Genetické štúdie: indikácie, metódy

V posledných rokoch sa pozoruje nárast podielu dedičných chorôb v celkovej štruktúre chorôb. V tejto súvislosti sa zvyšuje úloha genetického výskumu v praktickej medicíne. Bez znalostí lekárskej genetiky nie je možné efektívne diagnostikovať, liečiť a predchádzať dedičným a vrodeným chorobám.

Dedičná predispozícia je pravdepodobne vlastná takmer všetkým chorobám, ale jej stupeň sa značne líši. Ak vezmeme do úvahy úlohu dedičných faktorov pri výskyte rôznych ochorení, môžeme rozlíšiť nasledujúce skupiny.

• Choroby, ktorých pôvod je úplne podmienený genetickými faktormi (vplyv patologického génu); táto skupina zahŕňa monogénne choroby, ktorých dedičnosť podlieha základným pravidlám Mendelových zákonov (Mendelove choroby) a vplyv vonkajšieho prostredia môže ovplyvniť iba intenzitu určitých prejavov patologického procesu (jeho symptómy).
• Choroby, ktorých výskyt je určený hlavne vplyvom vonkajšieho prostredia (infekcie, zranenia atď.); dedičnosť môže ovplyvniť iba niektoré kvantitatívne charakteristiky reakcie tela, určiť charakteristiky priebehu patologického procesu.
• Choroby, pri ktorých je dedičnosť kauzálnym faktorom, ale pre jej prejav sú potrebné určité vplyvy prostredia, ich dedičnosť sa neriadi Mendelovými zákonmi (nemendelovské choroby); nazývajú sa multifaktoriálne.

Dedičné choroby

Vývoj každého jedinca je výsledkom interakcie genetických a environmentálnych faktorov. Súbor ľudských génov sa vytvára počas oplodnenia a potom spolu s environmentálnymi faktormi určuje charakteristiky vývoja. Súbor génov organizmu sa nazýva genóm. Genóm ako celok je pomerne stabilný, ale pod vplyvom meniacich sa podmienok prostredia v ňom môžu nastať zmeny - mutácie.

Základnými jednotkami dedičnosti sú gény (úseky molekuly DNA). Mechanizmus prenosu dedičnej informácie je založený na schopnosti DNA sa samoreplikovať (replikovať). DNA obsahuje genetický kód (systém zaznamenávania informácií o umiestnení aminokyselín v proteínoch pomocou sekvencie nukleotidov v DNA a mediátorovej RNA), ktorý určuje vývoj a metabolizmus buniek. Gény sa nachádzajú v chromozómoch, štrukturálnych prvkoch bunkového jadra obsahujúcich DNA. Miesto, ktoré gén zaberá, sa nazýva lokus. Monogénne ochorenia sú monolokusové, polygénne ochorenia (multifaktoriálne) sú multilokusové.

Chromozómy (tyčinkovité štruktúry v jadrách buniek viditeľné pod svetelným mikroskopom) pozostávajú z mnohých tisíc génov. U ľudí každá somatická alebo nepohlavná bunka obsahuje 46 chromozómov, ktoré predstavuje 23 párov. Jeden z párov, pohlavné chromozómy (X a Y), určuje pohlavie jedinca. V jadrách somatických buniek majú ženy dva chromozómy X, zatiaľ čo muži majú jeden chromozóm X a jeden chromozóm Y. Pohlavné chromozómy mužov sú heterológne: chromozóm X je väčší a obsahuje mnoho génov zodpovedných za určenie pohlavia aj za ďalšie charakteristiky organizmu; chromozóm Y je malý, má odlišný tvar od chromozómu X a nesie prevažne gény, ktoré určujú mužské pohlavie. Bunky obsahujú 22 párov autozómov. Ľudské autozomálne chromozómy sa delia do 7 skupín: A (1., 2., 3. pár chromozómov), B (4., 5. pár), C (6., 7., 8., 9., 10., 11., 12. pár, ako aj chromozóm X, podobnej veľkosti ako chromozómy 6 a 7), D (13., 14., 15. pár), E (16., 17., 18. pár), F (19., 20. pár), G (21., 22. pár a chromozóm Y).

Gény sú usporiadané lineárne pozdĺž chromozómov, pričom každý gén zaberá presne definované miesto (lokus). Gény, ktoré obsadzujú homologické lokusy, sa nazývajú alelické. Každá osoba má dve alely toho istého génu: jednu na každom chromozóme každého páru, s výnimkou väčšiny génov na chromozómoch X a Y u mužov. Keď homologické oblasti chromozómu obsahujú identické alely, hovoríme o homozygotnosti; keď obsahujú rôzne alely toho istého génu, hovoríme o heterozygotnosti pre daný gén. Ak gén (alela) prejavuje svoj účinok, keď je prítomný iba na jednom chromozóme, nazýva sa dominantný. Recesívny gén prejavuje svoj účinok iba vtedy, ak je prítomný v oboch členoch chromozómového páru (alebo na jednom chromozóme X u mužov alebo u žien s genotypom X0). Gén (a zodpovedajúci znak) sa nazýva X-viazaný, ak je lokalizovaný na chromozóme X. Všetky ostatné gény sa nazývajú autozomálne.

Rozlišuje sa medzi dominantnou a recesívnou dedičnosťou. Pri dominantnej dedičnosti sa znak prejavuje v homozygotnom aj heterozygotnom stave. Pri recesívnej dedičnosti sa fenotypové (súbor vonkajších a vnútorných znakov organizmu) prejavy pozorujú iba v homozygotnom stave, zatiaľ čo v heterozygotnom stave chýbajú. Možné je aj pohlavne viazané dominantné alebo recesívne dedičstvo; týmto spôsobom sa dedia znaky spojené s génmi lokalizovanými v pohlavných chromozómoch.

Dominantne dedičné choroby zvyčajne postihujú niekoľko generácií jednej rodiny. Pri recesívnej dedičnosti môže v rodine dlhodobo existovať latentné heterozygotné nosičstvo mutantného génu, v dôsledku čoho sa choré deti môžu narodiť zdravým rodičom alebo dokonca v rodinách, v ktorých choroba chýba už niekoľko generácií.

Génové mutácie sú základom dedičných chorôb. Pochopenie mutácií je nemožné bez moderného chápania pojmu „genóm“. V súčasnosti sa genóm považuje za multigenómovú symbiotickú štruktúru pozostávajúcu z obligátnych a fakultatívnych prvkov. Základom obligátnych prvkov sú štrukturálne lokusy (gény), ktorých počet a umiestnenie v genóme sú pomerne konštantné. Štrukturálne gény tvoria približne 10 – 15 % genómu. Pojem „gén“ zahŕňa transkribovanú oblasť: exóny (vlastná kódujúca oblasť) a intróny (nekódujúca oblasť oddeľujúca exóny); a priľahlé sekvencie – vedúcu sekvenciu, predchádzajúcu začiatku génu, a koncovú nepreloženú oblasť. Fakultatívne prvky (85 – 90 % celého genómu) sú DNA, ktorá nenesie informácie o aminokyselinovej sekvencii proteínov a nie je striktne obligátna. Táto DNA sa môže podieľať na regulácii génovej expresie, vykonávať štrukturálne funkcie, zvyšovať presnosť homologického párovania a rekombinácie a podporovať úspešnú replikáciu DNA. Účasť fakultatívnych prvkov na dedičnom prenose znakov a tvorbe mutačnej variability je teraz dokázaná. Takáto komplexná štruktúra genómu určuje rozmanitosť génových mutácií.

V najširšom zmysle je mutácia stabilná, dedičná zmena v DNA. Mutácie môžu byť sprevádzané zmenami v štruktúre chromozómov, ktoré sú viditeľné pod mikroskopom: delécia - strata časti chromozómu; duplikácia - zdvojenie časti chromozómu, inzercia (inverzia) - zlom v časti chromozómu, jeho otočenie o 180° a pripojenie k miestu zlomu; translokácia - odlomenie časti jedného chromozómu a jej pripojenie k inému. Takéto mutácie majú najväčší škodlivý účinok. V iných prípadoch môžu mutácie spočívať v nahradení jedného z purínových alebo pyrimidínových nukleotidov jedného génu (bodové mutácie). Medzi takéto mutácie patria: missense mutácie (mutácie so zmenou významu) - nahradenie nukleotidov v kodónoch s fenotypovými prejavmi; nonsense mutácie (bezvýznamné) - nahradenie nukleotidov, ktoré tvoria terminačné kodóny, v dôsledku čoho je syntéza proteínu kódovaného génom predčasne ukončená; zostrihové mutácie - substitúcie nukleotidov na spoji exónov a intrónov, čo vedie k syntéze predĺžených proteínových molekúl.

Relatívne nedávno bola identifikovaná nová trieda mutácií - dynamické mutácie alebo expanzné mutácie spojené s nestabilitou počtu trinukleotidových opakovaní vo funkčne významných častiach génov. Mnohé trinukleotidové opakovania lokalizované v transkribovaných alebo regulačných oblastiach génov sa vyznačujú vysokou úrovňou populačnej variability, v rámci ktorej sa nepozorujú fenotypové poruchy (t. j. choroba sa nevyvíja). Choroba sa vyvíja iba vtedy, keď počet opakovaní v týchto miestach prekročí určitú kritickú úroveň. Takéto mutácie sa nededia v súlade s Mendelovým zákonom.

Dedičné choroby sú teda choroby spôsobené poškodením bunkového genómu, ktoré môžu postihnúť celý genóm, jednotlivé chromozómy a spôsobiť chromozómové choroby, alebo postihnúť jednotlivé gény a byť príčinou génových ochorení.

Všetky dedičné choroby sa zvyčajne delia do troch veľkých skupín:

• monogénny;
• polygénne alebo multifaktoriálne, pri ktorých interagujú mutácie viacerých génov a negenetické faktory;
• chromozomálne abnormality alebo anomálie v štruktúre alebo počte chromozómov.

Choroby patriace do prvých dvoch skupín sa často nazývajú genetické a tie, ktoré patria do tretej skupiny, sa nazývajú chromozomálne choroby.

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

Klasifikácia dedičných chorôb

Chromozomálny	Monogénny	Multifaktoriálny (polygénny)
Anomálie v počte pohlavných chromozómov: - Šeresevského-Turnerov syndróm; - Klinefelterov syndróm; - syndróm trizómie X; - syndróm 47, XYY Autozómy: - Downov syndróm; - Edwardsov syndróm; - Patauov syndróm; - čiastočná trizómia 22 Štrukturálne abnormality chromozómov: Syndróm plaču pri chatovaní; Syndróm delécie 4p; Syndrómy mikrodelecie susedných génov	Autozomálne dominantné: Marfanov syndróm; von Willebrandova choroba; Minkowského-Shoffarova anémia a iné Autozomálne recesívne: - fenylketonúria; - galaktozémia; - cystická fibróza atď. X-viazaná recesívna choroba: Hemofília A a B; Duchennova myopatia; A ďalší. X-viazaný dominantný: - krivica rezistentná na vitamín D; - hnedé sfarbenie Zubná sklovina atď.	CNS: niektoré formy epilepsie, schizofrénia atď. Kardiovaskulárny systém: reumatizmus, hypertenzia, ateroskleróza atď. Koža: atopická dermatitída, psoriáza atď. Dýchací systém: bronchiálna astma, alergická alveolitída atď. Močový systém: urolitiáza, enuréza atď. Tráviaci systém: peptický vred, nešpecifická ulcerózna kolitída atď.

Chromozomálne ochorenia môžu byť spôsobené kvantitatívnymi anomáliami chromozómov (genómovými mutáciami), ako aj štrukturálnymi anomáliami chromozómov (chromozomálne aberácie). Klinicky sa takmer všetky chromozomálne ochorenia prejavujú ako mentálne postihnutie a mnohopočetné vrodené chyby, často nezlučiteľné so životom.

Monogénne ochorenia vznikajú v dôsledku poškodenia jednotlivých génov. Medzi monogénne ochorenia patrí väčšina dedičných metabolických ochorení (fenylketonúria, galaktozémia, mukopolysacharidózy, cystická fibróza, adrenogenitálny syndróm, glykogenózy atď.). Monogénne ochorenia sa dedia podľa Mendelových zákonov a podľa typu dedičnosti ich možno rozdeliť na autozomálne dominantné, autozomálne recesívne a viazané na X chromozóm.

Multifaktoriálne ochorenia sú polygénne a ich vývoj si vyžaduje vplyv určitých faktorov prostredia. Všeobecné príznaky multifaktoriálnych ochorení sú nasledovné.

• Vysoká frekvencia v populácii.
• Výrazný klinický polymorfizmus.
• Podobnosť klinických prejavov u probanta a blízkych príbuzných.
• Vekové a rodové rozdiely.
• Skorší nástup a určité zvýšenie klinických prejavov v zostupných generáciách.
• Variabilná terapeutická účinnosť liekov.
• Podobnosť klinických a iných prejavov ochorenia u blízkych príbuzných a probanda (koeficient dedičnosti pre multifaktoriálne ochorenia presahuje 50 – 60 %).
• Nezhoda dedičných vzorcov s Mendelovými zákonmi.

Pre klinickú prax je dôležité pochopiť podstatu pojmu „vrodené chyby“, ktoré môžu byť jednoduché alebo viacnásobné, dedičné alebo sporadické. Dedičné choroby nezahŕňajú tie vrodené choroby, ktoré sa vyskytujú počas kritických období embryogenézy pod vplyvom nepriaznivých faktorov prostredia (fyzikálnych, chemických, biologických atď.) a nie sú dedičné. Príkladom takejto patológie môžu byť vrodené srdcové chyby, ktoré sú často spôsobené patologickými účinkami počas obdobia tvorby srdca (prvý trimester tehotenstva), napríklad vírusovou infekciou tropickou pre tkanivá vyvíjajúceho sa srdca; fetálny alkoholový syndróm, vývojové anomálie končatín, uší, obličiek, tráviaceho traktu atď. V takýchto prípadoch genetické faktory tvoria iba dedičnú predispozíciu alebo zvýšenú náchylnosť na účinky určitých faktorov prostredia. Podľa WHO sú vývojové anomálie prítomné u 2,5 % všetkých novorodencov; 1,5 % z nich je spôsobených pôsobením nepriaznivých exogénnych faktorov počas tehotenstva, zvyšok je prevažne genetickej povahy. Rozlišovanie medzi dedičnými a vrodenými chorobami, ktoré nie sú dedičné, má veľký praktický význam pre predpovedanie potomstva v danej rodine.

[ 5 ]

Metódy diagnostiky dedičných chorôb

V súčasnosti má praktická medicína celý arzenál diagnostických metód, ktoré umožňujú s určitou pravdepodobnosťou odhaliť dedičné choroby. Diagnostická citlivosť a špecifickosť týchto metód sa líšia - niektoré umožňujú len predpokladať prítomnosť ochorenia, zatiaľ čo iné s veľkou presnosťou detekujú mutácie, ktoré sú základom ochorenia, alebo určujú charakteristiky jeho priebehu.

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

Cytogenetické metódy

Na diagnostiku chromozómových ochorení sa používajú cytogenetické výskumné metódy. Patria sem:

• štúdie pohlavného chromatínu - stanovenie X- a Y-chromatínu;
• karyotypizácia (karyotyp je súbor chromozómov bunky) - určenie počtu a štruktúry chromozómov za účelom diagnostiky chromozómových ochorení (genómových mutácií a chromozómových aberácií).

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