Авторы: Анастасия Чашникова, выпускница факультета биоинженерии и биоинформатики МГУ им. М.В.Ломоносова, преподаватель биологии АПО и «Коалиции»; Любовь Фролова, преподаватель АПО и СУНЦ МГУ по биологии.
Генеалогический метод
Генеалогический метод был впервые предложен в конце XIX века и заключается в составлении родословной пациента, в которой символами отмечен исследуемый признак. Этот метод имеет большое значение при предупреждении наследственных болезней, но также имеет и ряд ограничений: пациенты не всегда могут точно составить свою родословную, не могут воспроизвести свою родословную дальше мамы и папы (только если это не королева Англии — королевским семьям в этом плане везет намного больше). Большое значение имеет детальный опрос родственников больного и постановка верного диагноза. К неправильному диагнозу может привести и ошибочный учет фенокопий — ненаследственных болезней, похожих на наследственные.
Выделим основные особенности клинических проявлений наследственных заболеваний, пригодных для анализа с помощью генеалогического метода:
• семейный характер заболевания;
• редко встречающиеся специфические симптомы;
• врожденный характер заболевания;
• множественное поражение систем органов;
• этническая предрасположенность.
Проанализировав родословную, можно установить характер наследования признака и выяснить:
1) наследование ядерное или цитоплазматическое;
2) если наследование ядерное, то можно определить, находится ли ген в половой хромосоме или в аутосоме;
3) признак наследуется по рецессивному или доминантному типу.
В качестве примера можно привести наследование гемофилии — это болезнь, обусловленная рецессивной мутацией в Х-хромосоме и вызывающая нарушения свертывания крови. Гетерозиготные женщины являются носительницами гена, мужчины, рожденные в браке матери-носительницы и здорового отца, болеют гемофилией с вероятностью 50%. Появление больной гемофилией девочки очень редкое и маловероятное событие, для этого в брак должны вступить мать-носительница гемофилии и больной гемофилией отец. Всего за всю историю было выявлено около 60 случаев таких заболеваний.
Близнецовый метод
Близнецовый метод помогает определить роль наследственности и среды в развитии признака. Кроме этого, с помощью близнецового метода можно выяснить пенетрантность и экспрессивность гена, отвечающего за тот или иной признак, а также норму реакции отдельных признаков.
| Пенетрантность вычисляют как отношение числа особей, имеющих признак, к общему числу особей, имеющих этот ген, и выражают в процентах. Т.е. пенетрантность — это показатель фенотипического проявления признака в популяции. Пенетрантность отвечает на вопрос: «С какой вероятностью проявится признак?» Экспрессивность — это выраженность фенотипического проявления генов. Экспрессивность отвечает на вопрос: «Насколько значительно проявление признака в фенотипе?» Норма реакции — границы, в рамках которых в зависимости от условий среды формируются разные фенотипы при одном и том же генотипе. |
При использовании близнецового метода проводится сравнение:
• монозиготных (однояйцевых) близнецов с дизиготными (разнояйцевыми) близнецами;
• партнеров в монозиготных парах между собой;
• данных анализа близнецовой выборки с общей популяцией.
Монозиготные близнецы развиваются из одной зиготы, которая впоследствии делится митозом. Из-за этого у близнецов высокая степень сходства (конкордантность) по многим признакам и различия зависят только от факторов среды.
Дизиготные близнецы происходят из разных яйцеклеток, оплодотворенных разными сперматозоидами, из-за чего наблюдается сильное несходство близнецов между собой. В этом случае большее значение в проявлении признака играет генотип. Для определения роли генотипа и факторов среды сравнивают долю конкордантных пар среди монозиготных и дизиготных близнецов.
| Конкордантность — это процент сходства по изучаемому признаку. Отсутствие признака у одного из близнецов — дискордантность. Чем больше конкордантность, тем больше роль наследственных факторов в формировании данного признака и тем меньше роль среды. |
Цитогенетические методы
Цитогенетические методы применяются для изучения кариотипа (профиля хромосом) человека и могут быть полезны при диагностировании хромосомных мутаций (дупликация, транслокация, делеция и др.). Для выявления наличия генетических отклонений проводят кариотипирование — анализ графического изображения кариотипа, где хромосомы «отсортированы» по типам. Если хромосомы отсортированы еще и по длине, то такое изображение называется идиограммой. При этом самая длинная хромосома — первая, а самая короткая — последняя. Отдельно обозначают половые хромосомы.
Практика
Разберем задание из теоретического тура ВсОШ (рис. 3). Необходимо соотнести хромосомные наборы и организмы, которым они принадлежат, а также указать пол особи. На рисунке 1 здесь изображена идиограмма, на всех остальных — кариотипы. Кариотип под цифрой 3 принадлежит человеческой женщине — 46 хромосом, из них две — Х-хромосомы. Четвертый кариотип принадлежит самцу дрозофилы, из школьной программы мы знаем, что у плодовых мушек всего 8 хромосом, при этом пол определяется соотношением X хромосом к набору аутосом, в данном случае — мужской. ZW — система определения пола характерна для птиц, поэтому на 2 рисунке кариотип клеток курицы, женский пол у птиц гетерогаметный. Первая идиограмма принадлежит самцу мыши, мы видим ХY-определение пола.
Биохимические методы
В основе этого метода лежит изучение обмена веществ. Он позволяет определить активность ферментов или содержание некоторых продуктов метаболизма. Наследственные болезни обмена веществ подразделяются на болезни углеводного обмена, обмена аминокислот и липидов.
В ряде наследственных болезней человека поражаются гены, отвечающие за синтез ферментов. Так, у людей, страдающих фенилкетонурией, имеется серьезная недостаточность печеночного фермента — фенилаланингидроксилазы. Это приводит к нарушению процесса превращения фенилаланина в тирозин, из-за чего фенилаланин в больших концентрациях накапливается в крови. Накопление фенилаланина приводит к частичному образованию фенилуксусной и фенилмолочной кислот, что оказывает токсичное действие на мозг ребенка и снижает умственное развитие. Это заболевания диагностируется по появлению фенилаланина в крови.
Молекулярно-генетические методы
К этой группе относят разнообразные методы, которые используют для выявления отклонений в последовательности нуклеотидов исследуемого участка или участков ДНК.
Для проведения данного анализа необходимо выделить нуклеиновую кислоту (чаще всего используют ДНК) из образца биоматериала человека. Так как нас интересует не вся последовательность ДНК, а только некоторые участки, то проводим полимеразную цепную реакцию (ПЦР). Данный этап позволяет многократно увеличить концентрацию искомого фрагмента ДНК и повысить качество следующих этапов анализа. Секвенирование — определение нуклеотидной последовательности фрагмента ДНК или целого генома. Полученную последовательность нуклеотидов можно сравнить со здоровой и выявить редкие генетические заболевания.
Сегодня коммерческие компании предлагают услуги по проведению генетических тестов, которые могут оценить предрасположенность человека к заболеваниям и возможные риски, определить происхождение, проверить индивидуальную непереносимость продуктов и вероятность спортивных травм. Также популярным тестом является тест на отцовство.
Популяционно-статистический метод
Этот метод получил широкое применение при изучении наследственных болезней человека среди групп населения (в популяциях). Для расчета используют закон Харди-Вайнберга.
| Закон Харди Вайнберга: В идеальной популяции частоты аллелей одного гена находятся в равновесном состоянии и не изменяются в поколениях. p2 + 2pq + q2, p + q = 1 p — частота доминантного аллеля, q — частота рецессивного аллеля. Соответственно, p2 — частота встречаемости генотипа AA, 2pq — генотипа Aa, а q2 — частота встречаемости генотипа aa. Для справки: идеальная популяция (панмиктическая популяция) — бесконечно большая по численности особей популяция, в которой отсутствует естественный и половой отбор, дрейф генов и не происходят мутации. |
Данный метод используется в медицине для расчета встречаемости носителей определенного рецессивного аллеля гена, обуславливающего развитие наследственного заболевания. Например, зная частоту встречаемости заболевания фенилкетонурии, можно рассчитать долю носителей в популяции:
Частота заболевания: 1 больной (генотип аа) на 40000 здоровых людей (генотип АА и Аа).
Доля больных (генотип аа):
Доля носителей (генотип Аа):
Таким образом, популяция численностью 40 000 человек содержит одного больного и 398 носителей фенилкетонурии.
Источники:
- Сайт medboli.
- Глазер В.М., Ким А.И., Орлова Н.Н., Удина И.Г., Алтухов Ю.П. М.:»Университет», 2005. — 224 с., с илл.
- Сайт interlab.
- Лекция Сергея Лукьянова. Институт биоорганической химии имени академиков М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова РАН.
- Матвеев В. Б., Марилов Т. В., Юнкер К. Цитогенетические исследования при двустороннем раке почек // ОУ. 2006. №3.
- The usefulness of whole-exome sequencing in routine clinical practiceAlejandro Iglesias MD, Kwame Anyane-Yeboa MD, Julia Wynn MS, Ashley Wilson MS, Megan Truitt Cho ScM, Edwin Guzman MS, Rebecca Sisson MS, Claire Egan MS & Wendy K. Chung MD, PhD.
- Биология: Учебник для студентов высших учебных заведений / Под ред. Акад. РАО Н.В. Чебышева. – М.: ООО «Издательство «Медицинское информационное агентство», 2016.
- Авдонини А.С., Марданлы С.Г., Юминова Н.В. Разработка иммуноферментной тест-системы для выявления антител класса М к индивидуальным белкам цитомегаловируса человека методом иммунного блоттинга в формате «Western blot» // 2016.
- Сайт studopedia.
Рекомендуемые материалы:
- Важнейшие методы молекулярной биологии и генной инженерии.
- Генная терапия: познакомьтесь с лекарствами будущего.
- Особенности генетических тестов.
- Генеалогический анализ.