Популяційно-статистичний метод

Метод ґрунтується на спостереженні спадкових ознак у великих групах населення. Він дозволяє розрахувати в популяції частоту нормальних і патологічних генів і генотипів: гетерозигот, гомозигот домінантних і рецесивних, частоту нормальних і патологічних фенотипів.

У 1908 році математик Г.Харді в Англії і лікар-антрополог В.Вайнберг у Німеччині сформулювали закон підтримки генетичної рівноваги в ідеальній популяції. Ними було запропоновано для відображення розподілу генотипів у панміктичній популяції застосувати формулу бінома Ньютона: (a+b)² = a² + 2ab + b².

Частота генотипів і фенотипів розраховується за формулою Харді-Вайнберга:

p²+2pq+q²=(p+q)²=1,

де p – частота домінантного гена; q – частота рецесивного гена; q² – частота гомозигот за рецесивним геном; p² – частота гомозигот за домінантним геном; 2pq – частота гетерозигот.

Популяційно-статистичний метод застосовують для вивчення:

1) частоти генів у популяціях, включаючи частоту спадкових хвороб;

2) мутаційного процесу;

3) ролі спадковості й середовища у виникненні хвороб, особливо хвороб із спадковою схильністю;

4) ролі спадковості й середовища у формуванні фенотипового поліморфізму людини за нормальними ознаками;

5) значення генетичних чинників в антропогенезі, зокрема в расоутворенні.

Близнюковий метод

Для клінічної генетики у вивченні закономірностей успадкування патологічної ознаки особливо важливого значення набув близнюковий метод, який запровадив англійський учений Ф. Гальтон (1876).

Його використовують для встановлення ступеня спадкової зумовленості досліджуваних ознак.

Метод ґрунтується на трьох положеннях:

1. Монозиготи мають ідентичні генотипи, а дизиготи – різні генотипи.

2. Середовище, в якому розвиваються близнюки і яке впливає на прояв ознак, може бути однаковим і неоднаковим для одної і тої ж пари близнюків.

3. Всі властивості організму визначаються взаємно за участю генотипу і середовища.

На підставі порівняльного вивчення ознак у близнюків вираховують показники конкордантності (частота схожості) і дискордантності (частота відмінностей).

За допомогою близнюкового методу вивчають значення спадковості й середовища у формуванні фізіологічних особливостей організму й у розвитку спадкової патології. Якщо ознака формується під впливом середовища, то різниця (дискордантність) між монозиготами і дизиготами буде незначною. Якщо ознака залежить від генотипу, то схожість між монозиготами буде більшою, ніж між дизиготами. За цим принципом була доведена генетична схильність до різних хвороб. Близнюковий метод використовують для перевірки ефективності терапевтичних заходів при різних захворюваннях, а також при вивченні експресивності й пенетрантності генів, які викликають спадкові хвороби.

Близнюковий метод дає цінну інформацію при вивченні морфологічних і фізіологічних ознак, ролі генотипу і модифікації у формуванні обміну речовин у людини та ін.

Метод дерматогліфіки

Дерматогліфіка – один із найдавніших генетичних методів дослідження. Це наука, що вивчає успадковану зумовленість малюнків, що утворюють лінії шкіри на кінчиках пальців, долонях і підошвах людини.

Назва методу дерматогліфіки походить від двох грецьких слів: δέρμα – шкіра і γλνφος – гравіювати. В його основу покладено вивчення рельєфу шкіри кінчиків пальців рук, долонь і стоп. Дерматогліфіка ґрунтується на трьох особливостях візерунків шкіри: їх індивідуальності, незмінності і можливості зіставлення. Рисунок шкірних візерунків на пальцях, долонях і стопах чітко індивідуальний – на Землі не існує двох індивідуумів з ідентичним рисунком. На це вперше вказав англійський генетик Ф.Гальтон, двоюрідний брат Ч.Дарвіна, що запропонував англійській карній поліції за відбитками пальців ідентифікувати злочинців.

Дерматогліфіка займається вивченням рельєфу на пальцях, долонях і підошвах. Виявилося, що в кожного народу, у кожної раси малюнки на кінчиках пальців мають свої особливості. Дерматогліфи росіян, українців і білорусів близькі між собою (що свідчить про загальний корінь походження), але за окремими характеристиками пальцьових візерунків повного збігу немає.

Дерматогліфічні дослідження мають важливе значення в криміналістиці, у визначенні зиготності близнюків, у діагностиці низки спадкових захворювань, а також в окремих випадках спірного батьківства.

У хворих на хромосомні захворювання (хворобою Дауна, синдромом Клайнфельтера, Шерешевського-Тернера) спостерігаються значні відхилення дерматогліфів від середньопопуляційних. Трохи меншу виразність мають дерматогліфічні відхилення в осіб із такими дефектами розвитку, як уроджені вади серця і магістральних судин, “заяча губа”, незарощення м'якого і твердого піднебіння (“вовча паща”) та ін. Зміну дерматогліфів можна використовувати в діагностичних цілях.

Мінливість – це здатність організму набувати нових ознак або втрачати старі.

Мінливість, як і спадковість, властива всій живій природі, не існує двох абсолютно однакових організмів.

Ч.Дарвін розрізняв мінливість двох видів: відповідну і невідповідну. Відповідна, відрізняє одні групи індивідуумів від інших і виникає внаслідок впливу певних чинників. Невідповідна мінливість – властива окремим особинам, організми відрізняються одні від одних. Крім того, Ч.Дарвін виділяв корелятивну мінливість як результат взаємодії ознак організму в процесі їх розвитку. Генетична наука розрізняє спадкову і неспадкову мінливість.

Спадкова мінливість – це здатність до зміни самого генетичного матеріалу, а неспадкова – здатність організмів реагувати на умови зовнішнього середовища, змінюватися в межах норми реакції, заданої генотипом. Спадкова мінливість, у свою чергу поділяється на комбінативну і мутаційну. Комбінативна (рекомбінативна) мінливість виникає при гібридизації внаслідок незалежного перекомбінування генів: перекомбінації хромосом. Тут відбувається перекомбінація певних генетичних угруповань без якісної і кількісної зміни генетичного матеріалу (Пішак, Захарчук, 2011).

Мутація – раптовастрибкоподібназміна спадкової ознаки, зумовлена зміною генетичного матеріалу.

Мутагенез – процес виникнення мутацій.

Мутант – організм, що змінив свій фенотип внаслідок мутації.

Черепаха-мутант

Мутації вперше описав у рослини енотери (Oenothera lamarckіana) і ввів цей термін у науку голландський ботанік Г. де Фріз (1901) – один з трьох учених, які перевідкрили закономірності успадкування ознак, встановлені Г.Менделем.

Мутації у людей

Мутаційна теорія, теорія мінливості і еволюції, створена на початку 20 ст Х. Де Фрізом

Згідно цієї мутаційної теорії, з двох категорій мінливості — безперервної і перервної (дискретної), лише остання спадкова; для її позначення Де Фріз ввів термін мутації.

За Де Фрізом, мутації можуть бути прогресивними — поява нових спадкових властивостей, що рівнозначно виникненню нового елементарного вигляду, або регресивними — втрата якого-небудь з існуючих властивостей, що означає виникнення різновидів.

У відомої всьому світу серії Ван Гога «Соняшники» представлені дивні квіти. У квітки соняшнику, як правило, темний коло в центрі облямований великими пелюстками золотистого кольору. На картині художника ж центральний диск соняшнику сховався під незвичайною темно-помаранчевою розкуйовдженою порослю. До цих пір було прийнято вважати, що так геній зобразив свої фантазії. Насправді художник обезсмертив мутацію, іноді вражаючу сонячну квітку. Такий висновок зробили вчені з Університету Джорджії в США.

 

Клінічно мутації проявляються як спадкові хвороби.

Властивості мутацій:

1. Мутації виникають раптово, стрибкоподібно, без перехідних станів у порівнянні з вихідною формою ознаки.

2. Нові ознаки стійкі й успадковуються в ряді поколінь.

3. Це якісні, дискретні зміни; вони не утворюють неперервних рядів і не групуються біля середнього значення ознаки.

4. Мутації відбуваються в різних напрямах і можуть виникати повторно.

5. Мають індивідуальний характер, тобто з’являються в будь-якої однієї особини, яка перебуває в однакових умовах з іншими особинами того самого виду.

Мутації — це якісні та структурні зміни генетичного матеріалу, які передаються з покоління в покоління. Мутації мають неспрямований характер і виникають випадково — будь-який ген може мутувати у будь-який момент.

Які загальні властивості мутацій? До мутацій здатні всі живі організми. Вони виникають раптово, а зміни, спричинені мутаціями, стійкі й можуть успадковуватися. Мутації можуть бути шкідливими, нейтральними або, надзвичайно рідко, корисними для організмів. Одні й ті самі мутації можуть виникати неодноразово. Мутагени універсальні, тобто здатні спричиняти мутації в організмів будь-якого виду. На відміну від модифікацій, мутації неспрямовані: один і той самий мутагенний фактор, який діє з однаковою силою на ідентичні в генетичному відношенні організми (наприклад, на однояйцевих близнят), може спричиняти різні типи мутацій. Разом із тим різні за своєю природою мутагени можуть викликати у генетично різних організмів подібні спадкові зміни.

 

За ступенем впливу на життєздатність розрізняють такі типи мутацій: 1) корисні (підвищують життєздатність);

2) нейтральні (не змінюють життєздатності);

3) шкідливі (знижують життєздатність):

- летальні (викликають загибель 100 % носіїв мутації);

- напівлетальні (викликають загибель 50—90 % носіїв);

- сублетальні (загибель 10—50 % носіїв).

Приклади у людини:

1) Пігментна ксеродерма – спадкова хвороба, яка пов’язана із порушенням темнової репарації ДНК. Дитина народжується без видимих морфологічних змін. Характерна підвищена чутливість шкіри до ультрафіолетових променів. Проявляється у новонароджених світлобоязню. Пізніше виникає атрофія відкритих ділянок тіла, гіперпігментацією, може розвинутися рак шкіри.

 

Мутації можуть виникати як у соматичних клітинах (соматичні мутації), так і в статевих (генеративні або гаметичні мутації).

Різний колір очей у людини внаслідок соматичної мутації

За локалізацією в клітині виділяють ядерні мутації, що виникають в хромосомах ядра клітини, і цитоплазматичні, які виникають в органелах цитоплазми, що мають власну ДНК (мітохондрії, пластиди).

За характером змін мутації поділяють на морфологічні, фізіологічні і біохімічні.

За рівнем організації генетичного матеріалу розрізняють геномні, хромосомні та генні мутації.

Клінічно мутації проявляються як спадкові хвороби.

Спадкові хвороби, обумовлені дисбалансом хромосом

У їх виникненні лежить зміна кількості аутосом (анеуплоїдія).

Синдром Дауна характеризується каріотипом 47,XX,21+ або 47,XY,21+. Частота серед новонароджених 1:700, що складає від 5 до 15 % хворих з розумовою відсталістю. Співвідношення хворих хлопчиків та дівчаток дорівнює 1:1. Частота захворювання дітей з синдромом Дауна залежить від віку матері. Після 35 років суттєво зростає частота народження дітей із синдромом Дауна, а у віці 45 років вона складає 1:12.

Вперше синдром Дауна був описаний у 1866 році англійським лікарем John Landon Down, але причина цього синдрому була з’ясована у 1959 Lejeune. Він констатував, що в каріотипі у цих хворих є 47 хромосом, надлишковою є мала акроцентрична хромосома в групі G (21 або 22). Завдяки появі флюоресцентного методу ідентифікації хромосом у 1971 стало можливим віддиференціювати 21 від 22 хромосоми та встановити істинний каріотип при синдромі Дауна.

Фенотипові прояви трисомії 21. Хворі з синдром Дауна мають малий череп, широке сплющене обличчя, коротку шию, широке приплюснуте перенісся, монголоїдний розріз очних щілин, епікант (складка верхньої повіки біля внутрішнього кута ока), деформовані низько розміщені вуха, короткі фаланги пальціввади серця (53,2 %), зміни дерматогліфіки (поперечна складка на долоні тощо), розумова відсталість.

Етіологія синдрому Дауна. Причиною синдрому Дауна є нерозходження до протилежних полюсів хромосом 21 пари в анафазі мейозу. В результаті гамети (яйцеклітина або сперматозоїд) матимуть 22 хромосоми (-21) або 24 хромосоми (+21). Коли нормальна гамета, що має 23 хромосоми зливається з гаметою з 24 (+21) хромосомами, в результаті зигота матиме 47,+21 хромосоми та може народитися дитина з синдромом Дауна (трисомія 21). При цьому частіше (у 80 %) в заплідненні бере участь жіноча яйцеклітина з 24 хромосомами, у 20 % - сперматозоїд з 24 хромосомами.

Репродуктивна здатність при синдромі Дауна описана в жінок. Чоловіки з цим синдромом є безплідними. Жінки з синдромом Дауна продукують половину нормальних яйцеклітин та половину з 24 хромосомами. Отже, ймовірність народження дітей у хворих синдромом Дауна жінок становить 50%.

Комплекс вроджених вад розвитку, характерних для синдрому Дауна, обумовлює клінічну картину “всі діти з однієї сім’ї”. Вагітність, від якої народжуються хворі, часто супроводжується токсикозом, загрозою викидня. У хворих матерів буває несприятливий акушерський анамнез (викидні, мертвонароджені). Середня тривалість вагітності дещо менша від нормальної.

Хворий із синдромом Дауна 47, XY, 21+

 

Трисомія 13 (синдром Патау) характеризується каріотипом 47,XX,13+ або 47,XY,13+. Частота становить 1:15000 новонароджених. Співвідношення хворих хлопчиків та дівчаток дорівнює 1:1. Вперше новонароджену з цим синдромом описав лікар Патау у 1960 році в результаті генетичного дослідження, проведеного у дітей з вродженими вадами розвитку.

Фенотипові прояви трисомії 13. Патау синдром характеризується множинними дефектами очей (мікрофтальмія у 70 %, анофтальмія у 26%), низько розміщеними деформованими вухами, розщелиною верхньої губии та піднебіння (звичайно двобічні), полідактилією (частіше двобічною на руках), мікрогнатією (малих розмірів верхня та нижня щелепи), вадами розвитку серцево-судинної системи (дефекти клапанів серця), травної системи (незавершений поворов кишківника, грижі пуповини), сечової системи (кисти нирок, стеноз і атрезія сечоводів, статевих органів (крипторхізм, подвоєння матки і піхви).

За даними дерматогліфіки спостерігається дистальний трирадіус аtd дорівнює 108⁰). Половина дітей помирають в перший місяць, 95 % - до року.

Етіологія синдрому Патау. Причиною синдрому Патау є нерозходження до протилежних полюсів хромосом 13 пари в анафазі мейозу.

В результаті гамети (яйцеклітина або сперматозоїд) матимуть 22 хромосоми (-13) або 24 хромосоми (+13). Коли нормальна гамета, що має 23 хромосоми зливається з гаметою з 24 (+13) хромосомами, в результаті зигота матиме 47,+13 хромосоми та може народитися дитина з синдромом Патау (трисомія 13).

 

Трисомія 18 (синдром Едвардса) характеризується каріотипом 47,XX,18+ або 47,XY,18+. Частота виникнення 1:5000 новонароджених. Співвідношення хворих хлопчиків та дівчаток дорівнює 1:3. Причини переважання хворих дівчаток невідомі. Вперше даний синдром був описаний Вперше данин синдром був описаний в 1960 Еdwards.

Фенотипові прояви трисомії 18. Синдром Едвардса характеризується множинними вадами розвитку мозкового черепа та обличчя, зокрема, череп довгий вузький (доліхоцефалія), низько розміщені, деформовані вуха, мала нижня щелепа та ротовий отвір (мікрогнатія), розщілина піднебіння. Вади опорно-рухового апарату включають флексорне положення китиць (91 %), стопа-качалка (50 %) – п’ята виступає, склепіння провисає, короткі пальці, полідактилія, у 50 % шкірна синдактилія стоп. У 90 % спостерігаються вади розвитку серцево-судинної системи (дефекти міжшлуночкової перегородки, дефекти мідпередсердної перегородки). У 57 % відмічають вади сечової системи (зрощення нирок, подвоєння нирок та сечовода, киста нирок). Серед вад органів травлення (55 %) слід відзначити дивертикул Меккеля, незавершений поворот кишківника, атрезія стравоходу.

Діти з синдромом Едвардса помирають в ранньому віці (90 %) до року) від ускладнень, викликаних вродженими вадами розвитку (асфіксія, пневмонія, нишкова непрохідність, серцево-судинна недостатність).

Етіологія синдрому Едвардса. Причиною синдрому Едвардса є нерозходження до протилежних полюсів хромосом 18 пари в анафазі мейозу. В результаті гамети (яйцеклітина або сперматозоїд) матимуть 22 хромосоми (-18) або 24 хромосоми (+18). Коли нормальна гамета, що має 23 хромосоми зливається з гаметою з 24 (+18) хромосомами, в результаті зигота матиме 47,+18 хромосоми та може народитися дитина з синдромом Едвардсау (трисомія 18). Ризик народження хворих дітей підвищується у матерів старшого віку.

Структурні зміни аутосом

Синдром котячого крику характеризується каріотипом 46,XX,5p- або 46,XY,5p-. Це відкриття зробив Дж. Лежен у 1963 році. Цитогенетично в більшості випадків спостерігається делеція з втратою від ½ до 1/3 довжини короткого плеча 5 хромосоми.

Фенотипові прояви синдрому котячого крику. Найбільш характернина ознака – «крик кішки» – обумовлена змінами гортані (звуження, м’якість хрящів, зменшеня надгортанника, незвична складчастість слизової оболонки). Практично у всіх хворих є зміни мозкового черепа та обличчя: місяцеподібне обличчя, мікроцефалія, епікант, антимонголоїдний розріз очей, високе піднебіння, плоска спинка носа. Вушні раковини розмішені низько та деформовані. Крім того, зустрічаються вроджені вади серця та інших внутрішніх органів, опорно-рухового апарату (синдактилія стоп, косолапість). Харакрерн м’язева гіпотонія. Виразність клінічної картини в цілому та окремих ознак змінюються з віком. Так, “котячий крик”, м’язева гіпотонія, місяцеподібне обличчя з віком зникають майже повністю, а мікроцефалія є більш помітною, прогресує розумова відсталість, помітніше проявляється косоокість.

Більшість хворих помирає в перші роки, тільки 10 % досягають 10 річного віку. У всіх випадках хворим та їхнім батькам показане цитогенетичне обстеження, оскільки в одного з батьків можлива реципрокна збалансована транслокація, яка при мейозі може обумовити делецію ділянки 5p- (15,1-15,2).