Генетика человека изучает явления наследственности и изменчивости в популяциях людей, особенности наследования нормальных и патологических признаков, зависимость заболеваний от генетической предрасположенности и факторов среды. Задачей медицинской генетики является выявление и профилактика наследственных болезней.
Генетика человека - одна из важнейших теоретических основ современной медицины. Академик И.П. Павлов, признавая важное значение генетики для физиологии и медицины, писал: «Наши врачи должны как азбуку знать законы наследственности... Воплощение в жизнь научной истины о законах наследственности поможет избавить человечество от многих скорбей и горя».
Одним из основоположников медицинской генетики является выдающийся советский невропатолог С.Н. Давиденков (1880-1961), начавший свою плодотворную работу в двадцатых годах на Украине. Он впервые применил идеи генетики в клинике, дал анализ ряда наследственных заболеваний, часть из которых была описана им впервые. Важной заслугой С.Н. Давиденкова является разработка методов медико-генетического консультирования и его первое практическое применение в нашей стране.
Особенности генетики человека. Исследование генетики человека связано с большими трудностями, причины которых связаны с невозможностью экспериментального скрещивания, медленной сменой поколений, малым количеством потомков в каждой семье. Кроме того, в отличие от классических объектов, изучаемых в общей генетике, у человека сложный кариотип, большое число групп сцепления. Однако, несмотря на все эти затруднения, генетика человека успешно развивается.
Невозможность экспериментального скрещивания компенсируется тем, что исследователь, наблюдая обширную человеческую популяцию, может выбрать из тысяч брачных пар те, которые необходимы для генетического анализа. Метод гибридизации соматических клеток позволяет экспериментально изучать локализацию генов в хромосомах, проводить анализ групп сцепления (см. ниже).
При изучении генетики человека используются следующие методы: генеалогический, близнецовый, популяционно-статистический, дерматоглифический, биохимический, цитогенетический, гибридизации соматических клеток и методы моделирования.
У человека установлены все 24 теоретически возможные группы сцепления генов; из них 22 локализованы в аутосомах, в каждой из которых содержится по нескольку сот генов. Более 100 генов локализовано в половых хромосомах.
У млекопитающих, в том числе и человека, X- и У-хромосомы имеют гомологичный участок, в котором происходит их синапсис и возможен кроссинговер. Все гены, локализованные в половых хромосомах человека, можно разделить на три группы в зависимости от того, в каких участках половых хромосом они находятся.
Первая группа - сцепленная с полом. В нее входят гены, локализованные в той части Х-хромосомы, которая не имеет гомологичного участка в У-хромосоме. Они полностью сцеплены с полом, передаются исключительно через Х-хромосому. К их числу относятся рецессивные гены гемофилии, дальтонизма, атрофии зрительного нерва и др. Доминантные гены из этого участка одинаково проявляются у обоих полов, рецессивные же - у женщин только в гомозиготном, а у мужчин - и в гемизиготном состоянии.
Вторую группу составляет небольшое число генов, расположенных в непарном участке У-хромосомы. Они могут встречаться только у лиц мужского пола и передаются от отца к сыну. К ним относятся: волосатость ушей, ихтиоз (кожа в виде рыбьей чешуи), перепончатые пальцы на ногах.
Третья группа - гены, расположенные в парном сегменте половых хромосом, т.е. гомологичном для Х- и Y-хромосом. Их называют неполно или частично сцепленными с полом. Они могут передаваться как с Х-, так и с Y-хромосомой и переходить из одной в другую в результате кроссинговера.
Методы изучения наследственности у человека. Генеалогический метод. Этот метод основан на прослеживании какого-либо нормального или патологического признака в ряде поколений с указанием родственных связей между членами родословной. Генеалогия в широком смысле слова - родословная человека.
Генеалогический метод был введен в науку в конце XIX в. Ф. Гальтоном. Суть его состоит в том, чтобы выяснить родственные связи и проследить наличие нормального или патологического признака среди близких и дальних родственников в данной семье.
Сбор сведений начинается от пробанда. Пробандом называется лицо, родословную которого необходимо составить. Им может быть больной или здоровый человек - носитель какого-либо признака или лицо, обратившееся за советом к врачу-генетику. Братья и сестры пробанда называются сибсами. Обычно родословная составляется по одному или нескольким признакам. Метод включает два этапа: сбор сведений о семье и генеалогический анализ. Составление родословной часто представляется несложным делом, однако при кажущейся доступности и простоте этот метод требует большой тщательности, умения правильно задавать вопросы, высокой квалификации врача. Генеалогический метод является основным связующим звеном между теоретической генетикой человека и применением ее достижений в медицинской практике.
Хотя генеалогический метод является одним из самых давних, его возможности далеко не исчерпаны благодаря использованию новых, более совершенных методов анализа фенотипа, выявлению гетерозиготных носителей, учету влияния факторов среды и т.п. Для составления родословной проводят краткие записи о каждом члене родословной с точным указанием его родства по отношению к пробанду. Затем делают графическое изображение родословной; для составления схемы приняты стандартные символы (квадрат - мужчина, круг - женщина, закрашенное - обладатель изучаемого признака, круг-квадрат - брак, от черточки вниз разветвляются круги и квадраты - дети).
При составлении родословной поколения можно обозначать римскими цифрами сверху вниз (слева от родословной). Потомство одного поколения (сибсы) располагается в одном горизонтальном ряду в порядке рождения (слева направо). В пределах одного поколения каждый член обозначается арабскими цифрами, в том числе мужья и жены сибсов. Каждый член родословной может быть обозначен соответствующим шифром, например II-5, III-7.
Генеалогический метод тем информативнее, чем больше имеется достоверных сведений о здоровье родственников больного. При собирании генетических сведений и их анализе надо иметь в виду, что признак может быть выражен в разной степени, иногда незначительной (так называемые микропризнаки). Микропроявлением врожденного вывиха бедра может считаться уплощение вертлужной впадины и увеличенная подвижность («разболтанность») тазобедренных суставов. У родственников людей с наследственно-обусловленными расщелинами губы и неба чаще, чем в контроле, встречаются высокое укороченное небо, борозда на язычке, аномалии прикуса, уплощение носа или раздвоение его кончика.
После составления родословной начинается второй этап - генеалогический анализ, целью которого является установление генетических закономерностей. Вначале требуется установить, имеет ли признак наследственный характер. Если какой-либо признак встречался в родословной несколько раз, то можно думать о его наследственной природе. Однако это может быть и не так. Например, какие-то внешние факторы или профессиональные вредности могут вызвать сходные заболевания у членов одной семьи. Если какое-то вредное воздействие действовало на женщину во время нескольких беременностей, то возможно рождение детей со сходными пороками.
В случае обнаружения наследственного характера признака необходимо установить тип наследования: доминантный, рецессивный, сцепленный с полом.
Основные признаки аутосомно-доминантного наследования следующие: проявление признака в равной мере у представителей обоих полов, наличие больных во всех поколениях (по вертикали) и при относительно большом количестве сибсов и по горизонтали (у сестер и братьев пробанда). У гетерозиготного родителя вероятность рождения больного ребенка (если второй родитель здоров) составляет 50%. Следует учесть, что и при доминантном типе наследования может быть пропуск в поколениях за счет слабо выраженных, «стертых» форм заболевания (малая экспрессивность мутантного гена) или за счет его низкой пенетрантности (когда у носителя данного гена признак отсутствует). Возможно, в некоторых случаях мутантный ген подавляется каким-то имеющимся в генотипе эпистатическим геном. Надо также учесть, что при некоторых доминантно наследуемых заболеваниях человек может заболеть после 40-50 лет. В случае смерти в более раннем возрасте никаких данных о возможной болезни этого члена семьи, естественно, нет, но имеется вероятность заболевания у потомков.
Основные признаки рецессивного наследования: относительно небольшое число больных в родословной, наличие больных «по горизонтали» (болеют сибсы - родные, двоюродные). Родители больного ребенка чаще фенотипически здоровы, но являются гетерозиготными носителями рецессивного гена. Вероятность рождения больного ребенка составляет 25%. При проявлении рецессивных заболеваний нередко встречается кровное родство родителей больных. Следует иметь в виду, что наличие отдаленного родства бывает неизвестно членам семьи. Приходится учитывать косвенные соображения, например, происхождение из одного и того же малонаселенного пункта или принадлежность к какой-либо изолированной этнической или социальной группе.
Рецессивный признак проявляется тогда, когда в генотипе имеются оба рецессивных аллеля. Кроме описанного варианта, когда родители имеют генотипы Аа и Аа, возможны и другие варианты исходных генотипов. Оба родителя - рецессивные гомозиготы; в этом случае (безусловно, редком) все дети будут больны. Один из родителей болен, а другой - здоров, но имеет в генотипе мутантный ген в гетерозиготном состоянии (аа и Аа). В этом случае наблюдается симуляция доминантного наследования (теоретически возможное расщепление 1: 1). Однако, наиболее часто наблюдаются варианты рождения больного ребенка у фенотипически нормальных родителей и наличие больных по боковым линиям родословной.
Существует тип наследования, сцепленного с полом. Заболевания, обусловленные геном, локализованным в Х-хромосоме, могут быть как доминантными, так и рецессивными. При доминантном Х-сцепленном наследовании заболевание одинаково проявляется как у мужчин, так и у женщин и в дальнейшем может передаваться потомству. В этом случае женщина может передать этот ген половине дочерей и половине сыновей (ее генотип - XAXa, вероятность передачи Х-хромосомы с доминантным мутантным геном - 50%). Мужчина же передает этот ген с Х-хромосомой всем дочерям. Понятно, что сыновья, имеющие в генотипе только одну материнскую Х-хромосому, этот ген от отца унаследовать не могут. Примером такого заболевания является особая форма рахита, устойчивого к лечению кальциферолами (вит. D).
При рецессивном наследовании заболеваниями, сцепленными с Х-хромосомой, как правило, страдают мужчины. Гетерозиготная носительница - мать- передает мутантный ген половине сыновей (которые будут больны) и половине дочерей, которые, оставаясь фенотипически здоровыми, как и мать, тоже являются носительницами и передают рецессивный ген вместе с Х-хромосомой следующему поколению. Примерами такого заболевания являются цветовая слепота (дальтонизм), гемофилия. В редких случаях эти признаки могут проявиться; и у женщин, если ее отцом был больной мужчина, а мать была гетерозиготна.
Близнецовый метод. Это один из наиболее ранних методов изучения генетики человека, однако, он не утратил своего значения и в настоящее время. Близнецовый метод был введен Ф. Гальтоном, который выделил среди близнецов две группы: однояйцовые (монозиготные) и двуяйцовые (дизиготные). Kaк правило, у человека рождается один ребенок, но в среднем один случай на 84 новорожденных составляют двойни. Около одной трети их числа - монозиготные близнецы. Они развиваются из разъединившихся бластомеров одной оплодотворенной яйцеклетки и, следовательно, имеют одинаковый генотип. Монозиготные близнецы при нормальном эмбриональном развитии всегда одного пола.
Дизиготные близнецы рождаются чаще (2/3 общего количества двоен), они развиваются из двух одновременно созревших и оплодотворенных яйцеклеток. Такие близнецы могут быть и однополые, и разнополые; с генетической точки зрения они сходны как обычные сибсы, но у них большая общность факторов среды во внутриутробном (пренатальном) и частично в постнатальном периодах. В первый период применения этого метода проводили сравнение близнецов по внешним морфологическим признакам: цвет волос, глаз, пигментация кожи, форма нога, глаз, губ. ушных раковин, пальцевые узоры и т.п. Эти признаки, как известно, наследственно обусловлены. Если изучаемый признак проявляется у обоих близнецов пары, их называют конкордантными (лат. concordare - быть согласным, сходным). Конкордантность - это процент сходства по изучаемому признаку. Отсутствие признака у одного из близнецов - дискордантность.
В настоящее время для более точного определения зиготности кроме морфологических признаков используют исследование групп крови (по системе АВ0, Kh, MN) и белков плазмы крови.
Хотя ни один из этих признаков сам по себе не является достаточным, но в комплексе они дают возможность определить зиготность близнецов. Между монозиготными близнецами возможна трансплантация, отторжения не происходит.
Близнецовый метод используется в генетике человека для того, чтобы оценить степень влияния наследственности и среды на развитие какого-либо нормального или патологического признака. Поскольку у монозиготных близнецов одинаковые генотипы, то имеющееся несходство вызывается условиями среды в период либо внутриутробного развития, либо формирования организма после рождения. Большой интерес для решения ряда вопросов имеют случаи, когда партнеры по каким-либо причинам росли и воспитывались в разных условиях. Сохраняющаяся конкордантность по ряду физиологических признаков в этом случае объясняется влиянием генотипа. С другой стороны, разнояйцовые близнецы позволяют проанализировать другой вариант: условия среды (при совместной жизни) одинаковые, а генотипы у них разные.
Уже из простого сопоставления приведенных данных видно, что такие признаки, как группа крови, цвет волос и глаз, полностью определяются генотипом. В отношении многих других признаков выводы не столь очевидны, но заметно, что даже некоторые инфекционные заболевания (полиомиелит, туберкулез) хоть и вызываются факторами вирусной или бактериальной природы, в некоторой степени зависят от наследственной предрасположенности. Для оценки роли наследственности в развитии того или иного признака производят расчет по формуле H=(%сходства ОБ-%сходства ДБ)/(100%-%сходства ДБ), где Н - коэффициент наследственности (англ. heredity - наследственность) ОБ - однояйцевые близнецы; ДБ - двуяйцевые близнецы.
При Н, равном единице, признак полностью определяется наследственным компонентом; при Н, равном нулю, определяющую роль играет влияние среды. Коэффициент, близкий к 0,5, свидетельствует о примерно одинаковом влиянии наследственности и среды на формирование признака.
Приведем конкретный пример. Конкордантность монозиготных близнецов по заболеваемости шизофренией равна 70%, а дизиготных - 13%. Тогда Н=(70-13)/(100-13)= 57/87=0,65 или 65%
Влияние среды определяется формулой С-100% - Н. Тогда С-100% - 65%-35%. Следовательно, в приведенном случае имеется преобладающее влияние наследственности, но существенную роль играют и условия среды.
Другой пример: группа крови у монозиготных близнецов совпадает в 100% случаев, а у дизиготных - в 45%, т. е. этот признак полностью определяется генотипом.
Для многих заболеваний наряду с наследственным компонентом значительную роль играют условия среды, при которых происходит реализация генотипа в фенотип.
Метод дерматоглифики. Дерматоглифика (гр. derma - кожа, gliphe - рисовать) - это изучение рельефа кожи на пальцах, ладонях и подошвенных поверхностях стоп. В отличие от других частей тела здесь имеются эпидермальные выступы - гребни, которые образуют сложные узоры. Еще в древности в Китае и Индии обратили внимание на то, что рисунки кожных узоров на пальцах и ладонях строго индивидуальны, и пользовались отпечатками пальцев вместо подписи. На земле нет двух людей с одинаковыми рисунками на пальцах (кроме монозиготных близнецов). В 1892 г. Ф. Гальтон предложил классификацию этих узоров, позволившую использовать этот метод для идентификации личности в. криминалистике. Таким образом, выделился один из разделов дерматоглифики - дактилоскопия (изучение узоров на подушечках пальцев). Другие разделы дерматоглифики - пальмоскопия. (рисунки на ладонях) и плантоскопия (изучение дерматоглифики подошвенной поверхности стопы).
Дактилоскопия. Гребни на коже пальцев рук соответствуют сосочкам дермы (от лат. papilla - сосочек), поэтому их называют также папиллярными линиями, рельеф этих выступов повторяет пласт эпидермиса. Межсосочковые углубления образуют бороздки. На поверхности гребней открываются выводные протоки потовых желез, а в толще соединительно-тканного сосочка находятся чувствительные нервные окончания. Поверхность, покрытая гребневой кожей, отличается высокой тактильной чувствительностью. Закладка узоров происходит между 10 и 19 неделями внутриутробного развития; у 20-недельиых плодов уже хорошо различимы формы узоров. Формирование папиллярного рельефа зависит от характера ветвления нервных волокон. Полное формирование деталей строения тактильных узоров отмечается к шести месяцам, после чего они остаются неизменными до конца жизни. При повреждении кожи (ожог, отморожение, травмы) их рисунок восстанавливается через некоторое время в своем первоначальном виде, причем воспроизводится не только характер узора, но и самые тонкие его детали. Конечно, восстановление возможно до тех пор, пока повреждение не связано с глубокой травмой, влекущей образование рубцов из плотной соединительной ткани.
Дерматоглифические исследования имеют важное значение в определении зиготности близнецов, в диагностике некоторых наследственных заболеваний, в судебной медицине, в криминалистике для идентификации личности. Папиллярные линии на пальцевых подушечках образуют токи различного направления. Узоры обычно изучают на отпечатках, сделанных на бумаге после смазывания кожи типографской краской. Детальное исследование узора проводят с помощью лупы. Папиллярные линии разных токов никогда не пересекаются, во могут сближаться в определенных пунктах, образуя трирадиусы, или дельты (по сходству образующейся фигуры с греческой буквой Δ). На пальцевых подушечках различают линии центрального узора и линии рамки, которые окаймляют центральный узор. Несмотря на индивидуальную неповторимость узоров, выделяют три основных их типа: дуги А (аигл. arch - дуга); петли L (англ. loop - петля) и завитковые узоры W (аигл. whorl- завиток). Дуговые узоры встречаются реже остальных (6%), в этом узоре имеется лишь одни поток папиллярных линий. Начинаясь с одного края узора, линии приподнимаются к другому, противоположному краю, образуя дуговой, шатровый узор, изгиб которого бывает то крутым, то отлогим. Петлевые узоры являются наиболее распространенными (около 60%). Это замкнутый с одной стороны узор: гребни начинаются также от края узора, но, не доходя до противоположного края, изгибаются в виде петли и возвращаются к тому же краю, от которого начались. Петли имеют одну дельту. Если петля открывается в сторону лучевой кости, она называется радиальной, если в сторону локтевой кости - ульнарной (Lr; Lu).
Запись пальцевых узоров
Пальцы I II III IV V
Правая рука W A Lr W Lu
Левая рука W Lu Lu W Lu
Завитковые узоры занимают среднее место по распространенности (34%). Они имеют вид концентрических кругов, овалов, спиралей, снизу и сверху центральная часть узора окаймлена двумя потоками линия. Завитки имеют две дельты. На пальцах ног имеются тоже три типа узоров, но в ином процентном соотношении (больший процент дуг). Тактильные узоры на подошве у человека редуцированы по сравнению с обезьянами и занимают меньшую площадь. Количественным показателем дерматоглифики является гребневой счет (число папиллярных линий между дельтой и центром узора). В среднем на одном пальце бывает 15-20 гребней, на всех десяти пальцах у мужчин эта цифра равна 144,98±51,08, а для женщин - 127,23±52,51.
Пальмоскопия. Ладонный рельеф очень сложный, в нем выделяют ряд полей, подушечек и ладонных линий. Центральную ладонную ямку окружают шесть возвышений - подушечек. У основания большого пальца - тенар, у противоположного края ладони - гипотенар, против межпальцевых промежутков находятся четыре межпальцевые подушечки. У основания II, III, IV и V пальцев находятся пальцевые трирадиусы - точки, где сходятся три разнонаправленных тока папиллярных линий. Их обозначают латинскими буквами а, b, c, d. Вблизи браслетной складки, отделяющей кисть от предплечья, по продольной линии, идущей от IV пястной кости, располагается главный (осевой) ладонный трирадиус t. Если провести линии от трирадиусов a и d к t, то образуется ладонный угол atd, в норме он не превышает 57°.
В ряде случаев могут встречаться дополнительные трирадиусы, а также их редукция. Чем проксимальнее расположен трирадиус t, тем острее угол atd и, наоборот, дистальное его расположение приводит к увеличению этого угла. Частота встречаемости узоров варьирует в разных популяциях. Подсчет числа трирадиусов дает понятие об интенсивности узора, она тем выше, чем меньше дуг и больше петель.
У правшей более сложные узоры встречаются на правой руке, у левшей - на левой. У женщин частота завитковых узоров ниже, чем у мужчин, меньше гребневой счет, а частота петлевых и дуговых - выше. Понятно, что все эти варианты относятся к нормальной изменчивости. Индивидуальные особенности кожных узоров наследственно обусловлены. Это доказано многими генетическими исследованиями, в частности, на монозиготных близнецах. Коэффициент конкордантности у них составляет 0,8-0,9. Практически это означает, что из 10 пальцев 8-9 имеют сходные узоры и показатели гребневого счета. У дизиготных близнецов конкордантность не превышает 0,3-0,5.
На подошвенной поверхности стоп также имеются кожные узоры. Их изучение составляет предмет плантоскопии.
Обширные исследования по изучению особенностей дерматоглифики проведены у нас в стране Т.Д. Гладковой (1966), а по наследственной обусловленности кожных узоров - И.С. Гусевой (1970, 1980). На основании этих работ был сделан вывод, что количественные показатели рельефа гребневой кожи программируются полигенной системой, включающей небольшое число аддитивно действующих генов. Гены гребневой кожи проявляют свой морфогенетический эффект, влияя на степень ветвления нервного волокна, и фенотипически определяют гребневую плотность.
На формирование дерматоглифических узоров могут оказывать влияние некоторые повреждающие факторы на ранних стадиях эмбрионального развития. Так, при внутриутробном действии вируса коревой краснухи у ребенка наблюдаются некоторые отклонения в узорах, сходные с таковыми при болезни Дауна. Многие вопросы наследственной обусловленности дерматоглифики и влияния факторов среды на развитие этих структур в эмбриональном периоде остаются невыясненными. В последние годы метод дерматоглифики стали использовать в клинической генетике. Этот метод применяется в качестве дополнительного для подтверждения диагноза хромосомных синдромов у людей с изменениями кариотипа. Менее показательны данные дерматоглифического анализа при заболеваниях генной природы.
Биохимические методы. Эти методы используются для диагностики болезней обмена веществ, причиной которых является изменение активности определенных ферментов. С помощью биохимических методов открыто около 500 молекулярных болезней, являющихся следствием проявления мутантных генов. При различных типах заболеваний удается либо определить сам аномальный белок-фермент, либо промежуточные продукты обмена. Эти методы отличаются большой трудоемкостью, требуют специального оборудования и потому не могут быть широко использованы для массовых популяционных исследований с целью раннего выявления больных с наследственной патологией обмена.
В последние два десятилетия в разных странах разрабатываются и применяются для массовых исследований специальные программы. Первый этап такой программы состоит в том, чтобы среди большого количества обследуемых выделить предположительно больных, имеющих какое-то наследственное отклонение от нормы. Такая программа называется просеивающей, или скриннинг-программой (англ. screening - просеивание). Для этого этапа обычно используется небольшое количество простых, доступных методик (экспресс-методов). Экспресс-методы основаны на простых качественных реакциях выявления продуктов обмена в моче, крови. На втором этапе проводится уточнение (подтверждение диагноза или отклонение при ложно-положительной реакции на первом этапе). Для этого используются точные хроматографические методы определения ферментов, аминокислот и т. п.
Применяют также микробиологические тесты, они основаны на том, что некоторые штаммы бактерий могут расти только на средах, содержащих определенные аминокислоты, углеводы. Удалось получить штаммы по веществам, являющимся субстратами или промежуточными метаболитами у больных при нарушении обмена. Если в крови или моче есть требуемое для роста вещество, то в чашке Петри вокруг фильтровальной бумаги, пропитанной одной из этих жидкостей, наблюдается активное размножение микробов, чего не бывает в случае анализа у здорового человека. Разрабатываются различные варианты микробиологических методов.
Популяционно-статистический метод позволяет изучать распространение отдельных генов в человеческих популяциях. Обычно производится непосредственное выборочное исследование части популяции либо изучают архивы больниц, родильных домов, а также проводят опрос путем анкетирования. Выбор способа зависит от цели исследования. Последний этап состоит в статистическом анализе.
Одним из наиболее простых и универсальных математических методов является метод, предложенный Г. Харди и В. Вайнбергом. Имеется и ряд других специальных математических методов. В результате становится возможным определить частоту генов в различных группах населения, частоту гетерозиготных носителей ряда наследственных аномалий и болезней.
Исследуемые популяции могут различаться по биологическим признакам, географическим условиям жизни, экономическому состоянию. Изучение распространенности генов на определенных территориях показывает, что в этом отношении их можно разделить на три категории: 1) имеющие универсальное распространение (к их числу относится большинство известных генов); примером могут служить рецессивные гены фенилкетонурии и некоторых других форм слабоумия, встречающиеся в гетерозиготном состоянии у 1% населения Европы; ген дальтонизма, который проявляется у 7% мужчин и 0,5% женщин; но в гетерозиготном состоянии этот ген имеют 13% женщин; 2) встречающиеся.локально, преимущественно в определенных районах; к числу последних относятся, например, ген серповидноклеточной анемии, распространенный в странах Африки и Средиземноморья, и ген, определяющий врожденный вывих бедра, имеющий высокую концентрацию у коренных жителей северо-востока нашей страны.
Популяционно-статический метод позволяет определить генетическую структуру популяций (соотношение между частотой гомозигот и гетерозигот). Новые возможности для проведения генетического анализа открывает применение электронно-вычислительной техники. Знание генетического состава популяций населения имеет большое значение для социальной гигиены и профилактической медицины.
Цитогенетический метод. Принципы цитогенетических исследований сформировались в течение 20-30-х годов на классическом объекте генетики - дрозофиле и на некоторых растениях. Метод основан на микроскопическом исследовании хромосом.
Нормальный кариотип человека включает 46 хромосом, из них 22 пары аутосом и 2 половые хромосомы. До 1956 г. количество хромосом у человека не было точно установлено, это удалось шведским ученым Д. Тийо и А. Левану. К этому времени в лаборатории успешно производили культивирование клеток человека (клетки костного мозга, культуры фибробластов или лейкоцитов периферической крови, стимулированных к делению фитогемагглютинином). Добавление колхицина останавливает процесс митоза на стадии метафазы, так как инактивируются нити веретена; затем клетки обрабатываются гипотоническим раствором. В результате набухания и разрыва клеточных мембран хромосомы оказываются лежащими свободно и на некотором расстоянии друг от друга (метафазные пластинки). Это дает возможность подсчитывать их и анализировать. Важнейшая задача состоит в умении различать индивидуальные хромосомы в данной метафазной пластинке. Непосредственно, путем визуального наблюдения под микроскопом это сделать трудно, поэтому обычно делают микрофотографии, а затем вырезают отдельные хромосомы и располагают их в порядке убывающей величины, т.е. производят построение кариограммы.
Для идентификации хромосом применяют количественный морфометрический анализ. С этой целью проводят измерение длины хромосомы в микрометрах. Определяют также соотношение длины короткого плеча к длине всей хромосомы (центромерный индекс).
В 1960 г. была разработана первая Международная классификация хромосом человека (Денверская). В основу ее были положены особенности величины хромосом и расположение первичной перетяжки. По форме и общим размерам все аутосомы человека подразделяются на 7 групп, обозначаемых латинскими буквами А, В, С, D, Е, F, G. Все хромосомы имеют порядковые номера. Наиболее крупная пара гомологичных хромосом имеет №1, следующая - №2 и т.д.. Самые маленькие из хромосом человека-№ 21 и 22. Половые хромосомы - крупная Х и мелкая Y-выделяются отдельно. В последнее время разрабатываются автоматические и полуавтоматические системы для измерения и количественного анализа хромосом.
Однако идентификация хромосом только по указанным признакам встречает большие затруднения. Фактически удается определить, к какой группе относится хромосома, а в пределах группы определить ее место и номер часто не представляется возможным. В дальнейшем положения Денверской классификации были развиты, дополнены новыми критериями и конкретизированы на последующих международных конференциях, последней из которых была Парижская IV конференция по стандартизации хромосом человека (1971). Были использованы принципиально новые методические подходы. В 1968-1970 гг. были опубликованы работы шведского генетика Касперссона, который применил для изучения хромосом флюоресцентные красители, в частности акрихин-иприт и его производные. Последующее изучение в люминесцентном микроскопе показало, что хромосомы не дают равномерного свечения по длине.
Выявляемая обычными ядерными красителями однородность хромосом оказалась обманчивой, в ней выделяется несколько светящихся полос, совпадающих с локализацией структурного гетерохроматина. Кроме крупных, сильно флюоресцирующих участков, каждая хромосома имеет чередующиеся диски. Этот рисунок свечения строго специфичен для каждой хромосомы. После удаления из хромосом ДНК они теряют почти полностью способность к флюоресценции. При изучении многих видов млекопитающих оказалось, что способностью к акрихкновой флюоресценции обладают хромосомы человека, гориллы и шимпанзе. В интерфазных ядрах этим методом выявляется Y-хромосома, которая имеет вид очень ярко светящегося зеленоватого тельца.
В настоящее время разработано несколько методов выявления структурной неоднородности по длине хромосом человека. Основу всех методов составляют произведенные на препаратах процессы денатурации и ренатурации ДНК хромосом. Если после денатурации ДНК, вызванной нагреванием и некоторыми другими факторами, провести затем ее ренатурацию - восстановление исходной двунитчатой структуры, а затем окрасить хромосомы красителем Гимзы, то в них выявляется четкая дифференцировка на темноокрашенные и светлые полосы - диски. Последовательность расположения этих дисков, их рисунок строго специфичен для каждой хромосомы. В результате различных вариантов метода удается выявить центромерный и околоцентромерный гетерохроматин (С-диски), диски, расположенные по длине хромосом (собственно Гимзы-диски, G-диски).
Значительный вклад в изучение хромосом сделан советскими цитогенетиками А.А. Прокофьевой-Бельговской. А.Ф. Захаровым. В институте медицинской генетики АМН СССР А.Ф. Захаровым был разработан перспективный метод изучения хромосом. В основу его положен процесс неодновременной репликации хромосом: одни участки реплицируются раньше, у других этот процесс задерживается и репликация происходит значительно позднее. Неодновременно идет процесс спирализации хромосом, вступающих в митоз. Однако к тому моменту, когда хромосомы вступают в метафазу, успевает завершиться процесс выравнивания этих различий, и степень конденсации метафазных хромосом становится одинаковой. Было показано, что можно задержать этот процесс путем введения 5-бромдезоксиуридина (5-БДУ), которое является аналогом тимидина - предшественника ДНК. Если 5-БДУ вводить в конце S-периода, то он включается в синтез ДНК; те участки хромосом, где находится это вещество, остаются слабоокрашенными, так как была задержана спирализация. Рано редуплицировавшиеся участки хромосомы, успевшие спирализоваться, интенсивно окрашиваются (Р-диски). Расположение светлых и темных дисков при этом методе противоположно тому, что наблюдается при G-окраске.
Сравнительный анализ различных методов окраски показал, что одни и тот же диск может выделяться как светлый, неокрашенный иди темноокрашенный, но порядок расположения дисков идентичен при всех методиках (Q, С, G и Р-диски). Следовательно, не вызывает сомнения, что их расположение и последовательность имеют закономерный характер, специфичный для каждой хромосомы. Природа этой специфической дифференциации хромосом на диски еще окончательно не выяснена, как и причины акрихиновой флюоресценции участков хромосом. Имеются предположения, что это связано с наличием блоков повторяющихся последовательностей нуклеотидов в молекуле ДНК или с особенностями ее связи с белками, входящими в состав хромосомы. Выявление внутренней структурной неоднородности хромосом сыграло важную роль в дальнейшем развитии цитогенетики человека и положено в основу международной номенклатуры.
Если нарушения касаются половых хромосом, то диагностика упрощается. В этом случае проводится не полное кариотипирование, а применяется метод исследования полового хроматина в соматических клетках.
Половой хроматин - это небольшое листовидное тельце, интенсивно окрашивающееся гематоксилином и другими основными красителями. Оно обнаруживается в интерфазных клеточных ядрах млекопитающих и человека, непосредственно под ядерной мембраной. Половой хроматин обнаружили впервые в 1949 г. М. Барр и Ч. Бертрам В нейронах кошки; исследователи обратили внимание, что он присутствует только в ядрах клеток самок и отсутствует у самцов.
Впоследствии было уточнено, что половой хроматин имеется в большинстве клеточных ядер самок (60-70%), у самцов его обычно нет, либо встречается очень редко (3-5%). В клетках мужчины иногда можно видеть очень небольшое количество псевдотелец полового хроматина - это конденсированные участки аутосом и спирализованные Y-хромосомы. Они значительно мельче Х-хроматина и отличаются по форме, расположению и количеству. Половой хроматин представляет собой спирализованную Х-хромосому, кот