Медбио_7

1.

Севастопольский государственный университет
Кафедра «Радиоэкология и экологическая безопасность»
Медицинская
биология
канд. биол. наук, ст. науч. сотр.
Сытников Денис Михайлович

2.

Медицинская биология
Лекция 7. Человек как объект генетического анализа (2 ч):
Генеалогический метод
Близнецовый метод
Популяционно-статистический метод
Молекулярно-генетических методы
Цитогенетический метод
Биохимический метод
Медико-генетическое консультирование

3.

Медицинская биология
Лекция 7. Человек как объект генетического анализа
Генетика человека — раздел генетики, изучающий закономерности наследования и
изменчивости признаков у человека; включает такие же разделы, как и общая генетика:
- биохимическая генетика исследует связи между разными генами и органическими
соединениями, присутствующими в живых организмах;
- молекулярная генетика занимается исследованиями материальной природы генов или вещества
наследственности (молекул ДНК), а также процессов, происходящих с ним в клетках;
- цитогенетика занимается изучением структуры и морфологии отдельных хромосом и их
наборов в клетках, а также построением цитогенетических карт, т.е. определяет расположение
генов и других элементов генома в хромосомах;
- генетика развития изучает генетический контроль эмбриогенеза, начиная с проэмбриональных
стадий созревания половых клеток до завершения дифференцировки разных тканей и органов.
- генетика популяций занимается изучением частот мутаций и генотипов в популяциях, а
также географических, демографических и иных факторов, влияющих на их динамику.
Предметом медицинской генетики являются направления генетики человека, изучающие роль
генетических факторов в этиологии и патогенезе заболеваний. Раздел медицинской генетики,
используемый в клинической практике, называется клинической генетикой.
Фармакогенетика изучает влияния генотипических особенностей пациентов на метаболизм
лекарств.
Изучение наследственности и изменчивости человека затруднено вследствие невозможности
применить все подходы генетического анализа. При этом существуют методы для изучения
наследственных болезней человека.

4.

Медицинская биология
Лекция 7. Человек как объект генетического анализа.
7.1. Генеалогический метод
Генеалогический метод – основан на составлении и анализе родословных; его широко используют в
генетике человека, в процессе медико-генетического консультирования, в прогнозировании
проявления изучаемого признака в потомстве для предупреждения наследственных заболеваний.
Метод применяется при выяснении, является ли признак наследственным или обусловлен средой;
установлении сцепленного характера наследования и при картировании хромосом; изучении
интенсивности мутационного процесса; изучении механизмов взаимодействия генов; определении
пенетрантности аллеля; определении типа наследования признака.
Общая схема развития генных болезней включает ряд звеньев: мутантный аллель -> измененный
первичный генный продукт – нарушенная цепь биохимических процессов клетки -> изменение в
тканях и органах -> нарушения в организме. Особенностью генных болезней является их
гетерогенность (одно и то же фенотипическое проявление болезни может быть обусловлено
мутациями в разных генах или разными мутациями внутри одного гена).
Моногенные болезни наследуются в соответствии с законами Менделя (менделирующие болезни).
Тип наследования является важнейшей и постоянной характеристикой любого моногенного
заболевания. Он отражает функциональную значимость соответствующего мутантного гена, его
хромосомную локализацию и механизмы реализации мутации на клеточном уровне. По характеру
наследования различают:
аутосомно-доминантные болезни (около 2500);
аутосомно-рецессивные болезни (около 1500);
сцепленные с X-хромосомой болезни (около 310).

5.

Медицинская биология
Лекция 7. Человек как объект генетического анализа.
7.1. Генеалогический метод
Условные обозначения
родословной

6.

Медицинская биология
Лекция 7. Человек как объект генетического анализа.
7.1. Генеалогический метод
Аутосомно-доминантный тип наследования
признак наблюдается в каждом поколении, то есть 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 при одном больном родителе составляет 50 %, если он
гетерозиготен, и 100 %, если он гомозиготен;
здоровые родители имеют здоровых потомков;
у больного хотя бы один из родителей болен, кроме случаев новой мутации;
оба пола поражаются с одинаковой частотой;
у больных родителей возможно рождение здорового ребенка с вероятностью 25 %, если они
оба гетерозиготы.
K заболевания с аутосомно-доминантным типом наследования относятся: болезнь
Гентингтона (хореический гиперкинез с психическими расстройствами), семейная
гиперхолистеринэмия, ахондроплазия (нарушение процесса роста костей), нейрофиброматоз
(изменения на коже и в нервной системе), синдром Марфана (изменения в органах опорнодвигательного аппарата, аорты, хрусталика) и др.

7.

Медицинская биология
Лекция 7. Человек как объект генетического анализа.
7.1. Генеалогический метод
Аутосомно-рецессивный тип наследования
передача в ряду поколений рецессивного аллеля характеризуется тем, что даже при достаточном числе
потомков признак проявляется с пропусками поколений (наследование «по горизонтали»);
мужчины и женщины поражаются с одинаковой частотой;
у больных родителей не может быть здоровых детей; если один родитель болен, а второй здоров и не
является носителем данного аллеля, то все дети фенотипически будут здоровы, но будут носителями;
если один родитель болен, а второй здоров, но является носителем, риск рождения больного ребенка
составит 50 %; в случае кровнородственных браков между родителями пробанда наблюдается
увеличение числа больных в родословной;
при браке двух гетерозиготных носителей рецессивного аллеля: в среднем 50 % детей фенотипически
могут быть здоровы, но являются носителями этого аллеля, 25 % детей могут получить мутантный
рецессивный ген от обоих гетерозиготных родителей и будут иметь рецессивное заболевание, 25% детей
могут быть здоровы фенотипически и генотипически.
К заболеваниям с аутосомно-доминантным типом наследования относятся: галактоземия, муковисцидоз
(поражение желёз внешней секреции, нарушения функций органов дыхания), фенилкетонурия
(нарушением метаболизма фенилаланина), талассемия (снижение выработки гемоглобина), болезнь
Вильсона-Коновалова (нарушение метаболизма меди с поражением ЦНС и внутренних органов), болезнь
Тея-Сакса (разрушению нервных клеток в головном и спинном мозге) и др.

8.

Медицинская биология
Лекция 7. Человек как объект генетического анализа.
7.1. Генеалогический метод
X-сцепленный рецессивный тип наследования
заболевание наблюдается у мужчин – родственников пробанда по материнской линии;
сыновья никогда не наследуют заболевание 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 – гетерозиготные носители
патологического гена;
в родословной прослеживается тенденция к чередованию поколений с большим и меньшим
числом мужчин, имеющих признак;
Гены в составе Х-хромосомы мальчики наследуют только от матери, а девочки – и от матери, и
от отца. При этом Х-сцепленные гены передаются от отца всем дочерям без исключения, а от
матери – равновероятно детям обоего пола.
К заболеваниям с этим типом наследования относятся дальтонизм, гемофилии А и В,
миопатия Дюшенна, тестикулярная феминизация и др.

9.

Медицинская биология
Лекция 7. Человек как объект генетического анализа.
7.1. Генеалогический метод
X-сцепленный доминантный тип наследования
признак, детерминируемый доминантным Х-сцепленным аллелем гена, чаще наследуется женщинами и
при достаточном числе потомков проявляется в каждом поколении;
у больного пробанда обязательно болен один из родителей;
у больного отца все дочери больны, а сыновья здоровы;
у больной матери равновероятно рождение больной дочери и больного сына;
у здоровых родителей все дети будут здоровы; в целом в родословной больных женщин в 2 раза больше,
чем больных мужчин.
Сцепленное с Х-хромосомой доминантное наследование встречается редко. К заболеваниям, наследуемым
по этому типу, относятся Х-сцепленный гипофосфатемический рахит (витамин-D-резистентный рахит),
фолликулярный кератоз (закупорка волосяных фолликулов), коричневая окраска эмали зубов.
Y-сцепленный (голандрический) тип наследования
признак передается всем мальчикам; проявляется только у лиц мужского пола; патологические мутации,
затрагивающие формирование яичек или сперматогенез, наследоваться не могут, такие индивиды
стерильны.
В негомологичном участке Y-хромосомы находятся ген SRY, определяющий мужской пол организма, а также
гены, необходимые для нормального формирования сперматозоидов.

10.

Медицинская биология
Лекция 7. Человек как объект генетического анализа.
7.2. Близнецовый метод
Близнецовый метод – используют для оценки роли генетических и средовых факторов в
развитии конкретного признака или заболевания. В результате исследований близнецов
установлена наследственная предрасположенность к гипертонической болезни, инфаркту
миокарда, инсульту, ревматизму и др. мультифакториальным болезням (наследственная
предрасположенность). Метод предполагает изучение пар моно- (однояйцевых) и дизиготных
(двуяйцевых) близнецов и позволяет установить наследственный характер признака,
пенетрантность гена, действие внешних факторов (лечебных препаратов, методов воспитания
и т.д.).
Учитывается сходство или различие генотипов (монозиготные близнецы (МБ) – 100 % общих
генов, дизиготные (ДБ) – 50 %, как у братьев и сестер, рожденных в разное время) и среды, в
которой они развивались. Выясняется конкордантность (сходство) и дискордантность
(расхождение) по изучаемому признаку в парах МБ и ДБ.
Конкордантность (К) – отношение числа пар, в которых оба близнеца имеют анализируемый
признак ко всем обследованным парам МБ или ДБ. Дискордантность (Д) – отношение числа
пар, в которых один близнец имеет, а другой не имеет данного признака, ко всем
обследованным парам: Д = 100 % – K.

11.

Медицинская биология
Лекция 7. Человек как объект генетического анализа.
7.3. Популяционно-статистический метод
Применение популяционно-статистического метода позволяет изучить распространение
наследственных признаков (наследственных заболеваний) в популяциях (больших группах населения)
в одном или нескольких поколениях.
С помощью этого метода можно рассчитать частоту встречаемости в популяции различных аллелей
гена и разных генотипов по этим аллелям. Это дает информацию о степени гетерозиготности и полиморфизма человеческих популяций, выявляет различия частот аллелей между разными популяциями,
позволяет оценить значение генетических факторов в антропогенезе, в частности в расообразовании.
Статистический анализ распространения отдельных наследственных признаков (аллелей генов)
проводится на основе использования закона Харди-Вайнберга. В идеальной популяции из поколения в
поколение сохраняется определенное соотношение частот аллелей генов и соотношение частот
генотипических классов особей. Идеальной популяцией является достаточно большая,
панмиктическая (панмиксия – свободное скрещивание) популяция, в которой отсутствуют мутационный
процесс, естественный отбор, изоляция, миграции и другие факторы, нарушающие равновесие генов.
Частота аллелей гена: Ap + aq = 1; частота генотипов: AAp2+ Aa2pq + aaq2 = 1, где р – частота
встречаемости доминантного аллеля А; q – частота встречаемости рецессивного аллеля а; р2 – частота
встречаемости доминантных гомозигот АА; 2рq – частота встречаемости гетерозигот Аа; q2 – частота
встречаемости рецессивных гомозигот аа; 1 – численность популяции.
Человеческая популяция характеризуется полиморфизмом (генетической неоднородностью). В
гетерозиготном состоянии находится значительное количество рецессивных аллелей (генетический
груз). Частота возникновения наследственных заболеваний зависит от концентрации рецессивного
гена и повышается в близкородственных браках.

12.

Медицинская биология
Лекция 7. Человек как объект генетического анализа.
7.4. Молекулярно-генетических методы
Молекулярно-генетические методы направлены на выявление изменений в определенных участках ДНК
генов или хромосом. В их основе лежат методики работы с ДНК (или РНК) лейкоцитов, клеток хориона,
амниотических клеток, культуры фибробластов) в ходе ПЦР – увеличения копий (амплификации)
фрагментов нуклеиновой кислоты в условиях in vitro.
В основе многих диагностических методов лежит гибридизация нуклеиновых кислот – спаривание двух
комплементарных фрагментов разных молекул: ДНК-мишени и ДНК-зонда, а также детекция
(идентификация) фиксации ДНК-зонда на ДНК-мишени. Метод позволяет идентифицировать
комплементарные нуклеотидные последовательности. Создан банк диагностических ДНК-зондов, которые
используются в диагностике моногенных болезней; для выявления конкретного фрагмента ДНК в смеси
фрагментов, в хромосоме.
Анализ полиморфизма длин рестрикционных фрагментов (ПДРФ-анализ) включает этапы: выделение
геномной ДНК, её разрезание специфической рестриктазой (эндонуклеазой), электрофоретическое
разделение фрагментов ДНК и идентификация путем гибридизации со специфическими ДНК-зондами с
радиоактивной или флуоресцентной меткой. Разрезая рестриктазой одинаковые фрагменты ДНК двух
индивидуумов или двух гомологичных молекул одного индивидуума, можно обнаружить рестрикционные
фрагменты различной длины в зависимости от строения проверяемых ДНК (мутации, выпадения, вставки).
ДНК-фингерпринтирование основано на ПДРФ-анализе. Фрагменты ДНК, гомологичные зондам, образуют
полиморфные полосы гибридизации, отдельные из которых специфичны для каждого индивидуума. Этот
метод может быть использован для генетической идентификации разных индивидуумов одного вида.
Секвенирование – определение последовательности нуклеотидов ДНК для изучения организации генома,
характеристики генов и обнаружения мутаций.

13.

Медицинская биология
Лекция 7. Человек как объект генетического анализа.
7.4. Молекулярно-генетических методы
Амплификация заключается в осуществлении
повторяющихся циклов:
1) плавление – денатурация (90–97 °C) двуцепочечной
ДНК на одноцепочечные;
2) отжиг – гибридизация ДНК с праймерами (50-60 °С)
т.е. комплементарное их связывание с цепями
матричной ДНК и образование двухцепочечного
участка;
3) элонгация – синтез цепей ДНК, комплементарных
матричной ДНК, катализирует ДНК-полимераза в
направлении от 5' - 3").
Затем снова наступает этап плавления, когда за счёт
повышения температуры синтез ДНК прекращается.
Во втором и последующих циклах праймеры
гибридизируются с исходной матричной ДНК и с вновь
синтезированными молекулами ДНК, количество которых
нарастает в геометрической прогрессии.

14.

Медицинская биология
Лекция 7. Человек как объект генетического анализа.
7.4. Молекулярно-генетических методы
Расположение рестрикционных фрагментов различной длины, полученных в
результате разрезания одного и того же исследуемого фрагмента ДНК несколькими
рестриктазами, после применения электрофореза

15.

Медицинская биология
Лекция 7. Человек как объект генетического анализа.
7.5. Цитогенетический метод
Цитогенетический метод используют для изучения нормального кариотипа человека, а также при
диагностике наследственных заболеваний, связанных с геномными и хромосомными мутациями.
Кроме того, этот метод применяют при исследовании мутагенного действия различных химических
веществ, пестицидов, инсектицидов, лекарственных препаратов и др. Для изучения кариотипов
используют соматические, имеющие ядро и способные делиться клетки (лимфоциты крови,
фибробласты кожи, клетки костного мозга, амниотической жидкости). Их помещают в культуру,
добавляют вещество, стимулирующее деление, затем колхицин, блокирующий образование
веретена деления и митоз на стадии метафазы. Клетки обрабатывают гипотоническим раствором
NaCI, хромосомы распределяются по всему объему клетки.Результаты идентификации хромосом на
препарате представляют в виде идиограммы.
Согласно денверской номенклатуре (1960 г.) 23 пары хромосом человека разделены на семь групп:
А – включает метацентрики (1, 3) и субметацентрик (2); В – большие субметацентрические
хромосомы (4, 5); С – аутосомы (6–12) и X-хромосому (мета- и субметацентрики); D – акроцентрики со
спутниками (13–15); E – короткие метацентрики и субметацентрики (16–18); F – небольшие
метацентрики (19, 20); G – акроцентрики (21, 22 и Y-хромосома).
Специальные методы окраски упростили распознавание хромосом (парижская номенклатура,
1971), вместе с другими методами это дало возможность соотносить гены с конкретными участками
хромосом и составлять карты хромосом.
Цитологический контроль необходим в диагностике хромосомных болезней, связанных с
анеуплоидией и хромосомными мутациями: болезнь Дауна – трисомия по 21-й хромосоме с
транслокацией 21-й на 15-ю; синдромы Клайнфелтера (47, XXY), Шершевского-Тернера (45, X0).

16.

Медицинская биология
Лекция 7. Человек как объект генетического анализа.
7.5. Цитогенетический метод
Дифференциально окрашенные хромосомы человека (схема).
При цитологических
исследованиях
интерфазных ядер
соматических клеток
обнаруживаются тельца
Барра (половой
хроматин) – результат
гетерохроматизации
одной из двух Ххромосом.

17.

Медицинская биология
Лекция 7. Человек как объект генетического анализа.
7.5. Цитогенетический метод

18.

Медицинская биология
Лекция 7. Человек как объект генетического анализа.
7.6. Биохимический метод
Биохимический метод – позволяет судить о наследственных заболеваниях, обусловленных
генными мутациями, изменяющими структуру или скорость синтеза белков, что
сопровождаются нарушением белкового, углеводного, липидного и др. обмена веществ.
Наследственные дефекты обмена можно диагностировать посредством определения структуры
затронутого белка или его количества, выявления дефектных ферментов или обнаружения
промежуточных продуктов обмена веществ во внеклеточных жидкостях (крови, моче, поте).
Например, анализ аминокислотных последовательностей мутационноизмененных белковых
цепей гемоглобина позволил выявить несколько наследственных дефектов, лежащих в основе
гемоглобинозов. При серповидно-клеточной анемии у человека аномальный гемоглобин
вследствие мутации отличается от нормального заменой одной аминокислоты (глутаминовой
на валин).
В практике здравоохранения кроме выявления гомозиготных носителей мутантных генов
существуют методы выявления гетерозиготных носителей некоторых рецессивных генов, что
особенно важно при медико-генетическом консультировании. У фенотипически нормальных
гетерозигот по фенилкетонурии (рецессивный мутантный ген; у гомозигот нарушается обмен
аминокислоты фенилаланина, что приводит к умственной отсталости) после приема
фенилаланина обнаруживается повышенное содержание его в крови. При гемофилии
гетерозиготное носительство мутантного гена может быть установлено с помощью
определения активности фермента, измененного в результате мутации.

19.

Медицинская биология
Лекция 7. Человек как объект генетического анализа.
7.7. Медико-генетическое консультирование
Медико-генетическое консультирование – заключается в прогнозировании появления детей с
наследственной аномалией, а также в решении вопросов планирования семьи (вступление в
брак, прерывание беременности). МГК включает четыре этапа: диагноз, прогноз,
заключение, рекомендации (совет) врача-генетика. К методам перенатальной диагностики
относят: биопсию ворсин хориона, амниоцентез, кордоцентез, анализ крови матери, УЗИ.
Различают врожденные и наследственные болезни. Первые не всегда имеют наследственную
природу, а вторые не всегда проявляются к рождению. Нарушения развития плода могут быть
вызваны факторами внешней среды (тератогенами). Генотип при этом не имеет значения
(алкогольная фетопатия, эндемический зоб, катаракта, вызванная вирусом краснухи и др.).
Наследственную патологию можно разделить на генные, хромосомные,
мультифакториальные болезни, генетические болезни соматических клеток и болезни
генетической несовместимости матери и плода. Общий риск появления генетически
обусловленной аномалии для разных популяций составляет 3–5 % (генетический груз), риск
свыше 20 % относят к высокому.
Заболевания с нетрадиционным типом наследования: митохондриальные болезни
(миопатия, энцефаломиопатия, синдром Лебера), болезни тринуклеотидных повторов
(нестабильность повторов нуклеотидов ДНК, приводит к синдрому Мартина-Белл,
миотонической дистрофии, атаксии Фридрейха, серии спиноцеребеллярных атаксий, хореи
Гентингтона) и геномного импринтинга (избирательное метилирование регуляторных участков
генов в гаметогенезе, приводит к синдромам Прадера-Вилли или Энгельмана).

20.

Медицинская биология
Лекция 7. Человек как объект генетического анализа.
7.7. Медико-генетическое консультирование
При расчете генетического риска моногенных заболеваний (наследственные патологии,
которые развиваются из-за мутации в одном гене) необходимо: составить родословную семьи;
определить, вызвано ли заболевание новой мутацией (в этом случае риск для братьев и сестер
близок к нулю) или мутантный ген получен от предыдущих поколений; рассчитать вероятность
генотипов потомков. ДНК-диагностика, методы пренатальной диагностики являются одними из
самых современных, точных и информативных методов медицинского обследования.
При расчете риска хромосомных болезней следует помнить, что при нормальных кариотипах
родителей риск повторения анэуплоидий или структурных аномалий хромосом не превышает
1 %. Лишь для матерей старше 40 лет риск анэуплоидий приближается к 4 %. При семейных
хромосомных перестройках риск определяют исходя из кариотипов родителей. И только в
случаях семейных робертсоновских транслокаций (слияние двух акроцентрических хромосом
с потерей фрагмента) типа 21q/21q или 13q/13q риск составляет 100 %, то есть носитель не
может вообще иметь здоровых детей. К счастью, такие формы встречаются крайне редко.
При расчете риска при мультифакториальных заболеваний пользуются таблицами
эмпирического (то есть основанного на практических данных) риска.

21.

Практическое занятие 9
Изучение наследственных заболеваний человека (2 ч)
Задания
Изучить лекционный и дополнительный [1] материал по теме «Человек как объект
генетического анализа», получить у преподавателя методические рекомендации для
выполнения практической работы (Пз_9).
Описать основные методы изучения наследственных болезней человека.
Используя методические рекомендации (Пз_9) составить перечень генных и хромосомных
болезней человека, указав их этиологию.
1.
Биология : учебник / коллектив авторов ; под ред. А.Г. Мустафина. — Москва : КНОРУС, 2022. — С. 173–202.