Методы изучения наследственности человека

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ

ФЕДЕРАЦИИ МИНИСТЕРСТВО ЗДРАВООХРАНЕНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ОБЪЕДИНЕНИЕ

ПО МЕДИЦИНСКОМУ И ФАРМАЦЕВТИЧЕСКОМУ

ОБРАЗОВАНИЮ ВУЗОВ РОССИИ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ

УЧРЕЖДЕНИЕ МОСКОВСКАЯ МЕДИЦИНСКАЯ

АКАДЕМИЯ им.И.М.Сеченова

119992, Москва Б.Пироговекая ул., д. 2/6. Тал. 248-53-21, 246-24-11, 247-11-80(факс)

УМО- 62 13.02.03

Учебно-методическое объединение по медицинскому и фармацевтическому образованию вузов России, рассмотрев материалы рукописи

«Введение в медицинскую генетику», подготовленной П. С.Посоховым, А.Д.Чертовым Е.А.Паршиной,,

сообщает, что указанным материалам присвоен гриф УМО:

"Рекомендуется Учебно-методическим объединением по медицинскому и фармацевтическому образованию вузов России в качестве учебного пособия для студентов медицинских вузов".

Проректор ММА им.И.М.Сеченова, зам.председателя УМО медицинских и фармацевтических вузов,

профессор И.Н.Денисов

УДК 575. 19!

ББК 28.04

П 12

Введение в медицинскую генетику (Учебное пособие).

Благовещенск. 2002 г.

Редакционный совет:

Академик ПАНИ, д.м.н, проф. В.А. Доровских, д.м.н. проф. А.А. Родионов; д.м.н. проф. А.Д. Чертов (ответственный редактор); д.м.н. проф. П.С. Посохов; д.м.н. проф. С. С. Целуйко.

Учебное пособие подготовлено д.м.н., профессором А.Д. Чертовым, д.м.н., профессором П.С. Посоховым, Е.Н. Паршиной. Предназначено для студентов медицинских факультетов для подготовки к практическим занятиям и экзаменам.

Рекомендовано к изданию в качестве учебного пособия Центральным координационным методическим советом АРМА, Центральным координационным методическим советом ДВГМУ

Рецензенты:

доктор медицинских наук, профессор А.Ф. Бабцева доктор медицинских наук, профессор, член-корр., РАМН В.К. Козлов

ISBN 5-85797-008-3

© П.С. Посохов, А.Д. Чертов, Е.А. Паршина ©Благовещенск, 2002 г.

«Изменение законов Природы вне людских возможностей

хотя бы потому, что люди сами - часть Природы.

Но знание законов Природы, в том числе законов этногенеза,

очень полезно, ибо позволяет избежать.многих бед.»

Лев Гумилев

ПРЕДИСЛОВИЕ

Современная система высшего медицинского образования предполагает высокий уровень профессиональной подготовки не только по клиническим, но и по ряду медико-биологических дисциплин, таких как биология, физика, химические науки. Несмотря на то, что эти дисциплины изучаются на первом курсе, они должны быть, на наш взгляд, максимально приближены к современным проблемам медицины.

Успехи биологии связаны с открытием законов наследования признаков Г. Менделем, теории митоза В. Флемингом, созданием теории индивидуальности и генетической непрерывности хромосом Э. ван Бенеденом, мейоза, оплодотворения, обоснования Т. Морганом и его школой хромосомной теории наследственности, значения нуклеиновых кислот, универсальности генетического кода, генной инженерии и синтетической теории эволюции. Полезно напомнить, что ставшие уже хорошо известными достижения этой науки отражают общий прогресс современной молекулярной биологии и генетики. К настоящему моменту довольно подробно изучено более 1000 генов человека, для большинства из них установлена локализация в конкретных районах определенных хромосом. Для многих болезней раскрыты специфические механизмы участия в развитии тех или иных форм наследственной патологии. Для некоторых генетических дефектов разработаны надежные методы ранней диагностики, широко применяемые для первичной профилактики тяжелых наследственных болезней.

На обложке данного учебного пособия помещено изображение первой библейской нары - Адама и Евы. Они предстают во всей красоте своего тела. Этот рисунок должен напомнить Вам об универсальности и достоинстве человеческого индивидуума. Ниже изображены хромосомные генотипы мужчины (46XY) и женщины (46ХХ). Взрослые особи продуцируют

одноклеточные гаплоидные организмы - половые клетки: с генотипом у мужчин - 23Х или 23Y и у женщины 23Х. При сочетании из 23 пар хромосом в будущих половых клетках возможна только одна комбинация из Т' = 8770000 вариантов. А если учесть процессы кроссинговера и мутаций, то каждая гамета является уникальной. Трудно предсказать, какой будет будущий диплоидный организм. Поэтому и стоит большой вопрос после знака равенства.

Многолетний опыт преподавания генетики на первом курсе
показывает, что сами студенты проявляют повышенный интерес к
этому разделу дисциплины. Удовлетворяя многочисленные
пожелания студентов получить несколько расширенную и
углубленную, чем это позволяют рамки учебника, информацию по
вопросам медицинской генетики, мы подготовили учебное пособие,  \

которое выполняет лишь функцию введения в самый молодой и перспективный раздел медицины. Конечно, практически все, что изложено в нем, можно найти в многочисленной специальной литературе. Однако, учитывая острый дефицит времени у первокурсников, их пока еще слабую специальную подготовку, это пособие позволит им удовлетворить интерес, и явится основой для фундаментального изучения проблемы на последующих курсах. Для наиболее любознательных в конце пособия приводится список литературы, знакомство с которой, возможно, явится для кого-то стартом в Большую Генетику.

Авторы выражают благодарность:

По благословению настоятеля отца Владимира Сек

для издания учебного пособия материальную поддержку оказал католический приход г. Благовещенска.

км.}/. Л.В. Кругляковой и М.В. Бекреневу

за критические замечания, советы при обсуждении рукописи и помощь в редактировании.

ВВЕДЕНИЕ

Человек в системе живой природы Земли - существо уникальное. С одной стороны, он - представитель зоологического типа хордовых, входя в него в качестве вида Homo sapiens sapiens. С другой, ему единственному из живых существ, присуща социальная форма движения материи, родившаяся вместе с первым орудием труда более 2,5 миллионов лет назад. С этого момента начинается вторая, надбиологическая часть истории человека, заметно влияющая на ход его биологической эволюции. Эти две неразрывные сущности человека обусловили формирование у него двух видов памяти: биологической - наследственность и социальной - историко-культурная преемственность поколений. Естественно, что первая из них более древняя. Она передается, не перерываясь от первых живых существ более 3,5 миллиардов лет, благодаря способности нуклеиновых кислот к идентичной репликации в каждом цикле размножения клеток.

В то же время, нуклеиновые кислоты, как и все на свете, способны изменяться, что создает материал для эволюции, одной их ветвей которой является Человек. Целый ряд мутантных признаков, в том числе и тех, которые мы, с точки зрения нашего социального статуса, именуем наследственными болезнями, подарен нам нашими животными предками. Закон гомологических рядов Н.И. Вавилова раскрывает наличие многих из них не только у ближайших, но и достаточно удаленных от нас в эволюционной ретроспективе родственников. Естественно, что наиболее значительное число их известно у млекопитающих. А с приматами, в частности с шимпанзе, нас роднят, по данным молекулярной генетики, более 90% общих генов. Наш выдающийся соотечественник врач и философ И.В. Давыдовский лаконично, но исчерпывающе точно выразил эту мысль следующими словами: «Изучение причин человеческих страданий следует начинать с биологии человека, т.е. с обезьяньего выродка, а не с Человека с большой буквы».

Социальная преемственность - это память человечества: «Искусство, знанья, войны, троны и намять сорока веков» (В. Брюсов «В мире электрона»). В каждом поколении она обогащается новыми научными и духовными ценностями, что и определяет в целом социальный прогресс человечества.

В популярной, да иногда и в научной, литературе можно встретить утверждение, что человек вышел из-под действия естественного отбора. На самом деле это утверждение не имеет под собой достаточных оснований. Да, по мере развития наук, в первую очередь медико-биологических, он все более выходит из-под его жесткого контроля. К примеру, на протяжении фактически всей истории человечества эпидемии оспы в различных местах планеты уносили миллионы жизней. На сегодняшний лень с оспой на Земле практически покончено, возбудитель этой болезни перестал играть роль мощного селективного фактора. Или гемофилия. В начале прошлого века средняя продолжительность жизни больных гемофилией не превышала 14-16 лет и. таким образом, сколько в каждом поколении рождалось больных, столько их и умирало, не оставляя потомства. Иными словами, темпы мутирования и действия отбора поддерживали концентрацию «патологического» гена примерно на одном и том же уровне. К настоящему времени, благодаря расшифровке механизмов свертывания крови и разработке заместительной терапии, средняя продолжительность жизни этих больных возросла до 50 лет, что позволяет большинству больных вступать в брак. То же можно сказать о фенилкетонурии и даже о некоторых хромосомных синдромах. А на подходе еще обширная группа ныне неизлечимых болезней, которые будут лечиться путем коррекции «патологического» гена.

И все же подавляющее число наследственных болезней, а их на сегодняшний день насчитывается уже несколько тысяч, не поддаются лечению и подпадают под действие естественного отбора. По подсчетам 3. Паппа. теоретически возможная частота мутаций у человека составляет около 26.5 1 (Р на гамету, т.е. 53% зигот генетически аномальны, а с учетом постгаметических нарушений - 55% мутантных зигот. Их судьба складывается по-разному. Иначе говоря, из 1000 оплодотворенных яйцеклеток теоретически можно ожидать около 350 живорождений, причем почти 85% всех внутриутробных потерь будет обусловлено эффектом геномных или хромосомных мутаций». И в этом гарантия тому, что естественному отбору в человеческих популяциях безработица не грозит. Возможно появление новых болезней генетической природы, которые могут быть мощным селективным фактором, пример тому- СПИД.

Медицинская генетика - самый молодой раздел медицины с исключительно многообещающими и привлекательными для человечества перспективами развития. На сегодняшний день груз

«патологических» мутаций весьма ощутим. Ежегодно в мире рождается около 1,5 миллионов детей с тяжелыми наследственными болезнями, из которых 150 тысяч приходится на болезнь Дауна (на территории бывшего Союза - 5-6 тысяч). В странах с развитым здравоохранением дети с наследственной патологией в больницах общего профиля составляют 15 - 20%. Из детей, не доживших до 1 года. 30% погибают от наследственных болезней. Детская слепота в 70% и глухота в 50% случаев обусловлены наследственными факторами. Хромосомные и геномные мутации служат причиной спонтанных абортов, врожденных пороков развития, эндокринных нарушений и других аномалий. Имеются многочисленные наблюдения, когда в некоторых семьях все дети рождаются с наследственной патологией. И пока человечество вынуждено нести колоссальные, по-видимому, не поддающиеся никаким оценкам издержки от этого груза наследственных болезней.

1. ЧЕЛОВЕК КАК ОБЪЕКТ ГЕНЕТИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ

Основой для решения многих генетических задач является гибридологический метод. Удобный генетический объект должен обладать следующими свойствами: легко скрещиваться в искусственных условиях, давать большое количество потомков, иметь короткий жизненный цикл, обладать небольшим числом хромосом. С учетом этих требований человек не может относиться к удобным генетическим объектам по следующим причинам:

1. Исследователь не может по своему желанию подбирать брачных партнеров. Люди вступают в брак по иным причинам, но никак ни ради удовлетворения любопытства экспериментатора. Таким образом, при генетическом анализе человека выпадает основа гибридологического метода - экспериментальное скрещивание.

2. Человек относится к моноплодным животным. Законы же наследственности проявляются через         статистические закономерности - необходимо большое количество потомков, чтобы реализовать все возможные комбинации анализируемых генов в гаметах и далее в зиготах. Статистика же такова, что в большинстве семей в настоящее время рождается не более 1-3 детей. Даже в странах с традиционно большим приростом населения количество детей в семье в среднем не более 3-4 человек. Таким образом, размер практически любой семьи настолько мал, что не позволяет вести анализ расщепления признаков в потомстве одной семьи.

Однако с целью преодоления этого затруднения в тех или иных популяциях можно подобрать несколько семей по наличию интересуемого признака, можно составить родословные в нескольких поколениях. Таким образом, характер наследования признака (доминантный или рецессивный, сцепленный с половыми хромосомами или с аутосомами) решается по-иному, в обход гибридологического метода. Этой же цели служат и математические методы оценки результатов наблюдений, такие, например, как хи-квадрат.

3. У человека растянутый во времени период смены
поколений - около 25 - 30 лет (именно этот срок используется при
расчетах смены поколений). Следовательно, исследователь не в
состоянии наблюдать судьбу признака более чем в одном - двух
поколениях (сравните: у гороха в экспериментах Г. Менделя -!

год, \ мухи дрозофилы - 12 - 14 суток, у кишечной палочки -около 30 минут).

Преодолевается же это затруднение при анализе больших популяций человека наблюдением за признаком в течение длительного времени - в нескольких поколениях семьи.

4. У человека, как известно, 46 хромосом, т.е. 23 группы сцепленных генов (сравните: у гороха - 8, у дрозофилы - 4. у кишечной палочки - 1). Это до недавнего времени создавало серьезные трудности в цитогенетическом картировании. Однако специфические приемы, в частности, метод гибридизации соматических клеток (или иначе его называют метод генетики соматических клеток) позволяют с успехом преодолевать эти трудности.

5. Человека нельзя помещать в экстремальные условия с целью изучения нормы реакции тех или иных генов, поскольку не только с этических, но и с юридических позиций, эксперименты на людях недопустимы. Для человека понятие «среда» имеет иной, более широкий характер, чем для животных. В это понятие включаются не только биотические и абиотические элементы, но и условия социальной жизни. И особенно сложной является оценка влияния социальных факторов на здоровье и его наследственность. Для формирования ряда признаков у человека влияние их исключительно велико (например, уровень интеллектуального развития. возможность реализовать какие-то врожденные наклонности и т.д.). В связи с этим напомним, понятие «здоровье» в соответствии с Уставом Всемирной организации здравоохранения - это состояние полного физического, душевного и социального благополучия, а не только отсутствие болезней и физических дефектов. В то же время среда не поддается изменению по желанию генетиков.

К описанным выше обстоятельствам, затрудняющим изучение генетики человека, следует добавить и то, что в большинстве стран имеет место неудовлетворительная сохранность документации по регистрации браков, рождаемости, смертности и статистики болезней.

С другой стороны, целый ряд моментов привносит и значительное облегчение в формирование генетических представлений о человеке. Это прежде всего хорошая изученность фенотипа человека - анатомическая, физиологическая, биохимическая, иммунологическая, клиническая, что позволяет достаточно легко распознать многие формы наследственных

болезней и отклонение от нормы, И в этом плане с человеком fie может сравнится ни один биологический объект. В целом сейчас человек по уровню генетической изученности стоит в одном ряду с такими излюбленными объектами генетики, как кишечная палочка, муха дрозофила, мышь, кукуруза, плесень нейроспора.

МЕТОДЫ ИЗУЧЕНИЯ НАСЛЕДСТВЕННОСТИ ЧЕЛОВЕКА

Для решения сугубо генетических задач применительно к
человеку используют следующие методы: генеалогический,
близнецовый, цитологический, генетики соматических клеток,
дерматоглифики, популяционно-статистический и моделирования.
При изучении же наследственных признаков в принципе можно
использовать многие другие методы, применяемые в биологии и
медицине:        биохимические,       электрофизиологические,

морфологические и т.д..

2.1. ГЕНЕАЛОГИЧЕСКИЙ МЕТОД

Данный метод относится к наиболее универсальным в. генетике человека. Технически он складывается из составления и последующего анализа родословных древ - генеалогий. Метод применим в тех случаях, когда в семье сохраняются сведения о проявлении признака в нескольких поколениях данного клана. В медицинской генетике этот метод часто называют клинико-диагностическим, поскольку речь идет об изучении признаков в семье с помощью приемов клинического обследования.

Возможности генеалогического метода достаточно широки, и он используется при решении как теоретических, так и прикладных задач:

— установка наследственного характера признака;

— определение характера наследования (доминантность, рецессивность, пенетрантносгь);

— сцепления генов - с аутосомами или половыми хромосомами;

 

— картирования хромосом:

— интенсивности мутационного процесса;

— расшифровки механизмов взаимодействия генов;

— медико-генетического консультирования. Теоретической основой в генетическом анализе родословных

являются законы Г. Менделя. Для человека свойственны все типы

наследования; доминантный, рецессивный, явление неполного доминирования, У человека, как и у других живых существ, лишь немногие признаки полностью доминантны. Разделение же генов на доминанантные и рецессивные в известной степени условно.

Клинико-генетическое обследование семей пробанда (человека, по поводу которого составляется родословная) начинается с составления подробной семейной схемы, куда входят сведения о заболеваниях или изучаемый признак не менее чем в 3 -4 поколениях семей, и чем больше поколений, тем лучше. Собирание генетического материала требует известного навыка и большой тщательности. Часто наследственные заболевания в семье усиленно скрываются. По возможности, все члены семьи должны быть осмотрень! лично врачем-генетиком. Сведения о родственниках, полученные от больного, должны быть подтверждены перекрестным опросом остальных членов семей.

При составлении графической схемы семейной родословной пользуются общепринятыми обозначениями (Рис. 1).

Рис. 1.Символы, используемые при составлении родословных.

I - лицо мужского пола. 2 - лицо женского пола. 3 - пол неизвестен. 4 -- брак. 5 - родственный брак. 6. - сибсы. 7 - монозиготные близнецы, 8 - дизиготные близнецы. 9 - выкидыш. 10 - аборт. 1 1 мертворожденный. 12 - бездетный брак, 13 - гетерозиготная носительница. 14-умершие. 15-пробанд.