Співвідношення генетики і середовищних чинників

Розвиток більшості хвороб зумовлений взаємодією генетичних чинників і факторів навколишнього середовища. Генетична схильність до появи хвороби може реалізуватися тільки в певних умовах довкілля.

Всі захворювання залежно від співвідношення та значення спадкових і середовищних чинників можна поділити на 4 групи.

1. Спадкові хвороби. Поява патологічної дії мутації як етіологічного чинника практично не залежить від середовища. Різні впливи довкілля можуть тільки змінювати прояви симптомів хвороби і тяжкість її перебігу. До цієї групи відносяться хромосомні і генні хвороби (хвороба Дауна, гемофілія тощо).

2. Спадковість є етіологічним чинником, але для прояву мутацій­ного ге­на необхідна дія відновлюваного чинника навколишнього середо­ви­ща. До таких хвороб належить, наприклад, цукровий діабет типу 2.

3. У патогенезі хвороб переважають чинники навколишнього середо­вища, проте частота виникнення і тяжкість перебігу хвороби істот­но залежать від спадкової схильності (як в індивідуаль­ному, так і в груповому варіантах). Таке співвідношення сприяє появі гіперто­ніч­ної хвороби, виразкової хвороби тощо.

4. Спадковість у патогенезі хвороб не має ніякого значення. Сюди належать травми, деякі інфекційні хвороби та ін. Генетичні чинники можуть впливати тільки на перебіг патологічних процесів (одужан­ня, відновні процеси, компенсація порушених функцій).

Генетичний поліморфізм

Доведено, що практично всім генам людини властиві молекулярні відмінності (поліморфізми), що зумовлює синтез білків з дещо зміненими структурами і функціональними характеристиками. Тестування функціональ­них поліморфізмів різних генів людини, які залучені в генну мережу того чи іншого мультифакторного захворювання, складає основу предиктивної медицини.

Предиктивна медицина – одне з спрямувань молекулярної медицини і ґрунтується на результатах і методах розшифрування геному людини, що дозволяє виявити людей з підвищеною чутливістю до тієї чи іншої хвороби, адекватно інтерпретувати отримані результати і розробляти на їх основі ефективні схеми індивідуальної профілактики та лікування.

Кожна людини генетично неповторна, і кожен у людській популяції має характерний, унікальний біохімічний портрет. Індивідуальна комбінація генів визначає генетичну унікальність кожної людини, що віддзеркалюється не тільки в морфологічних, фізіологічних, психологічних відмінностях, але і в реакції організму на дію одних і тих же факторів середовища. Це і зумовлює уроджену схильність людини до тих чи інших хвороб. “Хвороби вибирають нас ще до народження”, – так стверджують генетики.

Тестуючи поліморфізми генів, визначаючи сильні і слабкі ланки свого геному, можна обґрунтувати, яка патологія і з якою імовірністю очікує кожного з нас у майбутньому.

Доведено зв’язок певних варіантів організації генів з діабетом, автоімунним тиреоїдитом, ревматоїдним артритом, розсіяним склерозом, злоякісними пухлинами та деякими іншими захворюваннями. Виявлено понад 20 захворювань, асоційованих з генами. У ряді випадків за наявністю маркерних змін у цих генах можна визначити пацієнтів, в яких ризик захворіти в 100 разів перевищує середньостатистичне значення. Сюди можна віднести дистрофію Дюшена – найбільш поширене спадкове нервово-м’язове захворювання людини.

Генний поліморфізм характеризується наявністю одиничних вставок, випадінь чи заміщень окремих нуклеотидів у складі генів хворого. Важливе значення має місце знаходження поліморфізму. Більше відомостей щодо мутацій в екзонах – кодуючих частинах гена. При цьому здебільшого пору­шу­ється амінокислотна послідовність білкового продукту. Тоді може зміни­тися і функція білкового продукту чи синтезується неповна (непрацююча) молекула. В інших випадках генний поліморфізм може знаходитися в регуляторній ділянці гена, наприклад, промоторі, через який запускається чи гальмується синтез мРНК, чи в інтронній (некодуючій) частині гена.

До хвороб із спадковою схильністю, які можна тестувати, відносять наступні мультифакторні захворювання: ішемічну хворобу серця, цукровий діабет, гіпертонію, рак грудної залози, рак легень, рак передміхурової залози, наркоманію, бронхіальну астму, остеопороз тощо.

Мультифакторним полігенноуспадкованим захворюванням властиві наступні ознаки:

• сімейна схильність (у родині щонайменше є два фенотипи – здо­ровий і хворий, причому частота другого вища, ніж у популяції);

• наявність патогенетичних чи асоційованих маркерів схильності;

• хронічний перебіг захворювання та клінічний поліморфізм;

• варіабельність клінічних проявів залежить від статі та віку;

• родинні випадки захворювання, більш ранній початок і більш тяжкий перебіг хвороби в наступних поколіннях;

• відносно невисокий рівень конкордантності в монозиготних близнюків;

• невідповідність розподілу хворих за законами Менделя;

• висока частота в різних популяціях.

Генетичний компонент при мультифакторних захворюваннях визнача­ється поєднанням алелів декількох різних генів. Кожна алель окремо у більшості є нормальною. Але схильність до захворювання зумовлена певною їх комбінацією. Зважаючи на величезний рівень поліморфізму в людини (десятки тисяч поліморфних систем) у більшості випадків комбінації спадкових ознак носять пристосувальний, позитивний характер. Негативний характер комбінацій складає генетичну схильність до того чи іншого захворювання. Реалізується така негативна комбінація за певної сили дії чинників довкілля.

Генетична схильність до мультифакторних захворювань лежить в основі широкого генетично збалансованого поліморфізму людських популя­цій за ферментними, структурними і транспортними білками та антигенами. Не менше третини всіх генів у геномі представлені двома і більше алелями.

Визначення генетичних чинників спадкової схильності до тих чи інших мультифакторних та спадкових хвороб проводять за допомогою молеку­лярно-генетичних методів дослідження.

Основні методи вивчення генетичного поліморфізму та мутацій в людини

Все більш складні і надійні методи діагностики розробляються для того, щоб забезпечити своєчасне і диференційоване лікування пацієнтів.

Останнім часом використовуються різні технології для визначення поліморфізму генів і генетично детермінованих біохімічних процесів в організмі людини. Поряд з класичними методами:

• генеалогічним – визначення типу успадкування;

• близнюковим – для встановлення відносного значення спадковос­ті в етіології і патогенезі;

• популяційним – роль спадковості в етіології і патогенезі;

• когортним – пошук і оцінка чинників середовища;

• пар сибсів – визначення асоціацій, зчеплення;

• “випадок-контроль” – кількісна оцінка асоціацій. Виявлення патогенетично значущих чинників середовища.

Тепер застосовують і високоспецифічні сучасні методи.

Успіхи молекулярної генетики і клітинної біології за останні 10-15 років сприяли впровадженню нової галузі лабораторних досліджень – молекулярно-біологічної діагностики. Основою її є:

• виділення очищених нуклеїнових кислот, проведення полімераз­ної ланцюгової реакції (ПЛР) та молекулярної гібридизації з високоспецифічними ДНК-зондами;

• оцінка неврівноваженості за зчепленням – функційна оцінка мутацій;

• зчеплення генів – ідентифікація гена-кандидата;

• полігеномне просіювання – пошук генів-кандидатів і асоціацій;

• клонування гена – визначення структури гена;

• секвенування гена – визначення структури гена і його мутацій;

• аналіз протеомів – первинні продукти генів і їх взаємодія.

Сучасні аналітичні технології застосовують для визначення генних порушень на наступних рівнях:

• визначення конкретної мутації (генної, хромосомної, геномної) шляхом застосування цитогенетичних і молекулярно-генетичних аналізів;

• реєстрація продуктів гена за допомогою методів біоаналітичної хімії;

• визначення специфічних компонентів біохімічних процесів (ендогенні і лікарські препарати, а також їх метаболіти), що ви­никають внаслідок генетично детермінованих реакцій біотранс­формації ліків.

Ці визначення проводять у біохімічних рідинах організму (кров, сеча, слюна, секрети різних залоз) та клітинах тканин.

Молекулярно-генетичні методи передбачають виявлення варіацій в певній ділянці ДНК аж до ідентифікації первинної послідовності азотистих основ. Спочатку проводять підготовку зразків ДНК чи РНК, рестрикцію ДНК на фрагменти і наступну їх ідентифікацію різними фізико-хімічними методами.

Реакція імунофлуоресценції (РІФ)

Метод ґрунтується на визначення складу об’єкту, який зазнає аналізу радіактивно мічених імунних комплексів. Здебільшого застосовують для ідентифікації інфекційних агентів, автоантитіл, а також для оцінки імунного статусу (субпопуляції лімфоцитів та інших імунокомпетентних клітин, маркери активації, молекули адгезії тощо).

Імуноферментний аналіз (ІФА)

В основу метода покладено оцінку взаємодії комплексів імунореагентів – антигенів і антитіл з використанням індикаторної ферментної мітки. Цим методом ідентифікують ферменти і гормони, визначають антитіла до різних інфекційних чинників, лікарських препаратів, алергенів, автоантитіл. Метод дозволяє визначити антигени, що широко використовуються в діагностиці онкологічних захворювань, для вивчення механізмів розвитку імунної недостатності та асоційованих з нею хвороб.

Полімеразно-ланцюгова детекція нуклеотидного матеріалу

Великі перспективи відкриває метод молекулярної діагностики ПЛР (полімеразно-ланцюгової реакції). Завдяки застосуванню ПЛР-технології вдається виявити і відтворити мільйони копій ділянки ДНК, що вивчається. Для дослідження використовують невеликий фрагмент геному, ділянка ДНК якого ампліфікується (збільшується кількісно).

Невеличка ділянка ДНК (20-30 азотистих основ) ампліфікується, за участі ДНК-полімерази ланцюг подовжується. Кожний цикл ампліфікації повторюється багаторазово. На рисунку 4 наведена схема аналітич­ного визначення поліморфізму генів при використанні ПЛР, рестрикції фраг­ментів ДНК і твердофазного імуноферментного аналізу.

ПЛР-технології успішно застосовують для молекулярно-генетичного аналізу різних генів, наприклад, таких, що кодують N-ацетилтрансферазу, ферменти системи цитохрому Р-450, дигідропіримідиндегідрогенази, гена інсуліну тощо.

Метод флуоресцентної гібридизації in situ (FISH)

Застосовують для дослідження хромосом. Одноланцюгові ділянки хромосом, що аналізуються, модифікують біотином чи дігокси­геніном (отримання зонда), потім хромосомну ДНК на мікроскопічному препараті денатурують лугом і ДНК-зондом обробляють препарат. Оскільки послідовності основ ДНК-зонда і відповідної ділянки хромосоми взаємно комплементарні, то зонд фіксується хромосомою. Обробка препарату флуо­ро­хромом чи радіоактивними ізотопами підвищує вибірковість і чутливість метода.

Принципи гібридизації ДНК покладено в основу створення геносенсорів для визначення генетичного поліморфізму. Взаємодія комплементарних ланцюгів нуклеїнових кислот відбувається на спеціальних поверхнях. Це так звана технологія ДНК-чипів, коли відбувається гібридизація невідомої нуклеотидної послідовності з розташованими у певному порядку відомими ДНК-послідовностями, іммобілізованими на поверхні скла (рис. 6). Такі олігонуклеотидні чипи дозволяють отримати до 50 000 проб на 1,28 см². Перевага ДНК-чипів:

• висока технологічність;

• принципи мініатюризації і диференціального секвенування аналізу;

• повна автоматизація аналітичних визначень;

• багаторазовість використання.

Для дослідження генетичного поліморфізму має значення детектування біохімічних змін як ендогенних фізіологічних процесів, так і метаболізму екзогенних сполук.

Таким чином, сучасні методи молекулярно-генетичної лабораторної діагностики є важливим складовою сучасної клінічної процедури діагностики і моніторингу та одним з ключових діагностичних інструментів для лікаря-клініциста в різних галузях медицини.

Література.

Основна:

21. Медична генетика: Підручник/За ред. чл.-кор. АМН України, проф.О.Я.Гречаніної, проф. Р.В.Богатирьової, проф. О.П.Волосовця. – Київ: Медицина, 2007. - 536 с.

22. Т.В.Сорокман, В.П.Пішак, І.В.Ластівка, О.П.Волосовець, Р.Є.Булик. Клінічна генетика. - Чернівці, 2006. – 450 с.

23. Бужієвська Т.І.Основи медичної генетики. - Київ: “Здоров’я”, 2001.-135с.

24. Бочков Н.П. Клиническая генетика: Учебник. – 2-е изд., перераб. и доп.- М.:ГЭОТАР-МЕД, 2002. – 448 с.:ил.

25. І.С.Сміян, Н.В.Банадига, І.О.Багірян. Мед. генетика дитячого віку. – Тернопіль: Укрмедкнига». – 2003. – 183 с.

26. Гречаніна О.Я., Богатирьова Р.В., Біловол О.М. та співавтори «Клініка та генетика спадкових захворювань, що супроводжуються шлунково-кишковими та загальними абдомінальними симптомами». Тернопіль, ТДМУ, 2008. – 216 с.

27. Ю.Б. Гречаніна, С.І. Жаданов, В.А. Гусар, О.В. Васильєва «Мітохондріальні хвороби: проблеми діагностики, лікування та профілактики». Рекомендовано МОЗ України як учбовий посібник для студентів вищих медичних навчальних закладів IV рівня акредитації та лікарів-інтернів. Харків, ХНМУ. 2008, 71 с.

28. Пішак В.П., Мещишин І.Ф., Пішак О.В., Мислицький В.Ф. Основи медичної генетики. - Чернівці, 2000.- 248 с.