Генетика. Вопросы к экзамену. Генетика. Вопросы. Вопросы для сдачи экзаменов по дисциплине Общая и медицинская генетика
 Скачать 1.29 Mb.
|
|
Числовые аберрации хромосом. Полиплоидия. Анеуплоидия. Моно- и полисомия. Хромосомный дисбаланс как летальный фактор у человека: спонтанные аборты и мертворождения. К геномным мутациям относят изменение числа геномов или числа отдельных хромосом: анеу-, поли- и гаплоидии. Гаплоидия – это уменьшение числа хромосом вдвое, т. е. соматические клетки содержат одинарный набор хромосом (n). Гаплоидные организмы мельче, у них проявляются рецессивные гены, они бесплодны. Полиплоидия – увеличение числа хромосом, кратное гаплоидному набору в клетке. Встречаются триплоидные (Зn), тетраплоидные (4n), пентаплоидные (5n) организмы. Полиплоидия может возникнуть в результате нарушения расхождения хромосом при митозе, слияния клеток соматических тканей либо их ядер, нарушений мейоза, приводящих к образованию гамет с нередуцированным числом хромосом. У человека более 20% всех спонтанных абортов – это триплоидный набор хромосом в кариотипе. Такие особи погибают в первые часы жизни или дни после рождения. Тетраплоидию у человека наблюдают только в материале спонтанных абортов. Анеуплоидия – изменение числа хромосом в клетках организма за счет потери (моносомия) или добавления (полисомия) отдельных хромосом. Механизм анеуплоидии связан с нарушением расхождения хромосом при мейозе. Изменения числа хромосом в клетке в подавляющем большинстве случаев становятся причиной самопроизвольных абортов, а при выживании плода приводят к многочисленным внутриутробным порокам развития, что после рождения ребенка сильно ухудшает качество его жизни; нередко наблюдаются смерти в раннем детском возрасте. Существуют определенные факторы риска, например, возраст родителей. Установлено, что в парах, где мать или отец старше 35 лет, растет риск выкидыша и возрастает частота хромосомных отклонений у рожденных детей. Для мужчин, возраст, с которого происходит увеличение показателей невынашиваемости неочевиден, но вероятнее всего он превышает 40 лет. Исследователи также изучают другие факторы риска хромосомных отклонений, но окончательных данных пока нет. Речь идет, например, о воздействии ядохимикатов (таких как пестициды или бисфенол А – компонент, содержащийся во многих пластмассовых предметах), которые могут увеличить риск хромосомных отклонений, но точная взаимосвязь на сегодняшний день не установлена. Широко известно, что хромосомные нарушения являются основной причиной спонтанных абортов. Исследования показали, что где-то между 50 и 75% всех случаев выкидышей в первом триместре становятся следствием хромосомных проблем. Для тех пар, которые хотят получить точные ответы на вопрос, сыграли ли хромосомы свою роль в случившемся, существует генетическое тестирование. Картирование и секвенирование генома человека. Методы. Локализация генов. Генетические и физические карты хромосом человека. Картирование в узком смысле – определение положения гена или мутации в хромосоме. Для определения положения гена в хромосоме используются различные способы. Методы: Генетическое картирование – это картирование, основанное на методах классической генетики – определении групп сцепления, частоты рекомбинации и построении генетических карт, где единицей измерения служат проценты рекомбинации, или сантиморганиды (сМ). Цитогенетическое картирование осуществляется с применением методов цитогенетики, когда для локализации каких-либо нуклеотидных последовательностей и определения их взаимного расположения используются цитологические препараты. Цитологическими методами легко определить отсутствие участка хромосомы или перенос его в др. место. Физическое картирование – это обширная группа методов, позволяющая строить карты генома (обычно их называют физическими) высокого уровня разрешения и определять расстояния между локализуемыми нуклеотидными последовательностями с точностью от нескольких десятков тысяч п. н. до одной нуклеотидной пары (с помощью рестрикционных карт, электронной микроскопии) Генетические карты человека используются в медицине при диагностике ряда тяжелых наследственных заболеваний человека. В исследованиях эволюционного процесса сравнивают генетические карты разных видов живых организмов. Физическая карта – графическое представление порядка следования физических маркеров (фрагментов молекулы ДНК), расстояние между которыми определяется в парах нуклеотидов. Рестрикционная карта – вид физической карты, на которой указан порядок следования и расстояния между сайтами расщепления ДНК рестриктазами. Секвенирование биополимеров – определение их аминокислотной или нуклеотидной последовательности. В результате секвенирования получают формальное описание первичной структуры линейной макромолекулы в виде последовательности мономеров в текстовом виде. Размеры секвенируемых участков ДНК обычно не превышают 100 пар нуклеотидов (next-generation sequencing) и 1000 пар нуклеотидов при секвенировании по Сенгеру. Секвенирование по Сэнгеру – смысл таков: участок ДНК клонируется, после чего полученная смесь делится на четыре части. Каждая часть помещается в активную среду, где присутствуют ДНК-полимераза, праймеры, смесь всех четырёх нуклеотидов и специальные вариации одного из нуклеотидов, которые прекращают дальнейшее копирование молекулы ДНК. В результате в каждой части образуется большое число копий префиксов исследуемого участка ДНК, которые имеют разную длину, но всегда заканчиваются на одну и ту же букву. Чтобы измерить длину, можно, например, измерить массу всех префиксов во всех пробирках. Чтобы измерить массу, можно, например, ионизировать эти молекулы и отправить их в электрофорез. Видно, что (в идеальном случае) можно просто прочесть последовательность нуклеотидов от самого лёгкого префикса (т. е. префикса из одной буквы) к самому тяжёлому. На выходе получаются короткие участки ДНК, риды (reads). Они получаются длиной около тысячи нуклеотидов, причём качество начинает заметно падать только после 700-800 нуклеотидов (труднее отличить молекулу массой 700 от молекулы массой 701, чем массу 5 от массы 6), и, если в геноме встречается длинная последовательность из одной и той же буквы, трудно бывает точно определить, какой она длины. Но всё же сэнгеровское секвенирование даёт отличные результаты с достаточно длинными ридами, которые потом относительно легко собирать. Именно при помощи сэнгеровского секвенирования был впервые расшифрован геном человека. Секвенирование по Сэнгеру применяется и сегодня, но его всё активнее вытесняют другие методы, и применяется оно всё реже из-за дороговизны метода. Иллюмина: различные участки ДНК + адаптеры на оба конца, подложка с участками ДНК, комплементарными адаптерам, присасывание с двух концов, репликация, денатурация, снова репликация, образование кластеров, добавление модифицированных нуклеотидов, прикрепление одного из них, смыв оставшихся, облучение флуоресцентной метки, запись результатов, срезание мешающегося радикала, снова добавление модифицированных нуклеотидов, по кругу. В результате мы прочитываем одновременно большое число нуклеотидов из разных последовательностей. Но риды Illumina обычно получаются длиной около 100 нуклеотидов. К тому же мы читаем один и тот же участок, длина которого нам приблизительно известна, сразу с двух сторон. Расстояние между известными строчками известно не совсем точно. Можно получить как очень длинные неизвестные фрагменты, так и короткие фрагменты, в которых неизвестны буквально два-три десятка нуклеотидов между ридами. Мультифакториальные заболевания: распространенность в популяциях, половой диморфизм, характер семейного накопления. Критерии мультифакториального наследования по Картеру (отличия от простого менделевского наследования). Мультифакториальные заболевания или болезни с наследственным предрасположением – к ним относится большая группа распространенных заболеваний, особенно болезни зрелого и преклонного возраста, такие, как гипертоническая болезнь, ИБС, ЯБЖиДПК и т.д. Причинами их развития выступают неблагоприятные воздействия среды, однако реализация этих факторов зависит от генетической конституции. Среди них различают моногенные, при которых наследственная предрасположенность обусловлена одним патологически измененным геном, и полигенные. Заболевания моногенные с наследственным предрасположением относительно немногочисленны. К ним применим метод менделевского генетического анализа. Учитывая важную роль среды в их проявлении, они рассматриваются как наследственно обусловленные патологические реакции на действие различных внешних факторов (лекарственных препаратов, пищевых добавок, физических и биологических агентов), в основе которых лежит наследственная недостаточность некоторых ферментов. К таким реакциям могут быть отнесены наследственно обусловленная непереносимость сульфаниламидных препаратов, проявляющаяся в гемолизе эритроцитов, повышении температуры при применении общих анестетиков. Загрязнение атмосферы, которая проявляется в раннем развитии эмфиземы легких (в возрасте 30-40 лет), нежелательные реакции на некоторые компоненты пищи и пищевые добавки, непереносимость лактозы (широко распространены среди азиатского населения (до 95-100%) и среди американских негров и индейцев (до 70-75%)), непереносимость конских бобов, вызывающая гемолиз, жирной пищи (атеросклероз в раннем возрасте, что повышает риск инфаркта миокарда), сыра и шоколада (провоцирует мигрень), алкоголя, консервантов и пищевых красителей. Заболевания полигенные – псориаз, сахарный диабет, шизофрения, семейный характер и генетическая природа предрасположенности пока не расшифрована. У людей со II ГК чаще наблюдается рак желудка и кишечника, матки, яичников и молочной железы, а также пернициозная анемия, сахарный диабет, ИБС, холецистит, желчекаменная болезнь, ревматизм. У людей с I ГК чаще встречается ЯБЖиДПК. Мультифакториальные болезни при всем их разнообразии имеют некоторые общие черты: 1) высокая частота в популяции (например, СД страдает около 5 % населения промышленно развитых стран, аллергическими заболеваниями – более 10 %, шизофренией – 1 % населения, гипертонией – около 30 %); 2) несоответствие наследования законам Менделя; 3) существование клинических форм от скрытых субклинических до резко выраженных проявлений; 4) более раннее начало заболевания и некоторое усиление клинических проявлений в нисходящих поколениях; Причины полиморфизма Полилокусность или генокопирование признака или фенотипа. Различные мутации в генах, расположенных в разных локусах как на одной, так и на разных хромосомах обусловливают один и тот же признак или фенотип. Нарушение дифференцированной генной экспрессии. Геномный импринтинг (геномная память). Критерии полигенного наследования (всего 5) систематизированы в 1969 г. К. Картером, а спустя 20 лет их дополнили (еще двумя) Ф. Фогель и А. Мотульски (1989). Наследуемость признака или болезни – чем больше унаследовано генов, тем выше риск его развития. Наследуемость – это степень влияния наследственных факторов в сравнении с факторами среды. Наследуемость выражается в абсолютных цифрах или процентах при помощи коэффициента Кн = G/Е x 100%, где Кн – коэффициент наследования, G – наследственные факторы, Е – факторы окружающей среды. Число больных родственников – чем больше в родословной родственников, имеющих признак или заболевание, тем выше риск его развития у потомков. Степень выраженности признака или тяжесть течения болезни – чем сильнее выражен признак или тяжелее протекает заболевание у больного родственника, тем выше риск его развития у пробанда. Общность генов у пробанда и его родственников – чем больше общих генов, тем выше риск развития. Редко поражаемый пол – признак или заболевание проявляется чаще у лиц редко поражаемого пола (критерий, названный эффектом Картера). Например, врожденный пилоростеноз у мальчиков встречается в 2-5 раз чаще, чем у девочек, т. е. в данном случае женский пол – редко поражаемый пол. Однако частота этой болезни у будущих детей пораженных пилоростенозом девочек достигнет 10-20%, тогда как у будущих детей пораженных пилоростенозом мальчиков только 2-6%. Другой пример – ЯБЖиДПК, как правило, проявляющаяся у лиц мужского пола и гораздо реже – у лиц женского пола. Однако ее частота у детей больной женщины выше, чем у детей больного мужчины. Дополнительные критерии Близнецовый критерий – если конкордантность монозиготных близнецов по признаку/заболеванию в 4 раза выше конкордантности у дизигот, то признак/заболевание наследуется по полигенному варианту. Критерий сегрегационного отношения пораженных сибсов в семьях с одним больным или двумя здоровыми родителями – если доля больных сибсов в семьях с одним больным родителем выше в 2,5 раза (и более), чем доля больных сибсов в семьях с двумя здоровыми родителями, то особенно вероятен полигенный вариант наследования. Если указанное соотношение меньше 2,5, то полигенное наследование также не исключено. Первые доказательства существования наследственных болезней у человека. Гэррод и его концепция наследственных болезней обмена у человека. Наследственные заболевания – заболевания, возникновение и развитие которых связано с различными дефектами и нарушениями в наследственном аппарате. НЗ могут быть обусловлены мутациями, передаваемыми в семьях по наследству, или мутациями, вновь возникшими в клетках зародышевой линии, в зиготе или на очень ранних этапах развития. НЗ многочисленны (известно свыше 6000) и разнообразны по проявлениям. Некоторые НЗ являются врождёнными. Их следует отличать от пороков развития. НЗ классифицируют также по типу наследования: аутосомно-доминантный, аутосомно-рецессивный и сцепленный с полом (Х-сцепленный доминантный, Х-сцепленный рецессивный и Y-сцепленный типы наследования). После повторного открытия Менделя законов начали устанавливать тип наследования. В 1901 А. Э. Гэррод высказал предположение, что алкаптонурия наследуется по аутосомно-рецессивному типу. Он также предложил генетическую гипотезу происхождения болезней обмена веществ как «врожденных ошибок метаболизма», которые возникают вследствие генетически обусловленного дефицита определенного фермента, и что помимо алкаптонурии может существовать много других наследственных болезней обмена веществ. Например, альбинизм вызван блокадой образования меланинов вследствие недостаточности тирозиназы. Алкаптонурия (аутосомно-рецессивный тип) – генетически обусловленное нарушение метаболизма, характеризующееся врожденным дефицитом гомогентизиназы и приводящее к неполному расщеплению гомогентизиновой кислоты, ее экскреции с мочой и отложению в тканях, в основе которой лежит нарушение метаболизма тирозина. Идеи Гаррода получили всеобщее признание и конкретную химическую интерпретацию спустя несколько десятилетий. Вехой в этом направлении явилась сформулированная концепция «один ген – один фермент». Изучение биохимических мутантов показало, что мутация гена приводит к отсутствию фермента или изменению его активности. Таким образом, все болезни связаны либо с утратой какого-либо нормального белка, либо с изменением его свойств. В конце 1940-х гг. Л. Полинг обнаружил аномальное поведение при электрофорезе гемоглобина, полученного от больных СКА. Исследуя первичную структуру гемоглобина, выделенного из эритроцитов больных, Полинг показал, что подвижность аномального гемоглобина в электрическом поле изменена по сравнению с нормальной. В 1957 В. Ингрем доказал, что этот гемоглобин является мутантным, а его аномальные свойства обусловлены специфическим замещением глутамата на валин. В результате было сформулирована гипотеза о молекулярных болезнях, в основе которых лежат мутации в гене и соответствующие им изменения последовательности АК кодируемого белка. Наследственные метаболические заболевания (НМЗ) – огромный класс моногенных наследственных заболеваний, обусловленных мутациями генов, кодирующих ферменты, транспортные или сигнальные белки. На сегодняшний день насчитывается более 600 нозологических форм, и это число постоянно увеличивается. Подклассы (всего 22): лизосомные болезни накопления; митохондриальные энцефаломиопатии; пероксисомные болезни; нарушения обмена аминокислот/органических кислот; нарушения обмена углеводов. Моногенный контроль побочных реакций на лекарственные препараты. Примеры. Фармакогенетика – раздел генетики, который изучает генетический контроль метаболизма лекарств + изучение наследственных болезней, симптомы которых проявляются или усиливаются при приеме ЛС. То, что эффективность действия различных ЛС на разных людей значительно различается – факт хорошо известный. В зависимости от величины оказываемого эффекта вся популяция может быть разделена на хорошо-, слабо и среднеотвечающих. Последняя группа в большинстве случаев количественно является основной. Причинами такой различной чувствительности могут быть особенности метаболизма ЛС, различная способность связываться с мишенями, в количестве мишеней, в патогенезе определенного заболевания у разных лиц. Все причины могут быть обусловлены в большей или меньшей степени генетически. Кроме того, различия в ответе на ЛС могут быть обусловлены факторами внешней среды. По крайней мере для 5 препаратов показан моногенный контроль их метаболизма. По-видимому, первым из них был изониазид, который широко используют для лечения больных туберкулезом. Исследование метаболизма изониазида показывало, что все люди делятся на быстрых и медленных инактиваторов изониазида. У быстрых инактиваторов уровень изониазида в крови быстро снижается, у медленных высокое содержание этого препарата в крови сохраняется какое-то время. Семейные исследования позволили показать, что медленные инактиваторы гомозиготны по рецессивному аллелю гена N-ацетилтрансферазы. Этот печеночный фермент участвует во второй фазе биотрансформации ЛС. В Европе примерно 50% людей – это медленные инактиваторы. Другие лекарства – это суксаметоний, который используют во время наркоза как средство для расслабления скелетной и дыхательной мускулатуры, разрушается ПХЭ плазмы крови, люди погибают от апноэ; галотан – тоже средство для наркоза, люди погибают от гипертермии; пропрафенон – антиаритмик. Моногенно также контролируется обмен тиопуринов (6-меркаптопурин, 6-тиогуанин и др.), которые широко используют для подавления аутоиммунного ответа при лечении лейкозов. На второй фазе биотрансформации тиопуринов происходит их метилирование с помощью тиопуринметилтрансферазы. В гене этого фермента обнаружен полиморфизм, один из аллелей резко снижает активность фермента, так что у гомозигот он практически не обнаруживается, что служит причиной появления побочных эффектов, в том числе лейкопении и токсического поражения печени. Все перечисленные выше случаи наследуются аутосомно-рецессивно или -доминантно. Это значит, что проявление болезней практически не модифицируется ни другими генами, ни внешнесредовыми воздействиями. Нарушение мейоза в случае структурных хромосомных мутаций. Образование несбалансированных гамет. Основная патология – нерасхождение хромосом. Оно может быть первичным, вторичным и третичным. |