Badania genetyczne: wskazania, metody

W ostatnich latach obserwuje się wzrost udziału chorób dziedzicznych w ogólnej strukturze chorób. W związku z tym wzrasta rola badań genetycznych w medycynie praktycznej. Bez znajomości genetyki medycznej nie można skutecznie diagnozować, leczyć i zapobiegać chorobom dziedzicznym i wrodzonym.

Predyspozycje dziedziczne są prawdopodobnie nieodłączne w przypadku niemal wszystkich chorób, ale ich stopień jest bardzo różny. Jeśli weźmiemy pod uwagę rolę czynników dziedzicznych w występowaniu różnych chorób, możemy wyróżnić następujące grupy.

• Choroby, których powstanie jest w całości zdeterminowane czynnikami genetycznymi (wpływ genu patologicznego); do tej grupy zaliczają się choroby monogenowe, których dziedziczenie podlega podstawowym zasadom praw Mendla (choroby mendlowskie), a wpływ środowiska zewnętrznego może wpływać jedynie na intensywność niektórych przejawów procesu patologicznego (jego symptomów).
• Choroby, których występowanie determinowane jest głównie przez wpływ środowiska zewnętrznego (zakażenia, urazy itp.); dziedziczność może wpływać tylko na niektóre ilościowe cechy reakcji organizmu, determinować cechy przebiegu procesu patologicznego.
• Choroby, w których czynnikiem sprawczym jest dziedziczność, ale do ich ujawnienia konieczne są określone wpływy środowiska, ich dziedziczenie nie podlega prawom Mendla (choroby niemendlowskie); nazywa się je chorobami wieloczynnikowymi.

Choroby dziedziczne

Rozwój każdego osobnika jest wynikiem współdziałania czynników genetycznych i środowiskowych. Zestaw ludzkich genów ustala się podczas zapłodnienia i następnie, wraz z czynnikami środowiskowymi, determinuje cechy rozwoju. Zestaw genów organizmu nazywa się genomem. Genom jako całość jest dość stabilny, ale pod wpływem zmieniających się warunków środowiskowych mogą w nim zachodzić zmiany - mutacje.

Podstawowymi jednostkami dziedziczności są geny (odcinki cząsteczki DNA). Mechanizm przekazywania informacji dziedzicznej opiera się na zdolności DNA do samopowielania się (replikacji). DNA zawiera kod genetyczny (system zapisu informacji o położeniu aminokwasów w białkach za pomocą sekwencji nukleotydów w DNA i informacyjnym RNA), który determinuje rozwój i metabolizm komórek. Geny są zlokalizowane w chromosomach, elementach strukturalnych jądra komórkowego zawierających DNA. Miejsce zajmowane przez gen nazywa się locus. Choroby monogeniczne to monolocus, choroby poligeniczne (wieloczynnikowe) to multilocus.

Chromosomy (pręcikowate struktury w jądrach komórek widoczne pod mikroskopem świetlnym) składają się z wielu tysięcy genów. U ludzi każda komórka somatyczna, czyli niepłciowa, zawiera 46 chromosomów, reprezentowanych przez 23 pary. Jedna z par, chromosomy płciowe (X i Y), determinują płeć osobnika. W jądrach komórek somatycznych kobiety mają dwa chromosomy X, podczas gdy mężczyźni mają jeden chromosom X i jeden chromosom Y. Chromosomy płciowe mężczyzn są heterologiczne: chromosom X jest większy i zawiera wiele genów odpowiedzialnych zarówno za determinację płci, jak i inne cechy organizmu; chromosom Y jest mały, ma inny kształt niż chromosom X i przenosi głównie geny determinujące płeć męską. Komórki zawierają 22 pary autosomów. Ludzkie chromosomy autosomalne dzielą się na 7 grup: A (1., 2., 3. para chromosomów), B (4., 5. para), C (6., 7., 8., 9., 10., 11., 12. para, a także chromosom X, podobny pod względem wielkości do chromosomów 6 i 7), D (13., 14., 15. para), E (16., 17., 18. para), F (19., 20. para), G (21., 22. para i chromosom Y).

Geny są ułożone liniowo wzdłuż chromosomów, przy czym każdy gen zajmuje ściśle określone miejsce (locus). Geny zajmujące homologiczne locusy nazywane są allelowymi. Każda osoba ma dwa allele tego samego genu: jeden na każdym chromosomie każdej pary, z wyjątkiem większości genów na chromosomach X i Y u mężczyzn. Kiedy homologiczne regiony chromosomu zawierają identyczne allele, mówimy o homozygotyczności; kiedy zawierają różne allele tego samego genu, mówimy o heterozygotyczności dla danego genu. Jeśli gen (allel) wykazuje swój wpływ, gdy jest obecny tylko na jednym chromosomie, nazywa się go dominującym. Gen recesywny wykazuje swój wpływ tylko wtedy, gdy jest obecny u obu członków pary chromosomów (lub na pojedynczym chromosomie X u mężczyzn lub u kobiet z genotypem X0). Gen (i odpowiadająca mu cecha) nazywa się sprzężonym z chromosomem X, jeśli jest zlokalizowany na chromosomie X. Wszystkie inne geny nazywane są autosomalnymi.

Rozróżnia się dziedziczenie dominujące i recesywne. W dziedziczeniu dominującym cecha objawia się zarówno w stanie homozygotycznym, jak i heterozygotycznym. W dziedziczeniu recesywnym manifestacje fenotypowe (zestaw cech zewnętrznych i wewnętrznych organizmu) obserwuje się tylko w stanie homozygotycznym, podczas gdy nie występują w heterozygotyczności. Możliwe jest również dziedziczenie dominujące lub recesywne sprzężone z płcią; w ten sposób dziedziczone są cechy związane z genami zlokalizowanymi w chromosomach płciowych.

Choroby dziedziczone w sposób dominujący zwykle dotyczą kilku pokoleń jednej rodziny. W dziedziczeniu recesywnym utajone heterozygotyczne nosicielstwo zmutowanego genu może występować w rodzinie przez długi czas, w wyniku czego chore dzieci mogą urodzić się zdrowym rodzicom lub nawet w rodzinach, w których choroba nie występowała przez kilka pokoleń.

Mutacje genów leżą u podstaw chorób dziedzicznych. Zrozumienie mutacji jest niemożliwe bez współczesnego rozumienia terminu „genom”. Obecnie genom jest uważany za wielogenomową strukturę symbiotyczną składającą się z elementów obligatoryjnych i fakultatywnych. Podstawą elementów obligatoryjnych są loci strukturalne (geny), których liczba i lokalizacja w genomie są dość stałe. Geny strukturalne stanowią około 10-15% genomu. Pojęcie „genu” obejmuje region transkrybowany: eksony (faktyczny region kodujący) i introny (niekodujący region oddzielający eksony); oraz sekwencje flankujące - lider, poprzedzający początek genu, i nieprzetłumaczony region ogonowy. Elementy fakultatywne (85-90% całego genomu) to DNA, które nie przenosi informacji o sekwencji aminokwasów białek i nie jest ściśle obligatoryjne. To DNA może uczestniczyć w regulacji ekspresji genów, pełnić funkcje strukturalne, zwiększać dokładność homologicznego parowania i rekombinacji oraz promować pomyślną replikację DNA. Udział elementów fakultatywnych w dziedzicznym przekazywaniu cech i kształtowaniu zmienności mutacyjnej został już udowodniony. Taka złożona struktura genomu determinuje różnorodność mutacji genów.

W najszerszym znaczeniu mutacja jest stabilną, dziedziczną zmianą w DNA. Mutacje mogą towarzyszyć zmianom w strukturze chromosomów widocznym pod mikroskopem: delecja - utrata fragmentu chromosomu; duplikacja - podwojenie fragmentu chromosomu; insercja (inwersja) - przerwanie fragmentu chromosomu, jego obrót o 180° i przyłączenie do miejsca przerwania; translokacja - oderwanie fragmentu jednego chromosomu i przyłączenie go do innego. Takie mutacje mają najbardziej szkodliwy wpływ. W innych przypadkach mutacje mogą polegać na zastąpieniu jednego z nukleotydów purynowych lub pirymidynowych pojedynczego genu (mutacje punktowe). Takie mutacje obejmują: mutacje missense (mutacje ze zmianą znaczenia) - zastąpienie nukleotydów w kodonach o manifestacjach fenotypowych; mutacje nonsensowne (bezsensowne) – zamiana nukleotydów tworzących kodony terminacyjne, w wyniku której synteza białka kodowanego przez gen ulega przedwczesnemu zakończeniu; mutacje splicingowe – zamiany nukleotydów na styku eksonów i intronów, co prowadzi do syntezy wydłużonych cząsteczek białka.

Stosunkowo niedawno zidentyfikowano nową klasę mutacji - mutacje dynamiczne lub mutacje ekspansji związane z niestabilnością liczby powtórzeń trinukleotydów w funkcjonalnie istotnych częściach genów. Wiele powtórzeń trinukleotydów zlokalizowanych w transkrybowanych lub regulacyjnych regionach genów charakteryzuje się wysokim poziomem zmienności populacyjnej, w obrębie którego nie obserwuje się zaburzeń fenotypowych (tj. choroba się nie rozwija). Choroba rozwija się tylko wtedy, gdy liczba powtórzeń w tych miejscach przekroczy pewien poziom krytyczny. Takie mutacje nie są dziedziczone zgodnie z prawem Mendla.

Choroby dziedziczne to zatem choroby spowodowane uszkodzeniem genomu komórkowego, które może wpływać na cały genom, poszczególne chromosomy i powodować choroby chromosomowe lub wpływać na poszczególne geny i być przyczyną chorób genetycznych.

Wszystkie choroby dziedziczne dzieli się zazwyczaj na trzy duże grupy:

• monogeniczny;
• poligeniczny lub wieloczynnikowy, w którym mutacje kilku genów i czynniki niegenetyczne oddziałują na siebie;
• nieprawidłowości chromosomowe, czyli anomalie w strukturze lub liczbie chromosomów.

Choroby należące do pierwszych dwóch grup nazywane są często chorobami genetycznymi, a te należące do trzeciej grupy nazywane są chorobami chromosomowymi.

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

Klasyfikacja chorób dziedzicznych

Chromosomowy	Monogeniczny	Wieloczynnikowy (poligenowy)
Anomalie w liczbie chromosomów płciowych: - zespół Shereshevsky-Turnera; - zespół Klinefeltera; - zespół trisomii chromosomu X; - zespół 47, Autosomy XYY: - zespół Downa; - zespół Edwardsa; - zespół Pataua; - częściowa trisomia 22 Nieprawidłowości strukturalne chromosomów: Zespół kociego krzyku; Zespół delecji 4p; Zespoły mikrodelecji sąsiednich genów	Autosomalna dominująca: Zespół Marfana; choroba von Willebranda; Niedokrwistość Minkowskiego-Shoffara i inne Autosomalny recesywny: - fenyloketonuria; - galaktozemia; - mukowiscydoza itp. Recesywny sprzężony z chromosomem X: Hemofilia A i B; Miopatia Duchenne'a; I inni. Dominująca sprzężona z chromosomem X: - krzywica oporna na witaminę D; - zabarwienie brązowe Szkliwo zębów itp.	OUN: niektóre formy padaczki, schizofrenia, itp. Układ sercowo-naczyniowy: reumatyzm, nadciśnienie, miażdżyca, itp. Skóra: atopowe zapalenie skóry, łuszczyca, itp. Układ oddechowy: astma oskrzelowa, alergiczne zapalenie pęcherzyków płucnych itp. Układ moczowy: kamica moczowa, moczenie nocne itp. Układ pokarmowy: choroba wrzodowa żołądka i dwunastnicy, nieswoiste wrzodziejące zapalenie jelita grubego itp.

Choroby chromosomowe mogą być spowodowane ilościowymi anomaliami chromosomowymi (mutacjami genomowymi), jak również strukturalnymi anomaliami chromosomowymi (aberracjami chromosomowymi). Klinicznie, prawie wszystkie choroby chromosomowe objawiają się niepełnosprawnością intelektualną i wieloma wrodzonymi wadami, często niezgodnymi z życiem.

Choroby monogeniczne rozwijają się w wyniku uszkodzenia pojedynczych genów. Choroby monogeniczne obejmują większość dziedzicznych chorób metabolicznych (fenyloketonuria, galaktozemia, mukopolisacharydozy, mukowiscydoza, zespół adrenogenitalny, glikogenozy itp.). Choroby monogeniczne dziedziczą się zgodnie z prawami Mendla i, w zależności od rodzaju dziedziczenia, można je podzielić na autosomalne dominujące, autosomalne recesywne i sprzężone z chromosomem X.

Choroby wieloczynnikowe są poligeniczne, a ich rozwój wymaga wpływu pewnych czynników środowiskowych. Ogólne objawy chorób wieloczynnikowych są następujące.

• Wysoka częstotliwość występowania w populacji.
• Wyraźny polimorfizm kliniczny.
• Podobieństwo objawów klinicznych u probanta i bliskich krewnych.
• Różnice ze względu na wiek i płeć.
• Wcześniejszy początek i pewien wzrost objawów klinicznych w kolejnych pokoleniach.
• Zmienna skuteczność terapeutyczna leków.
• Podobieństwo objawów klinicznych i innych objawów choroby u bliskich krewnych i probanta (współczynnik odziedziczalności chorób wieloczynnikowych przekracza 50-60%).
• Niespójność wzorców dziedziczenia z prawami Mendla.

Dla praktyki klinicznej ważne jest zrozumienie istoty terminu „wady wrodzone”, które mogą być pojedyncze lub mnogie, dziedziczne lub sporadyczne. Choroby dziedziczne nie obejmują tych chorób wrodzonych, które występują w krytycznych okresach embriogenezy pod wpływem niekorzystnych czynników środowiskowych (fizycznych, chemicznych, biologicznych itp.) i nie są dziedziczone. Przykładem takiej patologii mogą być wrodzone wady serca, które często są spowodowane patologicznymi efektami w okresie formowania się serca (pierwszy trymestr ciąży), na przykład infekcją wirusową tropową na tkanki rozwijającego się serca; zespół alkoholowy płodu, anomalie rozwojowe kończyn, małżowin usznych, nerek, przewodu pokarmowego itp. W takich przypadkach czynniki genetyczne tworzą jedynie dziedziczną predyspozycję lub zwiększoną podatność na działanie niektórych czynników środowiskowych. Według WHO anomalie rozwojowe występują u 2,5% wszystkich noworodków; 1,5% z nich jest spowodowane działaniem niekorzystnych czynników egzogennych w czasie ciąży, reszta ma głównie charakter genetyczny. Rozróżnienie chorób dziedzicznych i wrodzonych, które nie są dziedziczone, ma duże znaczenie praktyczne dla przewidywania potomstwa w danej rodzinie.

[ 5 ]

Metody diagnostyki chorób dziedzicznych

Obecnie medycyna praktyczna dysponuje całym arsenałem metod diagnostycznych, które pozwalają wykryć choroby dziedziczne z pewnym prawdopodobieństwem. Czułość diagnostyczna i swoistość tych metod jest różna - niektóre pozwalają jedynie założyć obecność choroby, podczas gdy inne z dużą dokładnością wykrywają mutacje leżące u podłoża choroby lub określają cechy jej przebiegu.

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

Metody cytogenetyczne

Metody badań cytogenetycznych są wykorzystywane do diagnozowania chorób chromosomowych. Obejmują one:

• badania chromatyny płciowej - oznaczanie chromatyny X i Y;
• kariotypowanie (kariotyp to zestaw chromosomów komórki) – określanie liczby i struktury chromosomów w celu diagnostyki chorób chromosomowych (mutacji genomowych i aberracji chromosomowych).

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