отец. 4. Спорадические (единичные) случаи патологии, чаще всего это случаи рождения больного ребенка у здоровых родителей, когда в родословной не удается найти данных о патологии среди родственников. В таких случаях врач-генетик должен быть предельно осторожен в определении риска рождения следующего больного ребенка, поскольку данная ситуация может быть обусловлена разными причинами: - мутацией, возникшей только в одной из гамет родителей; - -фенокопией; - мутацией в соматических клетках зародыша; - выщеплением редкого рецессивного гена у гетерозиготных родителей, где риск рождения больного ребёнка будет равен 25%; -сокрытием одним из родителей наследственной патологии. При всех случаях прогноз заболевания потомства будет различным. Так, если говорить о фенокопиях, то, поскольку они не наследуются, риск повторного рождения больного ребенка бывает предельно мал. Благоприятным для потомства прогноз будет и при спорадических случаях болезни. Одной из причин в таком случае является возникшая в гамете одного из родителей мутация. Теоретически новые мутантные гены возникают с частотой порядка единичных мутантных гамет на сотни тысяч нормальных. 3-й этап. Выдача письменного заключения и дача рекомендаций. На этом этапе врач должен дать письменное заключение о риске рождения больного ребенка и соответствующие рекомендации. Составляя заключение, врач должен учитывать степень тяжести наследственной патологии, величину риска рождения больного ребенка и моральноэтическую сторону вопроса. С генетической точки зрения, риском рождения больного ребенка можно пренебречь, если риск не превышает 10%. Такой риск не является противопоказанием к деторождению. Риск от 11% к 20% является средним, свыше 20% - высоким. Величина риска не должна быть самодовлеющей, необходимо учитывать степень тяжести наследственной патологии и возможность ее коррекции. Так, при высоком риске рождения больного ребенка противопоказанием к деторождению можно отнести случаи: 1) сублетальных и летальных заболеваний; 2)тяжелых, плохо поддающихся лечению аутосомных и сцепленных с полом доминантных и рецессивных болезней; 3)хромосомных болезней; 44 4) психических заболеваний; 5) кровнородственных браков. В то же время, если наследственная патология не нарушает здоровья (близорукость, дальтонизм и др.), может достаточно эффективно лечиться (например, некоторые молекулярные болезни, которые можно лечить диетой, или небольшие пороки развития, такие, как, например, заячья губа), или проявляется в позднем возрасте (сахарный диабет, атеросклероз), это не является противопоказанием к деторождению, даже если риск рождения больного ребенка высокий. Таким образом, врач-генетик на заключительном этапе медикогенетического консультирования опирается не столько на риск рождения больного ребенка, сколько на конкретную ситуацию: генетический риск с учетом тяжести течения болезни, продолжительности жизни, возможности лечения, внутриутробной диагностики. Врач-генетик должен давать объективное заключение и помнить, что неблагоприятный для родителей результат всегда является психотравмой, поэтому последний этап консультации рекомендуется проводить через 3-6 месяцев после установления диагноза с тем, чтобы консультируемые лица могли морально подготовиться к врачебному заключению. При благоприятном прогнозе этот срок можно значительно сократить. В работе врача, дающего медико-генетическую консультацию супругам, встречаются большие трудности психологического характера. Задачей врача-генетика является разъяснение пациентам сути поставленного диагноза и определяемой им оценки вероятности рождения в этой семье подобного ребёнка. Все же дальнейшие действия предпринимаются самими пациентами на основании тех решений, которые они приняли после консультации. Организация медико-генетического консультирования в г. Ставрополе В г. Ставрополе при акушерско-гинекологической консультации "Семья и брак" в 1984 году был создан медико-генетический кабинет, в котором работал один врач-генетик, оказывающий первичную консультативную помощь семьям с наследственной патологией. В 1992 году при Краевом диагностическом центре была организована первая в Ставропольском крае медико-генетическая консультация. Первично создание МГК шло из расчета одна МГК на 100000 новорожденных в год. В 45 настоящее время нагрузка МГК значительно возросла, т.к. оказывается консультативная помощь жителям не только Ставрополья, но и Кабардино-Балкарии, Карачаево-Черкессии, Калмыкии и Дагестана. По оснащенности материально-технической базы и укомплектованности врачебными кадрами МГК г. Ставрополя не уступает подобным учреждениям Москвы и Санкт-Петербурга. В консультации работают врачи, прошедшие специализированную подготовку в центральных МГК страны, имеется 3 лаборатории: цитогенетическая, биохимическая и иммуноферментная. Цитогенетическая лаборатория производит кариотипирование и определение полового Х-хроматина. Биохимическая лаборатория осуществляет скрининг новорожденных по таким наиболее часто встречающимся молекулярным болезням, как фенилкетонурия и гипотиреоз. По Ставропольскому краю частота встречаемости фенилкетонурии составляет 7:10000 новорожденных, а гипотиреоза - 1:4000. Для выявления этих заболеваний у новорожденного из пяточки берут кровь и определяют флуоресцентными, хроматографическими, микробиологическими тестами соответствующие метаболиты. Кроме того, при наличии показаний проводятся лабораторные исследования по выявлению нарушений аминокислотного, белкового, углеводного и липидного обменов. Применяемые методы позволяют идентифицировать 16 нозологических форм генетических нарушений обмена. При МГК имеется клинический отдел, где производится фенотипическая диагностика и определяется тактика последующей коррекции определенной наследственной патологии. Детям, страдающим фенилкетонурией, в медико-генетической консультации выдаются питательные смеси, содержащие необходимые аминокислоты, за исключением фенилаланина. Такие смеси МГК получает в централизованном порядке как отечественного, так и импортного производства. Создание в краевом центре МГК имеет большое значение не только для здравоохранения. Со временем Ставропольская МГК может стать важным звеном в системе мониторинга экологической ситуации в Северо-Кавказском регионе. 46 НАСЛЕДСТВЕННАЯ ПАТОЛОГИЯ Классификация наследственной патологии С генетической точки зрения, все болезни в зависимости от относительной значимости наследственных и средовых факторов в их развитии подразделяют на три группы: –наследственные болезни; –болезни с наследственной предрасположенностью; –ненаследственные болезни. Наследственными называют такие болезни, этиологическим фактором которых являются мутации, и проявление патологического действия мутации как причинного фактора практически не зависит от среды. Среда при этом может менять выраженность симптомов болезни и тяжесть ее течения. К заболеваниям этой группы относятся хромосомные и генные наследственные болезни. Эти болезни могут проявляться не обязательно в детском возрасте, но и в любом другом в соответствии со сроками генной экспрессии. Так, например, средний возраст начала проявления хореи Гентингтона равен 38-40 годам. О болезнях с наследственной предрасположенностью говорят тогда, когда болезнь развивается у лиц с определенной генетической характеристикой под влиянием факторов окружающей среды. Эти болезни называют также мультифакториальными. Они проявляются после контакта с определенными внешними факторами, специфическими для каждого мутантного гена и способствующими пенетрантности мутантных генов. К таким болезням относятся: атеросклероз, гипертоническая болезнь, туберкулез, экзема, псориаз, язвенная болезнь и др. Различают болезни с наследственной предрасположенностью у детей и взрослых. Предрасположенность к тем или иным мультифакториальным болезням может носить как моногенный, так и полигенный характер. В происхождении ненаследственных болезней определяющую роль играет среда. Сюда относятся большинство травм, инфекционных болезней, ожоги и т.д. При данных заболеваниях генетические факторы могут влиять только на течение патологических процессов (выздоровление, восстановительные процессы, компенсация нарушенных функций). Под врожденными понимают такие болезни, которые существуют уже при рождении ребенка. Эти болезни могут быть обусловлены наследственными и ненаследственными факторами. К последним относятся врожденные пороки развития, возникшие в результате тератогенного действия во время внутриутробного развития внешних фак47 торов – физических, химических, биологических, например, возбудителей сифилиса и коревой краснухи. В то же время не все наследственные заболевания являются врожденными. Очевидно, их около 50%. Некоторые из наследственных болезней проявляются в раннем детском возрасте (миопатия Дюшенна, муковисцидоз), другие - в зрелом (миотоническая дистрофия, хорея Гентингтона) и даже в пожилом возрасте (болезнь Альцгеймера). Всю наследственную патологию можно разделить на 5 групп: генные болезни, хромосомные болезни, болезни с наследственной предрасположенностью, генетические болезни соматических клеток и болезни генетической несовместимости матери и плода (Н.П.Бочков, 2001г.). Это генетическая классификация наследственных болезней. Генетические болезни соматических клеток выделены в отдельную группу недавно. Поводом к этому послужило обнаружение при злокачественных новообразованиях специфических хромосомных перестроек в клетках, вызывающих активацию онкогенов (ретинобластома, опухоль Вильмса). Имеются первые доказательства того, что спорадические случаи врожденных пороков развития являются результатом мутаций в соматических клетках в критических периодах эмбриогенеза. Весьма вероятно, что аутоиммунные процессы и старение могут быть отнесены к этой же категории генетической патологии. Болезни, возникающие при несовместимости матери и плода по антигенам, развиваются в результате иммунной реакции матери на антиген плода. Наиболее типичное и хорошо изученное заболевание из этой группы - гемолитическая желтуха плода при резус – несовместимости материнского организма (резус – отрицательного) и плода (резус – положительного). Иммунные конфликты возникают и при несовместимых комбинациях антигенов и антител системы АВО матери и плода. В целом эта группа заболеваний составляет в популяциях около 1%. Клиническая классификация наследственных болезней ничем не отличается от классификации наследственных болезней по органному, системному принципу или по типу обмена веществ, поэтому она очень условна. 48 Хромосомные болезни Хромосомные болезни – большая группа врожденных наследственных болезней, клинически характеризующихся множественными врожденными пороками развития (рис. 16). В их основе лежат аберрантные хромосомные и геномные мутации. Эти два типа мутаций объединяют общим термином «хромосомные аномалии». Хромосомные болезни гетероплоидия аутосом 1) Синдром Дауна 2) Синдром Эдвардса 3) Синдром Патау гетероплоидия половых хромосом хромосомные аберрации 1) Синдром Клайнфельтера 1) Синдром «Крика кошки» 2) Трисомия по Х-хромосоме 2) Синдром «Филадельфийской хромосомы» 3) Полисомия по У-хромосоме 4) Синдром Шерешевского-Тернера 3) Транслокационная форма болезни Дауна 4) Синдром МартинаБелла 5) Синдром кариотипа У0 Рисунок 16. Классификация хромосомных болезней Из 2000 известных в настоящее время наследственных заболеваний примерно 750 составляют хромосомные болезни, обусловленные изменением структуры и числа хромосом, т.е. хромосомными аберрациями и геномными мутациями. Мутации возникают либо в гаметах родителей, либо в соматических клетках на ранних стадиях эмбриогенеза. Мутации в гаметах ведут к развитию полных форм нарушений хромосомного набора. Мутации в соматических клетках являются причиной возникновения соматического мозаицизма, когда только какая-то часть клеток организма отличается от нормальных клеток по структуре или числу хромосом. Мозаицизм может затрагивать как аутосомы, так и половые хромосомы. 49 Мозаики, как правило, имеют более стертые формы заболевания, чем лица с изменением числа или структуры хромосом в каждой клетке. При мозаицизме число аномальных клеток может быть различным, и чем их больше, тем более ярко выражен симптомокомплекс той или иной хромосомной болезни. В некоторых случаях удельный вес аномальных клеток так невелик, что человек кажется фенотипически здоровым. Хромосомные болезни на 60% обусловлены геномными мутациями и на 40% - структурными перестройками хромосом (аберрациями). В ряде случаев имеет место комбинирование геномных мутаций с хромосомными аберрациями. Среди геномных мутаций при хромосомных болезнях чаще встречаются гетероплоидии: наличие в кариотипе одной или более добавочных хромосом или отсутствие какой-либо хромосомы. В первом случае говорят о трисомии или полисомии по какой-то из 23 пар хромосом. Во втором случае говорят о моносомии по одной из пар хромосом. Полиплоидия и гаплоидия у человека, как правило, несовместимы с жизнью и элиминируются внутриутробно. Подсчитано, что 10% зародышей при медицинских абортах и 25% при самоабортах являются полиплоидными. В литературе описаны единичные случаи рождения полиплоидных детей, но при полной форме полиплоидии они умирают через15 мин. - 7 суток после рождения. При мозаичной диплоидно-триплоидной форме дети иногда доживают до 9-10 лет. Структурные изменения хромосом могут быть внутрихромосомными и межхромосомными, сбалансированными и несбалансированными. Сбалансированные - в геноме присутствуют все локусы, однако их расположение в хромосоме отличается от исходного нормального. Несбалансированные перестройки характеризуются утратой или удвоением участка хромосомы. Сбалансированные перестройки клинически не оставляют существенных фенотипических отклонений. Несбалансированные аберрации хромосом приводят к развитию патологического фенотипа. Половина структурных перестроек носит семейный характер, а гетероплоидии, как правило, являются спорадическими, т.е. вновь возникающими мутациями. Характер и тяжесть проявления хромосомных болезней варьирует в зависимости от вида аномалий мутировавших хромосом. Общими для всех хромосомных болезней являются: множественные врожденные пороки развития внутренних и наружных органов, замедленный рост и развитие, отставание психического развития, нарушение функций нервной и эндокринной систем. Замечено, что аутосомные болезни проте50 кают тяжелее, чем аномалии по половым хромосомам. Главные эффекты хромосомных аномалий - это летальность и врожденные пороки развития. Средняя частота хромосомных аномалий среди живорожденных детей составляет 0,7%. Среди перинатально погибших плодов частота хромосомных аномалий - 6%. Среди самопроизвольных выкидышей частота хромосомных аномалий достигает 95-98%. Хромосомные аномалии у недоношенных встречаются в четыре раза чаще, чем у доношенных. Если говорить о доимплантационных стадиях, то примерно 30 - 40% зигот - бластоцит погибают из-за хромосомных аномалий. Для диагностики болезней применяют ряд методов: клинические, генеалогический, цитогенетический (определение полового хроматина и кариотипирование), дерматоглифический и патологоанатомический. Как правило, современная диагностика любого заболевания является комплексной. Кроме традиционных клинических данных, особое внимание уделяется генеалогии больного при хромосомных аберрациях, которые передаются из поколения в поколение. Однако для геномных мутаций, которые в большинстве случаев по наследству не передаются, основным методом диагностики является кариотипирование. Дерматоглифика носит вспомогательный характер. Изменение кожного рисунка у больного с врожденными пороками развития должно насторожить врача и стать поводом для последующего целенаправленного клинического и цитогенетического исследования. Хромосомные болезни, обусловленные гетероплоидией аутосом Из гетероплоидий, встречающихся среди новорожденных детей, чаще всего имеют место трисомии по 21, 18 и 13-й парам хромосом. Болезнь Дауна Впервые болезнь Дауна как особая форма идиотии была описана английским врачом Дауном в 1866г. Частота встречаемости лиц с болезнью Дауна составляет 1:700, 1:800 новорожденных. Среди умственно отсталых детей на долю болезни Дауна приходится 11-12%. На частоту их рождения не влияют расовые, национальные и популяционные различия. Однако доказана корреляция между рождением таких детей и возрастом матери. Чем старше мать, тем выше риск рождения ребенка с болезнью Дауна. У матерей в возрасте 40 – 44 лет в сравнении с возрастом 20-24 года риск рождения аномального ребенка возрастает в 16 раз. По последним данным, около 51 20% случаев рождения детей с болезнью Дауна связано с мутацией в гаметах отца. У молодых матерей вероятность рождения ребенка с синдромом Дауна обусловлена присутствием в их кариотипе аберрации транслокации 21 хромосомы на 15, 21 или 22 хромосому. Эту транслокацию они передают по наследству. Причина болезни: трисомия по 21-й паре хромосом. Цитогенетически болезнь Дауна представлена двумя вариантами: простым геномным трисомным (полный или мозаичный вариант) и транслокационным. В основе первого варианта болезни Дауна лежит нерасхождение по 21-й паре хромосом либо в яйцеклетках или сперматозоидах во время мейоза, либо на стадии дробления зиготы. Кариотип больного имеет 47 хромосом, при этом лишней оказывается 21-я хромосома. При транслокационной форме в кариотипе больного содержится 46 хромосом, причем имеются две нормальные 21-е хромосомы, одна нормальная 15-я хромосома и крупная аномальная непарная хромосома, образованная за счет соединения между собой 15-й и лишней 21-й хромосом. Другой вариант транслокации при болезни Дауна - это соединение между собой двух 21-х хромосом из трех, имеющихся в хромосомном наборе. Простой трисомный вариант синдрома Дауна встречается в 95%, на транслокационные формы приходится 4%. В 1% случаев встречается мозаицизм: при мозаичном варианте, когда в организме часть клеток нормальных – 46 хромосом, а часть трисомных - 47+21, выраженность клинических симптомов может быть стертой и зависит от соотношения количества нормальных и аномальных клеток. Клиника: больные синдромом Дауна обычно невысокого роста, имеют небольшую круглую голову со скошенным затылком, косые глазные щели, эпикант (вертикальная кожная складка у внутреннего угла глазной щели), короткий нос с широкой плоской переносицей, маленькие деформированные уши, укороченный мизинец с деформированной средней фалангой, полуоткрытый рот с увеличенным языком, несколько выступающую нижнюю челюсть, косноязычие Рисунок 17. Синдром Дауна. (рис.17). 52 Уже с первого года жизни они отстают в моторном и психическом развитии. Умственная отсталость может быть разной по степени глубины: от дебильности до идиотии. У 50% больных имеют место пороки развития сердца. Часто встречаются аномалии желудочно-кишечного тракта, недоразвитие половой системы, задержка полового созревания. Продолжительность жизни укорочена, большинство умирает до 30 лет. Причиной ранней смерти таких больных являются не только врожденные пороки развития, но и большая предрасположенность к простудным и инфекционным заболеваниям. У них в 20 раз выше риск смерти от острого лейкоза. Предполагается, что все это является следствием каких-то дефектов, имеющихся в иммунной системе. Мужчины с болезнью Дауна бесплодны, однако среди женщин имеют место отдельные случаи деторождения. Диагностика: кариотипирование – лишняя 21-я пара хромосома, 47 + 21. Дерматоглифика: в 40% случаев встречается одна поперечная четырехпальцевая ладонная борозда, которая называется «обезьянья» (рис. Рисунок 18. Одна поперечная ладонная борозда. 18). Угол atd = 800 и более. Если возраст матери превышает 35 лет, показана пренатальная диагностика - амниоцентез. Синдром Эдвардса Впервые синдром был описан в 1960 г. Частота встречаемости - 1:4500-6500 новорожденных. В основном поражаются девочки (3:1). Большая часть мальчиков погибает внутриутробно. Причина: трисомия по 18-й паре хромосом. 53 Клиника: при доношенной беременности больные рождаются с малой массой (обычно до 2500г). Новорожденные ослабленные, имеют скошенный подбородок за счет недоразвития нижней челюсти, выступающий затылок, низко посаженные деформированные уши. Отмечаются также аномалии скелета: пятый палец накладывается на четвертый, а второй - на третий, короткая грудина, гипоплазия (недоразвитие) тазобедренных суставов, стопа - "качалка" с выступающей пяткой (рис.19). Часто встречаются пороки сердца и почек. Большая часть больных Рисунок 19. Синдром Эдвардса. погибает в первые 6 месяцев или до 1 года. Только 1% таких больных доживает до 10 лет, обнаруживая при этом глубокую умственную отсталость. Диагностика: кариотипирование - лишняя 18-я хромосома, 47 + 18. Дерматоглифика - одна поперечная складка на ладони. Синдром Патау Рисунок 20. Синдром Патау. Аномалии лицевой части черепа. Впервые был описан в 1960 г. группой ученых под руководством К. Патау (Англия). Частота встречаемости - 1:5000 – 1:7000 новорожденных, большая часть погибает внутриутробно. Причина: трисомия по 13-й паре хромосом. Клиника: дети рождаются, как правило, преждевременно и имеют множественные пороки развития: расщелина мягкого и твердого неба, недоразвитие глаз (микрофтальмия, 54 анофтальмия), недоразвитие мозга (микроцефалия), атрофия обонятельных долей мозга и зрительного тракта (рис.20). В 77% имеются дефекты сердца и мочеполовой системы. Нередки судороги. Глубокая умственная отсталость. Продолжительность жизни - меньше года. Однако некоторые больные (15%) живут до 5 лет. Диагностика: Кариотипирование – лишняя 13-я хромосома, 47 + 13. Дерматоглифика - увеличение угла atd до 108°. Хромосомные болезни, обусловленные гетероплоидией половых хромосом Синдром Клайнфельтера Рисунок 21. Синдром Клайнфельтера. Описан Г. Клайнфельтером в 1942 г. (Англия). Частота встречаемости - 1:1000 новорожденных, по некоторым данным - 1:500. Причина: лишняя одна или более Ххромосом в кариотипе мужчины. Клиника: после периода полового созревания евнухоидное телосложение (узкая грудная клетка, непропорционально длинные нижние конечности, скудный рост волос на лице) (рис. 21). Отсутствие сперматогенеза и бесплодие. Снижение интеллекта от средней степени до глубокой дебильности. Встречаются также лица с практически нормальным интеллектом, но они не инициативны и малоспособны к творческой деятельности. Замечено, что глубина умственной отсталости усиливается с увеличением количества лишних Х-хромосом (две или три лишние Xхромосомы). В детском возрасте до периода полового созревания у этих больных отмечаются лишь снижение интеллекта, пониженная жизнеспособность и нарушенная коммуникабельность. 55 Диагностика: определение полового Х-хроматина показывает присутствие в соматических клетках телец Барра; кариотипирование – одна или более лишние Х-хромосомы(47, XXY; 48, XXXY) (Рис.22). Рисунок 22. Кариотип 47, ХХУ. Синдром лишней Y-хромосомы Впервые эта аномалия была описана в 1962 г. Хаушком. Частота встречаемости - 1:1000 новорожденных. Клиника: мужчины высокого роста (в среднем рост равен 186 см), иногда имеют место черты акромегалоидности – несколько увеличенная нижняя челюсть. Интеллект бывает либо нормальным, либо незначительно сниженным. Лица с данным синдромом часто встречаются среди заключенных, поскольку при соответствующих условиях склонны к асоциальным поступкам, излишне агрессивны. Репродуктивная функция у них в основном не страдает, их дети обычно Рисунок 23. Кариотип 47, ХХУ. имеют нормальный кариотип. Однако у их младенцев следует отметить повышенную внутриутробную смертность. В отдельных случаях были описаны сыновья ХYY от отцов XYY. Диагностика: определение у -хроматина флюоресцентным методом; кариотипирование (рис.23) - одна или более лишние Yхромосомы(47, XYY). 56 Синдром Шерешевского-Тернера Впервые синдром был описан в 1925 г. Н.А. Шерешевским, а затем более детально изучен в 1938 г. Г. Тернером. Частота встречаемости: 1:3000 новорожденных. Около 95% зигот с хромосомным набором ХО погибают внутриутробно. Причина: отсутствие в кариотипе женщины одной из Х-хромосом. Кариотип 45, ХО (моносомия по Х-хромосоме), Клиника: при рождении клинические симптомы бывают незначительными. У новорожденных маленькая длина и низкий вес (до 2500 г), имеется лимфатический отек кистей рук и стоп; могут быть низко посаженные, деформированные уши, избыток кожи на короткой шее и крыловидные складки (рис.24). В дальнейшем наблюдается отставание в росте, отсутствие или слабое развитие вторичных половых признаков, аменорея (отсутствие менструаций). Яичники отсутствуют или недоразвиты. Женщины с синдромом Рисунок 24. Девочка с синдромом Шерешевского-Тернера имеют Шерешевского-Тернера рост около 140 см, антимонголоидный разрез глаз (наружный угол глаза ниже уровня внутреннего угла), ювенильную (подростковую) фигуру, бесплодны. Для большинства характерна короткая шея с крыловидными складками по-над трапециевидной мышцей (шея «сфинкса»). Имеют место аномалии развития скелета. В 60-70% - деформации локтевых суставов, аномалии в строении кистей рук, вальгусное положение коленных суставов (Х-образное), деформация грудины и др. Нередко наблюдаются врожденные пороки сердца и почек. 57 У большинства больных нормальный интеллект, в части случаев - нерезко выраженная интеллектуальная недостаточность. Характерен своеобразный психический инфантилизм: они внушаемы, упрямы, капризны. Малый рост, детскость поведения, несамостоятельность в общении с людьми, эйфорический фон настроения вызывают у окружающих снисходительное отношение к ним, как к детям. Диагностика: определение полового хроматина показывает отсутствие в соматических клетках телец Барра. Кариотипирование – только одна Xхромосома 45, X0 (рис.25). Дерматоглифика - нередко встречается поперечная складка на Рисунок 25. Кариотип 45, Х0. ладони, угол atd увеличен. Синдром трисомии (полисомии) по Х-хромосоме Впервые синдром был описан Джекобс в 1959 г. (Англия). Частота встречаемости: 1 -1,4 на 1000 родившихся девочек. Причина: избыточное число Х-хромосом у лиц женского пола. Чаще имеет места трисомия (47, ХХХ), реже – тетрасомия (48, ХХХХ) и совсем редко –пентасомия (49, ХХХХХ). Клиника: при трисомии (47,ХХХ) женщины фенотипически могут быть нормальны и с нормально выраженными половыми функциями. Однако у них бывает небольшая степень умственной отсталости. Кроме того, добавочная Х-хромосома увеличивает в 2 раза риск заболевания каким-либо психозом (чаще шизофренией). У части больных имеют место истерические черты характера. Изредка при трисомии наблюдается аменорея (отсутствие менструаций) и бесплодие. Чаще эти признаки встречаются при тетра- и пентасомии по Х-хромосоме. При этом всегда имеется различной степени снижение интеллекта - от умеренной отсталости до тяжелой дебильности. И чаще встречаются недоразвитие яичников, отсутствие менструаций, бесплодие. Диагностика: определение полового Х-хроматина (присутствие лишних телец Барра в соматических клетках); кариотипирование – наличие одной или более лишних Х-хромосом. 58 Хромосомная аномалия - кариотип YO При данной хромосомной аномалии рождение живых детей не наблюдается, они погибают на ранних стадиях эмбриогенеза. Болезни, обусловленные хромосомными аберрациями Синдром "Крика кошки" Впервые синдром описан Леженом в 1964 г. (Франция). Частота встречаемости: 1:50000 новорожденных . Причина: делеция (отрыв) короткого плеча 5-й хромосомы с утратой от 1/3 до ½ короткого плеча. Болеют чаще девочки. Клиника: синдром получил название от специфического плача детей, напоминающего кошачье мяуканье. Это обусловлено аномалиями в строении гортани: узкая гортань, уменьшенный надгортанник, мягкие хрящи, необычные складки слизистой оболочки. С возрастом этот симптом исчезает, но остается склонность к простудным заболеваниям верхних дыхательных путей. Лицо у таких больных лунообразное, с широко - поставленными глазами (рис.26). Отмечается микроцефалия (уменьшенный размер мозга), нередко четырехпалостъ, пороки развития сердечно-сосудистой системы, желудочно-кишечного тракта, а также аномалии почек (недоразвитие, подковообразные почки, удвоение лоханок). У всех имеется значительное снижение интеллекта. Продолжительность жизни небольшая. Большинство умираРисунок 26. Синдром делеции короткого плеча 5 хромосомы. ет в первые годы. Около 10% доживают до 10 лет. Диагностика: кариотипирование - укорочение короткого плеча 5-й хромосомы, 46, 5р –; дерматоглифика - поперечная складка на ладони. 59 Синдром "Филадельфийской" хромосомы Впервые описан в г. Филадельфии США в 1961 г. Тооджем. Причина: делеция половины длинного плеча у 21-й хромосомы, так считалось до 1970г. За последние тридцать лет характер аберрации уточнился – транслокация делетированного участка длинного плеча 22 хромосомы на длинное плечо 9-ой хромосомы, а небольшого участка 9ой - на 22-ую – t (9; 22) (q 34; q 11). При этом образуется структура, обладающая онкогенными свойствами. Клиника: развивается хронический миелолейкоз, что выражается в безудержном размножении гранулоцитов (один из видов лейкоцитов), в итоге в периферической крови появляется много незрелых форм этих лейкоцитов. Диагностика: кариотипирование, обнаружение соответствующей аберрации. Синдром Мартина-Белла (или синдром фрагильной Х-хромосомы) Частота встречаемости - 1:2000-4000 новорожденных. Причина: делеция (отрыв) небольшого концевого (дистального) участка длинного плеча Х-хромосомы, где располагается мутантный ген ломкости. С помощью методов молекулярно-генетического анализа в нетранслируемой области гена FMR-I (fragile mental retardation) была обнаружена экспансия (увеличение) нестабильных тринуклеотидных повторов до 1000 раз (в норме их от 6 до 42 повторов). Клиника: (рис. 27) важнейший клинический симптом - олигофрения (слабоумие). Считается, что болеют только мужчины. Однако есть сведения, что около 30% женщин, гетерозиготных носителей ломкого гена, также страдают олигофренией. У мужчин, помимо олигофрении, имеются и другие характерные признаки: увеличенные в объеме яички, большие уши, выпуклый лоб, выступающая челюсть, речевые аномалии, среди которых широко распространено заикание. Рисунок 27. Синдром делеции Диагностика: кариотипиродистального) участка длинного плевание - отрыв конечного участка ча Х-хромосомы. 60 длинного плеча в Х-хромосоме, что выявляется лишь при культивировании лимфоцитов в условиях дефицита фолиевой кислоты и внешне напоминает «спутник» длинного плеча. Наиболее точный метод – молекулярно генетическая диагностика. Возможна пренатальная диагностика. Транслокационная форма болезни Дауна Причина: транслокация лишней 21-й хромосомы на 15-ю или на 21-ю. При этом варианте в кариотипе больного содержится 46 хромосом, причем в наборе имеется две нормальные хромосомы из 21-й пары, одна нормальная 15-я и одна крупная непарная хромосома, представляющая собой соединение лишней 21-й хромосомы и второй 15-й. Другой формой транслокации может быть соединение между собой двух 21-х хромосом из трех, имеющихся в хромосомном наборе. Как сказано выше, транслокационные формы болезни Дауна составляют 4%. Как правило, клиническая картина геномного и транслокационного вариантов практически неразличима. При транслокационной форме болезни Дауна у одного из родителей больного ребенка имеет место сбалансированная транслокация одной из хромосом 21-й пары на одну из 15-й или 21-й пары хромосом. При гаметогенезе часть гамет такого родителя может получить сразу и нормальную 21-ю хромосому, и транслоцированную. В итоге в процессе оплодотворения аномальной гаметы нормальной развивается зигота, содержащая три 21-е хромосомы. Если трисомные формы болезни Дауна встречаются, как правило, у пожилых матерей, то транслокационные формы в равной степени характерны и для молодого, и для пожилого возраста. Риск рождения больного ребенка у родителей, один из которых несет сбалансированную транслокацию 21-й хромосомы, значительно выше, чем при трисомной форме. Диагностика: та же, что и при трисомной форме; в случае рождения в молодой семье ребенка с синдромом Дауна при следующей беременности обязателен амниоцентез. 61 Молекулярные болезни Молекулярные болезни - это большая группа заболеваний, в основе которых лежат нарушения в структуре молекул ДНК, т.е. генные мутации. Учитывая последнее, эти заболевания называют также генными болезнями (схема 1). Схема 1 Молекулярные болезни чрезвычайно разнообразны по характеру клинических симптомов, тяжести течения и прогнозу. Точное количество таких заболеваний не известно, однако, исходя из того, что в организме имеется около 30 тыс. генов и, теоретически, каждый из них может мутировать один или несколько раз, можно допустить, что количество возможных генных болезней будет, если не превышать число генов, то, по крайней мере, соответствовать их сумме. В настоящее время описано 2106 аутосомно-доминантных, 1321 аутосомно-рецессивная и 276 X - сцепленных молекулярных заболеваний. В эту сводку вошли только моногенно наследуемые заболевания, подчиняющиеся менделевским закономерностям. Однако, помимо моногенных заболеваний, 62 имеет место большое число молекулярных болезней с полигенным типом наследования (например, гипертоническая болезнь, атеросклероз, диабет, эпилепсия, шизофрения и многие другие). Для этих заболеваний характерна высокая зависимость не только от особенностей генотипа, но и средовых факторов (стрессы, неправильное питание, инфекции, неизвестные агенты). Эти заболевания получили название мультифакториальных. Для этих заболеваний имеются значительные трудности в определении риска рождения больного ребенка, поскольку наследуемость не подчиняется менделевским правилам. При молекулярных болезнях мутации происходят не только в структурных, но и регуляторных генах. Однако в любом случае это сопровождается нарушением синтеза каких-либо белков: ферментных, транспортных или структурных. Если блокируются ферментные белки, развиваются различные патологические состояния, получившие название энзимопатии (греч. "энзим" - фермент, "патос" - страдание, болезнь). Следствием энзимопатии являются болезни обмена. Причем нарушаться может любой вид обмена: аминокислотный, белковый, углеводный, липидный, минеральный и другие. При болезнях обмена, обусловленных отсутствием какого-либо фермента, снижением его активности или уровня содержания в организме, накапливаются вещества, подлежащие расщеплению (например, продукты промежуточного обмена), или же какие-то аномальные продукты. Накапливаясь в организме, они оказывают на него токсическое действие, что приводит к развитию различных патологических признаков. Клинически выраженные симптомы молекулярных болезней могут проявляться в разные периоды онтогенеза. Некоторые из них диагностируются сразу после рождения, поскольку сопровождаются выраженными внутриутробными пороками развития. Другие - проявляют себя в раннем детстве, третьи - на более поздних периодах индивидуального развития, чаще до наступления репродуктивного (детородного) возраста. Многие генные болезни характеризуются нарушениями не только физического, но и психического развития, и, как правило, в большинстве случаев укорачивают жизнь больного, приводят к частичной или полной инвалидности. Характерный для молекулярных болезней полиморфизм (многообразие) патологических симптомов является следствием не только мутаций, происходящих в разных генах, но и особенностями действия на них генов-модификаторов и различных средовых факторов. В итоге при 63 сходном генотипе патологические признаки имеют различную экспрессивность и пенетрантность даже среди ближайших родственников. В то же время сходные симптомокомплексы могут наблюдаться при мутациях различных генов (генокопии). Это объясняется тем, что разные мутации могут нарушать процесс функционирования одного и того же звена. А мутации в пределах одного и того же гена (множественные аллели) могут приводить к формированию различных фенотипов. Например, метгемоглобинемия - это, в отличие от серповидноклеточной анемии, совершенно другое заболевание, хотя мутация в обоих случаях приходится на один и тот же локус. Общая частота молекулярных болезней в человеческих популяциях составляет 1 -2%. Однако доказано, что среди детей этот показатель в три раза выше, чем среди взрослых. Условно считают частоту генных болезней высокой, если встречается 1 больной на 10 тыс. новорожденных; средней - в случае, если больной приходится на 10-40 тыс. новорожденных, а далее - низкой. Многие молекулярные болезни могут лечиться при условии, что лечение начато своевременно. В связи с этим разработаны просеивающие программы (скрининг-программы) по раннему выявлению наиболее часто встречающихся генных болезней. Для этого используются простые биохимические методы диагностики, с помощью которых в крови, моче, околоплодных водах при массовых обследованиях определяются аномальные продукты обмена. Скрининговые методы качественные и должны быть специфичными. Важно правильно выбрать время скрининга: в доклинический период развития заболевания, т.е. в досимптомный период, когда возможно эффективное лечение. Кроме чисто биохимических методов, в состав просеивающих программ включают такие специальные методы как микробиологические тесты, электрофорез, хроматография, радио-иммунологический метод. В практике мирового здравоохранения используются 2 типа просеивающих программ. 1.Среди новорожденных - нарушение аминокислотного обмена аминоацидопатии, галактоземию, гипотиреоз, муковисцидоз и недостаточность α1 – антитрипсина. 2.Среди определенных расовых и национальных групп на гетерозиготное носительство болезни Тея-Сакса, серповидно-клеточной анемии и талассемии. Кроме того, показанием к скринингу у новорожденных в любом случае служат такие нарушения, как судороги, летаргия, кома, трудности кормления, рвота, двигательные беспокойства, необычный запах, катаракта, и др. 64 Некоторые формы болезней обмена Болезни, связанные с ферментным блоком (энзимопатии) Эта группа болезней обусловлена мутацией генов, контролирующих синтез ферментов. При этом какой-нибудь фермент может отсутствовать, либо его количество может быть резко сниженным, либо будет снижена активность фермента. Нарушение аминокислотного обмена Примером ферментопатий могут служить тирозинозы - нарушения в обмене аминокислоты тирозина, который необходим организму для синтеза меланина, тиреоидина (гормона щитовидной железы), адреналина и др. веществ. Тирозин может поступать с пищей, но может образовываться в организме из фенилаланина. Наиболее распространенными формами тирозинозов являются фенилкетонурия, алкаптонурия и альбинизм. Фенилкетонурия Это наследственное заболевание было описано в 1934 г. И.А. Феллингом, и поэтому оно называется также болезнью Феллинга. Частота встречаемости - 1-4 больных на 10 тыс. новорожденных. Тип наследования аутосомно-рецессивный. Локус этого гена расположен в длинном плече 12-ой хромосомы (12q 22-24). Известно более 30 патологических мутаций этого гена. Причина: в основе заболевания лежит генная мутация, сопровождающаяся дефектом фермента фенилаланин-4-гидролазы. В связи с этим нарушается превращение фенилаланина в тирозин, и в крови накапливается избыточное количество фенилаланина, в то же время снижается уровень тирозина. Кроме того, происходит повышение перевода фенилаланина в фенилпировиноградную кислоту, которая выводится с мочой. Все это сопровождается нарушением миелинизации нервных волокон спинного и головного мозга и недостаточной продукцией адреналина, норадреналина, меланина. Клиника: новорожденный внешне нормальный, но в первые же недели жизни отмечается повышенная возбудимость, гипертонус мышц и дрожание, судорожные припадки. Позже, к 4-5 месяцам, отмечается умственная отсталость, просветление волос, кожи. От ребенка исходит специфический "мышиный" запах. 65 Диагностика. Скрининг-тесты. Тест Феллинга – на обмоченную ребенком пеленку капают раствор трехвалентного железа. Появляется темно-зеленое пятно. В России введена федеральная программа скрининга, основанная на флюорометрическом методе определения фенилаланина в крови. Используются высушенные на бумаге капли капиллярной крови новорожденного, взятой на 3-5 день после рождения. Используется бумага хроматографическая или фильтровальная. В дальнейшем диагноз подтверждается определением количества фенилаланина в крови с установленной периодичностью. Так как ген фенилкетонурии секвенирован, для большинства семей возможны молекулярногенетическая пренатальная диагностика и выявление гетерозигот. Лечение: в случае подтверждения диагноза ребенку немедленно назначают диету, исключающую фенилаланин. Диета искусственная – препараты безфенилаланиновые, например, афенилак, тетрафен – 40 и др. Если диетотерапию назначить вовремя, то не отмечается никаких клинических признаков задержки развития ребенка. С 9-11 лет диета может быть существенно расширена, но они остаются под наблюдением специалиста-генетика. Это особенно актуально для женщин, т.к. повышенный уровень фенилаланина в их крови токсичен для внутриутробного развития плода. Алкаптонурия Заболевание описано в 1902 г. А. Гэрродом (Англия). Частота встречаемости: 2-5 больных на 10 млн. новорожденных. Тип наследования аутосомно-рецессивный. Причина: недостаточность фермента оксидазы гомогентизиновой кислоты. В итоге блокируется звено в расщеплении тирозина, когда гомогентизиновая кислота должна превращаться в малеилацетоуксусную кислоту. В итоге в крови накапливается гомогентизиновая кислота, которая пропитывает соединительнотканные структуры и интенсивно выводится с мочой. Клиника: развиваются упорные, не поддающиеся лечению полиартриты, приводящие к тугоподвижности суставов. Это является следствием пропитывания суставных хрящей гомогентизиновой кислотой. Хрящи при атом становятся ярко-оранжевого цвета. Симптомы заболевания начинают проявляться к 40 годам. Развивается патология позвоночника. Кроме того, гомогентизиновая кислота откладывается в клапанах сердца, что с возрастом приводит к развитию пороков сердца. Диагностика: скрининг-тест: моча на воздухе темнеет, особенно, если в нее добавить щелочь (тест А. Гэррода). 66 Альбинизм Частота встречаемости составляет одного больного на 25 тыс. новорожденных. Тип наследования - аутосомнорецессивный. Причина: недостаточная активность или полная инактивация фермента тирозиназы, расщепляющего тирозин. В итоге блокируется его превращение в меланин. Клиника: белая кожа и волосы, глаза имеют красно-розового цвета раРисунок 28. Альбинизм. дужку вследствие отсутствия пигментных клеток и просвечивания кровеносных сосудов (рис. 28). Альбиносы имеют повышенную чувствительность к солнечным лучам, у них развиваются фото дерматиты чаще, чем у других людей, рак кожи. Примеры молекулярных болезней, связанных с нарушениями углеводного обмена Галактоземия Впервые описана в 1908 г. Ройсом. Частота встречаемости -1 больной на 70 тыс. новорожденных, а частота гетерозиготного носительства - 1:268. Тип наследования - аутосомно-рецессивный. Причина: неусвоение молочного сахара галактозы вследствие отсутствия фермента уридилтрансферазы. В итоге в крови накапливается галактоза, которая оказывает на организм токсическое действие. Клиника: как только ребенок начинает получать молоко, появляется рвота, падает вес, увеличиваются селезенка и печень, развивается слабоумие. Клиника может быть от тяжелой до стертых форм. Заболевание можно лечить диетой – исключить из пищи молоко и другие продукты, содержащие галактозу. 67 Диагностика: повышено как содержание в крови, так и выделение с мочой галактозы. Скрининговый тест дорогой - проводится ограниченно. Фруктозурия Частота встречаемости в популяциях неизвестна. Тит наследования аутосомно-рецессивный. Причина: в основе лежит недостаточность или снижение активности фермента, расщепляющего фруктозу (фруктозо-1-фосфатальдолаза). В итоге, фруктоза, накапливаясь в организме, оказывает токсическое действие. Клиника: клинические симптомы появляются, когда детям начинают давать фруктовые соки. Развивается отсутствие аппетита, рвота, прекращение роста, частые обмороки, умственная отсталость. Без лечения дети погибают на 2-6 месяце жизни. Диагностика: в моче обнаруживается фруктоза, в крови фруктоза повышена, глюкоза - понижена. Нагрузка фруктозой вызывает резкое ухудшение состояния. Лечение: исключить из пищи фруктозу. Примеры наследственно обусловленных дефектов липидного обмена Рисунок 29. Болезнь ТеяСакса. Амавротическая идиотия (болезнь ТеяСакса) Заболевание впервые описано Теем (1881) и Саксом (1887). Частота встречаемости-1:250 тыс. новорожденных, однако в еврейских семьях встречается значительно чаще. Тип наследования аутосомнорецессивный. Причина: болезнь развивается вследствие блокады лизосомных ферментов, обеспечивающих расщепление высокомолекулярных гликолипидов (ганглиозидов) в различных тканях и особенно в головном мозге. По времени проявления клинических симптомов различают: раннюю детскую, 68 позднюю детскую, юношескую и позднюю формы. Клиника: ранняя детская форма проявляется с 4-6 месяцев. Дети становятся апатичными, развивается обездвиженность, судороги, не поддающиеся противосудорожной терапии, падает зрение, и к концу 1 -го года развивается слепота (рис. 29). Интеллект снижается до идиотии. Смерть обычно наступает к 3-4 годам. На глазном дне - атрофия соска зрительного нерва. Поздняя детская форма начинается в 3-4 года, смерть наступает через несколько лет; юношеская форма начинается в 6-10 лет, смерть - до 18-20 лет; поздняя форма начинается в молодом возрасте, длится 10-15 лет и тоже заканчивается смертью. Рациональное лечение амавротической идиотии отсутствует. Атеросклероз Это полигенно наследуемое заболевание, проявление которого во многом зависит от средовых факторов. Есть указания на неполный доминантный тип наследования или аутосомно-рецессивный. Клиника: характерно раннее (в возрасте 15-20 лет) развитие атеросклеротического процесса с клинической картиной стенокардии, инфаркта миокарда. В крови отмечается повышенный уровень холестерина. Однако клинически симптомы могут значительно варьировать в зависимости от диеты, стрессогенных и других факторов. Примеры наследственных форм нарушения минерального обмена Наследственная форма рахита Тип наследования - доминантный, сцепленный с Х-хромосомой. Однако встречается и аутосомно-рецессивный тип наследования. Причина: при Х-сцепленной форме рахита причиной заболевания является снижение обратного всасывания (реабсорбции) в почечных канальцах из первичной мочи фосфатов. Клиника: клинически заболевание проявляется в конце первого года жизни или на втором году, когда дети начинают ходить. Заболевание напоминает обычный рахит, но размягчение костей охватывает в основном нижние конечности, которые искривляются и принимают варусное положение в коленях (развернуты кнаружи колесом). Походка неуверенная, утиная, в тяжелых случаях дети не могут ходить, но, в отличие от обычного рахита, общее состояние детей страдает незначи69 тельно. При биохимическом исследовании плазмы крови обнаруживается пониженный уровень фосфатов (гипофосфатемия) при нормальном количестве кальция. Диагностика: обнаружение в моче повышенного содержания фосфатов (гиперфосфатурия). Примеры патологии транспортных белков Болезнь Вильсона-Коновалова Впервые описана Вильсоном в 1911г. Н.В. Коновалов, учитывая клинику этого заболевания, называет его гепатоцеребральной дистрофией. Частота встречаемости в популяциях человека неизвестна. Тип наследования- аутосомно-рецессивный. Причина заболевания - дефицит транспортного белка церулоплазмина, обеспечивающего транспорт меди в организме, что приводит к повышению концентрации меди в крови. Клиника: клинически заболевание может проявляться в возрасте от 6 до 50лет. Отмечаются повышенное накопление меди в головном мозге, печени, почках, радужке глаза и дегенеративные изменения в этих органах. Первым симптомом может быть увеличение печени и селезенки, а также зелено-бурого цвета кольца вокруг радужной оболочки (рис.30). Позже проявляются неврологические симптомы: нарушения речи и глотания, повышение мышечного тонуса, дрожание конечностей. Отмечается снижение интеллекта, изменение поведения. Рисунок 30. Болезнь ВильсонаПостепенно развиваются Коновалова (зелено-бурый цвет вокруг цирроз печени и асцит (вырадужной оболочки) ход в брюшную полость жидкости). Диагноз ставится на основании клинических симптомов и пониженного содержания в крови церулоплазмина. 70 Лечение связано с уменьшением поступления меди в организм и усилением ее выведения с мочой и желчью. Гемоглобинопатии Это наследственно обусловленные заболевания крови, сопровождающиеся появлением в эритроцитах патологических форм гемоглобина. В настоящее время описано более 50 форм разновидностей патологических гемоглобинов, в основе которых лежат генные мутации, сопровождающиеся заменой одной аминокислоты другой или нарушением последовательности аминокислот, входящих в состав гемоглобина. Изучение гемоглобинопатий началось с 1949г., когда впервые была описана серповидноклеточная анемия, в основе которой лежит замена аминокислоты валина глутаминовой кислотой в 6-м положении β-цепи, что приводит к образованию аномального гемоглобина HbS. Наследование аутосомно-доминантное, однако если гомозиготы по гену серповидноклеточной анемии оказываются нежизнеспособными, гетерозиготные носители этого гена в обычных условиях клинически здоровы, аномалия при этом начинает проявлять себя в условиях пониженного парциального давления кислород, (например, в горах). И гомо- и гетерозиготы устойчивы к малярии. Отдельную группу гемоглобинопатий составляют талассемии, при которых мутации не затрагивают структуру молекулы гемоглобина, но приводят к уменьшению содержания глобина или полному его отсутствию. При полном отсутствии глобина в молекуле гемоглобина наступает гибель плода, а при недостатке глобина развивается гемолитическая анемия в первые недели жизни, а также гипохромная анемия (в эритроцитах мало нормального гемоглобина). Клиника при этом варьирует от тяжелых форм, рано приводящих к смерти, до стертых. Как правило, при талассемиях отмечается значительное увеличение печени и селезенки, отставание в физическом развитии. Примеры наследственных дефектов структурных белков Синдром Элерса-Данлоса Впервые описан Элерсом (1901) и Данлосом (1908). Частота встречаемости - 1 больной на 100 тыс. новорожденных. 71 Тип наследования: встречается и аутосомно-доминантный, и аутосомно-рецессивный – гетерогенная наследственная болезнь; описано 10 типов синдрома, из которых 1-4-й, 7-й, 8-й – аутосомнодоминантные; 6-й – аутосомнорецессивный; 5-й и 9-й – рецессивные Х-сцепленные. Причина: дефект коллагена (белка, обусловливающего прочность соединительнотканных структур). Клиника: отмечается повышенная растяжимость кожи (рис. 31), особенно на лице и в области больших суставов, гиперподвижность суставов, разрывы связок и кровеносных сосудов. Возможна недоношенность беременности вследствие разрывов в плодных оболочках. Имеется наклонность к кровоизлияниям и внутренним кровотечениям. Заболевание сопровождается аневризмой аорты, дивертикулами пищевода, вывихом хрусталика, аномалиями зубов. Первые проявления заболевания начинаются в детском возрасте. Рисунок 31. Синдром ЭлерсаДанлоса. 72 БОЛЕЗНИ ЭКСПАНСИИ, ВЫЗЫВАЕМЫЕ "ДИНАМИЧЕСКИМИ" МУТАЦИЯМИ Экспансия тринуклеотидных повторов – это патологическое увеличение числа копий внутригенных тандемных последовательностей, состоящих из 3-х нуклеотидов; этот тип мутаций называется также динамическими мутациями. В 1991 году у человека был обнаружен этот новый тип мутаций "динамические мутации" и связанные с ними наследственные заболевания-болезни экспансии. Суть этих мутаций заключается в нарастании числа триплетных повторов, расположенных в регуляторной или кодирующей (транскрибируемой) части генов. Впервые такой тип мутации был обнаружен при молекулярном анализе фрагильной (ломкой) Ххромосомы, наследственная передача которой не подчиняется обычным менделевским законам. Позже аналогичные «динамические» мутации были описаны и при семи других наследственных заболеваниях, контролируемых генами, расположенными в разных хромосомах. Все синдромы с данной мутацией имеют ряд общих признаков, позволяющих объединить их в одну группу. Прежде всего, для триплетных повторов, экспансия которых блокирует функцию гена, характерен выраженный популяционный полиморфизм, когда число повторов может варьировать от единиц до нескольких десятков. Другая особенность этих мутаций - доминантный тип наследования, характерный как для Х-сцепленных, так и для аутосомных генов. Предполагают, что динамические мутации происходят во время мейоза и затрагивают чаще всего гены с изначально большим числом повторяющихся триплетов. При этом нередко сигналом к экспансии является утрата негомологичного, в норме разделяющего цепочку монотонных повторов, триплета. Результатом экспансии триплетов в одних случаях является блокирование генной экспрессии, а в других - появление белковых продуктов с аномальными функциями. Болезни экспансии характеризуются феноменом антиципации, смысл которого заключается в нарастании тяжести симптомов заболевания в последующих поколениях, что является результатом дальнейшего увеличения (экспансии) числа триплетов после того, как их количество превысило нормальное. Например, в случае синдрома ломкой X-хромосомы (синдром МартинаБелла) мутантный ген фрагильности, расположенный в плече q, содержит свыше 200 повторов триплетов CGG/CCG (Хq 27.3), при норме5-50 повторов или свыше 900 повторов триплетов GCC/GGC(Хq 28), при норме 12-26 повторов. При этом для некоторых заболеваний характерна 73 передача болезни по материнской линии (например, миотоническая дистрофия), а для других -преимущественно по отцовской линии (хорея Гентингтона). Практически для всех динамических мутаций характерно поражение головного мозга и особенно подкорковых структур, что сопровождается, как минимум, той или иной степенью слабоумия. Тяжесть заболевания и его начало четко коррелируют с числом повторов. ПОРОКИ РАЗВИТИЯ ЛИЦА И ПОЛОСТИ РТА, ИМЕЮЩИЕ ГЕНЕТИЧЕСКУЮ ОСНОВУ Синдром Робена Впервые описание синдрома появилось еще в позапрошлом столетии (Siebold, 1835), подробная характеристика дана Robin в 1923г. Синдром не относится к категории редких: к 60-м годам прошлого столетия было описано свыше 400 больных. Наблюдение семейных случаев позволило отнести синдром Робена к категории наследственных заболеваний с аутосомно-рецессивным типом наследования. Допускается возможность аутосомно-доминантного типа наследования с неполной пенетрантностью мутантного гена. Клиника. Характерными признаками синдрома Робена служат микрогнатия - недоразвитие нижней челюсти, а также ретрогнатия расщепление мягкого и твердого неба, глоссоптоз (западение языка), пороки развития ушных раковин или глаз (рис.32). Реже встречаются пороки сердца, почек, конечностей. Рисунок 32. Синдром Робена. 74 Аномалии челюсти и полости рта служат причиной дыхательных расстройств и нарушений глотания. В положении на спине язык ребенка западает, в связи с чем появляются признаки асфиксии. В легких случаях дыхательные и глотательные расстройства проявляются только во время заболевания респираторными инфекциями. Лечение. Показано оперативное лечение - глоссопексия, вытяжение нижней челюсти с помощью специальных аппаратов, закрытие дефекта в твердом и мягком небе. Прогноз в большинстве случаев благоприятный. Синдром Папиллона-Псома Рото-пальце-лицевой синдром (оро-дигито-фациальный дизостоз) Описан впервые Papillon и Psaume в 1954г. Наследуется по аутосомно-доминантному типу. Клиническая картина характеризуется искривлением лба, гипертелоризмом, узким орлиным носом, укорочением средней части верхней губы вследствие фиксации ее утолщенной уздечкой. Имеются множественные аномалии ротовой полости, гипоплазия нижней челюсти, дистрофия зубов, расщепление языка и верхнего неба, аномалия кистей рук (укорочение фаланг, изменение их формы, синдактилия). Отмечаются также гидроцефалия, тремор, задержка психического развития. Лечение симптоматическое. Незаращение верхней губы Заячья губа и волчья пасть являются составной частью многих синдромов, определяемых единичными генами. Они нередко встречаются при синдроме Дауна, Патау, Эдвардса. Известно много комбинированных летальных врожденных аномалий, связанных с этими дефектами. Даже если заячья губа является единственной аномалией, смертность таких детей высока. Незаращение губы, или расщелина губы «заячья губа», встречается у 1 ребенка из 1000 новорожденных, чаще у мальчиков. Расщелина губы часто комбинируется с незаращением неба (волчья пасть) (рис.33). По локализации и степени расщепления различают одно- и двустороннее незаращение верхней губы. Кроме того, оно может быть частичным (краевое) и полным. К неполным расщелинам относят незаращение только мягких тканей верхней губы. При полном незаращении страдает скелет верхней челюсти. Наиболее часто (у 48% больных) наблюдается полное одностороннее незаращение верхней губы. Помимо косметического дефекта, особенно в тяжелых случаях, воз75 никают большие трудности во вскармливании ребенка. Дети плохо сосут, зачастую грудное вскармливание бывает невозможным. Лечение хирургическое. Операция показана в первые 3 суток жизни. Если операция не произведена в первые 3 суток, ее нужно отложить до конца первого -начала второго месяца жизни. Целью операции при незаращении верхней губы является возможно более правильное восстановление взаимоотношений верхней губы. Прогноз при своевременно проведенном оперативном вмешательстве благоприятный. Рисунок 33. «Волчья пасть», «Заячья губа» (Полная левосторонняя расщелина верхней губы, альвеолярного отростка и неба) 76 Вероятность рождения второго ребенка с «заячьей губой» в семье – 4 : 100. Если «заячья губа» имеется у одного из родителей и их ребенка, вероятность рождения второго больного намного повышается. ПРОБЛЕМА КАНЦЕРОГЕНЕЗА Среди многочисленных и широко распространенных мультифакториальных болезней большую группу составляют злокачественные новообразования, которые относятся к группе генетических соматических болезней (или генетических болезней соматических клеток), потому что наследственные структуры в злокачественных клетках всегда имеют мутационные изменения на генном, хромосомном или геномном уровне. По данным ВОЗ, рак во всем мире занимает второе место как причина смерти (после сердечно-сосудистых заболеваний). Одной из важнейших задач в связи с этим является знание причин возникновения злокачественных опухолей. Начиная с 60-х годов прошлого столетия, было предложено несколько гипотез и теорий о первопричинах развития злокачественных опухолей. Так, в 1968 году отечественный ученый Л.А. Зильбер предложил вирусно-генетическую гипотезу рака. Согласно ей, рак вызывается вирусами, которые, воздействуя на наследственные структуры, приводят к канцерогенезу. Однако Л.А. Зильберу не удалось раскрыть механизмы вирусногенетических взаимодействий. Если предположить, что вирусы какимто образом изменяют геном, то непонятно было, как согласуется этот факт с тем, что многие вирусы имеют не ДНК, которая может встраиваться в хромосомную ДНК хозяина, а РНК (ретровирусы). Позже эта трудность была преодолена, когда в 1976 году Темин и Балтимор обнаружили фермент обратную транскриптазу (ревертазу). Этот фермент обеспечивает у вирусов синтез ДНК на матричной цепи РНК. Оставалось только идентифицировать онковирусы человека, но таковые не были обнаружены. Кроме того, накопились экспериментальные данные о том, что многие химические вещества, а не только вирусы, способны вызывать мутации и индуцировать при этом канцерогенез. На основании последнего американский генетик Бернет выдвигает в 1974 году мутационную теорию рака. Однако и она не раскрывала механизмы канцерогенеза. В 1978г. Бишоп и Вармус формулируют генную теорию рака, которая преодолела недостатки вирусно-генетической и мутационной гипотез. За это открытие Бишоп и Вармус были удостоены Нобелевской премии. Согласно генной теории, в геноме человека и других животных в норме существуют так называемые протоонкогены. Причем одни и те же протоонкогены есть и у человека, и у далеких в эволюционном от77 ношении организмов, что указывает на их важную биологическую роль. Есть сведения, что протоонкогены регулируют процессы деления и дифференцировки клеток на ранних этапах эмбриогенеза животных. Однако при определенных условиях протоонкогены могут превращаться в онкогены, вследствие чего начинается интенсивный синтез онкобелков, приводящих к неконтролируемой пролиферации и дифференцировке злокачественно измененных клеток. Сейчас выявлено свыше 40 онкогенов, предполагается, что всего их не менее 80. Основной причиной трансформации протоонкогенов в онкогены являются генные мутации с последующей амплификацией (увеличение числа копий) этого гена. Мутации могут быть генеративными, т.е. существовать уже в гамете и, следовательно, присутствовать во всех клетках организма. Или могут быть соматическими, т.е. возникать в любой соматической клетке. Кроме того, хромосомные мутации, а именно транслокации, могут изменить активность протоонкогенов из-за другого окружения протоонкогена (эффект положения генов). И тогда протоонкогены приобретают активность онкогенов. Другой причиной канцерогенеза являются ДНК- и РНК- содержащие вирусы, геном которых может интегрироваться (объединяться) с геном пораженных ими клеток. В геноме вируса также присутствуют протоонкогены, которые, попав в хромосомную ДНК клеток хозяина, в случае мутации могут трансформироваться в онкогены. Это сопровождается накоплением большого количества соответствующих онкобелков и озлокачествлением клеток. Таким образом, согласно генной теории, рак - это индуцированное заболевание, при котором протоонкогены являются мишенью для канцерогенных факторов (физических, химических или биологических), которые трансформируют их в онкогены. В конце 60-х годов XX века при гибридизации злокачественных клеток с нормальными была выявлена супрессия (подавление) злокачественных свойств клетки, что позволило сформулировать понятие о наличии в геноме антионкогенов, или генов-супрессоров опухолевого роста. Это аутосомно-доминантные гены. У человека идентифицировано более 20 таких генов. Их функция – подавление пролиферации клеток, если она возникает в несоответствующем месте и в несоответствующее время. Мутировавшие гены-супрессоры опухолевого роста утрачивают вышеуказанную способность, однако, находясь в гетерозиготном состоянии, сохраняют свойство подавления опухолевого роста. У гомозиготы по мутантному аллелю онкосупрессора разовьется злокачественная опухоль. Таким образом, очевидна многокомпонентность генетических событий при озлокачествлении. По меньшей мере, для развития рака 78 необходимы мутация в протоонкогене и потеря гетерозиготности по гену-супрессору опухоли. В настоящее время описано много синдромов, при которых потеря гетерозиготности по мутировавшему генусупрессору опухоли ведет к злокачественным новообразованиям. Это, например, ретинобластома, остеосаркома, рак почки, мочевого пузыря, легких, печени, желудка, молочной железы и др. К концерогенезу имеют отношение по меньшей мере еще три наследственные характеристики организма. Во-первых – это процессы репарации ДНК, которые поддерживают стабильность генетических структур. Наследственные аномалии в системах репарации ведут к злокачественным новообразованиям, например, пигментная ксеродерма, наследственный неполипозный колоректальный рак и др. Во-вторых – это метаболизм канцерогенов в организме полиморфными системами ферментов, которые определяют индивидуальную чувствительность к канцерогенным воздействиям. И в-третьих – это генетические аномалии в системе иммунного надзора. ЭКОГЕНЕТИКА И ЭКОГЕНЕТИЧЕСКИЕ БОЛЕЗНИ Экогенетика человека - это наука, которая изучает различные генетически обусловленные реакции людей на определённые агенты среды. В её задачи входит объяснение различной чувствительности отдельных людей к действию потенциально опасных внешних агентов и изучение индивидуальных особенностей адаптации к окружающей среде. Среда обитания человека постоянно менялась на протяжении сотен тысяч лет. К её изменениям человек приспосабливался как биологический вид с широкой нормой реакции. При этом постепенно менялся генотип, т.к. при разных условиях среды в популяциях людей сохранялись нужные и отсеивались ненужные комбинации аллелей. Для современного периода существования человечества характерно, во-первых, появление в среде его обитания многих новых факторов, с которыми человек ранее не сталкивался (например, 60 тыс. новых химических веществ), и, во-вторых, очень быстрый темп изменения среды. Генотипы отдельных особей популяции и её генофонд в целом не успевают адекватно реагировать на изменения среды. Это приводит к тому, что в изменённых экологических условиях появляются наслед79 ственные болезни нового класса – экогенетические болезни. Они возникают у части населения популяции, имеющей «молчащий» до этого аллель, который проявляет патологическое действие при воздействии конкретного фактора среды, для данного организма нового. Ими могут быть климатические факторы, производственные, бытовые, пищевые, лекарственные препараты. Примером экогенетической болезни является обструктивная болезнь лёгких (когда развивается закупорка дыхательных путей), возникающая у людей, имеющих в гомозиготном состоянии рецессивный мутантный ген, контролирующий синтез α1-ингибитора протеаз, при воздействии производственного фактора (запылённость воздуха производственной пылью) или бытового (курение). 30 % больных раком лёгких имеют высокий уровень фермента, который гидроксилирует полициклические углеводороды в активные эпоксиды, а они, в свою очередь, являются активными канцерогенами. Факторами среды, которые опасны для людей, гомозиготных по доминантному гену, контролирующему синтез большого количества этого фермента, являются производственные факторы (химическая промышленность, где возможны контакты с углеводородами) и бытовые (курение – сигаретный дым содержит полициклические углеводороды). Таким образом, патологические проявления аллелей под влиянием факторов среды называются экогенетическими болезнями. Экогенетические патологические реакции могут быть обусловлены редкими мутантными аллелями. Причиной разнообразия ответных реакций на воздействие одного и того же фактора среды может быть и полиморфизм – присутствие в генофонде популяции 2-х и более аллелей одного гена. Таких генов в человеческих популяциях около 10000, следовательно, число вариантов генотипов по этим генам может быть 210000, а отсюда и разнообразие вариантов антигенных, ферментных, рецепторных и других молекулярно-биохимических систем человека. По всей вероятности, чаще всего экогенетические реакции определяются несколькими генами. Концепция экогенетики, впервые предложенная в 1971 г. Брюэром, возникла в результате развития фармакогенетики - этот термин предложил немецкий генетик Ф. Фогель (1959) для описания генетически детерминированных патологических реакций на лекарства, обусловленные недостаточностью соответствующих ферментов. Фармакогенетика - часть экологической генетики человека, которая изучает значение наследственности в реакции организма на лекарства. Вариации ответных реакций на введение лекарственных средств могут проявляться в виде повышенной чувствительности к лекарствен80 ному препарату, толерантности (отсутствие ответной реакции) к нему или парадоксальной реакции на него. Примером подобных аномальных реакций на вводимый препарат может быть реакция на дитилин у лиц с атипичной холинэстеразой сывороточным ферментом. В хирургии дитилин применяется для мышечной релаксации (расслабление). Этот препарат действует по типу яда кураре (остановка дыхания), но в норме быстро разлагается сывороточной холинэстеразой. В случае ее атипичности (при мутации в соответствующем гене) введение дитилина приводит к остановке дыхания на 1 час. Больного можно спасти искусственной вентиляцией лёгких в течение этого времени. Типичной парадоксальной реакцией на лекарства является гемолиз эритроцитов у носителей мутации в гене глюкозо-6фосфатдегидрогеназы при приёме сульфаниламидов и некоторых других препаратов (их известно уже до 40 наименований). Спасти таких больных можно только срочным гемодиализом или обменным переливанием крови. Выявление экогенетической патологии - достаточно трудная задача, так как надо найти и генетическую основу биохимического отклонения от нормы, и установить конкретный фактор среды, вызывающий патологическое действие «молчащего» гена. В этой ситуации очень важна роль врача, заметившего «непонятный случай», особенно в области профессиональной патологии и лекарственной терапии. Профилактика экогенетических болезней направлена на создание оптимальной среды для каждого человека (пища, лекарства, работа), чтобы исключить появление фактора, способного привести в действие механизм развития экогенетической болезни. АНТИМУТАГЕНЕЗ Человечество отягощено огромным грузом патологических мутаций, который проявляется в двух вариантах – в снижении приспособленности носителей этих мутаций, а значит в уменьшении числа потомков, и в возникновении болезней и сокращении продолжительности жизни. Наш груз мутаций состоит из двух компонентов: — накопленные патологические мутации в процессе эволюции и истории человечества – это 70-80% от общего количества мутаций; 81 — и новые, постоянно возникающие мутации в половых клетках – это в среднем 20% наследственной патологии (для некоторых болезней – даже 90-100%). Мутации в гаметах приводят к расширению генетического полиморфизма и одновременно к повышению частоты наследственной патологии. Мутации в клетках эмбриона и плода – к снижению нормы реакции, а следовательно, и адаптивных (приспособительных) возможностей; повышается частота врожденных пороков развития. Последствиями мутаций в соматических клетках в постнатальном (после рождения) периоде может быть повышение частоты злокачественных новообразований, нарушение иммунитета, преждевременное старение. К повышению уровня мутационного процесса ведет радиационное и химическое загрязнение среды, поэтому первичная профилактика наследственной патологии не может быть полной без охраны окружающей среды. Но помимо этого необходимы поиски средств воздействия на сам организм для предотвращения действия проникающих в него химических мутагенов. В 20-х годах нашего столетия, когда появились первые экспериментальные исследования по мутагенезу, перед учеными встал вопрос о возможности искусственного регулирования мутационного процесса. В 50-х годах появились научные данные о возможности снижения темпов мутирования путем воздействия на организм некоторыми химическими факторами. Это явление получило название антимутагенеза. Антимутагены - это модификаторы мутационного процесса, снижающие частоту не только индуцированных, но и спонтанных мутаций. На основании механизмов действие антимутагены можно классифицировать на несколько групп. 1. Антимутагены как факторы, уменьшающие ошибки репликации и репарации ДНК. 2. Десмутагены – вещества, предотвращающие действие экзогенных мутагенов путем прямой инактивации их иногда еще до поступления в кровь и клетки. 3. Ингибиторы метаболической активации косвенных (непрямых) мутагенов. 4. Агенты, снижающие уровень индуцированных и спонтанных мутаций с помощью неизвестного пока механизма. Сейчас известно, что антимутагены обладают рядом общих свойств. Во-первых, антимутагены могут оказывать антимутагенный эффект на различные организмы, то есть носить универсальный характер. Во-вторых, антимутагены могут проявлять свою активность при воздействии на организм только определенных мутагенов и не действу82 ют при других. Далее, антимутагены не приводят к полному подавлению мутаций, что могло бы иметь негативные последствия для эволюционного процесса. Для ряда антимутагенов существует зависимость их эффекта от дозы. В некоторых случаях одно и то же вещество в малой дозе является антимутагеном, в больших дозах - мутагеном (например, кофеин, стрептомицин). Механизм действия одних антимутагенов связан с репликацией и репарацией ДНК, поскольку антимутагены могут влиять на ферментные системы репликации ДНК и репарации. В других случаях профилактика мутагенеза начинается до повреждения молекул ДНК путем инактивации мутагенов дисмутагенами. Некоторые антимутагены ингибируют свободнорадикальные реакции. Впервые антимутагенный эффект был показан в начале 50-х годов на пуриновых нуклеозидах - аденозине, и несколько позже - на тимидине. Механизм их действия пока не совсем ясен. В 60-х годах был показан антимутагенный эффект акридина и его метиловых производных, некоторых полиаминов, спермина и других химических веществ, например, ряда аминокислот: метионина, гистидина, цистеина, глютаминовой кислоты. Наиболее перспективными с точки зрения профилактики мутагенеза, являются растительные фенольные соединения. Они нетоксичны, входят в состав овощей и фруктов, выступая, прежде всего, как дисмутагены. Кроме того, они обладают антиоксидантными и антирадикальными свойствами, ограничивая процессы свободнорадикального окисления, образования перекисей и других мутагенных продуктов. Дисмутагенным действием обладают: экстракты капусты, баклажанов, зеленого перца, яблок, лопуха, хрена, лука, ананасов, листьев мяты, редиса, винограда и др. Поиски эффективных растении продолжаются. Из ингибиторов свободнорадикальных процессов антимутагенным действием обладает ряд фенольных и полифенольных соединений, галловая кислота и др. Из витаминов к антимутагенам относятся: А, Е, С, В4, К. Впервые антимутагенные свойства витамина Е (токоферол) были описаны в 70-х годах XX века. Было установлено, что антимутагенное действие токоферола практически универсально для различных факторов физико-химической и биологической природы. Токоферол содержится в растительных маслах, семенах (облепиха, паслён, семена шиповника) и проростках злаковых. 83 Витамин С – активный антиканцероген. Его много в зеленом и красном перце, черной смородине, петрушке, апельсинах, лимонах, грейпфрутах, помидорах, огурцах, клюкве, крыжовнике и др. Витамин В4 – (фолиевая кислота) служит барьером для вирусов, провоцирующих раковые заболевания. Витамин К с высокой эффективностью снижает частоту аберраций хромосом, возникающих под действием как физических, так и химических факторов. Способность снижать уровень спонтанных мутаций характерна и для ряда ферментов, например, таких, как каталазы, пероксидазы и др. С ними связана реализация эффекта действия генов-мутаторов и антимутаторов. Существует, видимо, и ряд эндогенных метаболитовантимутаторов. В пользу этого говорит тот факт, что на одной и той же территории, испытывающей мутагенное давление среды, одни виды оказываются более уязвимыми, другие - менее. Первые больше подвержены риску исчезновения. ЭТИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ В ГЕНЕТИКЕ ЧЕЛОВЕКА И ПРОФИЛАКТИКА НАСЛЕДСТВЕННЫХ БОЛЕЗНЕЙ Разносторонняя количественная оценка влияния различных факторов на здоровье человека в разных странах показывает, что здоровье населения на 8-14% определяется состоянием здравоохранения и медицинской помощи, на 48-50% – условиями и образом жизни, на 20-22% – окружающей средой и на 18-20% – генетическими факторами. Исходя из этого, абсолютно адекватными и научно обоснованными являются принципы евенической профилактики (а кстати и лечения) наследственных болезней в отличие от евгенической. Евгеника – (от греч. – хорошего рода) – сформулированное Ф.Гальтоном направление (1869г.) в генетике человека об улучшении природы человека. Позитивная евгеника – предлагает для улучшения человечества поддерживать (вплоть до материальной поддержки) воспроизводство людей, обладающих желаемыми качествами (нормальными умственными и физическими особенностями или выдающимися). Негативная евгеника – для тех же целей предлагала препятствовать воспроизводству умственно отсталых людей, калек, психически больных, людей с наследственной патологией путем насильственной стерилизации. Идеи негативной евгеники очень быстро распространились более чем в 30 странах (США, Германия, Швеция, Дания и др.) в США с 84 1907 по 1960г. Было стерилизовано более 100 000 человек, среди которых были нормальные люди, но у которых родились дети с эпилепсией, шизофренией, олигофренией и др. Подобные взгляды в Германии проповедовали националсоциалисты в борьбе за чистоту нордической расы. За первый год введения нацистской евгенической программы (1933г.) было стерилизовано 80 000 человек. Евгеника сыграла отрицательную роль в развитии генетики. В Росси в 20-х годах XX века позиции евгенического общества принципиально отличались от таковых западных евгенистов. Никаких евгенических законов в нашей стране не было, это даже не обсуждалось. Евфеника – формирование хороших качеств и выявление положительных свойств или исправление болезненных проявлений наследственности у человека путем создания соответствующих условий (питание, воспитание, лечение). Положение о существенной роли среды в формировании личности и сохранении здоровья было впервые сформулировано Ю.А.Филипченко (председатель евгенического общества в Петрограде) и Н.К.Кольцовым (председатель такого же общества в Москве). Это были очень прогрессивные взгляды в период господства жесткой детерминации (ограничения, определения) признаков генами и евгенического движения. Концепцию евфеники предложил Н.К.Кольцов (20-е годы ХХ века), через 50 лет эта концепция легла в основу разработки принципов патогенетического лечения наследственных болезней до начала появления клинических симптомов заболевания (принцип предупредительного лечения). Эти методы коррекции (исправления – нормализации) фенотипа при патологическом генотипе называются нормокопированием. Они реализуются при лечении врожденного гипотиреоза введением недостающего гормона; фенилкетонурии и галактоземии – диетическими методами. Коррекция патологических генов может начинаться с эмбриональной стадии развития. Закладываются основы преконцепционной (до зачатия) и пренатальной (дородовой) профилактики наследственных болезней. В частности, гипофенилаланиновая диета для матери во время беременности уменьшает проявления фенилкетонурии у ребенка. Лечение женщины гипервитаминной диетой (vit C,E, фолиевая кислота) в течение 3-6 месяцев до зачатия и первых месяцев беременности существенно уменьшает вероятность развития у ребенка аномалий нервной трубки. Это важно для семей, в которых уже были больные дети. Внутриутробная коррекция важна и для тех семей, в которых по религиозным соображениям неприемлемо прерывание беременности. 85 Внутриутробной коррекции должна предшествовать пренатальная диагностика – ультразвуковая (УЗИ) с использованием оперативной техники (амнио- и кордоцентез – взятие амниотической жидкости и крови из пупочной вены плода; хорионбиопсия, биопсия мышц и кожи плода); лабораторных методов (цитогенетические, биохимические, молекулярно-генетические). К методам первичной профилактики наследственных заболеваний относится и предимплантационная диагностика (до 5-7 дней после оплодотворения), для чего от зародыша отделяют 1-2 клетки. Уже появились сообщения о подобной диагностике синдрома Морфана, болезни Тея-Сакса, талассемии. При установлении подобных диагнозов зародыш в матку не возвращается. Процедура изъятия зародыша безболезненная, на последующие беременности не влияет. После подсадки зародыша вновь в матку нормальная беременность наступает в 50% случаев. В генетике человека прослеживается зависимость научных исследований от этического смысла их конечных результатов. Использование всех потенциальных возможностей медицинской генетики реально только при строгом соблюдении этических норм. Особенно остро эти проблемы возникают при использовании генетической инженерии в лечебных и диагностических целях, методов пренатальной и доимплантационной диагностики наследственных болезней. Большинство этических вопросов современной генетики человека можно решить в рамках 4-х принципов и трех правил. Принципы: – делай благо, – не навреди, – автономия личности, т.е. признание достоинства и свободы пациента, – справедливость – равная доступность медикогенетической помощи в государственном здравоохранении и моральная оправданность неравенства уровня таковой помощи в частном секторе здравоохранения; реализация этих двух подходов в чистом виде оказалась невозможной. Правила: – правдивости – говорить правду пациентам, иначе они не примут правильного решения, но если пациент скрывает нужные сведения, это отразится на заключении врача; – конфиденциальности – на передачу полученной при генетическом исследовании информации требуется полное согласие пациента; – информационного согласия – любое генетическое обследование должно проводиться с согласия пациента или 86 его родственников на основе достаточной информации, выраженной в понятной для пациента форме. Соблюдение этих принципов и правил в современных условиях нередко затруднено из-за сложности возникающих ситуаций. Даже такой принцип, как «делай благо», изменялся в медицинской генетике за 100 прошедших лет в зависимости от моральных устоев общества и прогресса генетических знаний, ибо возникает противоречие между благом конкретного человека и благом общества в целом. Вспомните ситуацию с евгеникой, когда во имя избавления общества от индивидуумов с отклонениями в психическом и физическом развитии подвергали насильственной стерилизации их и их родителей. Только в Германии было стерилизовано 305 000 человек. В ряде современных международных документов утверждается норма, по которой интересы пациентов ставятся выше интересов общества. 87 ТЕРМИНОЛОГИЧЕСКИЙ СЛОВАРЬ. Аллель – одна из двух или более альтернативных форм гена, каждая из которых характеризуется уникальной последовательностью нуклеотидов. Альтернативный сплайсинг – различные варианты сплайсинга, когда из одной и той же преинфор.-РНК вырезаются разные интроны и образуется несколько разных и-РНК. Амниоцентез – прокол амниотического мешка с целью получения амниотической жидкости, содержащей клетки плода. Антиципация – более раннее появление и более тяжелое течение заболевания в каждом последующем поколении. Аспект – точка зрения, с которой рассматривается какое-либо явление или понятие. Асфиксия – удушье. Адаптация – приспособление к условиям существования. Биотин – водорастворимый витамин (витамин – dH). Векторы – модифицированные плазмидные, фаговые, вирусные, дрожжевые или бактериальные ДНК или РНК, обеспечивающие проникновение экзогенной ДНК в клетки хозяина. Гаплотип – совокупность конкретных аллелей сцепленных локусов на одной хромосоме. Ген – последовательность нуклеотидов в ДНК, кодирующих определенную мРНК и соответствующий белок, либо РНК, несущие структурные или регуляторные функции. Генокопия – клинический синдром, манифестирующий под маской известного наследственного заболевания с установленной генетической природой, но обусловленный мутацией в другом гене (локусе). Геном – полная генетическая система клетки или полная последовательность ядерной ДНК организма. Генотип – совокупность всех генов организма, определяющих его фенотип. Гетерозигота – клетка (или организм), содержащая два различных аллеля в конкретном локусе гомологичных хромосом. Гетерохроматин – бедная генами область хромосомы (иногда даже целая хромосома), имеющая плотную компактную структуру в интерфазе. Гидроцефалия – увеличение количества спинномозговой жидкости в полости черепа, сопровождающееся увеличением его объема. Гипертелоризм – широко расставленные глаза. 88 Гомозигота – клетка (или организм), содержащая два одинаковых аллеля в конкретном локусе гомологичных хромосом. Гипоплазия – недоразвитие органа (дефицит массы или размера). Денатурация ДНК – переход ДНК из двухнитевой формы в однонитевую при разрыве водородных связей между комплементарными парами оснований под воздействием высоких температур или при изменении солей в буфере. Детерминация – определение, ограничение. Детерминированный – обусловленный чем-либо, в частности, генетической программой. Дискордантность – ситуация, в которой один член пары имеет определённый качественный признак, а другой нет. ДНК-диагностика – это молекулярные методы диагностики мутаций с использованием ДНК-зондов. ДНК – зонд – относительно небольшой фрагмент однонитевой ДНК (16-30 пар) используемый для поиска комплементарных последовательностей в молекулах большого размера; для этого его метят радиоактивным или флюоресцентным соединением. Закон Харди-Вайнберга – закон, связывающий частоту аллеля с частотой генотипа; используется в популяционной генетике для определения частот аллелей и гетерозигот при известной встречаемости заболевания. Ингибитор – ген, угнетающий действие другого гена; природное или синтетическое вещество, угнетающее действие фермента или кодирующего его гена. Избыточная (эгоистическая, паразитическая) ДНК – это ДНК, не несущая кодирующих функций. Импринтинг геномный (генный или хромосомный) – феномен различной экспрессии аллелей в зависимости от родительского происхождения. Интрон – сегмент ДНК в гене, не содержащий информации о структуре белкового продукта гена. Индуцированный мутагенез – это получение или возникновение мутаций под действием известных внешних факторов или в эксперименте (направленно), или при стечении обстоятельств известных, но не запланированных, в частности, аварий радиоактивных реакторов. Инициирующий (стартовый) кодон – УАГ-триплет матричной РНК, кодирующий метионин, с которого начинается образование полипептидной цепи в процессе трансляции. «Карпий рот» - рот с опущенными углами рта и дугообразной верхней губой. 89 Конкордантность – понятие, описывающее пару родственников, каждый из которых имеет определенный качественный признак или сходные величины количественного признака. Кариотип – полный набор хромосом диплоидной клетки. Кластер – пучок генов, расположенных в хромосоме рядом. Клонирование – получение необходимого числа копий (миллионов) определённого участка ДНК с использованием для этого микроорганизмов. Комплементарная ДНК (к ДНК) – однонитевая ДНК, полученная в результате обратной транскрипции с молекулы m-РНК, осуществленной ферментом ревертазой. Лабильный – подвижные элементы генома, то же, что и мобильные. Лигаза – фермент, катализирующий соединение молекул или фрагментов крупных молекул. Макроглоссия – увеличенный язык. Маркер – аллель (или признак), наследование которого прослеживается в потомстве. Макрофтальмия – увеличенные размеры глазного яблока Макроцефалия – череп, увеличенный более чем на 10% от возрастной нормы. Метилирование оснований – присоединение метильной группы СН3 к азотистому основанию ДНК. Микроглоссия – уменьшенный язык. Микроцефалия – череп, уменьшенный более чем на 10 % по сравнению с возрастной нормой. Микрофтальмия – уменьшенные размеры глазного яблока. Мобильные генетические элементы – гены, способные перемещаться по геному, прыгающие гены, транспозоны. Мульти – много, первая часть сложных слоев, указывающая на множественность. Муреин – глюкопептид – гетерополимер, состоящий из цепочек чередующихся N-ацетилглюкозамина и N-ацетилмурамовой кислоты, эти цепочки связаны пептидными мостиками. Олигофрения – врожденная или приобретенная в младенческом возрасте умственная отсталость. Онкоген – это ген, повышение экспрессии которого может явиться причиной возникновения новообразований. Последовательности, гомологичные онкогенам человека, часто обнаруживают в составе онкогенных вирусов. Патогенез – механизмы развития болезни. 90 Полиплоид – клетка (ткань или организм), имеющая 3 хромосомных набора и более. Пробанд - лицо, с которого начинается сбор родословной. Промотор – регуляторный участок гена, с которым связывается РНК-полимераза перед началом транскрипции. Праймер – олигонуклеотид, выполняющий роль “затравки“, инициирующий синтез полинуклеотидной цепи на ДНК - или РНК - матрице. Протоонкоген – неактивная форма онкогена, немутантная. Ревертаза (обратная транскриптаза) – фермент, участвующий в процессе обратной транскрипции, т.е. синтез ДНК на матрице РНК. Резистентный – устойчивый к заболеванию, сопротивляющийся ему; устойчивый к действию какого-либо фактора. Рекомбинантная ДНК – ДНК, составленная из фрагментов разного происхождения (химерные молекулы). Рекомбинация – образование новых комбинаций аллелей в связи с кроссинговером между локусами. Репарация – исправление повреждений в молекуле ДНК и восстановление ее нативной структуры. Рестриктаза – фермент, узнающий специфическую последовательность и разрезающий двунитевую молекулу ДНК в этом месте. Сайт – определённое место в молекуле ДНК. Сантиморган (сМ) – единица генетического расстояния между локусами хромосомы. Соответствует 1% кроссинговера. Эквивалентна в среднем 1 млн. пар нуклеотидов. Секвенирование – определение последовательностей нуклеотидов в молекуле ДНК. Сегрегация – расхождение гомологичных хромосом в мейозе. Секвестирование – определение последовательности нуклеотидов в молекуле ДНК или последовательности аминокислот в молекуле белка. Сибсы – родные братья и сестры. Синдром – характерный набор аномалий, предположительно вызванный одной причиной. Стоп-кодон – нуклеотидный триплет, являющийся сигналом окончания трансляции. Синдактилия – сращение пальцев рук или ног. Синусит – воспаление слизистой оболочки придаточных пазух носа. 91 Сплайсинг – процесс вырезания последовательностей нуклеотидов, комплементарных интронам, из молекулы первичного транскрипта – преинформационной ДНК. Спонтанный мутагенез – случайное возникновение мутации в природе, когда фактор, вызывающий их, неизвестен. Стоп-кодон (нонсенс) – сигнал терминации трансляции полипептидной цепи (УГА, УАА, УАГ), не кодирующий аминокислоту. Тандемные повторы – множественные и расположенные друг за другом копии определенной последовательности нуклеотидов ДНК. Трансдукция – введение в ДНК клетки экзогенных ДНК с помощью фаговых векторов. Транспозон – один из классов мобильных элементов генома; транспозон может перемещаться внутри генома («прыгающий участок ДНК»). Трансфекция – процесс введения экзогенной ДНК в эукариотические клетки. Трансформация – введение плазмидной ДНК в бактериальные клетки. Тремор – дрожание. Факультативные элементы – элементы генома, присутствие которых у каждого человека не является строго обязательным. Хитин – полимерное соединение, состоящее из остатков Nацетилглюкозаминов, соединенных как глюкоза в целлюлозе. Целлюлоза – полимер глюкозы. Центромера – первичная перетяжка в хромосоме, место соединения сестринских хроматид и формирования кинетохор. Необходима для нормального расхождения хромосом в митозе и мейозе. Шизофрения – хроническое психическое заболевание, проявляющееся изменением личности, бредом, галлюцинациями; начинается еще в молодом возрасте. Экспансия тринуклеотидных повторов – патологическое увеличение числа копий внутригенных тандемных последовательностей, состоящих из трех нуклеотидов; этот тип мутаций называется также динамическими мутациями. Эпилепсия – хроническое заболевание головного мозга, протекающее в виде судорожных припадков с потерей сознания и изменением личности. Эписома – внехромосомная суперскрученная кольцевая эукариотическая молекула ДНК. Экзон – отдельный фрагмент прерывистого гена, сохраняющийся в зрелой РНК после удаления интронных фрагментов. 92 Эпикант – вертикальная кожная складка, прикрывающая внутренний угол глазной щели. Эухроматин – богатые генами участки хромосом; слабо красятся при G – окраске, конденсируясь и становясь прозрачными в интерфазе. 93 Список литературы Акуленко, Л. В. Биология с основами медицинской генетики: учеб. для мед. училищ и колледжей / Л. В. Акуленко, . В. Угаров ; под ред. О. О. Янушевича, С. Д. Арутюнова. - М. : ГЭОТАР-Медиа, 2011. - 368 с. Акуленко, Л. В. Медицинская генетика: учеб. для мед. училищ и колледжей /Л. В. Акуленко, И. В. Угаров ; под ред. О. О. Янушевича и С. Д. Арутюнова. М. : ГЭОТАР-Медиа, 2011. – 2038 с. Ньюссбаум, Р.Л. Медицинская генетика: учеб. пособие / Р. Л. Ньюссбаум, Р. Р. Мак-Иннес, Х. Ф. Виллард. - М. :ГЭОТАР-Медиа, 2010. - 620 с. Бочков, Н.П. Клиническая генетика:учеб. для вузов / Н. П. Бочков, В. П.Пузырев, С. А. Смирнихина ; под ред. Н. П. Бочкова. - 4-е изд., доп.,перераб. - М. : ГЭОТАР - Медиа, 2011. - 592 с. Кеннет Л.Джонс. Наследственные синдрому по Дэвиду Смиту: атлассправочник /пер с англ. – М., «Практика», 2011 Спейчер М.Р., Антомаракис С.Е., Мотулски А.Г. Генетика человека поФогелю и Мотулски. Проблемы и подходы. 4-е издание/перевод с англ. – «Издательство Н-Л», 2013 94 Содержание ВВЕДЕНИЕ………………………………………………………………………….. СТРОЕНИЕ И ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ ХРОМОСОМ ЭУКАРИОТИЧЕСКОЙ КЛЕТКИ………………………………………………………………… Строение хромосом на микроскопическом уровне……………………………. Химический состав хромосом…………………………………………………... Надмолекулярная организация хромосом……………………………………… Продольная организация хромосом…………………………………………….. Политенные хромосомы…………………………………………………………. Хромосомы типа ламповых щеток……………………………………………... Хромосомы человека…………………………………………………………….. ХРОМОСОМНЫЙ МЕХАНИЗМ ДЕТЕРМИНАЦИИ И ФОРМИРОВАНИЕ ПРИЗНАКОВ ПОЛА У ЧЕЛОВЕКА……………………………………… ГЕНОМНЫЙ УРОВЕНЬ ОРГАНИЗАЦИИ ГЕНЕТИЧЕСКОГО МАТЕРИАЛА………………………………………………………………... ……………. Организация генома…………………………………………………………… Гены и генетический код……………………………………………………… Митохондриальный геном и наследственная патология……………………… ОСНОВЫ РЕГУЛЯЦИИ ЭКСПРЕССИИ ГЕНОВ…………………………….. Строение оперона………………………………………………………………... Регуляция активности генов у прокариот……………………………………… Особенности регуляции экспрессии генов у эукариот………………………... Генетический импринтинг………………………………………………………. Генетическая инженерия………………………………………………………... МЕДИКО-ГЕНЕТИЧЕСКОЕ КОНСУЛЬТИРОВАНИЕ……………………... Этапы медико-генетического консультирования……………………………… Организация медико-генетического консультирования в г. Ставрополе…….. НАСЛЕДСТВЕННАЯ ПАТОЛОГИЯ …………………………………...……… Классификация наследственной патологии……………………………………. Хромосомные болезни………………………………………………………… Хромосомные болезни, обусловленные гетероплоидией аутосом…..…… Болезнь Дауна………………………………………………………………. Синдром Эдвардса………………………………………………………….. Синдром Патау……………………………………………………………… Хромосомные болезни, обусловленные гетероплоидией половых хромосом………………………………………………………………………… Синдром Клайнфельтера……………………….…………………………… Синдром лишней Y-хромосомы…………………………………………… Синдром Шерешевского-Тернера…………………………………….……. Синдром трисомии (полисомии) по Х-хромосоме……………………….. 95 2 3 3 5 7 10 12 14 15 22 24 24 25 28 30 30 32 34 35 36 39 40 45 47 47 49 51 51 53 54 55 55 56 57 58 Хромосомная аномалия - кариотип YO…………………………………… Болезни, обусловленные хромосомными аберрациями………………….. Синдром "Крика кошки"…………………………………………………… Синдром "Филадельфийской" хромосомы……………………………….. Синдром Мартина-Белла (иди синдром фрагильной Х-хромосомы)…… Транслокационная форма болезни Дауна………………………………… Молекулярные болезни……………………………………………………….. Некоторые формы болезней обмена……………………………………………. Болезни, связанные с ферментным блоком (энзимопатии)……………… Нарушение аминокислотного обмена………………………………………... Фенилкетонурия…………………………………………………………….. Алкаптонурия……………………………………………………………….. Альбинизм…………………………………………………………………... Примеры молекулярных болезней, связанных с нарушениями углеводного обмена………………………………………………………………………… Галактоземия………………………………………………………………... Фруктозурия………………………………………………………………… Примеры наследственно-обусловленных дефектов липидного обмена… Амавротическая идиотия (болезнь Тея-Сакса)…………………………… Атеросклероз………………………………………………………………... Примеры наследственных форм нарушения минерального обмена….... Наследственная форма рахита……………………………………………... Примеры патологии транспортных белков……………………………….. Болезнь Вильсона-Коновалова……………………....…………………….. Гемоглобинопатии………………………………………………………….. Примеры наследственных дефектов структурных белков………………. Синдром Элерса-Данлоса………………………………………………….. БОЛЕЗНИ ЭКСПАНСИИ, ВЫЗЫВАЕМЫЕ "ДИНАМИЧЕСКИМИ" МУТАЦИЯМИ…....................................................................................................... ПОРОКИ РАЗВИТИЯ ЛИЦА И ПОЛОСТИ РТА, ИМЕЮЩИЕ ГЕНЕТИЧЕСКУЮ ОСНОВУ…............................................................................................. Синдром Робена…………………………………………………………....... Рото-пальце-лицевой синдром (оро-дигито-фациальный дизостоз)…...... Незаращение верхней губы………………………………………………… ПРОБЛЕМА КАНЦЕРОГЕНЕЗА……………………………....…………….... ЭКОГЕНЕТИКА И ЭКОГЕНЕТИЧЕСКИЕ БОЛЕЗНИ……………………... АНТИМУТАГЕНЕЗ………………………………………………………………... ЭТИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ В ГЕНЕТИКЕ ЧЕЛОВЕКА И ПРОФИЛАКТИКА НАСЛЕДСТВЕННЫХ БОЛЕЗНЕЙ………………………………….. ТЕРМИНОЛОГИЧЕСКИЙ СЛОВАРЬ ……………………..................……….. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ…...............................………………………………… 96 59 59 59 60 60 61 62 65 65 65 65 66 67 67 67 68 68 68 69 69 69 70 70 71 71 71 73 74 74 75 75 77 79 81 84 88 94 97