Основи генетики людини

Дактилоскопія. Гребені на шкірі пальців рук відповідають сосоч­кам дерми (від лат. — сосо­чок), тому їх називають також папі­лярними лініями, рельєф цих виступів повторює шар епідермісу. Міжсосочкові заглибини утворюють борозенки. На поверхні гребенів відкриваються вивід­ні протоки потових залоз, а у товщині сполучнотканинного сосочка знахо­дяться чутливі нервові закінчення. По­верхня, яка вкрита гребінчастою шкі­рою, відрізняється високою дотиковою чутливістю.

Закладка візерунків відбу­вається між 10 і 19 тижнями внутрішньоутробного розвитку; у 20-тижневих плодів уже добре помітні форми візе­рунків розгалуження нервових воло­кон.

Повне формування деталей будови дотикових візерунків завершується до шести місяців, після чого вони зали­шаються незмінними до кінця життя. При пошкодженні шкіри (опік, відмо­рожування, травми) їх малюнок через деякий час повністю відновляється до деталей. Звичайно, відновлення мож­ливе до тих пір, доки пошкодження не пов'язане з глибокою травмою, яка тя­гне утворення рубців із щільної спо­лучної тканини.

Дерматогліфічні дослідження мають важливе значення у визначенні зиготності близнят, у діагностиці деяких спадкових хвороб, у судовій медицині, у криміналістиці для ідентифікації особи. Папілярні лінії на подушечках пальців звичайно вивчають на відбит­ках, які наносять на папір після зма­щування пальців друкарською фарбою. Детальне дослідження візерунків про­вадять за допомогою лупи. Папілярні лінії різних напрямків ніколи не пере­тинаються, але можуть у певних пунк­тах зближуватися, утворюючи трирадіуси, або дельти (за подібністю фігу­ри до грецької літери). На подушеч­ках пальців розрізняють лінії цент­рального візерунку і лінії рамки, які облямовують центральний візерунок. Не дивлячись на індивідуальну непов­торність візерунків, виділяють три основних типи їх: дуги А (англ. аrch—дуга); петліL(англ. Lor —пет­ля) і завиткові візерунки W (англ. whorl — завиток). Дугові візерунки зу­стрічаються рідше решти (6%), у цьо­му візерунку є лише один напрям па­пілярних ліній. Починаючись з одного краю візерунку, лінії, піднімаючись до іншого, протилежного краю, утворю­ють дуговий, шатровий візерунок, ви­гин якого буває або крутим, або поло­гим. Петлеві візерунки найбільш поши­рені (близько 60%). Це замкнений з одного боку візерунок: гребені почи­наються також від краю візерунка, але, не доходячи до протилежного краю, згинаються у вигляді петлі і по­вертаються до того ж краю, від якого починались. Якщо петля відхиляється у бік променевої кістки, вона назива­ється радіальною, якщо у бік ліктьо­вої кістки—ульнарною ( L^r , L^u ).

Завиткові візерунки займають серед­нє місце за поширеністю (34 %). Вони мають вигляд концентричних кіл, ова­лів, спіралей, знизу і зверху централь­на частина візерунка облямована дво­ма напрямками ліній. Завитки мають дві дельти. Типи пальцевих візерунків і їх запис приведені на мал. 5.5. На пальцях ніг є також три типи візерун­ків, але у іншому процентному співвід­ношенні (більший процент дуг). Так­тильні візерунки на підошві у людини редуковані у порівнянні з мавпами і займають меншу площу. Кількісним показником демотогліфіки є підрахунок гребенів (кількість папілярних ліній між дельтою і центром візерунка). У середньому на одному пальці буває 15-20 гребенів, на всіх десяти пальцях у чоловіків ця цифра дорівнює 144,98+- 51,08, а для жінок – 127,23+-52,21.

Біохімічні методи використовуються для діагностики хвороб обміну речо­вин, причиною яких є зміни активності окремих ферментів. За допомогою біо­хімічних методів відкрито близько 5000 молекулярних хвороб, які є нас­лідком прояву мутантних генів. При різних типах захворювання вдається або визначити сам аномальний білок — фермент, або проміжні продукти обмі­ну. Ці методи дуже трудомісткі, вима­гають спеціального обладнання і тому не можуть бути використані для масо­вих популяційних досліджень з метою раннього виявлення хворих із спадко­вою патологією обміну.

Останніми роками у різних країнах розробляються і використовуються для масових досліджень спеціальні програ­ми. Перший етап такої програми поля­гає у тому, щоб серед великої кількос­ті обстежуваних виділити ймовірно хворих, які мають якесь спадкове від­хилення від норми. Така програма на­зивається просіюючою, або скринінг-програмою (англ. sreening — просію­вання). Для цього етапу звичайно ви­користовується невелика кількість про­стих, доступних методик (експрес-ме­тодів). Експрес-методи грунтуються на простих якісних реакціях виявлення продуктів обміну у сечі, крові. На дру­гому етапі проводиться уточнення (під­твердження діагнозу або відхилення при хибно-позитивній реакції на пер­шому етапі). Для цього використову­ються точні хроматографічні методи визначення ферментів, амінокислот тощо.

Використовують також мікробіоло­гічні тести, які грунтуються на тому, що деякі штами бактерій ростуть тіль­ки на середовищах, які містять певні амінокислоти, вуглеводи. Вдалося от­римати штами за речовинами, які є субстратами або проміжними метабо­літами у хворих при порушенні обмі­ну. Якщо у крові або сечі є необхідна для росту речовина, то у чашці Петрі навколо фільтрувального паперу, про­соченого однією з цих рідин, спостері­гається активне розмноження мікро­бів, чого не буває у випадку аналізу у здорової людини. Розробляються різні варіанти мікробіологічних методів.

Популяційно-статистичний метод до­зволяє вивчати поширення окремих генів у популяціях людей. Звичайно проводиться безпосереднє вибіркове дослідження частини популяції або вивчають архіви лікарень, пологових будинків, а також проводять опитуван­ня шляхом анкетування. Вибір спосо­бу залежить від мети дослідження. Останній етап полягає у статистично­му аналізі.

Одним з найбільш простих і універ­сальних методів є метод, запропонова­ний Г. Харді і В. Вайнбергом (див. гл. II). Є і ряд інших спеціальних мате­матичних методів. У результаті цього можна визначити частоту генів у різ­них групах населення, частоту гетеро­зиготних носіїв ряду спадкових анома­лій і хвороб.

Досліджувані популяції можуть роз­різнятися за біологічними ознаками, географічними умовами життя, еконо­мічним станом. Вивчення розповсюдженості генів на певних територіях по­казує, що їх можна розділити на такі категорії: 1) мають універсальну по­ширеність (до них відноситься біль­шість відомих генів); це рецесивні гени фенілкетонурії і деяких інших форм розумової відсталості, які зуст­річаються у гетерозиготному стані у І % населення Європи; ген дальтоніз­му, який проявляється у 7 % чоловіків і 0,5 % жінок, але у гетерозиготному стані цей ген мають ІЗ % жінок; 2) зу­стрічаються локально, переважно у певних районах; наприклад, ген серпо­подібно-клітинної анемії, який пошире­ний у країнах Африки і Середземномо­р'я; ген, що зумовлює природжений вивих стегна, має високу концентрацію у корінного населення північно-східної частини Євразії.

Популяційно-статистичний метод до­зволяє визначити генетичну структуру популяцій (співвідношення між часто­тою гомо- і гетерозигот). Нові можливості для проведення генетичного ана­лізу відкриває використання електрон­но-обчислювальної техніки. Знання ге­нетичного складу популяцій населення має велике значення для соціальної гі­гієни і профілактичної медицини.

Патогенетичний метод. Принципи цитогенетичних досліджень сформува­лися на протязі 20—30-х років на кла­сичному об'єкті генетики — дрозофілі і деяких рослинах. Метод грунтується на мікроскопічному дослідженні хро­мосом.

Нормальний каріотип людини вклю­чає 46 хромосом, із них 22 пари ауто-сом і 2 статеві хромосоми. До 1956 р. кількість хромосом у людини не була точно встановлена, це вдалося шведсь­ким вченим Д. Тийо і А. Левану. На цей час у лабораторії успішно культи­вувалися клітини людини (клітини кі­сткового мозку, культури фібробластів або лейкоцитів периферичної крові, по­діл яких стимулювали фітогемаглюти-ніном). Використанням колхіцину зу­пиняли процес мітозу на стадії мета­фази, оскільки інактивувалися нитки мітотичного веретена; потім клітини оброблялися гіпотонічним розчином. У результаті набрякання і розривання клітинних мембран хромосоми виявля­лися вільними і віддаленими одна від одної (метафазні пластинки). Це дає можливість підраховувати їх і аналі­зувати. Найважливіше завдання поля­гає в умінні розрізняти індивідуальні хромосоми у даній метафазній плас­тинці. Безпосередньо, шляхом візуаль­ного спостереження під мікроскопом це зробити важко, тому звичайно роб­лять мікрофотографії, а потім вирі­зають окремі хромосоми і розташову­ють їх у порядку зменшення розмірів, тобто каріограми.

Для ідентифікації хромосом застосо­вують кількісний морфометричний ана­ліз. З цією метою проводять вимірю­вання довжини хромосоми у мікромет­рах. Визначають також співвідношен­ня довжини короткого плеча до довжи­ни всієї хромосоми (центромерний індекс).

У 1960 р. була розроблена перша Міжнародна класифікація хромосом людини (Денверська). У основу її бу­ли покладені особливості розмірів хро­мосоми і розташування первинної пе­ретяжки. Схематичне зображення ти­пів метафазних хромосом людини по­дано на мал. 5.7. За формою і загаль­ними розмірами всі хромосоми люди­ни поділяються на 7 груп, які позна­чають латинськими літерами А, В, С, О, Е, Р, О. Всі хросоми мають поряд­кові номери. Найбільша пара гомоло­гічних хромосом має № 1, наступна — № 2 тощо (табл. 7). Найменші із хро­мосом людини—№ 21 і 22. Статеві хромосоми позначаються літерами — велика Х (група С) і маленька У (гру­па 0). В останній час розробляються напівавтоматичні системи для вимі­рювання і кількісного аналізу хро­мосом.

Проте ідентифікація хромосом тіль­ки за вказаними ознаками зустрічає великі труднощі. Фактично вдається хромосома, а у межах групи визна­чити її місце і номер часто не вдаєть­ся. Згодом положення Денверської кла­сифікації були розвинуті, доповнені новими критеріями і конкретизовані на наступних міжнародних конференціях, останньою із яких була Паризька IV конференція по стандартизації хро­мосом людини (1971). Були використа­ні принципово нові методичні прийоми. У 1968—1970 рр. були опубліковані ро­боти шведського генетика Касперссона, який застосовував для вивчення хромосом флуоресцентні барвники, зок­рема акрихін — іприт і його похідні. Наступне вивчення у люмінісцентному мікроскопі показало, що хромосоми не дають рівномірного світіння по дов­жині.

Однорідність хромосом, яку спосте­рігали при використанні звичайних ядерних барвників, не підтвердилась, у них виділяється кілька яскравих смуг, які співпадають з локалізацією структурного гетерохроматину. Крім великих, дуже флуоресціюючих діля­нок, кожна хромосома має диски, які чергуються. Цей малюнок світіння строго специфічний для кожної хромо­соми. Після видалення із хромосом ДНК вони втрачають майже повністю здатність до флуоресценції. При ви­вченні каріотипу багатьох видів ссавців з'ясувалось, що здатністю до акрихі-нової флуоресценції характеризуються хромосоми людини, горили і шимпанзе. У інтерфазних ядрах цим методом ви­являється У-хромосома, яка має вигляд зеленуватого тільця, яке яскраво сві­титься.

На сьогодні розроблено кілька ме­тодів виявлення структурної неоднорід­ності по довжині хромосом людини. Основу всіх методів складають дена­турації і ренатурації ДНК хромосом, які відбулися на препаратах. Якщо після денатурації ДНК (викликаної одним із факторів) згодом провести її ренатурацію — відновлення вихідної двониткової структури, а потім зафар­бувати хромосоми фарбою Гімзи, то у них виявиться чітке диференціювання на темно і світло зафарбовані смуги — диски. Послідовність розташування цих дисків, їхній малюнок строго спе­цифічний для кожної хромосоми. У ре­зультаті різних варіантів методу вда­ється виявити центромерний і біля-центромерний гетерохроматин (С-диски), диски, які розташовані вздовж хромосоми (власне Гімзи-диски, С-диски).

Значний вклад у вивчення хромосом зроблений російськими цитогенетика­ми О. О. Прокоф'євою-Бельговською, О. Ф. Захаровим. В Інституті медичної генетики АМН СРСР О. Ф. Захаровим був розроблений перспективний метод вивчення хромосом. В його основу по­кладено процес неодночасної репліка­ції хромосом: одні ділянки реплікують-ся раніше, у інших цей процес затри­мається і реплікація відбувається знач­но пізніше. Неодночасно іде процес спіралізації хромосом, які вступають у мітоз. Проте до того моменту, коли хромосоми вступають у метафазу, всти­гає завершитись процес вирівнювання цих відмінностей, і ступінь конденсації метафазних хромосом стає однаковим. Було показано, що можна затримати цей процес шляхом введення 5-бромде-зоксиуридину (5-БДУ), який є анало­гом тимідину— попередника ДНК. Як­що 5-БДУ вводити в кінці 5-періоду, то він включається у синтез ДНК; ті ділянки хромосом, де знаходиться ця речовина, залишаються мало зафарбо­ваними, бо була затримана спіраліза­ція. Інтенсивно зафарбовуються ділян­ки (Р-диски), у яких процес репліка­ції відбувся рано і вони встигли спіралізуватися. Розташування світлих і темних дисків при цьому методі проти­лежне тому, що спостерігається при С-фарбуванні.

Порівняльний аналіз різних методів фарбування показав, що один і той же диск може виділятися як світлий, не­зафарбований або темнозафарбований, але порядок розташування дисків іден­тичний при всіх методиках (О-, С-, О-, Р-диски). Отже, не викликає сумніву, що їх розташування і послідовність мають закономірний характер, специ­фічний для кожної хромосоми (див. мал. 2,8). Природа цієї специфічної диференціації хромосом на диски ще повністю не з ясована, як і причини акрихінової флуоресценції ділянок хромосом. Припускають, що це пов'я­зано з наявністю у молекулі ДНК пов­торюваних блоків певної послідовності нуклеотидів або з особливостями зв'яз­ку ДНК з білками, що входять до складу хромосоми. З'ясування внут­рішньої структурної неоднорідності хромосом відіграло важливу роль у подальшому розвитку цитогенетики людини і покладено у основу міжна­родної номенклатури.

Якщо порушення виникають у стате­вих хромосом, то діагностика спрощу­ється. У цьому випадку проводиться не повне каріотипування, а застосо­вується метод дослідження статевого хроматину у соматичних клітинах.

Статевий хроматин—це не­велике дископодібне тільце, яке інтен­сивно фарбується гематоксиліном та іншими лужними барвниками. Воно виявляється у інтерфазних клітинних ядрах ссавців і людини, безпосередньо під ядерною мембраною. Статевий хроматин виявили вперше у 1949 р. М. Барр і Ч. Бертрам у нейронах кіш­ки; дослідники звернули увагу, що він є тільки у ядрах клітин самок і відсут­ній у самців.

Згодом було уточнено, що статевий хроматин є у більшості клітинних ядер самок (60—70 %), у самців його звичайно немає або зустрічається ду­же рідко (3—5 %). У клітинах чолові­ків іноді можна бачити дуже невелику кількість несправжніх тілець статевого хроматину—це конденсовані ділянки аутосом і спіралізовані У-хромосоми. Вони значно менші від X-хроматину і відрізняються за формою, розташуван­ням і кількістю. Статевий хроматин являє собою спіралізовану X-хромосо­му, яка у жінок інактивується ще у ранньому ембріогенезі до розвитку статевих залоз. Інактивацією однієї з X-хромосом вирівнюється баланс генів статевих хромосом у клітинах організ­мів чоловічої і жіночої статі.

Статевий хроматин можна визначи­ти у будь-яких тканинах. Частіше всьо­го досліджуються епітеліальні клітини слизової оболонки щоки (буккальний зскрібок). Це особливо зручно при ма­сових дослідженнях.

У каріотипі нормальної жінки є дві X-хромосоми, і одна із них утворює тільце статевого хроматину. Кількість тілець статевого хроматину у людини та інших ссавців на одиницю менша, ніж число Х-хромосом у даної особини. У жінок, які мають каріотип ХО (мо-носомія-^, синдром Шерешевського — Тернера), ядра клітин не мають стате­вого хроматину. При синдромі трисомії -X у жінки утворюються два тільця, у чоловіка з каріотипом 47(ХХУ) — є одне тільце (як у нормальних жінок).

Статевий хроматин можна визначи­ти і на мазках крові, у ядрах нейтрофі-лоцитів; вони мають характерний виг­ляд барабанних паличок, які відходять від складно-дольчастого ядра цих лей­коцитів. У нормі у жінок ці структури виявляються у 3—7 % нейтрофілоцитів, у чоловіків вони взагалі відсутні. Де­які автори вважають, що цей метод більш достовірний, ніж буккальний зскрібок, але внаслідок великої трудо­місткості він використовується тільки при спеціальних дослідженнях.

Визначення статевого хроматину ви­користовують і у судовій медицині, ко­ли необхідно за плямами крові встано­вити статеву належність, при аналізі, коли необхідно встановити, чоловікові чи жінці належить знайдена частина трупа, навіть через тривалий термін після смерті.

При трансплантації тканин тільце статевого хроматину є своєрідною міт­кою (якщо донор і реципієнт різної статі). Аналіз дає можливість прослід­кувати приживання чи розсмоктування трансплантату.

Виявлення Y-хроматину впроваджу­ється у практику медико-генетичних консультацій.

Мутації та їхні прояви у фенотипі людини. Поняття про спадкові хвороби. У людини, як і у інших хромосомні хвороби, а захворювання, які зв'язані з мутаціями на молекуляр­ному рівні, називають генними хворо­бами.

Успадкування резус-фактора. У макак-резус із еритроцитів у 1940 р. виділено антиген, який назвали резус-фактором (Rh-фактор). Згодом він був знайдений і у людей. Близько 85 % європейців його мають, тобто є резус-позитивними (Rh+), а у 15% резус-негативних (Rh-) він відсутній.

У нормі в осіб з резус-негативною кров'ю не виробляються антитіла до резус-фактора, але вони почнуть вироблятися у результаті переливан­ня резус-позитивної крові як захис­на реакція проти чужорідного анти­гена.

Успадкування резус-фактора зумов­лене трьома парами генів —С, D, К, які тісно зчеплені між собою, тому практично успадкування його частіше всього імітує моногенне успадкування.

Резус-позитивний фактор зумовле­ний домінантними генами. При шлюбі жінки з резус-негативною кров'ю і чо­ловіка з наявністю резус-фактора за умови гомозиготності батька всі діти будуть резус-позитивними, а при гетерозиготності буде спостерігатися роз­щеплення у відношенні 1 : 1.

Якщо у жінки з резус-негативною кров'ю дитина, що народиться, успад­кує резус-фактор, перша вагітність може завершитись цілком нормаль­но. Але при цьому у кров'яному руслі матері утворюються антитіла до Rh+-фактора. При наступній вагітнос­ті ці антитіла проникають у кров пло­да і викликають руйнування еритро­цитів, які мають антиген Rh+. З кож­ною наступною вагітністю, несуміс­ною за антигенами, кількість антитіл до Rh+-фактора у тілі матері зростає (мал. 5.11 і 5.12). Іноді гинуть недо­ношені ембріони, спостерігається мертвонародження. У зв'язку з проникан­ням у кров'яне русло дитини антитіл у неї розвивається гемолітична хворо­ба, що призводить до руйнування ери­троцитів. Врятувати новонароджено­го може тільки термінове переливан­ня крові з повною її заміною.

Із сказаного також має бути зрозу­мілим, що для переливання крові не­обхідно досліджувати її на Rh-фактор. Переливання несумісної за цим фактором крові дівчатам і жінкам зо­всім недопустиме, бо може викликати безпліддя.