Актуальность темы
В клинической генетике для диагностики различных форм наследственной патологии применяются клинико-генеалогический метод, специальные и дополнительные (лабораторные, инструментальные) методы исследования.
Среди специальных методов диагностики выделяют цитогенетический, биохимический, молекулярно-генетический и иммунологический методы. Среди дополнительных методов значатся ультразвуковое исследование внутренних органов, рентгенография, магнитно-резонансная томография, электромиография, ЭКГ и др. Показания для применения этих методов различаются в зависимости от поставленных целей и задач, одни методы применяются чаще, другие реже. Основные генетические законы и закономерности имеют универсальное значение и в полной мере приложимы к человеку.
Формируемые компетенции:
«Лечебное дело»: ОК 1, 4, 6, 7, 8, 11 ПК 2.2, 5.6
«Сестринское дело»: ОК 1, 4, 8, 11 ПК 2.5, 2.6, 5.1
«Акушерское дело»: ОК 1, 4, 8, 11 ПК 3.3, 3.6, 4.2, 5.4
«Фармация»: ОК 1, 4, 8
Цели занятия:
- определить особенности человека как объекта генетических исследований;
- разобрать методику проведения и возможности генеалогического, близнецового, цитогенетического и биохимических методов изучения наследственности человека, определить показания к использованию этих методов;
- рассмотреть возможности популяционно-статистического метода для анализа генетической структуры популяций;
- дать понятие о молекулярно-генетических методах изучения наследственности.
Вопросы для самоподготовки студентов к практическому занятию:
1. Особенности человека как объекта генетических исследований.
2. Цитогенетический метод изучения наследственности человека.
3. Генеалогический метод изучения наследственности человека.
4. Близнецовый метод изучения наследственности человека.
5. Использование популяционно-статитического метода для анализа генетической структуры популяций. Закон Харди-Вайнберга.
6. Биохимические методы.
Литература:
Е.К. Тимолянова «Медицинская генетика» / Серия «Медицина для вас». – Ростов н/д: Феникс, 2003. – 304с. – С. 118-129; 132-137.
Медицинская генетика: Учеб. пособие / В.А. Орехова и др. – Минск: Высшая школа, 1997. – 123с. – С. 66-70.
Задания для самостоятельной работы студентов на практическом занятии
Задание 1. Перечислите основные особенности человека как объекта генетических исследований.
Человек как объект генетических исследований имеет ряд особенностей:
1) _____________________________________________________.
2) _____________________________________________________.
3) _____________________________________________________.
4) _____________________________________________________.
5) _____________________________________________________.
Максимальное количество баллов за выполненное задание – 2 балла.
Задание 2. Прочитайте особенности генеалогического метода исследования. Заполните таблицу «Типы моногенного наследования, выявляемые с помощью генеалогического метода».
.
Генеалогия - это учение о родословных. Суть генеалогического метода сводится к выявлению родословных связей и прослеживанию признака или болезни среди близких и дальних прямых и непрямых родственников. Технически он складывается из двух этапов: 1) составление родословной схемы; 2) собственно генеалогический анализ.
Пробанд - лицо, с которого начинают составление родословной.
Обычно родословная составляется по одному или нескольким признакам заболевания. Может быть полной или ограниченной. Фигуры в родословной располагаются по поколениям. Каждое поколение занимает отдельную строку, обозначается слева римской цифрой. Арабскими цифрами нумеруются члены одного поколения (весь ряд) слева направо в порядке рождения. Все индивидуумы должны располагаться строго по поколениям в один ряд.
Поскольку большинство наследственных заболеваний проявляется в детском возрасте в основном производится расспрос родителей пробанда (чаще всего мать или других лиц, окружающих ребенка). Детально собранный анамнез часто содержит опорные пункты для диагноза, который можно предположить сбора анамнеза. Он проводится по определенной схеме. После получения паспортных данных врач должен выяснить:
1) анамнез настоящего заболевания, его начало, течение, характер жалоб;
2) тщательный анамнез жизни ребенка, включая здоровье и возраст родителей, течение беременности и акушерский анамнез матери: случаи абортов, мертворождений, ранней детской смерти, точные сведения о кровном родстве супругов, возможность внебрачного зачатия. большую роль играет вскармливание на первом году жизни, темпы физического и психо-моторного развития ребенка.
3) сведения о сибсах пробанда (порядковый номер рождения, возраст, состояние здоровья);
4) данные о родственниках пробанда I и II степеней родства.
После составления родословной (обычно достаточно трех-пяти поколений) переходят к генеалогическому анализу.
Генеалогический метод относится к наиболее универсальным методам медицинской генетики. Он широко применяется при решении теоретических и прикладных проблем: 1) для установления наследственного характера признака; 2) при определении типа наследования и пенетрантности гена; 3) при анализе сцепления генов и картировании хромосом; 4) при изучении интенсивности мутационного процесса; 5) при расшифровке механизмов взаимодействия генов; 6) при медико-генетическом консультировании.
Типы моногенного наследования, выявляемые с помощью генеалогического метода:
1. Аутосомное наследование: ген, отвечающий за исследуемый признак локализуется на аутосоме:
а) аутосомно-доминантный тип наследования:
- заболевание наблюдается в каждом поколении, т.е. прослеживается в родословной по вертикали (кроме случаев новой мутации). Мутантный ген, связанный с аутосомой, проявляет свое действие как в гомозиготном, так и гетерозиготном состоянии.
- риск рождения больного ребенка, если болен один из родителей, составляет 50%.
- здоровые индивиды имеют здоровых потомков.
- у больного индивида болен один из родителей, кроме случаев новой мутации.
- оба пола поражаются с одинаковой частотой
Заболевания: синдром Марфана, ахондроплазия и др.
б) аутосомно-рецессивный тип наследования:
- при браке двух гетерозиготных носителей одного и того же мутантного рецессивного гена в среднем 50% детей фенотипически могут быть здоровы, но являются носителями мутантного рецессивного гена;
- 25% детей получат мутантный рецессивный ген от обоих родителей и будут поражены наследственным рецессивным заболеванием (гомозиготы);
- 25% будут здоровы фенотипически и генотипически;
- оба пола поражаются одинаково;
- в родословной при таком наследовании заболевание может прослеживаться по горизонтали, повторяться через одно или несколько поколений;
- у больного родителя рождаются здоровые дети;
- в случае кровно-родственных браков между родителями пробанда наблюдается увеличения числа больных в родословной.
Заболевания: галактоземия, муковисцидоз, серповидно-клеточная анемия, альбинизм и др.
2. Наследование, сцепленное с полом (гоносомное) - когда мутантный ген расположен в одной из половых хромосом - Х- или У-хромосоме:
а) Х-сцепленный доминантный тип:
- у больного пробанда обязательно болен один из родителей;
- у больного отца все дочери больны, а сыновья здоровы;
- у больной матери равно вероятно рождение больной дочери и больного сына;
- у здоровых родителей все дети будут здоровы;
- больных женщин в 2 раза больше, чем больных мужчин.
Заболевания: фосфатдиабет, синдром Ретта, Гольца и др.
б) Х-сцепленный рецессивный тип:
- заболевание наблюдается у мужчин-родственников пробанда по материнской линии;
- сыновья никогда не наследуют заболевание отца;
- у больного отца все его дочери здоровы и являются гетерозиготными носителями патологического гена;
- если женщина является гетерозиготным носителем патологического гена, то половина ее сыновей больны, а все дочери здоровы, причем половина дочерей - гетерозиготые носители патологического гена.
Заболевания: несахарный диабет, мышечная дистрофия Дюшена, гемофилия А, В, ихтиоз и др.
в) У-сцепленный тип:
- в У-хромосоме находятся гены: детерминирующий развитие семенников, отвечающий за сперматогенез (фактор азооспермии), контролирующий интенсивность роста тела, конечностей и зубов, определяющий оволосение ушной раковины.
- признак передается всем мальчикам.
- признак проявляется только у лиц мужского пола.
- патологические мутации, затрагивающие формирование семенников или сперматогенез, наследоваться не могут, такие индивиды стерильны.
г) Митохондриальный тип:
Митохондрии передаются с цитоплазмой яйцеклеток (в каждой яйцеклетке - 25 000 митохондрий, содержащих кольцевую хромосому). Генные мутации в митохондриальной ДНК обнаружены при атрофии зрительного нерва Лебера, митохондриальных миопатиях, доброкачественной опухоли (онкоцитоме), при прогрессирующих офтальмоплегиях.
- болезнь передается только от матери.
- болеют и девочки, и мальчики.
- больные отцы не передают болезни ни дочерям, ни сыновьям.
Таким образом, метод используется для прослеживания признака (или заболевания) в ряду поколений с указанием типа родственных связей между членами родословной.
Возможности клинико-генеалогического метода:
- установление наследственного характера признака;
- определение типа наследования;
- выявление экспрессивности и пенетрантности действия генов и расшифровка механизмов взаимодействия генов;
- анализ сцепления генов и картирование хромосом;
- изучение интенсивности мутационного процесса.
Таблица «Типы моногенного наследования, выявляемые с помощью генеалогического метода»
| Тип наследования | Особенности наследования | Примеры заболеваний |
Максимальное количество баллов за выполненное задание – 5 баллов.
Задание 3. Решите задачи.
1. По родословной, представленной на рисунке, установите характер наследования признака, выделенного чёрным цветом (доминантный или рецессивный, сцеплен или не сцеплен с полом), генотипы родителей и детей в первом и во втором поколениях.
- мужчина
 |
- женщина
- проявление 
признака
Максимальное количество баллов за выполненное задание – 4 балла.
Задание 4. Прочитайте особенности близнецового метода исследования и решите задачи.
Близнецовый метод - исследование генетических закономерностей на близнецах, а также изучение явления многоплодия у человека. Сущность метода заключается в сравнении сходства (конкордантности) и различия (диконкордантности) в группах монозиготных и дизиготных близнецов, что позволяет с помощью специальных формул оценить соотносительную роль наследственности и факторов среды на формирование конкретного признака (или заболевания).
Для количественной оценки роли этих факторов можно использовать формулу Хольцингера.
Смз - Сдз
Н = -------------- x 100. Е = 100 – Н, где
100 - Сдз
Смз - конкордантность монозиготных близнецов
Сдз – конкордантность дизиготных близнецов
Н - роль наследственности
Е - роль факторов среды.
При Н = 1 признак полностью определяется наследственным компонентом;
При Н = 0 признак определяется влиянием среды;
При Н = близкий к 0,5 признак определяетсяпримерно одинаковым влиянием наследственности и среды.
Решите задачи
1. Конкордантность монозиготных близнецов по массе тела составляет 80%, а дизиготных - 30%. Каково соотношение наследственных и средовых факторов в формировании признака?
2. Конкордантность монозиготных близнецов по бронхиальной астме составляет 50%, а дизиготных – 5%. Каково соотношение наследственных и средовых факторов в формировании признака?
3. В одной из популяций изучали наследуемость бронхиальной астмы. Были изучены 46 пар монозиготных и 120 пар дизиготных близнецов. Во всех этих парах хотя бы один из близнецов страдал бронхиальной астмой. При этом в 23-х парах монозиготных близнецов и в 6-и парах дизиготных близнецов второй близнец тоже страдал бронхиальной астмой. Определите коэффициент наследуемости бронхиальной астмы.
Максимальное количество баллов за выполненное задание – 6 баллов.
Задание 5. Используя материал учебника, заполните таблицу
«Сравнительная характеристика дизиготных и монозиготных близнецов».
Таблица «Сравнительная характеристика дизиготных и монозиготных близнецов»
| Характеристика | Монозиготные близнецы | Дизиготные близнецы |
| Время рождения | ||
| Количество яйцеклеток, из которых развиваются близнецы | ||
| Количество сперматозоидов, участвующих в оплодотворении | ||
| Степень сходства генотипа | ||
| Пол близнецов | ||
| Причина появления |
Максимальное количество баллов за выполненное задание – 3 балла.
Задание 6. Прочитайте особенности популяционно-статистического метода исследования и решите задачи.
Попyляционно-статистический метод используется для изучения генетической структуры популяций, а также факторов, влияющих на сохранение и изменение генофонда популяций при смене поколений. Этот метод использует статистическую обработку данных, полученных при изучении частоты встречаемости в популяции определенного признака или наследственного заболевания, на основе закона генетического равновесия Харди - Вайнберга. Закон гласит: «В популяции при условии панмиксии и при отсутствии мутационного давления и отбора устанавливается равновесие частот генотипов, которое сохраняется из поколения в поколение». С точки зрения популяционного статистического анализа особенно важно, что закон устанавливает математическую зависимость между частотами генов и генотипов. Эта зависимость основывается на простом математическом расчете. Если генофонд популяции обусловлен парой аллельных генов (например А и а) и ген А встречается с частотой р, а ген а - с частотой q, то соотношение частот этих аллелей в популяции окажется равенством:
p+q=1
Возведя обе части равенства в квадрат и раскрыв скобки, получим формулу, отражающую частоту генотипов:
р2 (АА) +2 Рq (Аа) + q2 (аа) =1
Следовательно, генотип АА встречается в рассматриваемой популяции с частотой р2, генотип аа - с частотой q2, а гетерозиготы - с частотой 2рq. Таким образом, зная частоту аллелей, можно установить частоту всех генотипов, и, наоборот, зная частоту генотипов - частоту аллелей.
Решите задачи
1. C какой частотой в популяции людей встречаются гeтepoзиготные особи по гену альбинизма, если известно, что из 20 000 человек один является альбиносом. За развитие заболевания отвечает аутосомно-рецессивный ген.
2. Фенилкетонурия наследуется аутосомно-рецессивно. Частота среди новорожденных 1:10 000 для районов РФ. Определите частоту гетерозиготных носителей гена фенилкетонурии.
3. Из 27 312 детей, родившихся в городе, у 32 обнаружен патологический рецессивный признак. Определите частоты аллелей в популяции и установите, на какое число новорожденных приходится один носитель заболевания.
4. Из 84 тыс. детей, родившихся в течение 10 лет в родильных домах города К., у 210 обнаружен патологический рецессивный признак. Популяция этого города отвечает условиям панмиксии и генотипического равновесия для двухаллельной генетической системы. Определите частоту рецессивного аллеля в данной популяции и установите ее генетическую структуру.
5. Гиперхолистеринемия – аутосомно-доминантный признак, распространенный в Европе с частотой 2: 1000. Определите частоты генов в европейской популяции.
Максимальное количество баллов за выполненное задание – 5 баллов.
Задание 7. Прочитайте особенности цитогенетического метода исследования.
Заполните таблицу «Характеристика цитогенетического метода исследования».
Метод позволяет идентифицировать кариотип (особенность строения и число хромосом), путем записи кариограммы. Цитогенетическое исследование проводится у пробанда, его родителей, родственников или плода при подозрении на хромосомный синдром либо другое хромосомное нарушение.
Объектом исследования служат культуры лимфоцитов периферической крови, фибробластов кожи, клеток других тканей.
С помощью метода определяется наличие Х и У полового хроматина, определяющего истинную половую принадлежность. Половой хроматин (тельце Барра) - в виде компактной глыбки в ядрах соматических клеток имеется только у женщин. Он определяется в эпителиальных клетках ротовой полости, вагинальном эпителии и клетках волосяной луковицы.
Показания для цитогенетического обследования больного:
1) множественные пороки развития (с вовлечением трех и более систем); наиболее постоянные нарушения - пороки развития головного мозга, опорно-двигательной системы, сердца и мочеполовой системы; 2) умственная отсталость в сочетании с нарушениями физического развития, дисплазиями, гипогенитализмом; 3) стойкое первичное бесплодие у мужчин и у женщин при исключении гинекологической и урологической патологии; 4) привычное невынашивание беременности, особенно на ранних стадиях; 5) нарушение полового развития (гипогонадизм, половые инверсии); 6) небольшая масса ребенка, рожденного при доношенной беременности.
Применение цитогенетического метода в клинической генетике обусловило развитие нового направления - клинической цитогенетики, которая позволяет:
- установить происхождение структурно перестроенных хромосом и их точную классификацию;
- выделить синдромы, обусловленные дисбалансом по участкам индивидуальных хромосом;
- накапливать сведения об изменениях хромосом в опухолевых клетках, у больных с наследственными заболеваниями крови и т.д.
Таблица «Характеристика цитогенетического метода исследования»
| Объект исследования | Показания к использованию | Возможности метода |
Максимальное количество баллов за выполненное задание – 5 баллов.
Задание 8. Прочитайте особенности биохимических методов исследования.
Заполните таблицу «Характеристика биохимического метода исследования».
Эти методы помогают обнаружить целый ряд заболеваний с нарушениями обмена веществ (энзимопатии). Исследованию подлежат кровь, моча, ликвор, пунктаты костного мозга, амниотическая жидкость, сперма, пот, волосы, ногти, кал и др.
На первом этапе обследования (экспресс-диагностика) применяются методы массового биохимического скрининга: пробы Феллинга (на фенилкетонурию), Альтгаузена (гликогенозы), Бенедикта (галактоземия, фруктоземия), проба на гипераминоацидурию, микробиологический тест Гатри (ФКУ и др. аминоацидопатии). Разработаны простые качественные биохимические тесты для эксперсс-диагностики гипотиреоза, муковисцидоза, для выявления нарушений обмена билирубина. Эти пробы достаточно просты и используют легко доступный биологический материал (кровь, моча).
На втором этапе (уточняющая диагностика) применяют молекулярно-цитогенетические, молекулярно-биологические методы, более сложные методы аналитической биохимии:
- исследование метаболического пути (количественное определение метаболитов, их кинетики и накопления);
- прямое измерение концентрации (иммунохимические методы), активности (энзимо-диагностика), физико-химических параметров мутантных белков;
- исследование мутантных белков с помощью нагрузочных проб мечеными субстратами и гибридизации соматических клеток;
- исследование структуры мутантного гена методами рестрикционного анализа.
Показания для биохимического исследования:
1) умственная отсталость, психические нарушения;
2) нарушение физического развития - аномальный рост и строение волос или ногтей; неправильный рост с искривлением костей туловища и конечностей, чрезмерное отложение жира, гипотрофия или кахексия, тугоподвижность или разболтанность суставов;
3) плохое зрение или полная слепота, тугоухость или глухота;
4) судороги, мышечная гипотония, гипер- и гипопигментация, фото-чувствительность, желтуха;
5) непереносимость отдельных пищевых продуктов и лекарственных препаратов, нарушение пищеварения, частая рвота, диарея, жидкий стул;
6) почечно-каменная болезнь, холестаз;
7) гемолитические анемии и др. состояния.
Таблица «Характеристика биохимического метода исследования»
| Объект исследования | Показания к использованию | Возможности метода |
Максимальное количество баллов за выполненное задание – 5 баллов.
Задание 9. Ответьте на задания в тестовой форме.
Выберите один или несколько правильных ответов:
1. Задачей близнецового анализа является: А. определение характера наследственности признака; Б. определение частоты встречаемости аллеля в популяции; В. определение ступени наследуемости признака; Г. определение наличия патологии по другим признакам.
2. Для диагностики хромосомных болезней человека используют методы: А. генеалогический; Б. цитогенетический; В. биохимический; Г. популяционно-статистический; Д. близнецовый; Е. дерматоглифика.
3. Типы мутаций, выявляемые цитогенетическим методом: А. генные; Б. хромосомные; В. генетические; Г. геномные.
4. При диагностики каких болезней у пациента исследуют кариотип: А. генных; Б. хромосомных; В. инвазионных.
5. Наука о родословных: А. генетика; Б. биология; В. генеалогия; Г. евгеника.
6. Препарат, позволивший определить в 1956 г точное число хромосом в кариотипе человека: А. колхицин; Б. цитоарсеин; В. фитогаммаглютинин; Г. флюоресцентные красители.
7. Метод, который нельзя применять для изучения генетики человека: А. генеалогический; Б. цитогенетический; В. гибридологический; Г. близнецовый; Д. популяционный.
8. Дерматоглифический метод основан на исследовании: А. ушей; Б. кожного рисунка концевых фаланг пальцев рук; В. глаз; Г. ладоней; Д. ног; Е. волос.
9. Цитогенетический метод основан на: А. микроскопическом изучение структуры хромосомного набора; Б. анализе генетических процессов в отдельных клетках; В. биологическом изучение структуры хромосомного набора; Г. отдельных хромосом клеток человека.
10. Для аутосомно-доминантного типа наследования характерно: А. отсутствие болезни у родителей; Б. наличие болезни во всех поколениях родословной; В. проявление в гетерозиготном состоянии; Г. независимость проявления болезни от пола; Д. в гомозиготном состоянии усиление проявлений болезни; Е. всегда одинаковая экспрессивность и пенетрантность; Ж. наличие болезни в одном поколении.
11. Для аутосомно-рецессивного типа наследования характерно: А. родители фенотипически здоровы; Б. родители гетерозиготные носители; В. инбридинг не влияет на частоту гена; Г. несвойственно накопление гена в популяции.
12. Для рецессивного Х-сцепленного типа наследования характерно: А. дочери больного отца не получают ген болезни; Б. дочери больного отца - носители гена; В. болеют лица мужского пола; Г. у женщины-носительницы больными могут быть 25% сыновей; Д. у больного отца 25% больных сыновей.
13. Для Х-сцепленного доминантного типа наследования характерно: А. частота заболеваний мужчин и женщин одинакова; Б. мужчина передает сыну заболевание в 50% случаев; В. больной отец передает заболевание 50% дочерей; Г. женщина передает свое заболевание 25% дочерей и сыновей.
14. Закон Харди-Вайнберга имеет формулу: А. p2+2pq+q2=1; Б. p+q=1; В. p2+2pq+q2=1 и p+q=1; Г. p2-2pq-q2=1 и p+q=1.
15. Закон Харди-Вайнберга позволяет рассчитать частоту: А. рецессивного гена; Б. доминантного гена; В. гетерозиготного носительства; Г. кроссинговера; Д. мутации; Е. полисомию; Ж. моносомию.
Максимальное количество баллов за выполненное задание – 15 баллов.
Контрольные вопросы для выявления итогового уровня знаний по теме
1. Перечислите особенности человека как объекта генетических исследований?
2. Назовите особенности генеалогического метода изучения наследственности человека? Перечислите основные этапы генеалогического метода? Дайте определение понятиям «пробанд», «сибсы»? Перечислите основные проблемы, решаемые с помощью генеалогического метода?
3. В чем заключается сущность близнецового метода исследования наследственности человека? Для чего используется формула Хольцингера?
4. Для чего используется популяционно-статистический метод изучения наследственности человека? Сформулируйте закон Харди-Вайнберга?
5. Назовите показания для цитогенетического обследования человека? Что является объектом исследования в цитогенетическом методе?
6. Что позволяют выявить биохимические методы исследования? Перечислите биологические жидкости, используемые при проведении биохимического исследования? Назовите показания для биохимического исследования? Какие этапы включает в себя биохимическое исследование?