Генетичні дослідження: показання, методи

В останні роки спостерігається збільшення частки спадкових захворювань у загальній структурі захворювань. У зв'язку з цим зростає роль генетичних досліджень у практичній медицині. Без знань медичної генетики неможливо ефективно діагностувати, лікувати та запобігати спадковим та вродженим захворюванням.

Спадкова схильність, ймовірно, притаманна майже всім захворюванням, але ступінь її значно варіюється. Якщо розглянути роль спадкових факторів у виникненні різних захворювань, можна виділити такі групи.

• Хвороби, походження яких повністю визначається генетичними факторами (вплив патологічного гена); до цієї групи належать моногенні захворювання, успадкування яких підпорядковується основним правилам законів Менделя (менделівські хвороби), а вплив зовнішнього середовища може впливати лише на інтенсивність певних проявів патологічного процесу (його симптомів).
• Захворювання, виникнення яких визначається переважно впливом зовнішнього середовища (інфекції, травми тощо); спадковість може впливати лише на деякі кількісні характеристики реакції організму, визначати особливості перебігу патологічного процесу.
• Хвороби, при яких спадковість є причинним фактором, але для її прояву необхідні певні впливи навколишнього середовища, їх успадкування не підпорядковується законам Менделя (неменделівські хвороби); їх називають мультифакторіальними.

Спадкові захворювання

Розвиток кожної особини є результатом взаємодії генетичних та екологічних факторів. Набір генів людини встановлюється під час запліднення, а потім разом із екологічними факторами визначає особливості розвитку. Набір генів організму називається геномом. Геном у цілому досить стабільний, але під впливом зміни умов навколишнього середовища в ньому можуть відбуватися зміни – мутації.

Основними одиницями спадковості є гени (ділянки молекули ДНК). Механізм передачі спадкової інформації базується на здатності ДНК до самоподвоєння (реплікації). ДНК містить генетичний код (систему запису інформації про розташування амінокислот у білках за допомогою послідовності нуклеотидів у ДНК та матричній РНК), який визначає розвиток і метаболізм клітин. Гени розташовані в хромосомах, структурних елементах ядра клітини, що містять ДНК. Місце, яке займає ген, називається локусом. Моногенні захворювання є монолокусними, полігенні захворювання (багатофакторні) – мультилокусними.

Хромосоми (паличкоподібні структури в ядрах клітин, видимі під світловим мікроскопом) складаються з багатьох тисяч генів. У людини кожна соматична, або нестатева, клітина містить 46 хромосом, представлених 23 парами. Одна з пар, статеві хромосоми (X та Y), визначає стать особини. У ядрах соматичних клітин жінки мають дві X-хромосоми, тоді як чоловіки мають одну X та одну Y-хромосому. Статеві хромосоми чоловіків гетерологічні: X-хромосома більша та містить багато генів, відповідальних як за визначення статі, так і за інші характеристики організму; Y-хромосома мала, має форму, відмінну від X-хромосоми, та містить переважно гени, що визначають чоловічу стать. Клітини містять 22 пари аутосом. Аутосомні хромосоми людини поділяються на 7 груп: A (1-ша, 2-га, 3-тя пари хромосом), B (4-та, 5-та пари), C (6-та, 7-ма, 8-ма, 9-та, 10-та, 11-та, 12-та пари, а також хромосома X, подібна за розміром до хромосом 6 та 7), D (13-та, 14-та, 15-та пари), E (16-та, 17-та, 18-та пари), F (19-та, 20-та пари), G (21-та, 22-га пари та хромосома Y).

Гени розташовані лінійно вздовж хромосом, причому кожен ген займає суворо визначене місце (локус). Гени, що займають гомологічні локуси, називаються алельними. Кожна людина має два алелі одного й того ж гена: по одному на кожній хромосомі кожної пари, за винятком більшості генів на хромосомах X та Y у чоловіків. Коли гомологічні ділянки хромосоми містять ідентичні алелі, ми говоримо про гомозиготність; коли вони містять різні алелі одного й того ж гена, ми говоримо про гетерозиготність для даного гена. Якщо ген (алель) проявляє свій ефект, коли присутній лише на одній хромосомі, він називається домінантним. Рецесивний ген проявляє свій ефект лише тоді, коли він присутній в обох членах пари хромосом (або на одній Х-хромосомі у чоловіків або у жінок з генотипом X0). Ген (і відповідна ознака) називаються Х-зчепленими, якщо вони локалізовані на хромосомі X. Всі інші гени називаються аутосомними.

Розрізняють домінантне та рецесивне успадкування. При домінантному успадкуванні ознака проявляється як у гомозиготному, так і в гетерозиготному станах. При рецесивному успадкуванні фенотипічні (сукупність зовнішніх і внутрішніх ознак організму) прояви спостерігаються лише в гомозиготному стані, тоді як у гетерозиготному вони відсутні. Можливе також зчеплене зі статтю домінантне або рецесивне успадкування; таким чином успадковуються ознаки, пов'язані з генами, локалізованими в статевих хромосомах.

Домінантно успадковані хвороби зазвичай вражають кілька поколінь однієї родини. При рецесивному успадкуванні латентне гетерозиготне носійство мутантного гена може існувати в родині протягом тривалого часу, через що хворі діти можуть народжуватися у здорових батьків або навіть у сім'ях, в яких хвороба була відсутня протягом кількох поколінь.

Генні мутації лежать в основі спадкових захворювань. Розуміння мутацій неможливе без сучасного розуміння терміна «геном». Наразі геном вважається мультигеномною симбіотичною структурою, що складається з обов'язкових та факультативних елементів. Основою обов'язкових елементів є структурні локуси (гени), кількість та розташування яких у геномі досить постійні. Структурні гени становлять приблизно 10-15% геному. Поняття «ген» включає транскрибовану область: екзони (власне кодуюча область) та інтрони (некодуюча область, що розділяє екзони); та фланкуючі послідовності - лідерну, що передує початку гена, та хвостову нетрансльовану область. Факультативні елементи (85-90% усього геному) - це ДНК, яка не несе інформації про амінокислотну послідовність білків і не є суворо обов'язковою. Ця ДНК може брати участь у регуляції експресії генів, виконувати структурні функції, підвищувати точність гомологічного спарювання та рекомбінації, сприяти успішній реплікації ДНК. Участь факультативних елементів у спадковій передачі ознак та формуванні мутаційної мінливості зараз доведена. Така складна структура геному визначає різноманітність генних мутацій.

У найширшому сенсі мутація – це стабільна, успадкована зміна ДНК. Мутації можуть супроводжуватися змінами структури хромосом, які видно під мікроскопом: делеція – втрата ділянки хромосоми; дуплікація – подвоєння ділянки хромосоми; вставка (інверсія) – розрив ділянки хромосоми, її поворот на 180° та прикріплення до місця розриву; транслокація – відрив ділянки однієї хромосоми та приєднання її до іншої. Такі мутації мають найбільший шкідливий вплив. В інших випадках мутації можуть полягати в заміні одного з пуринових або піримідинових нуклеотидів одного гена (точкові мутації). До таких мутацій належать: місенс-мутації (мутації зі зміною значення) – заміна нуклеотидів у кодонах з фенотиповими проявами; нонсенс-мутації (безглузді) – заміна нуклеотидів, що утворюють термінаційні кодони, в результаті чого передчасно припиняється синтез білка, що кодується геном; сплайсингові мутації – заміни нуклеотидів на стику екзонів та інтронів, що призводить до синтезу видовжених молекул білка.

Порівняно нещодавно було виявлено новий клас мутацій – динамічні мутації або експансійні мутації, пов’язані з нестабільністю кількості тринуклеотидних повторів у функціонально значущих частинах генів. Багато тринуклеотидних повторів, локалізованих у транскрибованих або регуляторних ділянках генів, характеризуються високим рівнем популяційної мінливості, в межах якого фенотипічні порушення не спостерігаються (тобто захворювання не розвивається). Захворювання розвивається лише тоді, коли кількість повторів у цих ділянках перевищує певний критичний рівень. Такі мутації не успадковуються відповідно до закону Менделя.

Отже, спадкові хвороби – це хвороби, спричинені пошкодженням геному клітини, які можуть впливати на весь геном, окремі хромосоми та спричиняти хромосомні захворювання, або впливати на окремі гени та бути причиною генних захворювань.

Усі спадкові захворювання зазвичай поділяють на три великі групи:

• моногенний;
• полігенний, або мультифакторний, при якому взаємодіють мутації кількох генів та негенетичні фактори;
• хромосомні аномалії, або аномалії в будові чи кількості хромосом.

Захворювання, що належать до перших двох груп, часто називають генетичними, а ті, що належать до третьої групи, – хромосомними.

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

Класифікація спадкових захворювань

Хромосомний	Моногенний	Багатофакторний (полігенний)
Аномалії кількості статевих хромосом: - синдром Шерешевського-Тернера; - синдром Клайнфельтера; - синдром трисомії Х; - синдром 47, аутосоми XYY: - синдром Дауна; - синдром Едвардса; - синдром Патау; - часткова трисомія 22 Структурні аномалії хромосом: Синдром плачу в чаті; Синдром делеції 4p; Синдроми мікроделеції сусідніх генів	Аутосомно-домінантний тип: Синдром Марфана; хвороба фон Віллебранда; Анемія Мінковського-Шоффара та інші Аутосомно-рецесивний: - фенілкетонурія; - галактоземія; - муковісцидоз тощо. Х-зчеплений рецесивний тип: Гемофілія А та В; Міопатія Дюшена; Та інші. Х-зчеплений домінантний: - рахіт, стійкий до вітаміну D; - коричневе забарвлення Зубна емаль тощо.	ЦНС: деякі форми епілепсії, шизофренія тощо. Серцево-судинна система: ревматизм, гіпертонія, атеросклероз тощо. Шкіра: атопічний дерматит, псоріаз тощо. Дихальна система: бронхіальна астма, алергічний альвеоліт тощо. Сечовидільна система: сечокам'яна хвороба, енурез тощо. Травна система: виразкова хвороба, неспецифічний виразковий коліт тощо.

Хромосомні захворювання можуть бути спричинені кількісними аномаліями хромосом (геномними мутаціями), а також структурними аномаліями хромосом (хромосомними абераціями). Клінічно майже всі хромосомні захворювання проявляються як інтелектуальна недостатність та множинні вроджені дефекти, часто несумісні з життям.

Моногенні захворювання розвиваються в результаті пошкодження окремих генів. До моногенних захворювань належать більшість спадкових метаболічних захворювань (фенілкетонурія, галактоземія, мукополісахаридози, муковісцидоз, адреногенітальний синдром, глікогенози тощо). Моногенні захворювання успадковуються за законами Менделя і за типом успадкування можуть бути розділені на аутосомно-домінантні, аутосомно-рецесивні та Х-зчеплені.

Багатофакторні захворювання є полігенними, і для їх розвитку потрібен вплив певних факторів навколишнього середовища. Загальні ознаки багатофакторних захворювань такі.

• Висока частота в популяції.
• Виражений клінічний поліморфізм.
• Подібність клінічних проявів у пробанда та близьких родичів.
• Вікові та гендерні відмінності.
• Раніший початок та деяке посилення клінічних проявів у низхідних поколіннях.
• Змінна терапевтична ефективність препаратів.
• Подібність клінічних та інших проявів захворювання у близьких родичів та пробанда (коефіцієнт успадковуваності для мультифакторіальних захворювань перевищує 50-60%).
• Невідповідність закономірностей успадкування законам Менделя.

Для клінічної практики важливо розуміти сутність терміна «вроджені вади розвитку», які можуть бути поодинокими або множинними, спадковими або спорадичними. До спадкових захворювань не належать ті вроджені захворювання, що виникають у критичні періоди ембріогенезу під впливом несприятливих факторів навколишнього середовища (фізичних, хімічних, біологічних тощо) і не успадковуються. Прикладом такої патології можуть бути вроджені вади серця, які часто викликані патологічними впливами в період формування серця (перший триместр вагітності), наприклад, вірусною інфекцією, тропною до тканин серця, що розвивається; фетальним алкогольним синдромом, аномаліями розвитку кінцівок, вушних раковин, нирок, травного тракту тощо. У таких випадках генетичні фактори формують лише спадкову схильність або підвищену сприйнятливість до впливу певних факторів навколишнього середовища. За даними ВООЗ, аномалії розвитку присутні у 2,5% усіх новонароджених; 1,5% з них спричинені дією несприятливих екзогенних факторів під час вагітності, решта мають переважно генетичний характер. Розмежування спадкових та вроджених захворювань, що не успадковуються, має велике практичне значення для прогнозування потомства в даній родині.

[ 5 ]

Методи діагностики спадкових захворювань

Наразі практична медицина має цілий арсенал діагностичних методів, що дозволяють з певною ймовірністю виявляти спадкові захворювання. Діагностична чутливість та специфічність цих методів різняться – одні дозволяють лише припустити наявність захворювання, інші ж з великою точністю виявляють мутації, що лежать в основі захворювання, або визначають особливості його перебігу.

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

Цитогенетичні методи

Для діагностики хромосомних захворювань використовуються цитогенетичні методи дослідження. До них належать:

• дослідження статевого хроматину – визначення X- та Y-хроматину;
• каріотипування (каріотип – це набір хромосом клітини) – визначення кількості та структури хромосом з метою діагностики хромосомних захворювань (геномних мутацій та хромосомних аберацій).

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