Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Основы генетики. Учебное пособие
.pdf
ты. Гомозиготный рецессивный генотип у одного из родителей
позволяет определить и точный генотип второго родителя,
если он является носителем доминантного признака, и если
в их семье имеется несколько детей. Теоретически второй родитель может быть либо гетерозиготой Аа, либо гомозиготой
АА. Если в его браке с аа все дети окажутся одинаковыми по
фенотипу, то анализируемый родитель — гомозиготен, если
произойдет расщепление — он — гетерозиготен (см. пункт
анализирующее скрещивание в практическом занятии 4).
Практическая работа
Задание 7.1. Генетический анализ родословных.
Задача 1. У человека аллель карих глаз (А) доминирует
над аллелем голубых (а). У дедушки и бабушки по отцовской
линии, у дедушки по материнской линии и у матери — карие
глаза. У бабушки по материнской линии, у отца и сына — глаза голубые. Нарисуйте родословную и определите генотипы
членов семьи.
Задача 2. Определите характер наследования глухоты (ау-
тосомно-доминантный или аутосомно-рецессивный) в каждой
из семьей, родословные которых приведены на рис. 7.5. Запишите возможные генотипы членов этих семей, а также генотипы породнившихся между собой членов этих семей.
Задача 3. Нарисуйте родословную с семейными случаями
синдрома Марфана. Синдром Марфана (нарушение опорнодвигательного аппарата) имелся в семье больного юноши
(пробанда), начиная с его прабабушки по отцовской линии.
Это же заболевание было у дедушки и отца больного и у одного
из 3-х братьев отца, а также у дочери больного дяди. Сестра
I
II
III
Рис. 7.5. Родословные двух семей с разными случаями глухоты
(по Стивенсону и Дэвисону, 1972).
Слева — глухота связана с синдромом Ваарденбурга (чёрные символы),
справа — несиндромная глухота нейросенсорного типа
(заштрихованные символы)
? ?
151
I
II
III
I
1 4 2
А Б
I
1 4 2
II
1
2 3 4
III
IV
2
1
I
II
Рис. 7.6. Родословные трех семей с пигментным ретинитом
3
1 2
II
1
2 3 4
III
IV
2
1
3
В
7 6 1 2 3 4 5 8
пробанда здорова. По линии матери пробанда больных не
было. Определите тип наследования болезни (аутосомно-доминантный или аутосомно-рецессивный). Определите генотипы
членов семьи.
Задача 4. Нарисуйте родословную семьи, в которой имелись случаи нейросенсорной глухоты. Дефекты слуха отмечались у двух сыновей здоровых родителей, а также у двух
из семи братьев матери. Бабушка и дедушка по материнской
линии были здоровы. По отцовской линии глухота не встречалась. Определите тип наследования глухоты и генотипы
членов семьи.
Задача 5. Причиной пигментного ретинита (поражения
сетчатки глаза, часто приводящего к слепоте) являются
мутации в гене рецепторных белков колбочек глаза. Тип
мутации определяет характер наследования пигментного
ретинита: аутосомно-доминантный с полной пенетрантностью, аутосомно-доминантный с неполной пенетрантностью,
аутосомно-рецессивный и рецессивный Х-сцепленный. На
рис. 7.6 приведены три родословные со случаями пигментного ретинита (темные символы). Определите, по какому типу
наследуется пигментный ретинит в этих семьях, а также
генотип пробанда на Б.
152
2. ЭЛЕМЕНТЫ ПОПУЛЯЦИОННОЙ ГЕНЕТИКИ
Популяцию человека с генетической точки зрения характе-
ризует такое важное понятие как частота определенных генов
в популяции. Без этой характеристики невозможно сделать
никаких предсказаний относительно риска заболевания. Изучением частоты генов в популяции, включая частоту наследственных болезней, занимается популяционная генетика. Частота
различных наследственных болезней неодинакова. Например,
частота фенилкетонурии 1 : 25000, пигментной дегенерации
сетчатки 1 : 5000, расщеплений губы и неба 1 : 1000 и т. д. Как
можно определить, исходя из этих данных, например, частоту
гетерозигот по аномальному гену? В основе популяционной
генетики лежит закон Харди-Вайнберга. Он позволяет определить в популяции свободно скрещивающихся особей частоты
доминантных гомозигот (АА), гетерозигот (Аа) и рецессивных
гомозигот (аа), т. е. определить генетическую структуру популяции. Согласно этому закону, в достаточно большой популяции,
где скрещивания случайны, соотношение частот генотипов:
P(АА) : P(Аа) : P(аа) будет равны p
где p — частота доминантного аллеля А,
q — частота рецессивного аллеля а,
P(АА) — частота генотипа АА,
P(Аа) — частота генотипа Аа,
P(аа) — частота генотипа аа.
Под случайным скрещиванием в формулировке закона Хар-
ди-Вайнберга понимают, что любой мужчина имеет одинаковую
возможность вступить в брак с любой женщиной и что при браках
отсутствует подбор по признакам, определяемым данным аллелем
(например, посредством кровнородственных браков), и, наконец,
что в популяции нет изолятов, которые бы нарушали случайность
браков. Популяций, в которых соблюдались бы все эти условия,
не существует, однако, для большого числа расчетов закон ХардиВайнберга является достаточно хорошим приближением.
1-е правило, следующее из закона Харди-Вайнберга, состоит
в том, что редкие аллели присутствуют в популяции главным
образом в гетерозиготном, а не в гомозиготном состоянии. Например, наследственная болезнь, сопровождающаяся умственной отсталостью, — фенилкетонурия обусловлена достаточно
редким рецессивным геном. Обозначим сам ген символом а,
а его частоту как q. По статистическим данным на каждые
10 000 новорожденных приходится приблизительно один ребенок с фенилкетонурией. Это означает, что частота рецессивных
2
: 2pq : q2,
153
гомозигот P(аа) равна 1 : 10 000. Следовательно, q2 = 1/10 000.
2
Определим теперь из соотношения P(аа) = q
частоту q гена а,
как корень квадратный из 1/10 000. Он оказывается равным
1/100. Далее, частота нормальных генов p = 1 – q = 1 – 1/100 =
= 99/100. Зная р и q, можно вычислить соотношение гомозигот
без гена фенилкетонурии и гетерозигот с геном фенилкетонурии среди фенотипически нормальных людей. Получается,
2
что P(АА) = 0,99
= 0,98, а P(Аа) = 2 × 0,99 × 0,01 = 0,0198, что
приблизительно равно 0,02 или 1/50.
Эти расчеты показывают, что если частота людей, страдающих какой-то болезнью, составляет всего 1 на 10 000, то
частота носителей этого гена в гетерозиготном состоянии уже
в 200 раз выше и составляет 1 на каждые 50 человек.
Выводы, следующие из таких подсчетов, имеют значение для
медико-генетического консультирования. Например, больной
фенилкетонурией вылечился и собирается вступить в брак со
здоровой и не связанной с ним родством женщиной, и его интересует прогноз потомства. Ему можно сообщить, что вероятность гетерозиготности его жены не превышает 1/50, т. е. 2%.
А если женщина не будет гетерозиготной по гену фенилкетонурии, то ни один из их детей не будет болен. Вместе с тем, если
пораженный мужчина вступит в брак с близкой родственницей,
риск рождения больного ребенка резко возрастет.
Задание 7.2. Генетическая структура популяции.
Задача 1. Частота встречаемости хореи Гентингтона около
1 : 100 000. Рассчитайте частоту гетерозиготного носительства
этой болезни.
Задача 2. Сестра пробанда страдала фенилкетонурией. Их
родители были здоровы. Пробанд предполагает жениться на
здоровой девушке, не состоящей с ним в родстве. Каков риск
заболеть фенилкетонурией для их первого ребенка?
Решите задачу. Для самоконтроля используйте решение,
приведенное ниже.
Решение задачи. Брак родителей пробанда относится к типу
Аа × Аа. Вероятность того, что пробанд гетерозиготен, составляет 2/3. Вероятность гетерозиготности невесты, согласно
приведенным выше расчетам, составляет 1/50. Вероятность
того, что и пробанд и невеста оба гетерозиготны, равна произведению вероятности гетерозиготности для каждого из них, т. е.
2/3 × 1/50 = 2/150. Если они оба гетерозиготные носители гена,
т. е. их семья относится к типу Аа × Аа, то риск для их ребенка
составляет 1/4. Стало быть, риск для первого ребенка невелик
и составляет 2/150 × 1/4 = 1/300.
154
Практическое занятие 8
МОНОГЕННЫЕ БОЛЕЗНИ
С ПОРАЖЕНИЕМ ЦЕНТРАЛЬНОЙ
НЕРВНОЙ СИСТЕМЫ
1. Общая характеристика болезней
2. Фенилкетонурия как пример болезни обмена
аутосомно-рецессивного типа
3. Хорея Гентингтона как пример болезни
аутосомно-доминантного типа
4. Синдром Леша-Нихана как пример болезни
с Х-сцепленным наследованием
5. Синдром ломкой Х-хромосомы
Цель занятия: на конкретных примерах изучить разные
типы моногенных болезней центральной нервной системы.
Мотивация: иметь представление о причинах моноген-
ных болезней, сопровождающихся умственной отсталостью,
о влиянии типа болезни (доминантная или рецессивная)
на характер ее наследования.
Форма работы: аудиторная и домашняя (задания по выбору
преподавателя).
Порядок выполнения работы:
изучить теоретический материал (рекомендуемая ли-
♦
тература: настоящее пособие, а также Е.М. Мастюкова,
А.Г. Московкина, 2001, гл. IV, VII);
последовательно выполнить все задания;
♦
оформить отчет по практической работе.
♦
Содержание работы:
разбор генетических причин, симптоматики и характера
•
наследования разных типов моногенных болезней цент-
ральной нервной системы;
решение задач, ответы на контрольные вопросы.
•
Содержание отчета по практической работе:
название и цель работы;
♦
номер и название задания;
♦
краткий анализ болезней по стандартной схеме;
♦
решение задач.
♦
155
1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА БОЛЕЗНЕЙ
В такой сложной системе, как человеческий мозг, может
возникнуть множество нарушений: это и нарушения структуры мозга (формирующейся при развитии), и нарушения
электрических и химических процессов в отдельных нейронах, и гибель нейронов. К этим нарушениям ведут разные
внешние причины: нарушения кровообращения, инфекции,
травмы и др. Известно, однако, что большая часть заболеваний
центральной нервной системы (ЦНС), в особенности те из них,
которые проявляются умственной отсталостью, вызываются
генетическими факторами. Доля наследственных форм умственной отсталости по данным разных исследователей варьирует от 20 до 90%.
К нарушениям формирования, развития и функционирования мозга могут привести разные мутации: генные, хромосомные и геномные. Эта лабораторная работа будет иметь дело
с болезнями, вызванными первыми из них. К генным болезням
ЦНС относятся как моногенные олигофрении, так и полигенные, которые довольно многочисленны, но рассматриваться
здесь не будут. Моногенные болезни составляют примерно
одну шестую часть всех наследственных олигофрений.
Моногенные мутации происходят в отдельных генах, регулирующих правильное протекание тех или иных обменных
процессов. Мутация приводит или к полному подавлению синтеза белка-фермента, кодируемого этим геном, или к синтезу
дефектных белков со сниженной активностью. Все это нарушает течение процессов, катализируемых данными ферментами
в клетках организма, что приводит к патологии сначала на
клеточном, а затем на организменном уровне. Например, при
фенилкетонурии и галактоземии из-за дефицита соответствующего фермента некоторые компоненты обычной пищи превращаются в токсичные продукты, которые вызывают нарушение
структуры и функционирование разных органов и тканей организма и, особенно, нервной системы.
Моногенные болезни ЦНС могут быть аутосомно-доминантными, аутосомно-рецессивными и Х-сцепленными. Цель
настоящей работы — рассмотреть примеры каждого типа
наследования и сравнить их риски для потомства. В качестве
примера болезни с аутосомно-рецессивным типом наследования предлагается рассмотреть фенилкетонурию, в качестве болезни с аутосомно-доминантным типом — хорею Гентингтона,
в качестве Х-сцепленных рецессивных болезней — синдром
156
Леша-Нихана и синдром ломкой Х-хромосомы. Предполагается, что благодаря тому, что знакомство с характерными
особенностями всех типов наследования уже произошло на
лекциях и на предыдущих лабораторных занятиях, в этой работе будет проявлена большая самостоятельность. Используйте
полученные знания для самостоятельного анализа механизмов
возникновения и распространения этих болезней.
2. ФЕНИЛКЕТОНУРИЯ
КАК ПРИМЕР БОЛЕЗНИ ОБМЕНА
АУТОСОМНО-РЕЦЕССИВНОГО ТИПА
Фенилкетонурия (ФКУ) (синонимы: фенилпировиноградная
олигофрения, болезнь Феллинга) впервые описана Феллингом в 1934 г. Согласно данным мировой статистики частота
ее среди новорожденных в разных популяциях европейских
стран колеблется в широких пределах, в среднем составляя
1 : 10 000. Исключение составляет Швеция, где ее частота существенно ниже. ФКУ почти не встречается в Японии.
ФКУ — тяжелое наследственное заболевание, сопровожда-
ющееся умственной отсталостью. Отмечается у 2,4–4,3% умственно отсталых детей, как мальчиков, так и девочек. Степень
интеллектуального дефекта варьирует от очень легкого интеллектуального дефицита (пограничная умственная отсталость)
до идиотии. В отсутствии лечения у 95% детей после 3 лет
умственная отсталость достигает степени имбецильности или
идиотии (Н.П. Бочков и др., 2003). В основе болезни лежит
нарушение процесса ферментативного превращения аминокислоты фенилаланина. Имеется несколько форм ФКУ. Для
классической формы характерна мутация в коротком плече
12-й хромосомы, приводящая к изменению свойств фермента
фенилаланингидроксилазы.
Тип наследования — аутосомно-рецессивный. Больные
являются гомозиготами по гену фенилкетонурии. Родители
больных в 100% случаев являются гетерозиготными носителями мутантного гена. Частота гетерозиготного носительства
гена в популяции составляет приблизительно 1 : 50. На рис. 8.1
представлена типичная родословная семьи со случаями ФКУ.
Клиническая картина у больных ФКУ развивается, начиная
с рождения. Многие дети — блондины с голубыми глазами.
С мочой и потом выделяются продукты обмена фенилаланина
157
I
II
III
IV
V
Рис. 8.1. Родословная со случаями фенилкетонурии
Показано проявление патологии у потомков двоюродных сибсов
(по И.П. Карузиной, 1980).
(эти браки выделены двойной линией)
(в частности, фенилуксусная кислота) и от ребенка исходит
специфический запах («мышиный», «затхлый»). В первом
полугодии жизни у ребенка могут развиваться судорожные
припадки. В последующем соматическое развитие ребенка
страдает мало, но психическое развитие и моторика все больше
отстают или деградируют. Только 0,5% больных в отсутствии
лечения сохраняют нормальный интеллект. В характере выявляется импульсивность и резкая возбудимость. Прогрессирование психического дефекта наблюдается в основном до 4—5 лет.
В старшем возрасте чувствительность ЦНС к повреждающему
действию фенилаланина и продуктов его обмена снижается.
Основной биохимический дефект у больных состоит в блоке нормального превращения фенилаланина в аминокислоту
тирозин из-за недостаточности фенилаланингидроксилазы.
В результате в организме накапливается избыточное количество фенилаланина, а его концентрация в крови увеличивается
в 10—100 раз. Биохимические расстройства затрагивают разные
системы. С одной стороны, накапливаются патологические метаболиты фенилаланина: он превращается в фенилпировиноградную, фенилуксусную и фенилмолочную кислоты, являющиеся
нейротропными ядами (рис. 8.2). С другой стороны возникает
дефицит медиаторов нервной системы, являющихся производными тирозина. Развитие биохимической патологии с первых
158
Норма
Белки пищи
и тканей
Фенилалани н
Ф
Тирозин
Меланин
Рис. 8.2. Схема обмена аминокислоты фенилаланина
при фенилкетонурии (по В.П. Эфроимсон и М.Г. Блюминой, 1978).
Ф — фермент (фенилаланингидроксилаза), кодируемый геном,
дефект в котором вызывает фенилкетонурию.
Пунктиром обозначены метаболические блоки
Фениломолочная
кислота
Медиаторы не рвной системы
(норадреналин, адреналин)
Патология
Фенилпировиноградная
кислота
Фенилуксусная
кислота
дней жизни ребенка приводит к быстро прогрессирующему
поражению мозга. В результате у детей наблюдается различная
степень умственной отсталости. Если у больных детей заболевание не будет выявлено сразу после рождения, и больные не будут переведены с первых дней жизни на специальную диету, то
предотвратить поражение мозга обычно не удается. Нарушение
метаболизма фенилаланина сопровождается также нарушением
синтеза пигмента меланина, поэтому у больных наблюдается
слабая пигментация волос и радужки глаз. Кроме того, высокая
концентрация фенилаланина оказывает тормозящее влияние на
ряд ферментных систем, участвующих в превращении других
аминокислот, что вызывает судорожный синдром.
Наличие патологических признаков у гомозигот, а не
у гетерозигот по гену ФКУ свидетельствует о существовании
определенных отношений между нормальными и мутантными аллелями. Нормальный аллель гена, кодирующего синтез
фермента фенилаланингидроксилазы, ведет себя как доминантный по отношению к мутантному, в результате чего в организме гетерозигот функционирует белок с нормальными свойствами. Отсутствие нормального аллеля в генотипе организма,
гомозиготного по мутантному аллелю, приводит к развитию
патологического состояния, обусловленного отсутствием функциональной активности у соответствующего белка.
159
Лечебная тактика при ФКУ состоит в своевременном переводе детей на специальную диету с резким ограничением
фенилаланина. Длительность диетотерапии как основного
метода лечения — до пубертатного возраста. На I этапе лечения больные дети должны получать пищу, не содержащую
фенилаланин. Потребность в белках восполняется белковыми
гидролизатами. Белковые гидролизаты вводят с фруктовыми и
овощными соками, пюре, супами. На II этапе (после снижения
уровня фенилаланина до нормы) наряду с белковыми гидролизатами начинают постепенно вводить продукты животного
происхождения (молоко), но так, чтобы общее содержание
фенилаланина в суточном рационе не превышало некоторого
значения. В последующем, диета расширяется за счет продуктов с незначительным содержанием фенилаланина: фруктовых
соков, меда, растительного масла, моркови, капусты, помидоров, яблок. Картофель и молоко ограничивают. Если такая
диетотерапия проводится с первых месяцев жизни ребенка, то
развитие умственной отсталости и другие проявления болезни
предотвращаются. В результате лечения эти дети развиваются
нормально, учатся в общеобразовательной школе.
Большое значение имеют вопросы диагностики и профилак-
тики ФКУ. В настоящее уже в роддомах при первых подозрениях на ФКУ проводится первичное лабораторное тестирование.
Используют, в частности, пробу Феллинга: несколько капель
10%-ного раствора треххлористого железа добавляют в свежую
мочу ребенка. Появление сине-зеленого окрашивания предполагает наличие заболевания, и ребенок далее обследуется
биохимическими методами, цель которых определить уровень
фенилаланина в крови и поставить окончательный диагноз.
В настоящее время в большинстве развитых стран мира,
в том числе и в России, существуют массовые просеивающие
программы диагностики ФКУ среди новорожденных (скрининг
ФКУ). Для этого несколько капель крови, взятой на 3—5-й день
после рождения, на фильтровальной или хроматографической
бумаге посылают из родильных домов в лаборатории, где с помощью любого из нескольких методов (микробиологического,
хроматографического, флуорометрии) определяют содержание
фенилаланина. При положительном результате проводится
уточняющая биохимическая диагностика.
Поскольку для родственников больного ФКУ риск носительства гена ФКУ во много раз превышает частоту гетерозигот в населении, определение их генотипов является важным
профилактическим мероприятием. Для выявления гетерозигот
160
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]