Генетические исследования: показания, методы

В последние годы прослеживается увеличение доли наследственных болезней в общей структуре заболеваний. В связи с этим возрастает роль генетических исследований в практической медицине. Без знания медицинской генетики невозможно эффективно проводить диагностику, лечение и профилактику наследственных и врождённых заболеваний.

Наследственная предрасположенность, вероятно, присуща практически всем заболеваниям, но степень её значительно варьирует. Если рассматривать роль наследственных факторов в возникновении различных заболеваний, то можно выделить следующие их группы.

• Заболевания, происхождение которых полностью определяется генетическими факторами (воздействием патологического гена); к этой группе относятся моногенные болезни, наследование которых подчиняется основным правилам законов Менделя (менделирующие заболевания), а воздействие внешней среды может оказывать влияние лишь на интенсивность тех или иных проявлений патологического процесса (на его симптоматику).
• Болезни, возникновение которых определяется в основном воздействием внешней среды (инфекции, травмы и т.п.); наследственность может лишь влиять на некоторые количественные характеристики реакции организма, определять особенности течения патологического процесса.
• Заболевания, при которых наследственность является причинным фактором, но для его проявления необходимы определённые воздействия внешней среды, их наследование не подчиняется законам Менделя (неменделирующие заболевания); они получили название мультифак-ториальных.

Наследственные заболевания

Развитие каждого индивида - результат взаимодействия генетических и внешнесредовых факторов. Набор генов человека устанавливается при оплодотворении и затем вместе с факторами внешней среды определяет особенности развития. Совокупность генов организма получила название генома. Геном в целом весьма стабилен, но под влиянием меняющихся условий внешней среды в нём могут происходить изменения - мутации.

Основные единицы наследственности - гены (участки молекулы ДНК). Механизм передачи наследственной информации основан на способности ДНК к самоудвоению (репликации). ДНК содержит генетический код (система записи информации о расположении аминокислот в белках с помощью последовательности расположения нуклеотидов в ДНК и информационной РНК), который определяет развитие и метаболизм клеток. Гены расположены в хромосомах, структурных элементах ядра клетки, содержащих ДНК. Место, занимаемое геном, называется локусом. Моногенные заболевания - монолокусные, полигенные болезни (мультифакториальные) - мультилокусные.

Хромосомы (видимые в световом микроскопе палочковидные структуры в ядрах клеток) состоят из многих тысяч генов. У человека каждая соматическая, то есть не половая, клетка содержит 46 хромосом, представленных 23 парами. Одна из пар - половые хромосомы (Х и Y) - определяет пол индивида. В ядрах соматических клеток у женщин присутствуют две хромосомы X, у мужчин - одна хромосома Х и одна хромосома Y. Половые хромосомы мужчин гетерологичны: хромосома X больше, в ней содержится множество генов, отвечающих как за определение пола, так и за другие признаки организма; хромосома Y маленькая, имеет отличающуюся от хромосомы X форму и несёт главным образом гены, детерминирующие мужской пол. Клетки содержат 22 пары аутосом. Аутосомные хромосомы человека разделяют на 7 групп: А (1-, 2-, 3-я пары хромосом), В (4-, 5-я пары), С (6-, 7-, 8-, 9-, 10-, 11-, 12-я пары, а также хромосома Х, по размерам сходная с хромосомами 6 и 7), D (13-, 14-, 15-я пары), Е (16-, 17-, 18-я пары), F (19-, 20-я пары), G (21-, 22-я пары и хромосома Y).

Гены расположены вдоль хромосом линейно, причём каждый ген занимает строго определённое место (локус). Гены, занимающие гомологичные локусы, называются аллельными. Каждый человек имеет по два аллеля одного и того же гена: по одному на каждой хромосоме каждой пары, за исключением большинства генов на хромосомах X и Y у мужчин. В тех случаях, когда в гомологичных участках хромосомы присутствуют одинаковые аллели, говорят о гомозиготности, когда же в них содержатся разные аллели одного и того же гена, то принято говорить о гетерозиготности по данному гену. Если ген (аллель) проявляет свой эффект, присутствуя только в одной хромосоме, он называется доминантным. Рецессивный ген проявляется только в том случае, если он присутствует у обоих членов хромосомной пары (или в единственной хромосоме X у мужчин или у женщин с генотипом Х0). Ген (и соответствующий ему признак) называется Х-сцепленным, если он локализуется в хромосоме X. Все остальные гены называются аутосомными.

Различают доминант ный и рецессивный тип наследования. При доминантном наследовании признак проявляется как в гомозиготном, так и в гетерозиготном состояниях. При рецессивном наследовании фенотипические (совокупность внешних и внутренних признаков организма) проявления наблюдают только в гомозиготном состоянии, в то время как при гетерозиготности они отсутствуют. Возможен также сцепленный с полом доминантный или рецессивный тип наследования; таким образом наследуются признаки, связанные с генами, локализованными в половых хромосомах.

При доминантно-наследуемых заболеваниях обычно поражаются несколько поколений одной семьи. При рецессивном наследовании в семье может длительно существовать скрытое гетерозиготное носительство мутантного гена, в связи с чем больные дети могут рождаться у здоровых родителей или даже в семьях, в которых в нескольких поколениях данное заболевание отсутствовало.

В основе наследственных болезней лежат мутации генов. Понимание мутаций невозможно без современного понимания термина «геном». В настоящее время геном рассматривается как мультигеномная симбиотическая конструкция, состоящая из облигатных и факультативных элементов. Основу облигатных элементов составляют структурные локусы (гены), количество и расположение которых в геноме достаточно постоянны. На долю структурных генов приходится приблизительно 10-15% генома. Понятие «ген» включает транскрибируемую область: экзоны (собственно кодирующий участок) и интроны (некодирующий, разделяющий экзоны участок); и фланкирующие последовательности - лидерная, предшествующая началу гена, и хвостовая нетранслируемая область. Факультативные элементы (85-90% от всего генома) представляют собой ДНК, которая не несёт информации об аминокислотной последовательности белков и не является строго обязательной. Эта ДНК может участвовать в регуляции экспрессии генов, выполнять структурные функции, повышать точность гомологичного спаривания и рекомбинации, способствовать успешной репликации ДНК. Участие факультативных элементов в наследственной передаче признаков и формировании мутационной изменчивости в настоящее время доказано. Такое сложное строение генома определяет разнообразие генных мутаций.

В самом широком смысле мутация - устойчивое, передаваемое по наследству изменение в ДНК. Мутации могут сопровождаться видимыми при микроскопии изменениями структуры хромосом: делеция - выпадение участка хромосомы; дупликация - удвоение участка хромосомы, инсерция (инверсия) - разрыв участка хромосомы, поворот его на 180° и прикрепление к месту разрыва; транслокация - отрыв участка одной хромосомы и прикрепление его к другой. Такие мутации обладают наибольшим повреждающим действием. В других случаях мутации могут заключаться в замене одного из пуриновых или пиримидиновых нуклеотидов единичного гена (точечные мутации). К таким мутациям относятся: миссенс-мутации (мутации с изменением смысла) - замена нуклеотидов в кодонах с фенотипическими проявлениями; нонсенс-мутации (бессмысленные) - замены нуклеотидов, при которых образуются терминирующие кодоны, в результате синтез кодируемого геном белка преждевременно обрывается; сплайсинговые мутации - замены нуклеотидов на стыке экзонов и интронов, что приводит к синтезу удлинённых молекул белка.

Относительно недавно выявлен новый класс мутаций - динамические мутации или мутации экспансии, связанные с нестабильностью количества тринуклеотидных повторов в функционально значимых частях генов. Многие тринуклеотидные повторы, локализованные в транскрибируемых или регуляторных областях генов, характеризуются высоким уровнем популяционной изменчивости, в пределах которого не наблюдается фенотипических нарушений (то есть болезнь не развивается). Болезнь развивается лишь тогда, когда количество повторов в этих сайтах превосходит определённый критический уровень. Такие мутации не наследуются в соответствии с законом Менделя.

Таким образом, наследственные болезни - это болезни, обусловленные повреждениями генома клетки, которые могут затрагивать весь геном, отдельные хромосомы и вызывать хромосомные болезни, или затрагивать отдельные гены и быть причиной генных болезней.

Все наследственные болезни принято разделять на три большие группы:

• моногенные;
• полигенные, или мультифакториальные, при которых мутации нескольких генов и негенетические факторы взаимодействуют;
• хромосомные нарушения, или аномалии в структуре или количестве хромосом.

Заболевания, относящиеся к двум первым группам, часто называют генетическими, а к третьей - хромосомными болезнями.

[1], [2], [3], [4]

Классификация наследственных заболеваний

Хромосомные болезни могут быть обусловлены количественными аномалиями хромосом (геномные мутации), а также структурными аномалиями хромосом (хромосомные аберрации). Клинически почти все хромосомные болезни проявляются нарушением интелектуального развития и множественными врождёнными пороками, часто несовместимыми с жизнью.

Моногенные болезни развиваются вследствие повреждения отдельных генов. К моногенным болезням относятся большинство наследственных болезней обмена (фенилкетонурия, галактоземия, мукополисахаридозы, муковисцидоз, адреногенитальный синдром, гликогенозы и др.). Моногенные болезни наследуются в соответствии с законами Менделя и по типу наследования могут быть разделены на аутосомно-доминантные, аутосомно-рецессивные и сцепленные с хромосомой X.

Мультифакториальные болезни являются полигенными, для их развития необходимо влияние определённых факторов внешней среды. Общие признаки мультифакториальных заболеваний следующие.

• Высокая частота среди населения.
• Выраженный клинический полиморфизм.
• Сходство клинических проявлений у пробанда и ближайших родственников.
• Возрастные и половые различия.
• Более раннее начало и некоторое усиление клинических проявлений в нисходящих поколениях.
• Вариабельная терапевтическая эффективность лекарств.
• Сходство клинических и других проявлений болезни у ближайших родственников и пробанда (коэффициент наследуемости для мультифакториальных заболеваний превышает 50-60%).
• Несоответствие закономерностей наследования законам Менделя.

Для клинической практики важно понимать сущность термина «врождённые пороки развития», которые могут быть одиночными или множественными, наследственными или спорадическими. К наследственным болезням нельзя относить те врождённые заболевания, которые возникают в критические периоды эмбриогенеза под воздействием неблагоприятных факторов внешней среды (физических, химических, биологических и др.) и не передаются по наследству. Примером такой патологии могут быть врождённые пороки сердца, которые часто обусловлены патологическими воздействиями в период закладки сердца (I триместр беременности), например вирусной инфекцией, тропной к тканям формирующегося сердца; алкогольный синдром плода, аномалии развития конечностей, ушных раковин, почек, пищеварительного тракта и др. В таких случаях генетические факторы формируют только наследственную предрасположенность или повышенную восприимчивость к действию определённых факторов внешней среды. По данным ВОЗ аномалии развития присутствуют у 2,5% всех новорождённых; 1,5% из них обусловлены действием неблагоприятных экзогенных факторов во время беременности, остальные имеют преимущественно генетическую природу. Разграничение наследственных и врождённых заболеваний, которые не передаются по наследству, имеет очень важное практическое значение для прогнозирования потомства в данной семье.

[5]

Методы диагностики наследственных заболеваний

В настоящее время практическая медицина имеет целый арсенал диагностических методов, позволяющих с определённой вероятностью выявлять наследственные заболевания. Диагностическая чувствительность и специфичность этих методов различна - одни позволяют только предположить наличие заболевания, другие с большой точностью выявляют мутации, лежащие в основе болезни или определяющие особенности её течения.

[6], [7], [8], [9]

Цитогенетические методы

Цитогенетические методы исследования применяют для диагностики хромосомных болезней. Они включают:

• исследования полового хроматина - определение Х- и Y-хроматина;
• кариотипирование (кариотип - совокупность хромосом клетки) - определение количества и структуры хромосом с целью диагностики хромосомных болезней (геномных мутаций и хромосомных аберраций).

[10], [11], [12], [13],