Celem niniejszego podręcznika jest zapoznanie studenta z najważniejszymi zagadnieniami i ł kierunkami rozwoju genetyki medycznej. Autorzy mają nadzieję, że genetyka medyczna, traktowana dotychczas zdawkowo w nauczaniu przyszłych polskich lekarzy i nie uwzględniana w zasadzie w planie studiów, po kilkunastnletnich zaniedbaniach otrzyma nleżne jej miejsce w nowym zreformowanym programie nauczania w polskich akademiach medycznych. Podanie bowiem chociażby podstawowych wiadomości z zakresu gen-etyki klinicznej jest konieczne, aby wykształcić lekarza mającego pełne spojrzenie na patogenezę, leczenie i profilaktyę chorób. Mam nadzieję, że podręcznik ten, pomimo wielu braków, będzie istotnym krokiem w rozwoju genetyki medycznej w naszym kraju, a to, że jest pierwszy, stanowi nie tylko częściowe usprawiedliwienie jego niedoskonałości, lecz także jest zapowiedzią ukazania się dalszych jego wydań, dających pełniejszy obraz tej szybko rozwijającej się dyscypliny wiedzy. Jest moim miłym :obowiązkiem podziękować za cerme uwagi i sugestie dotyczące niniejszej książki: Pani Profesor Danucże Rożynkoz.uej, Panu Profesorowi Atotzże7n,u Horstozuż, Panu Profesorowi Jacko'u>ż Pżetrzykawż oraz Panu Profesorowi Ignacen,u Waldowż.
Kzysztof Boczkotuskż Warszawa, 2 V 1988 Spis treści
I. Znaezenie genetyki w praktyce lekarskiej (P. Czerski) . . . 11 Rożwój i znaczenie genetyki medycanej . . . 12 Podział chorób genetycznych. . . 13 Genetyczne obciążeiiie populacji . . . 16 Częstość występowania chorób genetycznych . . . 16 Stopień obciążenia chorobą genetyczną. . . 20 Farmy i możliwości opieki genetycznej . . . 22 Podsumowanie. . 23 II.Informacja genetyczna (K. Boczko2tski) . . . 25 Przekazywanie imformacji genetycznej komórkom potomnym . . . 25 InterEaza . . 26 Przebieg mitozy . . 27 Przebieg mejozy . . . 28 Porównanie mitozy i mejozy. . 35 Chemiczny śkład chromasomów i rola DNA . . 3B Realizacja inforrnacji genetycznej . . . 38 Mutacje . . . 42 Struktura chramatyny. . . . 43 Podsumowanie. . 44 III.Chromosomy człowieka i ieh aberracje (K.Boczkowsk"). . . 45 Licżba i kształt chramosomów . . 45 Ksżtałt chromosomów, . 45 Prawidłowy kariotyp człowieka. . . 46 Aberracje chromosomów i ich powstawanie . . 48 Aberracje sńrukturalne . . . 49 Aberracje liczbowe . . 54 Zapisywanie wyników badań cytogenetycznych . . . 5B Metody badania chromosomów. . 61 Podsumowanie. . 62 IV.Aberracje chromośómów płciowych (K.Boczkawski) . . 63 Genetyczna determlnacja płci . . 64 Chromatyna pł"owa . . 66 Chrornatyna łciowa X Ciałko Y . . . 69 Genetycżxsa rola heterochromatyny . . 70 Zespół Klinefeltera . . . 71 Badania cytogenetyczne . . . 72 Pochodzenie dodatkowego chromosomu X. . 73 Wiek rodziców. . 74 Mężczyźni XX. . 75 Mężczytni XYY. . 77 Kobiety XXX. . . 77 Zespół Turnera . . . 78 Etiologia i ptogeneza. . Bdania cytogemetycme . . . 80 Pochodzenie chromosomu X. . . . 84 Czyta dysgenezja gonad. . . , . . . 85 Zespół niewrażliwości na .ndrogeny . . . . 8B Podsumowanie. 7 V. Aberracje autosomalne (K. Boczkowski) . Zespół Downa. Translokacja zrównoważana. . . . 92 MozaikowośE . . . . 93 Rodzinne występowanie zespołu Downa. . . 93 Badania ermatoglificztse. Współistnienie zespołu Downa i zpołu Klinefeltera. . . 94 Związek zespołu Downa z "iałaczką. . ZależnośE zespołu Downa od wieku matki lub ojca. Ryzyko urodzenia drugiego dziecka z zespołem Downa. . . Trisomia chromosomów a>r 13- zesrpbł Pataua. Trisomia chromosomów nr 18- zespół Edwardsa. . Delecja ramion krótkich chromosombw nr 5- zespół "cri du chat" . . 101 Inne zespoły autosomalne . . .101 Aberracje liczbowe. . . . . 101 Aberracje strukturalne . . . 101 Triploidia d tetraploidi . . . . 102 Procesy nowotworowe . . . . 102 ftodzinne występowanie aberracji chronxsoswmalnych. .. . 105 Podsumowańie. . . . . 105 VI.Badenia cytogenetyczne w wybranych grupach populac,jn,ch (K.Bocz- kowskl7 . . . . lOB Badania cybogenetyczne płodów z poronień samoisbnych. . . IOB Badania cytogenetyczne u noworodków . . . . 109 Badania cytogenetyczne u siedmi- i ośmioletnich dzieci. . . I10 Badania cytogenetyczne u osób nie przystosowanych społecznie oraz u osób upośledzonych umysłowo . . . 111 Podsumowanie. . . . . 112 VII.Dziedziczenie jednoenowe (J.Zaremba) . . . 113 Odkrycia Mendla. . . . 113 Dziedziczenie autosomalne dominujące i recesywne. . . . 114 Dziedziczenie 5przężone z płcią.. . . 119 Wybrane zagadnienia dotyczące dziedzlczenin 7nogenawego . . . 122 Proporcja genetyczna - sposób uwalniania się od błGdu nelokcji. . 122 Kodominacja . . . . 124 Mutacje. . . 125 Niezależna segregacja,rekombinacja d apężeie. . . . 128 Mapowanie genów w genomie człowieka. . . . 129 Liczba genów datychczas zidentyfikewanych u człowiekn. . . . 130 Podsumowanie . . . 131 VIII.Uwarunkowanie wieloczynnikowe (I. wald). . . . 132 Genetyka cech ilościowych a genetyka mendlowsk:a. . . . 132 Badanie blitniąt . . . . 133 Badanie dzieci adoptowanych . . . . 134 Miary stosowane w analizie cech uwarunkowanych wieloczynnikowo . 13B PVlodele wieloczynnikowego uwarunkowania chorbb . . . . 138 NiejednorodnośE genetyczna. . . . . 141 Podsumowanie. . . . . 143 IX.Czynnihi genetyezne w patogenezie chorób (1.Wald) . . . . 144 DziedzieznośE a środowisko.Ich zola w procesie powstawania choroby . 144 Poziomy analizy chorób genetycych. . . . 14B Patologia molirularna - hemoglobinopatie . . . . 147 Enzymy i inne białka . . Defekty strukturalne. Postępy genetyki a klasyfikacja chorób . Genetyka a nowotwarzenie . Postępy gnetyki a diagnostyka . Postępy genetyki a leczenie. Podsumowanie. X. Analiza rodowodów (E. Manikot.ska-Czerska). . Zbieranie i zapis danych rodzinnych . . Przykłady analizy rodowodów. . Dziedziczenie cech autosomalnych recesywnych Dziedziczenie cech autosomalnych dominujących . . Dziedziczenie cech kodominujących i cech pośrednich . Dziedziczenie cech sprzężonych z chromosomem X . Dziedziczenie nieregularne . . Fenotyp a analiza rodowodu. Sprzężenie cech a analiza rodawodu . . Podsumowanie. XI. Genetyka populacyjna (1. Wald) . Podstawowe pojęcia . Prawo Hardy'ego i Weinberga. . PolimorEizmy genetyczne. . Czynniki wpływające na odchylenie od równowagi genetycznej. . . Spokrewnieie w populacji . Genetyka populacyjna i ewolucja . Podsumowanie. XII. Immunogenetka (A. Czlonkol.vslca) . Genetyczna kontrola syntezy immunoglobulin. . Budowa immunoglobulin. Determinanty antygenowe immunoglobulin . Geny odpowiedzialne za syntezę przeciwciał . Antygeny grupowe . Grupy krwi . Układ zgodności tkankowej. . Geny kodujące receptor dla antygenu na limfocytach T. Podsumowanie. XIII. Farmakogenetyka i ekogenetyka (1. Wald). Podstawowe pojęcia . Warianty jednogenowe i w"eloczynnikowe. Lki a choroby uwarunkowane genetycanie . . Ekogenetyka . Podsumowanie . XIV. Poradnictwo genetyczne (P. Czerskż, E. Mnnżkowska-Czerska) . . . Weryfikacja lub ustalenie rozpoznania. . Ustalenie toku dziedziczenia choraby . . Zastosowan"e teorii prawdopodobieństwa w poradnictwie genetycznym Genotyp pacjenta. Określenie prognozy genetycznej . Określenie prognzy genetycznej w chorobach jednagenowych . . Frognoza genetyczna w małżeństwach spokrewnianych Określenie prognozy genetycznej dla pacjentów obciążonych aberracją chromosomalną lub chorobą wielogenową . . Porada genetyczna . Podsumowanie. XV. Diagnostyka prenatalna (L. Wżśnżet.skf) . Ocena kariotypu pło"u . . Zastosowańie b3opsji trofoblastu w diagnostyce prenatalnej. . . . Rola ultrasonogr.afii w diagnostyce prenatalnej wad ośrodkowego układv nerwowego.
227 228 229 230 231 234
236 Alfa-fetoproteina w diagnostyce otwartych wad ośrodkowego układu nerwowego. AktywnośE acetylocholinoesterazy w płynie owodniowym w wadach ośrodkowego ukł,adu nerwowego. . Diagnostyka blk"w metabolicznych i schorzeń uwarunkowanych genetycznie . Zaburzenia przem;iany lipidów . Zaburzenia przemiany węglowodanów . Zaburzenia przemiany aminokwasów . Zaburzenia przemiany mukopolisacharydów . Scharzenia sprzężone z chromosomem X . Schorzenia o nie ustalonej etiologii. Fetoskopia. Badanie płodu. . . Powikłania . . Podsumowanie. . . XVI. Zastosowanie metod genetyki molekularnoj w diagnostyco chorób genetycznych (P. Czerskt). . Zasady technik rekombinacji DNA. Zastosowanie rstryktaz. . Konstrukcja b'ibliatek i sond DNA. Klonowanie. Techniki hybrydyzacji . . Zastosowanie śond DNA i hybrydyzacji. . Cytogenetyka przepływowa . Podsumowanie. . . Słownik najczęściej używanych terminów genetycznych (K. Boczkottski.). . Literatura uzupełniająca. . Skorowidz rzeczowy. .
I. Znaczenie genetki w praktyce lekarskiej
Przemysaw Czeski
Znajomość współczesnej genetyki jest nieodzowna do rozumienia zjawisk biologicznych, w tym fizjologii i patologii człowieka, które stanowią podstawę praktyki lekarskiej. Wszystkie ceehy danego organizmu powstają na podłożu informacji genetycznej, przekazanej przez organizmy rodzicielskie. Podczas rozwoju osobniczego i całego życia poszczególne obszary informacji genetycznej są odczytywane i zostają zrealizowane w postaci cech trukturalnych i czynnościowych. Mówi się o procesie wyrażania (ekspresji) cech, który podlega wpływom środowiska. Realizacja żnformacji genetycznej (a niekiedy i treść tej informacji) jest modyfikowana przez czynniki środowiska. Toteż podstawę rozumienia procesów biologicznych stanowi znajomość mechanizmów przekazywania cech dziedzianych i realizacji informacji genetycznej oraz interakcji pomiędzy tymi mechanizmami i czynnikami środowiska. Wiedza ta powinna służyE rozumnym próbom modyfikowania przebiegu tych procesów. Zapobiegawcze i lecznicze postępowanie lekarskie nie jest zaś niczym innym, jak taką próbą. Każdy lekarz powinien więc uxnieć myśleć "genetycznie". Umiejętność takiego myślenia nabiera coraz to większego znaczenia w miarę gromadzenia wiedzy o interakcjach podłoża genetycznego z czynnikami środowiska oraz w miarę wprowadzańia zmian w środowisku życia i pracy na skutek postępu technicznego. Reakcje ustroju na czynniki środowiskabiologiczne, chorobotwórcze (wirusowe i bakteryjne), żywieniowe, chemiczne, fizyczne - podlegają genetycznej kontroli. Stąd też istotne jest, aby każdy lekarz - mając do czyńienia z indywidualnym pacjentem - umiał dostrzec genetycznie uwarunkowaną swoistość odczynów jego organizmu. Mając zaś do czynienia z grupą ludzi, należy umieć zidentyfikować osoby ponoszące ze względów genetycznych zwiększone ryzyko zachorowania na określone choroby. Równie istotna jest umiejętność identyfikowania osób i rcdzin, ponoszących określone ryzyko genetyczne, to jest ryzyko przekaz"ńia chorób genetycznych potamstwu. Osobne zagadnienie stanowi umiejętność właściwego zaszeregowania określonych chorób i zespołów do grupy chorób genetycznych. We wszystkich starszych i w wielu współczesnych podręcznikach medycznych niedostatecznie omówiono choroby genetyczne, a niekiedy wręcz pominięto genetyczne podłoże wielu chorób. Wynika to z tego, że dynamiczne postępy genetyki medycznej nie zdążyły jeszcze w pełni przeniknąć do podręczników poszczególnych specjalnoci.
ll ROZWÓJ I ZNACZENIE GrENETYKI MEDYCZNEJ
W iągu ostatnich trzydziestu lat genetyka medyczna rozwijała się niezwykle szybko. Obecny stan tej dżiedziny pozwala przewżdywać jej dalszy dynamiczny postęp przez następne 10 lub 20 lat. Rozwój ten jest związany z postępami wiedzy w zakresie nauk odstawowych oraz z ogólnym postępem technicznym i ekonomicznym. Trzy czynniki odgrywają szczególną rolę w rozwoju genetyki medycznej. Z punkhu widzenia lekarza praktyka najważniejszym z tych czynników jest wzrastające zapotrzebowanie na genetyczną opiekę zdrowotną, obejmującą diagnostykę, leczenie, rehabilitację i profilaktykę chorób genetycznych wraz z poradnictwem genetyeznym. Zjawisko to występuje szczególnie wyraziście w krajach rozwiniętych, w których zostały apanowane choroby pasożytnicze, bakteryjne, wirusowe i z niedożywienia, w związku z tym wzrasta względna częstść chorób genetycznych. Paprawa warunków bytu i pozromu lecznictwa powoduje wydłużanie się okresu życia osób chorych genetycznie. Uprzemysłowienie, nowe technologie i chemizacja produkcji żywności wprowadzają do środowiska pracy i życia codziennego wiele dotychczas nie spotykanych czynników, z których liczne dzialają mutagennie. Tak więc choroby genetyczne i ich profilaktyka wysuwają się na czoło problemów zdrowotnych w krajach rozwiniętych. Korzystając z ich doświadczeń, kraje rozwżjające się eoraz szerzej uwzględńiają genetykę medyczną w ochronie zdrowia. Drugim, równie istotnym czynnikiem są postępy wiedzy w zakresie biologii, genetki ogólnej i molekularnej oraz genetyki człowieka. Doprowadziły one nie tylko do lepszego zrozumienia mechanizmów dziedżiczenia i genetycznej regulacji czynności komórki, ale stworzyły również możliwości sterowania tymi procesaxni. Zasadnrczym zmianom uległy poglądy na fizjologię cłowieka, interakcje arganizmu z czynnikami środowiska zewnętrznego i patogenezę wielu chorób. Wyodrębniono wiele nowych jednostek chorobowych i opracowano nowe zasady postępowania leczniczego. Omówienie tych przemian przekracza ramy tego rozdziału i tej książki. Najlepśze podsumowanie można znaleźć w materiałach 51 Symposium Cold Spring Harbor Laboratory na temat biologii molekularnej czowieka. Postępy genetyki omówione są w książkach Watsona * oraz Lewina **. Trzeba podkreślić, że wszystkie te osiągnięcia nie byłyby możliwe bez zastosowania zdobyczy współczesnej elektroniki i naukż o komputerach, w rozwoju której niemałą rolę odegrała polska myśl matematyczna. Logika stosowana w popularnych komputerach firmy Hewlett-Packard wywodzi się z Polski. Trzecim wreszcie czynnikiem jest w wielu krajach szybkie tempo wdrażania do praktyki nowych postępów nauk podstawowych. Badania nad rekombinacją kwasu dezoksyrybonukleinowego (DNA) doprowadziły do opracowania szybkich i prostych technik, których zastsowania praktyczne są jednym z podstawowych elementów ewnlucji biotechnologicnej w przemyśle. Zastosowanie metod i produktów biotechnolog'ii w rzxtynowych laboratoriach medycznych i w leczeniu radykalnie zmienia postępowanie diagnostyczne i terapeutyczne. 2mudne i wysoce wyspecjalizowane metody laboratoryjne, stosowane dotychczas w badaniach podstawowych, stały się podstawą do opracowania szybkich, prostych i w znacznym stopniu zautoma
* Watson J. D. i wsp.: Molecular Biology of the Gene. Bemjamin CummingsPubl. Co., Menlo Park, Ca. VI. 1 1988, vol. 2 1981. ** Lewtn B.: Genes III. John lPiley. New York 1987.
12 tyzowanych testów lub zestawów odczynników diagnostycznych. W latach 1985 i 1986 wprowadzono do diagnostyki rnikrnbiologicznej zestawy do hybrydyzaćji DNA lub DNA/RNA pozwalające na identyfikację sekwencji nukleotydów charakterystycznych dla genomu niektórych rodzajów lub gatunków bakterii (np. Mycobacterżum, Mycoplasma, Legionella, Salmonella), a tym samym do stwierdzenia obecności tych drobnoustrojów w badanym materiale. Klasyczne metody badania odpornści na antybiotyki zostaną zastąpione badaniem obeeności i ekspresji genów nadających odporność w bakteriach uzyskanych od pacjenta. Hybrydyzacja DNA i RNA za pomocą zestawów stanie się niedługo podstawową metodą identyfikacji wirusów. Zaletą tych metod jest ich prostota i mżliwość uzyskania wyniku w ciągu godzin, a nawet minut, od momentu uzyskania materiału o badania. Należy przewidywać, że ok. 1990 r. zostanie wprowadzona do handlu światowego pokaźna liczba zestawów do analizy genomu pacjenta, a tym samym do diagnostyki chorób genetycznych w okresie przedobjawowym, jak np. w iagnastyce prenatalnej lub we wczesnych okresach życia. Wzrasta stale liczba i zmniejsza się cena półautomatyenej lub całkowicie zautomatyzowanej aparatury do genetycznych badań laboratoryjnych. Szerokie zastosowanie koJnputerów do gromadzenia i przetwarzania laboratoryjnych i klinicznych danych genetycznych daprowadziło do atworzenia sieci banków informacji pomocnej w diagnostyce chorób genetycznych. Opracowano liczne programy komputerowe do analizy sekwencji zasad purynowych i pirymidynowych w kwasach nukleinowych i aminokwasów w peptydach oraz do analizy procesów transkrypcji i translacji. Programy te pozwalają na analizę rekombinacji mejotycznych, przewidywanie efektów określonych mutacji i ustalanie prawdopodobieństwa obecności kreślonej żnformacji genetycznej (sekwencji nukleotydbw) w NA na podstawie analizy białek. W handlu znajduje się ponad sto genetycznych programów (software) analitycznych, liczba ich stale rośnie. Opraowane zostały programy do analizy wpływu środowiska na ekspresję genów i regulację genetycznej czynności komórki. Wzrasta liczba programów do symulacji komputerowej biologicznych doświadczeń genetycznych. Matematyczne podstawy analizy sprzężeń dają się łatwo zastosować do analizy,poszczególnych rodowodów i określania ryzyka genetycznego. Należy przewidywać szybl rozwój komputeryzacji diagnostyki ż poradnictwa enetycznego na świecie.
PODZIAŁ CHORÓB GENETYCZNYGH
Choroby genetyczne można zdefiniować jako upośledzające sprawność życiową odchylenia od stanu prawidłowego (statystycznej normy), które przekazywane są jako cecha dziedziczna z pokolenia na pokolenie, lub które powstają de n,ovo na skutek zmian i zaburzeń w mechanizmach przekazywania cech dziedzicznych. Powstałe de vzovo zmiany mogą być przekazywane potomstwu jako cecha (choroba) dziedzicznli. Podział chorób genetycznych opiera się tradycyjnie na podstawowych prawach dziedziczenia. Wyróżnia się choroby jednogenowe, przekazywane zgodnie z prawami Mendla i uwarunkowane Lreścią informacyjną jednego genu, to jest w obrębie pary alleli, występujących w określonym locus genowym (patrz rozdział VII - Dziedziczenie jednogenowe). Wśród tych chorbb wyróżnia się autosomalne recesywne, autosomalne dominujące i sprzężone z chromosomem płciowym żeńskżm X, często kreślaaze jak.o sprzęmne z płcią.
13 Następną grupę stanowią choroby wielogenowe, warunkowane współdziałaniem wielu genów umiejscowionych w różnych loc". Choroby te nie są przekazywane zgodnie z prostym dziedziczeniem wg sehematu Mendla. Niejednokrotnie objawy tych chorób występują na skutek interakcji z czynnikami środowiska i ujawniają się dopiero wówczas, gdy nasilenie działania tych czynników osiągnie pewną wartość progową. W związku z tym mówi się o chorobach wieloczynnikowych. W wielu podręcznikach określenia choroby wielogenowe i choroby wieloczynnikowe używane są zamiennie i granica między tymi dwoma grupami jest płynna. Ostatnią grupę stanowią ehoroby występujące w związku z nieprawidłowościami liczby i struktury chromosomów. Mówi się o chorobacb chromosomalnych lub aberracjach chromosomalnych. Obok powyższej, tradycyjnej, klasyfikacji chorób genetycznych warto jeszcze prowadzić ze względów praktycznych dwa dodatkowe równoległe podziały. Pierwszy z nich wynika z podanej wyżej definicji chorób genetycznych. Wedłu niej można wyróżnie rupę odziedziczonych chorób przekazanych dotkniętej osobie przez jedno lub obydwoje rodziców. Drugą grupę stanowią choroby genetyczne, które wystąpiły po raz pierwszy w rodzinie u dotkniętej osoby na skutek zaburzeń w mechanizmach przekazywania cech dziedzicznych - świeżej mutacji lub powstałe de ovo aberracji chromosomalnej. Zaszereowanie określonego przypadku do jednej z tych dwóch grup ma istotne znaczenie dla określenia ryzyka genetycznego, ponoszonego przez daną rozinę. Jeżeli dana choroba została przekazana przez rodziców, to ponoszą oni określone ryzyko genetyczne, że następne dzieci będą dotknięte tą samą chorobą. Natomiast jeżeli choroba związana jest ze świeżą mutacją genową, dominującą lub sprzężoną z chromsomem X, t,o rodzice dotkniętej osoby ponoszą genetyczne ryzyko populacyjne, to jest takie samo, jak każda statystyczna para rodziców w danej populacji. Sprawa ryzyka genetycznego jest bardziej złożona w przypadku wystąpienia de novo aberracji chromosomalnych u dziecka (patrz rozdział XIV - Poradnictwo enetyczne). Następnym przydatnym praktyrznie podziałem jt klasyfikacja uwzględniająca interakcje podłoża genetycznego (enotypu) z czynnikami środowiska. Charakterystyczny dla gatunku ludzkiego genotyp, warunkujący przystosowanie do środowiska i sprawność życiową, określa się jako typ dziki. W abrębie tego typu występują liczne warianty warunkujące różnorodność enetyczną (polimorfizm). Nie upośledzają one jednak sprawności życiovcTej i nie prowadzą do odchyleń od normy statystycznej. Niektóre warianty genetyczne dają większą od przeciętnej sprawność życiową. Inne warianty, warunkujące odchylenia od normy, zdefiniowane wyżej jako choroby genetyczne, upośledzają sprawność życiową. Zmiany treści informacji genetycznej, dotyczącej regulacji podstawowych procesów rózwoju, struktury lub czynnoś" organizmu (mutacje genów o dużym efekcie) albo rozległe zxniany w genomie (jak aberracje chromosomalne) ujawniają się jako nieprawidłowe cechy fenotypu niezależnie od środowiska. Wiele zmian w obrębie poszczególnych genów może się zsumować, dając upośledzenie sprawności życiowej i nieprzystosowanie do różnych, często nie zidentyfikowanych, czynników środowiska. Związane z tym choroby wielogenowe lub wieloczynnikowe wymagają dalszych badań. Identyfikacja poszczególnych genów związanych z danymi cechami pozwoli zapewne na interpretację dziedziczenia w ramach praw Mendla i rozszyfrowanie roli czynników środowiska w indukcji adchyleń od normy. Pewna grupa defektów
14 jednogenowych powoduje nieprzystosowanie do określonych naturalnych czynników środowiska. Przykładem takich charób są np. fenylokEtonuria, galaktozemia i nietolerancja fruktozy. Teoretycznie proste, a uciążliwe w praktyce działanie polegające na wprowadzeniu odpowiedniej diety, zapobiega powstaniu objawów choroby lub łagodzi je. W fenyloketonurii postępowanie polega na zmianie naturalnego składu aminokwasów w pożywieniu, a w galaktozemii i nietolerancji fruktozy - na eliminacji odpowiednich cukrów. Genetyczny defekt metabolizmu pozostaje jednak na całe życie i jest przekazywany potomstwu. Jest to więc postępowanie zapobiegawcze lub leczen;e abjawowe, nie zaś przyczynowe. Ścile objawowym leczeniem jest także leczenie substytucyjne polegające na podawaniu aktywnych składników w genetycznych defektach układu krzepnięcia (np. hemofilii A) lub układu odporności. Dopiero manipulacje inżynierii genetycznej, polegające na wprowadzeniu odpowiednich genów do komórk samatycznych, mogłaby ctanowić próbc leczenia przyczynowego. Takie próby są w toku w :odniesieniu do zespołu Lescha i Nyhana oraz Taya i Sachsa, jak również wrodzonych espołów ciężkiej kombinowanej niedomogi immunologicznej (niedobór ADA i PMN) oraz chorób hemoliycrnych, związanych z genetycznym defektem hemoglobiny. Manipulacje inżynierii genetycznej w odniesieniu do komórek płciowych lub rozwijającego się płodu, chociaż możliwe teoretycznie, są jednak sprawą odległej przyszłości. Następną grupę staxiowią warianty genetyczne, w których kontakt z czynnikami nie występującymi naturalnie (leki, chemikalia) prowadzi do wyzwolenia objawów choroby, jak np. polekowe zespoły hemolityczne związane z genetycznym wariantem metabolizmu. Różnorodność (polimorfizm) genetyczna leży u podłoża zmiennej predyspozycji do niektórych chorób. W świetle powyższych rozważań dodatkowo należy wprowadzić ważne z punktu widzenia diagnostyki różnicowej pojęcie fenakopii. Jak już wspomniano, czyrmiki środowiska modyfikują działanie genów. W ewnych sytuacjach może dochodzić do indukcji fenotypu, który nie odpowiada genotypowi osoby wykazującej ten fenotyp, odpowiada natomiast określonemu fenotypowi warunkowainemu genetycznie. Tak więc normalnie rozwijające się, leczone dietą dziecko z fenylohetonurią można uważać za fenokopię dziecka o prawidłowym genotypie. Prawidłowy rozwój uzyskano dzięki diecie eliminacyjnej. Genetyczny defekt metaboliczny pozostaje, jestl przekazywany potomstwu i w przypadku dziecka pł" żeńskiej będzie odbijał się w czasie późniejszej ciąży na rozwoju płodu. Jest więc rzeczą praktycznie ważną, aby pamiętać, że leczeniem wyindukowano fenokapię normalnego rozwoju, a nie genetycznie prawidłowy rozwój. Innym przykładem jest embriopatia warfarinowa. Podawanie preparatu warfarin (pochodna kumaryny) w czasie ciąży prowadzi do zaburzeń wapnienia kości na skutek zahamowania syntezy kwasu gamma-karboksyglutaminowego. U dziecka powstaje obraz kliniczny (fenokapia) chorr,d'rozZysplasia pun.ctata; czyli zespołu Conradiego i Hnermanna. Bergstron i wsp. (1972) wykazali, że zespół ten może występować jako choroba dominująca. Melnićk (1965) podkreśla, że w większaści rodzin choroba ta jest przekazywana jako cecha recesywna. Hepple i wsp. (1977) apisali rodziny, w których chozdrodysplasżn puctata przekazywana była jako cecha sprzężona z chromosomem X. Rasenfield i wsp. (1962) obserw.owali niektóre cechy zespołu Canradiego i Hnermanna w przypadkach trrsomii chramosomu 18. Za Spanglerem (1971) należy powtórzyć, że zespół Conradiego i Hnermanna jeśt doskonałym przykładem różnoradności gcnetycznego podłoża dla poornie jenolitego zespo
15 łu klinicznego. Jednocześnie trzeba dodać, że podobieństwo między tym ze- społem a embriopatią warfarinową jest dobrym przykładem fenokopii u ga- tunku ludzkiego. Całość tych rozważań ilustruje złożoność genetycznej diagno- styki różnicowej.
GENTYCZNE OBCIĄENIE POPULACJI
Pojęcie genetycznego obciążenia populacji zawiera w sobie wiele elementów składowych. Należy rozważać częstość występowania chor&b genetyeznych, ich skutki dla zdrowia i stopień upośledzenia sprawności życiowej ("ciężkość" choroby), czas przeżycia chorych oraz skutki emocjonalne i ekonomiczne dla dotkniętych osób, ich rodzin i społeczeństwa. Część tyeh elementów jest bardzo trudna lub wręcz niemożliwa (skutki emocjonalne) do przedstawienia w sposób ilościowy. Dla pełnej oceny naieży zaszeregować w kategorie, porównać ze sobą i zsumować "obciążenia" związane z poszczególnymi chorobami genetycznymi. Powstaje pytanie, jak oceniE i porównać chorobę występującą po urodzeniu i prowadzącą do ciężkiego zaburzenia rozwoju i śmierci w pierwszych latach życia (jak np. mukopolisacharydoza typu I - zespół Hurler), wrodzoną ahorobę powodującą u,pośledzenie umysłowe i skracającą czas życia do około połowy (jak np. trisomia chromosomu 21 - zesp5ł Downa i chorobQ występującą zazwyczaj między 30 a 40 rokiem życia, prowadzącą stopniowo do głębokiego upośledzenia, a nieznaczn?e skracającą życie (jak np. pląsawica Huntingtona). Oceny te są zresztą zmienne w czasie. W miarę uzyskiwania nowych możliwoś" leczenia lub zapobiegania i zmian kosztów tego postęgowania stopień obciążenia również ulega zmianom. Nie daje się więc jednoznacznie określiE rozmiaru genetycznego obciążenia populacji ludzlej.
CZBTOSC wYBTPOWANIA CHORbB GENETYCZNYCH
CzęstośE wystQpowania chorób genetycznych stanowi podstawową, wyjściową informację. Gdyby ezęstość poszczególnych genów w papulacji, częstość świeych mutacji i aberracji chramosomalnych były znane, można by przewidzieE liczbę świeżych przypadków chorób genetycznych w kolejnych pokoleniach. Znając czas przeżycia chorych genetycznie i rozkład grup wiekowych w danej populacji, można by obliczyć liczbę chorych. Niestety; Mrak jest tych danych. Można jedynie posługiwać się fragmentarycznymi, dostępnymi badani.i i na ich podstawie dokonać oceny szacunkowej. Przegląd literatury światowej wykazuje brak kompletnych rejestrów chorób genetynych. Wątpliwoci budzi miarodajność rozpoznań, wykrywalność i zgłaszalność poszczególnych chorób oraz genetyczne podłoże niektórych rejestrowanych wad wrodzonych. Brak jest danych o okresie przeżycia chorych, są one odmienne w różnych krajach. Dostępne rejestry -chorób genetycznych wśród żywo urodzonych "zieci nie obejmują chorób ujawniających się w późniejszym wieku oraz genetycznych przyczyn martwych urodzeń i poi'anień samoistnych. Za najbardziej miarodajną podstawę do oceny częsbości chorób genetycznych priyjęto prowadzony od ponad 15 lat ż stale aktualizowany rejestr kanadyjskiej prowincji Kolumbia Brytyjska. Dotyczy on żywo urodzonych i abejmuje chareby ujawniające się do około 20 roku życia. Rejestr ten posłużył jako godstawa do oszaoowania częstości chorób genetycznych u lu dzi przez Naukowy Komitet Skutków Promieniowania Atomowego Organizacji Narodów Zjednoczonyeh (United Nations Scientific Committee on the Effects of Atomic Radiation - UNSCEAR) w raportach z 1977 i 1980 r. Dane rejestru zostały skorygowane przez UNSCEAR w świetle badań częstości poszezególnych wybranych chorób genetycznych, zwłaszeza dominujących, oraz danych innych rejestrów. Jednym z najlepiej prowadzonych jest węgierski rejestr "wskaźnikowych" wad wrodzonych (Czeizel, 1978). Obejmuje on wady i choroby wrodzone jednoznacznie rozpoznawalne w ciągu pierwszych 6 dni życia, a mianowicie bezmózgowie, rozszezep kręgosłupa, wodogłowie, rozszezep podniebienia i wargi, zarośnięcie przełyku, zarośnię"e odbytu, nieZstąpienie jąder, niedorozwój końezyn, wrodzone zwichnięcie stawów biodrowych oraz zespół Downa. Są to sprawy o różnorodnym podłożu genetycznym i uwarunkowaniu czynnikami środowiska. Wprowadzono również poprawkę na ezęstość występowania aberracji chromosomalnych na podstawie badań noworodków.
T a b e 1 a 1. Częstośó występowania chorbb genetycnych na 100 żywo urodzonyeb n podstawie rejestru Kolumbii Brytyjskiej po poprawkacb UNSCEAR '
0 , O G o ai 'b 0 rbdło ' ó u - . .N 0 U N , Ń ó ' 0 'd O G,: cn N G N z v Gł UNSCEAR 0,12 0,11 0,20 4,28 4,73 9,10 9,44 UNSCEAR szacunek 1,00 0,10 0,40 4,30 4,70 9,00 10,50 1982
' CzęstośE aberracji chromosomalnych jest bliższa 0,60%, jeżeli wliczyE 0,19% aberracji strukturalnych nie znajdujących odbicia w fenotypie (aberracje euploidalne, jak translokacje zrównoważone i aberracje typu fuzji centryeznych, gdy przy aneuploidalnej liczbie modalnej wszystkie chromosomy są w zasadzie obecne).
Tabela 1 przedstawia częstość chor"b genetycznych wśród żywo urodzonych według aktualnego szacunku UNSCEAR z 1982 r. w porównaniu z oceną z 1977 r. - Dane węgierskie obejmują częściowo urodzenia martwe, jak np. bezmózgowie. Czeizel i wsp. (1978) podają, że wśród dzieci ze zgłosonymi wadami wrodzonymi od 7,5oo do 8,5% wykazywało liczne wady wrodzone (tzw. wielowadzie). Odpowiada to częstości od 0,26 do 0,29 na 100 wszystkich urodzeń. Większość przypadków licznych wad wrodzonych odpowiadała poważnym uszkodzeniom prowadząeym w 6,9o/ do martwych urodzeń, a w 45% do śmierci w pierwszym raku życia. Leck (1977) oceniał częstość ciężkich, głęboko upośledzających wad wrodzonych i wad prowadzących do śmierci we wezesnym okresie życia na podstawie danych brytyjskich. Według tego autora w 2,44% wszystkich urodzeń dzieci są obarezone ciężkimi wadami. Powyższa dyskusja wykazuje trudności porównywania danych różnych autorów. Stosowane są różne kryteria do określenia ciężkości wady (choroby)
9 - Zarys genetyh! oraz różne podstawy do obliczania częstości - wszystkie urodzenia, tylko żywe urodzenia lub martwe urodzenia. W tym ostatnim przypadku dane ulegają zmianom, jeśli uwzględnia się porody o czasie, przedwezesne i niewezesne. Odsetek poronień samoistnych z przyczyn genetycznych jest zapewne bardzo duży, ale dokładnie nie jest znany. Rozważając dostępne piśmiennictwo, dane UNSCEAR należy przyjąć jako najbardziej miarodajne i wyważone. Należy jednak poczynić kilka zastrzeżeń. Dane te dotyczą tylko żywo urodzonych i chorób ujawniających się w ciągu pierwszych 20 lat życia; reprezentują one minimum i będą w ciągu najbliższych lat korygowane. Już obecnie należy stwierdzić, że ezęstośe aberraeji chromosomalnych jest większa. Należy przyjąć, że wynosi ona co najmniej 0,6%; w tym 0,14% trisomii autosomalnych, 0,19/o strulsturalnych aberracji euploidalnych (typu Robertsona i zrównoważonych), O,0 - jo aneuploidalnych aberracji struktury autosomów i 0,22% aberracji chromosomów płciowych. Serie badań noworodków i niemowląt przeprowadzane w różnych krajach dają odmienne wyniki; stwierdzono od 0,47% (Kanada) do 0,83/ (Dania) przypadków aberracji chromosomalnych wśród żywo urodzonych. Zastosowanie technik prążkowych barwienia chromosomów i nowych metod o dużej zdolności rozdzielcej zapewne zwiększy jeszeze ocenę częstości występowania aberracji. Szezególnie dotyczy to aberracji nie znajdujących odbicia w fenotypie lub zmieniających cechy w niewielkim stopniu. Należy dodać, że przynajmniej w dwóch okolicach świata, w Danii oraz w obrębie miasta Nowy Jork, zaobserwowano w ciągu ostatnich 20 lat stały powolny wzrost częstości aberracji chromosomalnych, zwłaszeza trisomii 21. Wzrost ten nie daje się wytłumaczyć lepszą wykrywalnością i zgłaszalnością przypadków. Neel (1978) uważa, że szacunek UNSCEAR jest zaniżony w odniesieniu do częstości chorób jednogenowych. Liczba jednostek stale wzrasta, gdyż identyfikuje się ciągle nowe choroby. Można założyć, że nie zidentyfikowano dotychezas wszystkich chorób jednogenowych. Podstawę do tego stwierdzenia stanowi następujące rozumowanie. Większość klasycznyeh recesywnych chorób metabolicznych wiąże się z nieobecnaścią lub brakiem prawidłowego działania (całkowitym lub prawie całkowitym) enzymów, białek transportowveh lub receptorowych. Obecnie u człowieka znanych jest ponad 5000 różnych białek, których nieobecność lub zmiany czynnościowe mogą prowadzić do recesywnych chorób metabolicznych mających podobny charakter, jak znne i opisane do tej pory. Lxezba zaś znanych i opisanych cech i chorób !ztosomalnych recesywnych wynosi obecnie ok. 1300.
T a b e 1 a 2. Częstośe niektórych dominująey ch autosomalnych cborób genetycznych na 1000 żywo urodaonych (dane różnych autorów, średnio)
Choroby CzgstośE wYstępowania Pląsawica Huntingtona O," Neurofibromatosis Dystrofia miotaniczna Torbielowatoś nerek 0 g lepota dominująca 0,1 Głuchota postaE wezesna dziecięca 0,1 postać późna (otoselerosis) dorosłych 3,0 Hipereholesterolemia 2,0 Sferocytoza wrodzona 0,2 Dentżnoettesis imperfecta 0,1 Osleoenesfs imperfectn 0,04 Zespó Marfana 0,05
18 Szacunek UNSCEAR stanowi więc dolną granicę częstości chorób genetycznych i z czasem będzie ulegać podwyższeniu. Rozpiętość danych podawanych w literaturze ilustruje szacunek częstości chorób geetyeznych podany przez Galjaarda (1980). Wedlug tego autora wśród żywo urodzonych choroby autosomalne dominujące występują w ilości od 0,06 do 0,7%, sprzężone z chromosomem X - od 0,03 do 0,07%, autosomalne recesywneod 0,09 do 0,25%, aberracje chromosomalne w 0,5oo. Tabela 2 podaje częstość występowania wybranych chorób. Jak już wspomniano, udział chorób genetyanych w etżologii martwych urodzeń i poronień samoistnyeh nie jest nany. Dostępne miarodajne dane dotyczą tylko aberracji ehromosomalnych. Należy uważać, że przynajmniej 50% poronień samoistnych wiąże się z aberracją chromosomów u płodu (UNSCEAR). Galjaard (1980) podaje od 50 do 60% aberracji chromosomalnych w poronieniach samoistnych jako szaeunek oparty na danych piśmiennictwa światowego. Autor ten chyba przecenia role aberracji chromosomalnych w stratach ciąży, podając, że połowa zapłodnień końezy się (uwzględniając straty przedimplantacyjne) niepowodzeniem ciąży z powodu aberracji chromsomalnych. Rola ich jest jednak istotna.
T a b e I a 3. Częstośó niektórych chorób recesywnych na 1000 żywo urodzonych (dane różnych autorów, średnio)
Dane przytoczone wyżej oraz w tab. 3 odnoszą się przede wszystkim do populacji europejskij i północnoamerykańskiej pochodzenia europejskiego. Populacje o określonym pochodzeniu etnicznym lub zamieszkujące niektóre rejony mogą wykazywać odxnienne częstości występowania chorób genetycznych. Tak więc częśtość hemoglobinopat (np. niedokrwistości sierpowatokrwinkowej) jest większa u Murzynów, natomiast rzadziej występują u nich aberracje chromosomalne. Wady eewy nerwowej występują częściej wśród ludności Walii, Szkocji i Irlandii niż w innych rejonach Eurapy i wśród Irlandczyków zamieszkałych w Ameryce Północnej. Chroba Taya i Sachsa (gangliozydoza GM 2 - typ I) występuje u Żydów Aszkenazyjskich ok. 100 razy częściej niż wród innych grup ludności. CzęstoEć występowania chorób genetycznych jest zmienna w czasie i Carter uważa, że np. aberracje ehromosomaine wykazują wahania sezonowe. Niemniej można przyjąć, że dane UNSCEAR i zawarte w tabeli 3 w przybliżeniu charakteryzują gatunek ludzki. Należy jednak pamiętać o odehyleniach od tych wartości zależnych od pochodzenia etnicznego, sposobu kojarzenia par (np. wpływ spokrewnienia małżeństw wśród geograficznych lub kulturowych izolatów) i rejonu geograficznego (wpływ środo - ka?). Na pytanie, w jakim stopniu dane te odnoszą się do populacji polskiej, nie można udzielić jednoznacznej wiążącej odpowiedzi. Dostępne są bowiem fragmentaryczne badania dotyczące występowania chorób genetycznych wśród różnych, niewielkich stosunkowo populacji w różnym wieku, zamieszkałych w różnych rejonach kraju. Przykładowo można wymienić badania prowadzone w Instytucie Pediatrii w Krakowie (Pietrzyk i wsp.), Instytucie Matki i Dziecka (choroby metaboliczne - Cabalska, Bożkowa i wsp.) i Instytueie Psychoneurologii (Wald, Zaremba ż wsp.). Ponadto istnieje kilkadziesiąt fragmentarycznych publikacji. Instytut Matki i Dziecka (Zakład Ochrony Zdrowia - Kukla i wsp., Zakład Epidemiologii - Wiórowa, Tesarz, Sztachelska i wsp.) prowadzi od wielu lat analizę śmiertelności i przyczyn zgonów niemowląt. Badano również zachorowalność, przyczyny hospitalizacji dzieci i występowanie niektórych chorób genetycznych (np. wrodzone wady serca - widerski, Tesarz) wśród różnych wybranych populacji. Wszystkie te publikowane i częściowo zawarte w wewnętrznych publikacjach dane pozwalają na następujące stwierdzenia: 1) wśród populaeji polskiej częstość występowania chor&b genetycznych (w tym wieloczyrmikowe wady wrodz:one) nie odbiega od szacunku UNSCEAR, nie stwierdzono przynajmniej rażących udehyleń od częstości występowania tych chorób wśród populacji europejskiej ; 2) można przyjąć, że ok. od 2,5% do 3% dzieci rodzi się z ciężkimi genetycznymi npośledzeniami; od 0,5oo do l% ginie w pierwszym roku życia, a więc ok. 2% wkracza w drugi rok życia z tymi obciążeniami; 3) nie analeziono charakterystycznych dla polskiej populacji (lub subgopulacji regionalnych) chorób wielogenowych i wieloczynnikowych (wad wrodzonych) lub chorób jednogenowych; badane nieliczne choroby jednogenowe (przede wszystkim fenyloketonuria, galaktflzemia, hemofilie) występują z tą samą częstością co w innych populacjach europejskich; być może mukowiscydoza (dane Instytutu Matki i Dziecka) występuje nieznacznie częściejwymaga to jednak dalszych badań; nieprawidłowośei hemoglobiny są niezwykle rzadkie ; 4) częstość aberracji chromosomalnych, łączna i w zakresie poszezególnych typów, jest taka sama jak w innych populacjach europejskich; 5) częstoć występowania poszezeg&lnych chorób genetycznych w poszezególnych rejonach kraju wymaga przeprowadzenia wieloletnich miarodajnych badań, jest to sprawa o istotnym znaczeniu praktycznym.
STOPIEl1 OBCIĄENIA CHOftOBĄ GENETYCZN
Stopień obciążenia chorobą genetyczną jest bardzo trudny do ujęcia w wymiernych kategoriach. Nie można określić ilościowo dramatu rodziny mającej upośledzone dziecko lub osoby, u której występują pierwsze objawy pląsawicy Huntingtona, i która zdaje sobie sprawę, że mogła tę chorobę prze-kazać dzieciom. Skutki choroby genetycznej należy rozważać z kilku punktów widzenia - dotkniętej osoby, rodziny i spolerzeństwa. Ten ostatni aspekt jest istotny dla optymalizacji wykorzystanxa dostępnych środków na ochronę zdrowia oraz dla oeeny skutków wprowadzenia mutagenów do środowiska życia i pracy. Pr&by liezbowej oeeny skutk&w chorób genetycznych podejmowane były pod tym kątem przez UNSCEAR i Międzynarodową Iiomisję Ochrony przed Promieniowaniem (International Commission on Radiological ProtectionICRP). Pojęcxa opracowane przez te komisje są pomocne w analizie obciążeń genetycznych. ICRP posługuje się przede wszystkim wskaźnikiem szko
ĆD dliwości (index of harm), który można opierać na śmiertelności, "ężkośei uszkodzeń itp. Pewną miarę tych wszystkich czynników stanowi strata czasu pracy w odniesieniu do normalnego pełnego zatrudnieńia i wyrażona jako liczba lat roboczych na rok i na 1000 zatrudnionych. Stosując ten wskaźnik, można oceniać skutki niektórych spraw genetycznych, np. poronień samoistnych. Znając liczbę i wiek zatrudńionych kobiet, częstość poronień samoistnych w poszezególnych grupach wieku oraz przeciętny czas niezdolności do pracy (wszystkie dane dostępne ze statystyk służby zdrowia i zatrudnienia), można obliczyć ten wskaźnik, wiedząc, że 50% poronień wiąże się z aberracjami chromosomalnymż. W polskim systemie opieki lekarskżej należy doliczyć jej koszty. To samo podejście, tj. wskaźnik straty czasu pracy plus koszty opieki lekarskiej, można zastosować do chorób genetycznych, ujawniających śię w późniejszym okresie życia (w wieku produkcyjnym). Wskaźnik ten można również odnieść do ehorób występująeych we wezesnym okresie życia i prowadzących do śmierci w wieku dziecięcym lub do ciężkiego upośledzenia umysłowego i fizycznego, które uniemożliwia pracę. Innym podejściem do oceny wielkości obciążeń genetycznych jest analiza odsetka dzieci hospitalizowanch z przyczyn genetycznych i niegenetycznyeh, z uwzględnieniem długości przeciętnego czasu pobyt w szpitalu, liczby ponownych hospitalizacji i przeciętnych kosztów leeenia. Pxegląd danych piśmiennictwa wskazuje, że im wyżśzy jest standard życia danego kraju i im lepsza opieka lekarska, tym wyżśzy jest odsetek dzieci hospitalizowanych z powodu chorób genetycznych. Może się on wahać od 34o/a do 75%, zależnie od kraju, w którym prowadzono badania. Należy zastrzec, że dostępne dane dotyczą stosunkowo wysoko rozwiniętych krajów. Przeciętny czas hospitalizacji paejentów genetycznych jest 1,5 razy dłuższy niż niegenetycznych. Liczba ponownych hospitalizacji z powodu tej samej choroby wynosi przeciętnie 5,3 w porównaniu z 1,3 dla chorych ńiegenetycznych. W Polsce (dane I. Sztachelskiej i H. Wiórowej) odsetek dzieci hospitalizowanych z powodu wad wrodzonych znacznie wzrósł v 1971 r. w porównaniu z 1963 r., zwłaszeza w starszych grupach wiekowych. Wskazuje to na to, że większa liczba chorych genetycznie przeżywa dłuższe okresy.
T a b e 1 a 4. Umieralnoć z powodu niektórych wybranych grup chorób genetycznych w ciągu pierwszych 5 lat życia (obliczana na 1000 dzieci). %V nawiasach podano, ile razy wzrasta ryzyko zgonu w tym okresie w porównaniu z całą populacją (wg UNSCEAR, 1982, na podstawie danych różnych autorów)
Choroby 1 rok życia 2 lata 3 lata 4 lata 5 lat
Wszystkie uro- dzenia żywe (zdro- wi i chorzy gene- tycznie) 23,6 1,8 Choroby dominu- jące 98,0(4)() 19,4(11)() Choroby recesyw- ne 98,5(4)() 35,0(19)() Wady wrodzone 130,0(5)() 11,2(6)()
Powyższe dane charakteryzują przede wszystkim obciążenie sp4łeczne. Z punktu widzenia dotkniętej nsoby i jej rodziny istotne maczenie ma upośledzenie sprawności życiowej. Można je próbować mierzye stopniem utraty
?1 zdolności do samodzielnego życia. Może ona wyrażać się wielkością utraty zdolności zarobkowej i produkeyjnej lub wielkością nakładów na opiekękoszty pomocy w życiu we własnym domu, koszty hospitaliżacji lub pobytu w domu opieki. W piśmiennictwie dostępne są nieliczne dane o poszezególnych chorobach genetycznych i trudno jest formułować ogólniejsze wniaski. Całkowicie brak tego typu badań w Polsce. Innym kryterium porównania dla "ciężkości" choroby genetycznej może być stopień zwiększenia ryzyka śmierd w porównaniu z przeciętnym w populacji. Tabela 4 przedstawia szacunkowe dane UNSCEAR, dotyczce umieralności dzieci do lat 5 z powodu chorób genetycznych.
FORMY I MOLIWOŚCI OPIEKI GENETYCZNEJ
Lekarslsa opieka genetyczna wykazuje dwie podstawowe ceehy różniące ją od tradycyjnej praktyki lekarskiej. Po pierwsze, właściwe postępowanie genetyczne wymaga zaangażowania dużych wielospecjalistycznych zespołów, z poważnym udziałem specjalności niemedycznych i paramedycznych, jak psychologów, biologów, socjologów i pracowników socjalnyh. Po drugie, w odróżnieniu od tradycyjnego stosunku lekarz - pacjent przedmiotem opieki jest tu grupa ludzi, to jest genetycznie chora osoba i jej rodzina. Stwarza to wiele problemów praktyeznych i etycznych. Coraz lepsze i tańsze sposoby wezesnego wykrywnia chorhb genetycżnych wśród populaeji metodą testów przesiewowych rodżą problemy etyezne i organizacyjne. Zagadnienia te omó - ono szerzej w rozdziale XIV - o poradnictwie genetycznym. Formy opieki genetyrnej mogą być różne ż zależą od konkrtnych możliwości udzielenia pomocy. Podstawę stanowi właciwe rozpoznanie choroby x ustalenie toku jej dżiedżiczenia. Każda ehoroba genetyczna, która wiąże się z ryzykiem genetycznym, tj. zwiększonym prawdopodobieństwem wystąpienia takiej choroby u następnych dzieci, wymaga rozpznania w możliwie wezesnym okresie życia. Pożwala to bowiexn na udzielenie tej rodzinie porady genetycznej w porę, to jest po urodzeniu pierwszego chrego dziecka. Pomijając aspekty humanitarne - tragedię rodziny obciążonej kilkorgiem chorych dzieci, jest to sprawa o wielkim znaczeniu społecznym, stanowi bowiem podstawę profilaktyki chorób genetycznych. Stąd też najważniejszą zasadą opieki genetycznej jest stwierdzenie, że rozpoznanie przypadku choroby genetycznej jest równoznaczne z identyfikacją rodziny ryzyka genetycznego. Rodzina ta wymaga porady genetycznej. Nieudzielenie jej lub nieskierowanie do poradni genetycznej należy uważać za błąd w sztuce lekarskiej. Ze społecznego punktu widzenia w grupie chorób, w których wezesne leczenie zaFobiega rozwojowi objawów i które występują dostatecznie często, uzasadnione jest wprowadzenie diagnostycznych testów przesiewowych obejmujących całą populację noworodków lub niemowląt. Akeja taka musi być powiązana z poradnictwem genetycznym. W przypadku chorób, w których lekarskie, pedagogiczne i psychologiezne postępowanie można rozpocząć dopiero w wieku szkolnym (np. aberracje chromosomów płciowych - zespół Turnera lub Klinefeltera), działanie w celu weześnxejszego ich wykrycia może by dyskutowane. Wezesne rozpoznanie może niepotrzebnie napiętnować rodzinę, która jak się wydaje, nie ponosi istotnego ryzyka genetycznego. Z drugiej strony dzieci z tymi aberracjamż ponoszą większe od przeciętnego ryzyko śmierci w okresie noworodkowym. Próba zmniejszenia tej śmiertelności mogłaby opierać się na badaniu składu chromosomów płciowych przez oznacenie heterochr4matyny płciowej żeńskiej X (ciałka Barra) i męskiej (ciałka Y). yłoby to kosztowne, gdyż albo wymagałoby dużego nakładu pracy, albo użycia bardzo drogich układów do automatycznej analizy brazów mikroskopowych. Można by sobie wyobraziE udostępnienie na zasadzie dobrowolności papulacji w wieku reprodukcyjnym badań na nosicielstwo chorób genetycznych w celu identyfikacjx par ryzyka genetycznego. Można również badać kobiety w ciąży w celu wykrycia chorób genetycznych płodu. Podsumowująe, jedną z form opieki genetycznej jest wprowadzenie specjalnych testów przesiewowych lub wykorzystanie badań masowych (np. bilansów zdrowia poszczególnych grup wiekowych dzieci - badania wprowadzone przez Instytut Matki i ziecka) w celu wykrycia w odpowiednim okresie chorób genetycznych. Akcja taka pozwala na identyfikację rodzin ryzyka genetycznego i objęcie ich poradnictwem genetycznym. Jest to opieka retrospektywna, gdyż chodzi o rodziny, w których choroba genetyczna wystąpiła przynajmniej u jednej osoby. Równoległym działaniem jest zaoferowanie porad genetycznych rodzinom osób, u któryh w jakimś okresie życia lekarz dowolnej specjalności rozpoznał chorobę genetyczną. Zidentyfikowane rodziny mogą zostać objęte prospektywną pieką. Mog być poinformowane o wielkości ryzyka. W przypadku podjęćia decyzji o dalszej prokreacji można tym rodzinom zagwarantować w porę wykonane badania dianostyczne w celu wykrycia określonej choroby. Mogą to byE badania w okresie ciąży (patrz rozdział 'XV - Diagnostyka prenatalna), lub też badania w najwcześniejszym okresie żyeia, w którym można rozpoznać chorobę. Tego typu działanie można by określić jako genetyczną opiekę okołoporodową. Tego samego typu prospektywną opiekę można zastosować do wcześniej zidentyfikowanych grup ryzyka, jak np. znani nosiciele chorób genetycznych lub kobiety rodzące po 37 roku życia. Opieka okołoporodowa ma zapewnić wczesne rozpoznanie i leczenie chorego dziecka tam, gdzie jest ono możliwe. Obciążone rodziny mogą również podjąć decyzję przerwania ciąży, jeżeli zostanie stwierdzona nieuleczalna genetyczna choroba płodu. Następnym istotnym elementem jest zagwarantowanie możliwości leczenia i rehabilitacji fizycznej oraz umysłowej w specjalnych zakładach lub w domu pod kierunkiem fachowego, specjalnie przeszkolonego personelu. Obserwacje zebrane w wielu krajach wskazują, że rehabilitacja chorych genetycznie przebiega sprawniej w omu niż w zakładach opieki. Rodziny mające genetycznie chore dzieci wymagają jednak nie tylko specjalnej opieki lekarskiej i ekonomicznej, ale także porad psychologicznych opartych na opiniach psychologa i socjologa. Rodziny te wymagają pomocy zarówno w ustawieniu własnej sytuacji życiowej, jak i w wychowaniu zdrowych dzieci. Często bowiem obecnośE w domu genetycznie chorego dziecka odbija się na rozwoju zdrowego rodzeństwa.
POiSUMOWANIE
Znajomość praw genetycznej regulacji procesów życiowych jest niezbędna do zrozumienia fizjolog i patolgii czlowieka. Lekarz musi nauczyć się "myśleć genetycznie", aby opanować teoretyczne podstawy x zastosowania genetyki w praktyce lekarskiej. Poza tą ogólną wiedzą każdy lekarz musi umieć identyfikować choroby genetyczne oraz osoby i rodziny ryzyka genetycmego, aby móc skierować chorych i ich rodziny po poradę genetyczną oraz do odpowiedniego specjalisty w celu uściślenia lub ustalenia właściwego rozpoznania oraz postępowania leczniczego. Szczególne znaczenie ma to w praktyce
23 pediatryanej, położniczej, neurologicznej, hematologicznej, dermatologicznej i ortopedycznej. Genetyka medyczna rozwija się szybko i coraz bardziej ulega zróżnicowaniu na takie podspecjalności, jak genetyka kliniczna, poradnictwo genetyczne, cytogenetyka, farmakogenetyka, immunogenetyka, genetyka biochemiczna, genetyka populacyjna, genetyka komórek somatycznych z uwzględnieniem mutagenezy i karcynogenezy, genetyka rozwoju, genetyka matematyczna i genetyka ilaściowa. Opanowanie całości niezbędnej wiedzy przekracza możliwości pojedynczej osoby i dlatego prawidłowa medyzna opieka genetyczna wymaga działań wielospecjalistycznego zespołu genetyków i przedstawicieli poszczególnych specjalności klinicznych. Dla zorganizowania właściwej opieki genetycznej konieczne jest zaangażowanie przedstawicieli specjalności ńiemedycznyeh (biologów, psychologów i socjologów) oraz paramedycznyeh. Do zrozumienia podstaw genetyki potrzebna jest znajomość mechanizmów przekazywania cech dziedzicznych i realizacji informacji genetycznej oraz zależnoś" tych zjawisk od interakcji z czynnikami środowiska. Zazwyczaj o genotypie wnioskuje się na podstawie fenotypu. Należy zdawae sobie sprawę, że wnioskowanie to jest ogranicone i zależne w dużym stopniu od rodzaju i dokładności wybranej metody opisu cech fenotypu. Ghorobami genetycznymi można nazwać odchylenia od stanu prawidłowego, przekazywane jako cecha dziedziczna z pokolenia na pokolenie lb powstałe de novo cechy związane żaburzeniami mechanizmów dziedziczenia. Choroby genetyczne występują często, stwierdza się je u co dziesiątego żywo urodzonego dziecka. 3/o żywo urodzonych wykazuje ciężkie upośledzenie genetyczne; l% ginie w pierwszym roku życia, a 2% wkracza z tym obciążeniem w drugi rok życia. Tabele od 1 do 4 podają wybrane dane o częstości chorób genetycznych. Co najmniej połowa poronień samoistmych i ok. 6% śmiertelności okołop-orodłowej wiąże się z chorobami genetycznymi. Częstość występowania chorób genetycznych nie oddaje obciążenia poszczególnych chorych osób, ich rodzin i społeczeństwa. Różnorodne próby liczbowych porównań obciążenia ohorobami genetycznymi dotyczą przede wszystkim skutków socjoekonomicznych. Próbowano określić skrócenie czasu życia, koszty strat produkcyjnych, koszty leczeńia i opieki ora względny wzrost ryzyka śmierci w poszczególnych grupach wiekowych. Brak jest miarodajnych sposobów liczbowego określenia obciążenia genetycznego. Podstawową formą opieki genetycznej jest identyfikacja rodzin i grup ryzyka genetycznego w celu objęcia ich działaniami lecznieymi, rehabilitaeyjnymi i profilaktycznymi. Rozpoznanie choroby genetycznej jest równoznaczne z identyfikacją rodziny ryzyka genetycznego. Rodzina ta powinna być poiformowana o ryzyku i uzyskać kompetentną poradę genetyczną. Nieudzielenie tej informacji i porady należy uważać za błąd w sztuce lekarskiej. II. Informacja genetczna
Krzysztof Boczkowski
Genetyka jest nauką o informacji genetycznej, o jej przekazywaniu do pw tomnych komórek oraz o ekspresji, czyli wyrażaniu się tej informacji. Genotypem nazywamy całą genetyczną informację osoby, a więc zspół wszystkich jej genów. Natomiast fenotyp człowieka określamy przez opis jego budowy ciała oraz właściwości biochemicznych, fizjologinych i psychicznych. Również liczba i kształty chromosflmów są cechami fenotypowymi i ich badanie cytologiczne jest w zasadzie badaniem jednej z cech fenntypu. Chromosomy zawierają jednak kwas dezoksyrybonukleinowy (DNA), w którym zapisana jest informacja genetyczna, stąd nadmiar chromosomów lub braki w ich składzie, jak również nieprawidłowości w ich budowie, wskazują na nadmiar lub braki w materiale genetycznym.
PIZZEKAZYWANIE INFORMACJI GrENETYCZNEJ KOMóRKOM POTOMNYM
Wszystkie komórki, z których składa się ustrój wyższy, powstały z jednej komórki, a mianowicie z zygoty, czyli zapłodnionego jaja. Mimo że komórki w ustroju wyższym są zróżnicowane w rozmaitych kierunkach i wyknnują rozmaite czynności, wszystkie one pod względem genotypu nie różnią się od komórki macierzystej, czyli zygoty. Cytogenetycznym dowodem genotypowej identyeności wszystkich komórek ustroju wyższeg jest ten sam zestaw chromosomów, a więc ten sam kariotyp, niezależnie od tego, czy mamy do czynienia z komórką tkanki łącznej, nabłonka czy jakiejkolwiek innej tkanki tego samego organizmu. Jednorodność genotypowa wszystkich komórek implikuje, że w procesie rozmnażania śię komórek muszą wchodzić w grę bardzo precyzyjnie działające mechanizmy, które z jednej strony zapewniają wierne powielanie materiału zawierająeego informację genetyczną, a z drugiej pozwalają na dokładny podział tego materiału dla dwóch komórek potomnych. Dzięki osiągnięciom współczesnej bioehem i genetyki wiadomo, że materiałem, w którym zapisana jest informacja o planie budowy i funkcji całego organizmu, jest kwas dezoksyrybonukleinowy (DNA). Prawie cały DNA znajduje się w chromosomach, w jądrze komórki, gdzie jego ilość podwaja się w procesie syntezy, zwanym replikacją DNA. Proc ten przebiega w okresie międzypodziałflwym jąra komórkowego. Rozdzielenie chromatyd, a więc materiału genetycznego, na dwie komórki potomne zachodzi w wyniku procesu, który jest dostrzegalny dla morfologa
2 i opisywany jako mitoza. W procesi2 tym występuje znaczna kondensacja chromatyny, w wyniku czego możemy obserwować ehromosomy mitotyczne. W procesie mitozy dochodzi do rozszezepienia chromosomów wzdłuż, a później do rozejścia się ich do biegunów komórki, gdzie zaczyna się wykształcanie dwóch nowych jąder k:omórkowych. Mitoza jest procesem, który zapewnia dokładny podział materiału genetycznego, w wyniku czego powstają dwie komórki o identycznym genotypie. Mitoza, którą rnożna badać metodami morfologicznymi, stanowi dla badacza jedyną fazę w cyklu życiowym komórki, w której możliwa jest obserwacja liczby i kształtu chromosomów oraz ewentualnyeh zaburzeń, czyli aberracji chromosomalnych. Z tych względów, głównym materiałem badawezym cytogenetyki są chromosomy w metafazie, a więc w tym okresie, w którym nie uległy one jeszeze rozszezepieniu i rozejściu się do komórek potomnych. Liczba chromosomów jest stała dla danego batunku. Korzxórki somatyczne człowieka mają ich 46 - jest to tzv. liczba diploidalna. Natomiast liczba haploidalna, która występuje w dojrzałych komórkach płciowych (gametaeh), vynosi 23. Każdy chromosom ma centromer, znajdujący się w tzw. przewężeniu pierwotnym, będący wyspecjalizowanym obszarem związanyrn z przemieszezeniem chromosomów potomnych do biegunów wrzeciona kariokinetycznego (podziałowego). Niektóre chromosomy mają również dodatkowe przewężenia wtórne, z których jedno będące miejscem wytwarzającym jąderko - nazywane jest organizatorem jąderka, gdzie wytwarzane s cząsteczki rRNA i formowane podjednostki rybosomów.
Centromer
Ryc. 1. Ogólny sehemat budowy chromosomu ludzkiego: a - w metafazie chromosom składa się z dwóch chromatyd połączonych centromerem: b - w czasie anafazy w wyniku prawidłowego podłużnego podziału eentromeru następuje rozejście się chromatyd.
Po takiej ogólnej eharakterystyce należy opisać bliżej od strony rnorfologieznej tzw. okres spoczynkowy jądra komórkowego oraz mitozę i chromosomy mitotyczne, gdyż właśnie morfologia mitotycznych chromosomów stanowi podstawowy materiał badawezy cytogenetyki (ryc. 1).
I N T Eft FAZA
Cykl życiowy komórki możemy podzielić na dwie główne fazy --- interfazę oraz mitozę lub mejozę (ryc. 2). Interfazę nazywano również stanem spoeynku, gdyż nie zachodzą wtedy w komórce widoczne zmiany charakterystyczne dla mitozy i pozostaje ona optycznie ńiezmienrona. Jest to jednak faza bardzo istotna dla życia komórki, gdyż jej cytoplazma różńicuje się wtedy i spełnia swe swoiste funkeje, a jądro komórkowe przygotowuje się do podziału. W interfazie zachodzi bowiem podwojenie iloci DNA w chromosmach, tzw. replikacja DNA, w czasie której, po rozwinięciu i rożdziale dwóch łańcuchów, podwójna spirala zostaje odtworzona przez dobudowanie komplementarnego łańcucha. Możemy ten proces uwidocznić za pomocą specjalnych metod barwienia, jeśli komórki były hodowane w środowisku zawierającym bromodezoksyurydynę (BrdU), będącą analogiem tyminy. Badanie takie wykazuje również wzajemną wymianę siostrzanych chromatyd, której częstość wzrasta w niektórych zespołach chorobowych, zwłaszeza w tych, które predysponują do procesów nowotworowych. Na przykład w zespole Blooma częstość wymiany siostrzanych chromat.yd jest dziesięć razy większa niż normalnie.
b \ Interfaza / \ / \ / Profazn to M;toza AnatoZa _ Metnfaza
Ryc. 2. Sehematyczne przedstawienie interfazy i mitozy. Pod koniec mitozy w telofazie chromosomy składają się z pojedynezych chromatyd. W kresie interfazy następuje podwojenie ilości DNA w chromosomach; na początku następnej mitozyw profazie - chromosomy składają się z dwóch chromatyd. Długości poszezególnych odcinków koła nie są proporejonalne do czasu, gdyż w rzc:czywistości okres trwania interfazy jest dłuższy od okresu trwania mitozy (wg Suttona - modyfikacja).
Tak więc w interfażie każdy z chromosomów przygotowuje się do mającej wkrótce nastąpić mitozy. Chemiczny proces - replikacja DNA - zachodzi więc na pewien czas przed ostatecznym podziałem ehromosomu na dwie siostrzane ehromatydy, co odbywa się dopiero w czasie mitozy. Ponieważ w czasie interfazy chromosomy nie są w stanie skondensowanym, jak w czasie mitozy, są one niewidoczne lub widoczne bardzo słabo.
lPRZEBIEG bllTOZY
W przebiegu podziału mitotycznego wyróżniamy eztery fazy: 1) profazę lub fazę przygotowawcą, 2) metafazę, 3) anafazę i 4) telofazę (ryc. 3). Profaxa. Pierwszą zapowiedzią podziału mitotycznego są zmiany v cytoplazmie. Zanika mianowicie dotychezasowy centrosom, gdyż znajdujące się w jego obrębie dwie centriole, ktbre dotychezas leżały blisko siebie, zaczynają oddalać się od siebie i wędrują na bieguny komórki. Każda z centrioli na bie
? Profaza Metafaza
r r,afaza i elofaza
Ryc. 3. Schemat przedstawiający podział mitotyczny na przykładzie ezterech chromosomów. Kolejne stadia mitozy: profaza, metafaza, anafaza, telofaza (wg Thompsona i Thompson - modyfikacja).
gunach komórki otacza się tzw. centrosferą i w ten sposób powstają dwa nowe centrosomy. Od każdego z centrosomów rozchodzą się promieniście cytoplazmatyczne włókienka, z których w następnej fazie utworzy się wrzeciono kariokinetyczne (podziałowe). Równocześnie ze zmianami w cytoplazmie zaczynają się zmiany w obrębie jądra, które polegają na zagęszczaniu się chromatyny jądrowej. W procesie tym tworzą się nici chromatynowe, które zaczynają zagęszczać się i wewnątrz jądra pojawiają się chromosomy, wyglądające jak splątany klębek nici. Pod koniec profazy wyodrębniają się poszczególne chromosomy oraz zanika błona jądrowa. Metafaza. W stadium metafazy chromosomy kurczą się naclal i izlsładają się v płaszczyźnie rówńiko - ej komórki, a więc w jednakowej odległości od bieg,znów. Taki układ chromosomów nazywamy płytką równikową. Równocześnie do centromerów chromosomów przyczepiają się nici wrzeciona kariokinetycznego. Metafazą n.azywamy więc krótki okres, - którym chromosomy znajdują się w płaszczyźnie równikowej. adania mikroskopowe dzielącycls się komórek człowieka wykazaly, żc stadium metafazy trwa ok. 30 minut. Ponieważ w metafazie chromosomy znajdują się w stanie konden:;acji, są one wtedy najłatwiejsze do obserwacji i policzenia, jak również można określić ich charakterystyczny kształt (ryc. 4). Dlatego chromosomy mitotyczne badamy w metafazie; a w celu zaś zatrzymania ich w tym stadium działamy kolchicyną, która uszltadzając wrzeciono kariokinetyczne, uńiemożliwia przejście do anafazy. Ogólny schemat budowy chromosomu ludzkiego w stadium metafazy przedstawiono na rycinie I. Chromosom składa się z dwóch chromatyd połączonych centromerem. Hyc. 4. Mitoza. Chromosomy krwinki białej w stadium metafazy. Widoczne 46 chromosomów. Strzałkami zaznaczone często obserwowane w czasie metafazy wspólne ułożenie obok siebie chromosomów akrocentrycznych mających tzw. asocjacje satelitarne. Pow. 1000 X.
Anafaza. Chromatydy każdego chromosomu odsuwają się coraz bardziej od siebie i z chwilą, gdy następuje podłużny podział centromeru, rozdzielają się całkowicie. Siostrzane chramatydy są przesuwane przez nici wx'zeciona kariokinetycznego (zaczepione na centromerze) w kierunku przeciwległych centrosomów. Każdy z chromosomów rozszezepił się więc 4statecznie na dwie chromatydy i jedna z nich wędruje do jednego bieguna komórki, druga do drugiego. Dotyrzy to wszystkich chromosomów. W wyniku tego procesu na każdym biegunie znajduje się połowa materiału genetycznego każdego z chromosomów, gdyż na każdym biegunie znajduje się 46 siostrzanych chromatyd. Od tego mnmentu chromatydy siostrzane nazywamy chromosomami siostrzanymi. Telofaza. W telofazie dwie grupy siostrzanych chromosomów zostają otoczone błoną jądrwą, zachdzą również zmiany w błonie komórkowej, które prowadzą do podziału cytoplazmy na dwie części. Powstają dwie komórki; każda z nich, podobnie jak komórka macierzysta, zawiera 46 chromosomów, lecz każdy z tych chromosomów w odróżnieniu od komórki maeierzystej składa się nie z dwóch, lecz tylko z jednej chromatydy i - co za tym idzie - zawiera jedynie połowę tej ilości DNA, którą zawierał chromosom macierzysty. Ponieważ jednak już przed rozpoczęciem mitozy, w wyniku syntezy DNA, nastąpiło podwojenie DNA chromosomalnego, komórki potomne, które wykształcają się w telofazie, zawierają ilość materialu genetycznego równą wartości diploidalnej.
PRZEBIEG MEJOZY
Proces zapłodnienia polega na połączeniu się materiału genetycznego dwóch gamet - plemnika i jaja; tak więc w zapłodnionym jaju, czyli w zygocie, sumuje się materiał chromosomalny rodziców. Liczba chromosomów w zygocie jest wprawdzie dwukrotnie większa niż w gametach, zachowuje jednak
29 stałą dla gatunku wartość rliploidalną, ponieważ w procesie dojrzewania gamet doszlo do zredukowania liczby chromosomów do połowy. Taka połówkowa wartość garnituru chromosomowego nazywa się wartością haploidalną. Zmniejszenie się do połowy liczby chromosomów i ilości materiału genetycznego (DNA) zachodzi w komórkach płciowych w czasie dwóch kolejnych sprzężonych ze sobą podziałów, zwanych podżiałami redukcyjnymi albo mejozą. Mejozą nazywamy dwa sprzężone ze sobą podziały komórkowe, w wyniku których powstają komórki płciowe o zredukowanej do połowy liczbie chromosomów, czyli gamety, oraz dokonuje się wymiana materiału genetycznego między homologicznymi chromosomami.
Spermatogeneza i oogncza
fomórki płciowe przechodzące proces mejotyczny nazywają się u kobietooeytami, a u mężczyzn - spermatocytami. Powstają one z oogonii i spermatogon na skutek podziałów mitotycznych. Spermabogonie i oogonie rozmnażają się kilkakrotn"e za pomocą zwykłych podziałów mitotycznych i mają diploidalną, nie zredukowaną liczbę chromosom"w. Spermatogonie przystępujące do podziału mejotycznego noszą nazw spermatocytów I rzędu, a oogonie - oocytów I rzędu. W wyniku I podziału mejotycznego ze spermatocytu I rzędu powstają dwa spermatacyty II rzędu, natomiast z oocytu I rzędu powstaje oocyt II rzędu i pierwsze ciałko kierurikowe. W wyniku I i II podziału mejotycznego powstają 4 spermatydy (które następnie dojrzewają i stają śię plemnikami) albo jedna dojzzała komórka jajowa i 3 ciałka kierunkowe. Różnica między spermatogenezą a oogenezą polega na tym, że w spermatogenezie podział cytoplazxny jest symetryczny i wszystkie spermatydy są jednakowej wielkości, natomiast w wyniku oogenezy powstaje duża komórka jajowa, która pz2ejmuje prawie całą cytoplazmę i zawarte w niej substancje odżywcze, natomiast 3 ciałka kierunkowe są małe i wkrótce wyrodnieją. Istotny jest również fakt, że oogeneza rozpoczyna się już w czasie życia plodowego, a kończy dopiero w okresie owulacji, tak więc jej czas trwania obejmuje od kilkunastu do kilkudziesięciu lat, natomiast spermatogeneza dokonuje się dopiero w okresie dojrzałości płciowej mężczyzny i trwa 74 dni. Dlugotrwały przebieg oogenezy jest, jak się przypuszcza, jedną z zasadniczych przyczyn tłumaczących częstsze występowanie aberracji chromosomalnych w komórkach płciowych starych kobiet w porównaniu z komórkami płciowymi starych mężczyzn, co znajduje swój wyraz w częstszym występowaniu ,berracji chromnsomlnych u dzieci staryeh matek.
Pierwszy podzia mejotyczny
Pierwszy podział mejotyczny zaczyna się od dlugo trwającej profazy, która różni się znacznie 4d profazy mitotycznej i dla lepszego jej opisania końieczne jest wyodrębnienie kilku stadiów (ryc. 5). W czasie profazy zachodzi charakterystyczna i istotna dla procesu dziedziczenia wymiana materiau genetycznego pomiędzy homologicznymi chromosomami, zwana crossing-over.
W profazie I podziału mejotycznego wyróżniamy następujące stadia: 1) leptoten, 2) zygoten, 3) pachyten, 4) diploten i 5) diakine2ę. W leptotenie ze zrbu jądrowego wyróżnicowuja się chromosomy w potaci bardzo Gienich, spltanych nici.
30 W zygotenie chromosomy homologiczne zbliżają się i układają obok siebie. Należy przypomnieć tutaj, że w garniturze diploidalnym chromosomy pochodzące od matki i ojca tworzą pary ściśle odpowxadających sobie chromosomów, zwanych chromosomami homologicznymi. Homologiczne chromosomy, łączące się samorzutnie w pary, nazywamy biwalentami. W pachytenie homologiczne chromosomy wybitnie rubieją i zbliżają się, przylegając do siebie na całej swej długości. W diplotenie zaznacza się już wyraźnie rozszezepienie każdeo z chromosomów homologieznych na dwie chromatydy, tak że każda para chromosomów (biwalent) składa się już z 4 wyraźnych chromatyd; taki układ nazywamy tetradą. hromatydy stają śię coraz bardziej wyraźne i oddalają się od śiebie, pozostając z sobą w łącznnści w dwu lub kilku miejscach, gdzie dwie chromatydy homologicznych chromosomów krzyżują się ze śobą. Te miejsca styków i skrzyżowań nazywamy chiazmami. W chiazmaeh następuje wzajemna wymiana odpowiadających sol7ie odcinków pomiędzy homologicznymi chromosomami, czyli crossing-over (ryc. 6). Po wymianie materiału genetycznego chromosomy homologiczne nie są już jednoznacznie chromosomami matezynymi lub ojcowskimi, gdyż każdy zawiera geny zarówno ojcowskie, jak i matezyne. Ostatńie stadium profazy mejotyeznej stanowi diakineza. W diakinezie chromośomy stają się jeszeze krótsze i przygotowują śię do metafazy I podziału dojrzewania (ryc. 7). W metafazie tetrady układają się w środku wrzeciona kariakinetycznego, ktbrego nici przyGzepiają się do centromerów każdego z chromosomów. W odróżnieniu d metafazy mitotycznej podezas metafazy mejotycznej nie dochodzi do rozszezepienia chromosomów na chromatydy, lecz chromoomy rozehodzą się w całości. Spośród każdej pary homologicznych chromosomów jeden chromosom wędruje do jednego bieguna, drugi zaś do przeciwległego bieguna, przy czym wybór biegunów przez pośzezególne chromosomy dokonuje się losowo. W anafaie na każdym biegunie komórki grupują się chromosomy, z których jedne mają centromery pochodzące od matki, inne zaś - od ojca. W telofazie po skońezonej wgdrówce chromosomów zaczynają się tworzyć jądra i dżieli się cytoplazma. Powstają dwie potomne komórki o zredukowanej liczbie chromosomów. W proeesie spermatogenezy powstają dwa spermatocyty II rzędu, w oogenezie jeden oocyt II rzędu i jedno ciałko kierunkowe. Różnica między podziałem mitotycznym a I podziałem mejotycznym polega na tym, że w wyniku podziału mitotycznego powstają dwie komórki, które, podobnże jak komórka macierzysta, mają u człowieka 4s chrnmosomów a każdy z nich składa śię z jednej tylko chromatydy. W wyniku I podziału mejotyeznego pnwstają dwie komórki, każda z nich ma 23 chromosomy, z których każdy składa się z dwóch chromatyd. Istotna różnica genetyczna polega na tym, że w wyniku podziału mitotycrnego pnłowa każdego z chromosomów dzielącej śię komórki przeszła do komórek potomnych i dzięl;i temu mają one tę samą informację genetyczną co komórka, z której powstały. Natomiast w czasie I podziału mejotycznego nastąpiła wymiana odcinków mżędzy homologicznymi chromosomami, a do potomnych komórek przeszedł w eałości losowo jeden z każdej pary homologiczzzych chromosomów. Tak więc dwie nowo powstałe komórki płciowe (np. dwa spermatncyty II rzędu) różnią się pod ,vzględem informacji genetycznej zarówno w stosunku do komórki macietystej, jak i,pomżędzy sob.
31 I podz iał mejotyczny
Lptoten Z ygoten
Pachyten Diptoten
Metafaza
Anafaz
Tetofaza
Ryc. 5
32 II podziat mejotyczny
, Metafaza
Anafaza
Telotazo
Ryc. 5. Schemat przedstawiający podział mejotyczny na przykładzie 4 chromosomów: I - pierwszy podział mejotyczny: a - leptoten, zygoten, pachyten, diploten (widoczne crossing-over); b - metafaza, widoczne dwie pary homologicznych chromosomów (dwa biwalenty); anafaza, widoczne losowe rozejście się centromerów (chromosomów) pochodzących od matki i ojca; II - drugi podział mejotyczny: metafaza, anafaza, telofaza (wg Thompsona i Thompson - modyfikacja).
Drugi podział mejotyczny
Bezpośrednio po I podziale mejotycznym, to znaczy bez interfazy i bez syntezy (replikacji) DNA, następuje drugi podział mejotyczny, którego mechanizm i przebieg jest taki sam jak w mitozie. W profazie II podziału mejotycznego chromosomy ujawniają się jako złożone z dwóch chromatyd. W metafazie chromosomy ustawiają się w płaszezyźnie równikowej. a w anafazie chromatydy każdego z chromosomów rozłączają się i rozchodzą do przeciwległych biegunów komórki. Po podziale jądra następuje podział cytoplazmy.
3 - Zarys genetyki 3 W wyniku mejozy otrzymujemy w sperznatogenezie cztery spermatydy, a w oogenezie jedno jajo i trzy ciałka kierunkowe. Dwa podziały mejotyczne są często nazywane podziałami redukcyjnymi. Po- dział pierwszy redukuje do połowy liczbę chromosomów w komórce, podział drugi redukuje do połowy liczbę chromatyd; oba zmniejszają ilość DNA.
Genetyczne znaezenie mejozy
Podczas mejozy komórki płciowe przekształcają się w gamety, które mają połowę chromosomów oraz połowę informacji genetycznej komórki somatycznej danego gatunku. Połączenie się gamet w zygotę daje w wyniku powrót do właściwej dla danego gatunku liczby chromosomów. Crossing-over zachodzące w profazie 1 podziału mejotycznego polega na wymianie odcinków pomiędzy homologicznymi chromosomami. W wyniku cros
A A a a A A a a A A a aB B b b B B b b B B b b C C c c C C c c C C c c D d D d D d D d D d D d
Ryc. 6. Schemat crossing-over: a - pojedyncze crossing-over, b --podwójne crossing-over, c - kilkakrotne crossing-over (wg Suttona).
34 Ryc. 7. Prawidłowy przebieg mejozy. Chromosomy spermatocytu w diakinezie I podziału mejotyczego. Poszczególne homologiczne chromosomy tworzą biwalenty. Widoczne 23 biwalenty. Biwalent płciowy XY (zaznaczony strzałką) w odróżnieniu od biwalentów autosomalnych wykazuje połączenie "koniec z końcem".
sing-over każdy z chromosomów ma część informacji genetyeznej każdego z homologicznych chromosomów, a więc pochodzących od ojca i matki. Ponieważ w anafazie I podziału mejotycznego do każdego z biegunów przechodzą centromery (chromosomy) pochodzące bądź od ojca, bądź od matki, informacja genetyczna komórek potomnych jest mieszaniną informacji genetycznych zawartych pierwotnie w poszczególnych chromosomach pochodzących od obojga rodziców. Tak więc zarówno crossing-over, jak i losowe rozejście się homologicznych chromosomów do biegunów umożliwia wymieszanie się informacji genetycznej ojca i matki. Powoduje to, że każdy plemnik i każda komórka jajowa są cdmienne i że żadna nie jest kopią informacji genetycznej komórki płciowej, z której powstała. Daje to ogromną zmienność genotypów i powstawanie niepowtarzalnych kombinacji genetycznych w każdej gamecie, a co za tym idzie w zygocie, w następstwie zaś rozwój osobnika o niepowtarzalnym, właściwym tylko jemu genotypie.
PORbWNANIE MITOZY I MEJOZY
Przekazywanie informacji genetycznej komórkom potomnym odbywa się zarówno w czasie mitozy, jak i mejozy. Te dwa procesy różnią się jednak zasadniczo co do funkcji genetycznej, jaką spełniają. W czasie mitozy komórki potomne otrzymują identyczną informację genetyczną jak komórka macierzysta, istotą bowiem tego procesu jest powstanie komórek identycznych w stosunku do komórki macierzystej (ryc. 3). W wyniku mejozy powstają natomiast gamety o zredukowanej do połowy liczbie chromosomów i cztery razy mniejszej ilości DNA w stosunku do spermatocytów lub oocytów I rzędu. Ich informacja genetyczna jest odmienna od tej, jaką zawierała komórka macierzysta (ryc. 8), i z chwilą połączenia się z informacją genetyczną gamety płci odmiennej powstaje całkowicie nowa, niepowtarzalna informacja genetyczna nowego osobnika.
35 5 G2 M AB G, 1 r 6 ab
AB 6, ab 62 i 5 Gz M, Mz Ab 6,z Ab 6 A B 0 Ab 6,iz Ab aB 6zii a B 6z a b 6z,i
; aB 6"" c,B
Ryc. 8. Schematyczne porównanie podziału mitotycznego i mejotycznego, na przykładzie pary chromosomów nr 6 oraz alleli A, a i B, b. Rekombinacja chromatyd w wyniku utworzenia chiazm w przebiegu pierwszego podziału mejotycznego, zaznaczona dwiema liniami kropkowanymi. V wyniku mitozy powstają dwie komórki potomne - o identycznym genotypie, w wyniku mejozy - cztery komórki potomne o odmiennych genotypach. G1 - faza pomitotyczna albo przedsyntetyczna, Sfaza syntezy DNA, GQ - faza posyntetyczna albo przedmitotyczna, M - mitoza, M1 - pierwszy podział mejotyczny, M - drugi podział mejotyczny.
CHEMICZNY SKŁAD CHIZOMOSOMÓW I IOLA DNA Chromosomy pod względem chemicznym składają się z dwóch zasadniczych substancji: kwasu dezoksyrybonukleinowego (DNA) oraz histonu (białko). Te dwie substancje, występujące mniej więcej w tej samej ilości, tworzą ok. 90/o suchej masy chromosomów. Pozostałe 10% to kwas rybonukleinowy (RNA) oraz białka niehistonowe.
T a b e 1 a 5. Skład kwasów nukleinowych - RNA i DNA
FPFPF F I I I I I A G T C C II II II II II T C A G G I I I I I PFPFPFP - PF
A T T- A T---A
C G C CG AGACTC G AGACTC C A G A C T C G A G A T C T G A G C T C T G A G C ł ł T CT GAGC T CT CG T AGACTCGAGACTCG C T CT GA G C T CT GA G C
Ryc. 9. a - model DNA zaproponowany przez Watsona i Cricka, skladający się 2 dwóch helis; b - schematyczne przedstawienie tańcucha DNA składającego się z dwóch pasm, których zasadniczy szkielet stanowi pentoza (P) oraz fosforan (F), natomiast adenina i tymina oraz cytozyna i guanina leżą pomiędzy tymi pasmami; c - cząsteczka DNA oraz jej replikacja przedstawiona w dolnej części ryciny. Z wraca uwagę ułożenie adeniny naprzeciw tyminy oraz guaniny naprzeciw cytozyny. W wyniku replikacji powstają dwa identyczne tańcuchy DNA; d - schematyczne przedstawienie replikacji DNA.
37 Kwas dezoksyrybonukleinowy (DNA) i kwas rybonukleinowy (RNA) są złożone z nukleotydów, które w wyniku hydrolizy rozpadają się na zasadę azotową (pirymidynę - cytozynę lub uracyl albo purynę) - adeninę lub guaninę, cukier (pentozę) i kwas fosforowy. Nukleotydy są więc estrami fosforanowymi N-glikozydów zasad azotowych. Stwierdzano występowanie czterech zasad azotowych i dlatego sądzono dawniej, że cztery nukleotydy tworzą jedną cząsteczkę kwasu nukleinowego. Obecnie wiadomo, że jedna cząsteczka kwasu nukleinowego zawiera wiele nukleotydów, a istnienie sekwencji (kolejności) nukleotydów w łańcuchu DNA stwarza możliwość powstania praktycznie nieograniczonej zmiennośći w budowie DNA. RNA, podobnie jak DNA, zbudowany jest z nukleotydów. Różnica między obu kwasami polega na radzaju pentozy wchodzącej w skład nukleotydów - w RNA jest to ryboza, a w DNA dezoksyryboza; ponadto w RNA zamiast tyminy występuje uracyl (tab. 5). RNA składa się z jednego łańcucha, natomiast DNA - z dwóch. Watson i Crick (1953) wykazali, że cząsteczka DNA jest zbudowana z dwu łańcuchów polinukleotydowych owiniętych wokół wspólnej osi i tworzących podwójną spiralę. Spirala ta jest utrzymywana wiązaniami wodorowymi pomiędzy zasadami obu pasm. Wiązania te występują jedynie między adeniną (A) a tyminą (T) oraz guaniną (G) i cytozyną (C) (ryc. 9). Ten swoisty wzór tworzenia się wiązań wodorowych warunkuje komplementarność sekwencji nukleotydów w łańcuchach DNA tworzących podwójną spiralę. Liczne spostrzeżenia i badania doświadczalne wykazały, że DNA jest substancją, w której jest zakodowana informacja genetyczna. DNA występuje prawie wyłącznie w jądrze, a ilość DNA w każdej komórce diploidalnej w obrębie tego samego gatunku jest stała. W komórkach haploidalnych ilość ta ulega redukcji do połowy. DNA jest obecny w każdym żywym organizmie z wyjątkiem niektórych wirusów (u wirusów tych stwierdza się obecność RNA i w nim zapisana jest informacja genetyczna). DNA jako przenośnik informacji genetycznej ma dwie zasadnicze funkcje. Po pierwsze w jego budowie zakodowany jest zapis genetyczny określający syntezę specyficznych białek, a po drugie ma on zdolność samopowielania, czyli odtwazzania podczas syntezy swych wiernych kopii, co znajduje odzwierciedlenie w replikacji chromosomów. Zdolność do replikacji, którą ma DNA, jest podstawową cechą materii ożywionej. Chemiczna replikacja materiału chromosomowego oraz fizyczne rozdzielenie się dwóch chromosomów potomnych stanowią dwa odrębne procesy. Replikacja dokonuje się w czasie interfazy - w wyniku syntezy DNA, natomiast rozdzielenie się chr4mosomów potomnych zachodzi w czasie podziału komórki.
ItEALIZACJA INFOftMACJl GENETYCZNEJ
Przez pojęcie informacji genetycznej rozumiemy swoisty zapis cech dżiedzicznych ustroju w budowie chemicznej cząsteczki, która jest podłożem zjawisk dziedziczności. Liczne badania wykaały, że istnieje podstawowy związek pomiędży metabolizmem a dziedzicznością. Swoiste, dziedzicznie przekazywane cechy metabolizmu zależą od białek o właściwściach enzymatycznych. Funkcja biologiczna tych białek zależy od swoistej i niepowtarzalnej sekwencji wchodzących w ich skład aminokwasów. Związek hemiczny, w którym byłaby "zakodowana" informacja o sekwencji aminokwasów w białkach, byłby więc nośnikiem cech dziedzicznych rganizmu.
38 T a b e 1 a 6. Hod genetyczny. Trójki nukleotydów mRNA odpowiadające poszcze- gólnym aminokwasom
Litera w pozycji Druga pozycja Trzecia pierwszej U G pozycja
U Fen Ser Tyr Cys U Fen Ser Tyr Cys C Leu Ser stop stop A Leu Ser stop Try G C Leu Pro His Arg U Leu Pro His Arg C Leu Pro Gln Arg A Leu Pro Gln Arg A Ile Tre Asn Ser U Ile Tre Asn Ser C Ile Tre Liz Arg A Met* Tre Liz Arg G Wal Ala Asp Gli U Wal Aln Asp Gli C Wal Ala Glu Gli A Wal Ala Glu Gli G
Skróty aminokwasów:
Ala - alanina Glu - kwas glutaminowy Arg - arginina Gli - glicyna Asn - asparagina His - histydyna Asp - kwas asparaginowy Ile - izoleucyna Cys - cysteina Leu - leucyna Fen - fenyloalanina Lys - lizyna Gln - glutamina Met - metionina
Pro - prolina Ser - seryna Thr - treonina Try - tryptofan Tyr - tyrozyna Wal - walina stop - przerwanie syntezy łańcucha *AUG - rozpoczęcie syntezy Skrbty nukleotydów zawierających: A - adeninę, C - cytozynę, G - guaninę, Uuracyl.
Badania doświadczalne wykazały, że funkcję taką spełnia właśnie DNA. Cztery rodzaje nukleotydów stanowią znaki kodu genetycznego. Trzy przylegające do siebie nukleotydy tworzą podstawową jednostkę kodu - tzw. kodon, którego informacja przekazana na kodon mRNA (tab. 6) powoduje włączenie określonego aminokwasu w określone miejsee łańcucha polipeptydowego. Wiele aminokwasów kodowanych jest przez więcej niż jeden kodon. Okre= ślamy to niezbyt fortunnie, mówiąc, że kod genetyczny jest "zdegenerowany". Tak na przykład fenyloalanina kodowana jest zarówno przez UUU, jak i przez UUC, a kodonami dla seryny są UCU, UCC, UCA, UCG, AGU i AGC. Istniejące obecnie dane wskazują, że kiedy dwa pierwsze nukleotydy są identyczne, a trzecim jest uracyl lub cytozyna, to w obydwu przypadkach kodowany jest ten sam aminokwas. Często również adenina i guanina mogą być tak samo zamienione. Zjawisko.,degeneracji" nie ogranicza się jednak tylko do równoważności nukleotydów występujących na trzecim miejscu. Wydaje się np., że leucyna może być kodowana zarówno przez UUA i UUG, jak i przez CUU, CUC, CUA i CUG. "Degeneracja" kodu, a zwłaszcza wystgpująca często na trzecim miejscu równoważność cytozyny i uracylu oraz guaniny i adeniny, pozwala zrozumieć fakt, że różna częstość ich występowania, stwierdzana u odmiennych orga
39 nizmów, nie powoduje większych zmian w składzie aminokwasowym białek. Z kolei zaś analiza swoistych białek nie wykazała korelacji między składem aminokwasów a miejscem danego organizmu na drabinie ewolucyjnej. Funkeję przenośnika informacji genetycznej spełnia tzw. informacyjny kwas rybonukleinowy, syntetyzowany na matrycy DNA i dzięki temu komplementarny w składzie zasad do transkrybowanej nici DNA. Informacyjny kwas rybonukleinowy, zwany również matrycowym RNA (ang.: messenger - posłańcowy RNA - mRNA), przenosi więc informację genetyczną z DNA jądra komórkowego do cytoplazmy (ryc. 10).
Ryc. 10. Schematyczne przedstawienie transkrypcji (przepisania) informacji genetycznej na nić mRNA, a następnie translacji (przetłumaczenia) jej na sekwencję aminokwasów w procesie tworzenia białka.
Poza mRNA w syntezie biorą udział dwie inne frakcje kwasu rybonukleinowego : przenośnikowy (ang. : transfer RNA - tRNA) oraz rybosomalny RNA (rRNA). Gdy zaczyna się aktywacja genu, wówczas dwa łańcuchy DNA rozdzielają się. Jeden z nich służy jako matryca, na której zaczyna syntetyzować się nić mRNA, która jest komplementarna (dopełniająca) w stosunku do przepisywanej nici DNA. Informacja strukturalna zawarta w DNA zostaje przepisana na nić mRNA; nazywamy to transkrypcją (ryc. 10). Następnie z jądra komórki mRNA przechodzi do cytoplazmy, gdzie łączy się z rybosomami, tworząc tzw. polisomy, które są miejscem syntezy białka. W cytoplazmie znajdują się wolne aminokwasy; stwierdzono istnienie 20 różnych aminokwasów. Aminokwasy ulegają aktywacji i tworzą przejściowy związek z przenośnikowym RNA (tRNA). Rola tRNA polega na związaniu określonego wolnego aminokwasu (stąd tyle rodzajów tRNA, ile rodzajów aminokwasów w białkach) i przeniesieniu tego aminokwasu na odpowiednie miejsce na matrycy mRNA - przy czym odbywa się to od odcinka 5' do odcinka 3' (określanych tak zależnie od tego, czy reszta kwasu fosforowego w nukleotydach jest związana z pentozą w pozycji C5 czy C3). Nazywamy to translacją, tzn. przekładem informacji genetycznej z sekwencji zasad purynowych i pirymidynowych na sekwencję aminokwasów. Ułożone obok siebie
ł'w odpowiedniej sekwencji aminokwasy łączą się między sobą, dając w wyniku eząsteczkę speeyficznego białka, w którym sekwencja aminokwasów jest określona przez mRNA, a pośrednio przez DNA jądra komórkowego (ryc. 11). Przeważająca większość genów składa się z segmentów kodujących określone aminokwasy - nazywanych egzonami, oraz z segmentów nie kodujących aminokwasów - nazywanych sekwencjami interweniującymi lub intronami (INT). Funkcja intronów nie jest jeszcze poznana. Pierwotny mRNA, podobie jak DNA, zawiera introny, jednak przed przejściem z jądra do eytoplazmy, mRNA ulega modyfikacji - przez dodanie w miejscu 5 tzw. struktury ,CAP oraz w miejscu 3 reszt kwasu adenilowego (AAAA) (ryc. 12).
Egzony
5' 3' NT NT
- fny mRNA 5' 3' 'tona jqdrowa CAP AAAA
Ryc. 12. Przejście mRNA z jądr CAP AAAA do cytoplazmy i jego modyfikacja (wg Connora i Ferguson'Otuterzny m RNA CAP AAAA -Smitha).
O ile regulacja syntezy białek została dobrze pznana u bakterii, u których wyodrębniono geny strukturalne i regulujące, o tyle u wyższych organizmów proces ten nie jest do tej pory wyjaśniony. Wiadomo jedynie, że geny strukturalne wyznaczające budowę polipeptydów tworzących określone białko są zazwyczaj zlokalizowane obok siebie, lecz nie jest to regułą.
lVfUTACJE
Proees replikacji DNA, zapewniający identyczną informację komórkom potomnym, jest zwykle absolutnie dokładny, lecz niekiedy może zdarzyć się błąd - nazywany mutacją (tab. 7). Mutacja taka jest następnie powtarzana w czasie kolejnych replikacji danego łańcucha DNA. Trzy podstawowe typy mutacji to: mutacja punktowa, insercja (wstawienie), delecja (ubytek). O mutacji punktowej mówimy wówczas, gdy następuje zmiana jednej zasady azotowej na inną zasadę azotową. W wyniku - mogą nastąpić dwa rodzaj e mutacj i : 1. Mutacja zmiany sensu występuje, gdy jeden kodon oznaczający aminokwas zostanie zamieniony na drugi kodon, również oznaczający jakiś aminokwas. Mogą tu zachodzić dwie możliwości: albo powstały w wyniku mutacji nowy kodon jest synonimowy z kodonem przed mutacją i wtedy w składzie aminokwasowym polipeptydu nie zajdzie żadna zmiana, albo też kodon powstający w wyniku mutacji oznacza odrębny aminokwas i wtedy w polipeptydzie następuje w określonym miejscu substytucja aminokwasowa. 2. Mutacja typu nonsens, gdy kodon sensowny oznaczający jakiś aminokwas zostanie zamieniony na jeden z kodonów nonsensownych (terminacyjnych)nie oznaczających żadnego aminokwasu, a stanowiących sygnał zakończenia translacji. Wtedy zamiast polipeptydu kodowanego przez dany gen powstaje krótszy, w zależności od miejsca mutacji, fragment polipeptydu.
42 T a b e 1 a 7. Przykłady mutacji DNA (wg Connora i Ferguson-Smitha)
Kodony DNA Aminokwasy Komentarz CAA TTC CGA CGA wal-lys-ala-ala Normalna sekwencja CAA TTT CGA CGA wal-lys-ala-ala Mutacja punktowa bez zamiany aminokwasu CAA CTC CGA CGA wal-glu-ala-ala Mutacja punktowa ze zmianą aminokwasu CAA ATC CGA CGA wal-stop Mutacja punktowa z przedwczesnym stop CAA-TCC GAC GA wal-arg-leu Delecja z zamianą fazy odczytu
Natomiast insercja lub delecja dotyczy wstawienia lub ubytku, większej liczby zasad azotowych w DNA danego genu. Powoduje ona mutację zmiany fazy odczytu (ang. frame shift mutation), gdy na skutek delecji lub insercji pary, czy też większej ilości par nukleotydów (ale nie 3 lub wielokrotności 3), następuje niezgodne z pierwotną fazą.odczytywanie kodonów w procesie translacji. Natomiast na skutek delecji lub insereji 3 lub wielokrotności 3 par nukleotydów następuje ubytek lub włączenie nowych aminokwa.sów w powstający łańcuch polipeptydawy. To, czy mutacja genetyczna wystąpi w komórkach płciowych, czy w komórkach somatycznych, ma zasadnicze znaczenie. Jeśli bowiem mutacja genetyczna wystąpi w gamecie, to gdy zmutowany gen jest typu dominującego i związany jest z określoną chorobą genetyczną - wywoła on jej powslanie. Mutacja występująca w gamecie, zarówno dominująca, jak i recesywna, może być przekazywana również następnym pokoleniom. Natomiast mutacja somatyczna dotyczy jedynie osobnika, u którego powstała i nie jest przekazywana genetycznie.
STRUKTURA CHROMATYNY
Najważniejszym składnikiem chromatyny jest DNA. Gdy kod genetyczny został rozszyfrowany, naukowcy byli zdziwieni ogromną ilością DNA, jaką zawiera komórka eukariotyczna. Obliczono w przybliżeniu, że ilość DNA znajdującego się w komórce ludzkiej może zakodować od 6 do 7 milionów genów. Dalsze badania wykazały jednak, że obok DNA, którego zapis zostaje ostatecznie przetłumaczony na sekwencję określonych aminokwasów tworzących białko - nazywanego DNA unikatowym, istnieje również DNA, który nie ma tej właściwości i którego rola nie jest jeszcze poznana, określany jako DNA powtarzalny. DNA unikatowy tworzy tzw. euchromatynę, która może ulegać całkowitej dekondensacji, gdyż luźny jej stan jest jednym z warunków koniecznych do procesu transkrypcji. Euchromatyna uwidacznia się jako odcinki słabo zabarwione w czasie badania na prążki G (oraz mocno zabarwione w czasie badania na prążki R). Gzęść DNA to euchromatyna, pazostała część tworzy heterochromatynę wykazującą silną barwliwość. Heterochromatynę dzielimy na fakultatywnąjest to chromatyna o dużym stopniu kondensacji, która uwidacznia się np. jako chromatyna płciowa X, oraz na konstytucyjną, która chociaż nie charakteryzuje się tak dużym stopniem kondensacji jak chromatyna fakultatywna, -nie ulega jednak dekondensacji jak euchromatyna.
43 PODSUMOWANIE
Zespół wszystkich genów organizmu, czyli pełny zakres jego informacji genetycznej, nazywamy genotypem. Fenotyp natomiast jest to zespół morfologicznych, czynnościowych i psychicznych właściwości organizmu. Ponieważ fenotyp jest zdeterminowany genetycznie, na jego podstawie można wnioskować o genotypie osobnika. Brak jednak prostej zależności między genotypem a fenotypem, m.in. dlatego, że wskutek działania mechanizmów regulujących tylko mała część informacji genetycznej ujawnia się w fenotypie osobnika. Informacja genetyczna zapisana jest w postaci sekwencji nukleotydów cząsteczek DNA wchodzących w skład chromosomów. Informaeja zawarta w cząsteczkach DNA zostaje przekazana na kwas rybonukleinowy (mRNA), spełniający funkcję matrycy, na której powstają łańcuchy polipeptydowe białek. Przekazywanie informacji genetycznej komórkom potomnym odbywa się zarówno w czasie mitozy, jak i mejozy. Te dwa procesy różnią się jednak zasadniczo co do funkcji genetycznej, jaką spełniają. III. Chromosomy człowieka i ich aberracje
Krzysztof Boczkowski
Termin "chromosomy" został wprowadzony przez W. Waldeyera w 1888 r w związku z ich zdolnością zabarwiania się barwnikami. Już na przełomie XIX i XX wieku zdobyczą nauk biologicznych było wiele istotnych odkryć dotyczących budowy chromosomów oraz ich roli w przekazywaniu cech dziedzicznych. Dopiero jednak dokonany w ciągu ostatnich 30 lat postęp w zakresie technik cytogenetycznych umożliwił łatwe i pewne określenie ich liczby, kształtu i budowy.
LICZBA I KSZTAŁT CHROMOSOMÓW
W 1956 r. Tijo i Levan, badając chromosomy mitotyczne w stadium metafazy, wykazali bezspornie, że liczba chromosomów u człowieka wynosi 46. Badania te, wykonane na komórkach somatycznych, w tym samym roku zostały potwierdzone przez Forda i Hamertona badaniem chromosomów mejotycznych. Każdy gatunek roślin i zwierząt ma stałą i charakterystyczną dla siebie liczbę chromosomów, która jest jednakowa u wszystkich normalnych osobników danego gatunku; np. człowiek ma 46, koń 64, a osioł 62 chromosomy. Niekiedy zdarza się, że w części komórek osobnika występuje nieprawidłowa liczba chromosomów. Powstaje wtedy mozaika chromosomalna, tzn. stan. w którym w organizmie występują dwie lub kilka linii komórkowych, z których każda ma inną liczbę chromosomów. W ten sposób w jednym organizmie, w obrębie jednej lub też kilku tkanek, stwierdzamy np. 45, 46 i 47 chromosomów; niekiedy w jednej tkance, np. w skórze, występuje 45 chromosomów, a w innej, np. we krwi, 47 chromosomów.
KSZTAŁT CHROMOS OMbW
Ogólny schemat budowy chromosomu ludzkiego przedstawia rycina 13. Kształt chromosomu określa się zwykle przez podanie, w jakiej pozycji znajduje się centromer, który dzieli chromatydy na dwa odcinki, zwane ramionami. Odcinki te w zależności od ich długości naz,ywa się ramionami krótkimi albo długimi. Tak więc zarówno ramiona krótkie, jak i długie składają się z leżących naprzeciw siebie odcin.ków obu chromatyd. Chromosom, w którym centromer znajduje się w polożeniu środkowym, nazywa się metacentrycznym, jeżeli natomiast centromer znajduje się nie w środku, lecz bl:sko nieg#. to chromosom taki nazywamy chromosomem submetacentrycznym (ryc. 13). Chromosom z centromerem położonym blisko końca nazywamy akrocentrycznym,
45 Ramiona Ramiona Ryc. 13. Różne kształty chromokrótkie krótkie somów: metacentryczny, submetacentryczny, akrocentryczny. Strzałka przerywana wskazuje pozycję centromeru. Ramiona Ramiona dTugie dTugie
jeżeli natomiast centromer znajduje się na samym końcu chromosomu, nazywamy go telocentrycznym. Wśród chromosomów człowieka można wyróżnić kształty metacentryczne, submetacentryczne i akrocentryczne, natomiast w prawidłowym garniturze ehromosomalnym człowieka brak jest chromosomów telocentrycznych. Pozycja centromeru w chromosomie może być wyrażona jako wartość liczbowa, którą stanowi stosunek (czyli iloraz) długości ramion długich do krótkich. Stosunek ten jest większy od 1 w chromosomach akrocentrycznych i submetacentrycznych, natomiast w chromosomach metacentrycznych będzie on wynosił 1. Długość chromosomu wyrażamy jako odsetek łącznej długości wszystkich chromosomów garnituru haploidalnego z chromosomem X. Na końcach ramion krótkich chromosomów akrocentrycznych mogą występować tzw. satelity. Satelity są małymi fragmentami chromosomu, oddzielonymi od reszty przez nie barwiący aię odcinek, który nazywa się przewężeniem wtórnym.
PRAWIDŁOWY KARIOTYP CZŁOWIEKA
Chromosomy człowieka klasyfikujemy zgodnie z zasadami opracowanymi przez międzynarodowe konferencje - w Denver w 1960 r., w Londynie w 1963 r., w Chicago w 1966 r., w Paryżu w 1971 r. oraz Sztokholmie w 1977 r. Konferencje te zostały zwołane w celu opracowania zasad klasyfikacji chromosomów. Jako kryteria przyjęto względną wielkość chromosomów w stosunku do innych chromosomów z tej samej komórki oraz ich kształt zależny od położenia centromeru. Poszczególne pary autosomów (chromosomów somatycznych) oznaczono numerami od 1 do 22 i podzielono na 7 grup - od A do G (ryc. 14). Grupa A (nr 1 - 3) : duże, prawie metacentryczne. Grupa B (nr 4 - 5) : duże, submetacentryczne. Grupa C (nr 6 - 12): średniej wielkości, submetacentryezne. Grupa D (nr 13 - 15): średniej wielknści, akrocentryczne. Grupa E (nr 16 - 18): średniej wielkości, prawie metacentryczne (nr 16) oraz małe submetacentryczne (nr 17 - 18). Grupa F (nr 19 - 20): małe, prawie metacentryczne. Grupa G (nr 21 - 22): małe, akrocentryczne. Wszystkie wymienione powyżej chromosomy, oznaczone liczbami arabskimi, nazywamy autosomami. Chromosomy płciowe oznaczono symbolami X i Y.
4B Grupa A. Chromosomy nr I - 3. Trzy pary tej grupy są łatwe do odróżnienia.. Para 1 jest największą parą w garniturze chromosomalnym. Ma ońa często wtórnF, przewężenie w okolicy centromeru. Para pierwsza jest prawie metacentryczna. Para 2 bardziej submetacentryczna, natomiast para 3, podobnie jak para 1, równieżprawie metacentryczna. Grupa B. Chromosomy nr 4 - 5. Dwie pary dają się łatwo odróżniE od pozostałych chromosomćw na podstawie swej wielkości oraz charakterystycznego położenia submetacentrycznego. Jednak odróżnienie tych dwóch par od siebie jest w większości komórek praktycznie niemożliwe bez użycia metod prążkowych. Niekiedy spotyka się komórki, w których jedna z par, tzn. 5, jest wyraźnie mniejsza. Grupa C. Chrog-nosomy nr 6 - 12 oraz chromosom x. Najtrudniejsze do ułożenia w pary i ponumerowania są chromosomy z grupy C; właściwe ich ułożenie wymaga zastosowania metod prążkowych. Na Konferencji Londyńskiej przyjęto, że zależnie od wielkośc", cztery najbardziej metacentryczne pary chromosomów w tej grupie powinny mieE numery 6, 7, 8 oraz 11. Na konferencji w Denver przyjęto, że chromosom X jest najbardziej podobny do pary 6. Należy jednak zaznaczyE, że badania autoradiograficzne Bishop i wsp. (1965), jak również obserwacje innych badaczy, wykazały, że wielkość ehromosomu X jest bardzo zmienna i niekiedy odpowiada on wielkością parze 6 niekiedy natomiast nawet parze I1. Ogólnie przyjmuje się, że oba chromosomy X są naj= bardziej metacentryczne w grupie C. Grupa D. Chromosomy nr 13 - 15. Są to duże akrocentryczne chromosomy. Para 13 jest największa, natomiast para 15 najmniejsza w tej grupie: Chromosomy tej grupy mają satelity na końcu ramion krótkich. Grupa E. Chromosomy nr 16 - I8. Para 16 jest łatwa do odróżnienia na podstawie swojej prawie metacentrycznej budowy. Często stwierdza się duże różnice w wielkości homologicznych chromosomów pary 16.
47
Ryc. 14. Kariotyp żeński 46,XX; prążki G. Yary 17 - 18 są submetacentryczne i odróżnienie ich od siebie jest możłiwe #prawie wyłącznie na podstawie metod prążkowych. Grupa F. Chromosomy nr 19 - 20. Są to małe, metacentryczne chromosomy. Odróżnienie poszczególnych par jest prawie niemożłiwe bez zastosowania metod . prążkowych. Grupa G. Chromosomy nr 21 - 22. Są to małe, akrocentryczne chromosomy. Posiadają one satełity. Podobnie jak ehromosomy grupy D, chromosomy grupy G w stadium metafazy często leżą obok siebie oraz obok chromosomów grupy D, jak gdyby połączone satełitami. Chromosomy 21 są mniejsze niż chromosomy nr 22. Chromosom płciowy Y. Chromosom Y jest małym, akrocentrycznym chromosomem, podobnym do autosombw z grupy 21 - 22. Morfologicznie może on różniE się od chromosomów z grupy 21 - 22 pod względem wielu cech. Jest on zwykle dłuższy niż chromosomy z grupy 21 - 22. W odróżnieniu od chromosomów z grupy 21 - 22 nie ma on satelitów. Jego ramiona krótkie są zwykle krótsze niż w grupie 21 - 22 i nie mają przewężeń. Jego ramiona długie, zarówno w hodowlach z kolchicyną, jak i bez kolchicyny, wykazują charakterystyczne ułożenie równoległe, w odróżnieniu od chromosomów z grupy 21 - 22, których ramiona długie są rozsunięte pod kątem. CzęśE dystalna ramion długich w badaniu pod mikroskopem fluorescencyjnym wykazuje wyraźną fluorescencję.
Kariogramem nazywamy zestaw (narysowanych lub sfotografowanych) wszystkich chromosomów jednej dowolnie wybranej komórki, uszeregowanych według umownych zasad, np. zależnie od długości, polożenia centromeru i innych. Kariogramy wykonane z losowo wybranych komórek mogą różnić się między sobą na skutek istnienia artefaktów (zgubienia chromosomu), mozaicyzmu itp. Z tych względów chcąc określić kariogram występujący najczęściej i typowy dla danego osobnika, należy wykonać zawsze kilka kariogramów. Kariogram typowy i reprezentatywny dla danego osobnika nazywamy kariotypem. W przypadku mozaiki chromosomalnej kariotypem nazywamy dwa lub kilka kariogramów reprezentujących typowe populacje komórek jednego osobnika. Kariotyp reprezentuje całośe obrazu chromosomalnego danego osobnika lub nawet gatuńku. Termin idiogram używa się jedynie do wykresu kariotypu opartego na pomiarach chromosomów z kilku lub dużej liczby komórek.
ABERRACJE CHROMOSOMÓW I ICH POWSTAWANIE
Zmiany genetyczne w komórce mogą dotyczyć jedynie pojedynczego genu lub też grupy genów (odcinka chromosomu), jak również całego chromosomu lub kilku chromosomów. Anomalie chromosomalne nazywamy zwykle aberracjami chromosomalnymi. Dzielimy je na strukturalne i liczbowe. Do najlepiej poznanych czynników powodujących aberraeje chromosomalne należy promieniowanie jonizujące oraz wiele substancji chemicznych, zwlaszcza tych, które wywierają również dzialanie cytostatyczne. Punktem wyjścia w powstaniu aberracji strukturalnych jest żazwyczaj przerwanie ciaglości jednego lub kilku chromosomów, nazywane również złamaniem chromosomu. Ułamany fragment chromosomu może być wyeliminowany z komórki w czasie jej podziału albo polączyć się z chromosomem macierzystym czy z innyni. Tak więc w wyniku złamania chromosomu może nastąpić: calkowita utrata ułamanej części (delecja), przestawienie odcinków chromo
48 somu (inwersja), przemieszczenie odcinka chromosomu do innego chromosomu (translokacja) i inne. W wyniku działania czynników szkodliwych mogą powstać również inne zmiany strukturalne, jak: pęknięcia chromatyd, widoczne w postaci pustej przestrzeni między dwoma odcinkami chromosomów, połączenie się siostrzanych chromatyd, chromosom kolisty, chromosom z dwoma centromerami (chromosom dicentryczny), który zawiera dwa centromery w wyniku skrzyżowania się chromatyd itp. Aberracje liczbowe powstają zwykle w wyniku nie;prawidłowego podziału komórkowego. Występowanie anomal liczbowych i strukturalnych chromosomów prowadzi do powstania nieprawidłowej informacji genetycznej w wyniku niewłaściwej liczby genów, nieprawidłowego ich ułożenia lub dysproporcji między liczbą poszczególnych genów.
ABERRACJE STRUKTURALNE
Aberracje strukturalne polegają na ńieprawidłowej budowie chromosomu. Aberracje liczbowe, podobnie jak aberracje strukturalne, mogą powstać w każdym okresie życia komórki. Jednak największe prawdopodobieństwo ich wystąpienia istnieje w okresie podziału komórki, gdy chromosomy potomne przechodzą do nowo powstających komórek. Bardzo drobne aberracje strukturalne nie są możliwe do uchwycenia przy obecnej technice badania cytogenetycznego, nawet przy użyciu technik prążkowych. Poniżej zostaną omówione najczęściej spotykane aberracje strukturalne. Powstają one przeważnie w wyniku przerwania ciągłości chromosomu, a więc odłamania się odcinka chromosomu. Taki odłamany odcinek może połączyć się ponownie z tym samym lub innym chromosomem, co powoduje powstanie inwersji, translokacji lub duplikacji. Odłamany odcinek może również zostać całkowicie utracony przez komórkę.
Inwersja
Jeżeli nastąpi odwrócenie jakiegoś odcinka chromosomu, tak że geny leżą na nim w porządku odwrotnym, niż to było pierwotnie, nazywamy to inwersją (ryc. 15). Chociaż w takim chromosomie znajduje się ten sam materiał gene
F D
g C G H
F D
B C G H
F D
C G H
Ryc. 15. Inwersja (paracentryczna). Podwójne złamanie chromosomu i ponowne złączenie się odłamanej części, lecz w niewłaściwych miejscaćh, spowodowało powstanie inwersji (w# Thompsona i Thompson).
4 - Zarys genetyki 49 tyczny, działanie genów może być zmienione wskutek żch nowej pozycji (efekt pozycji). Inwersja paracentryczna (acentryczna) powstaje wtedy, gdy dwa punkty inwersji mieszczą się w obrębie jednego ramienia chromosomu. Inwersja perycentryczna (eucentryczna) powstaje wtedy, kiedy dwa punkty inwersji mieszczą się w różnych ramionach chromosomu i odcinek, który uległ inwersji, zawiera centromer.
Translokacja
Translokacją nazywamy przemieszczenie się fragmentu chromosomu w inne miejsce tego samego chromosomu lub innego chromosomu, jak również połączenie się dwóch chromosomów. Tak więc translokacja jest wynikiem delecji części chromosomu i połączenia się ułamanej części z tym samym lub z innym chromosomem (ryc. 16) lub przemieszczenia się ż przyczepienia jednego chromosomu do drugiego.
Ryc. 16. Translokacja między dwome niehomo)ogicznymi chromosomami. W wyniku jej powstat duży chromosom (zawierający prawie caly materiat genetyczny) oraz bardzo mały chromosom (wg Suttona).
Możemy wyróżnić translokacje intrachromosomalne - wewnętrzne oraz translokacje interchromosomalne - przeniesienle odcinka z jednego chromosomu do drugiego (transpozycja), lub też wzajemną wymianę odcinków między chromosomami (t. wymienna, t. wzajemna). Wymianę odcinków między homologicznymi chromosomami określa się jako siostrzaną, a między niehomologicznymi chromosomami - jako zewnętrzną. Siostrzane transpozycje prowadzą do intrachromosomalnych duplikacji w jednym z chromosomów homologicznej pary, a jednocześnie do delecji translokowanego odcinka w drugim z nich. Translokacja wzajemna (reciprocal translocation) może być asymetryczna (aneucentryczna) lub symetryczna (eucentryczna). W pierwszym wypadku powstaje jeden chromosom dicentryczny i drugi acentryczny, a w drugim obydwa translokowane chromosomy są monocentryczne. Translokacje całych ramion polegają na tym, że całe (lub prawie całe) ramiona chromosomów zostają przemieszczone Iub wymienione. Na skutek tego procesu jeden chromosom akrocentryczny (A) i drugi chromosom metacentryczny (B ł C) mogą ulec zmianie na jeden nowy chromosom metacentryczny (A ł B) i drugi chromosom telocentryczny (C) lub z dwóch chromosomów metacentrycznych (A ł B i C ł D) mogą powstać dwa inne (A ł C i B ł D). Szczególne wypadki translokacji całych ramion stanowią: połą
50 czenia centrycme (tzw. translohacje robertsonowshie), dysocjacje i połączenia tandemowe. Najważniejsze z nich są połączenia centryczne, powstające w wyniku połączenia się ramion długich dwóch chromosomów akrocentrycznych, tworzących w ten sposbb jeden chromosom metacentryczny lub submetaeentryczny, mający najezęściej złączone z sobą dwa centromery (chromosom dicentryezny). Drobny fragment, który nie został włączony do nowo powstałego chromosomu, zawierający satelity obu chromosomów, lecz nie mający centromeru - zostaje zwykle utracony przez komórkę w czasie jej podziału. Odwrotny proces, podezas którego dwa chromosomy metaeentryczne (jeden duży, a drugi mały) tworzą - w wyniku translokacji - dwa chromosomy akrocentryczne, nazywamy dysocjacją.
Duplihacja
O duplikacji mówimy wówezas, gdy nastąpi translokacja fragmentu jednego chromosomu do drugiego chromosomu homologicznego. Powoduje to w rezultacie duplikację części informacji genetycznej, gdyż te same geny występują dwukrotnie w jednym chromosomie. Istnieją rbwnież inne mechanizmy powstawania duplikacji.
Delecja Utratę części chromosomu nazywamy delecją. Ułamany fragment chromosomu zostaje zwykle utracony w czasie podziału kombrkowego, bo jeżeli nie ma eentromeru, to nie przyczepia się do niego w czasie metafazy włókno wrzeciona kariokinetycznego. Tak więc badaniem cytogenetycznym z reguły stwierdzamy jedynie chromosom z delecją, a nie możemy stwierdziE odłamanego acentrycznego fragmentu (ryc. 17).
C D A B
Ryc. 17. Delecja terminalna. Odłamany iragment - jako nie mający centromeru - został całkowicie utracony przez komórkę.
Odcinki niektórych chromosombw wykazują szezególną łamliwość, np. odcinki chromosomów: 2q13, 6p23, 9q32, 12q13, 20p11 oraz Xq27 (ryc. 18). Objawy kliniczne związane z łamliwością dotyczą jedynie Xq27, gdyż - jak podają statystyki - do 10o/o mężezyzn przebywających w zakładach dla umysłowo upośledzonych to chorzy z zespołem łamliwego chromosomu X; spotyka się rbwnież umysłowo upośledzone kobiety - nosicielki tej aberracji. Natomiast przyeentromerowe pęknięcie ramion długich autosomu nr 2 jest ciekawe z tego względu, że chromosom ten u ludzi powstał z połączenia dwdeh chromosombw akroeentryeznych występujących u małp, jak goryle, szympansy= orangutany.
Ryc. 18. Diagram chromosomów ludzkich, z zaznaczonymi miejscami łamliwymi: 2q13, 3p21, 6p23, 7p11, 8q22, 9p21, 9q32, l0q23, llql3, llq#3, 12q13, 16p12, 16q23/24, 20p11 i Xq27, otwarta strzałka obok 16q22 - oznacza miejsce wrażliwe na działanie interferonu, natomiast długa strzałka obok I0q25 - oznacza pęknięcie uwidacz= niające się przy zastosowaniu BrdU (Yassarge i Schmidt).
52 #hromosom kolisty
W wyniku delecji obu końcowych odcinków chromosomu, nowo powstałe zakończenia chromosomu mogą wzajemnie się połączyć, co spowoduje powstanie kolistego chromosomu. ftyc. 19. Chromosom kolisty. W wyniku delecji obu końcowych odcinkdw chro# D #, mosomu nowo powstałe zakońezenia chromosomu połączyły się wzajemnie, co spowodowało powstanie kolistego LG chrcmosomu. Chromosom kolisty może powstać dopiero gdy oba zakończenia chromosomu zostaną odłamane, gdyż tylko wtedy końce chromosomu łączą się (ryc. 19).
Izochromosom
Izochromosom powstaje wskutek nieprawidłowego, poprzecznego podziału centromeru chromosomu macierzystego. Tak więc izochromosom składa się tylko
PraWidiowy NieprnwidTo#.vy podz ia T cent romeru podz ia1cenfromeru 4 4 Metafoza I I Ir
Replikacja inastepna metnbzo
Normalne łzoehromosomy chromo5omy
Ryc. 20. Powstanie izochromosomów w wyniku nieprawidłowego, poprzecznego podziału centromeru chromosomu macierzystego.
53 albo z ramion krótkich, albo z ramion długich (ryc. 20). Powoduje to w na- stępstwie brak genów zawartych w utraconych ramionach oraz podwójną liczbę genów ramion, które zostały podwojone.
ABERRACJE LICZBOWE
Liczba chromosomów w dojrzałych komórkach płciowych, czyli gametach, wynosi u człowieka 23. Jest to liczba haploidalna i oznaczamy ją zwykle literą n. Zespół chromosomów w komórkach somatycznych oraz w komórkach płciowych przystępujących do podziału mejotycznego składa się z chromosomów pochodzących w połowie od matki, a w połowie od ojca. Ten zespół 46 chromosomów nazywa się diploidalny i oznaczamy go - 2n. Nieprawidłowości liczbowe mogą wystąpić w komórkach płciowych w czasie pierwszego i drugiego podziału mejotycznego lub w okresie życia zarodkowego. Wydaje się, że w przeważającej większości mają one swoje źródło w nierozdzielności (non-disjunction) par chromosomów w czasie mejozy. Aberracje liczbowe dają w wyniku poliploidalny lub aneuploidalny garnitur chromosomalny.
Poliploidia
Garnitur chromosomalny z liczbą chromosomów, która jest prostą wielokrotnością tz i większa niż 2#, nazywa się poliploidalnym (69 chromosomówtriploidalny, 92 chromosomy - tetraploidalny itp.). Przyczyną poliploidii są czynniki uniemożliwiające prawidłowy rozwój komórki. Jednym z nich jest np. oziębienie, które powoduje powstawanie komórek z poliploidalną liczbą chromosomów.
Aneuploidia
Garnitur chromosomalny określamy jako aneuploidalny, jeżeli liczba chromosomów nie jest prostą wielokrotnością n. Aneuploidię polegającą na braku jednego chromosomu w garniturze diploidalnym nazywa się monosomią. Obecność jednego dodatkowego chromosomu określa się jako trisomię. Jeżeli w garniturze diploidalnym występują dwa dodatkowe homologiczne chromosomy, to taki stan nazywamy tetrasomią. Obecność dwóch dodatkowych, niehomologicznych chromosomów nazywamy podwójną trisomią. Trisomie są najczęściej występującymi aberracjami chromosomalnymi, gdyż stanowią one ponad 50o/o aberracji chromosomalnych występujących u płodów z poronień samoistnych oraz 67o/o u noworodków. Problem, czemu trisomie powodują zmiany fenotypowe, może być najlepiej wyjaśniony przez nieprawidłowości rozwoju płodowego. Wydaje się, że zasadniczą przyczyną powstawania anomalii nie jest nadmiar określonych genów, lecz ogólne zaburzenia we wzajemnym działaniu genów, gdyż różne trisomie powodują wiele podobnych podstawowych nieprawidłowości w rozwoju płodu. Aneuploidia powstaje w czasie nieprawidłowego podziału komórkowego mitotycznego lub mejotycznego, w wyniku nierozdzielności lub utraty chromosomu w anafazie. O nierozdzielności (non-disjunction) mówimy wówczas, gdy w anafazie mitozy lub mejozy obie chromatydy jednego lub kilku chromosomów nie rozdzielają się i przechodzą łącznie do jednego z biegunów. W rezultacie jedna z ko
54 mórek uzyskuje o jeden lub kilka chromosomów więcej, natomiast druga traci je i zwykle ginie. Utrata w anafazie (loss at anaphase) powstaje prawdopodobnie z powodu uszkodzenia wrzeciona kariokinetycznego. Jedna z chromatyd nie nadąża za innymi do bieguna komórkowego i ostatecznie zostaje całkowicie utracona. W rezultacie powstaje komórka, która nie ma jednego z chromosomów. Nieprawidłowości chromosomalne - zarówno w wyniku nierozdzielności jak i utraty w anafazie - powstałe w komórkach płciowych mgskich lub żeńskich powodują, że zygota wykazuje nadmiar lub brak chromosomów; tak więc nieprawidłowości te określamy jako monosomie lub trisomie. Jeżeli natomiast nierozdzielność lub utrata w anafazie wystąpią już po zapłodnieniu komórki jajowej, powstaje tzw. mozaika chromosomalna. Istnieją wtedy w jednym organizmie dwie linie komórkowe lub więcej, z których każda ma inną liczbę chromosomów. W wyniku utraty w anafazie powstaje mozaika z jedną tylko nieprawidłową linią komórkową. Natomiast w wyniku nierozdzielności w okresie zarodkowym powstaje mozaika z dwiema lub więcej nieprawidłowymi liniami komórkowymi. Należy pamigtae o tym, że w przypadku istnienia mozaiki chromosomalnej może np. w tkankach pochodzenia ektodermalnego występować
XX
PoazioT P#awidTowy
XX XX
Ryc. 21. a - schematyczne przedstawienie powstania mozaiki 45,X/46,XX w wyniku utraty w anafazie jednego z chromosomów X, w przebiegu mitozy w olsresie zarodkowym; b - schematyczne przedstawienie powstania mozaiki 45,X/46,XY w wyniku utraty w anafazie jednego z chromosomów Y, w przebiegu mitozy w okresie zarodkowym.
Ryc. 22. Schematyczne przedstawienie powstania mozaiki 45,X/ /46,XX/47,XXX w wyniku nierozdzielności chromosomów ptcioXX XW X XXX wych w czasie mitozy w okresie zarodkowym. Pierwszy podział prawidlowy, drugi (jednej z koPodziaT mórek) nieprawidłowy (nierozn ieprawidTowy dzielność).
55 inny kariotyp niż w tkankach pochodzenia mezodermalnego, entodermalnego lub mezenchymalnego; w celu uzyskania pełnego rozpoznania należy więc badać komórki tkanek wywodzących się z różnych listków zar:dkowych. Jeśli np. zostanie utracony jeden z chromosomów płciowych, to powstaje w ustroju mozaika z jedną nieprawidłową linią komórkową: 45X/46,XX lub 45,X/46,XY (ryc. 21). Natomiast w wyniku nierozdzielności chromosomów płciowych w okresie bruzdkowania w zarodku żeńskim może powstae mozaika X/XXX * lub X/XX/XXX, a w męskim X/XXY *, X/XY#XXY i inne (ryc. 22).
ZAPISYWANIE WYNIKÓW BADAl# T CYTOGENETYCZNYCH
W związku z koniecznością odpowiedniego i szybkiego przygotowania danych cytogenetycznych do analizy statystycznej przyjęto jednolity system zapisywania wyników badań cytogenetycznych oraz podzielono zarówno ramiona krótkie, jak i długie chromosomów na odcinki oznaczone dwoma cyframi. W przypadku braku jednego z chromosomów płciowych przyjęto zapis 45,X. W przypadku obecności trzech chromosomów X - zapis 47,XXX. W przypadku obecności czterech chromosomów płciowych - zapis 48,XXXX lub 48,XXXY lub 48,XXYY. W przypadku mozaiki przyjęto zapis: 45,X/46,XY (skrótowo zapiszemy jako X/XY lub XO/XY) 46,XX/46,XY (skrótowo zapiszemy jako XX/XY). W przypadku braku u osobnika z dwoma chromosomami X jednego z chromosomów, np. z grupy D, przyjęto zapis: 45,XX,-D (w razie obecności dwóch chromosomów płciowych X - płeć żeńska) lub 45,XY,-D (w razie obecności chromosomów płciowych XY - płeć męska). W razie obecności u osobnika z dwoma chromosomami X dodatkowego chromosomu z grupy D przyjęto zapis 47,XX,-#-. Jeżeli można z całą pewnością określić, że brakujący lub też dodatkowy chr#mosom jest np. nr 13, to przyjmuje się zapis 45,XX,-13 (w razie braku chromosomu) lub zapis 47,XX,#-13 (w wypadku dodatkowego chromosomu). Podobnie u osobnika z chromosomami płciowymi XY zapis będzie wyglądał 45,XY,-13 lub 47,XY,-ł-13. Zwiększenie długości ramion długich jednego z chromosomów nr 1 w kariotypie męskim zawierającym 46 chromosomów, zapiszemy jako: 46,XY lq-#-. Natomiast kariotyp zawierający 47 chromosomów, w którym dodatkowy chromosom nr 14 ma zwiększoną długość ramion długich, zapiszemy jako: 47,XY,-f- 14q#-. Izochromosom oznaczamy literą i. Ramiona krótkie zaznaczymy literą p, ramiona długie literą q. Chromosom kolisty - literą r. Tak więc obecność izochromosomu ramion krótkich chromosomu X zapiszemy w kariotypie zawierającym jeden normalny chromosom X jako 46 X,i(Xp). Natomiast izochromosom ramion długich chromosomu X jako 46,X,i(Xq) lub skrótowo X,i(Xq). Izochromosom dicentryczny ramion długich X zapiszemy jako 46,X,dic i(Xq), natomiast pojedynczy izochromosom ramion długich chromosomu X oznaczamy jako i(Xq). Delecję ramion długich chromosomu X zapiszemy jako 46,XX,de1(Xq) (skrótowo 46,XXq- lub XXq-) nlbo dokładniej 46,XX,de1(Xql3), co oznacza, że delecja wystąpiła w odcinku 13 ramion długich.
# Jeżeli mozaika powstała w czasie pierwszego podziału zygoty
56 z ś
',
, , , ;
9 z ; z,
1 2 3 4 5 6
z,
p , . , , , .
.J v v v
:3 #
11 12
, , v v , ,
z ; z ; z ; :, ; #,
13 14 15 16 17 18
', q ,
19 20 21 22 Y
Prqżki G i Q # Prqżki R
Ryc. 23. Schemat kariotypu z zaznaczeniem poszczególnych odcinków chromosomów,. uwidocznionych metodami prążkowymi. Ryc. 24. Schemat chromosomu X z duplikacja pra- wie catych ramion dlugich i delecją prawie całych ramion krótkieh.
11-. q ter
q ter-. p 11
Pojedynczy chromosom X z delecją ramion krótkich oznaezamy jako Xp- , .a pojedynczy chromosom 5 z taką samą delecją jako 5p-. Delecję ramion długich chromosomu nr 21 zapiszemy jako 46,XY,de1(21q) #(lub skrótowo 46,XY,21q-). Chromosom kolisty X zapiszemy jako 46,X,r(X), natomiast chromosom kolisty w grupie np. D jako 46,XX,r(D). Translokację oznacza się literą t, po niej następuje nawias, w którym są #zapisane chromosomy objęte translokacją. Jeżeli jest to translokacja zrównoważona i oba chromosomy są obecne, to zapiszemy ją: 46,XY,t(4p-;13q-ł-) - w wypadku przemieszczenia się fragmentu ramion krótkich chromosomu 4 do ramion długich chromosomu 13 lub 46,XY,t(4p-f-;13q-) - w wypadku przemieszczenia się fragmentu ramion długich chromosomu 13 do ramion krótkich chromosomu 4. Gdy w wyniku translokacji następuje połączenie się dwóch chromosomów, tak że powstaje z nich jeden nowy chromosom, stosujemy zapis: 45,XX,-13, -21-f-t(13q;21q). Oznacza to, że w kariotypie tym stwierdza się brak jednego #chromosomu 13 oraz jednego chromosomu 21. W wyniku połączenia się ich ramionami długimi powstał nowy chromosom, oznaczony jako 13q;21q. Ostateczna liczba chromosomów jest więc 45. Zastosowanie techniki fluorescencyjnej oraz innych metod prążkowych pozwoliło na uwidocznienie poszczególnych odcinków chromosomów, wykazują#cych odmienną barwliwość, i dzięki temu umożliwiło dokładną identyfikację poszczególnych chromosomów oraz ich aberracji strukturalnych. W celu podzielenia zarówno ramion długich, jak i krótkich na poszczególne odcinki, #przyjęto, aby cyfrą 1 oznaczać te odcinki, które są położone przy centromerze, natomiast dalsze, kolejnymi liczbami - 2, 3 itd. (ryc. 23). Skomplikowane zapisy, które w wyniku stosowania metod prążkowych umożliwiają oznaczanie poszczególnych fragmentów chromosomów, przedsta#wiono na przykładzie czterech konkretnych kariotypów, stwierdzonych u czterech pacjentów badanych z powodu zaburzeń płodności: trzech kobiet oraz j ednego mężczyzny. U pierwszej z kobiet, z kariotypem 46,X,dup(X) (qter-.łpll ::qll-#qter),
'58 fragment, który uległ duplikacji, jest stosunkowo duży, gdyż obejmuje ramiona długie od ich zakończenia terminalnego do części qll (ryc. 24). Jednocześnie złamanie i utrata części dystalnej ramion krótkich chromosomu X nastąpiła w miejscu pll, a więc prawie cała długość ramion krótkich została utracona. Tak więc chromosom z duplikacją obejmuje całe ramiona długie oraz część ramion krótkich aż do miejsca pll, w którym nastąpiło złamanie co zapisujemy, zgodnie z Konferencją Paryską (1971) qter--#pll. Z chromosomem tym połączył się fragment chromosomalny dający duplikację, składający się z części ramion długich od zakończenia terminalnego do miejsca qll - co
14 Ryc. 25. Kariotyp z translokacją chromosomów nr 10 i II (wg Boczkowskiego i Mikkelsen).
Ryc. 26. Schemat translokacji chromosomów nr 13 i 14.
59 zapisujemy: qll--łqter. Miejsce złamania i ponownego połączenia się chromosomów zaznaczamy podwójnym dwukropkiem :.. U drugiej z kobiet, z kariotypem 46,X,dup(X) (qter-łp21: :#2l#qter), fragment, który uległ duplikacji, jest mniejszy, gdyż obejmuje część ramion długich od ieh zakończenia terminalnego do części q21. Jednocześnie złamanie ż utrata części dystalnej ramion krótkich chromosomu X nastąpiły w miejscu p21, a więc tylko mniejsza część ramion krótkich została utracona. U trzeciej z kobiet stwierdzono kariotyp 46,XX,t(10;11) (q21;q23), który można zapisać również jako: 46,XX,t(10;11) (lOpter-alOq21::llq23-#llqter; Ilpter- j11q23::l0q2l#lOqter). Oznacza to, że pęknięcia nastąpiły w dystalnych odcinkach chromosomów nr 10 i 11, przy czym dystalne fragmenty chromosomów, które uległy oderwaniu, dokonały translokacji naprzemiennej, tzn. z chromosomem nr 10 połączył się mały fragment chromosomu nr I1, natomiast z chromosomem nr 11 połączył się fragment chromosomu nr 10 (ryc. 25). U mężczyzny natomiast stwierdziliśmy kariotyp 45,XY,t(13q;14q), który można zapisać również jako: 45,XY,t(13;14) (13qter#cen-łl4qter). Oznacza to, że stwierdzono jedynie 45 chromosomów, gdyż dwa chromosomy akrocentryczne z grupy D, nr 13 i 14, połączyły się ze sobą w okolicy centromeru, dając w wyniku duży, prawie metacentryczny chromosom, zawierający informację genetyczną ramion długich zarówno chromosomu nr 13, jak i chromosomu nr 14 (ryc. 26). Natomiast ramiona krótkie obu chromosomów zostały najprawdopodobniej utracone. Chromosomy, których nie możemy zaklasyfikować do żadnej z grup, ozna= czamy skrótem #n,ar (marker). Dotyczy to również fragmentów chromosomalnych, które mają centromer. Fragmentów chromosomalnych nie mających centromeru nie wliczamy dn ogólnej liczby chromosomów i oznaczamy jedynie skrótem ace (acentric). Chromosomy pochodzenia matczynego oznaczamy skrótem n'tat (maternal); natomiast pochodzenia ojcowskiego skrótem pat (paternal).
Poniżej jeszcze raz zostaną podane wymienione skróty
ace (acentric) acentryczny ż (isochromosome) izochromosom #n.ar (marker) marker r#at(maternal) matczyny pat (paternal) ojcowski p ramię krótkie q ramię długie T (ring) chromosom kolisty t (translocation) translokacja , rozdziela chromosomy lub ich fragmenty w aberracjach strukturalnych# obejmujących więcej niż jeden chromosom . złamanie . . złamanie i połączenie -# lub - przed chromosomem = naddatek lub ubytek liczby chromosomów -#- lub - za chromosomem = naddatek lub ubytek części chromosomu
Poszczególne techniki prążkowe oznaczane są następującymi skrótami:
60 #'E' prążlsi G - trypsyna GTG prążki G - trypsyna -# Giemsa GAG prążki G - kwas octowy -# solanka -#- Giemsa C prążki C #B prążki C - wodorotlenek baru CHG prążki C - wodorotlenek baru -# Giemsa R prążki R RF prążki R - fluorescencja RFA prążki R - fluorescencja #- oranż akrydyny RH prążki R - podgrzewanie ftHG prążki R - podgrzewanie #- Giemsa RB prążki R - BrdU RBG prążki ft - BrdU #-- Giemsa RBA prążki R - BrdU -j- oranż akrydyny
Szczegółowe dane dotyczące zapisów aberracji chromosomalnych znajdzie Czytelnik w "Cytogenetics and Cell Genetics" tom 21, nr 6, 1978, a nowsze dane związane z metodami prążkowymi w "Cytogenetics and Cell Genetics" tom 31, nr 1, 1981.
METODY BADAl VllA CHROMOSOMÓW
Szybki postęp w badaniu chromosomów człowieka był możliwy dzięki udoskonaleniu technik cytogenetycznych, dokonanym w początkach lat pięćdziesiątych. Szczególne znaczenie miało zastosowanie kolchicyny używanej od dawna w cytogenetyce roślin, do zatrzymania mitozy w czasie metafazy, oraz użycie płynów hipotanicznych w celu lepszego rozproszenia chromosomów #łytki metafazalnej. Stosując te techniki Tijo i Levan w 1956 r. wykazali, że prawi"łowa liczba chromosomów w komórce ludzkiej wynosi 46. W 1970 r. Casperson i wsp. zastosowali do badania chromosomów człowieka technikę fluorescencyjną, umożliwiającą identyfikację poszczególnych chromosomów. Technika ta umożliwiła również wykrycie w jądrach komórek męskich jasno fluoryzującej grudki chromatyny, powstającej w wyniku silnej fluorescencji ramion długich chromosomu Y, określonej jako ciałko Y. Od 1971 roku pojawiło się wiele tzw. technik prążkowych, umożliwiających identyfikację wszystkich chromosomów człowieka przez odpowiednie przygotowanie preparatów, barwionych następnie barwnikiem Giemsy lub innymi barwnikami; metody te nie wymagają tak drogiej aparatury, jak technika fluorescencyjna. Zastosowanie tych metod umożliwia coraz dokładniejsze mapowanie chromosomów człowieka. Badanie chromosomów jest dokonywane najczęściej w leukocytach z krwi obwodowej, fibroblastach i komórkach szpiku kostnego. Najłatwiejsze jest badanie chromosomów w szpiku kostnym, gdyż materiał ten nie wymaga zakładania hodowli komórk#wej, ponieważ w szpiku kostnym znajduje się duża liczba komórek w stanie podziału. Jednak pobieranie szpiku jest trudne i bolesne dla pacjenta i nie może być zalecane, szczególnie w przypadkach, w których jest konieczne powtórzenie badania. Badanie garnituru chromosomalnego w komórkach skóry wymaga natomiast założenia kilkutygodniowej hodowli. Z tego powodu najdogodniejszym i najcztściej stosowanym badaniem jest ho"owla leukocytów z krwi obwodowej. Prawie wszystkie techniki hodowli leukocytów z krwi obwodowej opierają się na metodzie opublikowanej przez Moorheada i wsp. w 1960 r. Są to zarówno makrometody, do wykonywania których pobieraxny ok. 5 ml krwi, jak i mikrometody, umożliwiająee założenie hodowli z ilości krwi nie przekraczającej 0,1 ml. Po hodowli, trwającej trzy doby, wykonujemy preparaty, które oglądamy z zastosowaniem średniego powiększenia mikroskopu; z chwilą gdy natrafimy na płytkę metafazalną, w której chromosomy są odpowiednio rozproszone, liczymy chromosomy w dużym powiększeniu. Jeżeli w komórce chromosomy są szczególnie dobrze rozproszone, to dokonujemy bardziej szczegółowej ich analizy, bezpośrednio spod mikroskopu, lub wykonujemy zdjęcie fotograficzne. Analizę rozpoczyna się zwykle od najmniejszych chromosomów. Rozpoczynamy ją od grupy G, następnie dokonuje się analizy grupy F, E, D, a potem grupy B i A. Chromosomy z grupy C, jako najtrudniejsze do zidentyfikowania, pozostawia się na koniec badania. Oprócz metody rutynowej stosuje się barwienie barwnikiem Giemsy odpowiednio przygotowanych preparatów, co pozwala na uwidocznienie wzorów prążkowych chromosomów, tzw. prążków G, C i R, lub badanych w mikroskopie fluorescencyjnym prążków Q. Podstawą barwienia prążkowego (z wyjątkiem prążków Q) jest denaturacja niektórych odcinków chromosomów, które w jej wyniku wykazują odmienną barwliwość niż pozostałe odcinki.
PODSUMOWANIE
Liczba chromosomów w diploidalnym garniturze człowieka wynosi 46. Najważniejszymi kryteriami klasyfikacji chromosomu są: długość chromosomu w stosunku do długości innych chromosomów danej komórki, pozycja centromeru oraz wzór prążkowy chromosomu. Chromosomy dzielimy na siedem grup, które oznaczamy literami alfabetu od A do G. Poszczególne pary autosomów są oznaczone od 1 do 22, chromosomy płciowe symbolami X i Y. Aberracje chromosomalne mogą powstaE zarówno w komórkach płciowych (w czasie pierwszego lub drugiego podziału mejotycznego), jak i we wczesnym okresie życia zarodkowego. Momentem, w którym występują najczęściej, jest podział komórki, zarówno mejotyczny, jak i mitotyczny. Aberracje chromosomalne możemy podzieliE na liczbowe i strukturalne. Najczęściej spotykanymi aberracjami strukturalnymi są: inwersja, delecja, translokacja i duplikacja. Aberracje liczbowe powstają najczęściej w wyniku nierozdzielności i charakteryzują się brakiem jednego z chromosomów lub obecnością dodatkowego chromosomu. Badanie cytogenetyczne wykonujemy u osób, u których podejrzewamy istnienie aberracji chromosomalnej. Wykonywanie ich natomiast we wszystkich jednostkach chorobowych uwarunkowanych genetycznie jest niecelowe, gdyż przeważająca większość z nich jest spowodowana mutacją genu, a w związku z tym niewykrywalna badaniem cytogenetycznym. IV. Aberracje chromosomów p#ciowych
Krzysztof Boczko#ski
W celu powiązania aberracji chromosomalnych z patogenezą zespołów chorobowych, w których zostały one stwierdzone, można posługiwać się dwiema: metodami. Pierwsza z nich polega na zgrupowaniu chorych z pewnym określonym zespołem klinicznym i wykonaniu u nich badań cytogenetycznych; następnie szukaniu powiązań między typami aberracji chromosomalnych, które# udało się stwierdzić, a różnymi formami klinicznymi danego zespołu. Druga metoda polega na zgrupowaniu wszystkich osób, u których stwierdzono określoną anomalię chromosomalną (np. kariotyp 45,X), w celu przeanalizowania u nich pewnych określonych parametrów; pozwala to zrozumieć znaczenieokreślonej aberracji chromosomalnej dla rozwoju płciowego, zahamowania wzrostu itp. W niniejszym rozdziale został wybrany pierwszy sposób opisu materiału klinicznego i cytogenetycznego. Wydaje się to celowe dlatego, że lekarz jest z natury rzeczy lepiej zorientowany w zagadnieniach klinicznych niż cytogenetycznych i w związku z tym bardziej dogodne jest dla niego grupowanieł materiału według cech klinicznych. Ponadto dla klinicysty ważne jest stwierdzenie, jaki typ aberracji chromosomalnej charakteryzuje dany zespół chorobowy. Najpierw opisane zostaną zespoły związane z obecnością dodatkowego chromosomu płciowego, a więc: zespół Klinefeltera, mężczyini XYY oraz kobiety XXX, a następnie osoby, u których stwierdza się brak drugiego chromosomu płciowego we wszystkich lub w części komórek, a więc kobiety z zespołem Turnera. Aberracje strukturalne chromosomu X nie zostały wyodrębnione jako zespół chorobowy, gdyż nie tworzą one takiego zespołu, a występują zarówno u kobiet z zespołem Turnera. jak i niekiedy u pacjentek z czystą dysgenezją go= nad oraz u pacjentek badanych z powodu bezpłodności lub zaburzeń płodności. Najczęściej stwierdzane mozaiki chromosomów płciowych to: 45,X/46,XX; 46,XY/47,XXY; 45,X/46,XY. Pierwsza z tych mozaik została omówiona w zespole Turnera, a druga w zespole Klinefeltera. Natomiast mozaika 45,X/46,XY występuje najczęściej w zespole mieszanej dysgenezji gonad oraz w obojnactwie męskim, chociaż opisano również przypadki normalnie zbudowanych,. choć bezpłodnych, mężczyzn, u których nieznaczny procent badanych komórek wykazywał komponent 45,X. Większość przypadków obojnactwa prawdziwego oraz żeńskiego lub męskiego nie jest związana z aberracjami chromosomów i dlatego stwierdza się u nich najczęściej prawidłowy kariotyp: żeński - w obojnactwie żeńskim oraz# prawdziwym, a męski - w obojnactwie męskim.
63: ^GENETYCZNA DETEIf.MINACJA PŁCI
=#zynnik męski jest decydujący zarówno w determinacji, jak i w różńicowaniu płci u człowieka i u innych ssaków. Płeć zostaje zdeterminowana w momencie żapłodnienia i zależy od tego, jaki plemnik wniknął do komórki jajowej: czy był to plemnik z chromosomem Y - determinujący płeć w kierunku męskim, czy z chromosomem X - determinujący płeć w kierunku żeńskim. Decydujące znaczenie chromosomu Y w męskiej determinacji płci zostało udowodnione w 1959 r. przez Jacobs i Stronga oraz Forda i wsp. na podstawie #badań cytogenetycznych w zespole Klinefeltera. Autorzy ci stwierdzili bowiem, że w wypadku kariotypu 47,XXY lub mozaiki 46,XX/47,XXY następuje męski rozwój osobnika. Dalsze badania cytogenetyczne wykazały, że nawet w wypadku kariotypu 48,XXXY lub 49,XXXXY rozwój osobnika następuje w kierunku męskim. Tak więc obecność ehromosomu Y decyduje ło męskim rozwoju.
Antygen H-Y Jqdra pTodowe O S
Hormon #- anty-Mlierowski # o# ó P Sf m OS# P#O
Wewngtrzne i zewn#trzne m#skie narzqdy pTciowe
Komórki podporowe (Sertolego) Komórki śródmiqższowe jqdra (Leydiga)
Ryc. 27. Schemat męskiego rozwoju płciowego. Pod wpływem antygenu H-Y wydzielanego przez komórki podporowe, następuje różnicowanie pierwotnych gonad w jądra. Powstale w wyniku tego działania jądra płodowe zawierają komórki podporowe, wydzielające hormon anty- Mllerowski oraz komórki śródmiąższowe, wydzielające testosteron - maskulinizujący #rewnętrzne narządy płciowe, oraz powstały z testosteronu dihydrotestosteron - maskulinizujący zewnętrzne narządy płciowe.
W latach siedemdziesiątych przebadano antygen H-Y. Badania te wykazały, :że antygen H-Y jest odpowiedzialny za różnicowanie pierwotnej gonady w kierunku męskim (ryc. 27). Dalsze badania potwierdziły związek antygenu H-Y z obecnością tkanki jądrowej. Stwierdzono mianowicie, że u wszystkich osobników, którzy mają jądra lub gonadę obojnaczą (ovotestżs), można wykryć antygen H-Y, niezależnie od tego, czy badaniem cytogenetycznym stwierdza sig nich obecność chromosomu Y, czy też nie. Z drugiej strony, u osobników, u których nie wykształciły się jądra, bardzo rzadko udaje się wykazać antygen H-Y. Natomiast ohecność antygenu H-Y xnożna stwierdzić nawet wtedy, kiedy osobnik, który już nie ma jąder, mial je jednak w pewnym okresie swego życia, np. w przypadkach anorchizmu (tab. 8). Antygen H-Y jest białkiem związanym z błoną komórkową i wykazujE zdolność wiązania z komórkami somatycznymi - zarówno XY, jak i XX a specyficznym receptorem jest Q-mikroglobulina. Natomiast komórki płciowt
#64 T a b e I a 8. Występowanie anty#enu H-Y
ObecnośE tkanki jądrowej i antygenu H-Y
Normalni mężczyźni XY Zespół Klinefeltera Mężczyźni XX Mężczyźni z mozaiką XO/XY lub XX/XY Obojnactwo prawdziwe XX Obojnactwo męskie Zespół niewrażliwości na androgeny
Brak tkanki drowej i obec ośE Brak morfo enez Brak morfo enezy jądrowej i obec- jądrowej i brak antygenu H-Y nośE antygenu H-Y antygenu H-Y
normalne kobiety XX, nosicielki autosomalnej recesywnej mutacji dysgenezja gonad XXp- lub Xi(Xq) zespół Turnera XO
normalne kobiety XX czysta dysgenezja gonad XX czysta dysgenezja gonad XY (forma H-Y-)
zarówno męskie, jak i żeńskie nie mają zdolności wiązania tego antygenu. Dalsze badania potwierdziły przypuszczenia, że gen odpowiedzialny za wytwarzanie antygenu H-Y jest umiejscowiony autosomalnie. Lau i wsp. (1986 r stwierdzili, że locus tego genu znajduje się w chromosomie nr 6. Sugeruje t # że chromosom Y, a ściślej mówiąc część proksymalna jego ramion krótkichjest odpowiedzialna jedynie za regulację ekspresji autosomalnego genu antygenu H-Y. Chromosom Y zawiera więc tylko gen regulujący dla antygenu H-Y i dlad gyczy to za ó b ma k# m żcz omosomu Y mogą wykazywać ten antygen: ę yzn XX, jak i kobiet z układem chromosomów płciowych 45,X, 45,X,i(Xq) oraz del(Xp) - a więc tych, które nie mają tygen H-ytkeh h k mn Y# W powyższych przypadkach stężenie aniejsze niż u normalnych mężczyzn, co wskazuje, że rozwój pierwotnej gonady jako jądra jest związany 2 odpowiednim stężeniem antygenu H-Y. Chromosomy płciowe możemy więc podzielić na: 1) euchromatyczny chromosom - X oraz 2) heterochromatyczne chromosomy - Y i X. Euchromatyczny chromosom X występuje zarówno w garniturze chromosomaln m żeńskim jak i męskim. Natomiast występujący u osobników żeńskich drugi, heterochromatyczny chromosom X ulega unieczynnieniu i jest widoczn w o staci grudki chromatyny płciowej. Na uwagę zasługuje fakt, że zaró no hete ychromatyczny chromosom X, jak i chromosom Y, wykazują asynchronię sw ch wzorów prążkowych, w odróżnieniu od wszystkich pozostałych chromosomów, których czas replikacji DNA jest ściśle określony i wza emnie zs n chronizowany. j yGe 1 b g y w ł eńie w o# aniem pierwotnej gonady w jajnik mogą być u omatycznym chromosomie X lub również w nie ulegających inaktywacji miejscach heterochromatycznego chromosomu X lub i mogą leżeć w którymś z autosomów albo w kilku autosomach. Nie potrafimy obecnie wyłączyć żadnej z tych dwóch możli#vości. Dla dalszego rozwoju jajników oraz pełnej oogenezy konieczny jest u człowieka drugi heodb wa n# tyczny chromosom X. Różnicowanie pierwotnej gonady w jądro y natomiast pod wpływem chromosomu Y. Chromosom Y zawiera jednak tylko gen kontrolujący produkcję antygenu H-Y. Genetyczna determinacja ptci powoduje w warunkach fizjologicznych zróżnicowanie pierwotnej gonady w kierunku męskim lub żeńskim. Dalszy rozwój płciowy wiąże się z czynnością hormonalną płodowych gonad. Jądra B - Zarys genetyki płodu, dzięki wydzielanym przez siebie substanejom hormonalnym, odgrywają podstawową rolę w różnicowaniu płciowym w kierunku męskim. Substaneje hormonalne płodowych jąder powodują bowiem kolejno zróżnicowanie w kierunku męskim wewnętrznych i zewnętrznych narządów płciowyeh, a następnie ośrodków mózgowych, i to zarówno tych, które kierują wydzielaniem przysadki. jak i tych, z którymi wiąże się zachowanie reprodukcyjne i niereprodukcyjne. W razie braku czynników hormonalnych płodowych jąder rozwój zewnętrznych i wewnętrznych narządów płciowych odbywa się w kierunku żeńskim, ustala się również żeński typ ośrodków nerwowych podwzgórza, kierujących wydzielaniem przysadki, jak również ośrodków związanych z zachowaniem reprodukcyjnym i niereprodukcyjnym. Żeńskie hormony płciowe łożyska oraz jajników płodowych odgrywają w tych procesach jedynie pomocniczą rolę. U człowieka, podobnie jak u większości ssaków, różnicowanie narządów płciowych w kierunku męskim odbywa się więc pod wpływem substaneji hormonalnych wytwarzanych przez jądra płodowe. Natomiast różnicowanie w kierunku żeńskim jest samoistne, tzn. dokonuje się prawie bez wpływu czynników działających z zewnątrz na narządy płciowe, jest więc genetycznie zakodowane w tkankach narządów płciowych ssaków.
CHROMATYNA PŁCIOWA
Barr i Bertram w 1949 r. wykryli w jądrach komórek osobników żeńskich zasadochłonną grudkę chromatyny, która swoją wielkością i zbitością wyróżnia się wśród innych grudek chromatyny jądrowej. Grudkę tę nazywamy chromatyną płciową lub chromatyną płciową X (niekiedy nazywa się ją również ciałkiem Barra). Grudka taka nie występuje lub prawie nigdy nie występuje w jądrach komórek męskieh. W niniejszym podręezniku określenia: chromatyna płciowa, chromatyna płciowa X i ciatko Barra, używane są jako synonimy i określają chromatynę płciową, powstałą w wyniku heterochromatyzacji chromosomu X. Natomiast w jądrach komórek męskieh Pearson i wsp. w 1970 r. stwierdzili istnienie jasno fluoryzujacej grudki. która powstaje w wyniku silnej fluoresceneji części dystalnej ramion długich chromosomu Y. Grudkę tę nazwano ciałkiem Y.
CHROMATYNA PŁCIO#'PA X Chromatynę płciową X bada się najezęściej w rozmazach z nabłonka jamy ustnej lub w leukocytach krwi obwodowej, choć można ją również stwierdzić w komórkach niemal wszystkich innych tkanek organizmu. Dogodnym materiałem do badań chromatyny płciowej noworodków jest owodnia. U normalnej kobiety odsetek komórek w rozmazach z jamy ustnej, w których stwierdza się chromatynę płciową, wynosi ponad 20o/o. W piśmiennictwie podane są również inne wartości tego odsetka u normalnych kobiet, co tłumaczy się różnicami w technice badań poszezególnych autorów. W patologicznych przypadkach można stwierdzić aberracje w chromatynie płciowej, które mogą być jakościowe - mniejsza lub większa niż normalnie grudka chromatyny płciowej albo ilościowe - obecność dwóeh lub więcej grudek chromatyny płciowej w jednej komórce. Określenie chromatyny płciowej X jest istotnym wstępnym krokiem w badaniu garnituru chromosomalnego (ryc. 28). Jest to najprostsza, ehociaż pośrednia, metoda wykrywania aberracji chromosomu płciowego X. Ryc. 28. Chromatyna płciowa X w jądrze komórki z nabłonka jamy ustnej (zazna- czona strzałką).
itariotyp Fenotyp
XO ZespóT Turnera
0 XY .ó Normalny mgżczyzna
0 XX Normalna kobieta XYY ZespóT Klineteltera XXX Kobieta XXX
Ryc. 29. Związek pomiędzy chromosomem X i chromntyną ptciową X.
Bralc chromatyny płciowej, poza normalnymi osobnikami męskimi z kariotypem 46,XY, stwierdza się w przypadkach aberracji chromosomalnych z następującymi kariotypami: 45,X, 47,XYY. Jedną grudkę chromatyny pł"owej stwierdza się nie tylko u osobników płci żeńskiej z kariotypem 46,XX, lecz również w przypadkach z kariotypem 47,XXY, 48,XXYY. Dwie grudki chromatyny płciowej stwierdza się w wypadku kariotypów: 47,XXX, 48,XXXY, 49,XXXYY. Trzy grudki chromatyny płciowej stwierdzono w kariotypach: 48,XXXX, 49,XXXXY; tak więc liczbę grudek w stosunku do liczby chromosomów X można określić wzorem n-I (ryc. 29).
Teoria Lyon
Obecność chromatyny pł"owej w komórkach żeńskich zwróciła uwagę na jej związek z chromosomami X. Zagadnienie tego związku zostało wyjaśnione w teorii opracowanej przez Lyon. Zgodnie z hipotezą tej badaczki we wczesnym
67 okresie życia płodowego (ok. 16 dnia) jeden z chromosomów X w komórkach zarodka żeńskiego zostaje zinaktywowany (unieczynniony), staje się heterochromatyczny i dzięki temu widoczny w postaci grudki chromatyny płeiowej X w komórkach w okresie interfazy. Tak więc w normalnym garniturze żeńskim czynny jest tylko jeden z chromosomów X. Jak wiemy, w ustroju żeńskim chromosomy X różnią się między sobą pochodzeniem: jeden z nieh powstał w matezynej, a drugi w ojcowskiej linii komórek rozrodezyeh.
0 0 / D \ 0 0 D 0 0 0 a / b c
ftyc. 30. VVyniki badań Lyon i wsp. (1964): a - zgodnie z losowym unieczynnieniem jednego z chromosomów X (w jednych komórkach pochodzenia ojcowskiego - zaznaezone prostokątem, a w innych pochodzenia matezynego - zaznaczone kółkiem) u myszy stwierdza się mozaikę dwóch kolorów sierści; b, c - w wypadku, gdyby inaktywacja chromosomu X nie istniała lub tylko chromosom X matezyny czy ojcowski uległ inaktywacji, stwierdzałoby się jednolity kolor sierści (wg Lyon i wsp.modyfikacja).
W części komórek zarodka losowo ulega unieczynnieniu chromosom poehodzenia matezynego Xmat (maternal), w innych natomiast - chromosom pochodzenia ojcowskiego Xpat (paternal). W ten sposób w ustroju żeńskim powstaje swoista mozaika, złożona z komórek X#'nat i Xpat (ryc. 30). Inaktywacji ta jest prawdopodobnie spowodowana metylacją DNA. Ostatnio przyjmuje się, że chodzi raczej nie o inaktywację drugiego z chromosomów X, lecz o to, że istniejący mechanizm aktywacji umożliwia zawsze tylko aktywację jednego chromnsomu X; stąd wszystkie pozostałe pozostają nieaktywne, chociaż nie są inaktywowane. Słuszność hipotezy Lyon znalazła potwierdzenie w pracach innych badaczy, a wnioski teoretyczne z niej wynikające wyjaśniły wiele niejasnych i spornych problemów; można je streścić w następujących punktach: 1. Każdy unieczynniony chromosom X uwidacznia się w postaei grudki chromatyny płciowej X. U osobników majacych dodatkowe chromosomy X - kariotyp 4?,XXX - stwierdzono istnienie dwóch grudek ehromatyny płciowej. Dalsze badania wykazały, że każdy dodatkowy chromosom X jest widoczny w postaci grudki chromatyny płciowej, np. w przypadkach z kariotypem 49,XXXXY stwierdzono obecność trzech grudek chromatyny płciowej. 2. Ponieważ kobieta ma dwa chromosomy X, a mężezyzna tylko jeden, teoretycznie homozygotyczna kobieta powinna np. wytwarzać dwa razy więcej niż mężezyzna globuliny przeciwhemofilowej i dehydrogenazy glukozo-6-fosfo ranowej, a więc substancji białkowych, których synteza uwarunkowana jest przez geny zawarte w chromosomach X. Fakt, że kobieta nie wytwarza tych substancji dwa razy więcej niż mężczyzna, tłumaczy się, w świetle hipotezy Lyon, unieczynnieniem jednego z chromosomów X kobiety. 3. U osobników żeńskich mających dwie populacje czynnych chromosomów: Xpat (paternal) i X#n.at (maternal) nie ujawniają się cechy recesywne sprzężone z tym chromosomem, jak hemofilia lub ślepota na barwy. Mogłoby się wydawać, że jeżeli jeden z chromosomów X kobiety ulega unieczynnieniu, to ma ona tylko jeden czynny chromosom X, podobnie jak mężczyzna. Należy jednak pamiętać o bardzo istotnej modyfikacji. Unieczynnieniu ulega losowo jeden z chromosomów X, pochodzący od ojca albo od matki, i to w ten sposób, że w jednych komórkach unieczynnienie dotyczy X#n.at, a w innych Xpat. Dlatego w organizmie kobiety tworzy się swoista mozaika czynnych Xmat i Xpat. Możemy teoretycznie przyjąć, że jedna połowa komórek kobiety zawiera czynny chromosom X pochodzący od ojca, natomiast druga połowa komórek ma czynny chromosom X pochodzący od matki. Badania autoradiograficzne wykazały, że u normalnej kobiety jeden z chromosomów X dokonuje replikacji DNA później niż inne chromosomy i jest to, jak się okazało, unieczynniony chromosom X, widoczny w kształcie grudki chromatyny płciowej. Badania autoradiograficzne wykazały ponadto, że podobnie późny czas syntezy DNA mają dodatkowe chromosomy X, np. w przypadku kariotypu 47,XXX lub 48,XXXY. W delecji chromosomu X stwierdza się niekiedy małą grudkę chromatyny płciowej, natomiast w przypadku istnienia dużego chromosomu X (izochromosom ramion długich X) stwierdza się zwykle dużą grudkę chromatyny płciowej. Ważny zarówno z punktu widzenia genetyki teoretycznej, jak i genetyki medycznej jest problem, czy zawsze chromosomem ulegającym inaktywacji, a więc widocznym w okresie interfazy w postaci grudki chromatyny płciowej, jest nieprawidłowy strukturalnie chromosom X. Istotne są tutaj badania chromatyny płciowej w przypadkach z aberracjami strukturalnymi chromosomu X. Wielu autorów wykazało, że chromatyna płciowa jest większa niż normalnie w przypadkach, w których, oprócz prawidłowego chromosomu X, stwierdza się izochromosom ramion długich chromosomu X. Osoby z tą aberracją chromosomalną wykazują zwykle cechy zespołu Turnera. Lindsten stwierdzil ponadto, że chromatyna płciowa utworzona przez izochromosom ramion długich chromosomu X jest nie tylko większa niż normalnie, ale zawiera również więcej DNA niż chromatyna płciowa utwnrzona przez prawidłowy chromosom X. Powyższe dane prowadzą do wniosku, że unieczynnieniu ulega zwykle nieprawidłowy, nie zaś prawidłowy chromosom X, co nie jest jednak regułą. Stwierdzono również, że nie cały heterochromatyczny chromosom X ulega inaktywacji. Wykazano bowiem, że w chromosomie tym nie ulega inaktywacji gen odpowiedzialny za wytwarzanie obecnego we krwi antygenu Xg oraz gen odpowiedzialny za produkcje sulfatazy steroidowej. Oba te geny zostały umiejscowione blisko siebie, w części dystalnej ramion krótkich chromosomu Xtak więc najprawdopodobniej ndcinek od Xp22.13 do Xp22.3 nie ulega inaktywacj i.
CIAi,K0 Y
W badaniu chromosomu Y szczególnie istotna okazała się metoda fluorescencyjna. Wykazała ona, po zabarwieniu preparatu mepakryną, wyjątkowo jasną fluoresceneję części dystalnej ramion długich chromosomu Y, co umożliwia jego identyfikację. Badania te wykazały również, że długość fluoryzującego od
69 cinka ramion długich jest różna u różnych osobników. Nie stwierdzono, aby było to związane z cechami fenotypowymi. W okresie interfazy chromosom Y widoczny jest w jądrze komórkowym w postaci małej grudki - wykazującej silną, ostro odgraniczoną fluorescencję - nazywanej ciałkiem Y (ryc. 31). Liczba ciałek Y oraz intensywność ich fluorescencji jest niezależna od czynności jąder lub stężenia wydzielanych androgenów. Ciałko Y stwierdza się w od 30 do 50o/o badanych komórek.
Ryc. 31. Ciałko Y (zaznaczone strzałką) stwierdzone w jądrze komórki cebulki włosa osoby z kariotypem 46,XY (wg Schwingera i Boczkowskiego).
Badanie ciałka Y jest stosowane obecnie jako test przesiewowy (screening test) w poszukiwaniu osobników z chromosomem Y zarówno w prenatalnym, jak i postnatalnym określaniu pł" oraz w wykrywaniu pacjentek z męskim chromosomem Y. Należy jednak pamiętać o tym, że nawet normalni mężczyźni z małym chromosomem Y mogą nie wykazywać ciałka Y z powodu delecji heterochromatycznej części ramion długich chromosomu Y. Również niektórzy pacjenci z mozaiką 45,X/46,XY nie wykazują ciałka Y. W porównaniu z badaniem chromatyny X wykrycie ciałka Y jest mniej czasochłonne, a interpretacja badanego materiału jest łatwiejsza. Badanie ciałka Y wymaga jednak mikroskopu fluorescencyjnego i dlatego jest w Polsce rzadko stosowane. Porównanie wyników badań chromatyny X i chromatyny Y prowadzi do wniosku, że wybór jednej z tych metod zależy od celów oraz możliwości i techniki pracy danego ośrodka.
GENETYCZNA ROLA HETEROCHROMATYNY
Przekonanie, że płeć jest określona wplywem heterochromatyny chromosomów płciowyeh na zasadnicze procesy prowadzące do jej różnicowania, jest starą teorią genetyki. Interesujące i nie rozwiązane zagadnienie stanowi problem, w jaki sposób działa heterochromatyna - czy jest to działanie specyficzne, a więc wpływające na określony proces związany z determinacją płci, czy niespecyfiezne, a więc wpływające na pewne ogólne procesy, których zmiana prowadzi do zróżnicowania płci w ściśle określonym kierunku. Oczywiście, różnica między działaniem specyficznym a niespecyficznym jest płynna. Przeważa pogląd, i wydaje się on bardziej uzasadniony, że działanie to jest niespecyficzne, a więc, że heterochromatyna działa na ogólne procesy rozwojowe we wczesnym okresie płodowym, wpływając na procesy wzrostowe komórek, na rytm podziału komórek oraz metabolizm komórkowy.
i0 U człowieka prześledzono wpływ ilościowy heterochromatyny chromosomów X i Y na wiele cech fenotypowych: szczegółowe badania prowadzono nad poziomem inteligencji, wzorem listewek skórnych opuszek palców oraz nad wzrostem. Polani (1969) stwierdził, że obecność każdego dodatkowego chromosomu X powoduje zmniejszenie ogólnej liczby listewek skórnych o ok. 30, natomiast obecność dodatkowego chromosomu Y tylko o ok. 20 listewek. Wpływ dodatkowych chromosomów płciowych na podwyższenie wzrostu jest niezaprzeczalny, przy czym silniejszy jest wpływ chromosomu Y. Najlepszą ilustracją dla tego stwierdzenia są mężczyźni XYY, których najbardziej charakterystyczną cechą jest wysoki wzrost.
ZESPÓŁ KLINEFELTERA
Zespół Klinefeltera występuje u osobników męskich i charakteryzuje się niepłodnością, eunuchoidalnymi proporcjami ciała oraz dysgenezją jąder (ryc. 32).
W 1956 r. kilku pracujących niezależnie od siebie badaczy wykazało, że w przypadkach zespołu Klinefeltera stwierdza się w komórkach chromatynę
Xgla+! Xg#a+?
Xg(a-))#Xgla+; Xg;a+) M.F
Deuteronopia
Ryc. 32. a - Zespół Klinefeltera u pacjenta M. E. (w środku) z kariotypem 47,XXY; #obok jego dwaj normalni bracia. U obu braci stwierdzono deuteranopię natomiast w przypadku zespołu Klinefeltera widzenie barw było prawidłowe. Wiek chłopców 14, 12 (M. E.) oraz 8 lat; b - drzewo genealogiczne rodziny M. E. Proband zaznaczony strzałką. U obu braci probanda autor stwierdził deuteranopię natomiast proband i jego rodzice mają prawidłowe widzenie barw. Ponieważ obaj bracia mają deuteranopię, natomiast u jednego z nich stwierdzono grupę krwi Xg(a-), a u drugiego Xg(a-#), wskazuje to na rekombinację pomiędzy genami grupy krwi Xg oraz widzenia barw.
71 cji oraz wzajemnych odległości pomiędzy genami umiejseowionymi w chro- #mosomie X. Pozwoliła ona również na przeprowadzenie analizy, jakiego po- chodzenia - matczynego czy ojcowskiego - jest chromosom X w przypad- ku aberracji chromosomalnych, takich jak 45,X, 45,X/46,X, i(Xq) - izochro- mosom ramion długich X, lub 47,XXY.
T a b e I a 9. Pochodzenie dodatkowego chromosomu X w przypadkach z kariotyłpem 47,XXY
Grupa Xg Pochodzenie dodatkowego
ojca matki 47,XXY chromosomu X
matczyne
-.# ojcowskie
+ nie wyjaśnione
Badania wykorzystujące grupę Xg jako znacznik genetyczny, pozwoliły ńa wykazanie pochodzenia chromosomów X w wielu przypadkach zespołu Klinefeltera. Przypadki zespołu Klinefeltera z kariotypem 47 XXY można podzielić na dwie grupy, zależnie od pochodzenia ich chromosomów X: XmatX#n.atY Iub X#n.atXpatY (tab. 9). Obecność dwóch matczynych chromosomów - X#n.atX7n,atY wskazuje na nierozdzielność chromosomów płciowych w czasie oogenezy, natomiast obecność ehromosomu płciowego X ojca - Xnz.atXpatY, wskazuje na defekt w czasie spermatogenezy, gdyż zarówno chromosom X, jak i Y pochodzą od ojca.
WIEK RODZICbW
Lenz, który zebral dane dotyczące ponad 100 przypadków zespołu Klinefeltera z pozytywną chromatyną płciową, stwierdził, że wśród dzieci matek starszych, zwłaszcza powyżej 40 roku życia, częstość zespołu Klinefeltera wynosi aż 14,7#/o. Wykazał on również, że więcej pacjentów, niż można by się tego spodziewać, znajdowało się wśród rodzeństwa młodszego wiekiem.
Stwierdzenie starszego wieku matek oraz ojców, jak również faktu, że pałcjenci byli często ostatnimi dziećmi w rodzeństwie, jest zgodne z obserwacjami wielu autorów. Mogą istnieć dwa wytłumaczenia tego stanu rzeczy: 1) wzrastająca tendencja do nierozdzielności w czasie oogenezy, wraz ze wzrastającym wiekiem matek, 2) wzrastająca tendencja do nierozdzielności w czasie spermatogenezy, wraz ze wzrastającym wiekiem ojców. Dane dotyczące znaczenia wieku ojców są zbyt skąpe, aby można było wypowiedzieć się na temat jego wpływu na powstanie zespołu Klinefeltera, a tym samym określić, w jakim stopniu powstanie tego zespołu jest spowodowane zaawansowanym wiekiem matek, a w jakim starszym wiekiem ojców.
i4 ###czv#N# xx
Dzięki badaniom cytogenetycmym wyodrębniono grupę mężczyzn z normalnym kariotypem żeńskim 46,XX. Pomimo żeńskiego kariotypu mężczyźni ci mają geny determinujące rozwój pierwotnej gonady w kierunku męskim albo w wyniku translokacji części ramion krótkich chromosomu Y do chromosomu X, albo na skutek mutacji genetycznej, która hajczęściej występuje rodzinnie. Etiologia tych przypadków jest całkowicie różna od etiologii zespołu Klinefeltera, lecz pod względem budowy, stanu narządów płciowych i histolog gonad nie różnią się one lub różnią jedynie nieznacznie od zespołu Klinefeltera. Większość mężczyzn, u których stwierdzono kariotyp żeński 46,XX, była na podstawie badania klinicznego oraz obrazu histologicznego jąder klasyfikowana do zespołu Klinefeltera. Dopiero po stwierdzeniu żeńskiego kariotypu 46,XX starano się znaleźć różnice pomiędzy tymi przypadkami a typowymi przypadkami zespołu Klinefeltera. Różnice te są zbyt małe, aby można było mówić o typowo odmiennym od zespołu Klinefeltera z kariotypem 47,XXY obrazie klinicznym mężczyzn XX (ryc. 35). Również czynność hormonalna tych paejentów jest taka sama, jak w zespole Klinefeltera z kariotypem 47,XXY. Wykrycie mężczyzn z kariotypem żeńskim 46,XX wniosło nowe fakty do badań nad determinacją i różnicowaniem płci. Nie poznaliśmy jednak w pełni etiologii tej anomalii rozwoju płciowego, czego dowodem może być kilka hipotez dotyczących rozwoju fenotypu męskiego u osobników z garniturem chromosomalnym żeńskim 46,XX, a mianowicie: 1. Nie wykryta mozaika z linią komórkową mającą chromosom X. 2. Translokacja części lub całego chromosomu Y do innego chromosomu. 3. Utrata chromosomu Y we wczesnym okresie rozwoju zarodka z kariotypem 47,XXY. 4. Wykazywanie defektu chromosomalnego nie jest konieczne do wytłumaezenia patogenezy mężczyzn XX. Powstanie tej anomalii może być wynikiem mutacji genu związanego z różnicowaniem płciowym, a umiejscowionego na chromosomie nr 6, z którym sprzężony jest gen strukturalny kodujący antygen H-Y; lub genu kontrolującego produkcję antygenu H-Y, który sprzężony jest z chromosomem X. W świetle opublikowanych ostatnio danych wydaje się, że przyczyną powstania zespołu mężczyzn XX jest, w wielu przypadkach, translokacja części terminalnej ramion krótkich chromosomu Y na chromosom X. Evans i wsp. w 1979 r. wykazali bowiem, że u 8 na 12 badanych mężczyzn z kariotypem 46,XX występuje translokacja pomiędzy końcami ramion krótkich chromosomów X i Y (translokacja Yp#Xp). Ostatnio metodą hybrydyzacji i# situ (sonda pD105) potwierdzono translokację Yp na Xp u mężczyzn XX (An#derson 1986). Również czwarta z wysuwanych hipotez znajduje potwierdzenie, szczególnie w badaniach przypadków mężczyzn XX występującyeh rodzinnie. Badania ostatnich lat wykazały więc, że różne przyczyny mogą prowadzić do powstania mężczyzn z żeńskim kariotypem 46,XX. Istotne okazało się również oznaczenie u mężczyzn XX antygenu H-Y, które wykazało, że stężenie jego jest takie jak u normalnych mężczyzn XY, lub jedynie nieznacznie zmniejszone, co wskazuje na genetyczną etiologię tego zespołu. Obszernego przeglądu mężczyzn z kariotypem 46,XX dokonał de la Chapelle. Stwierdził on, że średnia wzrostu w populacji mężczyzn XX jest niższa od średniej wzrostu w populacji normalnych mężczyzn lub zespołu Kli
75 Ryc. 35. Mężczyzna z kariotypem 46,XX stwierdzonym w krwinkach bialych oraz w komórkach skóry i jąder: a - mężczyzna XX (Z. W.) w wieku lat 32. Zwraca uwagę męska budowa paejenta; b - zewnętrzne narządy płciowe; c, d = obraz histologiczny jąder.
nefeltera z kariotypem 47,XXY. Stan kliniczny pacjentów, obraz histologiczny jąder oraz wydzielanie hormonów płciowych są podobne jak w zespole Klinefeltera lub w zespole del Castillo. Częstość występowania osobników męskich z kariotypem XX wynosi ok. I :25 000 noworodków. Męski rozwój pł"owy z obecnośeią żeńskiego kariotypu opisano nie tylko
76 u człowieka, lecz również u kóz, świń oraz myszy. Występowanie tej ano- malii u kóz jest związane z obecnością autosomalnego, recesywnego genu Po- lled w stanie homozygotycznym, natomiast u myszy z #becnością autosomal- nego, dominującego genu Sxr.
M#ŻCZYŹNI XYY
Jacobs i wsp. (1965 r.) stwierdzili wśród mężczyzn przetrzymywanych w zakładach zamkniętych z powodu swego agresywnego zachowania ponad 2o/o osobników z kariotypem 47,XYY, a więc z dodatkowym chromosomem Y. Byli oni mężczyznami o wysokim wzro#cie i o agresywnym zachowaniu (wrogi stosunek do otoczenia, pobicia, drobne przestępstwa). Badaniem ogólnym stwierdzono u nich prawidłowy rozwój wszystkich cech męskich, a więc prawidłową męską budowę ciała oraz owłosienie lonowe i klatki piersiowej typu męskiego; zewnętrzne narządy płciowe były prawidłowo męskie, jądra prawidłowej wielkości i konsystencji. Na podstawie powyższych obserwacji Jacobs i wsp. (1965 r.) sugerowali, że obecność dwóch chromosomów Y predysponuje do nieprawidłowego, agresywnego zachowania. Problem ten wzbudził i nadal wzbudza wiele kontrowersji, zarówno medycznych, jak i etycznych. Wiadomo bowiem, że tylko czgść osób z kariotypem 47.XYY wykazuje agresywne zachowanie, natomiast większość z nich prowadzi normalne życie, a jedyną cechą występującą u wszystkich jest wysoki wzrost, który wynosi najczęściej od 180 do 186 cm. Nie#tórzy lekarze i psycholodzy są więc zdania, że w razie stwierdzenia kariotypu 47,XYY nie powinno się informować o tym ani badanego, ani jegn rodziców, by nie spowodować zaburzeń w jego adaptacji społecznej i osobistej. Należy jednak jasno stwierdzić, że u wszystkich osób z kariotypem 47,XYY ujawniają się pewne eharakterystyczne cechy osobowości, które mogą prowadzić do nieprawidłowego zachowania. Są to: 1) zwiększona pobudliwnść emocjonalna, 2) zmniejszone panowanie nad emocjami, 3) zmniejszona zdolność pokonywania strachu i obaw, 4) brak pełnej dojrzałości psychicznej, charakteryzujący się istnieniem wielu cech infantylnych. Większość mężczyzn XYY jest płodna. W pojedynczych przypadkach stwierdza się zaburzenia spermatogenezy, niedorozwój zewnętrznych narządów płciowych oraz hipogonadyzm. Częstość występowania kariotypu 47,XYY wynosi u noworodków 1:1000.
KOBIETY XXX
Pierwszy przypadek z kariotypem 47.XXX (ryc. 36) został opisanv przez Jacobs i wsp. w 1959 r.; była to kobieta z wtórnym brakiem miesi#czki, u której nie stwierdzono żadnych innych anomalii płciowych, cielesnych lub też w rozwoju umysłowym. Jako ciekawostkę warto wspomnieć, że już wcześniej badaeze przewidywali istnienie kariotypu z trzema chromosomami X i spodziewawszy się znaleźć taki kariotyp wśród nsób o wybitnie knbiecych cechach (super female) pod,jęli badania cyto#enetyczne wśród aktorek i statystek filmowych. Badania te doprowadziły też nieoczekiwanie do wykrycia kilku przypadkńw z kariotypem 46,XY, rozpoznanych jako zespół feminizujących jąder (zespół nie
77 wrażliwości na androgeny). Można też dodać, że kobiety XXX bynajmniej nie odznaczają się ani szczególną urodą, ani prawidłowością w hormonalnej czyn= ności jajników.
U kobiet z aberracją chromosomalną XXX nie wykryto żadnych charakterystycznych zmian somatycznych, które ułatwiłyby rozpoznanie kliniczne. Jedynie w niektórych przypadkach stwierdzono zaburzenia miesiączkowania, wtórny brak miesiączki, przedwczesną menopauzę oraz niski stopień inteligencji. U dzieci tych kobiet, wbrew przewidywaniom, rzadko stwierdza się aberracje ehromosomałne. Można bowiem było przypuszczać na podstawie kariotypu matek 47,XXX, że część komórek jajowych (gamet) musi mieć po jednym, a część po dwa chromosomy X. Brak anomałii chromosomalnych u potomstwa kobiet XXX można tłumaczyć mechanizmem, który sprawia, że w procesie mejozy oocyt II rzędu z dwoma chromosomami X staje się ciałkiem kierunkowym, natomiast dojrzewa jedynie prawidłowy oocyt II rzędu z jednym chromosomem X. Częstość występowania kariotypu 47,XXX wynosi u noworodków 1:1000.
ZESP6Ł TURNERA
Zespół Turnera chnrakteryzuje się występowaniem u kobiet niskiego wzrostu, aplastycznych dysgenetycznych gonad, infantylnych narządów płciowych oraz licznych wad somatycznych, takich jak płetwistość szyi, koślawość łokci, wady wrodzone układu moczowo-płciowego, krążenia i inne (ryc. 37). Badanie cytogenetyczne wykazuje najczęściej kariotyp 45,X lub mozaikę 45,X/ /46,XX.
78
Ryc. 36. Kariotyp 47,XXX w badaniu fluorescencyjnym. Ryc. 37. u - przypadek zespoiu Turnera w wieku lat 18. Zwraca uwagę niski. wzrost oraz charakterystyczna sylwetka z puklerzowatą klatką piersiową. Nieznaczny rozwój piersi i owłosienie łonowe wystąpiły po leczeniu hormonalnym; b - płetwista szyja, niskie zarastanie włosów na karku i liczne znamiona barwnikowe na plecach; c - skrócenie IV i V kości śródręcza; d - skrócenie IV i V kości śródstopia dające w wyniku cofnięcie IV i V palca.
ETIOLOGIA I PATOGENEZA Przyczyną powstania zespołu Turnera jest brak informacji genetycznej drugiego chromosomu płciowego we wszystkich lub w części komórek organizmu. Powoduje to spaczenie procesów rozwojowych i wzrostowyeh komórek, co daje w wyniku wady wrodzone w obrębie tkanek i narządów.
?# Wiadomo, że zmiany, które charakteryzują zespół Turnera, dotyczą przede -wszystkim gonad, kości oraz tkanki łącznej. Milcou i wsp. wykazali, że zmiał:ny histopatologiczne występujące w kościach osób z zespołem Turnera są podobne, choć nie tak nasilone, jak te, które stwierdza się w achondroplazji, #co wyjaśnia, dlaczego wzrost tych osób jest niski, pomimo dużej lub normalnej zawartości hormonu wzrostu. Na podstawie powyższych danych można uważać, że nieprawidłowości -stwierdzane w zespole Turnera, zarówno somatyczne, jak i gonadalne, mają :swe źródło we wspólnym defekcie tkanek pochodzenia mezodermalnego, takich jak kości, tkanka łączna oraz komórki somatyczne gonady, zarówno folikularne, jak i mezenchymalne. Informacja genetyczna dwóch ehromosomów X lub jeśli zaakceptować hipotezę Hamertona (1969 r.) o znaczeniu heterochromatyny - regulującej wpływ drugiego heteroehromatycznego chro:mosomu płciowego - są konieczne do prawidłowego przebiegu procesów odgrywających podstawową rolę w rozwoju i funkcjonowaniu tkanek po-chodzenia mezodermalnego. Brak tej informacji i zaburzenie tych procesów .jest przyczyną powstania zespołu Turnera.
#BADANIA CYTOGENETYCZNE
#Badania cytogenetyczne wykazały, że zespół Turnera jest spowodowany mo.nosomią chromosomu X całkowitą - kariotyp 45,X, lub częściową - mozaika 45,X/46,XX i podobne, albo aberracjami strukturalnymi jednego z ł#hromosomów X, najczęściej w postaci delecji ramion krótkich lub długich tego chromosomu. Jeżeli jednak delecja ramion krótkich chromosomu X pro:wadzi zawsze do wystąpienia objawów zespołu Turnera, to delecja ramion ługich tego chromosomu, w postaci kariotypu 46,XX,de1(Xq) lub 46,X,i(Xp), ,może prowadzić tylko do uformowania się aplastycznych gonad, przy zachowaniu normalnego wzrostu i braku innych objawów somatycznych zespołu #Turnera. W większości przypadków zespołu Turnera nie stwierdzono chromatyny płciowej. Prawie we wszystkich tych przypadkach badania cytogenetyczne wykazały brak jednego chromosomu płciowego i kariotyp 45,X. Pacjentki z tym #kariotypem stanowią największą grupę przypadków zespołu Turnera. Drugą grupę stanowią pacjentki z pozytywną chromatyną płciową, u których najczęściej stwierdza się mozaikę chromosomalną 45,X/46,XX. Przypadki z kariotypem 45,X są zwykle bardziej upośledzone pod wzglęłńem klinicznym niż przypadki, w których występuje drugi chromosom X, #chociażby w części komórek (mozaika 45,X/46,XX). Rozdwojenie aorty, płetwistość szyi oraz inne wady są najczęściej stwierdzane wśród pacjentek z ka#iotypem 45,X. Wprowadzenie prążkowych technik cytogenetycznych pozwoliło na dużo #aęstsze stwierdzanie aberracji strukturalnych chromosomu X u pacjentek z zespołem Turnera. Na przykład, autor w prowadzonych przez siebie badaniach stwierdził wśród 104 badanych przypadków zespołu Turnera w: 61 przypadkach kariotyp 45,X oraz brak chromatyny płciowej X; 22 przypadkach mozaikę chromosomalną 45,X/46,XX, częstość występowania chromatyny płciowej X od 6 do 32#!!#; 4 przypadkach mozaikę chromosomalną 45,X/46,XY oraz brak chromatyny płciowej X ; 1 przypadku mozaikę chromosomalną 45,X/47,XYY oraz brak chromatyny płciowej X ;
80 ftyc. 38. Kariotyp 46,XX,de1(Xp) (wg Boczkowskiego i Mikkelsen)
6 - Z.arys genetyki 81
# przypadku normalny kariotyp męski 46,XY oraz brak chromatyny płcio- wej X ; 15 przypadkach aberracje strukturalne chromosomu X, w tym w: - 3 przypadkach kariotyp 46,XX,de1(Xp) - delecja ramion krótkich chro- mosomu X (ryc. 38}, chromatyna płciowa X - 0, 16, 20o#o;
ttve. 39. Kariotyp 46,X,i(Xq) (wg Boczkowskiego i Mikkelsen) 82
Ryc. 41. Kat#otyp 46,X,dup(X) (qter -# g21: :q21 --ł qter) (wg Boczkowskiego i lVlik- kelsen). - 2 przypadkach kariotyp 46,XX,de1(Xq) - deleeja ramion długich chromosomu X, chromatyna płciowa X - O,Oo/o; - 2 przypadkach kariotyp 46,X,i(Xq) - izochromosom ramion długich chromosomu X (ryc. 39), chromatyna płciowa X - 10, 14o/o; - 2 przypadkach kariotyp 46,X,dup(Xq) - duplikaeja części ramion długich chromosomu X (ryc. 40 i 41), chromatyna płciowa X - 12, 29oi'o; #- 2 przypadkach mozaikę chromosomalną 45,X/46,X,r(X) - kolisty chromosom X, chromatyna płciowa X - 0,5o/o; - 1 przypadku kariotyp 46,dic i(Xq) - dicentryczny izochromosom ramion długich X, chromatyna płciowa X - 20o/o; - 3 przypadkach mozaikę chromosomalną 45,X/46,X,dic i(Xq) - chromatyna płciowa X - 14, 17, 32o/o.
Ryc. 42. Prążki QFQ oraz RBA u pięeiu pacjentek z następująeymi aberracjami chromosomu X: 4B,X, i(Xq); 46,X, i(Xq); 49,XXX; 4B,X,dup(X) (qter # pll : :qll # qter) ; 46,X,dvp(X) (qter # p21: : q21 -# qter) (wg Boczkowskiego i Mikkelsen).
We wszystkich przypadkach z aberracjami strukturalnymi chromosomu X nieprawidłowy chromosom X był późno replikujący (ryc. 42 i 43). Badania te pozwolżły również na podzielenie przypadków zespołu Turnera pod wzglę
83
Ryc. 43. Prążki QFQ, RBA i CSG u czte- rech pacjentek z następująeymi aberracja- mi chromosomu X : 4B,X,dic i (Xq) (pll) ; 45,X/46,X,dic i(Xq) (pll); 45,Xl46,X, dic i(Xq)(pll); 45,X/46,X,dżc i(Xq)(pll) (wg Boczkowskżego i Mikkelsen). dem cytogenetycznym na cztery grupy (kolejność według częstości wyst2powania) : 1) przypadki z monosomią całkowitą chromosomu X - kariotyp 45,X 2) przypadki z monosomią ezęściową chromosomu X - mozaicyzm 45, X/46,XX, 3) przypadki z aberracjami strukturalnymi chromosomu X, 4) przypadki z obecnością chromosomu Y. Nie udało się stwierdzie, jaki czynnik czy też czynniki etiologiczne powodują powstawanie "berraeji chromosomalnych będących przyezyną zesoołu Turnera. Nie wykazano rodzinnego przenoszenia tej anomalii. Opublikowano jedynie poje-dyneze doniesien:a o występowaniu zespołu Turnera wśród rodzeństwa. Opisano również kilka rodzeństw, u których stwierdzono #vystąpienie zarówno przypadków zespołu Turnera, jak i Klinefeltera. Wskazu#A to na rodzinną predyśpozycję do nieroz#zielnoś" chromosomów płciowych w komórkach płciowych ich rodziców. Nie stwierdzono starszego wieku matek lub ojców pacjentek z zespołem Turnera; stwierdzono natomiast częstsze występowanie tego zespołu wśród dzieci urodzonych przed 21 rokiem życia matki. Częstość występowania kariotypu #5,X wynosi u noworodków 1:10 000. Ponieważ kariotyp 45,X wyśtępuje w blisk# połowie przypadków zespołu Turnera, można przyjąć, że częstość występowania tego zespołu wynośi 1:#000 noworodków, czyli 1:2500 noworodków płci żeńśkiej.
P#CHODZEl#IE CHROMOSOMU X
Badanie grupy krwi Xg u pacjentki z zespołem Turnera i kariotypem 45,X oraz u jej rodziców pozwala niekiedy na stwżerdzenie, czy chromosom X w przypadku zespołu Turnera pochodzi od ojca, czy matki (tab. 10).
T a b e 1 a 10. Pochodzenie chromosomu X w przypadkach z kariotypem 45,X
Grupa Xg Pochodzenie chromosomu # ojca matki 45,X
matezyne ojcowskie
:iie wyjaśnione
Jeśli pacjentka z objawami zespołu Turnera i kariotypem 45,X ma antygen grupy Xg, co oznaczamy symbolicznie Xg(a-I-), i taką samą grupę krwi Xg(a+) ma jej matka, matomiast u ojca brak jest tego antygenu, to cfZromosom X pacjentki jest pochodzenia matezynego, a brak jest chromosomu płciowego pochadzenia ojcowskiego (ryc. 44). Gdyby w przedsta#vionym powyżej przykładzie ojciec był, podobnie jak matka i córka, Xg(a-f-), to łnie można byłoby wysunąć wniosku co do pochodzenia chromosomu X u córki. Istnieją jeszeze inne możliwości wystąpienia tej grupy. Zarówno ojciee, iak i matka mogą być Xg(a-I-), natomiast ich dziecko z kariotypem 45,Y iest Xg(a-). Ponieważ obecność antygenu Xg jest cechą dominującą matka uia
84 . 9 a
# c' =:5 '.c,a'# c #=-c zes^ól ##; "F,
##lr.4
5#c. 44. rze#i,o genealog:czne przypadku zespolu Turnera z kariotypem 4:i.X; auter stwierdził, że chromosom X jest tutaj pochodzenia matezynego, a brak ::atumiast chrosnosornu płcio#vego poehodzenia ojcowskiego. Poniżej symboli poetano ł## iels osób.
Gvnia#ąca tc;n antygen, a ##ięc bgdąca fenotypowo Xg(a=#), jest genotypowo `;g(a # ; Xg(a-). Oznacza tc;. że w jednym z jej ehromosomów X jest allel źg(a7-) odpowiedzialny za wytwarzanie an2ygenu Xg, natomiast allel dru#i#go chromosomu X jest Yg(a-). Ponieważ ojcier o fenotypie Xg(a-i-) ma #-lko jeden chI-omosom płciowy X, więc w obrębie tego jednego chromosomu #i musi być umiejsco##.#iony gen odpowiedzialny za wytwarzanie ant#-genu Xg. ,Teżeli wige ciziecko tych rodziców jest Xg(a-), to jego jedyny chromosom X jest pochodzenia matezynego. W sytuaeji, gdy matka jest X#(a#-), ojciec Xg(a-), a dziecko z kariotypem #+,5X jest fenotypowo Xg(a-), nie można wysunąć żadnych wniosków co do pochodzenia jego chromosor:zu X. Jeżeli bowiem matka jest heterozygotą w stosunku do tej ceehy, a wige #enotypowo Xg(a-f-) Xg(a-), to chromosom X może być zarówno pochodzenia matezynego, jak i ojcowskiego.
#ZYSTA #Y#GENEZ#A GON:##l
Czysta dysgenezja gonad charakteryzuje sig #i#ystępowaniem u kobiet aplastyc,nych gonad i towarzyszących im cech w postaci eunuchoidalnej budow,y ciała oraz braku rozwoju piersi bez innyeh anomalii somatycznych opisywanych w zespole Turnera. takich jak niski wzrost czy inne wady udowv ciała. Jest to ##-igc zespół związany jedynie z brakiem produkeji horn,onalnej gonad, i to zarówno w okresie płodowym, jak i życia osobniczego, co zgodnie z doświadezeniami Josta prowadzi do rozwoju eunuchoidalnego fenotypu żeńskiego, niezależnie od kariotypu pacjentki. LT przeważającej większości ko#iet z czystą dysgenezją gonad stwierdza sie więc normalny kariotyp albo żeński, albo rzadziej męski; w obu grupach przypadków stwierdzono rodzinne wystgpowanie. Jeclynie w pojedynezveh przypadkach występują aberracje liczbowe lub strukturalne chromosomu płciowego X czy Y, najezęściej w postaci mozaiki 45 X!46,XX I,.zb kario# 'pu #S X,del(Xq), albo kariotypu 47.XYY lub 46,X,de1(Yp) Przeprowadzone przez aL:tora porównanie fenotypu pacjentek z kar;nty= uem żeńskim i mgskim nie ##,vkazało istotnych różnic w ich stanie klini#znym i fenotypie, z wyjątkiem wzrostu. Średnia wzrostu pacjentek z ka#,iotyp#m 46,XX była bowiem o 6.1 cm niższa od średniej wzrostu pacjentek z kariotypem 46,XY. co wskazuje na genetyczny wpłycv chromosomu Y na ##rzrost, nie związany z cz##nnością jąde:. W przypadkach czystej dysgenezji gonad z kariotype:łn żeńskim 46,XX nie s2#;#ieraza się obecności antygenLz H-Y. Przypadki z kariotypem 46,XY można natomiast podzielić na mające antygen H-Y oraz pozbawione tego anty
85 genu. Osoby z antygenem H-Y miały prawdopodobnie przez krótki i wezesny okres życia płodowego tkankę jądrową, która całkowicie później zanikła. Przypadki te nie występują rodzinnie, a przyczyną ich powstania mogły być różne czynniki teratogenne, w bardzo wezesnym okresie uszkadzające jądra p#odowe. Natomiast przypadki z kar#otypem 46,XY, które nie mają antygenu H-Y, występują często rodzinnie, co.świadezy o tym, że przyczyną ich występowania nie jest czynnik teratogenny, leez mutacja genu znajdującego się w chromosomie X lub autosomie, gdyż cecha ta jest przenoszona pizez fenotypowo normalne kobiety na ich genetycznie męskie potomstwo.
Simpson i wsp. (1981) wykazali, że oprócz rodzin, w których czysta dysgenezja gonad XY jest dziedziczona jak# cecha reeesywna sprzężona z chromosomem X, istnieją również rodziny, w których jest ona dziedziczona jako cecha recesywna autosomalna; ograniczona do płci męskiej.
ZESPÓŁ NIEWRAŹLIWOŚCI NA ANI#ROGENY
Jednostką kliniuną nie związaną z aberracjami chromosomalnymi jest również zespół niewrażliwości na androgeny, nazywany dawniej zespołem feminizują#ych jąder, w którym stwierdza się normalny kariotyp rnęski u pacjentek o żeńskńm fenotypie, z dobrym rozwojem piersi i kobiecymi zewnętrznymi narządami płciowymi. Badania prowadzone w ciągu ostatnich kilku lat dostarezyły przekonywających dowodów na to, że defekt powodujący brak wpływu androgenów w tym zespole jest wywołany zaburzenżami syśtemów stanowiących pośrednie ogniwo w działaniu testosteronu lub jego pochodnych na docelowe akceptory. Tak więc w zespole tym jądra wydzielają wyśtarezające do maskulinizaeji ilości androgenów, jednak androgeny te nie zostają zużytkowane przez organizm. Przyezyną zaburzeń jest w ezęści przypadków defekt eytoplazmatycznego białka receptorowego, które w obrębie komórki przekazuje z kolei cząsteczki androgenów do receptorów jądrowych; w części pr#ypadków natomiast, pomimo obecności prawidłowego cytoplazmatycznego białka receptorowego, nie dochodzi do wply#vu hormonu na akeeptor jądrowy. Takim akceptorem jądrowym może być albo białkowy represor, który po połączeniu się z testosteronem traci swoje hamujące działanie, albo odpowiedni odeinek DNA chromosomu. Zespół ten, spowodowany mutacją genetyczną, jest przenoszony przez fenotypowo normalne kobiety na ich genetycznie męskie potomstwo, jako eecha dominująca autosomalna ograniczona do płci męskiej, lub jako cecha recesywna sprzężona z chromosomem X. Analiza rodowodów, w których stwierdzono wiele pacjentek z tym zespołem, nie pozwoliła, jak na razie, na określenie, która z powyższych hipotez dotyczących jego dziedziczenia jest słuszna. Badania myszy, wśród których również występuje taki zespół, pozwnliły jednak na stwierdzenie, że jest on dziedziczony jako cecha recesywna sprzężona z chromosomem X, #o wobec dużego podó#ieństwa roli chromosomu X u ssaków pozwala przypuszezać, że ten typ dziedziczenia występuje również u l,.xdzi. Zostało to ostatecznie potwierdzone umiejscowieniem genu odpowiedzialnego za wytwarzanie specyficznego eyt#plazmatycznego białka receptorowego w stosunku do an#r#genów w części przycentromerowej ramion krótkich chromosomu X człowieka.
86 #ODSUMOWANIE
Cyto#enetyka człowieka w pierwszym o#sresie swojego rozwoju dokonała szezególnie dużego postępu w badaniu aberracji chromosomów płeiowych. Badania te pozwoliły na stwierdzenie, że zespół Turnera jest spowodowany monosomią chromosomu X, cał:rovcńtą (:tariotyp 45;X) lub częściową (mozaika 45,X/46,XX i po#obne) albo aberracjami strukturalnymi jednego z chro#nosomów X. #V ze.spole Klinefeltera badania eytogenetyczne wykazały, że jest on spowodowany obecnością jednego lub kilku dodatkowych chromosomów X przy jednoćzesnym iśtnieniu chromosomu Y (.kariotyp 47,XXY, mozaika 46.XX/47,vXY i inne). Badania cytog#netyczne pozwoliły na określenie etiologii chromosomalnej wielu innych przypadków nieprawidłowej determinacji i różnicowania płci oraz na sprecyzowanie mechanizmu genetycznej determinacji płci, w którym decydującą rolę odgrywa męski chromosom Y. Określenie grupy krwi Xg, której gen jest umiejscowiony w chromosomie X, umożliwia przeprowadzenie analizy, jakiego pochodzenia jest chromosom X w przypadkach aberraeji chromosomalnych, takich jak 45,X, 47,XXY i podobne. Chromatynę płciową możemy podzielić na stwierdzaną w jądrach komórek żeńskich chromatyn#,płciową X oraz na stwierdzaną w jądrach komórek męskich, jasno fluoryzującą grudkę nazywaną ciałkiem Y. Szybki postęp w badaniu aberracji chromosomów płciowych był możliwy dzięki pomocniczemu testowi chromatyny płciowej X, który jako proste, wstępne badanie diagnostyczne pozwolił na wyłowienie z wielkich populacji nielicznych stosunkowo przypadków nieprawidłowej determinacji płci. Z drugiej strony analiza cytogenetyczna potwierdziła oraz wyjaśniła weześniejsze badania nad występowaniem negatywnej chromatyny płciowej X w przypadkach zespołu Turnera oraz pozytywnej w przypadkach zespołu Klinefeltera. Istnieją również zespoły nieprawidłowego rozwoju płciowego, takie jak czysta dysgenezja gonad lub zespół niewrażliwości na androgeny, które są spowodowane nie aberracjami chromosomalnymi, lecz mutacjami genetyćznymi. #. .,#berra#je autosoma####
Krzysztof Boczkot,uski.
#a;c:zęściej stwierdzanymi aberracjami autosoznalnymi s# trisomie, które powodują nieprawid#owości w rozwoju osobnika wskutek nadmiaru materiału genetycznego. Do chwili obecnej nie opisano natomiast osobnika z calkowitą monosomią któregoś z autosomów, gdyż ma to skutki letalne, z wyjątkiem nien;owląt z monosomią 21, które zwykle nie żyją dłużej niż kiika minsięcy. Należy zdać sobie sprawę, że na ogół żadna anomalia fenotgpowa nie występuje wyłącznie w jednym zespole chromosomalnym lecz że każdy z nich charakteryzuje się współistnieniem wielu anomalii, które z większą częstością występują właśnie w danym zespole chromosomalnym.
Mażna jednak stwierdzić, że pewne charakterystyczne objawy wysżępuja tak rzadko w żnnych zespołach chorobowych, że są one charakterystyczne tylko dla określonego zespolu. Na przyklad dla zespołu delecji 5p - charakteryst5#ezny jest płacz przypominający miauczenie kota* oraz przedwezesne si
Ryc. 4:i. Wspólne objawy występujące w trżsomiach autosomalny ch (## # Vogela i #1otulskiego).
* #tąd francuska nazwa zespołu - cri du chat.
88 wienie włosów. Natomiast dla trisomii chromosomów nr 13 c#arakterystyczna jest polidaktylia rąk i stóp oraż przetrwanie hemoglobiny płodowej (HbF). Dla trisomii 18 charakterystyczne jest zachodzenie drugiego palca ręki na trzeei, a piątego na czwarty. U prawie wszystkich osób z aberracjami autosomalnymi v#ystępuje natumiast większy lub mniejszy stopień niedorozwoju umysłowego (r5- c. 45). Fakt ten nie wzbudzi zdziwienia, jeśli uświadomimy sobie, jak bardzo skotnnlikowanym organem jest ośrodkowy układ nerwowy. Również zmniejszenie wzrostu lub jego wyraźne zaburzeńia występują w większośei zespołów chromosomalnych, z wyjątkiem trisomii chromosomów nr 8 oraz trisom ramion krótkich chromosomów nr 20. Dalsze charakterystyczne objawy to zniekształcenia czaszki i twarzy. a zwłaszeza małżowin usznych, oraz wady serea. W niniejszym rozdziale przedstawiono zespoły chorobowe, w których stwierdza się anomalie autosomalne. Większość tych chorób, jak zespół "cri du chat". zespół Patau" lub zespół Edwardsa, zostala wyodrębniona dzięki badanior#s eytogenetycznym. Natomiast najezęściej #i- ystgnującym i ma;ącym naj###iększe znaczenie kliniczne jest zespół Downa.
##SPÓł. DO##NA
##ajezęśeiej stwierdzanvnzi objawami zespolu Downa, oprócz niedorozvvoiu umysłowego, są: niski wzrost, nieprawidło#x,e ;#roporeje ciała, skośne u# awienie s?par powiekowyeh z obecnością zmarszezki nakątnej, obniżenie napięcia mięśniowega, niepra#vid?owości zębów, duży, pobrużdżony język. wvsol:ie i wąskie podniebien:e, krótki nos, krótka szyja, krótkie sz#rokie dłonie i palce, charakterystyczne nieprawidłowości dermatoglifów oraz wiele #;#ad wrodzonych narządów wewnętrznych (ryc. 46). Pomimo znacznego upośledzenia umysłowego osoby te mają możliwość osiągniecia pewnegó stopnia rnz
Rye. 47. Dwa przypadki zespołu Downa. Zwracają uwagę charakterystycme rysy
Ryc. 48. Kariotyp 47,XY,+21 w badaniu fluoreseencyjnym (wg Mikkelsen). woju umysłowego i występują u nich typowe cechy charakterologiczne, takie jak pogodne usposobienie, dość dobrze rozwinięty instynkt społeczny, zdolnośE do naśladownictwa, upór. Nazwa zespołu, zwanego dawniej mflngolizmem, została mu nadana przez #ego odkrywcę J. L. Downa, który w 1866 r. opisał grupę osób niedorozwiniętych. Ponieważ wygląd ich sugerował pewne eechy orientalne, Down nazwał stwierdzony przez siebie zespół mongolizmem (ryc. 47). Zespół Downa został opisany zarówno w populacji narodów europejskich, jak i u ludów Wsehodu oraz u Murzynów, pie ma więc pow#du przypuszezać, że cechy zespołu Downa mają związek z rasą mongolską. Zespół Downa jest dość rozpowśzechniony; częstość jego w populacji ogólnej wynosi 1:800. Około l0o/o wszystkich ch#rych w zakładach dla umysłowo upośledzonych przebywa z rozpoznaniem tego zespołu. W 1959 r. Lejeune i wsp. udowodnili etiologię chromosomalną zespołu Downa. Dalsze batlania cytogenetyczne wykonane na dużych grupach pacjentów potwierdziły w pełni związek zespołu Downa z obecnością dodatkowego chromosomu 21. Dodatkowy chromosom występujący w zespole Downa określono jako chromosom 21 i chociaż późniejsze badania udowodniły, że jest
Ryc. 49. a - kariotyp 46,XY,-21,-f-t(21q;21q), b, c - chromosomy 19 -- 22 z innych komórek. Prążki G (wg Philipa).
91 to najmniejszy chromosom w #arniturze chromo omalnym człowieka, a wiĘc ten, który powinien być określony jako 22, zachowano jego numerację jako 21. Badania cytogenetyczne wykazały d#r#a zasadnicze typy aberracji chromosc,malnych. I. Zespół Downa z prostą trisomią 21, z liczbą 47 chromosoznów (ryc. 48j. Dzieci te są zwykle urodzone z matek w starszym wielsu. 2. Zespół Downa z translokacją (ryc. 49). Chociaż u osób tych stwierdzamy 46 chromosomów, to jednak podobnie jak w cytowanych powyżej przypaclkach z trisomią 21, występuje u nich nadmiar materiału #enetycznego w postacń translokacji dodatkowego chromosomu 21 do innego akrocentrycznego ehromosomu z grupy G lub D, tzn. trisomia z translokacją. Częstość występowania trisomii chromosomu 21 wynosi u noworodków I:#o0. Ponieważ w zespole Downa, opró#z najezęściej występującej trisomii chromosomów 21, występują również inne aberracje chromosomów 21, głównie w postaci translokacji, częstośe występowania zespołu Downa jest oceni##na jako 1:#00 noworodków. Śmierte?ność osób z zespołem Downa jest nieco wieksza niż osobników noz-malnych i dlatego częstość występowania zespołu Downa w populacji ogólnej wynosi 1:800.
T#i. #NSLO##LJ # ZR6WN#OWA#f7NA
O translokacji zrównoważonej mciwimy wówezas, gdy posiadająca ją osn'#a nie wykazuje zmian fenotypowych, gdyż ma pełny, prawidłowy zespół genów (genom). Przykładem takiej translokacji może być matka (lub ojciec) dziecka z zespołem Downa - określana jako nosicielka, u której stwiezłdza się
Nosieielka
D 21I0 21
D D 21 Z1 D ilJD 21 21 D 21ID 21 D D 21 Normalny Ześpór Downa Nosicielka A.ntymongol:z#
b c
Rye. 50. Sehematyczne przedstawienie aberracji chromosomalnych, jakie nzo#4 ;7o# ##-stae u potomstwa matki z 45 chromosomami i translolcacja 21/D (nosicielkal: a - prawidłowy garnitur chromosomalny, osobnik normalny, b - obecnośe translokacji 21%D oraz dwóch chromosomów nr 21, osobnik z z#społem Downa, c - obecność translokacji 21/D podobnie jak u matki, osoba normalna, będ#ca jednak nosicielką lub nosicielem, d - calkowity brak chromosom,.z nr 21.
92 45 chromosomów - z brakiem jednego z chromosomów nr 21, który jest przemieszezony do chromosomu z grupy D: tak że te dwa akrocentryczne chromosomy tworzą razem jeden chromosom metacentrycżny Dq2lq. Ponieważ w takim wypadku zostały utracone jedynie ramiona krótkie tych dwóch ehromosomów akrocentrycznych, które nie mają określonej funkeji genetycznej; osoby te z zasa"y nie wykazują żadnych anomalii fenotypowych. Natomżast, powstałe w czasie procesu mejozy ich komórki płciowe mogą albo: zawierać jeden chromosom D i jeden chromosom 21 - i wtedy ich po#om#tw,o je#t normalne; albo zawierają nżeprawidłowy chromosom Dq21 i jeden chromosom 21 - co powoduje u płodu zespół Downa; albo zawierają jedynie chromosom Dq2lq - co spowoduje powstanie nosicielki lub nosić:ela; albo komórka płciowa ma chromosom D, lecz ńie ma chromosomu 21, co spowoduje powstanie tzw. antymongolizmu - płody z tym kariotypem zostają zwykle poronione (ryc. 50). Chociaż u przeważającej większości nosicieli translokacji chromosomalnych nie stwierdza się odehyleń od normy, to jednak badania statystyczne wykaza#y u nich nieco częstsze występowanie wad wrodzonych i niedorozwoju u:r#ysłowego niż w populacji osób bez aberracji chromosomalnych. U nosicielek taki.ch translokacji stwierdza się większy procent występowania pornnień samoistnych, co świadezy o samoistnym usuwaniu zygot lub płodów z aberracjami chromosomalnymi. Natomiast u mężezyzn nosicieli stwierdza się dość często niepłodność, co jest najprawdopodobniej związane z zaburzeniami mejozy, spowodowanymi translokacją chromosomów - z ich niepra#x- #dłową konfiguracją i niemożnością segregacji.
#I##Z.4IKOW#SĆ
Opisano przypadki zespołu Downa, w których stwierdzono dwie populacje komórek: pierwsza z nich wykazywała trisomię 21, druga zaś miała prawidłow## zestaw chromosomów. Przypadki takie nie są rzadkoś"ą i należy je pode#rzewać wtedy, kiedy zespół Downa nie jest w pełni wyrażony fenotypowo ż kiedy inteligeneja dziecka jest wyższa niż w typowych przypadkach zespołu. Wśród potomstwa niektórych z tych osób były dzieci z cechami zesp"1u Downa. Osoby z mozaikowością trisomii 21 były potomkami matek zarówno młodych, jak i starszych. O^isano również przypadki z mozaikowością polegającą na współistńieniu v##i#cćj niż dwu różnych populacji komórkowych.
RODZINN# WYST#PWANIE ZESPOŁU DOWNA
Penrose i wsp. pierwsi zbadali rodzinę, w której wśród dzieci wystąpiły dwa przypadki zespołu Downa, natomiast jedno dziecko było normalne. Obaj chłopey z zespołem Downa mieli po 46 chromosomów oraz translokację G/D. Przebadano również trzy spokrewnione z tą rodziną fenotypowo normalne kobiety. Wszystkie one miały po 45 chromosomów oraz translokację G/D. Sttx#erdzono, że jeśli matka jest nosicielką translokacji 21/D, to częstość występowania zespołu Downa wśród jej potomstwa wynosi od 10o/o do 20o/a. Tak więc rodzinne występowanie zespołu Downa jest zwykle związane z przemieszezeniem chromosomu 21 do jednego z chromosomów z grupy D lub G (translokacja zrównoważona 21/D lub 21/G) u matki, będące3 nosicielką zespolu Downa. W przypadku z translokacją 21/D kariotyp matki zapisze#r,v np.: 45,XX,-14,-21,-#-t(14q;21q); w przypadku z translokacją 2lJG np.: 45,XX,-21,-21,=#t(21q;21q).
93 W zespole Downa stwierdza się upośledzenie płodności. Nie opisano płod- nych mężczyzn z ześpołem Downa. Opisano natomias#t kobiety z tym zespo- łem, które uro"ziły potomstwo. Ryzyko wystąpienia wśród ich dzieci zespo- łu Downa wynosi ok. 50o/o. Ilustruje to rycina 51.
7espóT Downa 8##
D D 21 21 21
' 0 # "
D D 21 21 D D 21 21 D D 21 21 2t D D 21 2t 21 Normalny Normalny Z e s p 6 T D o w n a
Ryc. 51. Schematyczne przedstawienie aberracji chromosomalnych, jakie mogą powstać u pot,omstwa xnatki z trisomią nr 2I (zespó? I7owna). Potomstwo to będzie albo normalne, albo - jak mabka - będzie mia?o trisumię nr 21.
BADANIA DERMATOGLIFICZNE
Jedną z najbardziej charakterystycznych cech w układzie listewek skórnych stwierdzaną w zespole Downa jest częstsze występowanie pętlic łokciowych w obrębie opuszek palców. Biorąc pod uwagę wszystkie palce łącznie, częstość występowani.a pętlic łokciowyrh w zespole Downa wynosi w stosunku do innych typów wzorów 82,19o/o, podczas gdy w grupie kontrolnej - 65,58o/o. W związku z tym w zespole Downa wiry występują rzadziej (13,36o/o) w stosunku do ich częstości w grupie kontrolnej wynoszącej 23,92o/o. Poprzeczna bruzda zgięciowa dłoni w posta.# tzw. bruzdy małpiej zdarza się u dzieci z zespołem Downa znacznie częściej (70o/o) niż w populacji kontrolnej. Najczęstszą i najbardziej charakterystyczną diagnostycznie cechąjest występowanie łuku piszczelowego w polu paluchowym stopy.
WSP#bŁISTNIENIE ZESPOŁU DOWNA I ZESPOŁU KLINEFELTERA
Zostało opisanych wielu pacjentów, u których wystąpiły oba zespoły (tj. Downa i Klinefeltera) łącznie, w tym również u rodzeństw. Obecność tych dwóch zespołów u tego samego osobnika przejawiała się charakterystycznymi klini#nymi i chromosomalnymi objawami, tzn. stwierdzono 48 chromosomów oraz trisomię nr 21, a wzór chromosomów płciowych przedstawiał się: XXY. Kariotyp tal# zapisujemy: 48,XXY,#--21. Ponieważ występowanie obu tych zespołów wiąże śię ze starszym wiekiem matek (choć nie tak znacznie w zespole Klinefeltera, jak w zespole Downa), wydaje się, że wspólne występowazzie tych dwóch zespołów nie jest przypadkowe. Przemawiałoby za tym również to, że w obu tych zespołach występuje ni#rozdzielność chromosomów, prowadząca do obeoności dodatkowego chromosomu.
94 ZWI#ZEK ZESPOł.U DOWNA Z BIALACZKĄ
Związek zespołu Downa z ostrą białaczką stwierdzono na podstawie statystycznie częstszego występowania tych dwóeh sch#rzeń łaeznie. W związku z powyższym wydaje się, że obecność trisomii 21 jest czynaikiem predysponującym do wystąpienia białaczki. Wskazuje na to obserwacja, że ostrą białaczkę stwierdza się w zespole Downa ok. 10 razy częściej, niż można by się tego spadziewać na podstawie przewidywań statystycznych.
ZALE2NOŚC ZESPOLU DOWNA OD WIEKU MATKI LUB OJCA
Związek zespołu Downa z wiekiem mabki jest dwojakiego rodzaju. lVlniejśza grupa przypadków jest niezależna od wieku matki (choclziło tu o matki w wieku 25 - 30 lat), natomiast większa grupa pochodzi od matek w wieku powyżej 40 lat. Tak w2ęc ryzyko urodzenia dziecka z zespołem Downa wzrasta z wiekiem matki i wynasi dla matki będącej poniżej 20 roku życia 1:2000, w 30 roku życia 1:1000, w 40 r#ku życia 1:100, a w 45 roku życia lub powyżej 1:50 (tab. 11).
T a b e 1 a 11. Wiek matki a ryzyko wystąpienia zespołu Downa
Wiek matki Ryzyko ftyzyko * po urodzeniu dziecka (lata) z zespołem Downa
1/ I 50 zwiększone 50X li1600 zwiększone 50X 1/1350 zwiększone 5 X 1/800 zwiększane 5 X 1!260 brak wyraźnego zwiększenia 1/100 brak wyraźnego zwiększenia 1/50 brak wyraźnego zwiększenia 1/660
* Ryzyko obliczone w stosunku do ryzyka dla danego wieku matki.
Większość dzieci z zesp#łem Downa urodzłonych przez stare matki wykazuje charakterystyczną dla tego zespołu trisomię 21, z obecnością 47 chromosomów. VC'śród dzieci z zespołem Downa urodzonych przez młodsze matki (u ok. 20o/o) stwierdzono obecność różnych aberracji chromosomalnych, chociaż większość z nich również wykazywała trisomię 21. Penrose wykazał, że w rodzinach, w których #;vyśtępuje więcej niż jeden przypadek zespołu Downa, a jeszcze bardziej w rodzinach, w których ze strony matki są osoby dotknięte tym schorzeniem, wiek matki jest zwykle młody. Są to rodziny, #v których stwierdza się zwiększone ryzyko wystąpienia zespołu Downa, związane prawdopodobnie z rodzinną predyspozycj# do nierozdzielności chromosomów. Analiza statystyczna wykazała również istnienie związku między częstością występowania zespołu Downa a starszym wiekiem ojca, choć nowsze dane nie potwierdzają tej obserwacji. Nie jest jednak w pełni wyjaśnione, dlaczego zespót Downa jest spowodowany dużo częściej starszym wiekiem matki niż ojca.
Najprawdopodobniej nierozdzielność chramosomó##r 21 występuje prawie tak 5amo często w oocytach starszych kobiet, jak i w spermatocytach starszych
95 3
5, ZO 3 -u
Ń#O
-1
l #
25 ?C ?5 40 4;: ;O W:ek e#a-tek
#j # T r i #- #J #, #ri- -5 C# # l #/ J l ##Q`
Ryc. 52. Wykres wieku matek osobników z zespo7em Downa oraz wieku matek osobników z kariotypem 47,XXX lub 47,XXY.
mężczyzn. Ponieważ jednak mężczyzna wytwarza yednocześnie miliony gamet, to ni#prawidłowe plemniki mają mniejszą szansę zapłodnienia komórki jajowej niż znajdujące się w ejakulacie plemniki prawidłowe. Możliwość takiej eliminacji nie istnieje w przypadku gamety żeńskiej, bo powstaje tylko jedna w ciągu całego cyklu miesiączkowego.
RYZYKO URODZENIA DRUGIEGO DZIECKA Z ZESPOłEM DOWNA
Od dawna dyskutowana oraz mająca duże znaczenie w poradnictwie genetys>nym jest sprawa, czy matka mająca jedno dziecko z zespołem Downa jest narażona na większe ryzyko panownego urodzenia dziecka z tym zespołem niż matka, która ma normalne dziecko, lub też nie rodziła. Carter i Evans, k#órzy badali rodzeństwo 642 pacjentów z zespołem Downa, wykazali, że na ogólną lirzbę 312 braci i sióstr u 5 również śtwierdzono zespół Downa, c#ociaż przez porównanie z populacją osobników normalnych należaloby spndziewać się tylko I przypadku zespołu Downa. Na podśtawie powyższego przyjęto, że posiadanie dziecka z zespołem Downa zwiększa możliwość urodzenia następnego dziecka z tym zespołem. Badania cytogenetyczne pozwoliły na udzielenie bardziej szczegółowej ż miarodajnej odpowiedzi matce, która ma dziecko z zespołem Downa i która przychodzi do lekarza z zapytaniem: "jakie jest prawdopodabieństwo, że mo#e następne dziecko będzie również mialo zespół Downa". We wszystkich takich przypadkach niezbędne jest wykonanie badania cytogenetyc2nego za#:ńwno u rodziców, jak i u dziecka z zespołem Downa. Jeżeli w przypadku zespołu Downa stwierdzi się 47 chromosomów oraz trisomię 21, a garnitur ehromosomalny zarówno u ojca, jak i u matki jest prawidłowy, to ryzyko wystąpienia zespołu Downa u drugiego dziecka wynosi 1 - 2o/o, niezależnie od wieku matki. W związku z tym dodatkowe ryzyko w stosunku do przeciętnego ryzyka, jakie ponosi każda matka będąca w ciąży, zależy w znacznej miexze od wieku matki. Jeżeli wiek matki jest poniżej 35 lat, ryzyko to jest 6 razy większe niż przeciętne. Natomiaśt jeśli matka jest w wieku powyżej 35 lat, ryzyko jest takie samo jak u innych kobiet. Jest to spowodowane tym, że u starszej kobiety ryzyko wystąpienia
96 T a b e 1 a 12. Typ aberracji chromosomalnych dia- gnozowanych prenatalnie po pierwszym dzieeku z ze- społem Downa (wg Mikkełsen i Stenc)
zespołu Downa jest dość znaczne (ok. lo#o) i w z#=:iązku z tym nie różni się ono od ryzyka u matki, która urodziła już jedno dziecko z zespołem Downa# W przypadku stwierdzenia translokacji u któregoś z rodziców lub też u dziecka z zespołem Downa ryzyko wystąpienia tego zespołu L# następnego dziecka znacznie wzrasta. Dokładne określenie zależy od typu translokacji, jednak zawsze jest ono znacznie większe niż przeciętne. W przypadku takim należy zalecić przeprowadzenie diagnostyki prenatalnej (tab. 12).
TRISOMIA Clfi#OMOSOMÓW NR 13 - ZESPÓŁ PATAUA
Patau i wsp. w 1960 r. znaleźli dodatkowy chromosom w komórkach szpiku kostnego u noworodka plci żexiskiej z następującymi #vrodzonymi anomaliami: obecnością tylko jednego oka, rozszezepem podniebienia, polidaktylią. Były również objawy uszkodzenia mózgtz oraz wrodzonej wady serca. Dodatkowy chromosom znaleziony w tym przypadku interpretowany był jako autosom z grupy 13 - 15. Dalsze badania wykazały, że jest to chromosom 13 (ryc. 53). lVajezęś"ej stwierdzanymi objawami klinicznynli c# tym zespole są: niedorożwój umysłowy, wady oczu, nisko osadzone i zdeformowane uszy, rr>zszezep warg i podniebienia, polidaktylia, wrodzone wady serca. Rzadziej stwierdzanymi wadami są: głuchota, wąskie paznol:cie, dodatkowa śledziona anomalie w obrębie układu moczowo-płciowego, przepuklina pęp#owa, kryptorehizm i niedorozwój moszny u płci męskiej oraz dwurożna macica u noworodków plci żeńskiej (ryc. 54). W większośei przypadków trisomii nr 13 wywiady nie wskazują na dZiedziczne obciążenia. Opisano jednak pojedyneze osoby z trisomią nr 13, którveh rodzeństwo wykazywało abe:racje chromosomalne innego typu. ?`.#ioźe to być przypadkowa zbieżność ## występowaniu aberracji chromosomalnych albo rodzinna skłonność do występowania niepra##idłowości ch.romnsomalnych. Opisano również p:zypadki wystęnowania tr:somii 13 oraz innZ#ch aherraci# chromosomalnych u tego samego osobnika. Noworodki z trisomią 13. nawet jeśli urodzą się żywe, mają bardzo krótki okres przeżycia. Okolo 45o#o umiera w czasie pierwszego miesi#ca. a 90o#o w czasie pierwszych śześciLz miesięcy życia. Mniej niż 5o#o ośiąga 3 rols życia. Częstość występowania trisomii 13 wynosi u noworodków 1:12 000.
9 - Zarys genetyki 97 1
13 14 15 1# #7
#yc. 53. Kariotyp 49,XX,-j-13. Prążki G (wg Philipa).
Ńiski wzrost i MaTomózgowie Niedorozwój umysTowy ' Szerokie rozstawienie Szc?elina wtęczówc# gaT#h ocznych T#isko osad?one i znieksztaT- ## Rozszczep wargi i cone uszy ,r#~##"# podniebienia Poliddktylia G!uchota ZnieksztaTcenie pazr,ekci ;-laTpia bruzda Torbielowatość nerek Otwćr migdzyprzed- sionkowy r Podwójny moczowód Ot-wór międzyko norowy # Wodonercz# Serce po stronie praw2j Pr#epuklina pgpkowa
Wiodzone ##vady maeicy Wnętrcstwo
fluża fragmentacja granulocytow oraz duża -czgstoś# występowania jqder z formami paTeczkowatymi
ttyc. 54. Główne objawy kliniczne trisomii 13 (wg Vogela i Motulskiego). TRISOMIA CIIROMOSOMóW NR 18 - ZESPóŁ EDWARDSA
Edwards i wsp. w 1960 r. opisali dndatkowy chrumosom z grupy E w hodo-wli komórek skóry i mięśni dziecka płci żeńskiej z licznymi wadami wrodzonymi. Głównymi wadami somatycznymi były: nieprawidłowo zbudowan# czaszka, nisko położone oraz zdeformowane uszy, mała żuchwa, płetwistośćszyi o.raz otwór międzyprzedsżonkowy w sercu, a panadto niedorozwój umysłowy. Dzieck# zmarło w 4 miesiącu życia.
Otwarte śzwy czaszki i szerokie ciemiqczkci przy urodzenlu Nisk i wzro st Szerok ie rozstawienie gaTek 0C Zny Ch Niedorozwój umysTowy # #. #(ysokie Tuki br#viowe Wystaj#ca potylica ;",### " ##;i# # Nisko osadzone i znieksztaTcone usz# Retrofteksja gTowy # #####'jw ri Niedorozwój źuchwy I=uki na trżech tub # Zachodzenie pa[ców na siebie więcej opuszkach aatców PrzetrwaTy przew#d tętniczy MaTpia bruzda Otwór międzyprzedsionkowy Krótki mostek # UchyTek jelita k#gtego[Meckela/ Pderka podkowiasta ' #. NieprawidTowości pośladków Hipertonia mięśniowa Wielowodżie Wystqj4ce ko[ana MaTe Tożysko krzywienie dużych alcow
Ryc. 55. Główne objawy kliniczne trisomii 18 (wg Vogela i Motulskiego)
Na podstawie powyższej pracy oraz doni#ień dalszych autorów wyłonił si# obraz charakterystycznych anomalii somatycznych, związanych z trisomią chromosamów nr 18 (ryc. 55). Kariotyp tych przypadków zapisujemy: 47,XX,#-18 lub 47,XY,-f-18. Charakteryzują się one ogólnym niedorozwojem, podobnie jak przypadki tris4mii chromosomów 13, oraz małymi, zdeformowanymi i nisko osadzonymi usżami i małą brodą. Palce rąk wykazują eha= rakte#ysty#zne zachodzenie na siebie. Prawie wszysry pacjenci mają wrodzone wady serca. Chorzy dotknięcż trisomią 18 żyją bardzo krótko i zwykle umierają w okresie niemowlęcyrn. Okoł4 30o#o umiera w pierwszym miesiącu życia, a jedynie 10o/o osiąga 1 rok życia. Stosunek występowania tej trisomii u noworod= ków męskich i żeńskich wynosi 1:3. Przewaga w tym zespole noworodków płci żeńskiej może tłumaczyć się bardziej letalnym charakterem tej aberracji u płodów męskich, które obumierają już w okresie życia śródmacicznego. Częstość występowania trisomii chromosomów 18 wynosi u noworodków 1 : 7500.
99 'DELECJA ftAlViION KftÓTKICH CHROMOSOMÓW NR 5 - ZESPÓŁ . CR# DU CHAT"
W 1963 r. Lejeune i wsp. opisali u trzech noworodków częściową delecję ramion krótkich chromosomu z grupy B, który określili jako chromosom nr 5 (ryc. 56). Opis dalszych przypadków, stwierdzonych zarówno wśród dzieci, jak i osób dorosłych, oraz szczegółowe dane kliniczne uprzednio opublikowanych przypadków zostały podane przez Lejeune'a i wsp. w 1964 r. Z op?sów tyeh ###yłonił się charakterystyezny obraz kliniczny, obejmujący następujące objawy: szczególny płacz przypominający miauczenie kotacri du chat (polska nazwa: zespól "miauczenia kota"), niedorozwój umysłovrs, malomózgowie, hipotonia mięśniowa, niskie osadzenie uszu, mala żu#hwa, rozszczep podniebienia oraz inne nieprawidłowości somatyc#ne (ryc. 57). Kariotyp takich przypadków zapisujemy: 46,XX,de1(5p) lub 46,XY,de1(5p). Wielkość delecji ramion krótkich chromosomu 5, powodująca zespól "cri du chat", jest bardzo różna - od drobnych delecji terminalnych aż do utraty ok. 60a;!# długości ramion krótkich. Podobnie jak w innych zespołach chromosomalnych, obecność mozaiki z normalną linią komórkową zazwyczaj znacznie łagodzi obraz kliniczny teóo zespołu. Częstość występowańia delecji ramion krótkich ehromosomu 5 wynosi u no#worodków 1:#0000. Natomiast w zakładach dla osób umysłowo upośledzonych jest ona znacznie większa.
"# li 2 Hyc. 56. Kariotyp 46,XX,de1(5p). Prążki G (wg Philipa).
100 ##:
I#I## ZF.SP##;## #ZITO;g#DMALI#TE
AYFnRACJE LICLh#t#'
nyc. 57. Dziewezynka z zespołem "cri du chat" (cvg de Grouchy).
Poz#: podanyzni powvżej trisomiami chromosomów 21, 13 i 18 jedynie trison;ia 22 występuje w stanie niemozaikowym. Trisomie pozostałych autosomó###. jeżeli występują w stan"e niemozaikowym, to prawadzą do śmierci już w życiu plodowym. lVajezęściej stwierdza się w postaci mozaiki, z normalną Iini;Ł komórkową, trisomie chromosomów 7, 8 i 9; opisano również pojedyncze przypadki mozaiki z trisomią nr 10. Monosomia stwierdzana u żywo urodzonych dzieei dotyczy jedynie chromosomu 21, a przypadki takie określają niektórzy jako "antymongolizm".
AIiE#RA#JE S'TR.rJKTUft lLNE
Poza zespoiel#z.,cri du chat" najezęściej stwierdzanymi delecjami są: delecja ramion krótkich chromosomu nr 4 (tzw. zespół Wolfa i Hirsehhorna), deleeja ramion ~rótkich ehromosomu 18 oraz delecja ramion długich chromosc>nzu 18. Opisan;> również delecję ramion krótkich lub długich innych chromc>snn,ó;# n##. 9. 11 i 12. Wszystkie one prowadzą do określonyeh zespołów chorobowych, które jednak nie będą omawiane ze względu na ogromną rzadkośe #vystępov##ania. Rów-nież chrc>mosomy koliste powadują występowanie licznych zaburzeń rozwojowyeh, #;ińre jednak w Rriększości przypadków nie dają się połączyć z aberracją określonego chromosomu i nie tworzą #v ten sposób, w więk#.:#ośei przypadków, zdefiniowanych zespołów chorobowych.
101 TftIPLOIDIA I TETftAPLOIDIA
B""k i Santesso,n jako pierwsi opisali triploirlię w części komórek w hodowli skóry jednorocznego chłopca. Wystąpiło u niego wiele defektów somatycznych oraz głęboki niedorozwój umysłowy. Analiza cytogenetyczna wykazała, że autosomy były triploidalne, natomiast chromosomy płciowe występowały w skład#ie XXY. Jedynie część komórek wykazywała 46 chromosomów. Triploidia jest częstą pxzyczyną poronień przed ósmym tygodniem życia płodowego. Około 20o/o płodów z aberracjami chromosomalnymi wykazuje triploidię. flpisano jedynie pojedyncze przypa#ki żywyeh noworodków z triploidią. Chorzy z triploidią bard#o rzadko mają zdolność przeżycia okresu płodowego lub pierwszych miesięcy życia. Opisano natomiast dużo więcej żywo urodzonych osobników z mozaiką triploidia/diploidia. Wszyscy oni charakteryzowali się niedorozwojem umysłnwym i fizyeznym. W przypadkach, w których stwierdza się układ chromosomów płciowych XXY, może występować również obojnactwo zewnętrznv#" narządów płciowych. Płody z tetraploidią są jeszcze bardziej upośledzone pod względem izmysłowym i fizycznym i jeśli nawet urodzą się żywe, to tylko wyjątkoevo przeżywają pierwsze miesiące życia.
Pft#cEsv aowoTwoftowE
Związek aberracji chromosomalnych z procesami nowotworowymi, i to z;równo przebiegającymi w postaci guzów, jak i zmianami obejmującymi komórki kr#vi, został udowodniony. Nie oznacza to jednak, że określono, w jakim stopniu zmiany chromosomalne są przyczyną procesów nowotworowych. Wykazan'e np. związku między rozrostem nowotworowym a różnego rodzaju aberr^#jami ehromosomalnymi nie świadczy o tym, że zmiany chromosomalne są przyczyną powstawania nowotworów. Levan i wsp. następująco podsumo#vali badania chromosomów w zmianach nowotworowych: "1. Większość nowotworów złośliwych wykazuje aberracje chromosomalne zarówno liczbowe, jak i strukturalne, przy czym różnorodność obrazów tych zmian może być ogromna nawet w obrębie tego samego guza. Wiele guzów wykazuje jednocześnie obecność tzw. markerów chromosomalnych, będących strukturalnie nieprawidłowymi chromosomami, charakterystycznymi dla danego guza. 2. Większość komórek guza należy do jednej podstawowej linii komórkowej. W czasie wzrostu nowotworów lub przerzutów nowotworowych linia ta ulega zwykle przemianom na wiele nowych lin komórkowych, co powoduje coraz większą różnorodność obrazów cytogenetycznych zmiany now otworowej". Procesem nowotworowym, który jako pierwszy udało się povc,iązać ze stałą zmianą chromosomalną, jest białaczka. Badaczami, którzy wykazali związek między charakterystycznym typem aberracji chromosomalnej a białaczką, byli Nowell i Hungerford. Autorzy ci badając krwinki białe z krwi obwodowej, opisali istnienie małego, akrocentrycznego chromosomu, zwanego Phl (Philadelphia), w wielu przypadkach przewlekłej białaczki szpikowej. Nieprawidłowy chromosom jest to chromosom nr 22 z delecją ramion długich; kariotyp zapisujemy: 46,XX,de1(22q) lub 46,XY,de1(22q). Obserwacja ta została potwierdzona przez następnych badaczy i obecnie uważa się, że związek przewlekłej białaczki szpikowej z istnieniem chromosomu Phl jest w pełni udo
102 #wodniony. Obserwacja Nowella i Hungerforda stanowi również pierwszy przykład związku między charakterystyczną a2xomalią chrom#somalną a procc;em nowotworowym. Chromosom Ph1 powstaje w wyniku delecji ż translokacji części ramion długich chromosomu 22 do któregoś z większych chromosomów, najezęściej do ramion długich chronxosomu 9. Komórki zawierające chromosom Ph' Lworzą klon, powstały w wyniku rozmnożenia się je#xxej komórki, w której nastąpiła delecja ramion długich chromosomu 22. Jednocześnie z nasilaniem się u pacjenta objawów chorobowych białaczki wzrasta liczba komórek, w których stwierdza się chromosom Phl. Późniejsze badania cytogenetyczne prowadzone na materiale różnyeh typó##= białaczek potwierdziły istnienie nieprawidłowości chromosomalnej (chromosomu Phl) w przewlekłej białaczce szpikowej. Chociaż nie udało się znaleźć stałego z###iązku między innymi typami białaczek a anomaliami chrozni:somalnymi, to ukazało się jednak wiele publikacji o istnieniu aberracji chromosomalnych w innych typaeh białaczek. Jednym z charakterystyc#xych markerów chromosomalnych jest "wydłużony" chromosom 14 w związkL z transloka#ją 8q-;14q-# spotykamy w chłoniaku Burkitta i innych rozrostach limfoproliferacyjnych B-komórkowych oraz w ostrych białaczkach B- k4mórkowych. Ponadto dosyć charakterystyczne zmiany kariotypu komórek białaczkowych towarzyszą przejściu białaczki szpikowej z fazy przewlekłej w ostrą: naddatek chromosomu 8, dodatkowy Phl, izochromosom 17. Dosyć charakterystyczną zmianą w ostrej białaczce mieloblastyrznej jest translokacja: 8;21, a w ostrej promielocytowej translokacja: 15;17. Cytogenetyka hematologiczna zysku;e więc coraz większe znaczenie w diagnostyce oraz #v pro#nozie. Innym procesem nowotworowym, który u wielu pacjentów ma związel: z aberracją chromosomalną, jest retżnoblasto'm,a. Najezęściej predyspozycja do występowania tego mowotworu jest dziedziczona jako cecha autosomalna dominująca i nie majaca źadnego związku z aberracją chromosomalną. Istnieją jednak również takie pxzypadki, w których retżnoblaston2,a występuje #vspólnie z licznymi wadami wrodzonymi u pacjentów z delecją cz#ści ramion długieh chromosomu 13, a konkretnie odcinka l3ql4. Brak materiału genetycznego tego właśnie odcink, r#,r;##n długich chromosomu 13 powoduje brak informacji genetycznej lub tRką zamianę strukturalną genu lub genów, która prowadzi o wystąpienia tego procesu now#tworowego. W rodzinach, #v których stwierdza się szezególnie rzęste występowanie nowotworów, analiza cytogenetyczna jest pożądana, gdyż może ona wykazać drobną aberrację strukturalną, przekazywaną dziedzicznie. Jednym z najbardziej znaczących os:ągnięć współezesnej genetyki medycznej jest odkrycie, że specyfiezne geny, zwane onkogenami, są bezpośrednio związane z różnego rodzaju nowotworami (patrz tab. 13). ftównie ciekawym odkryciem było stwierdzenie obecności sekweneji DN#, prawie identycznych jak w onkogenach, w materiale genetycznym normainych komórek całego świata zwierzęcego. Powstała teoria, że takie "protoonkogeny" rozwinęły śię ewolucyjnie i pełnią w normalnych tkankach ważną funkeję przy podziale i różnicowaniu komórek. Wysiłki genetyków skupiają się obecnie na odkryciu, w jaki sposób nieszkodliwe dla komórki protoonkogeny przekształcają się w aktywne onkogeny. Wydaje się, że przyczyną jest mutacja wywołana działaniem promieniowania, związku chemicznego lub wirusa. Inną bezpośrednią przyczyną powstania nowotworu może być przemieszezenie protoonkogenu z jednego chromosomu na drugi. Tak rozwija się chłoniak
103 T a b e 1 a 13. Mapowanie gen#w mającyeh znaczenie w ehoro#ach nowotworo- wyeh (wg MeKusicka 19&7o)
Nazwa
Gruczolakorak nerki (rak jasnokomórko#vy) Siatkówezak Rak płuca drobnokomórkowy (anaplastyczny) Białaczka limfatyczna z komórek T Zwojak zarodkowy współezulny (neuroblastoma) Osteosarco#n.a Ostra białaczka limfatyczna Ostra białaczka limfatyczna z komórek T Białaczka limfatyczna (przewlekła) z komórek B Białaczka limfatyczna z komórek B Przewlekła choroba ziarniniako#va Przewlekła bialaczka szpikowa
#"Gonadoblastoma w zespo?e WAGR * Zespół limfoproliferacji (ehoroba Duncana)
* Zespół WAGR - Wilms tumour, aniridia, gonadoblastoma, retardation. o 2cKusick, V. A. The hu#wxan gene nzap, John's Hopkins liospital, Baltixnox,e, 1989.
Burkitta, nowotwór wywodzący sie z limfocytów B. Najezęściej występuje on w Afryce, ale ostatnio znaleziono go również u ofiar AlDS. U ludzi zdrow# ch protoonkogen nazwany 2iaye zlokalizowany jest na chromosomie 8, natomiast u chorych na chłoniaka występuje na chromosamie 14. Na skutek takiego przemieszezenia myc na ehromosom 24 - ankogen znajduje się w pobliżu genów normalnie kontralująeych v##ytwarzanie przeciwciał przez limfocyty B. Są to komórki, które podlegają transformacji nowatworowej w przypadku chloniaka Burkitta. Badacze podejrzewają, że sąsiedztwo onkogenu i gen"#v kodujących przeciwciała prowadzi do interakeji, która jest bezpośrednia przyczyną nowotworu. Uważa się obecnie, że proces powstawania nowotworu jest zazwyczaj bardżiej skomplikowany i bierze w nim udział kilka ankogenów. Kultury t#ankowe normalnych tkanek en-#brionu szezura tylko wtedy ulegają transformacji nowotworowej, jeśli obecne są jednocześnie dwa onkogeny rrzyc i ras. Istnieje podejrzenie, że jeden z tyeh onkogenów odpowiedzialny jest za przekształeenie normalnej komórki w komórkę nowotworową. a drugi warunkuje normalną tendeneje komórek rakowych do podziałów i ńiepohamowanego v#zrostu. Zbadano już jeden z możliwych sposobów interakeji dwóch ankogenów indukujących niepohamowane rozmnażanie komórek. W hodowli nie dzielących się komórek tkanki łącznej eziowieka gen myc nie ujawnia się. Dz:ałanie je#o zastaje zapoczątkowane przez dodanie do hadowli czynnik# wzrostowego płytek krwi (białka zwanego PDGF), które normalnie odpowiedzialne jest za gojenie ran. Badacze wykazali też, że inny onkogen, zwany sżs, wytwarza białko niezwykle podobne do PDGF. Interakeja białka onkogenu sżs z onkogenem #n.yc może zapoczątkować proces transformacji nowotworow,ej. Protoonkogeny mogą także stać się ankogenami przez amplifikację, czvli nagromadzenie w dużych ilościach w czasie podziału komórki. Zjawisko to zo
104 sta#o zaobserwowane w niektóryoh nowotworach komórek nerwowych i je- lita. Obecność w komórkach nowotworowych dużych ilości białek kodowa- nych pxzez geny po#vstałe na skutek amplifikacji może być wykorzystana do specyficzny ch testów diagnostycmyeh.
VC#' niektórych rodzinach stwierdza się występowanie aberracji chromosomalnych u dwóch lub kilku jej członków. Na przykład w rodzinie opisanej przez #nrzkowskiego i wsp. w 1969 r. stwierdzono cechy zespołu Turnera oraz kariotyp 45,X zarówno u probanda, dziewezynki lat 14, jak i u 40-letniej siostrr jej ojea. Przytoczone dane można rozpatrywać jako: 1) dowód rodzinnego występo#e,ania i dziedziczenia zespo#u Turnera, 2) przypadkowe wystąpienie tej anomalii u dwu rzłonków rodziny, 3) rodzinną predyspozycję do utraty chromosomu lub nierozdzielnośei w okresie podziału mejotycznego komórek płciowych, istniejącą w rodżinie ojca. Ponieważ uprzednio nigdy nie op?sano wystepow ania rodzinnego zespolu Turn#ra, natomiast wy stępowanie anomalii ch:;nmosomalnych u kilku rzłonków rodziny było opisywane przez kilku autorów, wydaje się, że trzecie z przedstawionych wyjaśnień jest najbardziej prawdopodobne. Opisano wiele rodzin, w których stwierdzono występowanie zespołu Klinefeltera (karintyp 4'7,XXY) oraz zespołu Downa (trisomia 21) u rodzeństwa lub u innych człanków rodziny w poprzednich generacjach. Podobne dane uzyskano na temat zespołu Turnera (kariotyp 45,X) i zespołu Downa. Hecht i wsp. opubiikowali dane kilku rndzin, w któryeh stwierdzono jednoćzesne występowanie zespołu Downa oraz trisomii 18. Dalsze badania tych aute,rów wykazywały również wiele rodzin, w któryeh #vystępowało wiele aberracji chromasomalnych. W jednej z nich dziecko z zespołem Downa miało ciotkę z kariotypem 45,X oraz dysgenezją gonad, w innej natomiast dziecko z kariotypem 45,X miało kuzyna z zespołem Downa. Na podstawie obserwacji własnycli przypadków oraz danych z literatury autorzy ci słusznie uważają, że wyst#powanie w jednej rodzinie wielu anomalii chromosomalnych nie jest prostym przypadkiem, lecz downdem rodzinnej skłonności do występocvan;a anomalii chromosomalnych.
PO S#J###WANIE
lVajezęśćiej stwierdzanymi aberracjami autosomalnymi są triso:'nie c##romosorrzalne, powodujące nieprawidłowości w rozwoju osobnika wskutek nadmiaru materiaiu genetycznego. Badania cytogenetyczne umożliwiły ustalenie chromnsomalnej etiologii zespołu Downa (obecność dodatkowego chromosnmu nr 21), jak również wyodrębnienie kilku zespołów klinicznych: z#spół Palaua - trisomia chromosomów nr 13, zespół Edwardsa - trisomia chromosnmów " j ; nr 18, zespół "cri du chat - delec a ram on krótkich chromosomu nr 5. ##ydaje się, że dokładniejsze wyjaśnienie znaaenia wielu aberracji chromosr#malnyc# u człowieka będzie możliwe dopiero z chwilą wprnwadzenia szernkich badań cytogenetycznych wśród populacji nnrmalnej. Jednak juź ob#cnie badania aberracji chromosomalnych, dzięki wprowadzeniu dokładnyeri technik prążknwych oraz metod genetyki molekularnej; pozwalają na coraz dokładniejsze mapowanie chromosomów człowieka.
105 VI. Badania c#togenet#czne w w#bran#ch grupach populac#jn#ch
Krzysztof Boczkowsk"
Cyto#enetyka populacyjna - której celem jest określenie i porównanie czgstości występowania zarówno aberracji liczbowych, jak i strukturalnych chromosomów w różnych grupach populacyjnyeh oraz prześledzenie ich efektów fenotypowych - ma znaczenie zarówno dla genetyki ogólnej, jak i dla jej działów zajmujących się genetyką medyczną i kliniczną.
BADANIA CYTOGENETYCZNE PŁODóW Z POI#ONIEl#T SAMOISTNYCH
Badanie aberracji chrom#somalnych u płodów z poronień samoistnych pozw#la ocenić, jak duży proc#nt porunień jest spowodowany aberracjami chromosomalnymi i w związku z tym niezależny od sposobu pro##adzenia ciąży. W statystykach z różnych ośrodków, stosujących różne metody zapobiegania grożącemu poroniemiu, proeent poronień jest podobny i niezależny od metod terapeutyc#ych. Wśkazuje to n# fakt, że właśnie czynniki genetyczne odgrywają rolę w występowaniu takich poronień. Wystąpi#nie poronienia w takim przypadku zapabiega zwykle urodzeniu śię ośobnika z nieprawidłowym garniturem chromosomalnym. Wyniki badań garnituru chr#mosomalnego płodów z poronień samoistnych zostały po raz pierwszy zebrane i porównane przez Polaniego. Opracował on zestawienie na podstawie danych opublikowanych do 1966 r. obejmujących 261 poronień samoistnych, które nastąpiły w pierwszych trzech miesiącach eiąży. Zestawienie wyników badań dokonane przez Polańiego (1966) pozwala na wyciągnięcie wstępnych wniosków. U 72 płodów (27o#o) stv,#erzono aberracje chromosomalne. Rodzaj stwierdzonych aberracji chromosomalnych oraz procent ich wystąpienża został podany w tab. 14. Niektóre aberracje chromasomalne wykryte w badaniach płodów ńie zostały stwierdznne u osobników żywych (noworodków) lub u osób dorosłych.
106
T a b e 1 a 14. Wyniki badań cytogenetycznych w 72 poronieniach samoistnych z aberracjami chronaosomalnyt#i (wg Polaniego) I#nteresujące jest częste stwierdzanie nie spotykanej u osobników żywych trisomii chromosomów nr 16. Na uwagę zasługuje fakt, że jedyną aberracją chromosomów płciowych był kariotyp 45,X; nie stwierdzono natomiast mozaiki 45,X/46,XX lub kariotypu 47,XXY, co dowodzi, że nie są one letalne. Na uwagę zasługuje poró##-nanie stosunku aberracji autosomów do aberracji chromosomów płeiowych. Stosunek ten u plodów z poronień samoistnych wy#nosił 2:1 (w porównaniu z 1:1 u osobników żywych). Jest on jeszcze jednym dowodem na to, że aberracje autosomalne częściej bywają czynnikiem letalnym niż aberracje chromosomów płciowych. Niestwierdze-nie monosomii autosomów wskazuje najprawdopodobniej na to, że są one letalne w bardzo wczesnym okresie zarodkowym (lub że nie dochodzi w ogóle do powstania zygot z b'rakiem jednego z autosomów). Badania płodów z poronień samoistnych dostarczyły materiału do porównania aberracji chromosomalnych oraz zmian morfologicznych. Pozwoliło to na określenie czasu wystąpienia #ieprawidłowości w budowie płodu zależnych od nieprawidłowego garnituru chromosomalnego. Najobszerniejsze informacje, dotyczące histologii gonad u płodów z kariotypem 45,X, podali Singh i Garr w 1966 r. Stwierdzili oni, że od trzeciego miesiąca życia nie znajduje się różnicy vr budowie ganad pomiędzy płodami 45,X a 46,XX. W późniejszym ok#esie życia płodowego stwierdza się stosunkowo więcej tkanki łącznej w gona,dach płodów 45,X. Szczególnie interesujący jest fakt, że zarówno u płodów 46,YX, jak i 45,X stwierdza się obecność komórek pł"owych w gonadach. fiomórki te zanikają jednak w pó"ziejszym okresie rozwoju u płodów 45,X. Nowsze publikacje podają większą częstość występowania aberracji chromosomalnych u piodów z poronień samoistnych. Lauritsen, który wykonał badania cytogenetyczne 288 płodów z poronień samoistnych, u 55o/o stwierdził aberracje chromosomalne, przy czym częstość ta była jeszcze więl#sza wśród płodów z pierwszego trymestru ciąży, gdyż wynosiła 6lo#o. Najobszerniejsze dane na temat wystepowania aberraeji chromosomalnych wśród płodów i noworodków podała Jacobs w 1977 r. Zestawiła ona dane z pięciu dużych badań. przeprowadzonych przez ró#nych autorów, które łącznie o'ujęły prawie 2500 płodów z poronień samoistnych i były wykonane w 1970 r. lub w latach późniejszych. Badania te wykazały istnienie aberracji chromosomalnych u ponad 50o## badanych płodów. Ponad połowę aberracii chromosomalnych stanowiły trisomie, natomiast kariotyp 45,X stwierdzono w 20o#a przypadków. W ponad 20ojo przypadków stwierdzono istnienie poliploidii (triploidii lub tetraploidii), to znaczy 69 lub 92 chromosomów (ryc. 58). Pozostałe przypadki sta.nowiły aberracje strukturalne "lbo mozaiki z dwiema lub większą liczbą linii komórkowych (tab. 15).
Typ aberracji jako % wszystkich badanych)
#0?
T a b e 1 a l:i. Aberracje chromnsomalne u płodów z poronień samoistnych, dane od roku 1970 (wg Jacobs) T a :; e 1 a 16. #berracje chroznosomalne u ##oeiń#t' z poz#ttień sa?:ro#;:nyctt nraz # no#i-orodlrów (wg Jacobs)
TriSCTiE #y ĆbViliE c 7CSomC,,y' # #olz #,z / " , z,r #ro2# j L#"## '# #,X #, w ócY / 5 #01 # Tripioidia IiJ# 'E#-aaICiCliO ## ## l # RyC. 58. Rodzaje aberraCji Chromosomalnych u pYodów z poronień samoistiiyCh.
AberraCie (o/a ciażv) Po i #,lo#4i# _ #truktu- # 3:z 4n r#lne ; I##I#e # i#"`##j## 1,## 0.~#i 0, C#.3 ; #a:i # 0,2 i t?";ł) 1,35 0,4# # 0,5 f t).3 # i \ T#isomiF i.
# StrukturainE /gTwnie autosc.:mów
Ryc. "9. Rodzaje abez-z-ae"i chromosotnaln#ch u noworodkó##:.
Cieka##'ie przedstawia się porównanie aberracji chrom,so=z#alnych wystgpujących u płodów i L? noworodków (ryc. 58, 59, 60 i tab. IE}. W za:treśie tri-ł somii ani u płodów, ani u noworodków nie stwierdzono dodatkowego ctiromosomu nr 1 5 oraz 1 i, co wskazuje na to, że różna czestość #uystępu#: #ania poszezególnych trisomii nie jest przypadkowa. Najezęstszą trisomią wvstępującą u plodów była trisomia ehromosomów nr 16, które" nie stwierdza się w ogóle wśród żywych noworodków, eo wskazuje na to, że jest letalna. 'Vatomiast trisomia nr 2!, która prowadzi do zPspołu Du##na,_ stanowi ponad 40o#o trisomii występujących u noworodków, a tylko 20#!## trisomii wvstepujących u płodów. Zdolność przeżycia okresu płodowego jest więc dla tej trisomii stosunkowo duża; mimo to jednak można stwierdzie, że na każd#go żywego noworodka z zespolem Downa przypadają trzy do czterech płodów z trisomią nr 21, które zostały poronione. Aberracje liczbowe chromosomów płciowych które stanowią ponad 50o#o dodatkowych chromosomów wy#tgpujących u noworodków, spotykane są wyjątkowo rzadko wśród płudów z poronień samoistnych - dodatkowy chromosom X stwierdzono u ok. l##o #łi?dów, natomiast w żadnym przypadku nie stwierdzono obecności dodatkowego chromosomu Y. Wskazuje to, że obecność dodatkowego chrom#,#mu plciow ego nie jest w zasadzie cechą letalną. "Oo;'" plodciw z aberracjami chromosomalnymi wykazuje kariotyp 45,X, lstóry wśród noworodków stwierdza się bardzo rzadko - 1 :10 000 żywo urodzonych. Pane te świadezą o tym, że większość te#o typ## przypadków :#i?e!08 ga samoistnemu poronieniu. Triploidie lub tetraplo"die, stanowiące raze#n ponad 20';# poronień samoistnych, nie były stwier"zane w ogóle wŚr"d bada= nych noworodków; wiadomo jest, że aberracje takie są niezmiernie rzadkie wśr"d noWorodków i nawet jeśli nastąpi urodzenie żywego dzieeka, to cza# jego żyeia nie przekracza zwykle jednego roku. Dane pOwyższe pozwoliły również na wyciągnigcie wniOsku, że znacznie ponad 10#/o ludzkich zarodków lub płódów wykazuje aberracje chromosomalne, przy czym wEdlub niektórych autorów CzęStOŚĆ ta jEst duż0 WlgkSZa i wynosi ok. 30###. Co do częstOści występowania poszezególnych typów aberracji chromosomalnych, to należy zauważyć, że najezęściej stwierdzanymi trisomiami autosomów są u płodów z poronień Samoistnych trisomie chrOmosomów nr # 7 - 10, 13 - 16, 18, 21, 22. Dla przykładu można podać; że trisomiE ChromosOnzów od 7 do 10 stwierdzono, każdą z nich, w killsunastu przypadkach; chromosomów nr 16 w 104 przypadkach, a chromosomów nr 21, 22 w 34 i 37 przypadkach (dane Jacobs oraz późniejsze). Natomiast nigdy nie stwierdzono trisomii chromosomów nr 1, 5 i 17. Rozpatrując te dane; należy jEdnak pamiętać o tym, że zależą one w dużym stopniu od tego, w jakim Oleresie trisomia danego chromosomu powoduje śrnierć płodu. Wiadom0 jest np.. żE trisomia nr 13 powOduje śmierć od wrzEsnego okresu żyeia płodowego aż do kilku lat po urodzeniu, natomiast letalny efekt trisomii nr 16 ujawnia si# w krótkim okresie pomiędzy 22 a 31 dniem życia płodowego, wlaśnie wtEdy, kiedy przeprowadza się Wię.kszość badań cytogenetycznych płodóW. Natomiast trisomie chromosOmów nr 1, 5 i 17 megą prowadzić. do śmierci W tak wezesnym okresiE zarodkowym, że nie uchwycono ich dOtychezas badaniem eytogenetycznym. Podsumowując powyższe dane, można przyjąć, że częstość występOWania aberraeji chromosomalnych u płodów z poronień samoiśtnych wynosi ponad 50#/a, przy czym u płodów z pierwszego trymestru ciąży przekracza nawet 60ojó i prawdopodobnie jest jeszeze większa u płOdów poronionych w pierwszych tygodniach ciąży. Wypływa z tego wniosek, że niektóre abErracje chromosOmalne są letalne. a wystąpienie poronienia samoistnego zapobiega w wielu przypadkach urodzeniu się płodu z poważną nieprawidłowością chromosomalną.
BADANIA CYTOGENETYCZNE U NOWORODKÓW
Badania eytogenetyczne noworodków mają ogromne znaczenie dla genetyki populacyjnej, gdyż pozwalają określić częstość występowania poSzezególnych aberracji chrOmosomalnych. JednoczeŚnie porównanie częstośei występowania danej aberracji u płodów, noworodków oraz w populacji osób dorosłyc:i pozwala na Wyciągnięcie istotnyCh wniosków co do wpływu danej aberracji na zdolność przeżycia. lV Tajobszerniejsze i najbardziej dokładne dane na ten temat opublikowali Hamerton i wsp. w 1975 r. Wykonali oni badanie cytogenetyczne leukocytów krwi obwodowej u 13939 noworOdków. Wyniki swoich badań zestawili z wynikami badań pięciu innych dużych ser, obejmując w ten sposób łącznie 4G069 noworodków. Stwierdzili oni, że częstość występowania dużych zmian chromOsomalnych wynosi od 1:150 do 1:200 żywo urOdzonych noworodków. Gzęstość ta jest znacznie mniejsza od częstości występowania zmian chromosomalnych u wszystkich zarodków ż płodów, która wynosi ponad 10#!,#. Częstość poszezególnych aberracji chromosomalnych u nowo?-odk"w podan0
IO##a #na ryc. 60. Na podstawie powyżśzych danych można przyjąć, że u ak. 1:400 :noworodków występują aberracje chromosomów płciowych; częściej są to no- worodki płci męskiej niż żeńsk"ej z powodu dużej częstości poronień wśród płodów 45,X. Około 1:500 noworodków m# aberrację strukturalną autoso- mów, natomiast ok. 1:700 noworodków ma dodatkowy autosom w postaci trisomii (ryc. 59 i 60).
Ryc. 60. Bardziej dokładne dane dotyczące rodzajów aberracji chromosomalnyeh występujących u noworodków. Oprócz monosomii 45,X w zasadzie wszystkie aberracje liczbowe chromosomów płciowych i autosomów - to tri;omie. Porównaj z ryc. 59.
Zwraca uwagę wększa częstość występowania aberracji liczbowych chromosomów plciowych niż autosomów, pomimo że chromosomy płciowe są tylko dwa, natomiast autosomów jest 44. Jest to najprawdopodobniej spowodowane tym, że wiele spośród aberracji liczbowych autosomów prowadzi do poronienia. Natomiast wśród aberracji strukturalnych przeważają u noworodków nieprawidłowości autosomów, gdyż aberracje te riie powodują tak dużych zaburzeń w materiale genetycznym jak aberracje liczbowe i dlatego też ńie są przyczyną tak dużej śmiertelnośri. Wśród aberracji liczbowych chromosomów płciowych zwraca uwagę względna rzadkość kariotypu 45,X. Nie jest to jednak spowodowane tym, że aberracja ta występuje rzadżiej niż inne aberracje liczbowe chromosomów p#ciowych, lecz faktem, że płody z tą aberracją są często ronione, gdy-# ok. 20o/o płodów z poronień samoistnych wykazuje kariotyp 45,X (ryc. 58). Podobnie wśród aberracji autosomalnych, mniejsza częstość występowania trisomii nr 13 niż pozostałych trisomii jest prawdopodobnie związana z faktem mniejszej 'zdolności przeżycia tych płodów.
#BADANIA CYTOGENETYCZNE U SIEDMIOI OSMIOLETNICH DZIECI
#Badania cytogenetyczne objęły 4342 dzieci z populacji ogólnej w wieku 7 - 8 lat i były wykonane przez sześć ośrodków cytogenetyczny#h w USA i opublikowane wspólnie w 1977 r. przez Patila i wsp. Wykazały one, że częstość #występowania aberracji chromosomalnych u badanych dzieci wynosi 1:200, wa więr ró#ni sdę tylko bardzo nieznacznie od częstości wy5tępowania aberracji chromosomalnych u noworodków. Wykazano natomiast, że wśród badanych dzieci stwderdza się, w porównaniu z noworodkami, mniejszą częstość występowania trisomii autosomalnych, co jest spowod4wane tym, że część
110 chorych z trisomiami autosomalnymi zmarła lub została oddana do zakładówspecjalnych. Częstość występowania aberracji strukturalnych autosomów była natomiast taka sama jak u noworo#ków. Przeprowadzone badania wykazały ponadto, że dużą częstość występowania aberracji chromosomalnyeh stwierdza się nie tylko wśród potomstwa matek starszych, lecz również wśród potomstwa matek bardzo młodych. Częstość występowania aberracji chromosomalnych u potomstwa matek poniżej 20 roku życia była podobna do tej, jaką stwierdza się u potomstwa matek w wieku 35 - 39 lat. Z przedstawionych danych wynika, że najmniejszą częstość występo#,ania aberracji chromosomalnych stwierdza się u potom= stwa matek będących ok. 25 roku życia, przy ezym dla populacji białej optymalny u#iek wynosi 25 - 27 lat, natomiast dla populacji czarnej 23 - 25 lat. Ponad 20o#o matek dzieci z de tz.ovo powstałymi aberracjami chromoso= malnymi poddano prześwietleniu jamy brzusznej lub miednicy w roku poprzeclzającym zajście w ciążę, co wskazuje na znaczenie promieniowania w powstawaniu aberracji chromosomów w komórkach płciowych. Wskazuje również na to fakt, że wśród kobiet, które urodziły dziecko z aberracją chromosomalną, częściej spotykało się osoby stykające się zawodowo z promieniowaniem, np. pracownice medyrzne.
BADANIA CYTOGENETYCZNE U OSÓB NIE PRZYSTOSOWANYCH SPOŁECZNIE ORAZ U OSÓB UPO#LEDZONYCH UMYSŁOWO
Najobszerniejsze dane na ten temat zostały opublikowane przez Smitha i Jacobs. Wśród pacjentów szpitali z maksymalnym nadzorem oraz wśród osólt. nie przystosowanych społecznie zwraca uwagę duża częstość występowania mężczyzn z kariotypem 47,XYY, a wżęc z obecnością dwóch chromosomów płciowych Y. Dalsze badania wykazały, że mężczyźni z kariotypem 47,XYY znajdują się nie tylko w zakładach specjalnych lub więzieniach, lecz również w populacji ogólnej i że obecność dwóch chromosomów płciowych Y nie musi prowadzić do antysocjalnego zachowania lub przestępstwa. Faktem jest #ednak, że obecność kariotypu 47,XYY jest dużo częściej spotykana wśród osób, które weszły w kolizję z prawem. Badazria prowadzone wśród osób nie przystosowanych społecznie wykazały, że najczęściej stwierdzanymi aberracjami chromosomalnymi były nieprawidłowoścń liczbowe chromosomów płciowych spowodowane obecnością dodatkowego chromosomu płciowego, w postaci kariotypu 4.7,XYY lub 47,XXY. Wśród osób upośledzonych umysławo najczęściej stwierdzaną aberracją chromosomalną była trisomia 21 (zespół Downa). Dość często występowały# również translokacje autosomalne. W z#kresie aberracji chromosomów płciowych u osób upośledzonych umysłowo stwierdzano obok kariotypu 47,XXY lub 47,XXX komponent 48,XXXY lub 49,XXXXY występtxjący w postaci mozaiki. Mozaik" takiej nie stwierdza się w populacji ogólnej, gdyż obecnośćł ponad trzech chromosomów płciowych prowadai do poważnych zaburzeń, zarbwno w rozwoju psychicznym, jak i somatyeznym. Natomiast najczęściej= występującą aberracją strukturalną - jest zespół łamliwego chromosomu X.
II# POilSUMOWANIE
;gadania cytogenetyczne płodów i noworodków dostarczają istotnych danyeh porównawczych, które pozwalają określić maczenie zmian chromosomalnych w zaburzeniach rozwojowych płodów. Częstośe występowania aberracji chromosomalnych u płodów z poronień samoistnych przekracza 50o/o wśród płodów z poronień sztucznych wynosi ponad 2o/o. Natomiast ogólną częstość występowania aberracji chromosomalnych u zarodków i płodów ocenia się na ponad 10o/o. Ta pozorna różnica pomiędzy 2a/o z poronień sztucznych a ogólną liczbą ponad 10o/o tłumaczy się faktem, źe płody z aberracjami chromosomalnymi są ronione najczęściej w pierwszych tygodniach ciąży, a więc materiał z poronień sztucznych jest już matex~iałem, który nie obejmuje licznych poronień samoiśtnych, jakie miały miejsce we wczesnym okresie rozwoju. Częstość występowania aberracji chromosomalnych u noworadków wynosi 1:150, natomiast u siedmio- i ośmioletnich dzieci z populacji ogólnej wynosi 1:200. Badania prowadzone wśród osób nie przystosowanych społecznie wykazały, ie najczęściej stwierdzanymi aberracjami chromosomalnymi były kariotypy 47,XYY lub 47.XXY. Wśród osób upośledzonych umysłowo najczęściej stwier#lzaną aberracją chr4mosomalną była trisomia 21 (zespół Downa). VII. Dziedziczenie jednogenowe
Ja#ek Za#e#nba
ODKBYCIA MENDLA
Prawidła rządzące dziedziczeniem uwarunkowanym obecnością pojedynezych genów zostały odkryte i ogłośzone przez Grzegorza Mendla w 1865 i 1866 r. Odezyt wygłoszony przez Mendla na posiedzeniu Towarzystwa Histor Naturalnej w Brnie (8 luty, 1865 r.) oraz publikacje z 1866 r. nie wywołały większego zainteresowania wśród współezesnych mu uczonych. Po prostu nie zdołali pojąć, a więc i docenić doniosłości obserwacji poczynionych przez Mendla. Dopiero po 34 latach przypomniano sobie o tym uczonym i ponownie "odkryto" jego prawa. Grzegorz Mendel, jak powszechnie wiadomo. badał groch i obserwował przekazywanie z pokolenia na pokolenie takich cech, jak barwa kwiatów, kształt nasienia itp. Czyniąc te obserwaeje, sam zapewne nie zdawał sobie w pełni spr",#vy z ich uniwersalności w przyrodzie. Pierwsze prawo Mendla dotyczy segregacji genetycznej. Oparte jest na kilku wnioskach z wspomnianych wyżej obserwacji, a mianowicie: a) cechy dziedziczne uwarunkowane są obecnością jednostek dziedżiczenia - obecnie zwanych genami (Mendel posługiwał się terminem "czynnik"), b) geny są przekazywane z pokolenia na pokolenie za pośrednictwem gamet, c) geny występują w parach. Tę ostatnią koncepeję uznaE należy za szezególnie doniosłą. Parę homologicznych genów określa się obeenie jako allele. Są one usytuowane symetrycznie w obrębie homologicznych chromosomów, a zajmowane przez nie miejsca określa się terminem locż (liczba pojedyneza - locus). Prawo segregacji w bardziej nowoczesnej wersji stwierdza, iż homologiczne geny (allele) u danego osobnika oddzielają się jeden ad drugiego, tzn. segregują, w trakcie tworzenia się gamet (jaj i plemników). Dzięki temu każda z gamet zawiera tylko po jednym z każdej pary genów. Obecnie, gdy znane są mechanizmy podziału mejotycznego, prawo to wydaje się oczywiste. W czasach !Vlendla było to jednak odkrycie epokowe. Drugie prawo Mendla dotyczy niezależnego dżiedziczenia par alleli dwóch różnych genów. Osobnik podwójnie heterozygotyczny Aa i Bb wytwarza więc cztery możliwe typy gamet: AB, Ab, aB i ab. Loct. t2 (Aa i Bb) dziedziczą się zatem niezależnie. W świetle nowszych danych, prawo to wymaga uzupełnienia i weryfikacji. Trzecie odkrycie Mendla dotyczy dominacji i recesywności genów w odniesieniu do fenotypu. Według słów samego Mendla: "te cechy, które są prze
B - Zarys genetpki 113 kazywane w całości lub prawie niezmienione przez krzyżowanie (hybrydyzację), a więc stanowią o cechaeh mieszańca (hybrydy), określa się jako dominujące, zaś te, które w tym procesie przechodzą w stan utajenia, jako "recesywne". Chodzi oczywiście o to, czy dane cechy ujawniają się u heterozygot, czy tylko u homozygot. Pod pojęciem genu rozumiemy podstawową jednostkę dziedziczenia równoznaczną z odcinkiem DNA zawierającym od kilkuset do kilku tysiący par zasad'. Kolejność (sekwencja) par zasad może być bardzo różna, dzięki czemu każdy gen cechuje się odrębną budową i zawiera swoistą informację. Funkcja poszczególnych genów polega na sprawowaniu kontroli nad syntezą różnych białek - enzymatycznych i strukturalnych. Dok3adne informacje na temat mechanizmów dziedziczenia na szczeblu molekularnym znajdzie Czytelnik w odpowiednim rozdziale (p. rozdz. II). Tu natomiast zajmiemy się praktycznymi aspektami dziedziczenia mendlowskiego w odniesieniu do genetyki klinicznej. Mendel czyniąc swoje obserwacje, nie wiedział, że geny znajdują się na chromosomach. Przypomnijmy tu, że para odpowiednich alleli usytuowana jest w tych samych miejscach na chromosomach odpowiedniej pary. Jeden z nich pochodzi od ojca, a drugi od matki. Dzieje się tak dzięki podziałowi mejotycznemu (p. rozdział II). Niezależne dziedziczenie cech uwarunkowanych pojedynczymi genami realizuje się w ten sposób, iż w podżiale mejotycznym każda para chromosomów dzieli się niezależnie. Tak więc podział pierwszej pary chromosomów jest niezależny od podziału pary drugiej itd. Konsekwencją tej niezależności podziałów poszczególnych par jest ogromna zmienność gamet. Ponieważ w kariotypie człowieka występują 23 pary chromosomów, a każda z nich dzieli się niezależnie, liezba powstających z jednakowym prawdopodobieństwem typów gamet wynosi 2X2X2... =2#'=8 388 608. W rzeczywistości liczba możliwych wariantów gamet jest znacznie większa, ponieważ, jak pamiętamy z opisu podziału redukcyjnego, w trakcie mejozy dochodzi do wymiany homologicznych odcinków w obrębie poszczególnych par chromosomów. Dzięki podziałowi mejotycznemu poprzedzającemu zapłodnienie dochodzi więc nie tylko do redukcji liczby chromosomów o połowę (dzięki czemu liczba chromosomów w każdej komórce somatycznej w kolejnych pokoleniach pozostaje stała), lecz także do gruntownego "przetasowania" genów i chromosomów.
DZIEDZICZENIE AUTOSOMALNE DOMINUJĄCE I RECESYWNE
Prawa Mendla sprowadzają się właściwie do tego, iż znając genotypy obojga rodziców, można przewidzieć, jakie będą genotypy potomstwa i w jakich proporcjach będą one występować. Oczekiwane proporcje genotypów potomstwa można przedstawić graficznie za pomocą tzw. kwadratów Punnetta. Rycina 61 przedstawia dwa takie przykłacly. Zestawienie sześciu możliwych kombinacji genotypów rodziców i oczekiwane proporcje genotypów potomstwa przedstawia tab. 17 i ryc. 61. Interpretując dane zawarte w tej tabeli, należy zwrócić uwagę na dwie istotne sprawy. Po pierwsze, proporcje podane w tabeli odnosić można wyłącznie do genbw znajdujących się na autosomach. Dziedziezenie cech, których geny mie
# Niektóre geny są szczególnie duże, np. wielkość genu dystrofil mięśniowej Duchenn'a ocenia się na dwa miliony par zasad.
114 T a b e I a 17. Zestawienie 6możliwych kombinacji genotypów rodziców i oc%eki-wane proporeje genotypów wśród potomstwa w dziedziczeniu autosomalnym - do-minującym lub recesywny# Lp. Genotypy Proporcje genotypów w potomstwie rodziców AA Aa aa 1 AAXAA 1 0 0 2 AA x Aa 1/2 1/2 0 3 Aa x Aa 1/4 1/2 1/4 4 AA X aa 0 1 0 5 Aa x aa 0 1/2 1/2 6 aaxaa 0 0 1
#jCIeC Aa
Gamety Matko aa
0 a
Gomety Matka Aa
b a
Ryc. 61. Proporcje genotypów u potomstwa w dziedziczeniu autosomalnym przedstawione graficznie za pomocą kwadratów Punnetta (patrz kombinacja 3 i 5 w tab. 17). A - gen autosomalny dominujący, a - gen autosomalny recesywny.
szczą się w obrębie chromosomów płciowych, #mówione jest oddzielnie (p. niżej). W ubu typach dziedziczenia autosomalnego płeć w zasadzie nie odgrywa roli. Po drugie, należy zaznaczyć, że geny dominujące umownie omaczamy literą dużą (np. A), zaś geny recesywne małą literą (np. a). W dziedziczeniu autosomalnym dominującym wystarczy obecność (w genotypie) tylko jednego genu dominującego (A), ażeby dana cecha ujawniła się w fenotypie. Dla ujawnienia eechy autosomalnej recesywnej konieczna jest obecność dwóch odpowiednich alleli recesywnych (aa). Znając te proste zależności i dysponując zestawieniem podanym w tab. 17, możemy podać oczekiwane proporcje potomstwa dla obu typów dziedziczenia autosomalnego. Rycina 61 przedstawia tzw. wyidealizowane' schematy rodowodów dla wszystkich kombinacji występujących w tab. 17. Biorąc pod uwagę wspomniane wyżej prawidłowości dziedziczenia dominującego - przy kombinacjach 1, 2 i 4 całe potomstwo będzie wykazywać daną cechę dominującą - nie
' W rodowodzie "wyidealizowanym" proporcje potomstwa z określonym genotypem odpowiadają ściśle wartościom oczekiwanym,
115 zależnie od tego, czy będą to homozygoty AA, czy też heterozygoty Aa; przy kombinacjach 3 i 5 część potomstwa (o genotypie aa) nie będzie wykazywać danej cechy - odpowiednio 1/# i #/a, Zupełnie inaczej przedstawia się natomiast ujawnianie się eechy recesywnej uwarunkowanej występowaniem genu a w podwójnej dawce. Cecha taka ujawni się u części potomstwa - przy kombinacjach 3, 5 -- odpowiednio w i/4, w i/2 przypadków, zaś przy kombinacji 6 u całego potomstwa. W badaniach genetyc#nych bardzo ważna jest analiza rodowodów oparta na szczegółowym wywiadzie i badaniu poszczególnych członków rodzin. W poszczególnych rodowodach rozkład osobników z cechą przekazywaną w sposób dominujący jest pionowy, ponieważ często cechę dominującą obserwuje się w kolejnych pokoleniach. Przy dziedziczeniu autosomalnym recesywnym spotyka się rozkład "poziomy" - występowanie danej cechy obserwuje się zazwyczaj tylko w jednym pokoleniu. W następnych pokoleniach dana cecha nie występuje - stąd nazwa cecha recesywna, tzn. "ustępująca". Dzieje się tak dlatego, ponieważ szansa, że osobnik homozygotyczny aa wykazujący daną cechę napotka drugą osobę posiadającą ten sam, zazwyczaj rzadko występujący gen recesywny a, jest nieduża. Małżeństwo z osobą o genotypie AA może dać tylko zdrowe potomstwo heterozygotyczne Aa (patrz kombinacja 4 w tabeli). Spokrewnienie rodziców wydatnie zwiększa szansę wystąpienia danej cechy, ponieważ oboje mogą być nosicielami tego samego genu odziedziczonego od wspólnego przodka. Zagadnienie to zostało omówione w rozdziałach XI i XIV. Wspomnijmy tu więc tylko, że częstość małżeństw spokrewnionych w populacji ludzkiej nie jest duża: w Europie i Ameryce częstość małżeńśtw pomiędzy kuzynami I stopnia wynosi 0,01. W Japonii małżeństwa takie spotyka się sześciokrotnie częściej (0,06). Znajduje to swój wyraz w częstszym występowaniu wielu chorób recesywnych autosomalnych w populacji japońskiej. Wśród rodziców dzieci dotkniętych rzadkimi chorobami o tym typie dziedziczenia obserwuje się szezególnie duży odsetek małżeństw spokrewnionych (tab. 18). Dane przedstawione w tabeli 18 wykazują, że po pierwsze, wśród rodziców dzieci z rzadkimi chorobami recesywnymi autosomalnymi odsetek małżeństw pomiędzy kuzynami I stopnia jest znacznie większy niż w populacji
T a b e 1 a 18. Odsetek małżeństw spokrewnionycb - pomiędzy kuzynami I stopnia wśród rodziców dzieci dotkniętych rzadkimi chorobami recesywnymi autosomalnymi
Nazwa ehoroby Częstość małżeństw między kuzynami I stopnia wśród rodziców dzieci chorych w %
Przy nazwach państw podano odsetki malżeństw pomiędzy kuzynami I stopnia (dane wg Hartla).
116 ogólnej, a po drugie, że częstość małżeństw spokrewnionych wśród rodziców dżieci dotkniętych rzadkimi chorobami autosomalnymi recesywnymi jest tym większa, im większa jest częstość takich małżeństw w populacji ogólnej. Badania prowadzone na zwierzętach doświadezalnych wskazują dobitnie że chów wsobny wpływa w znacznym stopniu na ujawnianie się chorób re- cesywnych autosomalnych. Na przykład wg Rodricka (1977 r.) liczba znanych chorób autosomalnych recesywnych u hodowanych wsobnie myszy jest wy- raźnie większa aniżeli liczba ehorób dominujących: odpowiednio 222 (63o/o) i 194 (37 /o). W populacji ludzkiej odpowiednie wartości przedstawiają się na- (70 % j #Wg c Moroby recesywne autosomalne 626 (30#/a), a dominujące 1442 cKusicka, 1988). Stąd można wnosić, że w genomie człowieka znajduje się jeszeze dużo dotychezas nie ujawnionych i nie zidentyfikowa- nych genów chorób recesywnych autosomalnych. Chorób genetycznie uwarunkowanych jest więc bardzo wiele, ale na szezę- ście większość z nich występuje rżadko, ponieważ mała jest częstość warun- kujących je genów. Stąd prawdopodobieństwo wystąpienia u obojga rodziców #enu tej samej rzadkiej choroby jest bardzo niewielkie. Częstość genu mu- kowiscydozy (zwłóknienia torbielowatego trzustki) - najezęstszej spośród chorób recesywnych autosomalnych - wynosi 1:50. Co dwudziesta piąta osoba jest zatem zdrowym nośicielem lub nosicielką tego genu *. Prawdopo- dobieństwo spotkania się w małżeństwie dwóch osób mających ten sam gen mukowiscydozy wynosi więc 1:25xl:25=1:625, a częstość występowan:a cho- roby wynosi odpowiednio 1:50x1:50=1:2500.
#^. AA
AA AA AA
I: A
A :1 Aa ##;, AA
AO 3 # AA # # ##a aa
#`A aa
4
Aa Aa Aa Aa
5 #a Ao A" a#.
# o#=cb#;k ptci mg5kie# D.#5 żeński.,j
a ao 6 ca ca aa #; , ń
:=:yc. 62. Sehematy rodowodbw -,vvyidealizowane" - w dziedziczeniu autosort:;zlnyzn: dominującym i recesywnym (porównaj z danymi w tab. 17).
Mała częstość patologicznych genów w populacji ogólnej sprawia, iż tylko niektóre z 6 rozważanych wyżej kombinacji genotypowych (tab. 17 i ryc. 62) są praktycznie ważne. W odniesieniu do chorób autosomalnych dominujących jest to kombinacja 5: oczekiwana proporeja osób chorych - równoznaczna z ryzykiem zachorowania - wynosi i/2 (patrz także ryc. 63a).
* Częstość genu podaje się w przeliczeniu na liczbę chromosomów, która jest oczywiście dwukrotnie większa od liczby osób w danej populacji.
117 #c ao Aa a Ryc. B3. Najbardziej charakterystyczne ł kombinacje genotypów rodzicielskich av dziedziczeniu chorób autosomalnych domi-u# Aa Ao aa AA ,qo p,o # nujących (a) i autosomalnych recesywnych (b). W dziedziczeniu dominującym gen chorobowy oznaczony jest literą A; w a b dziedziczeniu recesywnym literą a. # osobnik zdrowy # osobnik chory fl żdrowy nosiciel recesywnego autosomolnego genu chorob#
W odniesieniu do chorób autosomalnych recesywnych natomiast najważniejsza jest kombinacja 3, w której oboje heterozygotyczni rodzice są zdrowymi nosicielami genu chorobowego a. Ryzyko urodzenia się dziecka chorego#omozygoty aa wynosi w tym wypadku 1/#; s/# potomstwa jest zaś zdrowe: '/a stanowią homozygoty AA i '/: zdrowe heterozygoty Aa (p. także ryc. 63b).
Proporeja genetyczna dla cech uwarunkowanych autosomalnie dominująco wynosi więc 1:2, a dla cech uwarunkowanych autosomalnie recesywnie 1:4. Ocaywiście, możliwe, lecz dużo mniej prawdopodobne jest napotkanie innych spośród 6 wymienionyeh kombinacji genotypów rodzicielskich. W chorobach dominujących możliwa, choć bardzo rzadka, jest kombinacja 3, gdy oboje heterozygotyczni małżonkowie dotknięci są tą samą chorobą. 7#nane są np. wypadki zawierania małżeństw przez osoby dotknięte aehondroplazją *. Ryzyko wystąpienia choroby u potomstwa wynosi wówezas teoretycznie 3:4. Istnieją jednak dane, pozwalające sądzić, że homozygoty AA - mające gen achondroplazji w podwójnej dawce - nie są zdolne do życia. Prawdopodobieństwo urodzenia dotkniętego achondroplazją i zdolnego do życia dziecka wynosi więc w takim wypadku nie 3 :4, lecz 2 :3. W chorobach reeesywnych autosomalnych niekiedy - choć bardzo rzadko - możemy mieć do czynienia z kombinacją 5, gdy partnerem lub partnerką dotkniętej chorobą homozygoty aa jest osoba mająca gen patologicz
'i ;1 b e : a 19. Przvkładv chorób dominujących autosomalnych
Nazwa choroby Lokalizacja genu na chromosomie
Achondroplazja Stwardnienie guzowate (selerosfs tuberosa) NerwiakowlókniakowatośE (choroba Recklinghausena) Choroba Crouzona (dysostosfs cra#t.i.ofacżalis) Hipereholesterolemia rodzinna Porfiria ostra przerywana Dystrofia miotoniczna Steinerta Pląsawica Huntingtona Choroba Charcota, Marie i Tootha (jedna z postaci choraby) Siatkówezak plodowy Torbielowatość nerek, postać dorosłych Zespół paznokciowo-rzepkowy Choroba afektywna (psychoza maniakalno-depresyjna)
ny w pojedynczej dawce (heterozygota Aa). W takim wypadku ryzyko wystąpienia choroby wynosi nie 1:4, lecz 1:2, a więc jest charakterystyczne dla chorób dominujących. Możliwa, lecz również rzadka jest kombinacja 6, gdy parę małżeńską tworzą osoby dotknięte tą samą chorobą recesywną (homozygoty aa). W takim wypadku ryzyko urodzenia chorego, homozygotycznego dziecka wynosi oczywiście 1, tzn. l00o/o. Do małżeństw takich dochodzi np. pomiędzy osobami głuchoniemymi, głuchoniemota wrodzona w większości przypadków dziedziczy się bowiem w sposób recesywny autosomalny. Przykłady chorób autosomalnych - dominujących i recesyw#nych podano w tab. 19 i 20.
DZIEDZICZENIE SPRZ#ŻONE Z PŁCIĄ
Sprzężenie z płcią jest rozumiane na ogół jako równoznaczne z usytuowaniem danego genu na chromosomie X. Dlatego alternatywnie używa się terminu "sprzężenie z chromosomem X". W istocie "sprzężenie z płcią" jest terminem szerszym, ponieważ może obejmować również sprzężenie z chromosomem Y; na chromosomie tym zidentyfikowano jednak dotąd tylko kilka genów, w tym gen określający różnicowanie się jąder TDF (testis determining factor), znajdujący się w ramieniu krótkim (p) chromosomu Y. Szansa ujawnienia się cechy recesywnej sprzężonej z chromosomem X różni się w zależnośei od płci (p. ryc. 64). Kobieta ma dwa chromosomy Xmoże być zatem w odniesieniu do danego genu sprzężonego z płcią heterozygotą lub homozygotą. Ujawnienie się cechy sprzężonej z płcią u kobiety podlega więc takim samym prawom jak przy dziedziezeniu autosomalnym: dla ujawnienia się cechy recesywnej konieczne jest wystąpienie genu w podwójnej dawce (aa); dla ujawnienia się cechy dominującej wystarczy obecność genu A na #ednym z pary chromosomów X. U mężczyzny, który ma przecież tylko jeden chromosom X, dla ujawnienia się danej cechy wystarczy obecność jednego genu recesywnego (a) usytuowanego na tym chromosomie; w odniesieniu do genów sprzężonych z chromosomem X mężczyzna jest nie hetero-, lecz hemizygotą. Zestawienie B możliwych kombinacji genotypów rodziców i oczekiwane proporcje genotypów u ich potomstwa w dziedziczeniu recesywnym sprzężonym z chromosomem X przedstawia tab. 21.
#.yc. 64. "Wyidealizowane" rodowody w dziedziczeniu recesywnym sprzężonym z płcią (porównaj z danyxxii w tab. 21).
T a b e I a 21. Dziedziczenie recesywne sprzężone z chromosomem X: 6 możliwych kombinaeji genotypów rodzieów i oczekin#ane proporcje genotypów ai ich potemstwa 6#' zależności ed płci (porówn2j z rye. E#)
Lp. Matka Ojciec Córki Synowie (XX) (XY) AA Aa aa A- # a1 AAx A- 1!2 1/2 - 2 AaXA- 1/4 li4 1/4 1/4 1 2 1 /2 3 aa xA- I - / 4 AA x a- - 1/2 - Il2 - " Aaxa-- 1/4 1!2 - 1/2 6 ' aax a- 1/2 - 1 !2
Praktycznie najważniejsza, bo najczęściej spotykana, jest kombinacja 2. w której kobieta - zdrowa nosicielka przekazuje gen połowi# swego potumstwa: połowie córek, które - tak jak ich matka - stają się nosicielkami genu i połowie synów, u których dana eecha (choroba) ujawnia się. Ryzyko wystąpienia choroby u potomstwa płci męskiej wynosi wigc w tyxn wypadku i;', (p. także ryc. 65a). Ważna jest także kombinacja 4: jak widać, całe potomstwo chorego ojca jest zdrowe, z tym że wszystkie córki stają się nosicielkami genu chorobowego a (rye. 65b). Występowanie chorób przekazywanych w sposób recesywny sprzgżuny z płcią u l#o#iet należy do rzadkości. V4'ynika to z przedstawionych wvżej prawideł
120 # ' XA '#u;k;c
r Xa
Netko
6 xA
Ryc. 65. Proporeje genetyczne u potomstwa w dziedziczeniu recesywnym sprzężonym z płcią przedstawione graficznie za pomocą kwadratów Punnetta (porównaj kombinacje 2 i 4 w tab. 21). Dla podkreślenia, iż mamy do czynienia z dziedziczeniem sprzężonym z płcią, zaznaczono pary chromosomów matki - XX i ojcaXY ; a - recesywny gen chorobowy 5a : matka zdrowa nosicielka g#nu chorobowego a - choruje połowa potomstwa płci męskiej: połowa potomstwa płeż żeńskiej to zdrowe nosicielki genu a. b: ojciec chory - całe potomstwo jest zdrowe; #vszystkie dziewezęta są nosicielkami genu chorobowego a.
rządzących tym typem dziedziezenia. Jeżeli np. dana cecha uwarunkowana w taki właśnie sposób u mężezyzn występuje z częstością I:10, to prawdopodobieństwo jej wystąpienia u kobiety jest tylko dziesięciokrotnie mniejsze 1/10 =1/100. Przy częstości cechy 1:100 u mężezyzny prawdopodobieńśtwo wyśtąpienia jej u kobiety jest już śtukrotnie mniejsze, tzn. 1:10000, a dla częstości 1:1000 - tysiąckrotnie mniejsze, tzn. 1:1000 000. Choroby recesywne sprzężone z płcią wyśtępują bardzo rzadko. Jedną z najczęstszych spośród nich jest dystrofia mxęśniowa Duchenne'a, która u chłopeów występuje z częstością 1:3000; jest więc zrozumiałe, że przypadki zachorowania wśród dzieweząt śpotyka się wyjątkowo. W innych na ogół znacznie rzadziej występujących chorobach recesywnych sprzężonych z płcią prawdopodobieństwo zachorowania kobiet jest tak znikome, że praktycznie można je pominąć. Zatem dla rodowodu, w k;tórym występuje choroba recesywna sprzężona z płcią, charakterystycane jest, iż chorują tylko synowie, a w związku z tym, że gen choroby przekazywany jest przez kobiety - cz#sto także
T a b e 1a 22. Przykłady ehoró# sprzężons ch z c#romnsomem X Lp.Nazwa choroby Lokalizacja genu na chromosomie X 1 Dystrofia mięśniowa Duchenne'a Xp22.1 2 Dystrofia mięśniowa Beckera Xp22.1 3 Dystrofia mięśniowa Emezy'ego i Dreifussa Xq28 4 Zespół jąder feminizujących Xpll - qll 5 Choroba Charcota,Marie i Tootha XqI3- q21 E liemofilia A. Xq28 9 Hemofilia B Xq27.1- q27.2 8 Zespół Leseha i Nyhana Xq26- q27.2 9 Nlukopolisacharydoza II (choroba Huntera) Xq26- q2# 10 $lepota na barwy (daltonizm) Xq28 11 Zespół łamliu,ego chromosomu X (Fra X) Xq27.31 12 Hipofosfatemia dziedziezna Xp22
121 bracia matki (a czasem i jej ojciec) dotknięci są chor#bą (patrz także rozdział Analiza rodowodów). Znane jest także dziedziczenie dominujące sprzężone z płcią - choć chorób w taki sposób uwarunkowanych jest niewiele. W tym typie dziedziczenia kobiety chorują dwukrotnie częściej niż mężczyźni, ponieważ mają dwukrotnie więcej chromosomów X. Chora, heterozygotyczna kobieta przekazuje chorobę połowie swego potomstwa - niezależnie od płci. Chory mężczyzna przekazuje chorobę wszystkim swoim eórkom i żadnemu ze swych synów. Przykładem cechy fizjologicznej przekazywanej w ten sposób jest grupa krwi Xg (a -ł-). Przykłady chorób sprzężonych z chromosomem X podano w tab. 22. Na 12 chorób podanych w tab. 22, 11 dziedziczy się w sposób recesywny sprzężony z płcią, a tylko jedna (pozycja 12) w sp#sób dominujący sprzężony z płcią. Zespól łamliwego chromosomu X charakteryzujący się obecnością chromosomu X markera - z przewężeniem w miejscu odpowiadającym w przybliżeniu pozycji genu, tzn. Xq27.31 - również częściowo spełnia kryteria dziedzicz#nia dominującego sprzężonego z płcią, ponieważ część kobiet - heterozygot dotknięta jest upośledzeniem umysłowym* - chociaż z reguły lżejszego stopnia niż chorzy mężczyźni.
WYBRANE ZAGADNIENIA DOTYCZĄCE DZIEDZICZENIA JEDNOGENOWEGO
PROPORCJA GENETYCZNA - SPOS6B U#PALNIANIA SI# OD L#DU SELEKCJI
W tłumaczeniu prawideł dziedziczenia jednogenowego posługiwaliśmy się dotąd tzw. wyidealizowanymi rodowodami, w których proporcja osób zdrowych odpowiadała ściśle wartości oczekiwanej. Oczywiście, w praktyce mamy do czynienia z sytuacją zupełnie inną: oczekiwana proporcja sprawdza się tylko w stosunkowo niewielkiej liczbie rodzeństw. W wypadku roślin i zwierząt doświadczalnych, takich jak groszek czy muszka owłocowa, problem taki nie istnieje, ponieważ dysponujemy dostatecznie dużą liczbą potomstwa i możemy ograniczyć się do liczenia osobników o takim lub innym fenotypietak np. jak to czynił Mendel w swoich doświadczeniach z grochem. U człowieka stajemy przed dużo trudniejszym zadaniem, liczebność potomstwa z poszczególnych par rodzicielskich jest bowiem bardzo znikoma - rzadko powyżej 4. Nie możemy zatem oczekiwać, żeby typowe dla różnych typów dziedziczenia proporcje sprawdzały się w poszczególnych rod2eństwach. Wyjściem z sytuacji jest zebranie większej liczby rodzin i badanie proporcji genetycznych w skomasowanym materiale. Tu jednak narażeni jesteśmy na popełnienie błędu selekcji, a to z następujących przyczyn: Po pierwsze, trafiają do nas wytącznie takie rodziny, w których wystąpiły przypadki choroby, a rodziny, w których przypadki takie nie wystąpiły, wypadaja nam z pola widzenia. Dla przykładu: nie ma w tym nic dziwnego, że w wielu wypadkach rodzice, zdrowi nosiciele cech recesywnych autosomalnych Aa X Aa, mają wy#ącznie zdrowe dzieci; szansa urodzenia z takich par rodzicielskich dziecka zdrowego wynosi 75o/o, a więc przy odrobinie szczęścia
' Zespól łamliwego chromosomu X jest, po zespole Downa, drugą pod względem częstośd występowania; znaną przyczyną upośledzenia umyslowego glębszego stopnla.
122 osoby takie mogą mieć wyłącznie zdrowe dzieci i nigdy nie dowiedzieć sig o potencjalnym zagrożeniu. Po drugie, zrozumiałe jest, że rodziny z większą liczbą potomstwa chorego mają większą szansę trafienia do naszych poradni aniżeli rodziny, w których wystąpiły tylko pojedyncze przypadki choroby. Przyjmuje się, że prawdopodobieństwo natrafienia przez nas na rodzeństwa z dwoma lub trzema osobami chorymi jest odpowiednio 2 lub 3 razy większe niż prawdopodobieństwo natrafienia na rodzeństwo z jedną osobą chorą.
T a b e 1 a 23. Rozkład 256 czteroosobowych rodzeństw w zależności od liczby chorycb homozygot aa #
Typ rodzeństwa Oczekiwana lic#l#a
81 108 31,6 42,2
54 12 21,1 4,9
1 0,4
Łącznie
256 100,0
' Wartości podane w tabeli otrzymano w wyniku rozwinięcia wyrażenia (3/4-#-#1/4)4, w którym 3/4 stanowią osoby zdrawe o genotypie Aa i AA lącznie, a I/4 osoby chore o genotypie aa.
Tabela 23 przedstawia rzeczywisty rozkład czteroosobowych rodzeństw w zależności od liczby osób dotkniętych chorobą recesywną autosomalną (gen#typ aa; genotyp rodziców we wszystkich przypadkach Aa X Aa). Jak wynika z wartości podanych w tej tabeli, można oczekiwać, że tylko 42a/o rodzeństw czteroosobowych będzie wykazywać typową dla dziedziczenia recesywnego autosomalnego proporcję osób chorych. W blisko 32#/o rodzeństw przypadki choroby w ogóle nie wystąpią. Spróbujmy teraz na przykladzie pokazać, w jaki sposób można uwolnić się od popełnienia błędu selekcji przy obliezaniu proporcj i genetycznej.
Ryc. e6. Sposób uwalniania się od blędn selekcji w oblIczaniu pr^mporćji genetycznej (opis w tekście).
Oaa # laa # 2aa # 3aa # 4aa
l I3 PrzypuśEmy, że trafiła do nas pewna liczba trzyosobowych rodzeństw z różną liczbą dzieci dotkniętych jedną z chorób podejrzanych o genetyczne uwarunkowanie (ryc. 66a i 66b). Jak przedstawiono na ryc. 66, w materiale naszym znalazło się 16 rodzeństw, w których, na globalną licżbę 48 członków rodzeństw, odnotowano łączrzie 24 przypadki choroby, tzn. '/r. Jest to proporcja, której można byłoby oczekiwać przy autosomalnym dominującym typie dziedziczenia. Zdajemy sobie jednak sprawę z tego, iż z podanych wyżej powodów materiał, którym dysponujemy, musi byE obciążony poważnym błę#em selekeji. Jednym ze skutecznych sposobów uwolnienia się od tego błędu jest pominięcie w każdym rodzeństwie jednej chorej osoby (ryc. 66b). Uzys?rujemy w ten sposób wartości s/#Q = 1/4, która odpowiada proporcji typowej dla dziedziczenia recesywnego autosomalnego. 1Va takim właśnie podejściu oparta jest jedna z metod obliczania proporcji genetycznej opracowana przez Weinberga, w której stosuje się wzór:
R-N T-N gdzie: p oznacza proporcję genetyczną, R - liczbę osób chorych, #Tliczbę wszystkich członków rodzeństw łącznie, N - liczbę rodzeństw. Podstawiajac nasze wartoścl do powyższego wzoru otrzymujemy: 24-16 8 1 48 -16 32 4 Znamy oczywiś"e wiele meto" obliczania proporcji genetycznej, które stosujemy w zależności od rodzaju materiału, którym dysponujemy, a ściślej: od sposobu, za pomocą którego materiał nasz został zarejestrowany. Dalsze rozwijanie tego tematu wykracza jednak poza tematykę tego rozdziału.
KO#lOMFNACJA
iiodominaeja istnieje wówczas, gdy w jednym Locus może znajdować się więcej zziż jeden allel dominujący. Sytuacja taka ma miejsce np. w wypadku grupy krwi ABO (locus ABO znajduje się na chromosomie 9q34). Odpowiednie allele można oznaczyć A, B i 0. Osoby o genotypie AA lub AO mają grupę krwi A, osoby o genotypie BB lub 0 mają grupę krwi , genotyp 00 odpowiada grupie 0; wreszcie istnieje genotyp i grupa AB. Ta# więc zarówno geny A, jak B są domin#.xjące w stosunku do genu 0. Geny A i w stosunku do siebie są zaś kodominujące. W istocie sprawa jest nieco bardziej złożona, ponieważ mogą występować dwie odmiany genotypu A: As i A#. Warianty genotypów miejsca genowego ABO można przedstawić w postaci trbjkąta (ryc. 67). PodAB
AO BO :`= A
Ryc. 67. #Varianty fenotypów miejsca genowego grup krwi AB0. Fenotyp AB (wierzchołek trójkąta) świadczy o kodominacji.
12# #amety #,r;
Ojciec BO
.#am#!# ' A
P#atka AA
b A
Ojciec BB
B g
Ryc. 68. (a) Genotypy potomstwa AO i BO świadczą o dominacji genów A i B w stosunku do genu 0ł gen recesywny 0 ujawnia się tylkn w postaci homozygotycznej, natomiast genotyp AB świadczy o kodominacji: w fenotypie ujawniają się oba ge- ny A i B. (b) Jeśli rodzice są homozygotami AA i BB, to oba geny A i B ujaw- niają się u całego p#tomstwa.
stawę trójkąta stanowią trzy genotypy homo#ygotyczne, reszta genotypów to heterozygoty, przy czym genotyp AB (wierzchołek trójkąta) stanowi przykład kodominacji. Rycina 68 przedstawia dwa przykłady segregaeji genotypów rodzicielskich pozwalające na prześledzenie kodominacji genów A i B. Kodominujące są także geny grupy krwi M i N, których locus znajduje się na ehromosomie 4q28 - q31. Przyklad obliczania częstości tych genów w populacji o#ólnej znajdzie Czytelnik w rozdziale XI - Genetyka populacyjna.
MUTACJE
Zagadnienie to w różnych aspektach zostało omówione w rozdziałach IX i XI. W tra#ycyjnym ujęciu mutacja jest zmianą zachodzącą w obrębie materialu genetycznego DNA, w znacznej większości przypadkóv# stabilną, która może być przekazywana z pokolenia na pokolenie; sposoby przekazywania zostaty omówione powyżej. Mutacja może dotyczyć różnych poziomów organizacji materiału genetycznego - począwszy od grubych zmian dotyczących ehromosomów, jak różne typy aneuploidii - aż do drobnych zmian na s#rzeblu molekularnym. Rozdział ten poświęcony jest dziedziczeniu jednogenowemu, dlatego też mutacje, o których jest tu mowa, dotyczą zmian zachodzących w obrębie pojedynczych genów. Charakter mutacji na srczeblu molekularnym rozpoznaje siQ bądź pośrednio - za pomocą badania produktów bialkowych poszczególnych genów lub mRNA' bądź bezpośrednio, dokonując analizy samego DNA. Mutacje na paziomie DNA można podzielić na dwie zasadnirze kategorie: a) mutaeje punktowe polegające na podstnwieniu (substytucji) jednego nukleotydu w miejsce drugiego,
' m - messenger RNA czyli RNA informacyjn# - powstaje nn matrycy DNA w procesie transkrypcji, a następnie po przejściu do eytoplazm# sam tnrorzy matrycę (w obrębie rybosomów), na htbrej syntetyzuje się odpawiedni rodznj bia#kn (procrs zwany translncją).
125 b) mutacje związane ze zmianą długości nici DNA (length mutations) polegające na delecji (ubytku) lub addycji, czyli wstawieniu nowego odcinka DNA; ubytek bądź nadmiar materiału genetycznego może dotyczyć od jednego do wielu tysięcy nukleotydów. Mutacja punktowa może bye wywołana zmianami zarówno sekwencji niekodujących - intronów, jak i sekwencji kodujących - egzonów. Zmiana dotycząca tylko jednego nukleotydu może powodować: a) mutacje zmiany sensu (missense mutation) - gdy zmiana jednej zasady w kodonie powoduje zastąpienie w białku jednego aminokwasu przez drugi, b) mutacje nonsensowne polegające na zastąpieniu kodonu sensownego, oznaczającego określony aminokwas, przez kodon nonsensowny, równoznaczny z sygnałem,stop", oznaczającym terminację procesu translacji. Mutacje zmiany sensu powodują zmianę właściwości biologicznych białka. Mutaeje nonsensowne - zazwyczaj znoszą całkowicie funkcję danego białka. Mutacje punktowe mogą zabuizać procesy transkrypcji, np. poprzez zmianę w obrębie promotora, czyli sekwencji DNA, w którym zostaje zapoczątkowana transkrypcj a. Zmiana pojedynczego nukleotydu może także zaburzać proces cięcia i składania (splicing), a więc obróbki mRNA. Wynikiem tego jest powstanie nieprawidłowego mRNA, który nie może ulec translacji (przełożeniu) na prawidłowe białko. Delecje lub duplikacje mogą być vc,ywołane zaburzeniami podczas koniugacji, np. koniugacją nieh.omologicznych odcinków chromosomów bądź nierówną wymianą (crossing over) materiału genetycznego. Delecje stanowią prawdopodobnie od 5 do 15"/o znanych mutacji, przy czym w niektórych chorobach genetycznych proporcja ta jest szczególnie duża, np. już obecnie wiadomo, że w dystrofii mięśniowej Duchenne'a przynajmniej w 70o/o przypadków mechanizm mutacji polega na delecji. Bliższe dane na temat mutacji na szczeblu molekularnym znajdzie Czytelnik w specjalnych opracowaniach poświęconych tym zagadnieniom. Dziedziczne mutacje powstają w komórkach rozrodczych męskich lub żeńskich w okresie poprzedzającym gametogenezę lub w czasie gametogenezy - w różnych jej stadiach. Wspomnieć należy, że mutacje mogą dotyczyć materiału genetyeznego także w komórkach somatycznych, te ostatnie nie są jednak dziedziczone. Należy zdawać sobie sprawę, że mutaeje były i są źródłem całej zmienności genetycznej: nowe allele powstają tylko przez mutacje, nie ulega więc wątpliwości, że obok innych czynników omówionych w rozdziale XI - są one jednym z zasadniezych czynników ewolucji gatunków. Jcst to ogromnie szerokie zagadnienie obejmujące bardzo wiele aspektów. Istnieją mutacje nieszkodliwe - oboję#ne lub pozytywne, oraz szkodliwc - negatywne. Tymi ostatnimi zajmuje się w głównej Fnierze genetyka kliniczna. przy czym pojęcie szkodliwości jest również względne. Niektóre mutacje szkodliwe w podwójnej dawce genu mogą bowiem okazać się pozytywne, gdy gen występuje w dawce pojedynczej. Jako przykład można tu podać niedokrwistośe sierpowatokrwinkową; pojedynczy zmutowany gen daje odporność na malarię, natomiast ten sam gen w podwójnej dawce jest przyczyną ciężkiej, nieuleczalnej choroby krwi. W rozdziale XI podano sposoby obliczania ezęstości mutacji. #V tym miejscu podamy dwa przy#łady z użyciem metod: bezpośredniej i pośredniej. a) Obliczanie częstości mutacji achondroplazji - metoda bezpośrednią.
126 Acbondroplazja jest chorobą przekazywaną w sposób autosomalny dominujący z pełną penetracją genu. W badaniach przeprowadzonych w Danii w nie wyselekcjonowanej populacji 94 097 noworodków wykryto 8 przypadków choroby; wszyscy rodzice tych dzieci byli zdrowi', uznano więc, że wszystkie stwierdzone przypadki choroby były wynikiem nowej mutacji. U 94 075 osób występuje łącznie 2 X 94 075 = 188 150 miejsc genowych '*. Mutacja wystąpiła w 8 miejscach genowych, częstość mutacji zatem wynosi:
8 :188 150 = 0,00004 = 4 X 10## na jedno pokolenie. b) Obliczanie częstości mutacji w stwardnieniu guzowatym (scleros%s tuberosa) metodą pośrednią. Badania przeprowadzone zostały w Polsce w 1968 r. Najpierw obliczono częstość występowania stwardnienia guzowatego w populacji ogólnej. Ustalono, że częstość występowania tego schorzenia w domach opieki dla osób z głębszym stopniem upośledzenia umysłowego wynosi l,lo/o. Badania przeprowadzone wcześniej, pozwoliły na ustalenie, iż głębs#e upośledzenie umysłowe w Polsce występuje z częstością 0,4o/o. Częstość stwardnienia guzowatego w Polsce można więc było oszacowae na:
11 : 1000 X 4 : 1000 = 44 : 1000000.
Dokładne badania rodzinne oraz analiza rodowodów, w których występowały przypadki stwardnieaia guzowatego, pozwoliły na stwierdzenie, że w połowie rodzin choroba ta wystąpiła po raz pierwszy - przypadki te uznano za nowe mutacje. Częstość mutacji otrzymujemy, mnożąc częstość występowania choroby przez proporcję nowych mutacji (1/r); otrzymaną wartość mnożymy jeszcze raz prze# '/e, ponieważ, jak podano wyżej, częstość mutacji podaje się w odniesieniu do liczby miejsc genowych:
44 ł 10#" X #/z X #/z = 11 X 10#" Częstość mutacji stwardnienia guzowatego wynosi więc 11 na milion miejsc genowych na jedno pokolenie "*. Częstość mutacji można też obłiczać inną metodą pośrednią, która oparta jest na założeniu, że między mutacjami a selekcją istnieje stan równowagi. Metoda ta posługuje się pojęciem "przystosowanie genetyczne", które wyraża się stosunkiem prawdopodobieństwa, że osoba dotknięta daną chorobą będzie mieć chorego potomka (a więc będzie w stanie przekazać gen choroby na następne pokolenie) do prawdopodobieństwa tego, że zdrowy członek rodzeństwa tej osoby będzie mieć zdrowego potomka. Jest to tzw. wskaźnik różnicowy płodności. Częstość mutacji (#n.) dla dziedziczenia autosomalnego dominującego wyraża się wzorem:
m = #/2 ' a (1 - f)
gdzie: m oznacza częstość mutacji, n - częstość genu, f - przystosowanie genetyczne. Wszystkie osoby dotknięte stwardnieniem guzowatym, które zostały uwzględ
' W przypadku choroby dominującej, charakteryzującej slę pelna penetracjagenu, stwierdzenie. iż rodzice chorego dziecka są zdrowi, uważa się za dowód na powstanie nowej mutacji. " CzgstośE mutacji podaje się w przeliczeniu na liczbę m3ejsc genowych danej populacji, tzn. na liczbę chromosomów, na których darty gen może występowaE. '*' W późniejszym okresie obliczenie to przeprowadzono ponownio na podstawie nieco innego materiatu i otr#ymano wartośE 18x10#i.
121 nione w powyższym obliczeniu, dotknięte były upośledzeniem umysłowym głębszego stopnia, można je więc uznać za całkowicie niezdolne do reprodukeji. Możemy więc uznać, że f = 0. Zatem:
m # #/2 ł 22 ł l0#g. (1 - 0) = 11 X 10#"
NIEZALE#NA SEGREGACJA, REKOMBINACJA I SPRZ#ŻENIE Drugie prawo Mendla o niezależnym dziedziczeniu genów - w świetle późniejszych badań - wymaga uzupełnienia. Okazało się bowiem, że niezależne dziedziczenie dotyczy nie wszystkich miejsc genowych. W istocie wzajemna względem siebie pozycja genów deeyduje o tym, czy podlegają one segregacji niezależnej, czy też nie. Miejsca genowe znajdujące się na niehomologicznych chromosomach zawsze podlegają - tak jak to ustalił Mendel - segregacji niezależnej. Geny znajdujące się na tym samym chromosomie zazwyczaj przekazywane są jednak łącznie, tak więc ich segregacja nie jest niezależna, chociaż musimy pamiętać, że podezas koniugacji, w mejozie często dochodzi do wymiany (crossing over) części materiału genetycznego pomiędzy homologicznymi chromosomami; skutkiem tej wymiany jest rekombinacja części materiału genetycznego w obrębie chromosomów. Prawdopodobieństwo łącznego przekazania dwóch genów przynależnych do tego samego chromosomu zależy od odległości, jaka je od siebie dzieli. Im większa jest to odległość, tym większa jest śzansa, że zostaną od siebie oddzielone podezas crossing over. Jeżeli zatem geny takie znajdują się w dużej odległości od siebie - np. na przeciwległych końcach chromosomu o stosunkowo dużych wymiarach, wówezas erossing over może wystąpić pomiędzy nimi nawet kilkakrotnie, co sprawia, że segregują one niezależnie. Geny znajdująee się na tym samym chromosomie określamy jako synteniczne, a geny blisko siebie położone, segregujące zazwyczaj łącznie - jako sprzężone. Tak więc syntenia nie zawśze jest równoznaczna ze sprzężeniem. Za miarę odległości pomiędzy dwoma genami na danym chromosomie przyjmuje się ilość powstającyeh na tym odcinku rekombinacji (w wyniku wymian - crossing over); dzieląc liczbę gamet zrekombinowanych przez liczbę gamet niezrekombinowanych oblicza się tzw. frakeję rekombinacji pomiędzy miejscami genowymi, a odległość pomiędzy nimi wyraża się w jednostkach mapy genowej. Jednostka mapy genowej odpowiada lo/o rekombinacji pomiędzy miejscami genowymi - określa się ją również jako jeden eentiMorgan (crJ1)'. Na przykład odległość 4 jednostek mapy genowej (4 cM) jest równoznaczna z 4o/o rekombinacji pomiędzy danymi miejscami genowymi. Częstość rekombinacji, jak już wspomniano, wzrasta w miarę zwiAkszania się odległości pomiędzy genami aż do 50o/o - wartości charakterystycznej dla genów usytuowanych na chromosomaeh niehomologicznych. W związku z tym o sprzężeniu mówi się wówezas, gdy odsetek rekombinacji jest mniejszy niż 50o/o (50 cM). Całkowita długość genetyczna haploidalnego zestawu chromosomów człowieka wynosi ok. 3000 cDJ1 **. Długość genetyczna chromosoma 1 w genomie
* 1 cM odpowiada prawdopodobnie w przybliżeniu I milionowi par zasad. *' Chiazmy widoczne pod mikroskopem w materiale biopsyjnym z gonad męskich są uchwytnym morfologicznie dowodem na erossing over, szyli dokonującą się rekombinacjq. Jedna wymiana (srossing over) jest równoznaczna z 50A6 rekombinacji, czyli 50 cA#1. Jak wykazują obserwacje, w mejozie u mężezyzny ne
128 człowieka - stanowiąeego 9ojo całkowitej długości haploidalnego zestaww autosomów - wynosi przynajmniej 250 cM, a więc geny usytuowane na, końcach tego chromosomu, mimo iż są synteniczne, nie są sprzężone.
:#lAPOWANIE GENllW W GENOMIE CZŁOWIEKA
Badania nad sprzężeniami genów u muszki owocowej zapoczątkowali w 1911 r. Thomas Hunt Morgan i wsp. Natomiast zasługa przypisania pierwszeg# genu d# chromosomu u ezłowieka przypadła w udziale Wilsonowi (również w 1911 r.), który wydedukował, że gen ślepoty na barwy znajduje się na chromosomie X. W ciągu następnych lat, na podstawie analizy rodowodów, przypisano wiele innych genów do chromosomu X. Przypisanie pierwszego genu do autosomu nastąpiło dopiero w 1968 r., kiedy to Donahue i wsp udało się uzyskać dowód na to, że gen grupy krwi Duffy znajduje się na chromosomie 1; grupa Duffy w badanym rodowodżie segregowała łącznie# z ehromosomem 1 o wydłużonym odcinku heterochromatycznym. Jednakże w okresie poprzedzającym to odkrycie kilku badaczom - rów= nież na podstawie analizy rodowodów - udało się ustalić sprzężenie po= między niektórymi genami autosomalnymi - bez przypisania ich do konkretnych chromosomów. I tak np. ustalono sprzężenie pomiędzy grupą krwi Lutheran i cechą secretor (wydzielacz) (1951 r.); w 1955 r. Renwick i Lawler ustalili sprzężenie pomiędzy genem grup krwi ABO i zespołem rzepkowo-paznokciowym (dominujący zespół wad rozwojowych) stwierdzając tylka 13o/o rekombinaeji *. Od 1960 r. do analizy sprzężeń zarzęto stosować programy komputerowe; znacznie udoskonalono je w latach siedemdziesiątych. Prawdziwą karierę w mapowaniu chromosomów człowieka zrobiła metoda międzygatunkowej hybrydyzacji komórek somatycznych. Już w 1960 r. Barski po raz pierwszy stwierdził możliwość otrzymania hybr#d (mieszańców) komórkowych w ho= dowli dwu różnych nowotworowych linii komórkowych myszy. W 1964 r. Littlefield opracował metodę pozwalającą na izolację czystych linii komórek hybryd spośród komórek wyjściowych, polegającą na zastosowaniu pożywek selektywnych. W 1967 r. Weiss i Green uzyskali po raz pierwszy mysio-ludzką hybrydę komórkową. Zwrócili przy tym uwagę na zachodzącą stopniowo utratę ehromosomów człowieka z linii mieszańca. Po raz pierws-zy zdano sobie wówezas sprawę, że międ#ygatunkowe hybrydy (zazwyczaj człowiek-mysż lub człowiek-chomik) mogą stanowić nieocenione narzędzie w badaniach nad sprzężeniami genetycznymi. W metodzie hybrydyzacji komórek somatycznych niezbędne jest także zastosowanie badań biochemicznych - w celu wykrycia ludzkich znaczników (markerów) enzymatycznych, przy czym enzym można uważać za znacznik, jeśli jego forma występująea u człowieka może być odróżniona od homologicznej formy enzymu występującego u myszy lu# chomika. Można wyprowadzie linię komórkową mieszańca, w której znajduje się tylko kilka chromosomów człowieka lub tylko fragment któregoś z chromoso
22 autosomy pr#ypada ok. 52 chiazm. Stąd całkowitą dtugość genetyczną autosomów można szacować na ok. 2600 cM, a lącznie z ehromosomami ptciowymi naok. 3000 cM. * Dziś wiadomo, żc geny grupy Lutheran i cechy secretor znajdują się nn chromosomie 19, a geny grupy ABO i zespołu paznokciowo-rzepkowego na chromosomie 9.
# - Zarys genetvk# 129 #nów człowieka ", co nierzadko, po przeprowadzeniu badań, o których mowa, pozwala na ustalenie, że gen warunkujący obeeność u hybrydy danego znacz;nika biochemicznego (np. enzymu) znajduje się na określonym chromosomie lub w określonym odcinku tego chromosomu. Metoda hybrydyzacji komórek somatycznych była, jak dotąd, najbardziej wydajna w mapowaniu genomu #człowieka. Spośród wielu innych metod stosowanych w tym celu wymieńmy tu jeszcze trzy : - Metodę dawki genu - opartą na stwierdzeniu korelacji pomiędzy określoną aberracją chromosomalną a zawartością produktu danego genu. Na pizykład w trisomii można spodziewać się zwiększenia zawartości niektórych produktów w związku z obecnością trzech zamiast dwóch alleli; od~wrotnie w przypadkach delecji, w których zamiast dwóch alleli obecny jest tylko jeden. W ten sposób przypisano np. fosfatazę kwaśną 1 do chromoso#mu 2. - Metodę hybrydyzacji żn situ z zastosowaniem sond RNA lub DNA, znakowanych np. izotopem promieniotwórczym. Sonda taka, zawierająca znana #sekwencję RNA lub DNA, otrzymana metodami stosowanymi w inżynierii #genetycznej, odszukuje swój odpowiednik w jednym z chromosomów i hybryłdyzuje z nim; można to wykazać za pomocą autoradiografii. - W ciągu ostatnich lat w mapowaniu genomu człowieka zastosowano także metodę opartą na badaniu polimorfizmu długości fragmentów restrykcyjnych DNA - z zastosowaniem różnych enzymów restrykcyjnych (endonukleaz) produkowanych przez bakterie (patrz rozdział XVI). Do 25 marca 1988 r. udało się zmapować łącznie 1941 miejsc genowych, #w tym : 776 - metodą hybrydyzacji komórek somatycznych, 362 - metodą hybrydyzacji żn situ, 334 - metodą analizy sprzęźeń w poszczególnych rodzinach, 117 - metodą dawki genu, 77 -metodą polegającą na wykorzystaniu polimorfizmu długości fragmentów restrykcyjnych DNA, 275 - za pomocą innych metod. Niektóre geny mapowano przy użyciu dwu lub kilku metod. O tym, jak 'bardzo szybko dokonuje się postęp w tej dziedzinie, może świadczyć fakt, że 480 miejsc genowych, a więc 25a/#, zmapowano w ciągu niespełna roku .#od 15 kwietnia 1987 do 25 marca 1988 r.). Przykłady chorób genetycznie uwarunkowanych, których geny zostały już zmapowane podano w tabelach 19, 20 i 22.
LIGZBA GENbW DTYCHCZAS ZIDENTYFIKOWANYCH U CZŁOWIEKA
"Według McKusicka do 25 marca 1988 r., głównie na podstawie cech fenotypowych, wykazujących se#regację mendlowską, zidentyfikowano łącznie -4361 ** fenotypów, z tego: 2570 (5.9'!'#) autosomalnych dominujacych, 1479 (34'#",) autosomalnych recesywnych i 312 (7"/#) recesywnych sprzężonych z płcią.
t W metodzie tej a#ykorzystuje się material pobrany od osób z różnymt struktu-ralnymi aberracjami chromosomów, dzieki czemu można otrzymać linie komór#kowe mieszańca zawieraiace różne fra#mentv dowolnego chromosomu. ** W tym 2141 jednostek wymaga jeszcze weryfikacji.
i30 T a b e 1 a 24. Liczba zidentyfikowanycb miejsc genowych głównie na podstawie, segregacji mendlowskiej wg McKusicka (1988)
Rok Miejsca genowe Lącznle lp. wydania Autosomalne Autosomalne Sprzężone z dominującerecesywne chromosomem
1966 wyd. pierwsze837 (269)531 (237) 119 (68) 1487 (574) 1975 wyd. czwarte 1218 (583) 947 (466) 171 (93) 2336 (1142) 1986 wyd. siódme 2201 (1172) 1420 (610) 286 (124) 3907 (1906) 1988 wyd. bsme` 2559 (1442) 1477 (626) 310 (139) 4346 (2207) W nawiasach podano liczbę jednostek uznanych jako pewne (potwierdzone). " Lista zamknięta w dniu 1 marca 1988 r.
Począwszy od 1966 r., co kilka lat, ukazuje się Katalog fenotypów uwarunkowanych obecnością pojedynczych genów - w opracowaniu McKusicka. Katalog zawiera listę wszystkich zidentyfikowanych pozycji wraz ze# zwięzłą charakterystyką odpowiednich fenotypów. W tabeli 24 podano liczby zidentyfikowanych fenotypów w czterech wydaniaeh katalogu - w tym# pierwsze (1966 r.) i ostatnie (1988 r.). Prawie czterokrotny wzrost tej liczby można uznać za wykładnię post#pu w genetyce człowieka w ciągu ostatnich: 22 lat. Z drugiej strony należy zdawać sobie sprawę z tego, jak wielki jest jeszcze obszar naszej niewiedzy w tej dziedzinie. Liczbę genów strukturalnych: w genomie człowieka szacuje się bowiem na od 50 tysięcy do. 100 tysięcy, geny dotychczas zidentyfikowane stanowią więc, w najlepszym razie, od 4 do 9o/o puli genowej człowieka.
PODSUMOWANIE
W rozdziale omówiono typy dziedziczenia jednogenowego, nawiązując do, praw Grzegorza Mendla, podano proporcje genetyczne charakterystyczne dla poszczególnych typów dziedziczenia, sposoby obliczania proporcji genetycznej i uwalniania się od błędu selekcji w tych obliczeniach. Krótko omówiono. mechanizmy mutacji; z przykladami obliczania częstości mutacji w populacji ogólnej. Wymieniono niektóre metody mapowania genów, a także podana liczbę fenotypów zidentyfikowanych u człowieka do 1988 r. VIII. Uwa#unkowanie wieIocz#nnikowe
lgnacy Wald
#ixENETYKA C#:CH ILOSCIOWYCH A GENETYKA 1\ZENDLOWSKA
Obok cech segregujących w rodzinach dziedżiczonych zgodnie z zasadami Mendla spostrzegano od dawna występowanie podobieństwa rodzinnego, którego dziedziczenie odbiegało od tych zasad. Jesżeze w XIX wieku badacz angielski F. Galton zaproponował metody mające służyć do porównywania cech różnych członków rodziny. Metody te, a zwłaśzeza współezynniki regresji i korelacji, były wykorzystywane do porównywania cech pomiędzy różnymi typami krewnych oraż do porównania wartości cech w określonych grupach #sób i w populacji ogólnej. Służyły sżezególnie dobrze do badania cech wykazujących zmienność ilościową, takich jak np. wzrost lub masa ciała. Tak ;ię więc złożyło, że z początkiem XX wieku rożwijały się dwa typy badań genetycznych - genetyka mendlowska, zajmująca się przede wszystkim badaniem cech jakośe;owy#h, i genetyka cech ilościowych, wykorzystująca techniki korelacyjne. Dopiero w 1918 r. z#Tybitny statystyk brytyjski R. A. Fisher wykazał, że łw;:półezynniki korelacji uzyskiwane przy porównywaniu cech ilościowych można wytłumaczyć, zakladając, że cecha jest uwarunkowana przez wiele genów o wpływie addyty#,#nym. Okazało się zatem, że nie ma, jak przypuszezano dawniej, zasadniezej różnicy między genetyką m#dlowską a genetyką ilo;f'IOV4 ą. Tak więc genetyka ilościowa jest w gruncie rzeczy badaniem dciedżiczenia wielogenowego. W uwarunkowaniu cech zależnych od wielu czynników oprócz genów istotną rolę mogą odgrywać również c#ynniki zewnątrzpochodne. Dlatego też coraz częściej zamiast o dziedziczeniu wielogenowym mówi się o uwarunkowaniu wieloczynnikowym, obejmującym zarówno uwarunkowania geńetyczne wielogenowe, jak i wpływ różnych czynników zewnętrznych. Idealnym modelem dziedziczenia wieloczynnikowego jest ten, w którym ceeha zależy od dużej liczby drobnych czynników addytywnych. Wykresem takiej zależności jest dobrze znana krzywa Gaussa, krzywa rozkładu normalnego, znajdującego ważne zastosowania w badaniu zjawisk biologicznych. Nierzadko jednak w analizie konkretnego zjawislsa spotykamy się z różnymi rzynnikami zakłócającymi addytywność, takrmi np. jak dominacja, epistaza, niejednorodność genetyczna itd. Dlatego też badacz analizujący zjawiska uwarunkowane wieloezynnikowo chętnie dąży do rozszezepienia ich na grupy prościej uwarunkowane. Niemniej analiza wieloczynnikowa jest istotna do żbadania różnyeh cech o zmienności ciągłej, a także różnych częstych zaburzeń takich jak wady rozwojowe czy inne choroby, jak miażdżyca, cukrzyca cz# sehizofrenia.
132 W analiza-ch takich cech istotne zna#zenie mają metody szacujące wzajemną rolę uwarunkowania dziedzicznego i środowiskowego. Szezególne znaczenie mają tutaj techniki badania bliźniąt i badania dzieci adoptowanych.
BADAlVIE BLIŹNIf#T
Badanie b?iźniąt wprowadzone zostało przez F. Galtona w 1875 r. jako metoda, lstóra miała rozstrzygnąć o wzajemnej roli ezynników dziedzicznych i środowiskowych w warunkowaniu cech. Badania następne wykazały, że sprawa nie jest tak prasta, niemniej metoda ta odegrała historyczną rolę w rozwoju genetyki ezłowieka. Bliźnięta monozygotyczne i dizygotyczne (jedno- i dwujajowe). Ciąża bliźniacza zdarza się w populacjach europejskich w częstości mniej więcej 1 na 90. Oznacza to, że co 45 dziecko ma brata lub siostrę bliźniaka. Bliźnięta mogą być monozygotyczne, pochodzące z podziału tej samej zygoty i mające identyczny genotyp, lub dizygotyczne, u których proporeja wspólnych genów jest taka sama jak u z#.uykłego rodzeństwa. Częstość rodzenia się bliźniąt monozygotycznych jest różna w różnych populacjach, w Europie wynosi ok. 30o/o= Najprostsza technika szacowania częstości par monozygotycznych polega na porównaniu z częstością rodzenia się bliźniąt różnopłciowyeh, które z reguły są dizygotyczne. Jeżeli zalożye, że częstość bliźniąt dizygotycznych tej samej płci jest taka sama jak częstość bliźniąt różnopłciowych, to wystarezy podwoić liczbę par różnopłciowych i odjąć ją od liczby wszystkich bliźniąt, by otrzymaE pierwsze przybliżenie liczby bliźniąt monozygotycznych. Odróżnienie bliźnżąt mono- i dizygotycznych opiera się obeenie na porci#xrnaniu wielu cech bioehemicznyc,h ciotyczących krwinek i osecza, które b#dą takie same u bliźniąt monozygotycznych, mogą być natnmiast rozmaite u bliźniąt dizvgotycznych. Przy odpowiednio dużej liczbie cech można szacowa# prawdopodnbieństwo monozygotyczności # dokładnaścią przekracza;ącą 99o/o. Zdarzają się jednak niezwykle rzadkie przypadki, że u jednego z bliźni#t mnnozygot5#cznych już po podziale zygoty może dojś## do powstania jakiejś annrnalii. I tak, znane są przvpadki wystąnieni" zespołu Downa lub zespołu Turnera u jednego z bliźniąt mnnozygotycznych, są one jednak bardzn rzadkie. Waine znaczenie w iagnnstyce monozygotyezności rno#e mieć przyjriro#vanie przeszezepu skórnego bliźniaka. Załnżeniem "metody bliźniąt" jest to, że wszelkie różnice pomiędzy bli#niętami monozygotycznymi przypisuje się wpływowi środowiska i porównuje si# je z różnicami u bliźniąt dizy#ntycznych. Jako miarę odziedziczalnnści, jeśli chodzi o cechy jakościowe, stosowano często wzór Holzingera (II):
Z,#z - Z#z H = 1 - Zn#
gdzie: Z oznaeza z#odność występowania cechy u bliźniąt mono- lub dizy#. tycznych. Wzór ten jest bardzo niedokładny i używa się go tylko jako pierwsze#6 przybliżenia. Dla cech ilościowych używano wzoru:
VDZ, V NL
VDz
gdzie: V#z i Vnz oznacza warianeje odpo#iednio u bliźniąt mono- " di2ygot#cznych:
133 Badanie bliźniąt nie odpowiada na pytanie, jaki jest typ dziedziczenia cechy. Istnieją ponadto różne czynniki wpływające na ograniczenie wartości tej metody, m.in. podobieństwo środowiska rozwoju bliźniąt, zarówno w okresie życia łonowego, jak i po urodzeniu, sposobu doboru par bliźniąt i inne. Dlatego też szczególne maczenie mają takie badania w których dobór bliźniąt prowadzi się nie dlatego, że mają one jakąś cechę lub jej nie,mają, le#z tylko dlatego, że są bliźniętami.
T a b e 1a 25. Zgodność występowania niektórych chorób u bliźniąt mono- i dizy-gotycznych (wg Haugego) Zgodność Choroba bliźnięta bliźnięta dizygo- monozygotyczne tyczne tej samej płci Padaczka 10/27r 6/43 Psychoza maniakalno-depresyjna 10/15 Schizofrenia 4/9 4/33 Nadciśnienie tętnicze 20/80 10/106 Zawał serca 22/84 22/159 Udar mózgowy 22/98 16/148 Gruźlica 50/135 42/267 fteumatoidalne zapalenie stawów 16/47 2/71 Dychawica oskrzelowa 30/64 24/101 # W liczniku podano liczby par zgodnych w mianowniku liczby wszystkich par, w których co najmniej u jednego członka stwierdzono cechę. Podobnie zasługują na uwagę badania,w których analizuje się szezególnie bliźnięta wychowywane oddzielnie. Z tego punktu widzenia interesujące są zwłaszcza badania prowadzone w Danii.Instytut Genetyki Człowieka w Ko-penhadze prowadził bowiem rejestr wszystkich bliźniąt urodzonych w latach 1870-1910.Tabela 25podaje wyniki dotyczące niektórych ehorób.
BADANIE DZIECI ADOPTOWANYCH
Inną metodą oszacowania wzajemnej roli czynników genetycznych i środowiskowych jest badanie dzieci adoptowanych i porównanie ich cech z cechami rodziców biologiczn#ch i społecznych. Metoda ta jest łatwiejsza do zastosowania w badaniu cech jakościowych. Jest ona możliwa do stosowania tylko w tych społeczeństwach, gdzie prowadzi się rejestr adopcji. Przykładem takiego badania jest praca wykonana przez S. S. ftety'ego i wsp. na podstawie rejestrów duńskich dotyczących dzieei adoptowanych oraz rejestru psychiatrycznego. Badaniem objęto lata 1924-1947. Z 507 osób wychowanych przez rodziców adoptowanych i przyjętych do szpitala psychiatrycznego wybrano 33 probandów hospitalizowanych z powodu schizofrenii. Dobrano również odpowiednią grupę kontroiną, odpowiadającą probandom pod względem płci, wieku, wieku adopcji f stanu ekonomicznego rodziny adoptującej. Następnie przeprowadzono badanie zaburzeń psychicznych występuj#cych u biologicznych i adoptowanych krewnych. Dane te przedstawia tabela 26. Jak wynika z tabeli, u biologicznych krewnych probandów stwierdza aię
1# T a b e 1 a 26. Występowanie sehizofren wśród biologicznych i adoptowanych lere- rt-nyeh probandów ze sehizofrenią i osób kontrolnych
Probandzi
Chony 13' 50 74 Kontrolni 3 156 83 0,0072 >0,05
' W liczniku podano liczbę osób z rozpoznaniem sehizofrenii, w mianowniku liczbę zbadanych krewnych. Punktem wyjścia dla próby były 33 osoby z rozpoznaniem sehizofrenii oraz 33 osoby kontrolne.
T a b e 1 a 27. Częstość rozpoznania sehizoFrenii wśród krewnych biologicznych l adoptowanych probandów z rozpoznaniem sehizofrenii Iub kontrolnych
Probandzi Krewni biologiczni
9' 4 Chorzy 93 25 Kontrolni 0 51 0,0018 70,05
' W liczniku liczba osób z rozpoznaniem sehizofrenii, w mianowniku liczba badanych krewnych. Próba obejmuje 19 probandów ehorych i 20 kontrolnych oddzielonych od rodziców biologicznych w pierwszym miesiącu życia.
większą częstość sehizofrenii niż u krewnych adoptowanych. Dane te potwierdzają się wówezas, gdy próbę ograniczy się do grupy osób, które zostały adoptowane w pierwszym miesiącu życia (tab. 27). Tabele 26 i 27 wskazują w istocie na rolę czynników biologicznych, ponieważ matka jest dla dziecka nie tylko żródłem genów, ale także źródłem innych wpływów niegenetycznych. Jednak dalsze badania, prowadz#ne na materiale adoptowanego rodzeństwa naturalnego, mającego wspólnego ojca, potwierdzają tezę, że istotną rolę odgrywają tutaj czynniki genetyczne jtab. 28). Metoda badania dzieci adoptowanych unika pewnych trudnnści związanych z metodą bliźniąt, stwarza jednak tyle nowych trudności, że zastosowanie jej jest dosyć ograniczone. Podnbnie jak metoda bliźniąt, i ta technika nie potrafi wskazać typu przekazywania dziedzicznego.
Krewni biologiczni Krewni adoptowani
Krewni adoptowani
T a b e 1 a 2R. Występowanie sehizofrenii u rodzeństwa naturalnogo mające#o wspól- nego ojca, probandów ze sehizofrenią i kontrolnych
Probandzi (liczba)
Chorzy (33) Kontrola (34) p (chorzy w porównaniu z kontrolą)
Liczba rodzeństwa naturalnego mającego wspólnego ojca
63 64
#0,05
Liczba osób z rozpoznaniem sehizofrenii
14 2
C0,001
135 MIAIZY S#OSOWANE W ANALIZIE CECH UWA #UNKOWANYCH WIELOCZYNNIKOWO
Przy cechach uwarunkowanych wieloczynnikowo podstawową metodą postępowania jest ocena podobieństwa między krewnymi. Stosuje się do tego zazwyczaj współezynnik korelacji. Jeżeli korelacja między krewnymi odpowiada proporeji genów wspólnych (tzn. identycznych i pochodzących od jednego przodka), to można wnosić, że cecha jest całkowicie uwarunkowana genetycznie, jeśli nie, to można analizować, jaka część zmienności zależy od czynników dziedzicznych. Najezęściej stosuje się dwie miary tego wpływu. Pierwszą jest odziedziczalność w sensie szerszym albo stopień determinacji genetycznej, czyli stosunek zmienności wywołanej ezynnikami genetycznymi do całkowitej zmieńności
VG fenotypowej -. Vp Drugą -tak zwana odziedziczalność w znaczeniu węższym. czyli proporeja zmiennośei wywołanej czynnikami addytywnymi do całxowitej zmienności fenotypowej -. VA Vp
i zi b 21 a 29. Proporeja gen#w svspólnych u osób spokrewnionych
Stox#"eń pokrewieństra#z # Pronoreje genów wspólnych 1_ Rodzice,dziecko,rodzc:ństwo Bliźniak znonozygotyczny __1 Bliźniak dizygotyezny Dziadek, babka, wnuki, wujek, ciotka, bratanek siostx'zeniec,rodzeństwo przyrodnie 4 1 Kuzyn z pierwszej linii Kuzyn z drugiej linii 1 32
Tabela 29 przedstawia proporeje genów wspólnych przy różnych stopniach prawdopodobieństwa. Niekiedy, jako pożyteczną miarę podobieństwa, stosuje się korelację między średnią wartością u rodziców a probandem. Przy dziedzicaeniu addytywnym wartośe ta wynosi j# '/Q, czyli 0.91. Korelacje przy dziedziczeniu wieloczynnikowym wypadają optymalnie, jeśli geny mają właściwości addytywne i nie ma dominacji. Jeśli występuje dominacja, to współczynnik korelacji między krewnymi zmniejsza się. lnnym czynnikiem wpływającym na wartość współezynnika korelacji między #rewnymi jest stopień podobieństwa rodziców. Jeśli korelacja między rodzicami względem danej cechy wynosi #r,, to korelacja rodzice - dziecko i korelacja między rodzeństwem staje sig 1 + #, korelacja zaś między średnią
1 -ł- 7n. wartością cechy u rodziców i u dzieci wynosi2
# #, Cechą klasycznie uważaną za zależną prawie wyłącznie od działania wieIu #ar genów addytywnych była całkowita liczba listewek skórnych opuszek paledw. Wśpółezynniki korelacji między krewnymi prawie całkowicie odpo- wiadały oczekiwanej proporeji genów wspólnych. Dziś wiadomo, że sprawy te są nieco bardziej skomplikowane, niż t# pierwotnie przypuszezano.
Tabela 30. Podobieństwo między krewnymi badane za pomocą współezynnika korelacji dla niektórych cech u człowieka (wg Bodmera i Cavalii-Sforza)
Współezynniki korelacji Cecha rodzice - dziecko # rodzeństwo
Wzrost 0,51 0,56 Iloraz inteligeneji 0,48 O,"8 Całkowita liczba listewek skórnych 0,48 0,5Q Skurezowe ciśnienie tętnicze krwi 0,24 0,33
Również i inne cechy ilościowe takie jak wzrost, długość kości długich, wskaźnik inteligeneji, zależą w znacznej części od dziedziczenia wieloczynnikowego, przy czym rola czynników genetycznych może być dosyć znaczna. Tabela 30 wskazuje na podobieństwo między krewnymi badane za pomocą współezynnika korelacji dla niektórych cech u człowieka. Analiza danych dotyczących ciśnienia krwi pozwala na oszacowanie odziedziczalności w wąskim znaczeniu tego słowa na 48o/o, a odziedziczalności w szerokim znaczeniu tego słowa na ok. 80o/o. Analiza podobieństwa między krewnymi, jeżeli chodzi o wskaźnik inteligeneji, napotyka istotne trudności. Zależą one od r"żnych przyczyn. Po piex`wsże, wartości tej cechy w znacżnym stopniu zależą od jej definicji i stosowanych metod pomiaru, które się różnią znacznie bardziej niż przy ocenie cech somatycznych. Po drugie, oceniając pod tym względem podobieństwo migdzy rodzicami i dziećmi, mamy do czynienia nie tylko z dziedziczeniem biolo#ieznym, lecz również z dziedziczeniem kulturowym. Rodzice bowiem prz#kazują d#ieciom nie tylko swoje geny, ale również wpływy wychowaweze. Po trzeeie, podobieństwo między rodzicami pod względem inteligeneji jest zazwyczaj dość znaezne, a to, jak widzieliśmy wyżej, zwiększa równ"eż współczynniki korelacji między rodzicami a potomstwem i rodzeństwem. Dlatego też uzyskiwane w ten sposób wyniki stanowią raczej maksymalne szacunl=i dla oceny roli czynników genetycznych. Pró#uje się uzyskać dokładniejsze śzacunki podobieństwa między rodzieami pod względem zdolności poznawezych przez stosowanie różnych technik usilujących rozdzielić dziedziczenie kulturowe i bioiogiczne. Służą temu celowi próby badania bliźniąt monozygotycznych wychowywanych w różnyc.h warunkaeh środowiska, badania rodzin adoptowanych, badania krewnych różnych stopni itd. Niekiedy usiłowano wykorzystać badania genetycżne dotyczące cech psychicznych w celu wykazania wyższości jednych ras nad innymi lub dowiedzenia biologicznych podstaw nierówności społecznych. Próby takie z reguły pozbawione są podstaw naukowych. Przy analizie tego typu zjawisk należy również wziąć pod uwagę, że wysoki stopień uwarunkowania genetycznegu cechy nie przekreśla bynajmniej możliwości oddziaływania środowiskowego. Nawet przy proporeji roli czynników dziedzicznych przekraczającej 80o/o zmienności cechy zostaje bardzo wiele miejsca na oddziaływanże środowiskowe. Przykładem tego jest m.in. taka cecha jak wzrost, odziedziczalność jej
13# szacuje się na 83o/o. Wiadomo, że w ciągu ostatnieh 200 lat wzrost w popu- lacjach europejskich uległ istotnemu podwyższeniu. Zjawisko to znane jest jako tak zwany trend sekularny. Nie może ono zależeE od czynników gene- tycznych, ponieważ pula genów w populacjach europejskich nie uległa za- sadniczej zmianie i wszystkie dane wskazują na to, że zależy ono od czyn- ników środowiskowych, m.in. dietetycznych.
MODELE WIELOCZYNNIKOWEGO UWARUNKOWANIA CIiORÓ
Analiza wielu częstych chorób wskazuje na to, że istotną rolę odgrywają w nich czynniki genetyczne; nie układają się one jednak wg znanych praw Mendla. Do chorób takich można zaliczyć chorobę nadciśnieniową, niektóre postacie miażdżycy, chorobę wrzodową, niektóre postacie odczynów alergicznych, m.in. dychawicę oskrzelową, niektóre postacie jaskry, łuszczycy, niektóre choroby psychiezne itd. Należą do nich również różne wady rozwojowe, takie jak wrodzone wady serca, rozszczep podniebienia, rozszczep wargi i podniebienia, wady ośrodkowego układu nerwowego i inne. Ryzyko wystąpienia choroby jest tym większe, im więcej dany osobnik ma genów patologicznych oraz im więcej działa na niego zewnątrzpochodnych czynników szkodliwych. Przy dziedziczeniu tego typu często zwraca uwagę zależność częstości występowania choroby od stopnia spokrewnienia z probandem. Tak np. w różnych zaburzeniach wieloczynnikowych częstość występowania zaburzeń u rodzeństwa probanda jest podobna do częstości występowania zaburzeń u jego dzieci. Cecha ta z reguły nie występuje w dziedziczeniu jednogenowym reeesywnym, w którym chore dzieci rodzą się na ogół ze zdrowych rodziców. Ponadto, w miarę spadku proporcji genów wspólnych z probandem, zmniejsza się gwałtownie częstość występowanża choroby. To właśnie porównanie częstości występowania choroby u krewnych różnego stopnia oraz w populacji ogólnej stało się podstawą do konstrukcji rozmaitych modeli. Przy zmienności omawianego typu mamy również do czynienia z występowaniem zjawiska prog'u. Prowadzi to do tego, że mimo iż zmienność zależy od wielu czynników i ma charakter ciągły, to pr2ejawianie się cechy może być uwarunkowane progiem zależnym od właściwości anatomicznych, fizjologicznych lub embriologicznych organizmu. Skutkiem istnienia efektu progowego powstaje nieciągiość w manifestowaniu się cechy. Sytuację tę przedstawia rycina 69.
iii#il### RozkTad częstości w populacji Rozk Tad częstości wśród chorych
Ryc. 69. Modcl uwarunkowania wie-loczynnikowego z progiem (wg Falconera).
138
--# Podatność cdTkowita (genetyczna i środowiskowal Zbliżony model, rozpatrujący tylko podatność genetyczną i nie przyjmujący wprawdzie explicite założenia progu, ale wykładniczy wzrost ryzyka zachorowania przy wzroście podatności genetycznej, pokazuje rycina 70. Taki model chorobowy można również konstruować na podstawie analiz rozpowszechnienia zaburzenia u krewnych różnych stopni i w populacji ogólnej. Na ogół przyjmuje się, że rozpowszechnienie wady uwarunkowanej wieloczynnikowo o charakterze progowym wśród krewnych pierwszego stopnia probanda jest hliskie pierwiastkowi z częstości tej wady w populacji ogólnej.
-u
Próg
X Podatność genetyCzna
IIIIIIII RozkTad częstości w populacji p Prowdopodobieństwo zochorowania przy określonym poziomie podatności RozkTad częstości wśród chorych
Ryc. ?0. Model uwarunkowania wieloczvnnikowego z wykladniczym narastaniem ryzyka zachorowania w miarę wzrostu podatności genetycznej.
=u # _ Populacja ogblna
N I # Krewni llI stopnia ## Krewni I stopnia
X# 2
5rednia Średnia populacji chorych
Ryc. 71. Model dziedziczenia wieloczynnikowego rozszczepu wargi i podniebienia. Na osi odciętych odlożono uwarunkowaną wielogenowo podatność genetyczną.
Rycina 71 przedstawia model wieloczynnikowego uwarunkowania rozszczepu wargi i podniebienia. Widać z niej, że wraz ze stopniem pokrewieństwa zmniejsza się szybko częstość występowania wady. Inną charakterystyczną cechą dotyczącą wad uwarunkowanych wieloczynnikowo jest to, że jeśli wada w populacji występuje z różną częstością u róż
139
-. Podatność genetyczna nych płci, to wystąpienie jej u osoby płci mniej naraeonej na ryzyko wady świadezy o znacznie większej podatności genetycznej tej osoby na wadę. Zjawisko to po raz pierwszy opisane przez C. O. Cartera, można zilustrować badaniami nad wrodzonym zwężeniem odźwiernika. Zaburzenie to występuje u chłopeów z częstością ok. 5 na 1G00 urodzeń, a u dzieweząt ok. 1 na 1000 urodzeń. Chłopcy zatem są pięciokrotnie bardziej narażeńi na ryzyko wystąpienia wady. Wada ta była niezwykle niebezpieezna dla życia noworodka. Dopiero w 1912 r. Ramstedt wprowadził dość prostą metodę chirurgicznego leczenie tej wady - przecięcie błony surowiczej i mięśniowej w okolicy zwężenia. Dzięki temu zabiegowi wartość przystosowaweza dzieci z wrodzonym zwężeniem odżwiernika osiągnęła normę. Carter przeprowadził badania nad występowaniem zwężenia odźwiernika u dzieci zrodzonych z rodziców, którzy sami mieli tę wadę i wykonano im operację Ramstedta. Wynikż prze"stawia tabela 31.
i a :# e ? a 31. Częstość wysśępowania zwężen#a udźwierizika u potomst#,a osób, ktre przebyly operaeję Hamsredta w porównaniu z częstością w populacji ugólnej
Typ potomstv-a Ryzylco # Wielokrotność ryzyka w populacji
Synowie chorych mężezyzn # X 11 18
Eórki chorych mężezyzn x24 42
Synowie chorych kobiet X40 1 5 1 Córki chorych kobiet x70
#al: wynika z tabe:i, potomstwo zrodzone z osób plci, u której wada występuje rzadziej, obciążone jest większym ryzykiem wystąpienia wady aniżeli potomstwo zrodzone z osób, u których wada występuje częściej. Zauważmy również, że podobnie jak w populacji ogólnej, próg jest niższy dla chłopców niż dla dzieweząt, stąd w potomstwie zarówno chorych mężezyzn, jak i chorych kobiet częściej chorzy są synowie niż córki. Dla wad rozwojowych uwarunkowanych wieloczynnikówo charakterystyczna może być również wiPksza skłonność występowania cechy u potomstwa zrodzonego z małżeństwa spokrewnionego. Więkśza częstość małżeństw spokrewnionysh wśród rodzieów chorych jest wprawdzie charakterystyczna dla dziedziczenia recesywnego autosomalnego, niekiedy jednak może wskazywać na wieloczynnikowy charakter uwarunkowania. Ponadto ryzyko powtórnego wystąpienia wady w rodzinie przy uwarunkowaniu wieloczynnikowym (odmiennie od uwarunkowania jednogenowego) rośnie wraz z liczbą chorych dzieci w rodzinie. Innym wskaźnikiem wieloczynnikowego charakteru wady może być porównanie zbieżności jej występowania u bliźniąt mono- i dizygotycżnych. Ponieważ z punktu widzenia genetycznego bliźnięta monozygotyczne są identyczne, a bliźnięta dizygotyczne są zwykłym rodzeńśtwem, w przypadku cechy dominującej stopień zbieżności między bliźniętami monozygotyczrtymi
140 jest ok. dwa razy wi#kszy niż stopień zbieżności między bliźniętami dizygo-tycznymi. W przypadku cechy recesywnej stosunek ten nie przekracza 4:i.: Jeśli stopień zbieżności u bliźniąt monozygotycznych przekracza ponad czte= rokrotnie stopień zbieżności u bliźniąt dizygotycznych, to należy rozpatrywać możliwość uwarunkowania wieloczynnikowego. Analiza zaburzeń wieloczynnikowych wymaga dość skomplikowanych metod matematycznych i dość# żmudnych obliczeń. W kilku ośrodkach, zwłaszcza w ośrodku badań genetycz= nych uniwersytetu hawajskiego w Honolulu (N. N. Morton), opracowano pro= gramy maszynowe pomocne w rozróżnieniu cech przekazywanych jednogenowo i uwarunkowanyeh wieloczynnikowo.
NIEJEDNOR,ODNOSĆ GENETYCZNA
Koncepcja wieloczynnikowego uwarunkowania #aburzeń pozwala wprawdzie# na wyobrażenie sobie mechanizmów ich powstawania, często nie pozwala jednak na wykorzystanie znanych wskaźników biologicznych dla diagnostyki: i nierzadko zmusza do poprzestania na ryzyku empirycznym przy stawianiu diagnozy genetycznej. Jest dlatego rzeczą naturalną, że genetycy medyczni upar"e dążą do rozczłonkowania zaburzeń określanych jako wieloczynnikoweł i do wyadrębnienia z nich bardziej jednoczynnikowo uwarunkowanych zespołów. Mamy więc do czynienia z procesem zbliżonym do tego, który zachodzi w genetyce chorób uwarunkowanych jednoczynnikowo w miarę poznawania niejednorodności genetycmej lub molekularnej. Postaramy się obecnie pokazać dążenie do wykazania takiej niejednorodności na przykładzie niektórych częstyeh chorób. Tak np. jedną z choróh o największym znaczeniu społecznym jest miażdżyca, kojarząca się nierzadko z nadciśnieniem i prowadząca do zmian narządowych m.in. do choroby wieńcowej, chorób naczyń mózgowych itd. Tradycyjnie przyjmuje się, że miażdży= ca jest zaburzeniem uwarunkowanym wieloczynnikowo. Badania ostatnich lat pozwoliły na wyróżnienie wielu odrębnie uwarunkowanych zespołów. Tak np. część przypadków miażdżycy wywołana jest przez hipercholesterolemię rodzinną przekazywaną jako cecha autosomalna dominująca, a wywoływana przez defekt receptora lipoprotein o niskiej gęstości# (LDL - low density lipoproteins). Niektóre postacie wywołane są przez uwarunkowane jednogenowo hipertriglicerydemie lub defekty apolipoprotein. Część przypadków jednak dalej musi być traktowana jako zaburzenie wieloeynnikowe. Innym przykładem takiej niejednorodności jest choroba wrzodowa. I ją traktowano jako zaburzenie uwarunkowane wieloczynnikowo. Wkrótce okazało się, że aczkolwiek czynniki genetyczne odgrywają rolę w chorobie wrzo= dowej o różnej lokalizacji, to zaznacza się odrębność między chorobą wrzo= dową żołądka a chorobą wrzodową dwunastnicy. Dalsze badania nad skojarzeniem występowania choroby wrzodowej z różnymi wskaźnikami biologicznymi doprowadziły do wykrycia asocjacji z różnymi wskaźnikami, takimi jak: grupa krwi 0, zawartość pepsynogenu I, zawartość gastryny w surowicy krwi, szybkość opróżniania żołądka itd. Okazało się m.in., że jest grupa przypadków choroby wrzodowej dwunastnicy skojarzonej# ze zwiększoną zawartością pepsynogenu I we krwi wykazująca autosomalno-dominujący typ dziedziczenia. Przykładem takiego dążenia do rozczłonkowania jednego wieloczynnikowego zaburzenia na wiele odrębnych jednostek jest próba klasyfikacji genetycznej choroby wrzodowej podana przez J. Rottera:
14L I.Choroba wrzodowa skojarzona z rzadkimi zespolami genetycznymi. A. Mnoga gruczolakowatośE gruczolbw wydzielania wewnętrznego typ I. B. Mastocytoza układowa. C. Zespól drżenie - oczopląs - owrzodzenie. II. Choroba wrzodowa żolądka. #III. Choroba żolądka i dwunastnicy. IV.Choroba wrzodowa dwunastnicy z podwyższonym poziomem pepsynogenu I we krwi.
A. Z niepodwyższonyzn poziomem gastryny we krwi po spożyciu posilku. B. Ze wzrostem poziomu gastryny we krwi po spożyciu posilku. #'. Choroba wrzodowa dwunastnicy z prawidlowym poziomem pepsynogenu I
we krwi. A. Z powolnym opróżnianiem żolądka. B, Z szybkim opróżnianiem żo#ądka. VI.Choroba wrzodowa dwunastnicy wieku dziecięcego. VII. Postać immunologiczna choroby wrzodowej dwunastnicy. JIII. Choroba wrzodowa skojarzona z innymi chorobami przewleklymi. A. Choroba wrzodowa i przewlekla choroba pluc (częśE z nich wywołana
przez defekt a-1-antytrypsyny). B. Choroba wrzodowa dwunastniey i kamica nerkowa. C. Choroba wrzodowa dwunastnicy i choroba wieńcowa.
Innym przykładem poszukiwania niejednorodności w zaburzeniach jest #współczesna analiza cukrzycy. Proponowano bardzo rozmaite modele przeka#zywania genetyeznego w cukrzycy żaden z nich nie byl jednak w pelni zadowalający. W miarę postępu badań nad patogenezą tego zaburzenia wyróżniano kilka typów choroby, wśród nich cukrzycę insulinozależną i in#sulinoniezależną. W cukrzycy insulinozależnej można prawdopodobnie wyróżnić typy uwarunkowane jednogenowo, wykazujące wyraźnie skojarzenie z cechami zgodności tkankowej. Tę niejednorodność potwierdzają badania prowadzone z zastosowaniem analizy DNA. W części przypadków tego zaburzenia mogą również odgrywać rolę czynniki środowiskowe, m.in. takie jak przebyte zakażełnie wirusem Coxsackie. W typie insulinoniezależnym wyróżniano niedawno postać uwarunkowan# jednogenowo (autosomalna dominująca), tzw. cukrzyca młodych ludzi z początkiem w wieku dojrzewania. Inne postacie cukrzycy insulinoniezależnej, :najczęściej z początkiem w wieku późniejszym, również wykazują tendencję do występowania rodzinnego, nie udało się jednak wykazać dokładnie typu dziedziczenia. Dawniej sądzono, że jest to cecha autosomalna recesywna o niskiej penetracji, dziś raczej sądzimy, że jest to zaburzenie uwarunkowane
-wieloczynnikowo, być może zresztą niejednorodne. Innym przykładem na rolę zaburzeń jednogenowych w chorobie traktowanej jako wieloczynnikowa może być jedna z postaci dwubiegunowej choroby afektywnej, czyli psychoza maniakalno- depresyjna. Badania przeprowadzone ostatnio, 1987 r., na grupie amerykańskich menonitów (Amish), żyjących w izolacie kulturowym w części stanu Pensylwania, pozwoliły na wyodrębnienie rodzin o częstym występowaniu dwubiegunowej choroby afektywnej. W jednej z takich rodzin wykazano ścisłe sprzężenie między polimorfizmem fragmentów restrykcyjnyeh obejmujących gen insuliny ora2 onkogenu komórkowego Ha-ras-1 a występowaniem choroby psychicznej. Sprzężenie to pozwala na lokalizację genu odpowiedzialnego za ten typ psychozy afektywnej w części dystalnej krótkiego ramienia chromosomu 11. Jest to cecha dominująca o niepełnej penetracji (0,63 w wieku lat 30 i powyżej). Ponieważ w tej samej okolicy chromosomu 11 znajduje się gen hydroksylazy tyrozynowej, można
14Z przypuszczać, że to defekt w czynności tego enzymu może być związany z za- burzeniami nastroju. Podane przykłady wskazują na to, jak skojarzenie analizy genetycznej, klinicznej i biochemicznej może prowadzić do pełniejszej analizy zaburzeńł uwarunkowanych wieloczynnik#wo.
PODSUMOWANIE
W rozdziale amawia się metody służące do wskazania roli eynników genetycznych i środowiskowych w uwarunkowaniu cechy, nie wskazujące jednak na tryb uwarunkowania dziedzicznego. Są to metody badania bliźniąt orazł badania dzieci adoptowanych. Oprócz cech, których występowanie zależy od jednej pary genów (jednogenowych), występują cechy zależne od wielu czynników, zarówno gene= tycznych (uwarunkowanie wielogenowe) jak i środowiskowych. Badanie tyeh# ceeh posługuje się analizą korelacji między poszczególnymi typami krewnych. Uwarunkowanie wieloczynnikowe odgrywa istotną rolę w determinacji wielu# cech prawidłowych, głównie tzw. cech ilościowych, a także wielu częstych. chorób i wad. W powstawaniu tych ostatnich mogą mieć znaczenie zjawiska progowe. Przedstawiono modele uwarunkowania wieloczynnikowego chorób: i wad rozwojowych, omówiono zagadnienie niejednorodności tych zaburzeń i dążność do wyodrębniania spośród nich zespołów uwarunkowanych jedno- czynnikowo. IX. Cz#nniki genet#czne w patogenezie chorób
:lg#acy Wald
'DZIEDZICZNOŚĆ A Śi#ODOWISKO, ICH ROLA W PROCESIE #OWSTAWANIA CHOROBY
Każdy proces przebiegający w organizmie jest rezultatem współdziałania czynników genetycznych i środowiskowych. Odnosi się to również do procesu chorobowego, tzn. do zaburzeń równowagi między organizmem a środowi#skiem. W medycynie wyróżnia się choroby uwarunkowane genetycznie, tzn. załeżne głównie o# czynników dziedzicznych, i choroby wywołane przez czyntniki środowiskowe, egzogenne. Podział ten w istocie jest dosyć względny, ponieważ istnieje cała gama przejść pomiędzy chorobami uwarunkowanymi genetycznie a chorobami zewnątrzpochodnymi. Na rycinie 72 lewą stronę widma zajmują zaburzenia takie, jak anomalie chromosomalne lub niektóre "efekty przemiany, które w każdych warunkach środowiska prowadzą d4 -;.horoby.
ii.yc. 72. Ogólny schemat roli czynników genetycznych i środowiskowvch w uwarunicowaniu chorób.
Przykładem takiego żaburzenia jest trisomia chromosomu 13 (zesgół Pataua), w którym występuje wiele zaburzeń w istocie niezależnych od wpływów środowiskowych. Podobnie jest we wczesnodziecięcej postaci gangliozydozy uogólnionej, w której na skutek braku - galaktozydazy gromadzi się w ośrod# ko#'u,ym układżie nerwowym i narządach wewnętrznych gangliozyd G;#::. Proces ten w zasadzie przebiega niezależnie od warunków środowiskowych. Od warunków środowiskowych nieco bardziej zależą takie procesy, jak galaktozemia lub choroba Wilsona. W klasycznej galaktozemii #vystępuje defekt urydylilotransferazy galaktozo-1-fosforanowej, enzymu uczestniczącego w przekształcaniu galaktozy w glukozę. U dzieci dotkniętych tego typu zaburzeniem mleko stanowi źródło ga
144 laktozy i bardzo szybko przy normalnym karmieniu występują zaburzenia rozwoju, powiększenie wątroby i śledziony, upośledzenie umysłowe, zaćma. Przy stosowaniu diety bezgalaktozowej opisane zaburzenia mogą nie wystąpić. Zja#visko to wykorzystano w celu zapobiegania występowaniu objawów chorobowych u noworodków z galaktozemią. Podobnie w chorobie Wilsona (zwyrodnieniu wątrobowo- soczewkowym)wskzttek zaburzeń w przemianie miedzi - odkłada się ona w narządach wewnętrznych i w mózgu. Wyłączenie miedzi z diety lub wzmożone usuwanie jej z organizmu prowadzi do zahamowania procesu chorobowego. To właśnie jest podstawą postępowania zapobiegawezo- leczniczego w tej chorobie. Podobne zjawisko zachodzi w przypadku fawizmu. Jest to zaburzenie po=
legające na występowaniu niedokrwistości hemolitycznej po spożyciu bobu Vźeża faba. Występuje ono zwłaszeza w krajach wsehodniej ezęści basenu Morza Sródziemnego. Okazało się, że są to objawy występujące u osób z niedoborem dehydrogenazy glukozo-6- fosforanowej. Czynni'kiem powodującym zaburzenie jest właśnie bób. Zbliżone zjawisko występuje w porfirii ostrej przerywanej, w której defekt syntazy uroporfobilinogenowej jest cechą stałą, ale choroba objawia się dopiero wskutek zadziałania rozmaitego typu śzkodliwości, np. zażycia niektóryeh leków, zwłaszeza z grupy sulfonów i barbituranów (patrz rozdział XIII - Farmakogenetyka i ekogenetyka). W wielu proeesach chorobowych rolę patogenetyczną odgrywają zarówno czynniki genetyezne, jak i środowiskowe. Do zaburzeń tal#ch zali#a się rozrnaitego typu wady rozwojowe (np. wady cewy nerwowej lub serca). Zalicza się do #nich rówńież różne częste choroby, jak cukrzyca, miażdżyca, nadciśnienie i inne. W zaburzeniach traktowanych tradycyjnie jako egzogenne czynniki genetyczne m#gą odgrywać istotną rolę. Tak np. przewlekły nieżyt oskrzeli, zwłaa szeza u osób palących lub przebywających w zanieczyszezonej atmosferze często prowadzi do rozedmy płuc. Skłonność ta jest szezególnie wyraźna u osób homozygotycznych co do defektu cx-1- antytrypsyny, u których wpływ szkodliwości zewnętrznych jest znacrnie większy. Innym przykładem takiej zależności może być występowanie zespołu Werniekego i Korsakowa, encefalopatii wywołanej hipowitaminozą B#, najezęściej u os"b nałogowo pijących alkohol. Zespół uchodzi za jedno z najcięższych powłkłań neurologicznych nadużywania etanolu. Istnieją dane, które wskazują na to, że zespół ten znacznie częściej występuje u osób z nieprawidłową czynnością enzymu transketolazy. U osób tych wzrasta zapotrzebowanie na witaminę Bi. Również w podatności na choroby zakaźne odgrywa rolę podłoże genetyczne. Istotną rolę czynników genetycznych wykazano m.in. w gruźlicy. Na prawym końcu widma znajdują się ciężkie urazy lub zatrucia, które prowadzą do zahurzeń w organizmie bez względu na konstytucję genetyczną ustroju. Należy zauważyć, że ten sam typ zaburzenia w zależności od charakterystyki organizmu może mieE charakter endo- lub egzogenny. Tak np. gnilec jest u ezłowieka przykładem zaburzenia zewnątrzpochodnego, ponieważ wywołaziy jes# niedoborem witaminy C w pokarmie. Dzieje się tak dlatego, że człowiek nie ma zdolności syntetyzowania kwasu askorbinowego. U gatunków, takich jak szezur lub pies, u których czynny jest tor przemian od glukozy do kwasu askorbinowego, wystąpienie awitaminozy C byłoby skutkiem wrodzonego defektu przemiany.
t0 - Zarys genetyki 145 POZIOMY ANALIZY CHORÓB GENETYCZNYCH
Podstawą choroby uwarunkowanej genetycznie jest zmiana w składzie zasad azotowych w DNA chromosomu jądra komórkowego, która może doprowadzić do zaburzenia syntezy odpowiednich bia;łek. Jak wiadomo, zmianę taką nazywa się mutacją. Ze względu na zdegenerowany charakter kodu genetycznego 64 kombinacjom trójek żasad azotowych odpowia#a tylko 20 aminokwasów, ok. #/n mtacji może nie znaleźć żadnego wyrazu w #yntetyzowanym białku. Mutacje takie noszą nazwę mutacji synońimianych. Tylko w 1/s przypadków mutacja prowadzi do żmiany #kładu syntetyzowanego białka. W takich przypadkach mogą powstawać białka o zmieńionej funkcji. Zaburzenia tego rodzaju noszą nazwę chorób molekularnych. Dotyczą one białek strukturalnyeh (zaburzenia w strukturze kolagenu), czynnościowych (np. hemoglobinopatii) oraz enzymatycznych. W tym ostatnim przypadku powstają zabuizenia zwane błędami przemiany materii iub blokami metabolicznymi. Przyjmuje się, że choroby izwarunkowane genetyanie zależą nd błędów w zapisie genetycznym kwasów nu!kleinowych i związanych z #tym defektów w syntezie określonego białka, c# z kalei prowadzi do rozmaitego rodzaju zaburzeń strukturalnych i czynnościowych. Jednakże w obecnym stanie wiedzy w nielicznych tylko przypadkach jesteśmy w stanie określić produkt nieprawidłowego genu i dlatego ocena i klaisyfikacja genetyczna chorób dziedzicznych opiera się nie na prześledzeńiu łańcucha biachemicznego zmian zdeterminowanych zmianami w kwasach nukleinowych, lecz na ocenie odległych efektów działańia genu, tzn. na obrazie klinicznym, obrazie morfologicznym, danych elektrofizjologieznych, analizie genetycznej itd. W znacznej większ#ści chorób genetycznych lekarz działa na poziomie I. Wprowadzenie metod biologii molekularnej pozwoliło na znaczne pogłębienie analizy zaburzeń i zstąpieńie do głębśzych poziomów analizy. Postęp w metodach analizy DNA pozwala obecnie niekiedy na przechodzeńie bezpośrednio od poziomu I do poziomu VI. Znamy obecnie wiele chorób, w których pomimo braku informacji o pierwotnym defekcie genu można zidentyfikować gen chorobowy albo wykorzystywać do diagnoshyki znajomość najbliższego sąsiedztwa genu. Dotyczy to np. chor"b, jak: pląsawica Hunting'tona, #ystrofia mięśniowa Duchenne'a lub dystrofia mięśniowa Beckera, osteogenosis i#rcperfecta, ret"#oblasto#n.a i wiele innych. Zastosowanie technik analizy DNA pozwala również na głębsze poznanie tych zaburzeń, w których pierwotny efekt genu jest znany. Dotyczy to np. hem- oglobinopatii oraz wielu defektów metabolicznych. Wprowadzenie technik DNA pozwoliło na rozwój podejścia zwanego genetyką odwrotną. Polega on# na izolacji genu, uzyskiwaniu pradurktu białko
T a b e 1 a 32. Poziomy anałizy zaburzeń uwarunkowanych genetyeznie
Poziom # Rodzaj analizy
I analiza kliniczna, patogenetyczna i analiza typu przekazywania dziedzicznego 11 identyfikacja nieprawidłowego toru przemiany III identyfikacja nieprawidłowego białka enzymatycznego IV identyfikacja łańcucha peptydowego, w którym występuje zaburzenie V identyfikacja substytucji aminokwasowej (w przypadku mutacji punktowej) VI identyfikacja zmiany w DNA
146 wego genu i w ten sposób poznaniu mechanizmów patogennych. Podejście to stosuje się między innymi do poznania funkcji białka syntetyzowanego pod kontrolą genu dystrofii mięśniowej Duchenne'a. Podobnie udało się scharakte- ryzować defektywne białko powstające w uwarunkowanej genetycznie prze- wlekłej chorobie żiarniczej.
PATOLOGIA MOLEKULARNA - HEMOGLOBINOPATIE
Samo poję"e patologii molekularnej, choroby molekularnej, powstało w 1949 r., kiedy Pauling wykazał różnice w elektroforezie między hemoglobiną A a hemoglobiną S - substancją odpowiedzialną za występowanie niedokrwistości sierpowatokrwinkowej. Dalsze badańia wykazały, że hemoglobina S różni się od hemoglobiny A tylko jedną substancją aminokwasowąw pozycji śzóstej łańcucha globiny (3 zamiast kwasu glutaminowego występuje walina. alsze badania nad hemoglobinopatiaxni dały podstawy do współczesnego rozumienia zaburzeń molekularnych w chorobach dziedzicznych i pozwoliły na analizę tych zaburzeń na poziomie V i VI. Hemoglobina człowieka jest tetramerem, każda jej cząsteczka składa się z 4 łańcuchów polipeptydowych. Główną hemoglobiną u dorosłych i dzieci jest hemoglobina A - HbA. Składa się ona z dwóch łańcuchów a i dwóch łańcuchów [3 (ap #z).
ioo k
80 ## o ## # 60 d 40
i0 I ,c
Miesiqce 2 4 Przed urodzeniem po urodzeniu
Ryc. 73. Rozwój ontogenetyczny łańcuchów hemoglobiny człowieka w życiu płodowym i w pierwszych miesiącach po urodzeniu. Przerywana linia pionowa wskazuje moment urodzeńia.
Ponadto u dorosłych od 2 do 3o/o hemoglobiny stanowi HbAz (a28z). U płodu przeważa hemoglobina płodowa HbF (a2 #2). Niewielkie ilości HbF występuja również w życiu pozałonowym. We wczesnym okresie rozwoju zarodka w organizmie powstają również i inne łańcuchy hemoglobiny a mianowicie # i #. Znikają one z organizmu mniej więcej po 10 tygodniaeh życia zarodka.
147 G,r a - a ;% Gen globiny
t A Gra-aBb Łańcuch globiny 5
22a;h #9 2
aGl2
Portland Gower 1 Gow'er 2 #
Ryc. 94. Układ łańcuchów globinowych w normalnych hemoglobinach człowieka. Kole ność syntezy rozmaitych łańcuchów w zależności od wieku przedstawia rycina 73. Łańcuch a występuje w HbA, HbAz i HbF. Łań#chy 'Y występują w organizmie w dwóch wariantach. W jednym z nieh na pozycji 136 w stępuje alanina (A#), w d#<#gim z nich w pozycji tej występuje glicyna (G'y)Rycina 74 przedstawia różne warianty normalnej hemoglobiny, występujące u człowieka w różnych okresach rozwoju i schemat żch łańcuchów polipeptydowych. Niektóre hemoglobiny występują u człowieka w postaci podwójnej
Ryc. 75. Schemat ewolucji łańcuchów hemoglobiny człowieka. Czas liczy się wstecz od czasów obecnych. Przyjmuje się, że duplikacja dotyczy genu #, który, jak wspominaliśmy wyżej, może wystąpić w dwóch odmianach: A'y i G#r. Dotyczy ona również locus cc. VViadomo, że geny globiny u i # znajdują się w różnych chromosomach, #en # w ehromosomie 11, gen u w chromosomie 16. Rycina 75 przedstawia sehemat ewolucji łańcuchów globinowych. Warianty hemoglobiny mogą być wynikiem różnych typów mutacji. #'iutacje punktowe - znamy ich obecnie ok. 250 - mogą dotaczyć zarówno lańcucha a, jak i łańcucha #,. Część z nich nie ma znaczenia klinicznego, w niektórych jednak dochodzi do znacznych zaburzeń. Może wystąpićniedokrwistość hemolityczna spowodowana przez nietrwałość hemoglobin jok. 70 wariantów), erytrocytoza spowodowana zwiększonym powinowactwem do tlenu (ok. 20 wariantów), niedokrwistość sierpowatokrwinkowa, methemoglobinemia, czyli HbM (5 wariantów). Methemoglobinemia może być wywołana nie tylko przez hemoglobinopatig, lecz także przez defekt enzymaty#zny. Niedobór reduktazy hemoglobinowej przekazywany jako cecha recesywna również prowadzi do methemoglobinemii. Opróez mutacji punktowych występują i inne typy mutacji. Przedłużenie łańcucha poligeptydowego. Łańcuch a-globiny składa się z I#I #:minokwasów. Trójką warunkującą pozycję aminokwasową 142 jest U:#A, która koduje zakońezenie syntezy. W wyniku mutacji punktowej UAA może przejść w CAA. Powstaje wtedy wariant hemoglobiny, który jest dłuższy od łańcueha cc o 31 aminokwasów, tzw. Hb Constant- Spring. Synteza eiągnie się dopótv, dopóki nie dojdzie do następnego trypletu terminalnego. Znane są również inne hemoglobiny o przedłużonym łańcuchu u. Del#eje. Delecje mogą dotyczyć całego genu globinowego, występuje wtedy zesi,ół znany poc3 nazwą talassemii. Dotyczyć mogą również jednego lub kilku trypletów, a nawet liezby zasad mniejszej niż 3. Dochodzi wtedy do "przesunięcia w fażie" zapisu genetycznego i zmiany całej następnej sekweneji aminokwasów. Mutacje takie prowadzą najezęściej do nietrwałości hemoglobiny lub jej nieprawidłowego powinowactwa do tlenu. Delecja odgrywa ró#vnież rolg w powstawaniu Hb Lepore (patrz niżej). Duplikacje. Zjawisko to może dotyczyć poszezególnych trypletów. Przykładem tego jest hemoglobina a Grady, w której reszty 116-118 uległy duplikacji. Inną odmianą mechanizmu mutacyjnego jest ńierówny crossing-over. Przykładem tego jest Hb Lepore, powstała wskutek nierównego crossing-over i fuzji łańcucha (3 i łańcucha Ó (ryc. 76). Niekiedy wariant może polegać na wtrąceniu dodatkowyeh zasad.
Ryc. 76. Sehemat powstania # hemoglobiny Lepore w wyniku nierównego crossing-over łańeuchów S- i (i-hemocI- # I Lepore ) globiny.
Tal#ssemie stanowią grupę hemoglobinopatii, w których występuje brak lub znaczne zmniejszenie syntezy jednego z łańcuchów hemoglobin. Jeżeli zaburzenie dotyczy syntezy łańcucha a, to mówimy o a-talassemiach. W normie czlowiek ma 4 egzemplarze genu a-globiny - po 2 w krótkim ramieniu
149 każdego z chromosomów 16 (ua/c##), jeśli delecja dotyczy jednego genu (-u%uu), jest bezobjawowa. Niedabór dwóch genów a wystąpić może w dwóch formaeh (--/ua), nosi nazwę heterozygotyczności dla u- talassemii-1 i jest klinicznie bezobjawowy, natomiast w badaniu morfologicznym występuje nieznaczna niedobarwliwa niedokrwistość mikrocytarna. U niemowląt z tym zespołem ezęściowo występuje HbH (f34). Brak dwóch genów występować może również pod postacią homozygotyczności cechy u-talassemii-2 (#a./-a). Cecha ta klinicznie nie różni się od heterozygot z a-talassemią-1.
Jeśli brak 3 genów a, występuje zespół HbH. W przypadku braku 4 genów i; (--/--) powstaje hemoglobina Bart o budowie Hb#,,4. W tym zaburzeniu występuje uogólniony obrzęk płodu, dzieci na ogół rodzą się martwe. Niekiedy talassemii mogą towarzyszyć inne nieprawidłowości, np. hemoglobina Constant-Spring. /i-talassemia polega na zaburzeniu syntezy łańcucha #. W (3-0-talassemii łańcuchy f5 w ogóle nie są syntetyzowane, w #-talassemii dochodzi do znacznego zmniejszenia ich produkeji. Innym typem talassemii jest Ó--talassemia. Występuje w niej zaburzenie syntezy zarówno łańcuchów Ó, jak i (i. Zbliżonym zaburzeniem jest przetrwanie hemoglobiny płodowej. Może ona występować w różnych postaciach, w każdym bądź razie w zespołach tych nie ma syntezy HbA i HbAz, kontynuowana jest natomiast synteza Hba2#2, czyli HbF.
T a h e 1 a 33. Hemoglobinopatie o znaczeniu klinicznym (wg Vogela i Motulsky'ego)
Zespół kliniczny
Zespoły sierpowatośei
n-talassemie
-talassemie
Nietrwała hemoglobina
Hemoglobiny o nieprawidłowym powinowactwie do tlenu
Hemoglobina M
niedokrwistość sierpowatokrwinkowa sierpowatość-talassemia sierpowatośćHb C cecha siezpawatość
fuz,ja genu #- - heterozygota heterozygoty (ok. 70 odmian)
heterozygoty (ok. 30 odmian)
heterozygoty (5 odmian)
-# do -f- -f0
letalny
0
150 Dotąd mówiliśmy o rozmaitego typu zaburzeniach w syntezie hemoglobin, tak jakby DNA kodujący odpowiednie białka miał charakter ciągły. Wiadomo obecnie, że sprawa jest fl wiele bardziej skomplikowana. Obok bowiem części DNA, które znajdują ekspresję w łańcuchu białkowym (egzony), istnieją części, które ulegają transkrypeji tylko do stadium pre-mRNA i nie podlegają translacji ńa łańcuch polipeptydowy (introny). Mutacje mogą równiPż zachodzić w intronach i wtórnie prowadzić do zmiany składu egzonów, co stwarza dodatkowo mechanizmy powstawania wariantów hemoglobinowych. Delecja lub wtrącenie zasad zmienia bowiem liczbę zasad w intronie i prowadzi do "przesunięcia w fazie" w odezycie zapisu genetycznego w egzonie. Zaburzenia klińiczne w hemoglobinopatiach mogą powstawać w rozmaity sposób. W hemoglobinie S np. nie ulega w zasadzie zaburzeniu funkeja przenoszenia tlenu, zmniejsza się natomiast wyraźnie rozpuszezalność nie utlenowanej HbS, co prowadzi do żmiany kśztałtu komórek, ich lizy oraz wielu zmian naczyniowych. W innych przypadkach ulega zaburzeniu trwałość hemoglobiny, w innych wreszcie powinowactwo jej do tlenu. Zestawienie ważniejszych pod względem klinicznym hemoglobinopatii przedstawia tabela 33. Wprowadzenie współezesnyeh technik badania genetycznego, takich jak hybrydyzacja DNA oraz zastosowanie enzymów restrykcyjnych, pozwoliło na głębsze poznańie hemoglobinopatii, między innymi pozwoliło na diagnozę prenatalną niedokrwistośsi sierpowatokrwinkowej i talassemii.
ENZYMY I INN# BIAŁKA
Defekt genów kodujących białka enzymatyczne prowadzi do zaburzeń z#vanyeh blokami metabolicznymi. Koneepeja ta zostala wprowadzona z początkiem XX wieku przez Arehibalda Garroda w jego opisie alkaptonurii i znalazła ogromne zastosowanie w medycynie współezesnej. Znamy obecnie wiele zaburzeń powstających w ten sposób. Sehemat powstawania bloku metabolicznego przedstawia rycina 77.
Gen a p # Gen a Enzym a b c Enzym #---C Metabol it A --# g =. C -#-. D Metabolit A --łg -, C # D
#C CC Ryc. 77. Sehemat powśtawania bloku metabolicznego: a - sehemat uwarunkowanla genetycznego enzymów określonego toru metabolicznego; b - zaburzenia powstałe w wyniku nieprawddłowej czynności genu y. Wadliwa czynność enzymu C może się przejawiać zmniejszeniem ilości #roduktu D, gromadzeniem się substratu C, wydalaniem się substratu C i jego metabolitów oraz oddziaływaniem zwrotnym gromadzącego się substratu C na poprzednie ogniwa przemiany. Defekt enzymu może prowadzie do bardzo rozmaitych skutków: do braku produktu procesu enzymatycznego. Przykładem tego typu bloku metabolicznego jest albinizm, w którym wskutek defektu tyrozynazy zaburzona jest synteza melaniny. Dalszym skutkiem bloku metabolicznego może być gromadzenie się substratu. Przykladami takiego zaburzenia są liczne spichrzowice, np. choroba Taya i Saehsa, w której wskutek braku heksozoaminidazy A gromadzi się gangliozyd GMZ.
151 Innym skutkiem gromadzenia się substratu może być wydalanie z organizmu wzn'zożonych jego ilości lub jego metabolitów, które w normalnych warunkach zostałyby włączone do prawidłowych przemian w organizmie. Przykładem tego jest fenyloketonuria, w której wskutek braku hydroksylazy fenyloalaninowej* gromadzi się w organizmie fenyloalanina. W moczu stwierdza si4 również fenyloalaninę, której normalnie się tam nie wykrywa. W moczu występują również takie związki, jak kwas fenylopiro#ronowy, fenyloetylooctowy i fenyloacetyloglutamina. Typy zaburzeń enzymatycznych bywają rozmaite. W niektórych z nich nie powstaje w ogóle białko enzymatyczne, w innych białko enzymatyczne może zostać wykryte za pomocą badań immunologicznych. Niekiedy enzym jest produkowany, zachowana może być częściowo jego aktywnośe, zmienia si# natozniast jego trwałość. Bywa tak w niektórych postaciach akatalazji i w niektórych postaciach zespołu Lescha i Nyhana. lnne typy zaburzenia mogą polegać na zmianie powinowactwa enzymu do substratu, na zmianie zapotrzebowania na koenzym itd. Tak np. znane są przypadki choroby syropu klonowego (leucynozy), w których objawy ustępują po podaniu dużych dawek tiaminy. Zapotrzebowanie na pirydoksynę jest zwiększone w przypadkach wielu chorób, m.in. niektórych postaci homocystynurii. W niektórych postaciach acydLzrii metylomalonowej skutkuje podawanie cyjanokobalaminy (witaminy B,#). Jednym ze skutków uwarunkowanego #enetycznie defektu enzymatycznego mogą być wtórne bloki metaboliczne. Mechanizm ich bywa rozmaity. Tak np. wzrost stężenia substratu G może spowodować bądź zahamowanie aktywności enzymu w poprzednich ogniwach przemiany, bądź też gromadzący się substrat może działać jak reprcsor, tzn. hamować syntezę innego enzymu. Nżekiedy wtórnym efektem pie:wotnego bloku metabolicznego może być zwiekszenie aktywności innego enzymu. Tak np. w porfir ostrej przerywanej, spowodowanej defektem syntazy urobilinogenowej, zwiększona jest aktywność syntazy kwasu 8- aminolewulinowego i ilość tego kwasu w moczu jest wyraźnie zwiększona. Na ogół pierwotny defekt genu zgodnie z podstawowym parady#matem genetyki molekularnej prowadzi do defektu tylko jednego enzymu. Znane są jednak bloki metaboliczne, w których defekt jednego genu prowadzi do defektu dwóch lub więcej enzymów. Jeśli wyłączymy vr takich przypadkach możliwość, żeby defekt drugiego enzymu był zjawiskiem wtórnym, to najcześciej mechanizm tego zjawiska polega na tym, że upośledzeniu ulega eiement wspólny dla kilku enzymów. Tak np. bywa we wspomnianej wyżej chorobie syropu klonowego **, w której defekt dotyczy oksydazy ketokwasów rozgałęzionych, tzn. leucyny, izoleucyny i waliny. Dawniej sądzono, że jest to jeden enzym o powinowactwie do wszystkich trzech substratów. Obecnie sądzimy raczej, że enzym ten składa się z dwóch podjednostek, pierwsza z nic:z jest wspólna dla wszystkich trzech substratów, druga zaś nadaje im swoistość. W chorobie syropu klonowego dochodzi do defektu polipeptydz.z wspólnego. Podobne zjawisko zachodzi najprawdopodobniej w postaci Sandhoffa ganglinzvdozy GM2, gdzie - odmiennie od postaei Taya i Sachsa, w której stwierdza sżę tylko defekt heksozoaminidazy A - stwierdza się zarówno defekt heksozoaminidazy A, jak heksozoaminidazy B. Przypuszcza się, że w pośtaci Sandhoffa upośledzony jest łańcuch polipeptydowy wspólny dla obu
* Inna nazwa enzymu to 4-monooksygenaza. ** Nazwa pochodzi od charakterystycznego zapachu moczu.
152 heksozoaminidaz. Podobne zjawisko zachodzi prawdopodobnie w acydurii orotowej, w której występuje defekt dwóch enzymów: pirofosforylazy i dekarboksylazy orotydyno-5-fosforanowej. Znamy obecnie ponad 150 wrodzonych d#fektów metabolizmu. Przedstawimy przykłady niektórych z nich. Klasycznym przykładem defektów metabolicznych, który w pewnym sensie stał się modelem naszego postępowania w tego typu zaburzeniach, jest fenylohetonuria. Jest to zaburzenie charakteryzujące się zwiększoną zawartością fenyloalaniny we krwi oraz wydalaniem fenyloalaniny i niektórych jej pochodnych, m.in. fenyloketonów, z moczem. Jest to choroba autosomalna recesywna, dzieci homozygoty przychodzą na świat bez szczególnych zaburzeń, w ciągu pierwszych sześciu miesięcy życia jednak zaznacza się wyraźne zahamowanie rozwoju, w wieku 4 - 5 lat ogromna większość #horych jest głęboko upośledzona umysłowo (iloraz inteligencji 20). Somatycznie chorzy wykazują nieznaczne upośledzenie rozwoju, obwód głowy jest z reguły poniżej normy. Chorzy wykazują charakterystyczne zaburzenia barwnikowe - skóra jest jasna z tendencją do wyprysku, włosy jasnoblond z odcieniem szarawym. lVlocz i pot mają "mysi zapach" (kwas fenylooctowy). Oprócz upośledzenia umysłowego stwierdza się wzrost napięcia mięśniowego, wygórowanie odruchów, zaburzenia zachowania typu hiperaktywności ze stereotypiami, nierzadkie są napady padaczkowe. W niewielkiej li#zbie przypadków (od 2 do 5#/o) osoby z typowymi biochemicznymi objawami choroby mogą być prawidłowo rozwinięte umysłowo. Oprócz fenyloketonur wyróżnia się klinicznie fenyloketonurię matczyną. Jeśli kobieta chora na fenyloketonurię zajdzie w ciążę, to dziecko jej obciążone jest znacznym ryzykiem upośledzenia umysłowego, małogłowia oraz różnorodnymi wadaxni kośćca i narządów wewnętrznych. Dzieci nie są chore na fenyloketonurię, są tylko heterozygotami w stosunku dó tej cechy, natomiast organizm uległ uszkodzeniu wskut#k nadmiaru fenylaalaniny w środowisku płodowym. Jak się okazało, defekt metaboliczny w fenyloketonurii polega na upośledzeniu hydroksylazy fenyloalaninowej przeprowadzającej fenyloalaninę w tyrozynę (ryc. 98). Pierwotnym skutkiem defektu genu jest zwiększenie zawartośei fenyloalaniny w organizmie i zmniejszenie zawartości tyrozyny.
Ryc. 79. Różnorodne typy defektów występujące w f#nyloketonurii: I - fenylaketonur"a klasyczna - defekt hydroksylazy fenyloalaninowej; 2 - defekt reduktezy dihydropt#rydynowej; 3 - defekt reduktazy dihydrofolianowej.
154 Inne zaburzenia, m.in. dotyczące melaniny, są przejawem wtórnych bloków metabolicznych. Postęp badań biochemicznych pozwolił na opraeowanie testów prześiewowych wykrywających fenyloketonurię już u noworodków. Okazalo się również, że wyłączenie z diety mleka, które jest dla niemowlęcia glównym źródłem fenyloalaniny, i podawanie hydrolizatów bialkowych o małej zawartości fenyloalaniny zapobiega występowaniu objawów chorobowycń. Stało się to podstawą do wszczęeia odpowiedniego postępowania zapobiegawczego. ##'prowadzenie masowych badań noworodków w kierunku zwiększonej zawartości fenyloalaniny we krwi pozwoliło na wykrycie, oprócz klasycznej fenyloketonurii, również irmych postaci hiperfenyloalaninemii. W jednej z nich
T a b e I a 34. Obraz kliniczny sfingolipidoz
Defektywny enzym
Nazwa choroby # Spichrzana substancja, objawy kliniczne
choroba Fabry'ego (angżocerato#na corporżs dżffusu7n) choroba Niemanna i Picka
lipogr anulomatoza (choroba Farbera)
gangliozyd GM1, w p#staci klinicznej; początek w wieku niemowlęcym; postępująca regresja neurologiczna, hepatosplenomegalia, zmiany kostne
gangliozyd GM (w układzie nerwowym); początek w 4 - 6 miesiącu życia; postępująca regresja neurologiczna, ślepota, padaezka
gangliozyd Gnzz w układzie nerwowym, globozyd w narządach wewnętrznych; obraz kliniczny jak w chorobie Taya i Sachsa laktozyloceramid w mózgu i narządach wewnętrZnych
glukocerebrozyd w narządach wewnętrznych, w niektórych formach i w układzie nerwowym; początek zależny od postaci; hepatosplenomegalia, w postaci dziecięcej również i objawy mózgowe sulfatyd w układzie nerwowym; postępujące zwyrodnienie układu nerwowego
galaktocerebrozyd w układzie nerwowym; początek w niemowlęctwie - szybka regresja neurologiczna
ceramidotriheksozyd w układzie nerwowym i narządach wewnętrznych; zespół recesywny sprzężony z chromosomem X; postępujące zaburzenia skórne, nerkowe, naczyniowe i neurologiczne sfingomielina w narządach wewnętrznych; a w niektórych postaciach także w układzie nerw4wym; hepatosplenomegalia, w niektórych formach objawy neurologiczne ceramid, postępujące zmiany skórne, stawowe, objawy neurologiczne
* Wszystkie wymienione zespoły, z wyjątkiem choroby Fabry'ego, dziedziczą się jako cecha autosomalna recesywna.
Ryc. 80. Bloki metaboliczne w sfingolipidozach: a - ceram;d, b - schemat bloków metabolicznych w sfingolipidozach.
# Glk # Gal # NA# # Gal rangfiozyd GM# Cer Ga GcnSliozydczc # uogólniona NAcNA
Glk # Gal # NAc angliazyd GM2 Cer Choroba Tayc i Sachsa N Ac P# A
-r # Glk al Laktozyloceramid C2r # Lipidoza laktozy:o#eramidu
Glukozylo#eramid Cer i # Glk
lglul:ocerebrozy# i
- # Gal ś-sicrczan galaktozylo= Cer #eramldu Isulfatyd ) 0503 alcktozyloceramid Cer Gal ;aciaktocerebrozyd)
defekt dotyczy enzymów wspóldziałających z hydroksylazą fenyloalaninową ' (ry#. 79), w innej hiperfenyloalaninemia ma charakter przemijający i może zależeć od upośledzenia funkcji innych enzymów, np. transaminazy fenyloalaninowej lub opóźnionego dojrzewania hydroksylazy.
* Inna nazwa enzymu to 4-monooksygenaza fenyloalaninowa.
x5s Fenyloketonuria należy do bloków enzymatycznych dotyczących aminokwa- sów. Inną dużą kategorię bloków metabolicznych stanowią te, w których zabu- rzeniu ulega aktywność enzymów występujących głównie w lizosomach, orga- nellach komórkowych, odgrywającyeh istotną rolę w katabolizmie tłuszezów i polisacharydów. Tu przedstawimy grupę bloków metabolicznych należących do tej kategorii, a mianowicie sfingolipidozy. Defekty te przedstawione są na rycime 80. Tabela 34 przedstawia zestawienie objawów klinicznych w tych chorobach. Odmiennie niż w fenyloketonurii, możliwości postępowania leczni- czego są ograniczone, w chorobach tych natomiast możliwa jest diagnostyka prenatalna. Na tym też opiera się głównie postępowanie zapobiegaweze. Ogromna większośe bloków metabolicznych dziedziczy się w sposób rece- sywny. Z ważniejszych defektów metabolicznych sprzężonych z chromoso- mem X należy wymienić zespół Leseha i Nyhana, spowodowany niedoborem fosforybozylotransferazy hipoksantyny i guaniny, zespół Huntera - muko- polisacharydoza typu II spowodowana defektem sulfatazy siarezanu idurenido- wego. oraz chorobę Fabry'ego - niedobór a-D- galaktozydazy, Recesywny charakter defektów przemiany tłumaczy się tym, że ogromna większość blo- ków dotyczy funkeji enzymów katalitycznych. Funkeje te zaś w procesie ewo- lucji rozwinęły się prawdopodobnie tak, by enzym mógł działać z rezerwą, tzn. by u heterozygoty nie występowały zaburzenia. Jednym z nielicznych wy- jątków od tej zasady są różne postacie porfir przekazujące się jako zaburze- nia autosomalne dominujące. Dominujące zaburzenia typu metabolicznego częściej występują przy innego typu zaburzeniach białkowych. Przykładem tego jest hipereholesterolexnia ro- dzinna, w której zaburzenia występują u heterozygot. Osoby takie wykazują zwiększone stężenie cholesterolu i skłonność do choroby wieńcowej między trzecią a szóstą dekadą życia. Homozygoty co d# tej cechy mają niezwykle duże stężeńie cholesterolu, powyżej 800 mg na 100 ml i objawy wieńcowe mogą występować już w wieku dziecięcym. Najezęściej homozygoty #iną z tego powodu poniżej 30 roku życia. Przypuszeza się, że mechanizm chorobowy po- lega na braku lub defekcie receptorów wiążąeych lipoproteiny o małej gęsto- ści (LDL). Ze względu na to zwiększa się zawartość lipoprotein w osoczu a także stężenie cholesterolu. Wiadomo obecnie, że istnieje zna#na różnorod- ność mutaeji powodujących hipereholesterolemię. Dlatego wiele spośród osób uważanych dotąd za homozygoty może być w rzeczywistości złożonymi hetero- zygotami. Inny typ zaburzeń może wystąpić przy defektach dotyczących różnego ro- dzaju białek strukturalnych. Przypuszeza się, że różne postacie amyloidozy dziedżicznej polegają np. na powstawańiu nieprawidłowych białek włókien- kowych. W innych defektach białek strukturalnych mogą powstawać zarówno postacie dominujące, jak i recesywne. Przykładem tego jest rybia łuska (żeh- thyosżs vulgarżs). Powstaje w nich defekt keratohialiny.
DEFEKTY STRUKTUIf.ALNE
W wielu zaburzeniach genetycznych nie stwierdza śię zaburzeń metabolicznych. które mogłyby odpowiadać za ich powstanie. Rzecz prosta, należy sobie zdawać sprawę, że w wielu zespołaeh, szezególnie charakteryzujących się zmianami wstecznymi, niewykry"e defektu metabolicznego nie ożnacza bynajmniej, że tego defektu nie ma. Doświadezenia ostatnich dziesięcioleei wskazują wyraźnie, że wiele chorób przeszło z kategor chorób zwyrodnieniowych do kategorii chorób metabolicznych. Zaliczyć tutaj można na przykład zwy
157 rodnienie wątrobowo-soczewkowe, mukopolisacharydozy, niektóre postacie leukodystrofii. W wielu chorobach jednak bardzo trudno jest przewidzieć, jaki mógłby być pierwotny produkt genu. Do za'burzeń tego typu należą w szczególności różne defekty strukturalne, takie jak akrocefalosyndaktylia - autosomalno- dominująey zespół wad rozwojowych, ześpół Crouzona (również autosomalno-dominujący), dyzostoza żuchwowo-twarzowa (autosomalno- dominujący zespół Treachera i Collinsa), różne postacie krótkopalczystości, wielopalczystości, ektrodaktylii itd. Do tej kategorii należą również zespoły z grupy fakomatoz (stwardńienie guzowate, neurofibromatoza i inne). Cechą wspólną większości tych zespołów jest nieprawidłowy rozwój organizmu i ńie można wykluczyć, że dość paradoksalnie, efekty struktury mogą być wywołane przez defekt re#ulacyjnych mechanizmów genetycznych. W chorobach, w których nie stw5erdza się zaburzeń metabolicznych, ważne znaczenie ma analiza różnych danych klinicznych, m.in. wieku wystąpienia pierwszych objawów choroby. W dawnej genetyce popularne były sądy, że choroby dziedziczne cechuje skłonność do antepozycji i antycypacji, tzn. do tego, że w następnych pokoleniach wiek początku choroby jest wcześniejszy, a forma cięższa. Zjawisko takie opisywano m.in. w dystrofii miotonicznej. Jak wiadomo obecnie, antycypacja nie jest zjawiskiem biologicznym, ale artefaktem statystycznym i wynika stąd, że chorzy z ciężką postacią choraby mają mniejsze szanse posiadania potomstwa aniżeli chorzy z lekką postacią. Analiza wieku początku choroby może mieć również znaczenie dla oceny jednorodności genetycżnej zespołu. Jeśli bowiem wziąć grupę osób dotkniętych jakąś chorobą uwarunkowaną genetycznie i badać współczynnik korelacji między wiekiem wystąpienia choroby u rodzeństwa, to można oczekiwać, że jeśli choroba wywołana jest przez jeden gen, to współczynnik będzie wynosił ok. 0,5; jeśli choroba zależy od kilku genów, to wartość wspólczynnika korelacji będzie bliska jedności. Metoda ta, vcrprowadzona przez Haldane'a, pozwoliła na wykazanie niejednorodności genetycznej niektórych postaci rdzeniowego zaniku mięśni. Wprowadzenie metod analizy DNA stwarza nowe możliwości analizy chorób genetycznych, w których występują defekty strukturalne, w szczególności pozwala na dokł.adne określenie typu mutacji oraz wykrywanie niejednorodności genetycznej w zespole.
POST#PY GENETYKI A KLASYFIKACJA CHOftÓB
Postępy genetyki, a zwłaszcza postępy genetyki molekularnej, pozwoliły na znaczne wzbogacenie nasżej wiedzy i koncepcji dotyczących klasyfikacji. Jednym z charakterystycznych procesów w tej dziedzinie jest rozpad jednorodnych, jak wydawałoby się dotąd, jednostek chorobowych na różne zespoły - innymi słowy - niejednorodność genetyczna uznawanych dotąd za jednorodne chorób. Proces ten występuje we wszystkich dziedzinach medycyny. Tak np. przez wiele lat znano tylko krwawiączkę - sprzężony z chromosomem X defekt krzepnięcia krwi. Obecnie wyróżniamy hemofilię A, wywołaną przez niedobór czynnika VIII i hemofilię B (chorobę Christmasa) spowodowaną przez niedobór czynnika IX. Przez wiele lat sądzono, że istnieje jednostka chorobowa, zwana idiotyzmem amaurotycznym, charakteryzująca się spichrzaniem substancji tłuszczowych w ośrodkowym układzie nerwowym. Ze względu na wiek wyróżniano w tej chorobie postać wczesnodziecięcą (Taya i Sachsa), późnodziecięcą, młodzieńczą
158 i późną. Okazało się następnie, że przypadki opisywane jako idiotyzm amaurotyczny naprawdę zaliczają się do trzech różnych typów chorób przemiany. Choroba Taya i Sachsa to gangliozydoza GMz, przypadki traktowane jako najweześniejsze zespoły tego typu, to gangliozydoza GM#, postacie późne zaś dotycz# zupełnie innego typu przemiany i zaliczają się obecnie do eeroidolipofuscynozy. Okazało się następnie, że ehoroba Taya i #achsa nie jest zaburzeniem jednorodnym i można w niej wyróżnić co najmniej 4 odmiany różne pod względem biochemicznym (odmianę A, odmianę 0, odmianę AB i odmianę młodzieńezą). Niekiedy niejednorodność genetyczna może się zaznaczaE nawet przy braku danych o molekularnym charakterze choroby, tak np. w neuralnym zaniku mięśni (chorobie Charcota, Marie i Tootha) wyróżniamy postać autosomalną dominującą, autosomalną recesywną i recesywną sprzężoną z chromosomem X. Sprawę komplikuje jeszeze możliwość występowania fenokopii, tzn. zaburzeń o podobnym obrazie klinicznym, ale wywołanych nie czynnikami genetyeznymi, leez głównie przez działanie czynników zewnętrznych. Obok procesu rozpadu, jednorodnych dotąd, jednostek nozologicznych występuje zarazem, choć w znacznie mniejszej skali, proces łą- czenia oddzielnych dotąd zespołów. Tak np. #rzez ługie lata u'znawano oddzielne istnienie stwardnienia rzekomego (pseudoselerosi.s Westphal-Str#n,pell) i postępującego zwyrodnienia wątrobowego Wilsona. Następnie okazało się, że jest to jedna choroba charakteryzująca się zaburzeniem przemiany miedzi. Niekiedy analiza biochemiczna pozwala na łączenie odmiennych klinicznie postaci zaburzeń. Tak np. wśród mukopolisacharydoz wyróżnian# do niedawna postać I, czyli chorobę Gertrudy Hurler, charakteryzującą się upośledzeniem umysłowym, wadami kośca, powiększeniem wątroby ż śledziony, wadami innych narządów oraz postać V - chorobę Seheiego, bez zaburzeń razwoju umysłowego, z dużymi natomiast zmianami kośca. Okazało się, że oba zaburzenia wywołane są defektem tego samego enzymu a-iduronidazy, tyiko w zespole Hurler defekt enzymu jest prawie całkowity, podezas gdy w wariancie Seheiego jego aktywność jest częściowo zachowana. Podobnie różne postacie defektu tego samego enzymu -D- galakto2ydazy odpowiadają za różne kliniczne zaburzenia: wezesnodziecięcą postać gangliozydozy G##, chorobę Morquio B oraz p.owoli #postępującą encefalopatię o późnym przebiegu. Jeżeli do wiedzy o chorobach jednogenowych dodać postęp wiedzy w klasyfikacji zaburzeń wieloczynnikowych, a także o zaburzeniach chromasomalnych, to będzie widać, jak wiele wnoszą postępy genetyki do klasyfikacji chorób.
GENETYKA A NOWOTWORZENIE
Znamy różne cechy uwarunkowane jednogenowo, w których występują guzy nowotworowe lub w których jest znacznie zwiększona skłonność do takich guzów. Przykładami ich mogą być: meurofibromat#za, siatkówezak płodowy, choroba Hippel-Lindaua, zespół skóry pergaminowej barwnikowej (xerodernza pżg#n,etztosum) itd. W ogromnej większości częstych nowotworów częstość u krewnych probanda na ogół nie odbiega od częstości w populacji ogólnej. W ostatnich latach jednak okazało się, że mechanizmy genetyczne mogą odgrywać istotną rolę w powstawaniu różnych nowotworów. Badania te szły kilkoma torami. Jeden z kierunków polegał na wykazaniu roli mutacji somatycznych w wy
159 stępowaniu nowotworów. Dowiodły tego badania nad siatkówczakiem zarodkowym. Już przed wielu laty wykazano, że w części przypadków siatków#zaka dochodzi do delecji w prążku 14 krótkiego ramienia chromosomu 13. Badania późniejsze wykazały, że mikrodefekt chromosomalny występuje częs-to u pacjentów z siatkówczakiem. Zastosowanie metod analizy DNA pozwoliło na wykazanie, że u osób heterozygotycznych dla mutacji przez rekombinację somatyczną komórki siatkówki stają się homozygotyczne dla genu zmutowanego. Taka homozygotycznośE może zresztą powstać również i w inny sposób, np. jako skutek nierozłączenia się chromosomów w procesie mitozy. Inny kierunek badania dotyczył wirusów onkogenicznych, a zwłaszcza retrowirusów zbudowanych z RNA, zawierających odwrotną transkryptazę RNA oraz przenoszących onkogeny, geny odpowiedzialne za przemianę komórek normalnych w nowotworowe. Onkogeny wirusowe (v-onc) wytwarzają białka o aktywności enzymatycznej kinaz lub czynników wzrostowych. W ostatnich latach okazało się, że w chromosomach ełowieka znajdują się również onkogeny (c-onc) o bardzo zbliżonej budowie do onkogenów wirusowych. Ońkogeny komórkowe znajdowano w komórkach nowotworowych. Okazało się również, że w komórkach zdrowych znajdują się zbliżone do onkogenów geny zwane protoonkogenami. Różnica między onkogenami a protoonkogenami może być niewielka. Tak np. stwierdzono, że różnica między protoonkogenem a onkogenem wyizolowanym z komórek raka pęcherza moczowego dotyczy jednego tylko nukleotydu: w pozycji 12 kodowanego pxzez protoonkogen białka występuje glicyna, w nowotworach w pożycji tej występuje walina. Mutacja punktowa może również doprowadzić do aktywizacji onkogenu czyrmego przy powstawaniu niektórych postaci raka płuc. Niekiedy przejście z protoonkogenu w onkogen może się #dbyć pod wpływem wirusów włączających promotorowe sekwencje DNA, aktywujących działanie onkogenu. Innym sposobem aktywacji onkogenów jest translokacja chromosomalna. Translokacja taka w przebiegu przewlekłej białaczki szpikowej (chromosom F#ladelfia) przenosi onkogen c-abl z końca ramienia długiego chromosomu 9 na chromosom 22 w sąsiedztwo genu lambda lekkich łańcuchów immunoglobulinowych. Są dane, że promotory DNA normalnie związane z wytwarzaniem łańcuchów lekkich immunoglobulin uczynniają onkogen c=nbl. Dokładne mechanizmy molekularne powstania nowotworów nie są jeszcze znane, widaE jednakże, jakie perspektywy stwarza zastosowanie tych badań w onkologii.
POST#PY GENETYKI A DIAGNOSTYKA
Uwzględnianie danych genetycznych ma istotne znaczenie dla rozpoznawania chorób. Już na najbardziej powierzchownym poziomie analizy uwzględnianie wywiadu rodzinnego jest ważne dla ustalenia właściwego rozpoznania. Analiza rodowodów niekiedy pozwala rozstrzygnąć, czy dwa zespoły chorobowe dotycząee zbliżonych zaburzeń mają charakter alleliczny, czy nie. Analiza genetyczna może się przyczynić do stwierdzenia skojarzenia między chorobą. a znacznikiem genetycznym, bądź też pozwolić na ustalenie sprzężenia między dwoma cechami. Niekiedy ma to nader żstotne znaczenie. Tak np. stwierdzenie sprzężenia między dystrofią miotoniczną a grupami krwi Se i Lewis pozwala na prenatalną diagnozę dystrofii miotonicznej. Takie samo znaczeniE ma stwierdzenie sprzężenia między jedną z postaci zaniku oliwkowo-mostowo-mbżdżkowego a HLA. Można przypuszczać, że gdy nasza wiedza na ten temat
160 wzbogaci się, możliwa będzie wczesna diagnostyka i diagnostyka prenatalna wielu zaburzeń typu strukturalnego. Niezwykle istotne znaćzenie ma zastosowanie współczesnych metod biochemicznych do rozpoznawania chorób. Pozwalają one na znacznie pełniejsze rozpoznanie zaburzenia i jego postaci. W coraz większej liczbie zespołów stosuje się do tej diagnostyki techniki hodowli tkankowej. Poza diagnozą zaburzeń chromosomalnych pozwala ona na głębsze poznanie wielu zaburzeń biochemicznych. W szczególnośći techniki te mają zastosowanie w rozstrzyganiu, czy dwa podobne zaburzenia mogą ulegać wzajemnej kompensacji. W ho= dowli fibrublastów chorego z mukopolisacharydozą typu I (Hurler) gromadzą się metabolity patologiczne. Podobnie jest w hodowli komórek chorego z mukopolisacharydozą typu II - postacią Huntera. We wspólnej hodowli oba defekty komórkowe ulegają kompensacji i nie gromadzą się metabolity patologiczne. Taka komplementacja pozwala również na wykrycie niejednorodności genetycznej w jednolitych, jak się dotąd wydawało, zespołach. Wykazanie takiej komplementacji między komórkami pochodzącymi od różnych pacjentów z chorobą Sanfilippo pozwoliło na wykrycie postaci A i B tej choroby. Istotne znaczenie w diagnostyce ma analiza asocjacji. Asocjacją, czyli skojarzeniem, nazywamy występowanie łącznie dwóch cech częstszych, niżby tn wynikało z przypadkowej koincydencji. Asocjacja może świadczyć o związku fizjologicznym między dwoma cechami lub między cechą a chorobą. Przykładem takiego związku może być asocjacja między grupą krwi A a rakiem żołądka. Ze względu na to, że w tkankach raka żołądka stwierdzano substancje zbliżone do budowy chemicznej antygenu grupowego A, przypuszćza się, że u osób z tą grupą krwi łatwiej może dochodzić do czegoś w rodzaju tolerancji immunologicznej w stosunku do nowotworu. Wykaz niektórych asocj acj ż przedstawia tabeia 35. Należy odróżniać asocjację od sprzężenia, tzn. od skojarzenia dwóch cech, wywołanego lokalizacją ich genów w niewielkiej odległośći w tym samym chromosomie. Na ogół cechy sprzężone nie wykazują asocjacji w populacji ogólnej. Stwierdza się natomiast charakterystyczną segregację ich w rodzińie: przekazują się one bądź łącznie, bądź rozłącznie w zależnośći od tego, czy geny znajdują się w jednym z chromosomów homologićznych, czy też rozłącznie. W rzadkich tylko przypadkach sprzężenie jest tak ścisłe, że prowadzi do asocjacji również w populacji ogólnej. Przykładem takiego spxzężenia może być hemochromatoza - choroba autosomalna recesywna, której gen znajduje się w chromosomie 6 w bliskim sąsiedztwie genu HLA. Cecha ta wykazuje asocjację z HLA A3.
Tabela 35. Asocjacje między cechami i chorobami
Znacznik Choroba
Grupa krwi 0 Grupa krwi A Zwiększone stężenie pepsynogenu w osoczu Niewrażliwość na smak fenylotiomocznika HLA B27 HLA B27 HLA B27 HLA B8 HLA CW6 IndukowalnośE hydroksylazy węglowodorów aromatycznych
owrzodzenie dwunastnicy rak żołądka owrzodzenie dwunastnicy wole zesztywniające zapalenie kręgów zespół Reitera ostre zapalenie jagodówki choroba trzewna łuszczyca pospolita
rak odoskrzelowy płuca
11 - Zarys genetyki Watne znaczenie dla diagnozy genetycznej ma wykrywanie heterozygot. W przypadkach zaburzeń dotyczących enzymów najczęściej stwierdza się efekt dawki i aktywność enzymu heterozygoty wynosi 50#/# aktywńości enzymu homozygoty typu dzikiego. W przypadkach, w których nie bada się bezpośredniego efektu genu, stosunki takie mogą nie zachod#ić i wtedy pomocne bywają różne próby obciążeniowe. Próby takie stosuje się m.in. w celu wykry.cia heterozygot dla genu fenyloketonurii. Obciążenie fenyloalaniną i analiza zachowania się zawartości fenyloalaniny i tyrozyny we krwi pozwala w większości przypadków na klasyfikację badanych osobników. Do wykrywania mogą być rówńież pomocne techńiki hodowli tkankowej, coraz częściej stosuje się także w tym celu badanie aktywności enzymów w cebulkach włosowych. Ważne znaczenie dla profilaktyki mają testy przesiewowe. Badania takie stosuje się w populacji, zwłaszcza wtedy, jeśli można wcześnie wykryć zaburzenie szczególnie ciężkie, któremu potrafimy zapobiec lub możemy je leczyć. W różnych populacjach są to zaburzenia różne. W Polsce ważne znaczenie ma wykrywanie feny1oketonurii, galaktozemii, niedoczynności tarczycy, w przyszłości mukowiscydozy. W populacjach o dużym odsetku ludńości murzyńskiej ważne znaczeńie może mieć również stosowanie testów przesiewowyeh w kierunku hemoglobinopatii. W populacji Żydów aszkenazyjskich istotne znaczeńie mają przeglądy w kieruńku wykryeia choroby Taya i Sachsa. Niekiedy stasuje się testy przesiewowe w celu wykrycia heterozygot. Istnieją doświadczenia tego typu z wykrywaniem heterozygot choroby Taya i Sachsa w grupach ludności w Stanach Zjednaczonych. Wykrycie heterozygot pozwala na identyfikację rodzin, w których oboje małżonkowie są heterozygotami i istnieje ryzyko urodzenia się dziecka dotkniętego ch4robą. Od metod stosowanych jako testy przesiewowe wymaga się spełnienia kilku warunków. Muszą to być metody dość proste i dość tanie w stosowaniu, cechować się dużą rzetelńością oraz trafnością, zwłaszcza charakteryzować je musi duża czułość, tzn. muszą dawać bardzo niewiele wyników fałszywie ujemnych. Mniej ważna w oceńie testu przesiewowego jest jego swoistość, tzn. zdolność do dawania małej liczby wyników fałszywie dodatnich. Na ogół wynik dodatńi w teście przesiewowym wymaga potwierdzenia badaniami bardziej wyspecj alizowanymi. Stosowanie testów przesiewowych w wybranych grupach populacyjnych może stwarzać rozmaite problemy typu niemedycznego, tak np. wśród Murzynów amerykańskich w latach siedemdziesiątych zrodził się ostry protest przeciwko próbom wprowadzenia testów przesiewowyeh w kierunku hemoglobinopatii, ponieważ uważano, że jest to rodzaj dyskryminacji. Szczególne znaczenie mają osiągnięcia genetyki dla rozwoju medycyny sądowej. Ze względu na ogromne postępy w badaniach nad różnorodńościa gatuńku ludzkiego możliwe są znacznie bardziej efektywne badania nad identyfikacją osób, a także badania mające na celu wykluczenie rodzicielstwa. Obecnie coraz więcej jest podstaw do tego, by nie tylko wykluczać rodzicielstwo, lecz również z coraz większą ufnością rozpoznawać pozytywnie ojcostwo lub macierzyństwo.
POST#PY GENETYKI A LECZENIE
Postępy genetyki są istotne również dla rozwoju terapii w medycynie. Są one szczególnie ważne przy postępowaniu leczniczym typu przetaczania krwi lub przeszczepiania narządów. Niekiedy znajomość konstytucji genetycznej może mieć wpływ na wybór postępowania leaniczego.
162 W ostatnich latach jesteśmy świadkami znacznych postępów w dziedzinie# leczenia chorób uwarunkowanyeh genetycznie. Jedną z pierwszych prób leczenia chorób, w których czynniki genetyczne odgrywają istotną rolę, było. zastosowanie insuliny do leaenia cukr Lycy. Obecnie rozporządzamy wieloma# metodami zapobiegania chorobom genetycznym i ich terapii. Jednym z typów postępowania może być unikanie określonych czynników środowiska zewnętrznego. Tak więc możemy ograniczyć dowóz substratu; który wskutek defektu enzymatycznego gromadziłby się w organizmie. Przykładami takiego postępowania jest dieta skąpofenyloalaninowa w fenyloketo= nurii, dieta bez leucyny, izoleucyny i waliny w chorobie syropu klonowego, dieta bez galaktozy w galaktozemii, unikanie pokarmów bogatych w miedź w chorobie Wilsona. W nietolerancji fruktozy wywołanej defektem wątrobowej aldolazy fruktozo-1-fosforanowej unika się pokarmów zawierających fru= ktozę. W niektórych chorobach ważne może być ograniczenie stosowania niektórych leków. Taktyka ta jest szczególnie ważna w porfirii oraz w defekcie dehydrogenazy glukozo-6-fosforanowej. Niekiedy postępowanie zapobiegawcze polega na unikaniu niektórych bodźców fizycznych, tak np. w xeroderma pignzentosu#n. należy chronić organizm przed nasłonecznieniem. Innym typem podejścia zapobiegawczo-leczniczego w chorobach genetycznych jest uzupełnienie produktu końcowego defektywnej reakcji enzymatycznej. Taką rolę odgrywa tyroksyna stosowana w niedoczynności tarczyey lub hormony steroidowe w zespole nadnerczowo-płciowym. Jeszcze innym typem postępowania jest uzupełnianie brakującego enzymu. Stosowano tę metodę w próbach leczenia niektórych mukopolisacharydoz prze= taczaniem krwi lub krwinek. Niekiedy duże znaczenie terapeutyczne ma uzupełnienie witamin spełniają= cych funkcję koenzymu niezbędnego do aktywacji enzymu lub zapewnienia jego większej trwałości. Tego typu postępowanie stosuje się między innymi w drgawkach pirydoksynozależnych, niektórych postaciach choroby syropu klonowego, acydurii metylomalanowej itd. Niekiedy dąży się do substytucji defektywnego en#ymu przez przeszczepianie narządów. Tak więc znamy próby przeszeepienia wątroby w zwyrodnie= niu wątrobowo- soczewkowym, nerek w chorobie Fabry'ego, szpiku w niektó= rych mukopolisacharydozach. Nieco inny ro"zaj podejścia polega na dążeniu do indukcji defektywnegoenzymu. Przykładem takiej strategii jest stosowańie fenobarbitalu w leczeniu niektórych żółtaczek (dążność do indukcji transferazy bilirubinowej); a także kortykosteroidów w leczeniu glikogenozy typu III. Innym typem podejścia terapeutycznego jest dążność do hamowania działania enzymu, którego nadmierna czynność prowadzi do gromadzenia się szkodliwych metabolitów. Tak np. w zespole Lescha i Nyhana zwiększona jest zawartość kwasu moczowego we krwi. Jest to wtórny efekt bloku metabolicznego niedoboru odpornościowego, zespół Lescha i Nyhana, ewentualnie hemofilia. cia tego wtórnego defektu stasowano allapurynol, środek hamujący działani# oksydazy ksantynowej. Następnym typem podejśeia terapeutycznego jest eliminacja spichrzone# substancji z organizmu. Niekiedy próbowano to osiągnąć w sposób mechaniczny, np. upustami krwi w hemochromatozie, najrzęściej jednak stosuje siP w tym celu leki. Przykładem tego może być stosowanie penicylaminy do usuwania miedzi z organizmu w chorobie Wilsona. W ostatnich latach jesteśmy świadkami prób stosowania inżynierii genetycznej do zapobiegania i terapii. Polegają one na wykorzystaniu technik re
163 #ombinacji DNA do wprowadzania do organizmu brakujących genów. Pierwsze próby tego rodzaju podjęto w latach sześćdziesiątych, kiedy pacjez-ztom z hiperarginemią (niedobór arginazy) podawano wirus brodawczaka Shape'a, zawierający brakujący ezzzym, nie uzyskano jednak przekonywających efektów klinic?nych. Obecnie podejmuje się różne próby wykorzystania nowoczesnych technik do leczenia chorób genetycznych, szczególnie talassemii. Są to próby korekty mutacji punktowych, próby aktywizacji genu gammag:obiny dla podjęcia zastępczej produkcji HbF w talassemii -0. Próby przeszczepiania genów podejmuje się w różny sposób. Jedno podejście polega na wprowadzaniu cDNA połąc#onego z innym promotorem. Jest ono jednak obarczone ryzykiem braku właściwej regulacji produkcji genów. Inne podejśeie polega na przeszczepianiu zarówno genu strukturalnego, jak i sekwencji niezbędnych do regulacji działania genu. Kolejny sposób polega na dążeniu do wprowadzania genu zastępczego w miejsce zmutowanego genu do chromosomu, w którym normalnie ten gen jest zlokalizowany. Ten sposób, #czywiście, nastręcza największe trudności. Próby przeszczepiania genów odbywają się przez polączenie genu z wektorem w postaci retrowirusa lub plazmidu i następnie wprowadzanie prześzczepu do szpiku kostnego. Interesujące wyniki w tym zakreśie uzyskano u myszy. Pełniejsze wprowadzenie terapii genowej u człowieka jest przedmiotem intensywnych badań. Podejścia tego typu wymagają dużej ostrożności ze względu na to, że wprowadzenie sekwencji DNA do genomu nie jest wolne od ryzyka karcynogenezy. Dlatego też rzeczą niezwykle ważną jest dobór takich wektorów, które nie zawierają onkogenów. Uważa się, że najbliższymi kandydatami do prowadzenia terapii genowej są takie choroby, jak defekt dezaminazy adenozynowej prowadzący do ciężkiego niedoboru odpornościowego, zespół Lescha i Nyhana, ewentualnie hemofilia. Ogromne znaczenie ma już dzisiaj zastosowanie inżynier genetycznej do produkowanin leków i szczepionek. W szczególności stosuje się tę technikę do otrzymywania insuliny, hormonu wzrostu, somatostatyny, szczepionki prze#ciwko zapaleniu wątroby typu B itd. Uzyskane w ten sposób leki można stosować z mniejszym ryzykiem wywołania reakcji alergicznych, ponadto ten sposób przygotowywania leków usuwa ryzyko zakażenia wirusem powolnym, znane bowiem były przypadki, kiedy u pacjentów leczonych hormonem wzrostu uzyskiwanym z przysadek pobieranych ze zwłok rozwijala się choroba Creutzfelda i Jaooba. Wprowadzenie techniki inżynierii genetycznej usuwa ńiebezpieczeństwo tego rodzaju.
PODSUMOWANIE
W powstawaniu.zaburzeń chorobowych odgrywają rolę czynniki genetyczne i środowiskowe. Udział tych czynników bywa rozmaity w różnych typach chorób. Ważna jest jednak zarówno analiza roli środowiska w chorobach dziedzicznych, jak i roli czynników genetycznych w chorobach zewnątrzpochodnych. Postępy biologii molekularnej stworzyly podstawę do współczesnego pojmowania chorób molekularnych. Szczególne znaczenie ma poznanie hemoglobinopat jako modelowej choroby molekularnej. Poznanie defektów enzymatycznych i ich skutków zezwala na znaczne wzbogacenie naszej wiedzy o patologii człowieka oraz wprowadzenie nie
l E4 #dostępnych dotąd metod zapobiegania i leczenia. Postępy genetyki przyczyniaj# się do rozwoju współczesnej klasyfikacji chorób, w szczególności do poznania niejednol-odności genetycznej jednostek chorobowych. Osiągnięcia #enetyki mają znaczenie dla diagnostyki w medycynie, zwłaszcza dla diagnostyki heterozygotyczności, oraz pozwalają na prowadzenie testów przesie###owych ważny-ch dla postępowania zapobiegawczego. Osiągnięcia te po2walają również na wprowadzenie różnorodnych strategii zapobiegawczo-lc#czniczych, zaró#vno przez vrplywanie na określone czynniki środowiska ze##vn#trżnego, ja# i sub;tytucję defektywnych produktów reakcji lub braku,jac5#cii enzvni-.#-.
X rodowodów . Analiza
Et.ua Ma'nikowska-Czerska
Analiza występowania cech u poszczególnyeh osób i w kolejnych pokoleniach należących do tej samej rodziny jeśt klasyczną metodą badań genetycznych. Analiza pojedynczego rodowodu daje bardzo ograniczoną możliwość wnioskowania. Analiza wielu rodzin, w których występuje ta sama cecha, pozwala na określenie trybu jej dziedziczenia. Opracowano w tym celu metody matematyczne. Przez wiele lat był to podstawowy sposób przekazywania cech dziedzicznych u ludzi. Wspólskojarzeniu (asocjacji) i sprzężeńiu cech oraz postępy w mapowańiu chromosomów człowieka pozwalają na pogłębioną analizę rodowodów. Służy ona do różnicowej diagnostyki genetycznej i prognoz genetycznych w poradnictwie.
ZBIEftANIE I ZAPIS DANYCH RODZINNYCH
Zbieranie dan ch rodżinnych jest bardzo czasochłonne, wymaga cierpliwości, dociekliwości y umiejętności prowadzenia rozmowy z osobą, od której uzyskuje si dane. Niewiele osób zna dokładnie stan zdrowia wśzystkich członków rodziny. Pierwsza rozmowa służy zazwyczaj do konstrukcji drzewa genealogicznego i ustalenia, jakie dodatkowe informacje są potrzebne. Dopiero przy drugiej, trzeciej rozmowie można sporząd'zić zadowalający zapis dayDrzewo genealogiczne zapisuje się używając międzynarodowyeh symboli, rzedstawionych na rycinie 81. Osoba, poprzez którą zidentyfikowano daną podzinę jako rodzinę ryzyka genetycznego, określana jest jako proband. W zapisie drzewa genealogicznego probanda oznacza się strzałką. Osoba zasięgająca porady genetycznej może być probandem lub jego krewn m. Brak jest w języku polskim akreśleńia jednym słowem osoby zasięgającej po. Na w odniej jest taką osobę określić jako pacjenta, a w przypadku zasygańia pgady przez parę, pragnącą mieć wspólne dzieci - jako pacjenta i pacjentkę. Poszczególne osoby w rodzinie mogą mieć daną cechę wyrażoną w fenotypie i mogą być określone jako chorzy. Inni członkowie rodziny mogą przekazywać cechę (chorobę) g "miep pra didł y y f ńop pS to nosiciele cechy (choroby). Inne osoby raz prawidłowy lub nieznany genotyp. Wreszcie mogą być członkowie rodziny, co do których brak danych o fenotypie i genotypie.
Pierwszym etapem jest zebranie danych personalnych i uporządkowanie ich w karcie apisu rodowodu. Dla każdej z osób należy określić jej pozycję w rodowodzie, to znaczy przporządkować numer pokolenia i numer w obrębie pokolenia. Najstarsze pokolenie, co do którego można uzyskać dane wywiadu lub przeprowadzić badanie, należy oznarzyć numerem jeden. Przyjęto oznaczae cyfrą rzymską numer pokolenia, a arabską numer porządkowy. la każdej osoby trzeba zanotować imię, nazwisko i datę lub przynajmniej rok urodzenia. W razie potrzeby i możliwości dane te można uzupelnić adresem. Jednocześnie należy rysowae drzewo genealogiczne. Pozwala to na prawidłowe żanotowanie pokrewieństwa. Mając spis członków rodziny i wyrysowane drzewo genealogiczne, naleiy upewnić się, czy nikt nie został pominięty, a pokrewieństwa są zanotovrane prawidłowo. Z naszyeh d#świadezeń wynika, że osoba, od której zbiera się wywiad, najezęściej nie wie o występowaniu poronień samoistnych i często pomija zgony we wezesnym dzieciństwie. Ponieważ mogą one świadezyć o obciążeniu genetycznym, należy upewnić się co do ich występowania, stawiając konkretne pytania. Następnie należy na podstawie danych wywiadu ustalić fenotyp członków rodziny, zapytując o stan zdrowia, anomalie rozwojowe (upośledzenie fizyczne lub umysłowe) i ewentualnie przyczynę zgnnu. Pedantyczne przeprowadzenie wywiadu rodzinnego w opisany wyżej spnsób jest niezbędne dla uzyskania miarodajnych danych. Należy oczywiście prowadzić wywiad ukierunkowany, notując dane negatywne i pozytywne, odnoszące się do badanej cechy lub choroby. Wstępny wywiad z zasady wymaga uzupelnień. Osoba, od której zebrano dane, musi uzyskać dodatkowe informacje od swojej rodziny. W wielu przypadkach pomocne jest uzyskanie fotograf rodżinnyeh i uważna ich analiza. Należy dążyć do udokumentowania zebranych danych przez uzyskanie odpisów badań i dokumentacji medycznej z zakładów leczniczych, z których usług korzystali członkowie rodziny. W razie potrzeby należy potwierdzić lub ustalić rozpoznanie przez zbadanie wybranyeh członków rodziny. Z naszych doświadezeń wynika, że rodzice i dziadkowie chorych genetycznie zgadzają się na przeprowadzenie badań. Inńi krewni zgadzają się zwykle wówezas, gdy są bezpośrednio zainteresowani leczeniem lub ustaleniem prngnozy genetycznej. Ponownie należy podkreślić, że zebranie pełnych i wiarygodnych danych rodzinnych jest żmudnym przedsięwzięciem, wymagającym niekiedy wręcz detektywistycznych zdolności. Tradycyjny, rutynnwy rodzinny wywiad lekarski jest niewystarezający. W odniesieniu do badanych osób należy osobno sporządzić kartę opisu fenotypu, zawierającą w podsumowaniu rozpoznanie i wnioski co do genntypu. Opracowano wiele wzorów takich kart, m.in. wzory przystosowane do wprowadzania do pamięci maszyn liczących. Omówienie tych wznrów przekracza ramy ńiniejszego podręcznika. Ogólnie można stwierdzić, że należy zapisywać tylko istotne dane. Im mniej danych zawiera dokumentacja, tym bardżiej jest przejrzysta i przydatna. Tradycyjna dokumentacja w postaci historii chorób czy kart ambulatoryjnych jest mało użyteczna. Dokumentaeja genetyczna wymaga specjalnych wzorów. Prowadzenie kartotek rodowodów, osób, nazwisk, rozpoznań itp. jest niezbędne w rutynowej pracy poradni genetycznej, a tym bardziej w pracy badawezej w zakresie genetyki człowieka. Należy przewidywać korzystanie z maszyn liczących i zawezasu przygotowywać dane, prowadząc przynajmniej wstępne kartoteki przy użyciu kart selekcyjnych o brzeżnej lub lepiej pełnej perforacji. Jest to tym bardziej istotne, że opieka genetyczna jest sprawą długofalową i może dotyezyć kilku pokoleń tej samej rodziny.
1G8 PftZYKŁADY ANALIZY ftODOWODóW
DZIEDZICZENIE CECH AUłOSOMALNYCH RECESYWNYCH
Dziedziczenie cech autosomalnych recesywnych można najlepiej zilustrować ńa przykładzie genetycznych chorób metabolicznych. Choroba taka występuje u osoby mającej dwa zmutowane geny, tj. u homozygoty. Heterozygotę T a b e 1 a 36. Karta opisu rodowodu z mukowiscydozą. Przykład fikcyjny t>żyto
ajezęściej spotykanyeh w Polsce nazwisk i imion. W - dane z wywiadu, D - dane potwierdzone dokumentacją, B - dane potwierdzone badaniem na terenie własnym KOF - karta opisu fenotyp b w T okum t i t owodla N - fenotyp prawidłowy (nie ma objawów chor ykowiscydozy, #-- heterozychoroby, O - brak danych, ++ heń typ ltyp dziki), ? - dane wątpliwe goEa, homozygota, prawidłowy
Rodowód nr 842 Rozpoznanie: mukowiscydoza
Zebrał: Dr E. Manikowska-Czerska. Data: 07.06.1982. Aktualizowany: Pozycja Nazwisko,imię,data urodzenia I,I Kowalski Jan 1893 I,2 Kowalska z d.Zielińska Janina 03.08.1899 11,1 Kowalski Jan 1925
II,2 Wiśniewska Janina 1926 II,3 Kowalski Stanisław II,4 Kowalski Andrzej 03.02.1930 II,5 Kowalska z d.Brzezińska Maria 08.12.1931 II,6 Majewska Maria 07.03.1932 11,7 Majewski Jan 09.10.1931 III,1 Kowal z d.Wiśniewska Maria 1946 III,2 Wiśniewska Janina 1948 II1,3 Kowalezyk Anna z d.Wiśniewska 1950 I11.4 Kowalski Jan 1952 III; J Kowalski Andrzej 1954 III,6 Majewska z d.Kowalska Maria 15.12.1957 III,7 Majewski Henryk 04.01.1956 III,8 Majewska Janina 09.07.1960(pac- jentka)
IV,Z-4 zdrowe dzieci III,1 brak bliższych danych IV,5-7 zdrowe dzieei III,3 brak bliższych danych IV,8 poronienie 16Hbd 1976 IV,9 Majewski Jan 03.08.1978 IV,10 Majewska Maria 09.10.1980 lnrobandl
Fenotyp # Genotyp N-W, zginął 1939 - - l?) N-g, analiza aktywa- -f- - B cyjna paznokci
nie wnosi danych N-g, analiza aktywacyjna paznokci -#ł-g, potwierdzon laboratoryjnie KOF
-I- - W
-f- - w
-I- - W 169 z jednym genem zmutowanym i jednym prawidłowym (typ dziki) można traktować jako nosićiela cechy (choroby). Wreszeie homozygotę z dwoma ge- nami prawidłowymi można traktować jako osobę zdrową, nie wykazującą ry- zyka genetyeznego. Odnośnie do wielu chorób wiadomo, że jest to uproszcze= nie i przekazywanie ich można rozpatrywać jako dziedziczenie kodominu- jące (patrz rozdziały I, VII i XIV).
W tabeli 36 podan4 przykład karty opisu rodowodu obciążonego mu#owiscydozą. 1Va karcie podano fikcyjne nazwiska i imiona, posługując się częstymi w Polsce ich przykładami. Karta opisu jest dogodnym i sprawdzonym w praktyce wżorem. Na karcie jedna osoba została wpisana pomyłkowo w niewłaściwej pozycjx. Pomyłka została poprawiona tak, żeby skreślony tekst pozostał czytelny; miejsce to na rycinie zaznaczono gwiazdką. Na podstawie karty narysowano drzewo genealogiczne przedstawione na ry"nie B2. Oba dokumenty powstawały stopniowo na podstawie analizy uzyskiwanych danych. Tok opracowania i rozumowania przedstawiono poniżej. Do poradni genetycznej zgłosiła się kobieta lat 20, o prawidłowym fenotypie, której przypisano fikcyjne nazwisko Janina Majewska (II1.8. pacjentka ryc. 82). Jest niezamężna, ale jest zaniepokojona przyszłością, bo brat (Henryk III.7.) ma dziecko chore od urodzenia. Z wywiadu wynika, że brat ożenił się z siostrą cioteczną (małżeństwo spokrewnione II1.6 i III.7). Z uwagi na stopień pokrewieństwa istnieje prawdapodobieństwo 1 :8 (12,5o##), że w dowolnym locus u obu tych osób występuje wspólny gen odziedziczony po jednym z dziadków (I.1 i 1.2). Istnieje więc ryzyko 1 :16 (6,25) wystąpienia
170
Ryc. 82. Przykład formularza do rysowania rodowodu. Wyrysowano fikcyjny ro- dowód na podstawie kart apisu w tabeli 36. ńie ujawnionej dotychczas w rodzinie choroby recesywnej. Ryzyko mieści się w granicach średniego (patrz rozdział I - Poradnictwo genetyczne), jest znacznie większe od ryzyka populacyjnego. Przy następnej wizycie pacjentka zgłosiła się z całą rodziną brata. Z dokumentacji wynikało, że Maria Majewska (IV.10), proband, dziecko brata, jest chora na mukowiscydozę, rozpoznaną w innej placówce. Na życzenie rodziny wykonano badania i sporządzono kartę opisu fenotypu. W zasadzie miarodajna dokumentacja stanowi wystarczającą podstawę. U starszego brata probanda (Jan Majewski, IV.9) i u pacjentki I11.8 wykonano test w kierunku nosicielstwa mukowiscydozy - analizę aktywacyjną paznokci. Nie jest to test w pełni miaroKiajny, gdyż niekiedy daje wyniki fałszywie ujemne. Załóżmy, że te wyniki były dodatnie. Rodziców probanda nie trzeba badać, gdyż są obligatoryjnymi heterozygotami. Gen mukowiscydozy został albo przekazany przez II.4, II.5, II.6, 11.7, albo powstał na skutek świeżej mutacji. Prawdopodobieństwo świeżej mutacji, a zwłaszcza dwóch, jest znikome. Częstość genu mukowiscydozy w populacji polskiej wynośi ok. 2o/o. Jeżeli I.1 lub I.2 byli heterozygotami, to prawd#podobieństwo, że II.4 i II.6 są heterozygotami wynosi 25o/o. W celu weryfikacji tej ostatniej hipotezy można by zbadać osoby I.2 (I.1 nie żyje), II.4 i II.6. Zbadanie i dodatni wynik testu na nosicielstwo u jedńej z tych osób czyni hipotezę prawdopodobną na d#statecznym paziomie ufnoś". Wybrano zbadanie prababki ;probanda Janiny Kowalskiej (I.2) i uzyskano wynik dodatni. Z danych tych można wyciągnąć wiele wniosków. Probanda IV.10 można na pewno określić jako homozygotę pod względem mukowiscydozy. Gen tej choroby został przekazany z rodziny Zielińskich. Prawdopodobieństwo, że zmarły Jan Kowalski (I.1) był heterozygotą jest małe. Wiemy, że I.2 jest heterozygotą. Prawdopodobieństwo, że małżeństwo
#wóch heterozygot ma pięcioro fenotypowo zdrowyeh dzieci wynosi 4
to jest 0,24. Stąd prawdopodobieństwo, że I.1 nie jest heterozygotą, wynosi 0,76. Można przyjąć, że gen mukowiscydozy został przekazany z rodziny Zielińskich. Można uważać, że udowodniono z wystarczającym prawdopodobieństwem, że II.4 i II.6 są heterozygotami na padstawie rodowodu. Prawdopodobieństwo, że gen mukowiscydozy pochodzi od II.5 lub I1.7 jest równe częśtości genu mukowiscydozy w populacji, to jest około 2o/o, a ściślej 1 : 47. Toteż narysowano drzewo genealogiczne, jak to przedstawiono na rycinie 83. Co do pozostałych nie badanych członków rodziny nie ma wystarczających podstaw do próby wnioskowania o genotypie. Jest to typowa analiza rodowodu a posteriori. Drzewo genealogiczne jest typowym przykładem przekazywania względnie rzadkiej cechy recesywnej, która ujawniła się dzięki małrieństwu między krewnymi. Gdyby nie było testu, można by przyjąć z 6o/o prawdopodobieństwem, że spokrewnienie stanowi element wystąpienia choroby u IV.9. Wiadomo byłoby, że IV.10 jest homozygotą, a III.6 i III.7 są obligatoryjnymi heterozygotami. Z tych danych można obliczyć prawdopodobieństwa genotypu IV.9 i II1.8. Co do obu wiadomo, że nie są homozygotami typu zmutowanego, mogą więc tylko być homozygotą typu dzikiego lub heterozygotą. Z rozkładu dwumianowego można wyliczyć, że IV.9 ma 2 szanse na 3 (tj. około 66o/o), że jest heterozygotą i 1 na 3 (tj. około 33o/o), że jest homozygotą typu dzikiego. Na temat II1.8 wia"omo, że przynajmniej jedno z jej rodziców jest heterózygotą, bo brat jest obligatoryjnym heterozygotą. Prawdopodobieństwo, że jej rodzice są obydwoje heterozygotami jest małe. Częstość genu
Ryc. 83. Typowy rodowód rodziny, w której u dwojga dzieci wvstąpiła choroba recesywna. Negatywne dane dotyczące innych członków rodziny, wystąpienie objawów u dwojga rodzeństwa różnej płci nasuwają podejrzenie ehoroby o typie dziedzicznym autosomalnym recesywnym.
mukowiscydozy w populacji polskiej wynosi ok. 2a/o, stąd częstość heterozygot odpowiada okoł# 4o,'# i przy swobodnym kojarzeniu można przewidywać częstość małżeństw między heterozygotami na około 0,1óoj". Stąd III.8 prawdopodobnie jest córką heterozygoty i homozygoty typu dzikieg#. Można więc przyjąć, że ma równe szanse, po 50o/#, że jest heterozygotą lub homozygotą typu dzikiego. Zastosowanie testu na nosicielstwo choroby wykazuje, że cecha ta jest w omawianej rodzinże przekazywana "pionowo" przez cztery pokolenia. Jest to charakterystyczne dla wszystkieh chorób metabolicznych, dla których dostępne są testy na wykrycie heterozygot. Dla wielu cech recesywnych nie ma jednak testów na wykrycie heterozygot. Można identyfikować tylko homozygoty - osoby z daną ceehą (chorych) oraz ich rodziców - obligatoryjne heterozygoty. Powstaje wówezas typowy zapis rodowodu z "poziomym" występowaniem cech, jak to przedstawia rycxna 83. Bardzo często zdarza się, że jedna osoba w rodzińie dotknięta jest choro= bą, o której z piśmiennictwa wiadomo, że może być sprawą recesywną lub dominującą autosomalną, lub sprzężoną z chromosomem X. Rodowód może być całkowicie nieobciążony. Ustalenie toku dziedziczenia choroby jeśt ni#możliwe i dopiero urodzenie drugiej osoby z tą samą chorobą może wyjaśnić sprawę. Najogólniej można powiedzieć, że dziedziczenie recesywne autosomalne należy podejrzewać wówezas, gdy: 1) choroba występuje u rodzeństwa; rodzice, dzieci osób ch#rych i inni krewni nie wykazują objawów ehoroby, 2) jedna czwarta rodzeństw probanda jest dotknięta chorobą, na ogół pojedyneze rodowody nie dostarezają #ostatecznej liczby danych, . 3) osoby pł" żeńskiej i płci męskiej są równie często dotknięte chorobą, 4) rodzice chorej osoby są spokrewnieni, 5) dla celów praktycznych, jeśli udało się wyłączyć dziedziczenie sprzężone z chromosomem X i chor#ba o znanym z literatury, recesywnym toku dziedziczenia występuje u dwojga dzieci tych samych rodziców przy nieobciążonym rodow#dzie, można podejrzewać chorobę autosomalną recesywną. To samo odnosi się do rzadkiego nie zidentyfikowanego zespołu.
172 DZIEDZICZENIE CECH AUłOSOMALNYCH DOMINUJt#CYCH
Dziedziczenie cech autosomalnych dominujących charakteryzuje się występowaniem osób o nieprawidłowym fenotypie "pionowo" w rodowodzie, tj. w# kilku kolejnych pokoleniach. Rycina 84 przedstawia rodowód rodziny obciążonej nieprawidłowością rozwoju kończyn - zespołem szczypców h#ma= ra.
ftołdowód przedstawia najczęstszą sytuacje, to jest przekazywanie cechy u potomstwa hetero#ygoty i prawidłowej homozygoty. Cecha jest przekazywana tylko przez osoby wykazujące ją w fenotypie, dotyczy około połowy ich potomstwa i występuje w przybliżeniu równie często u obu płci. Istotne jest, że cecha przekazywana jest przez dotknięte kobiety i mężczyzn. Należy zwrócić uwagę, że cecha może występować w różnym nasileniu, co zaznaczono na rysunku. Nie stwierdzono cechy w rodzinie matki probanda i dlatego zanotowano słownie wynik wywiadu na rycinie. W niektórych rodowodach obserwuje śię pokolenia, w których cecha nie występuje, tzw. przeskakiwanie pokoleń. Jest to zjawisko rzadkie i wymaga analizy, może bowiem świadczyć o bardziej złożonym toku dziedziczenia. Jest to najczęściej związane z występowaniem choroby o niepełnej penetracji, a także ze zmiennym stopniem wyrażenia cechy. W niektórych rodzinach stwierdza się zjawisko antycypacji, to jest występowania w kolejnych pokoleniach bardziej nasilonych (wyrażonych) objawów choroby, albo też występowania ich we wcześniejszym wieku. Nowsze badania wykazują, że antycypacja jest artefaktem statystycznym i większośćgenetyków uważa, że w rzeczywistości zjawisko to nie istnieje. Analizując rodowód należy liczye się z najczęstszą sytuacją, wynikającą ze zwiążku heterozygoty z prawidłową homozygotą. W przypadku związk dwojga heterozygot 25a#o potomstwa ponosi ryzyko, że będżie zmutowanymi homozygotami. Odróżnienie heterozygot od homozygot wśród potomstwa może być trudne. U homozygot objawy.choroby są bardziej wyrażone. Z zasady choroby dominujące są w stanie homozygotycznym letalne. Homozygoty te zazwyczaj giną w.cześnie i do#hodzi do wczesnego poronienia, które może: umknąć uwadze, lub do śmierci we wczesnym dzieciństwie. Stosunek hete= rozygot do homozygot prawidłowych w takich rodzinach będzie zbliżać się: do 2 :1, zamiast 1:1, jak to obserwuje się w wypadku związku heterozygoty z prawidłową homozygotą. W przypadku związku homozygoty z chorobą dominującą z prawidłowym homozygotą wśzystkie dzieci są dotkńięte cho
173: :robą. Sytuacja taka u ludzi zdarza śię niezwykle rzadko. Należy przyjąć, że :ok. 80o#'o przypadków chorób dominujących wiąże śię ze świeżą mutacją W tej sytuacji rodowód jest #ałkowicie nieobciążony. W podsumowaniu należy stwierdzić, że autosomalny dominujący tok dzie,dziczenia należy podejrzewać, jeżeli: 1) ch#roba występuje we wszystkich pokoleniach, 2) chóroba występuje z równą częstością u obu płci i jest przekazywana przez ośoby obu pł#i, 3) dotknięta ośoba,przekazuje cechę połowie swojego potomstwa, 4) ezłonkowie rodziny nie mający fenotypowych cech choroby mają zdrowe dzieci, 5) dwie osoby z podobnymi miernymi nieprawidłowościami fenotypu mają dżieci z dużymi wadami (25o/o), podobne do rodzitów (50o/o) i prawidłowe (25#/o), to można podejrzewać związek dwóch heterózygot mających ceehg dominującą; niewielkie odchylenia od nórmy u pozostałych krewnyth mo:gły umknąć uwadze; krewnych tych, przede wszystkim rodziców i następnie ródzeństwo, należy zbadać.
:DZIEDZICZENIE CECH KODOMINUJĄCYCH I CECH PO#REDNICH
Dziedziczenie cech kodominujących i cech pośrednich maże nasuwać dużE trudności przy analizie rodówodu. W praktyce u ludzi ten typ dziedziczenis można udokumentować metódami biochernicznymi i serologicznymi. Genetycz#ne choroby metaboliczne należy obecnie rozważać w kategoriach dziedziczenia kodominującego (patrz rozdział I, VII). Grupy krwi M i N są klasycznym i pierwszym śtwierdzonym u ludzi przykładem kodominacji. Fenotyp homozygoty M lub N jest odpowiednio M luk N, heterozygoty - MN. Cechy, które znajdują pośredni wyraz w fenotypie .można uchwycić badając cechy il#ściowe. Przyjmuje się, że cechy dzieri zbli;żają się do średńiej pomiędzy ródzicami. Na przykład aktywność określonego enzymu u dziecka odpowiada średńiej z aktywności tego enzymu u oby:dwojga rodziców. Ze względu na złożone interakcje pomiędzy genami tegc typu proste rozumówanie jest mało przydatne w analizie pojedynczych roł #dówodów.
DZIEDZICZENIE CECH SPRZ#ŹONYCH Z CHROMOSOMEM X
Dziedziczenie cech spxzężonych z chromosomem X można łatwo rozpoznai #na padstawie typowego rodowodu. W wielu wypadkach jest trudno wyłączyć i zróżnicować je z chorobami przekazywanymi jako cecha recesywna -Cechy zlokalizowane w :chromosomie X mogą być przekazywane jako recesywne lub dominująee. Mężczyźni mają jeden chromosom X i dlategó okre:śla się ich jako hemizygoty. Konsekwencją hemizygotyczności mężczyzn jes' to, że zarówno dominujące, jak i recesywne cechy sprzężone z chromosomen X są wyrażone. U kobiet tylko jeden chrómosom X jest funkcjonalny w każdej komórce drugi natomiast ulega inaktywacji. Inaktywacja chromosomu X odbywa sit w sposób przypadkowy. Toteż cechy dominujące są wyraż#ne w połowie komórek kobiet heterozygotycznych. W połówie komórek wyrażana jest alleliczna cecha recesywna. U kobiet homozygoty#anych dana #echa jest wyrażona oczywiście we wszystkich komórkach. Dlatego podstawówym kryterium określenia heterozygoty#zności kobiety jest wykazanie różnórodności populacji jej komórek pód względem badanej cechy. Można to łatwo wykaza#
#174 za pomocą barwnych reakcji histochemicznych na aktywność enzymów. Jeżeli dana cecha wiąże się z niedobarem aktywności, to połowa komórek po= zAstanie ńie zabarwiona, a połowa wykaże reakcję barwną. W przypadku ba= dania aktywności w homogeńizatath tkanek lub w płynach ustrojowych u kobiety homozygoty - typ dziki, aktywność wynosi 100 w jednostkach arbitralnych, u heterozygoty 50, a u hom-ozygoty - typ zmutowany, jest Q lub bliska zera. U mężczyzn adpowiednie aktywności wynoszą 100 lub 0, za= leżnie od tego, kt"ry z alleli występuje. Z zasady recesywne choroby sprzę= żone z chromosomem X są letalne u homozygot płci żeńskiej, toteż chorobY te rzadko występują u kobiet. Klasycznymi przykładami recesywnych chorób sprzężonych z chromoso= mem X są hemofilia A i dystrofia mięśniowa typu Duchenne'a. W związku z postępami leczenia hem#filii rnężczyźni obciążeni #tą ehorobą przeżywają długi czas i mają dzieci. Rottowód rodzinny z hemofilią przedstawia ryci= na 85 a. Wykazuje on cechy typowe. Tylko mężczyźni mają objawy choro= by, wszyscy ich synowie są zdrowi, a córki są nosicielkami.
Ryc. 85. Rodoworly rodzin z hemofilią A: a - rodowód typawy dla recesywner cechy sprzężonej z chromasomem X potomstwn hemofilik,a i homozygoty, typ dziki (zdrowej); b - potomstwo hemofilńka i nosicielki heterazygoty, objawy choroby# wystąpiły u dwóch córek homozygnt - zdarzenie niezwykle rzadkie.
łrzeba dodać, że objawy hemofilii mogą wystąpić u kobiet homozygot, po= chodzących ze związku hemizygotyrznego mężczyzny i heterozygoty nośicielkż hemofilii (ryc. 85 b). Rycina 86 przedstawża rodow"d rodziny z dystrofi# mięśniową typu Du-chenne'a. Cechą charakterysty#zną tego rodowodu jest to,. że chorzy mężczyźni nie dożywają wieku repradukcji.
Ryc. 86. Rodowód rodziny z dystrofią mięśniową typu Duchenne'a, dziedziczenie# eeehy recesywnej sprzężonej z ehromosomem X.
l7Źł Recesywny tok dziedziczenia sprzężony z chromosomem X należy podejrzewać, jeżeli: 1) choroba występuje znacznie częściej u mężczyzn niż u kobiet, 2) chory mężczyzna nigdy nie przekazuje cechy synom, 3) wszystkie córki chorego są nosicielkami i choroba występuje u ok. 50o/o ich synów, 4) choroba jest ciężka i mężczyźni ńie dożywają wieku reprodukcyjnego, #to w kolejnych pokoleniach występują serie kobiet nosicielek. Dziedziczenie dominujące sprzężone z chromosomem X dotyczy niewielu #cech. Prakty#nie ważne jest (patrz niżej), że w ten sposób dżiedziczy śię #cecha grupowa krwi Xg. Również w ten sposób dziedziczy się krzywica oporna na witaminę D. Zgodnie z tym, co powiedziano wyżej, objawy choroby są Iżejsze u heterozygot płci żeńskiej niż u hemizygot (płci męskiej). Dziedżiczenie dominujące sprzężone z chrmmosomem X należy podejrzewać, jeżeli : 1) chory mężczyzna ma wyłącznie chore córki i wyłącznie zdrowych synów, 2) chore kobiety heterozygoty przekazuja cechę ok. 50o/o swego potomstwa, ńiezależnie od jego płci, chore kobiety homozygoty przekazują cechę wszystkim swoim dżieciom, 3) choroba wyst#puje dwa razy częś"ej u kobiet niż u mężezyzn.
Na zakończenie należy podkreślić, że cechy sprzężone z chromosomem X nie są przekazywane potomstwu płci męskiej przez ojców. Odstępstwo od tej reguły stanowią aberracje chromosomów płciowych, w których dodatkowy chromosom X pochodzi ad ojca. Rycina 87 przedstawia typowy rodowód dla dziedziczenia cechy dominującej sprzężonej z chromosomem X.
ZIEZICZENIE NIEftEGULAftNE
Dżiedziczenie nieregularne, związane z przekazywaniem aberracji chromosomów i cech warunkowanych jednogenowo, nie daje typowych rodowodów. Jednakże zebranie danych modzinnych jest istatne. Liezba chłorych w rodzinie i ich pozycja w rodowodzie obciążonym chorobą wielogenową ma zaśadnicze znaczenie dla ustalenia ryzyka genetycznego. Około 4o/o przypadków aberracji chrom#somalnysh występuje rodzinnie i analiza rodowodu pozwala na znale#ienie nosicieli transl#kacji. Analiza ta ma również znaezenie dla oceny ryzyka empirycznego, które jest różne dla poszczególnych typów dziedzicznych aberracji chromosomalnych.
176
Ryc. 87. Przykład dziedziczenia cechy dominującej, sprzężonej z chromoso- mem X. FENOłYP A ANALIZA IZODOWODU
Rodzaj defektu genetycznego i związany z nim fenotyp choroby nie pozwala na wnioskowanie o toku dziedziczenia. Większość genetycznych chorób metabolicznych należy do autosomalnych recesywnych chorób jednogenowych, aczkolwiek wiele z nich jest sprzężonych z chromosomem X (np. choroba Lescha i Nyhana lub nieprawidłowości dehydrogenazy glukozo-6-fosforanowej, tj. G6PD). Opisano jednak wielogenowy mechanizm odpowiedzialny za różnorodność reakcji hemolitycznej u osób z niedoborem G6PD. Różnorodność ta zależy od szybkości acetylacji sulfonów, która jest warunkowana przez geny autosomalne. Magon i wsp. (1981) wykazali, że w niektórych przypadkach choroba hemolityczna związana z niedoborem G6PD wykazuje połimorfizm dzięki temu, że jest schorzeniem wielogenowym, a nie dzięki różnorodności serii alleli występujących w locus G6PD chromosomu X. Można liczyć się z ustaleniem mechanizmów wielogenowych warunkujących różnorodność wariantów i innych pozornie jednogenowych chorób. Trzeba też liczyć się z tym, że serie alleli prawidłowych mogą modyfikować stopień ekspresji dominujących chorób autosomalnych. Inaczej mówiąc, zmutowany gen dominujący może wyrażać się w różny sposób, zależnie od tego, który z alleli z prawidłowej serii genów recesywnych występuje wspólnie z nim. U homozygot mogą występować kombinacje różnych alleli zmutowanych. Stąd ta sama w zasadzie choroba może mieć różny obraz kliniezny u członków tej samej rodziny. Rodzaj i rozległość zmian nie świadczą o niczym. Rózległe wady strukturalne (tzw. wielowadzie), mogą być wyrazem autosomalnej choroby dominującej lub dziedziczenia jednogenowego. Zespół Laurence'a, Moona i Biedla (hipogonadyżm, polidaktylia, otyłość, głuchota, niedorozwój umysłowy i barwnikowe zwyrodnienie siatkówki) dziedziczy się jako recesywna choroba autosomalna. Podobnie izolowane wady budowy, jak zarośnięcie odbytu lub zwężenie wodociągu mózgu (Sylwiusza) i następcze wodogłowie, mogą być sprawami jednogenowymi, recesywnymi lub sprzężonymi z chromosomem X, albo dominującymi. Aberracje chromosomalne z zasady prowadzą do licznych wad wrodzonych. Wreszcie różne geny mogą prowadzić do tego samego defektu. "Wrodzona" głuchota jest tego przykładem. Stevenson i Cheeseman opisali rodowód przedstawiony w skróconej formie na rycinie 88. Na szczególną uwagę zasługuje 6 zdrowych i o prawidłowym słuchu synów (IV) głuchego od urodzenia małżeństwa spokrewnionego w III pokoleniu.
Ryc. 88. Rodowód rodziny obciążonej "wrodzoną" głuchotą, wykazującej genetyczną heterogenność tej choroby (na podstawie danych Stevensona i Chee#V semana).
12 - Zarys genetyhi SPRZĘ#ENIE CECH A ANALIZA RODOWODU
Dzięki współczesnym technikom badania lokalizacji cech uzyskuje się coraz to bardziej szczegółowe mapy chromosomów człowieka. Gen warunkujący ehorobę może być sprzężony z genem warunkującym cechę, którą łatwo jest oznaczyć metodami serologicznymi lub biochemicznymi. Cecha ta może służyć jako znacznik (słowo znacznik jest tłumaczeniem angielskiego "marker", z nie znanych bliżej przyczyn niektórzy autorzy używają w języku polskim określenia "cecha markerowa"). Występowanie znacznika w fenotypie pozwala zidentyfikować nosiciela choroby lub osobę obciążoną chorobą, jeszcze zanim ujawniły się jej objawy. Cechy znacznikowe mogą być wykorzystane w diagnostyce prenatalnej, jak np. cechy antygenów zgodnoś" tkankowej (układu HLA) w prenatalnym rozpoznaniu zespołu nadnerczowo-płciowego. Sprzężenie cech zostało omówione w rozdziale VII o dziedziczeniu jednogenowym. W tym miejscu należy tylko podać warunki, jakim muszą odpowiadać badana cecha i cecha znacznikowa. W przypadku badania sprzężenia cech autosomalnych:
1) każda z obu cech musi być warunkowana genem występującym w pojedynczym locus, oba locż muszą być ze sobą ściśle sprzężone, 2) współczynnik rekombinacji obu locż powinien być określony ilościowo, 3) badana osoba musi być potomkiem podwójnej heterozygoty i (najczęściej) podwójnej homozygoty, 4) trzeba dysponować miarodajnymi danyxni dla określenia, czy cecha badana i znacznikowa są w pozycji cżs czy trans u podwójnej heterozygoty (jedno z rodziców badanej osoby). Murphy i Chase (1975) obliczyli, że można przewidywać, że mniej niż 20o/o par rodzicielskich obciążonych rzadkimi chorobami genetycznymi będzie spełniać te warunki. Obecnie istotnym elementem badania rodowodu jest badanie DNA za pomocą technik opisanych w rozdziale XVI.
PODSUMOWANIE
Zebranie, zapisanie i analiza danych rodzinnych jest ważnym elementem weryfikacji i uściślenia choroby genetycznej. Trzeba systematycznie zachowywać następujący tok postępowania: 1) zebrać dane personalne, 2) narysować drzewo genealogiczne, 3) zebrać i nanieść na kartę rodowodu i drzewo genealogiczne dane o fenotypach poszczególnych osób w rodzinie. Dane o fenotypie uzyskane z wywiadu należy w miarę możliwości zweryfikować przez uzyskanie dokumentacji medycznej lub wykonanie badań. Znany z piśmiennictwa tok dziedziczenia choroby należy porównać z badanym rodowodem. Charakterystyczne rodowody otrzymuje się w przypadkach autosomalnych lub sprzężonych z chromosomem X dominujących i recesywnych cech. Choroby wielogenowe i wywołane aberracjami chromosomalnymi nie dają charakterystycznych cech. W analizie niektórych rodowodów (mniej niż 20##o) można wykorzystać sprzężenie cech dla badania toku dziedziczenia i identyfikacji osób ryzyka genetycznego. XI. G enet#ka populac#j na
Ignacy Wald
PODSłAWOWE POJĘCIA
Genetyka populacyjna zajmuje się zachowaniem genów w populacjach. Przez populację rozumiemy zbiór osobników, którzy mogą wchodzić ze sobą w stosunki seksualne i mieć potomstwo. Takie znaczenie terminu "populacja" różni się zatem od zakresu jego stosowania w statystyce. W znaczeniu genetycznym nie będzie więc populacją grupa żołnierzy w jednostce wojskowej, może ona natomiast stanowić populację w sensie statystycznym. Genetyka populacyjna ma istotne znaczenie dla poznania struktury i funkcjonowania populacji ludzkich i stanowi jedną z podstaw teoretycznych nauki o zdrowiu publicznym. Podstawowym pojęciem genetyki populacyjnej jest częstość genu, która oznacza stosunek liczby alleli określonego rodzaju do liczby wszystkich genów w danym miejscu genowym w populacji. Ze względu na to, że człowiek jest istotą diploidalną, liczba genów w danym miejscu genowym w populacji jest dwa razy większa od liczby osobników w populacji. Wyobraźmy sobie np., że w populacji 1000-osobowej występują dwie osoby z pląsawicą Huntingtona. Ponieważ jest to cecha dominująca, do wystąpienia objawów choroby wystarczy jeden gen. Ze względu na rzadkość zjawiska można przypuszczać, że osoby dotknięte chorobą są heterozygotami. Tak więc częstość genu pląsawicy Huntin.gtona w badanej populacji wyniesie:
W przypadku cech kodominujących ocena częstości genu polega po prostu na zliczeniu odpowiednich alleli i podzieleniu ich przez podwójną liczbę osobników w populacji. Przykład takiego oblieenia dla grup krwi M i N #odaje tabela 37.
ł a b e 1 a 39. Obliczenie częstości genów grup krwi M i N w populacji 1000 osób
Genotypy
MM I MN I NN
Razem
Liczebność osobników ś64 364 1000 Liczba alleli M 1150 Liczba alleli N 850
179 Ogólnie rzecz biorąc, jeśli mamy 2 allele kodominujące: A i B, liczebność odpowiednich genotypów oznaczamy odpowiednio przez naA, #AB, nBB, całko- witą liczbę osób w populacji oznaczymy przez N (N = naA -#- -nAB -f- -nBB), to wtedy częstość genu A wyniesie:
Bardziej złożona jest sytuacja, kiedy jeden z alleli jest dominujący, a drugi recesywny. Do ustalenia częstości genów wykorzystuje się wtedy prawo Hardy'ego i Weinberga.
PRAWO HAftDY'EGO I WEINBEftGA
Jest to podstawowa zależność występująca w genetyce populacyjnej. Została ona ustalona w 1908 r. niezależnie przez matematyka angielskiego G. H. Hardy'ego i lekarza niemieckiego W. Weinberga. Hardy opracował tę zależność w odpowiedzi na pytanie biologa angielskiego R. Punnetta, który interesował się, czy allele dominujące w populacji wypierają allele recesywne. Hardy uważał odkrytą przez siebie zależność za tak banalną, że pracy na ten temat nie posłał do czasopisma matematycznego, ale ogłosił ją w ogólnonaukowym piśmie Scien.ce. Potem okazało się, że jest to podstawowe prawo genetyki populacyj nej. Zasada ta polega na następującej zależności: jeżeli w populacji krzyżującej się w sposób losowy w danym miejscu genowym, występują 2 alłele A f a o częstościach odpowiednio p i q, to stosunki wzajemne liczebności genotypów można wyrazić następującym wzorem:
%taA : #LAa : %#aa = #7= : 2g7q : q= innymi słowy, w populacji spełniającej założenia prawa Hardy'ego i Weinberga częstość genotypu AA wynosi p=, Aa 2pq, an q#. Są to składniki dobr Le znanego wzoru na kwadrat dwumianu: (p -#- q)z. Można mieć wątpliwości, czy w populacjach ludzkich dobór seksualny odbywa się w sposób losowy. Tak oczywiśeie nie jest. Ludzie jednak przy dobieraniu partnerów seksualnych biorą pod uwagę takie cechy, jak wzrost, urodę, inteligencję, majątek itd., żadna z tych cech na ogół nie bywa uwarunkowana genetycznie w sposób prosty. Przy doborze seksualnym partnerzy nie zwracają na ogół uwagi na to, jakie są grupy krwi wybranego lub wybranki, jaka jest jego lub jej wrażliwość na smak fenylotiomocznika itd. Innymi słowy, z punktu widzenia wielu cech uwarunkowanych genetycznie w sposób prosty dobór seksualny w populacjach ludzkich jest losowy. Ze względu na ograniczenia społeczno-kulturowe losowość ta z reguły nie bywa pełna. Takie ograniczenie losowości wynika np. z zakazów związków
180 kazirodczych obowiązujących w prawie wszystkich kulturach. Odchylenia od losowości powstające z tej przyczyny są jednak niewielkie i nie odgrywają istotnej roli, jeżeli populacja jest dostatecznie duża. Jak wykazuje wiele badań, rozkład Hardy'ego i Weinberga jest wystarczająco dobrym przybliżeniem zależności między częstością genów a częstością genotypów w bardżo wie1u przypadkach. Regułę Hardy'ego i Weinberga można również uogólnić na większą liczbę alleli niż dwa. Prawo Hardy'ego i Weinberga pozwala na oznaczenie częstości genów w populacji w różnych warunkach. Wyobraźmy sobie, że interesuje nas częstość genów fenyloketonurii w populacji. Częstość tego zaburzenia (dżiedziczenie recesywne) wynosi ok. 1 na 10000 urodzeń w większości populacji
europejskich. CzęstośE genu fenyloketonur wynosi zatem q = 1 , tzn. 10 000 0,01. Częstość genu "dzikiego" wynosi odpowiednio 0,99. Na podstawie tej reguły można również ocenić częstość heterazygot, wynosi ona bowiem 2pq, a przy małej częstości genu r#cesywnego p można traktować jako bliskie jedności. Wtedy część heterozygot _cv 2 p. W przypadku fenyloketonurii częstość ta wynosi ok. 1 : 50, tzn. 0,02. Znajomość tej zależności ma istotne znaczenie dla zrozumienia pochodzenia chorób recesywnych w populacji. W ogromnej większości przypadków osoby chore na choroby recesywne rodzą się ze związku dwojga heterozygotycznych nosicieli. Z tego punktu widzenia jasne staje się, jak bezzasadne były postulaty zwolenników eugeniki negatywnej, domagających się sterylizacji osób chorych na choroby uwarunkowane genetycznie w celu zapobiegania ich wystąpieniu w populacji. Tabela 38 przedstawia zależność między częstością homozygot a częstością heterozygot przy różnych częstościach występowania homozygot.
'C a b e I a 38. Zw#iązek między częstością homozygot i heterozygot przy różnych ezęstościach występowania homozygot
Ze względu na to, że głównym źródłem chorób recesywnych są heterozygoty, w celu zapobiegania chorobie należałoby sterylizować nosicieli. Ponieważ każdy z nas jest heterozygotycznym nosicielem 5 do 6 genów odpowiedzialnych za ciężkie choroby, tego typu działanie wymagałoby steryl:zacji całej populacji. W ten sposób osiągnięto by wprawdzie zabezpieczenie przed szerzeniem się chorób, załatwiano by jednak sprawę istnienia ludzkości w ogóle. Jeśli nie działają czynniki wpływające na odchylenia od zasady Hardy'ego i Weinberga, takie np., jak mutacja, selekcja, migracja, to częstość genu w następnym pokoleniu nie ulegnie zmianie i częstości genotypów w następnym pokoleniu będą takie same. Dlatego też prawo to niekiedy nosi nazwę równowagi Hardy'ego i Weinberga.
181 Jeżeli dochodzi do zmieszania się dwóch populaeji ł o różnych ezęstościach genów; to - jeśli krzyżowanie odbywa się w sposób losowy - już w na- stępnym pokoleniu częstość genotypów będzie zgodna z prawem Hardy'ego i Weinberga.
POLIMORFIZMY GENEłYCZNE
ł a b e 1 a 39. Niektóre polimorfizmy genetyczne u człowieka
Antygeny krwinek Białkak owicy c e k h Ań yy k Enzymy czerwonych wątroby
ABO haptoglobiny fosfataza Se se (cecha wy- (HplS,HplF, kwaśna dzielania) Hp) dehydrogena- MNSs _ transferyny za glukozo- P lPi,Pz) (łfc,łfs, -6-fosfoglu- Rh TfD) konianowa Lewis (Le,Le) grupy Gc kinaza Duffy (G#1,G#z) adenylowa (Fya,Fyb,Fy) ceruloplazmi- Peptydaza A Kidd (Jka,Jkb) na (CpA (P Diego (Die,Dib) CpB,CpC) Pep Lutheran (Lua, system Gm fosfogluko- Lub) (Gm'łz, mutazy Kell (K,k) Gm3,s) Xg (Xga,Xg) pseudocholi- noesteraza surowicy
układ HLA
dehydrogenaza alkoholowa (ADH2, ADH3)
Polimorfizmem g#netycznym nazywamy sytuację, w której w danym miejscu genowym występują w populacji co najmniej dwa allele, przy czym częstość każdego z genotypów nie jest mniejsza niż 1 - 2o/o. Przy takiej częstości genetypów występowanie allela w populacji nie może być tłumaczone wyłącznie powstawaniem nowych mutantów. Szczególną rolę w badaniu polimorfizmów odegrało wprowadzenie różnych metod elektroforezy białek do praktyki badań populacyjnych. Jak wykazują badania prowadzone w populacjach różnych gatunków, polimorfizm występuje w ok. 30o/a locż. Jak wykazały badania H. Harrisa i wsp. nad polimorfizmem białek, średnio co 12 osobnik w populacji jest heterozygotą dla badanych locż. Jest to podstawą dla ogromnej zmienności indywidualnej. Na podstawie badania tylko 14 białek stwierdzono, że prawdopodobieństwo, by losowo dobrani z populacji osobnicy mieli identyczny skład genetyczny wynosi . Najważniejsze polimorfizmy 35000 genetyczne u człowieka przedstawia tabela 39. Niekiedy polimorfizm może mieć istotne znaczenie biologiczne. Przykładem tego są sytuacje, kiedy różne genotypy mają rozmaite wartości przystosowawcze. Pouczająca w tym względzie jest sprawa niedokrwistości sierpowatokrwinkowej i malarii tropikał#ej. Jak wiadomo, homozygoty genu niedokrwistości sierpowatokrwinkowej HbS/HbS mają ciężką niedokrwistość he
182 ł a b e 1 a 40. Częstość mutacji u cziowieka '
Cecha Liczba mgtantów na lO amet
Cechy dominujące autosomalne Achondroplazja 6-13 Aniridia Dystrofia miotoniczna 8-11 Siatkówezak zarodkowy 6-12 Akrocefalosyndaktylia Stwardnienie guzow ate 5-15 Neurofibromatoza 44-1Ofl łorbielowatośE nerek 65-- 120 Cechy reeesy#rne autosomalne Mikrocefalia 25- 49 Rybia łuska wrodzona 11 Cereidolipofuscynoza - postać mlodzieńeza 5lepota na barwy całkowita ienylohe!on##ria 25 Cechy sprzężone z e!tro#=iosotnem X Hemofilia A 32- 57 Hemofilia B 2- 3 Dystrofia.rnie#niowa Duchenne'ti 46-105 Zespół Bloeha i Sulzbergera 6- 20
Mutacje chrorz:osomowe zdarzają się znacznie częściej niż mutacje genowe. Przykładem może być trisomia 21 występująca z częstością 1 na 700 urodzeń, w ok. 99##o przypadków powstaje ona de #ovo. Mutacje mogą zależeć od wielu czynników. Jak wisdomo, ryzyko mutacji chromosomowej, zwłaszeza pQwstającej w wyniku ńierozłączenia, rośnie wraz z wiekiem matki, ryzyko niektórych mutacji genowych rośnie z wiekiem ojca. łnnym czynnikiem tnogącym prowadzić do odc:hylenia od równowagi Hardy'ego i Weinberga jest migracja. Wpływy migracji mogą być rozmaite. Tak np., jeże?i migrują z populacji osoby cechujące się naj?epszym zdrowiem, to w pop#:lacji, w której występuje częsta choroba genetyczna, ##vłaszeza dominująca, może dojść do wzrastu ezęstoś" tego genu. Z drugiej strony procesy migracyjne prowadz.# do rozpa#u grup izolowanych i do zmniejszenia wplywu spokrewnienia na częstość występowania cechy, a także do zmniejszenia odchylającego dzialania dryfu na częstość genóvr. Kolejnym czynnikiem wpływającym na odehylenie od równowagi genetycznej jest selekeja. Działa ona wtedy, kiedy różne genotypy mają rozmaite przystosowanie biologiczne mierzone liczbą posiadanego potomstwa. #'Vspółczynnik selekeji jest dopełnieniem do jedności współezynnika przystosowania biologicznego (s = 1 - f). Proces selekeji działa odmiennie w zależności od tego, #y chodzi o cechy dominujące, czy recesywne; selekeja działa znacznie wolniej na częstość genów cech recesywnych (ryc. 89). Należy zaznaczyć, że selekeja m#że działać w każdej fazie cyklu życiowego organiżmu. Może zatem od#ziaływać na twoz~zenie gamet, na ich przeżycie. na tworzenie się zygoty, rozwój płodu, przeży"e noworodków, rozwój w okresie postnatalnym i ##łreszcie na okoliczności związane z prokreacją. Okoliczności zewnętrzne mogą wpływać na działanie selekeji w różnych stadiach jej rozwoju. Tals np. przed wprowadzeniem insuliny osoby chore na cukrzycę młodzieńezą podlegały ostrej selekeji. Odporność na choroby zakaźne była
184 Ryc. 89. Wpływ selekeji na czgstość cechy dominującej (linia \ ciągła) i recesywnej (linia przerywana). Wspbłezynnik selekeji wynosi 100%. Cecha dominująca ó 0,8 ## zostaje wyeliminowana po pierwszym pokoleniu, częstośE cechy recesywnej zmniejsza się powołi. # 0;6 \\ -u \
0,4
0,2
0 1 2 3 4 5 6 1 8 9 t0 Pokolenia
ważnym czynnikiem selekcyjnym, zwłaszeza przed wprowadżeniem antybiotyków. Powyżej była mowa o przypadkach, w których homozygoty i heterozygoty mają różnokierunkowe wartości przystosowaweze. W sytuacji, w której homozygota jest dotknięta ciężką chorobą, a heterozygota ma z różnyeh przyczyn podwyższony wskaźnik przystosowania biologicznego, selekeja może dżialać w kierunku utrzymania częstości genów w populacji, mimo że cecha wywołana przez ten gen jest szkodliwa. Mogą się zdarzać i odmienne sytuacje, takie np., w których selekeja działa nie przeciw homozygotom, ale przeciw heterozygotom. Przyk#adem tego jest grupa krwi Rh. Heterozygoty obciążone są ryzykiem konfliktu serologicznego. W tej sytuacji ciśnienie selekcyjne dąży do zmniejszenia częstości heterozygot w populacji. W populacjach niewielkich występują fluktuacje losowe w częstości poszezególnych genów. Zjawisko to nosi nazwę dryfu genetycznego. Może ono prowadzić do istotnych odehyleń od pierwotnej częstości genów. Przykładem działania dryfu jest niezwykle duża częstość achromatopsji (autosomalnej recesywnej zupełnej ślepoty na barwy) na wyspie Pingelap na Oceanie Spokojnym. W końcu XVIII wieku na wyspie tej w wyniku huraganu wyginęła prawie cała ludność; pozostało ok. 30 mieszkańców. Przypuszeza się, że ówezesny wódz ludności wyspy był heterozygotą pod względem achromatopsji. Miał on kilka żon i wiele dzieci. Jeśli przyjąć tę hipotezę, wskutek dryfu częstość genu wzrosła z pierwotnej wartości 1,4o/o do 23o#o w połowie XX wieku. Istotną rolę w procesach dryfu odgrywa zjawisko zwane efektem założyciela, ponieważ wystąpienie genu u jednego z członków populacji wyjściowej może losowo doprowadzić do znaeznej częstości genu w następnych pokoleniach. Przypuszeza się, że ze zjawiskiem dryfu wiąże się duża częstość niektórych genów w populacjach izolowanych, nie zawsze geograficznie, ale niekiedy kulturowo. Tak np. częstość choroby Taya i Sachsa i niektórych innych lipidoz jest wielokrotnie większa u Żydów aszkenazyjskich, którzy mieszkali w Europie Środkowej i Wsehodniej niż u reszty ludności tych krajd# czy Żydów innego pochodzenia. Przypuszeza się, że ta niezwykle duża częstość genu (i choroby) wywo#ana jest fluktuacją przypadkową, ehoć nie można wyklu
185 czyć, że heterozygoty tych ciężkich chorób miały jakieś przewagi biologiczne, mogły być np. bardziej odporne na gruźlicę, częstą w skupiskach gett. W mia- rę rozpadu grup izolowanych i wzrostu liczebności populacji zjawiska dryfu za- nikają.
SPOKHEWNIENIE W POPULACJI
Jednym z czynników zaburzających równowagę Hardy'ego i Weinberga jest spokrewnienie w populacji. Wzrost częstości małżeństw między krewnymi nie wpływa sam przez się na częstość genów, wpływa jednakże na częstość genotypów, zwiększa mianowicie częstość homozygot w populacji. Miarą spokrewnienia jest współczynnik wsobności. Jest to prawdopodobieństwo, że w da
#_ 1 _ F 66 F 2Ś6 4
Ryc. 90. Rodowody przedstawiające niektóre przykłady związków krewniaczych. Wartość F odnosi się do potomstwa ze związku zaznaczonego linią podwójną; A - kuzynowie z pierwszej linii, B - kuzynowie z drugiej linii, C - kuzynowie z trzeciej linii, D - podwójni kuzynowie z pierwszej linii, E - brat i siostra.
nym miejscu genowym wystąpi homozygotyczność wywołana tym, że oba geny pochodzą od wspólnego przodka. Współczynnik wsobności oznacza się na ogół przez F. Współczynnik wsobności u dziecka zrodzonego ze związku między 1 wujkiem a siostrzenicą wynosi -, u dziecka kuzynów z pierwszej linii
1 1 -, u dziecka kuzynów z drugiej linii - (ryc. 90). 16 64 W warunkach częstego występowania małżeństw spokrewnionych przeciętne F w populacji będzie większe od zera. Częstość genotypów AA wynosi wtedy pz --# Fpq, częstość genotypów aa: q2 -f- Fpq, częstość heterozygot natomiast: 2pq - 2 Fpq. W niektórych populacjach częstość małżeństw spokrewnionych, a zwłaszcza z kuzynami pierwszej linii, była dość duża. Rzutowało to również na częstość
186 występowania chorób recesywnych. W miarę przemian kulturowych i spadku przeciętnego współeżynnika spokrewnienia zmniejsza się również częstość chorób recesywnych. Największy stopień spokrewnienia występuje u człowieka w przypadkach kazirodztwa. U dzieci zrodzonych ze związków kazirodezych jest wyraźnie zwiększona częstość chorób recesywnych, a jak sądzą niektórzy, również i niektórych zaburzeń uwarunkowanych wieloczynnikowo.
GENEłYKA POPULACYJNA I EWOLUCJA
Zasadniczą rolę w procesie ewolucji odgrywa współdziałanie między mutacjami a selekeją. Dokładniejsze wejrzenie w proces ewolucji stało się możliwe dzięki rozwojowi metod biologii molekularnej. Zastosowanie ich pozwoliło na analizę rozwoju ewolucyjnego różnych białek o istotnym znaczeniu biologicznym. Szezególnie ważne badania dotyczyły takich białek, jak cytochrom C i hemoglobina. Rycina 91 przedstawia ewolucję cytoehromu C i wskazuje liczbę substytucji aminokwasowych w rozwoju od grzybów do cżłowieka. Jednym z mechanizmów mających znaczenie w ewolucji są duplikacje występujące w poszezególnych genach. Duplikacje te sprzyjają powstawaniu niesymetrycznych przekrzyżowań (crossing over). Badania nad niektórymi białkami wykazują, że odgrywają one rolę również u człowieka. Przykładem tego jeśt haptoglobina człowieka. Rycina 92 pokazuje rolę tych procesów w powstawaniu różnych wariantów haptoglobiny. Badania nad ewolueją molekularną doprow"dziły do pewnych nowych koncepeji dotyczących mechanizmów e#volucji. Według tradycyjnych poglądów ewolucjonistycznych ogromna więkśzość mutacji jest szkodliwa i jest szybko eliminowana działaniem selekeji. Rz"dko zdarza się mutacja korzystna dla gatunku, która może być lub.może nie być podtrzymywana przez selekeję. Badania nad substytucjami aminokwasówymi zrodziły przypuszezenia, że w ewolucji molekularnej odgrywają również rolę mutacje neutralne, mutacje, których wartość przystosowaweza jest bliska zeru. Utrwalenie t"kich nowych mutacji jest wynikiem dryfu genetycznego. W świetle tych koncepeji procesy losowe odgrywałyby znacznie większą rolę, niż dotąd przypuszezano. Spór pomżędzy selekejonistami a neutralistami nie jest dotąd rozstrzygnięty, wydaje się, że w ewolucji mogą mieć znaczenie oba wspomniane mechanizmy. W dyskusjach nad rozwojem współezesnej cywilizacji nierzadko spotyka się stwierdzenia, że postęp medycyny doprowadzi do eliminacji doboru naturalnego. Twierdzenia te nie są całkowicie uzasadnione. Po pierwsze, selekeja działa w różnych fazach życia organizmu i selekeja realizująca się w okresie prenatalnym niewiele zmienia się pod wpływem postępów medycyny. Istnieją dowody na to, że selekeja w stosunku do niektórych cech uległa osłabieniu. Dotyczy to np. cukrzycy, krótkowzroczności itd. Należy pamiętać jednak o tym, że rozwój medycyny, opróez rozluźnienia niektórych rodzajów selekeji, może prowadzić do zaostrzenia selekeji wywieranej na niektóre geny szkodliwe. Przykładem tego jest omawiany powyżej polimorfizm zrównoważony dotyczący niedokrwistości sierpowatokrwinkowej i malarii tropikalnej. Postęp medycyny, eliminacja pełzaka malarii prowadzi do zmniejszenia częstości genu hemoglobinopatii S. Tak więc wpływ rozwoju medycyny na rozmaite częstości genowe nie jest bynajmniej jednokierunkowy. Postęp medycyny może mieć zarówno wpływ dysgeniczny, jak i eugeniczny.
187 40 ,2 #
35
# # -1l
Y # O L
#c 30 # 20 13 g 4
# 75 11 1S #O
15 515 9 8 6 11
1 4 1
N r # d
- O
# # # U # # o L o E tl Ó L Y aob # b # d c " # #" ć.ó #,ó c # d #.n #< # ś Q, ó,c a n # 'a c u u # # c `# - c # # r# # u d Q' c a, # -c #' # # b 0 # a# > d # o # o > C ##~łN-N-NVYY 0.Y#Y.#UlOYŻ U ł #.Rezkrę- Grzyb# # # #vce Strunowce
Hyc.: 91. Ewolucja cytochromu C. Na ltażdym odcinku zaznaczono lfczbę podsta#vień aminokwasowych, które zaszły w czasie odpowiednich zmian ewolucyjnych (modyfikaeja wg Margoliasha).
Należy zwrócić również uwagę na to, że ńiektóre procesy #ysgeniczne związane z postępem medycyny są niezwykle powolne. Można założyć np., że stosowane obecnie postępowanie zapobiegawcze dotyczące fenyloketonurii likwiduje zmniejszenie przystosowania biologicżnego, występujące w tej chorobie. Dotąd na ogół ludzie chorzy na fenyloketonurię najczęściej nie mieli po188 HplF HplF
HP2 Mutacja
HplS HplS a b
Ryc. 92. Duplikacja genów haptoglobiny w procesie ewolucji: a - allele haptoglobiny HPlF i HPls; b - nierówne crossing-over między HplF i fioss p# jako sposób powstania H (wg Smithiesa).
tomstwa. Jeżeli teraz liczba potomstwa osób z fenyloketonurią będzie taka sama jak w populacji kontrolnej, to można orzec, że przestaje działać selekcja prze"vr fenyloketonurii, nie zostają natomiast wyeliminowane mutacje w kierunku tego zaburzenia. Tak więc zostaje zaburzona równowaga między mutacją a selekcją, częstość zespołu będzie rosła z pokolenia na pokolenie. Gzęstość genu fenyloketonur wynosi obecnie ok. 1 na 100. Można obliczyć,
że do podwojenia tej częstości, to znaczy osiągnięcia q =-, niezbędne będzie 1 50
100 pokaleń, tzn. 3000 lat. Widać zatem, jak powoine są tutaj procesy dysgeniczne. Można twierdzić, że wzgląd na nie nie powinien wpływać na formułowanie zadań polityki służby zdrowia w tej dziedzinie.
PODSUMOWANIE
Genetyka populacyjna zajmuje się zachowaniem się genów w populacjach. Podstawowym pojęciem jej jest częstość genu, podstawowym prawem zasada Hardy'ego i Weinberga. Zasada ta ustala stosunki między częstościami genów a częstościami genotypów w populacji krzyżującej się w sposób losowy. W populacji takiej częstość poszczególnych genotypów jest prostą funkcją częstości genów (nAa : n,na : lZaa = p= : 2pq : q=). W populacji znajdującej się w równowadze częstość genu nie ulega zmianie z pokolenia na pokolenie. Zasada Hardy'ego i Weinberga pozwala na ocenę ezęstości genu na podstawie oceny częstości genotypu recesywnego. Głównym źródłem homozygot w populacji są heterozygoty. Podstawowymi czynnikami odpowiedzialnymi za odchylenia od równowagi genetycznej są: mutacja, migracja, selekcja, spokrewnienie. Różnice w przystosowaniu biologicznym różnych genotypów mogą tłumaczyć występowanie w populacji polimorfizmów, m.in. polimorfizmu zrównoważonego. Postęp cywilizacji może wpływać zarówno na osłabienie, jak i na zaostrzenie selekcji naturalnej. XII. Immunogenet#ka
A#na Czlon,ko#wska
Odpowiedź immunologiczna powstająca w wyniku kontaktu organizmu z antygenem może przejawiać się jako reakcja humoralna lub komórkowa. Limfocyty i makrofagi biorą udział w procesach odpornościowych. Odpowiedź immunologiczna humoralna związana jest z wytwar'Laniem przeciwciał, których obecność można wykazać w surowicy krwi i płynach ustrojowych. Pod wpływem stymulacji antygenowej małe limfocyty B przekształcają się w plazmocyty, zdolne do syntezy i wydzielania przeciwciał. Reakcje immunologiczne typu komórkowego związane są z pojawieniem się uczulonych limfocytów T. Wytwarzają one mediatory reakcji immunologicznych (limfokiny) lub biorą bezpośredni udział w reakcjach cytotoksycznych. Ten typ odpowiedzi immunologicznej związany jest z powstaniem nadwrażliwości typu późnego, a więc reakcji, takich jak np. nadwrażliwość kontaktowa, odrzucanie przeszczepu, reakcja tuberkulinowa. Funkcjonowanie układu immunologicznego determinowane jest przez odrębne grupy genów: 1. Geny kodujące wolne immunoglobuliny oraz receptory immunoglobulinowe limfocytów B. 2. Geny wchodzące w skład głównego układu zgodności tkankowej. Warunkują one rozpoznawanie komórek układu immunologicznego między sobą i ich różnicowanie. 3. Geny kodujące receptor dla antygenów na limfocytach T.
GENEłYCZNA KONłROLA SYNłEZY IMMUNOGLOBULIN
BUDOWA IMMUNOGLOULIN
Podstawową jednostką immunoglobuliny jest tetramer składający się z dwóch łańcuchów ciężkich (heavy chain - H), tej samej klasy, oraz dwóch identycznych łańcuchów lekkich (light chain - L) tego samego typu. Powiązane są one ze sobą za pomocą wiązań dwusiarczkowych (ryc. 93). Masa cząsteczkowa łańcucha ciężkiego wynosi 55 000 - 72 000 w zależności od klasy, a w jego skład wchodzi ok. 440 aminokwasów. Istnieje 5 klas łańcuchów ciężkich: gamma, alfa, mi, delta, epsilon. Masa cząsteczkowa łańcucha lekkiego wynosi 23 000, składa się on z 211 - 221 aminokwasów. Istnieją dwa typy łańcuchów lekkich: kappa i lambda. Klasa immunoglobuliny określana jest przez rodzaj łańcucha ciężkiego. U człowieka immunoglobulina klasy IgG ma łańcuch gamma, klasy IgM
190 tahcuch lekki CzęśE hiperzmierma
VL
CL Łań ciężl" cięż q5 s S CH# --5-s-- Część hiperzmierma -s-s - Czgść zowia5own Czgś E wiqżqea dopetniacz C 2 Mos&i H #, Wg9ta#adon dwusiarczkowe
CH3
Ryc. 93. Schemat budowy cząsteczkI immunoglobuliny klasy G (wg Benacerrafa i Unanue 19?9).
łańcuch mi, klasy IgA - alfa, klasy IgD - delta, klasy IgE - epsilon. Cząsteczka immunoglobuliny każdej klasy zawiera parę identycznych łańcuchów ciężkich oraz parę identycznych łańcuchów lekkich. Charakterystyka i rola poszczególnych klas immunoglobulin podane są w tab. 41.
ł a b e 1 a 41. Charakterystyka Immunoglobulin człowieka
Klasa Stężenie w Masa Okres pół- Łańcu- Lańcu- Charakterysurowicy cząsteczkowa trwania chy lek- chy cięż- styczne m /100 ml) (dni) kie kie właściwości l g
IgG 900-1800 160 000 18-23 K i L gamma Precypityny Antytoksyny Wiązanie do- pełniacza Późne prze- ciwciała 5-6,5 K i L alfa Ochrona po- IgA 156--294 170 000 wierzchni i polimery K i L mi Aglutyniny IgM 67-145 960 000 5 Opsoniny Lizyny Wiązanie dopełniacza Wczesne przeciwciała
IgD 0,3-40 184 000 2,8 K i L delta Nieznane IgE 10-130 188 105 2,3 K i L epsilon Reaginy
Według Roitta, 1978.
Każdy łańcuch zarówno "ężki, jak i lekki składa się z części zmiennej V (variable), stanowiącej część N-terminalną łańcucha, oraz z części stałej C (constant), stanowiącej część C-terminalną łańcucha. Część zmienna zawiera od 100 do 120 reszt aminokwasowych łańeucha. Decyduje ona o swoistości przeciweiała i w jej obrębie znajduje się miejsce wiązania antygenu. W części zmiennej istnieje część hiperzmienna, w której zmiennośE sekwencji aminokwasów jest szczególnie duża. Pozostałą część oticinka zmiennego można zaszeregować w poszczególne podklasy, i tak: łańcuch kappa ma 4 podklasy, a łańcuch lambda - 5 podklas. Każdy łańcuch dzieli się na regiony (domeny) zawierające po ok. 110 aminokwasów. Około 60 aminokwasów każdego
191 regionu tworzy pętle, połączone mostkami dwusiarczkowymi. Łańcuchy lekkie mają dwie takie pętle, łańcuchy ciężkie gamma i alfa - cztery, a mi, epsilon i delta - pięć. Każdy region warunkuje jedną z funkcji biologicznych przeciwciała. Regiony w obrębie VL (część zmienna łańcucha lekkiego) i Vc (część zmienna łańcucha ciężkiego) tworzą miejsca wiązania deterxninant antygenowych. Regiony CHs i CL mają prawdopodobnie działanie stabilizujące, regiony CH# i CHs odpowiedzialne są za wiązanie dopełniacza i zdolność przyłączania do receptorów komórki. Cząsteczka immunoglobuliny jest rozbijana przez enzymy proteolityczne na fragmenty o różnych właściwaściach biologicznych. Pod wpływem papainy cząsteczka ulega rozbiciu na 3 fragmenty. Dwa z nich nazywają się wiążącymi antygen, czyli Fab (fragment antigen binding), mają one masę cząsteczkową 45000. Trzecim jest fragment Fc, ulegający krystalizacji (fragment crystalizable) o masie cząsteczkowej 55 000. Immunoglobuliny klasy IgG, IgD i IgE są cząsteczkami monomerycznymi. Cząsteczka IgM jest pentamerem. Struktura polimeryczna IgM tworzy się przez wiązania dwusiarczkowe i polipeptyd łączący J. IgA występuje w dwóch zasadniczych formach molekularnych. W surowicy krwi występuje w formie monomerycznej, natomiast w płynach sekrecyjnych w formie dimeru. Dwie cząstki IgA są wiązane przez polipeptyd łączący J i tzw. cząstkę sekrecyjną, charakterystyczną dla IgA.
DEłERMINANłY ANłYGENOWE IMMUNOGLOBULIN
Cząsteczka immunoglobuliny jest białkiem, w związku z tym ma ona wiele determinant antygenowych. W zależności od ich charakteru wyróżnia się determinanty izotypowe, allotypowe i idioty#owe (tab. 42). Izotypia. Wszystkie łańcuchy ciężkie oraz łańcuchy lekkie zawierają wspólne determinanty antygenowe obecne u wszystkich osobników danego gatunku. Określane są one mianem determinat izotypowych. Surowica królicza skier4- wana przeciwko determinancie izotypowej łańcucha ciężkiego będzie swoiście rozpoznawała cząsteczki IgG obecne u wszystkich ludzi. Allotypia. Determinanty antygenowe w obrębie łańcuchów ciężkich lub lekkich, które znajdują się tylko u części populacji danego g#atunku, nazywa się allotypowymi. Na przykład łańcuch kappa z leucyną w pozycji 191 ma determinantę allotypową InV2, a łańcuch ten z waliną w tej samej pozycji - determinantę InV3. U człowieka zostało zidentyfikowanych w obrębie łańcucha gamma ok. 20 allotypowych determinant. Określane są one mianem znaczników (markerów) Gm i są obecne głównie we fragmencie Fc. Znaczniki Gm obecne są tylko w cząsteczce immunoglobuliny klasy IgG. W przeciwieństwie do tego czynnik Km (określany dawniej jako InV) obecny jest w łańcuchu lekkim kappa każdej z klas immunoglobulin. Allotyp Am stwierdzony jest tylko w obrębie subklasy IgA2. Znaczniki allotypowe zostały również stwierdzone u królikó## i myszy. Podlegają one kontroli genetycznej przez allele kodominujące. Idiotypia. Idiotypowe determinanty antygenowe powstają w wyniku szczególnej konfiguracji aminokwasów tworzących miejsca wiązania antygenów i zlokalizowane są w części hiperzmiennej. Determinanty idiotypowe stwierdza się również na powierzchni limfocytów B i T - jako część receptora dla antygenu, jak również na produktach wydzielanych przez te komórki.
192 ł a b e 1 a 42. ZmicnnośE e#- obrębic immunoglobutin
VH/VL CHICL
_I I Idiotyp Izotyp Izotyp I I Hiperzmien- Allotyp nośE #wiązanie antygenu)
łyp m en- ftozpowszechnienie Odmiana Lokalizacja Przykłady
Izotypia Wszystkie odmiany Klasy Cx IgM,IgE obecne w surowicy Subklasy Cx IgAl,IgA2 u normalnych Typy CL osobników. Podtypy CL Podgrupy Vx/VL Allotypia Alternatywne ior- Allotypy głównie Gm grupy (czło-my: genetycznie Cx/CL wiek) b4,b5,b6, uwarunkowane, czasami b9(królicze łań-nieobecne u wszy- VH/VL cuchy lekkie) stkich osobników. Idiotypia Specyficzne dla Idiotypy obszar Prawdopodobnie każdej cząsteczki zmienny jeden lub więcej immunoglobuliny. hiperzmiennych obszarbw tworzą- cych miejsce wią- zania antygenu
Według Roitta, 1978.
Wykry"e swoistości idiotypowej i reakcji kizyżowych, w których biorą udział idiotypy, dało Jernemu podstawę do zaproponowania teorii sieciowej regulacji odpowiedzi immunologicznej, a następnie modyfikacji tej teorii przez innych badaczy.
GENY ODPOWIEDZIALNE ZA SYNłEZĘ PRZ#CIWCIA#
W organizmie ludzkim, podobnie jak zwierzęcym, mogą być syntetyzowane przeciwciała przeciwko nieżliezonej liczbie antygenów. Każde przeciwciało ma odrębną swoistość, a więc budowę. Z wszystkich teorii tłumaczącyeh, w jaki sposób dochodzi do tak dużej zmienności w obrębie przeciwciała, najpopularniejsze były, ale obecnie mają już tylko znaczenie historyczne, teorie instruktażowa i selekcji klonalnej. Według teorii instruktażowej podstawowe znaczenie w ukształtowaniu cząsteczki immunoglobuliny miał mieć antygen, który spełniałby rolę matrycy. Cząsteczka immunoglobuliny po zetknięciu się z antygenem przybierałaby określony kształt. Teoria ta upadła wtedy, gdy okazało się, że specyficzność prze"wciała nie zależy od konfiguracji białka, ale od sekwencji aminokwasów.
13 - Zarys genety# 193 01 #012# rł 1 # H 4 _ # #NA' :in# '3 L V1L V2 L V3 J 1 2 zarodkowej ge#y CH
L V1 L V202 3 4 #`#A limfocyta B funkcjonalny gen VD J
Ryc. 94. W skład egzonu (VDJ genu) zlokalizowanego w loci łańcucha ciężkiego wchodzą trzy segmenty które koduje region VH. Gen VDJ składa się z jednego spcśród kilkuset genów V, jednego spośród dwunastu segmentów D i jednego z czterech segmentów J. Przykład ilustruje jedną spośród wielu tysięcy możliwych ;rekombinacji (wg Roitta i wsp. 1985).
Według teorii selekcji klonalnej organizm miał wytwarzać wszystkie prze#ciwciała, niezależnie od tego, czy uprzednio był kontakt z danym antygenem, :czy nie. Przeciwciała te miały występować w minimalnych ilościach i dopiero po kontakcie z antygenem następowałoby powstanie kompleksu, który stymulowałby syntezę specyficznego przeciweiała. Teorię tę rozwinął później Burnet, który uważał, że synteza specyficznego przeciwciała odbywa się na poziomie komórkowym. Obecnie przyjmuje się, że olbrzymia zmienność w zakreśie cząsteczki immunoglobulin uwarunkowana jest polimorficznym układem genów kodują#cych łańcuehy ciężkie i lekkie. Strukturalne geny immunoglobulin umiejscowione są w trzech nie powiązanych ze sobą autosomalnych locż (zwane również translokonami): dla łań-cucha lekkiego lambda, dla łańcucha lekkiego kappa i dla łańcucha ciężkiego #(u człowieka leżące odpowiednio na chromosomie 22 2 i 14). Loeż te określane
-są jako złożone, ponieważ zawierają liczne geny kodujące fragmenty DNA #(egzony) poprzedzielane nie kodującymi sekwencjami DNA (introny).
Część zmienna łańcucha lekkiego kodowana jest przez dwa geny: V i J (joining - łączący), a łańcucha ciężkiego przez trzy geny: V, D (diversity - różnorodny) i J. Do każdego z genu V przylega gen L (leader) kodujący odcinek niezbędny w czasie transportu przeciwciała przez błonę.
Część stałą łańcuchów lekkich koduje gen C kappa albo C lambda, a łańcu,chów ciężkich geny C dla poszczególnych typów immunoglobulin. W procesie modyfikacji potranskrypcyjnej dochodzi do uformowania się fragmentu RNA kodującego jeden łańcuch ciężki, zbudowany z fragmentów #VDJC, lub lekki, zbudowany z fragmentów VJC. Tak więc jeden łańcuch ciężki kodowany jest przez jeden spośród kilkuset genów V, jeden spośród `kilkdziesięciu genów D, jeden spośród kilku genów J i gen C (ryc. 94). Zmiana w powiązaniu między genami kodującymi część zmienną a genami #kodującymi część stałą prowadżi do syntezy przeciwciał o tej samej specyficzności, ale należących do odmiennych klas i podklas. Zjawisko to, zwane przełączaniem klas immunoglobulin, polega na zmianie wytwarzanej przez dany klon komórkowy immunoglobuliny, np. IgM na IgG, bez zmiany syntetyzowanej części zmiennej łańcucha ciężkiego. Niedojrzałe limfocyty B wykazujące ekspresję IgM pod wpływem bodźca antygenowego mogą różnicować śi# do komórek plazmatycznych. wytwarza#ących i wydzielających przeciwciała w dużych ilościach. Liczne badania wyka2ały, że limfocyty B w trakcie różnicowania przełączają, czyli zmien?ają eks
i94 presję częś" stałej łańcucha ciężkieg# bez zmiany części zmiennej. Proces przełączania nie obejmuje łańcucha lekkiego, którego ekspresja pozostaje niezmieniona. Ze względu na niewystępowanie zmian w częściach zmiennych cząsteczki immunoglobuliny swoistość antygenowa przeciwciała podczas przełączania klas zostaje utrzymana. Zjawisko przełączania klas może zależeć od delecji odcinków DNA zawierających geny #la części stałych łańcuchów ciężkich, co w rezultacie prowadzi do ekspresji kolejnych genów CH. Wyłączanie alleliczne w zakresie allotypii. Znaczniki allotypowe obecne w obrębie cząsteczki immunoglobizlin są determinowane przez allele kodominujące. Dziedziczenie allotypii podlega prawom Mendla. Ekspresja allotypii na poziomie komórki podlega zjawisku określanemu mianem wyłączenia allelicznego (allelić exclusion). Homozygota ma pewną determinantę allotypową w obrębie wszystkich cząsteczek immunoglobuliny, np. klasy IgG, natomiast u heterozygoty ten marker będzie występował tylko na ok. połowie cząsteczek krążących IgG. Komórki plazmatyczne zdolne są bowiem do syntezy tylko jednego łańcucha z jednym znacznikiem allotypowym, mimo że komórka ma dwa geny kodujące dwa różne znaczniki allotypowe. Jeden z genów pozostaje nieaktywny. Zjawisko wyłączania allelicznego w przypadku immunoglobulin jest jedynym przykładem tego fenomenu zachodzącym w zakresie chromosomów auto= somalnych. Zjawisko to było uprzednio znane jedynie w przypadku cech ko= dowanych genami w chromosomach płciowych. W komórkach somatycznych potomstwa żeńskiego jeden z chromosomów X ulega inaktywacji we wczesnym okresie rozwoju embrionalnego. Ten nieaktywny chromosom może pochodzić zarówno od matki, jak i ojca. Wydaje się, że zjawisko wyłączania allelicznego też następuje przypadkowa i utrzymuje się w całym potomstwie danej komórki. Nie wiadomo, czy wyga= szanie aktywności poszczególnych genów następuje na poziomie chromosomalnym, czy też na poziomie selekcji allotypu. Komórki syntetyzujące przeciw= ciała u osób heterozygotycznych są więc mozaiką fenotypową. Różnorodność w zakresie części zmiennej łańcucha immunoglobuliny. Według teorii selekcji klonalnej komórka jest pobudzona do syntezy przeciwciał przez określony antygen. Jednakże problem, w jaki sposób zakodowana jest informacja pozwalająca na syntezę takiej nieograniczonej liczby przeciwciał, nie jest wyjaśniony. Za spećyficzność przeciwciała odpowiedzialna jest część zmienna łańcuchów. a zwłaszcza część hiperzmienna. Wysunięto wiele teorii tłumaczących powstanie niezliczonej liczby miejsc wiążących antygen. Teoria lin zarodkowej (wielogenowa) zakłada, że w czasie rozwoju filogenetycznego następowała kolejna duplikacja genów, która doprowadziła stopniowo do wykształcenia przeciwciał o takiej budowie, jaką obserwuje się u człowieka. Jednakże bardzo często nie udaje się wykazać dziedzicznego przekazywania genów części zmiennej. W ostatnich latach wykazano, że mutacje somatyczne powstałych po rearanżacji genów immunoglobulinowych mają ważne znaczenie w dodatkowym zwiększaniu różnorodności przeeiwciał. Mutacje somatyczne obejmują mutacje punktowe, konwersje genu lub powstanie nowego genu VH lub VL. Mutacje somatyczne są charakterystyczne głównie dla wtórnej odpowiedzi immuno= logicznej. Inną możliwością jest rekombinacja somatyczna. W części genomu zachodzi intensywna wymiana i przetasowanie odcinków genów przez rekombinacjęDNA. Obecnie uważa się, że wszystkie te trzy wyżej wymienione mechanizmy biorą udział w procesie prowadzącym do różnorodności przeciwciał.
195 .#NłYGENY GI#UPOWE
Pierwsze #rupowe antygeny tkankowe zostały opisane przez Landsteinera na początku obecnego stulecia. Badania na układami grupowymi krwinek czerwonych stały śię podstawą do poznania wielu tkankowych antygenów grupowych znajdujących się nie tylko na krwinkarh czerwonych, ale i na powierzchni innych koxnórek. Wszystkie one podlegają kontroli genetycznej i zdolne są do wywoływania reakcji immunologicznych.
'ł a b e 1 a 43. Układy grupowe krwi u człowieka
Rok odkrycia # Układ # Najczęstsze antygeny lub grupy
##Człowiek ma wiele ńiezależnych od siebie układów grupowych krwinek czerwonych. Każdy z tyeh układów zawiera swoiste antygeny uwarunkowane .albo allelami zajmującymi jedno miejsce genowe albo całymi zestawami genów zajmujących blisko siebie leżące locż. Z wszystkich układów grupowych krwi największe znaczenie z punktu wi;dzenia klinicznego mają układ ABO i Rh. Odgrywają one ważna rolę w transfuzjologii i są najczęstszą przyczyną zespołów hemolitycznych. Układ AB0. Wyróżnia się on spośród innych układów grupowych tym, że przeciwciała przeciw antygenom tego układu stanowią stały składnik surowicy krwi (izoprzeciwciała). Na podstawie obecności na błonie krwinek dwóch antygenów (A i B) oraz po stwierdzeniu w surowicy przeciwciał skierowanych do tych antygenów zostały wydzielone cztery grupy układu AB0. Układ ABO dziedziczy się według praw Mendla. Jest on warunkowany genami allelicznymi. Ten typ dziedżiczenia określany jest mianem allelizmu
ł a b e 1 a 44. Układ grupowy ABO
Genotyp Fenotyp Przeciwciała
00 0 anty-A, anty-B AA, AO A anty-B BB, BO B anty-A AB AB
-iss wielukrotnego. Geny A i B są daminujące w stosunku do genu 0 i kodominujące w genotypie AB. Prowadzi to do powstania 6 różnych genotypów. Częstość występowania poszezególnych grup krwi w różnych grupach rasowych jest różna. Bud#wa biochemiczna antygenów A i B jest dośe dobrze pomana. Antygeny te mogą być wyizolowane z krwinek czerwonych i znajdują się w dwóch frakejach: rozpuszezalnej w alkoholu i rozpuszezalnej w wodzie. We frakeji rozpuszezalnej w alkoholu są obecne glikosfingolipidy, a w rozpuszezalnej w wodzie gl:koproteiny zawierające dużą ilość cukrów. Mimo że cząsteczki zawarte w obu frakejach mają odmienną burlowę, charakteryzuje je bardzo zbliżona lub identyezna swoistość antygenowa i są uwarunkowane tymi samymi allelarni. Specyficzność antygenowa jest wynikiem obecności cukrów zajmujących najbardziej powierzehowne części makrocząsteczek. W ślinie zarówno osób grupy 0, jak i osób grupy A i B znajduje się substancja określana mianem H. Uważa się, że jest ona prekursorem substaneji A i B. Badania struktury glikoproteinowych determinant warunkujących specyficznośe cząsteczek A. B i H doprowadziły do stwierdzenia, że w loeus A B i H kodowane są specyficzne enzymy pozwalające na przyłączenie reszt cukrowych. W procesie syntezy substaneji grupowych przedostatnim etapem syntezy łańcucha węglowodanowego jest przyłączenie L-fukozy katalizowane przez a-2-I,-fukosyltransferazę. Enzym ten kodowany jest w locus H. O specyficzności H decyduje L-fukoza. Ostatni etap przyłączania reszty N-acetylogalaktozaminy lub reszty galaktozy katalizuje dwie specyficzności transferazy kodowane w locus AB. O specyficzności antygenu A decyduje N-acetylogalaktozamina, a o antygenie -galaktoza. W zależności od mocy antygenu A lub B wyróżnia się wiele odmian grupy A i B, np. A., A2, An. A,, Am, B#, Bm. Ciekawym zjawiskiem jest sporadycznie występujący fenotyp "Bombay". Allelem dla genu H jest rzadko występujący gen h. U osób homozygotycznych hh nie dochodzi do powstania substaneji prekursorowej H. W locus h nie jest kodowana a-#-fukozotransferaza lub też aktywność produktu tego genu jest bardzo mała. Nie dochodzi więc do przyłączenia L-fukozy i powstania substaneji H. Mimo że transferazy kodowane w miejscu genowym A lub B mają pelną aktywność, substaneje grupowe nie mogą być syntetyzowane. Krwinki czerwone tych osób nie reagują z surowicami wzoreowymi, w ślinie brak zarówno substaneji H, jak i A lub B. W surowicy natomiast, poza izoaglutyninami anty-A i anty-B, obecne są również aglutyniny anty-H zlepiające krwinki grupy 0. Osoby z fenotypem "Bombay" przekazują właściwy im gen grupowy następnemu pokoleniu, w którym ujawnia się prawidłowa grupa krwi (wobec rzadkoś" genu h iśtnieje duże prawdopodobieństwo, że partner osoby z fenotypem hh będzie miał gen H w podwójnej dawce). Substaneje grupowe układu ABO obecne są w minimalnych ilościach we wszystkich tkankach z wyjątkiem nerwowej. U ok. 80o/a ludzi rasy kaukaskiej w ślinie i innych płynach ustrojowych, z wyjątkiem płynu mózgowo-rdzeńiowego, znajduja się substaneje A, B i H. Nazywani są oni wydzielaczami. Wydzielanie uwarunkowane jest parą genów niezależną od układu AB0. Gen Se jest dominujący w stosunku do swojego allela se. Osoba mająca zestaw genów sese nie wydżiela żadnych substaneji grupowych. Geny A i B odpowiedzialne są za przekształcenia się substaneji H w substaneje grupowe A czy B. Dlatego też w ślinie osób grupy 0 znajduje się więcej substaneji H niż w ślinie osób A czy B. Układ fth. Antygenem o największym znaczeniu klinicznym jest antygen D. W rasie białej 85o/o populacji jest Rh (D) dodatnimi, pozostali nie mają tego antyganu i nazywani są Rh (D) ujemnymi. Osoby Rh ujemne nie mają prze
197 eiwciał anty-D, mogą je wytworzyć po immunizacji, np. w wyniku mylnego przetoczenia krwi lub ciąży (płód Rh dodatni). W układzie fth znajdują się trzy pary genów allomorficznych C i c, D i d, E i e sprzężonych ze sobą i zajmującyeh trzy miejsca w jednym chromosomie. Obecność ich określa 8 kombinacji genowych, a mianowicie: cde, CDe, cDE, Cde, cdE, cDe, CDE, CdE. Geny te determinują obecność antygenów, które wykrywa się za pomocą zestawu surowic odpornościowych. U osób rasy białej najczęściej występują zestawy genowe cde, cDe i eDE. Pozostałe kombinacje genowe występują tylko u niespełna 10#/o populacji. Zawartośe antygenu D na krwinkach czerwonych u poszczególnych ludzi jest różna. Istnieje pewna współzależność pomiędzy genotypem Rh a nasileniem antygenu D. Antygen D wyrażony mocniej niż przeciętnie spotyka się na krwinkach osób o genotypie cDe/cDE, antygen D o przeciętnej mocy występuje u ludzi o genotypie cDE/cde i CDe/cde. Podobnie jak w układzie AB0, istnieje wiele odmian antygenów D, C i E.
KŁAD ZGODNOŚCI TKANKOWEJ
Po raz pierwszy główny układ zgodności tkankowej (major histocompatibility complex - MHC) został zidentyfikowany na powierzchni leukocytów krwi obwodowej u człowieka. Stąd też układ ten u człowieka powszechnie nazywany jest HLA, od angielskich słów human leukocyte antigens (ludzkie antygeny leukocytarne). Badania nad tym układem rozpoczęto w początkach lat pięćdziesiątych, kiedy to stwierdzono u osób, które były poddawane wielokrotnym przetaczaniom krwi, obecność przeciwciał przeciwleukocytarnych. W tym czasie największe zainteresowanie układ ten budził wśród transplantologów. Stwierdzono, że czas utrzymania się przeszczepionego narządu jest znacznie dłuższy, jeżeli narząd ten pochodzi od rodzeństwa identycznego pod względem układu HLA, niż jeżeli pochodzi od przypadkowo dobranego dawcy. Wkrótce okazało się, że układ HLA ma znaczenie nie tylko dla transplantologii, ale również dla procesu immunoregulacji. Ta ważna rola locż układu zgodności tkankowej w procesie immunoregulacji została potem wielokrotnie potwierdzona zarówno na modelach zwierzęcych, jak i u ludzi. Wiele podstawowych badań dotyczących struktury i funkcji MHC było przeprowadzonych na wsobnych szczepach zwierząt. Układ ten u zwierząt, a zwłaszcza u myszy, jest pod wieloma względami podobny do układu u ludzi, tak że badania doświadczalne mogły stać się podstaw# do poznania tego systemu.
Genetyczne podstawy układu HLA
Geny kodujace układ HLA znajdują się na krotkim ramieniu chromosomu 6 i zajmują odcinek długości ok. 3 cM (centimorganów). Układ HLA (i jego odpowiedniki u zwierząt), idiotypowe determinanty immunoglobulin oraz geny kodujące łańcuch receptora dla antygenu komórek T stanowią najbardziej polimorficzne systemy genetyczne. Układ MHC jest podzielony na regiony A, B, C i D, które zawierają odmienne locż HLA-A, HLA-B, HLA-C, HLA-D. Antygeny A, B i C są to tzw. antygeny transplantacyjne, należące do klasy I antygenów MHC, a genetyczne produkty tych locż są dziedziczone jakc cechy autosomalne dominujące. Ciągle poznawane są nowe allele kodujące układ HLA. Obecnie w loc# HLA-A i HLA-B znajduje się 70 dobrze zdefiniowanych specyficznych alleli, a w locż HLA-C osiem. Oprócz tego istnieje wiele specyficznych antygenów
198 c:hrcmo5cm 6
ńomp,eks IJLA C4,#C2 B ':#5#' 1# ; ; (..,'t ##:, SB#< 58# DC<< DC#j C4F C4 #Ć = I 1 DR< DR, C 2 Bt I I < ii #00### b;atka /pcfipeptydy
Ryc. 95. Geny układu HLA u człowieka. Geny układu HLA zlokalizowane są na 6 chromosomie. W regionie B, C i A zakodowane są cząsteczki antygenów klasy I układu MHC, w regionie D zakodowane są łańcuchy L i B białek klasy II SB, DC i DR (mają odpowiednio specyficzności DP, DQ i DR). W obszarze pomiędzy D i B zakodowane są składniki C9 i Cz dopełniacza oraz czynnik Bf (wg Roitta i wsp. I585).
niezupełnie zdefiniowanych, przy których w klasyfikacji międzynarodowej dodaje się literę "w". W miarę doskonalenia metod identyfikacji okazuje się, że niektńre allele, uprzednio uważane za pojedyncze, zawierają 2, a ezasem więcej alleli. W regionie HLA-D wyodrębniono trzy główne, dobrze określone serie produktów które oznaczono symbolami HLA-DR, HLA-DQ (dawna seria MB) i HLA-DP (dawna seria SB). Określone są one jako antygeny zgodności tkankowej I1 klasy. Serie HLA-DR i HLA-DQ oznaczone są przeważnie za pomoeą metod serologicznych, natomiast produkty serii HLA-DP wykrywane są dotychczas jedynie za pomocą testu pobudzonych limfocytów (PLł). Niektórzy uważa#ą, że DR, DQ i DP są różnymi, ale bardzo blisko siebie leżącymi locż. Nie można jednak wykluczyć, że metodą serologiczną i w teście pobudzonych limfocytów wykrywa się jedynie inne determinanty tego samego produktu tego samego genu. W obrębie MHC mapują się również geny warunkujące hemochromatozę samoistną i niedobór 21-hydroksylazy (powodują#y wrodzflny przerost nadnerczy). W obrębie MHC znajdują się również locż, któr# k#ntrolują syntezę czynnika C2 i C4 dopetniacza, określane także jako układ MHC klasy III oraz czynnika B properydyny (Bf). Zaburzenia równowagi spowodowane s#rzężeniem (linkage disequilibrium). Zgodnie z prawem Hardy'ego i Weinberga, w dużej populacji, podlegającej kojarzeniu przypadkowemu. rozpowszechnienie poszczególnych genów determinujących daną cechę powinno z czasem stać się równomierne i nie ulegać zmianie. Ten stan równowagi nie ulega zachwianiu tak długo, jak dlugo nie zaistnieje jakiś proces dodatkowy, który prowadzi do selekcji. Prawdopodobieństwo wspólnego występowania genów znajdujących się w tym samym chromosomie może być teoretycznie wyliczone na podstawie znanej częstości występowania genów. I tak np. częstość genu Al jest 0,16, a B8 0,10. Haplotyp AlBB powinien znajdować się u 1,6a/o całej populacji (0,16 X 0,10). Jednakże w populacji rasv białej częstość haplotypu AlBB wynosi 7,8#o, to jest 4,5 razy częściej, niż wynikało z teoretycznych wyliczeń. Występowanie haplo
199 typów genowych znacznie częściej, niż wynikałoby to z tenretycznyeh wyliczeń, określa śię mianem odchylenia od równowagi na skutek sprzężenia. Oznacza się je jako 0, gdzie 0 = obserwowana częstość danego haplotypu minus teoretyczna częstość danego haplotypu. Odchylenie od równowagi na skutek sprzężenia jest bardzo częste w układzie HLA. Nie jest do tej pory jasne, dlaczego właśnie w układzie HLA zjawisko to występuje tak często. Niektórzy uważają, że jest to wynikiem migracji ludności. Do jednej populacji przybywa inna populacja, która zaburza stan równowagi. Inni uważają, że jest to wynikiem selekcji naturalnej. Niektóre układy genowe stwarzają pozytywne, irme negatywne cechy, które rzutują na przetrwanie.
Struktura biochemiczna układu HLA
Produkty genów układu HLA znajdują się na powierzchni niemal #vszystkich komórek (z wyjątkiem HLA-D). Struktura biochemiczna antygenów HLA-A, B i C jest zbliżona, natomiast HLA-D odmienna od pozostałych. Antygeny HLA-A, B i C są glikoproteinami.
Cigżki Heta - Z - ta5cuch mikrogl 000) l12.000l tańcuch alfa # Beta ( 33 000 d I I 28. 000 d 1
CHO CHO S
CHO Y ĆHO
Ryc. 86. Schemat przedstawiający strukturę cząsteczki antygenu a) HLA-A, B i C oraz b) Btona kombricbwa HLA-D (wg Rodeya a C#-# b isei).
Cząsteczki antygenów zgodności tkankowej I klasy zbudowane są z dwóch ł#ńcuchów polipeptydowych. Łańcuch ciężki przechodzi przez błonę komórkovrą. Jego zewnętrzna część zawiera trzy domeny (at, a7, a ) uformowane przez wiązania dwusiarczkowe. Lekki łańcuch B#- mikroglobuliny kodowany na chromosomie 15 jest niekowalencyjnie związany z łańcuchem ciężkim. Sekwencja aminokwasów w obrębie cząsteczek A, B i C jest w 80 - 85o/o identyczna. W domenach u# i az (leżących najbardziej zewnętrznie) homologia sekwencji aminokwasów wynosi poniżej 50o/o i jest to obszar, który decyduje o allogenicznym polimorfizmie. Cząsteczki klasy II MHC zawierają dwa niekowalencyjnie związane łańeuchy polipeptydowe a i . Każdy z nich ma dwie domeny uformowane przez wiązania dwusiarczkowe.
200 Funkcja układu IfLA
Funkcja układu HLA i jego produktów na powierzchni komórek jest przedmiotem bardzo intensywnych badań. Decydującym momentem w poznawaniu roli tego układu w procesie immunoregulacji było stwierdzenie, że do aktywacji komórek immunokompetentnych przez obcy antygen potrzebny jest nie tylko syg'nał pochodzący od tego antygenu, ale też sygnał pochodzący od własnego antygenu obecnego na powierzchni komórki prezentującej obcy antygen. Większość własnych antygenów jest właśnie zakodowana w układzie HLA. Rozpoznanie antygenu #bcego w stosunku do antygenów HLA-A, B " C prowadzi do aktywacji komórek cytotoksycznych i supresorowych. Cytotoksyczne komórki T gospodarza mogą zabijae własne komórki zakażone wirusem i komórki mające obce powierzchniowe antygeny (komórki przeszczepu). Aby komórki cytotoksyczne przejawiały swe działanie, konieczna jest obecność na komórce docelowej (zakażonej wirusem, przeszczepie) co najmniej jednego allelu należącego do układu HLA-A lub B wspólnego z gospodarzem. Geny i produkty determinujące układ HLA-D mają bardziej złożone zadanie w procesie immunoregulaeji. Antygeny powierzchniowe należące do tego układu są antygenami bardzo silnymi. Pośredniczą one w reakcjach pomiędzy komórkami T i B, pomiędzy makrofagami a komórkami T i - prawdopodobnie - pomiędzy makrofagami a komórkami B. Na modelach doświadczalnych u myszy wykazano, że antygeny, które odpowiadają ludzkim HLA-D, odgrywają podstawową rolę w rozwoju i funkcjonowaniu komórek T pomocniczych (ł helper - Tn). Antygeny klasy II występują na komórkach prezentujących antygen (najczęściej makrofagi) i umożliwiają rozpoznanie antygenu przez limfocyty T pomocnicze. U myszy w obrębie układu MHC, w części odpowiadającej ludzkiemu HLA- D, zlokalizowano geny, które nazwano genami odpowiedzi immunologicznej. U myszy są one w regionie I układu H-2. Geny odpowiedzi immunologicznej regulują wielkość i charakter reakcji. Immunizacja różnych szczepów myszy czy świnek morskich prostymi syntetycznymi związkami lub małymi dawkami złożonych antygenów białkowych - pozwoliła na wyodrębnienie szczepów, u których odpowiedź immunologiczna była bardzo silna, i szczepów, u których była bardzo slaba. Analiza segregacyjna wykazała, że silna odpowiedź immunologiczna dziedziczy się jako cecha dominująca. Wydaje się, że geny Ir (geny odpowiedzi immunologicznej kontrolujące wielkość reakcji) oraz geny Is (I supressor, kontrolujące zahamowanie reakcji) sprawują główną kontrolę nad limfocytami T, a te dopiero nad komórkami B poprzez komórki Th i TS). Geny biorące udział w procesach immunoregulacji obecne są również u ludzi i przypuszcza się. że są one zlokalizowane w obrębie części D układu HLA. #
Rola u#ładu HLA w patogenezie chorńb
W ok. 40 różnych chorobach stwierdzono skojarzenie pomiędzy nimi a występowaniem niektórych antygenów należących do układu HLA. Najbardziej jaskrawym przykładem tego zjawiska jest większa częstość występowania antygenu HLA-B27 w niektórych chorobach reumatycznych, a zwłaszcza w zesztywniającym zapaleniu stawów (spondylitis atzkylopoet#ica). Choroba ta często występuje rodzinńie. Antygen B27 stwierdzony jest u 7o/o ludności europejskiej, a wśród chorych ze zesztywniającym zapaleniem stawów występuje w 80 - 90o/o. Gdy oblicza się względne ryzyko choroby, okazuje się,
201 że wśród osób z antygenem B27 jest ono 87 razy większe niż w populacji ogólnej. Również u chorych z zapaleniem jagodówki, zespołem Reitera, odczynowym zapaleniem stawów częstość występowania antygenLi B27 jest większa. Postać jedno- lub kilkustawowa typ I młodzieńczego reumatoidalnego zapalenia stawów (częściej występuje u dziewcząt) wykazuje asocjację z HLA-DR5, DRw6 i DRwB, podczas gdy typ II (częściej występuje u chłopców) kojarzy się z HLA-B27. Szczególna forma młodzieńczego reumatoidalnego zapalenia stawów z zapaleniem tęczówki jest skojarzona z antygenem DR5. Podobnie antygen B27 występuje często u osób z formą ośrodkową zapalenia stawów z łuszczycą, a antygen Bw38 jest skojarzony z formą ośrodkową i obwodową tej choroby. Natomiast u chorych ze zwyrodniejącym zapaleniem stawów lub dną nie wykazuje się żadnych skojarzeń. Występowanie hemachromatozy samoistnej jest bardzo ściśle skojarzone z antygenem HLA-A3. Większość innych chorób jest skojarzona z antygenem układu HLA-D. Na przykład choroba trzewna cechuje się częstym występowaniem antygenu DR3 (ryzyko względne = 21). Antygen występuje wśród 64 - 96o/o chorych, a w populacji ogólnej u 22 - 27o/o. Cukrzyca młodzieńcza insulinozależna (typ I) często występuje u osób z antygenem DR4 i DR3 i jest ujemnie sprzężona z antygenem DR2. Cukrzyca rozwijająca się u osób dorosłych nie jest sprzężona z układem HLA. Rzadki allel Bf jest stwierdzany u 17 - 25o/o przypadków cukrzycy młodzieńczej. Nadczynność tarczycy w Stanach Zjednoczonych jest skojarzona z antygenem B8, Dw3, a w populacji japońskiej z Bw35. Czasami układ HLA jest skojarzony tylko z jakąś podgrupą chorych z danym zespołem. Tak np. 7n.yasthenża gravżs bez grasiczaka jest silnie skojarzona z antygenami B8 i DR3, a stwardnienie rozsiane o przebiegu ostrym z DR2. Mechanizm występowania skojarzeń pomiędzy chorobami a układem HLA nie jest jasny. Można dopatrzyć się kilku cech, które są wspólne dla tych chorób. Większość chorób skojarzonych z układem HLA ma pewne lub prawdopodobne podłoże autoimmunologiczne. Do chorób, w których patogenezie proces autoimmunologiczny odgrywa pewną rolę, zaliczamy 7n,yasthetzża gravżs, toczeń rumieniowaty uogólniony i tyreotoksykozę. Chorobami, które mają bardzo prawdopodobne tło autoimmunologiczne, są: cukrzyca młodzieńcza, przewlekłe aktywne zapalenie wątroby, reumatoidalne zapalenie stawów, choroba trzewna, zespół Sj"rgena, choroba Addisona o niegruźliczej etiolog. Następną cechą wspólną jest to, że choroba rozwija się tylko u małej grupy osób noszących dany antygen HLA. Trzecią wspólną cechą jest to, że nie wszyscy pacjenci chorujący na chorobę mają ten charakterystyczny antygen. Wśród różnych teorii tłumaczących powiązanie chorób z układem HLA najczęściej rozważane są następujące możliwości: 1. Struktura układu HLA (MHC) może być identyczna lub bardzo zbliżona do struktury antygenu (antygenów) czynnika infekcyjnego (wirusa). Dopóki zachowana jest tolerancja na własne antygeny, czynnik ten jest eliminowany przez mechanizmy immunologiczne. 2. Niektóre antygeny # układu HLA mogą reagować krzyżowo z przeciwciałami skierowanymi przeciw antygenom wirusowym czy bakteryjnym. Powoduje to dołączenie się reakcji autoimmunologicznej do istniejącej już choroby. 3. Antygeny układu HLA mogą stanowić miejsce wiązania lub receptor dla mikroorganizmów lub ich antygenw i w ten sposób doprowadzać do destrukcji tkanki w wyniku działania mechanizmw immunologicznych.
202 4. Geny odpowiedzi immunologicznej kodowane przez locus (loci) w bliskim sąsiedztwie regionu D mogą podlegać mutacjom. Prowadzić to może do zaburzeń w czynności komórek regulujących odpowiedź immunologiczną, s tym samym do procesu autoimmunizacji. 5. W obrębie układu HLA znajdują się geny odpowiedzialne za syntezę składników dopełniacza. Defekt w obrębie tych genów może prowadzić do powstania choroby autoimmunologicznej. 6. W bliskim sąsiedztwie genów układu MHC mogą znajdować się geny, których produkty nie są związane z reakcją immunologiczną, ale które są odpowiedzialne za powstanie niektórych chorób. Powiązanie pomiędzy specyficznym fenotypem HLA i chorobą w takim przypadku może być wynikiem odchylenia od równowagi na skutek sprzężenia. W przypadku choroby Gravesa i Basedowa stwierdza sit skojarzenia nie tylko z antygenami układu HLA, ale także z genami determinującymi budowę allotypową immunoglobulin. Przy tym szczególnym powiązaniu danego antygenu HLA z allotypią immunoglobuliny zachorowalność na chorobę Gravesa i Basedowa jest znaeznie większa, niż gdy rozpatruje się tylko układ HLA. Określenie antygenów HLA, allotypii immunoglobulin łącznie z innymi genetycznymi znacznikami i czynnikami środowiskowymi może w przyszłości pozwolie na bardzo dokładne określenie ryzyka choroby i mieć zastosowanie w poradnictwie genetycznym.
GENY KODUJA#CE ftECEPłOR DLA ANłYGENU NA LIMFOCYłACH T
W rozpoznawaniu antygenu przez komórki T pośredniczy receptor o specyficzności dla danego antygenu (łcR lub Ti). TcR zbudowany jest z dwóch łańcuchów polipeptydowych a i . Cząsteczki a i TcR mają zbliżoną sekw- #ncję aminokwasową i są strukturalnie podobne do łańcuchów lekkich i ciężkich immunoglobuliny. Łańcuch TcR zawiera 4 oddzielnie kodowane regiony V, D, J i C, a łańcuch a przynajmniej trzy regiony V, J i C. Geny kodujące łańcuchy a i mają podobną organizację jak geny kodują#e lekkie i ciężkie łańcuchy immunoglobulin. Rodzina genów kodujących łańcuch znajduje się na chromosomie 7, a rodzina genów dla łańcucha a znajduje się na chromosomie 14. W czasie dojrzewania limfocytów T dochodzi do rearanżacji genów, czego następstwem jest synteza kompletnej cząstki TcR.
PODSUMOWANIE
Reakcje humoralne i komórkowe stanowią podstawowe rodzaje odpowiedzi immunologicznej. Te dwa typy odczynowości immunologicznej są ze sobą ściśle powiązane, ale podlegają kontroli genetycznej regulowanej przez trzy odrębne układy genowe: 1) geny strukturalne, warunkujące syntezę łańcuchów immunoglobulin, 2) geny wchodzące w skład głównego układu żgodności tkankowej (MHC), 3) geny kodujące receptor dla antygenu na limfocytach T (łcR). Synteza łańcuchów immunoglobulin regulowana jest przez 3 rodziny genów: 1) geny syntetyzujące łańcuchy lekkie lambda, 2) łańcuchy lekkie kappa i 3) łańcuchy ciężkie. Geny odpowiedzialne za syntezę części stałej i części zmiennej (warunkującej swoistość przeciwciała) są odmienne. Różne powią
203 zania pomiędzy tymi układami genów prowadzą do olbrzymiego polimorfizmu cząstećzek immunoglobulin. Geny układu MHC (u człowieka układ HLA) kontrolują ekspresję antygenów tkankowych na powierzchni komórek i procesy immunoregulacji. Geny i produkty regionów A, B i C układu HLA grają główną rolę w zjawisku odrzucania przeszczepu, podczas gdy region D bierze również udział w procesie immunoregulacji. W obszarze tym zlokalizowane są geny odpowiedzi immunologicznej, które warunkują wielkość i charakter reakcji immunologianej. Rożpoznawanie antygenu przez komórki T odbywa się przy wspóludziale receptora specyficznego dla danego antygenu. Geny kodujące łańcuch a i (i tego receptora mają podobną organizację jak ge#ny kodujące łańcuchy lekkie i ciężkie immunoglobulin. XIII. Farmakogenet#ka i ekogenet#k#
Ign,acy Wald
PODSłAWOWE POJ#CIA
Farmakogenetyka jest to dyscyplina z pogranicza genetyki i farmakologii: Zajmuje się uwarunkowaną genetycznie zmiennością reakcji na środki farma= kologiczne. Nietypowe reakcje niektórych osób na środki farmakologiczne, zwłaszcza w przypadkach chorób dziedzicznych, mano od dość dawna (np: porfiria lub niedobór dehydrogenazy glukozo-6-fosforanowej). Dopiero jednak od lat pięćdziesiątych bieżącego stulecia badania nad tymi zagadnieniami stałył się oddzielną dyscypliną naukową. Wspomniana zmienność może dotyczyć zarówno losów leku w organizmi# (farmakokinetyka), jak i jego działania na organizm (farmakodynamika). Zachowanie się leku w ustroju jest wielostopniowe i rozkłada się na szereg faz. Mamy więc do czynienia z wchłanianiem leku, jego dystrybucją, biotransformacją, interakcją z receptorem, sprzęganiem i wydzielaniem. Każda z tych przemian sterowana jest przez układy enzymatyczne, których synteza jest programowana genetycznie. Zmienność w DNA, kodującym informacje dla enżymów sterujących poszcze= gólnymi fazami przemiany leku w organizmie, prowadzi do uwarunkowanej genetycznie zmienności. Około 30o/o białek, m.in. białek enzymatycznych, wykazuje u człowieka polimorfizm genetyczny, można więc oczekiwać dużego# odsetka zmienności typu genetycznego w białkach wpływających na leki. Po= nieważ los leku w organizmie zależy od różnych procesów sterowanych ge= netycznie, można oczekiwać, że w wielu przypadkach zmienność parametrów farmakokinetycznych będzie mieć charakter wieloczynnikowy (ryc. 97). W przypadkach uzależnienia wieloczynnikowego wskaźnikiem roli czynników genetycznych jest współczynnik odziedzirzalności. Jeżeli zmienność przemiany leku lub reakcji organizmu na lek zależy głównie od zmiennoścx w jednym locus genowym, to mówi się o kontroli jednogenowej. Jeżeli określimy rozkład jakiegoś parametru farmakologicznego w populacji, np. ustalonego stężenia leku lub stężenia leku po okresie jego półtrwania, to krzywa o charakterze jednomodalnym, zbliżona do rozkładu normalnego, przemawia raczej za wieloczynnikowym uwarunkowaniem tej zmienności. Krzywa dwu- lub trójmodalna świadczy raczej o kontroli zmiennoścl przez jedno miejsce genowe. Wielomodalność w tych przypadkach pochodzi stąd, że inna jest reakcja organizmu homozygot lub zachowanie się leku w ich organizmie dla jednego genu, a odmienna reakcja u osobników z genem allelicznym. Może się niekiedy zdarzyć, że rozkład krzywej w populacji ma charakter jednomodalny, choć zależy od pojedynczego genu. Dwumodalność
205- źtyc. 99. Rozklad parametru farmakokinetycznego w populacji w zależności od typu uwarunkowania genetycznego. Na osi odciętych parametr farmakokinetyczny lub farmakodynamiczny, na osi rzędnych liczba osobników: a - krzywa dwumodalna charakterystyczna dla dziedziczenia jednogenowego z dominacją; b - krzywa trójmodalna charakterystyczna dla dziedziczenia kodominującego; c - krzywa jednomodalna mogąca świadczyć o wieloczynnikowym uwarunkowaniu cechy.
występuje dopiero wówczas, gdy oddzielnie analizuje się wyniki w poszcze.gólnych rodzinach. Ekogenetyka jest dyscypliną w jakimś sensie pochodną farmakogenetyki: termin ten powstał w 1971 r. Obejmuje ona badania nad uwarunkowaną genetycznie zmiennością reakcji organizmu na różne czynniki środowiska zewnętrznego. Mogą to być więc substancje znajdujące się we wdychanym powietrzu, w wodzie, w pokarmach itd.
WARIANłY JEDNOGENOWE I WIELOCZYNNIKOWE
Defekt dehydrogenazy glukozo-6-fosforanowej. Jest to cecha sprzężona z chromosomem X, przy której nieprawidłowe działanie dehydrogenazy glukozo-6--fosforanowej prowadzi do nieprawidłowych reakcji na leki. Stosowanie wielu leków powoduje niedokrwistość hemolityczną. Należą do nich m.in. sulfonamidy i środki ehinolinowe. Znamy obecnie wiele wariantowych odmian genu dehydrogenazy 6-fosforanowej; występują one najczęściej w populacjach żyjących nad Morzem Śródziemnym, w Afryce i w Azji. Przypuszcza się, że częstość genów patologicznych podtrzymywana była w #opulacjach na skutek zrównoważonego polimorfizmu wywołanego większą flpornością heterozygot na malarię tropikalną. W niektórych postaciach reakeje hemolityczne występują nie tylko po spożyciu leków, lecz również niektórych pokarmów, np. bobu (fawizm). Pseudocholinoesteraza. Zmienność w zakresie tego enzymu została wykryta w badaniach reakcji na środki zwiotczające mięśnie typu suksametonium. W warunkach prawidłowych działanie środków zwiotczających pochodnych kwasu bursztynowego jest krótkie i chory wraca do stanu normalnego. Czaśami jednak długotrwałe zwiotczenie mięśni prowadzi do bezdechu. Sytuacje takie wymagają specjalnego postępowania reanimacyjnego. Okazało się, że patologiczna reakcja na leki wywołana jest nieprawidłowym genem pseuocholinoesterazy. Normalny gen oznacza się E 1 . Geny nieprawidłowe bywają rozmaite. Najczęstszy gen Ei Częstość g2nów nieprawidłowych w populacjach europejskich wynosi ok. 1 na 60, tzn. 1,5o/o. Częstość homozygotyczności E; wynosi ok. 1 na 3500. Oporność enzymu na środki zwiotczając# jest zazwyczaj równoległa do jego oporności na dibukainę. Dlatego na ogół charakteryzuje się enzym odpowiednią liczbą dibukainową.
206 Acetylacja hydrazydu kwasu izonikotynowego. Unieczynnianie hydrazydu# przebiega przez acetylację leku. Gen szybkiej acetylacji leku jest dominują= cy w stosunku do genu acetylacji powolnej. U osób homozygotycznych od= nośnie do genu acetylacji powolnej (tzn. powolnyeh unieczynniaczy) jest wię= ksza skłonność do występowania powikłań pod wpływem hydrazydu lub; środków zbliżonych. U powolnych unieczynniaczy jest większa częstość występowania drgawek lub polineuropatii pod wpływem leku. Zmienność w tym zakresie zależy od enzymu N-acetylotransferazy. Acetylacja dotyczy również i innych leków, jak hydrala2yna, prokainamid, fenelzyna, niektóre# sulfamidy i związki diazepinowe. Nie jest jasne, czy enzymy te są identyczne, czy występuje tu wysoka swoistość enzymu w stosunku do substratu. Zauważono, że toczeń rumieniowaty uogólniony częściej występuje u powolnych unieczynniaczy hydralazyny lub prokainamidu. Zespół hipertemii złośliwej. Zespół ten występuje u niektórych chorych poddawanych znieczuleniu ogólnemu. Uważa się, że środki do znieczulania ogólnego, m.in. halotan, u osobników wrażliwych mogą wywołać ciężką reakcję przejawiającą się bardzo wysoką temperaturą, zaburzeniami elektrolitowymi, stwarzającą bardzo istotne niebezpieczeństwo dla życia chorego: Zespół ten, związany prawdopodobnie z nieprawidłowością w budowie włókien mięśniowych chorych, przekazuje się jako cecha autosomalna dominująca. Polimorfizm paraoksonazy* surowiczej. Osoby z dużą aktywnością paraoksonazy mają większe szanse przeżycia w przypadkach zatruć parationem, paraoksonem i niektórymi innymi inhibitorami cholinoesterazy. Zmienność w tym zakresie również zależy od jednego miejsca genowego. Z innych cech farmakologicznych, których uwarunkowanie prawdopodobnie zależy od jednego genu, można wymienić defekt hydroksylazy fenytoiny, defekt hydroksylacji amobarbitalu, oporność na warfarynę. Z innych zespołów charakteryzujących się jednoczynnikowo uwarunkowaną zmiennością należy wymienić akatalazję oraz skłonność do powstawania methemoglobinem pod wpływem acetofenetydyny.
ł a b e 1 a 45. Odziedziczalność niektórych parametrów farmakokinetyeznych
OdziedziLek/środek Badan arametr czalność
Fenazon Fenylbutazon Dikumarol Etanol
Fenytoina
Lit, po dawce 300 mg co 12 godzin Salicylan sodu 40 mg/kg dożylnie
Kwas acetylosalicylowy 65 mg/kg doustnie
okres pbłtrwania w osoczu 0,99 okres pbłtrwania w osoczu 0,99 okres pbłtrwania w osoczu 0,98 prędkośE znikania z osocza przy dawce 0,98 1ml na 1kg masy ciała okres półtrwania w surowicy 0,85, stężenie w osoczu 0,8# prędkośE znikania z surowicy 0,86 ustalony poziom kwasu salicylowego 0,98 w surowicy
'" Inna nazwa enzymu to arylosulfataza.
207 Ób#awy pozapiramidowe w przebiegu leczenia chloropromazyną. Istnieje #wiele danych wskazujących na to, że skłonność do występowania objawów "pozapiramidowych u osób leczonych pochodnymi fenotiazyny jest uwarunkowana genetycznie. Skłonność ta była obserwowana również u członków ro:dzin probandów, u których stwierdzono również samoistne występowanie :zaburzeń pozapiramidowych. Tryb przekazywania dziedzicznego nie jest jed#nak u tych osób dokładnie ustalony. Uwarunkowania wieloczynnikowe. Niektóre parametry farmakokinetyczne #nie wykazują prostego uwarunkowania genetycznego, badania nad bliźniętami przemawiają za ich uwarunkowaniem wieloczynnikowym. Tabela 46 #wymienia niektóre z tych parametrów.
:LEKI A CiiOROBY UWARUNKOWANE GENEłYCZNIE
W wielu chorobach, m.in. chorobach uwarunkowanych genetycznie, może wy#stępować nietypowa reakcja na leki. Leki mogą m.in. wpływać zaostrzająco na przebieg choroby.
ł a b e I a 46. Leki wywołujące napad porfir przerywanej Lp. Nazwa Lp. # Nazwa
Klasycznym przykładem zakieg6 zaburzenia jest porfiria ostra przerywana - zespół autosomalno-dominujący, zależy od defektu syntazy porfobilino#enowej. Bardzo wiele leków może wywołać w tej chorobie eiężki zespół zaburzeń somatycznych, neurologicznych i psychicznych (tab. 46). Podobnie środki moczopędne z grupy tiazydowej mogą wywołać zaostrzenie dny. Środki tiazydowe oraz kortykosteroidy mogą zaostrzać również przebieg cukrzycy. Niektóre zespoły niewydolności miąższu wątrobowego ulegają pogorszeniu po spożyciu alkoholu, zastosowaniu barwników do cholecystografii lub estro#enów. W dysautonomii rodzinnej (chorobie Rileya i Daya) charakteryzującej się m.in. zaburzeniami aktywności hydroksylazy dopaminowej* stwierdza się nadwrażliwość na metacholinę. Podobnie w fenyloketonurii występuje nadmierna reakcja na aminy katecholowe. P4 ich podaniu następuje wzrost #ciśnienia tętniczego krwi.
* Inna nazwa enzymu to -monooksygenaza dopaminowa.
208 EKOGENEłYKA
Ekogenetyka zajmuje się uwarunkowaną genetycznie zmiennością reakcji na różne czynniki środowiska zewnętrznego. Jednym z najstarszych znanych typów takiej zmienności jest wrażliwość na smak fenylotiomocznika. Niektóre osoby oceniają tę substancję jako gonką, dla innych ma smak obojętny. Okazało się, że jest to cecha uwarunkowana genetycznie, zależna od jednej pary genów, przy czym cecha wrażliwości jest dominująca w stosunku do niewrażliwości. Częstość genu T (wrażliwości) w populacjach europejskich wynosi 0,45, częstość t - 0,55. Zauważono, że osoby niewrażliwe na smak fenylotiomocznika mają większą skłonność do niedoczynności tarczycy. Innym układem wykazującym żmienność u człowieka jest układ hydroksylazy węglowodorów aromatycznych. Stężenie tego enzymu znajduje się pod wpływem czynników genetycznych, chociaż dokładny tryb uwarunkowania nie jest ustalony. Stwierdzono, że osoby z dużą aktywnością hydroksylazy węglowodorów aromatycznych mają więksżą skłonność do występowania odoskrzelowego raka płuc, chodzi tutaj szczególnie o palaczy z tą cechą. Polimorfizm a-1-antytrypsyny. Zawartość a-1-antytrypsyny zależy od genów w jednym locus. Najistotniejszym genem jest gen PiM, częstość tego genu wynosi 0,9. Cecha PiM i PiS warunkuje dużą aktywność a-1-antytrypsyny, inne allele powodują zmniejszenie aktywności. Homozygoty, a niekiedy i heterozygoty dla genu PiZ lub PiS, są narażone na występowania chorób zapalnych, marskości lub nowotworów wątroby, a w wieku dojrzałym mają zwiększoną skłonność do występowania zaporowej choroby płuc, zwłaszcza jeżeli palą lub przebywają w środowisku zanieczyszczonym. Hipolaktazja. Cukier mleczny spożywany z pokarmami jest rozkładany w jelicie cienkim przez laktazę'. U ogromnej większości niemowląt laktaza jest wytwarzana przez kosmki ścian jelita cienkiego. Po osiągnięciu dojrzałości u części osób wytwarzanie tego enzymu jest kontynuowane i nie mają one żadnej trudności z trawieniem mleka słodkiego. U wielu osób jednak zdolność do wytwarzania laktazy zanika, a nierzadko występuje nietolerancja na mleko słodkie. Prostym testem na przetrwałą czynność enzymatyczną jest test tolerancji laktozy. Podaje się w nim 2 g laktozy na 1 kg masy eiała, nie więcej jednak niż 50 g. U osób z aktywną laktazą, po podaniu laktozy zwiększa się zawartość glukozy we krwi. U osób z nietolerancją laktozy wzrost taki nie następuje. Stwierdza się również zaburzenia jelitowe. Jest wiele przyczyn wpływających na czynność laktazy, najc2ęściej jednak zmienność w tym zakresie uwarunkowana jest genetycznie i zależy od jednego locus. Cecha tolerancji na laktozę jest dominująca w stosunku do nietolerancji na ten cukier. Częstość genu przetrwałej laktazy jest różna w różnych populacjach. Jest ona duża w krajach skandynawskich (Szwecja 0,83, Finlandia 0,58), mała w krajach śródziemnomorskich (Grecja 0,31), na Bliskim Wschodzie (Liban 0,05) i na Dalekim Wschodzie (Chiny 0,01). Jest rzeczą interesującą, że w niektórych populacjach pasterskich w Arabii również stwierdza się dużą częstość genu przetrwałej lnktazy. Przypuszcza się, że częstość tego genu ulega ewolucji w zależności od selekcji zwi#zanej z trybem życia populacji.
' Obecna nazwa enzymu to -D-galaktozydazn.
1! - Znry# Qenetyk! 209 PODSUMOWANIE
Farmakogenetyka i ekogenetyka zajmują się zmiennością genetyczną w reagowaniu odpowiednio na leki i inne czynniki środowiska zewnętrznego. W ostatnich latach wyrbżniono wiele rodzajbw takiej zmienności, szczególnie ważna klinicznie jest zmienność w zakresie cholinoesterazy rzekomej, dehydrogenazy glukozo-6-fosforanowej i innych. Różnice w prędkości unieczynniania niektórych lekbw, m.in. hydrazydu kwasu izonikotynowego, są uwarunkowane genetyeznie. Ważne znaczenie kliniczne ma uwarunkowany genetycznie zespół hipertemii złośliwej występujący u osobników wrażliwych na środki do znieczulania ogólnego, zwłaszcza halotan. Leki mogą wpływaE na przebieg niektórych chorób, w szczególności znany jest wpływ leków jako czynników prowokujących napady porfirii ostrej przerywanej. Leki mogą wywierać wpływ prowokująey również w cukrzycy i w dnie. Niektóre parametry farmakokinetyczne uwarunkowane są genetycznie w sposób wieloczynnikowy. Zmienność genetyczna we wrażliwości na różnorodne czynniki świata zewnętrznego może mieć ważne znaczenie biologiczne i kliniczne. Przykładami tego są: defekt a-1- antytrypsyny, aktywność arylosulfatazy węglowodorbw aromatycznych, hipolaktazj a. XIV. Poradnictwo genet#czne
Prze#n.ysZa#w Czerski, E#a Maniko#wska-Czerska
Poradnictwo genetyczne jest podstawową metodą profilaktyki chorób genetycznych. Zarówno ze społecznego, jak i indywidualnego punktu widzenia, poradnictwo genetyczne ma p#dwójne znaczenie. Z jednej strony powinno ono prowadzić do zmniejszenia liczby chorych genetycznie, z drugiej zaś strony umożłiwiać posiadanie zdrowych dzieci przez genetycznie obciążone rodziny. Należy więc wskazać możliwe opcje i dopomóc w wykorzystaniu istniejących możliwości, przede wszystkim w zakresie leczenia, rehabilitacji i prenatalnej diagnostyki chorób genetycznych. Udziełenie porady wymaga ustalenia prognozy genetycznej. Polega ona na określeniu prawdopodobieństwa posiadania zdrowych dzieci (szans pozytywnych), dzieci przekazujących chorobę i chorych dzieci. Wielkość prawdopodobieństwa posiadania chorych dzieci jest miarą ryzyka genetycznego. Ustalenie prognozy genetycznej jest możliwe tyłko wówczas, gdy rozpoznanie jest szczegółowe, pewne i tok dziedziczenia choroby jest znany. Stąd działalność poradni genetycznej obejmuje zazwyczaj weryfikację lub ustalenie rozpoznania. Bardzo istotnym elementem porady jest informacja o prognozie co do przebiegu choroby oraz o możliwościach leczenia i rehabilitacji. Toteż poradnictwo genetyczne wymaga rozległej wiedzy w zakresie genetyki klinicznej. Jednocześnie niezbędna jest znajomość zastosowania w genetyce teor prawdopodobieństwa oraz metod analizy statystycznej i matematycznej. Poradnictwo genetyczne wymaga więc wysokich kwalifikacji fachowych. Porada może być skuteczna tyiko wówczas, gdy zostanie w pełni zrozumiana i zaakceptowana przez pacjentów. Porada powinna im dopomóc w znalezieniu właściwego ustawienia w trudnej, dramatycznej sytuacji życiowej. Niewłaściwy sposób udzielenia porady może wyrządzić poważne szkody psychologiczne, doprowadzić do rozbicia rodziny, niewłaściwego traktowania poszczególnych jej członków i ciężkich kryzysów emocjonalnych. C. O. Carter podkreśla, że poradnictwo genetyczne jest sztuką komunikowania się z ludźmi, wymagającą szczególnych umiejętności przekazywania informacji. Podstawową zasadą jest uszanowanie godności osobistej pacjentów, zrozumienie ich trudnej sytuacji i nienarzucanie swoich osobistych poglądów. Trudno jest znaleźE pojedynczą osobę mającą wszystkie wymagane kwalifikacje. Poradnictwo genetyczne wymaga działalności zespołowej. Obejmuje ona następujące kolejne etapy: 1) weryfikację lub ustalenie rozpoznania, 2) ustalenie toku dziedziczenia choroby, 3) określenie genotypu pacjenta#,
" Zgodnie z definicjami podanymi w rozdziale X pacjentem jest osoba zasięgająca porady genetycznej.
211 4) określenie prognozy genetycznej, 5) udzielenie porady, 6) pomoc w uzyska- niu odpowiedniej opieki, 7) weryfikację skuteczności porady, wyników opie- ki i w miarę potrzeby udzielanie dodatkowych porad. Jest to działalność długofalowa i może dotyczyć kilku pokoleń jednej rodziny. Nie2będna jest więc przejrzysta i szczegółowa dokumentacja.
WERYFIKACJA LUB USłALENIE ROZPOZNANIA
Rozpoznanie kliniczne jest oparte na cechach fenotypu. Jak to omówiono w rozdziale I, możliwość wnioskowania na tej podstawie jest ograniczona i zależy od dokładności metody opisu fenotypu. Toteż w poradnictwie genetycznym nie można przyjąć rozpoznania bez znajomości danych, na podstawie których zostało ono ustalone. Najczęściej proband jest inną osobą niż pacjent, który zazwyczaj ma prawidłowy fenotyp. Podstawą rozpoznania obciążenia genetycznego i wnioskowania o genotypie pacjenta są więc w znacznej mierze dane wywiadu rodzinnego. Muszą one bye zweryfikowane przez uzyskanie miarodajnej dokumentacji medycznej lub osobiste zbadanie probanda oraz, w miarę potrzeby i możliwości, innych członków rodziny. Każdy lekarz, niezależnie od specjalności, musi umieć przygotowywać odpowiednią dokumentację. Zależy ona od rodzaju choroby i dla każdej poszczególnej jednostki musi być inna. Można jednak podać pewne ogólne uwagi co do podstawowych wymogów: 1. Dokumentacja nie musi być obszerna, musi podawaE tylko istotne dane, uwzględniające zawsze rozpoznanie (podejrzenie), podstawę rozpoznania i charakterystykę przebiegu choroby. 2. Rozpoznanie musi być konkretne i określać jednostkę chorobową. Sformułowanie typu "opóźnienie rozwoju", "encefalopatia", "wielowadzie" itp. nic nie mówią, mogą być raczej uważane za przyczynę skierowania w celu ustalenia rozpoznania. 3. Podstawa rozpoznania może być często sformułowana lakonicznie, jeżeli do rozpoznania wystarczają wyniki badań laboratoryjnych, np. oznaczenia biochemiczne lub kariotypu. Należy zawsze podać dane ilościowc i metodę (np. przy wyniku kariotypu, jakie metody barwień prążltowych były stosowane). Jeżeli podstawą do rozpoznania były anomalie struktury i/lub zewnętrzne cechy budowy, opis musi być bardziej szczegółowy. 2aden opis nie zastąpi dokumentacji fotograficznej. 4. Charakterystyka przebiegu choroby powinna podawać wiek, w którym pierwsze objawy choroby zostały zauważone przez chorego lub jego otoczenie, wiek w chwili zwrócenia się pn poradę z powodu tych objawów i lakoniczną charakterystykę przebiegu choroby w okresle obserwacji. 5. Wiele chorób genetycznych ma fenokopie indukowane czynnikami środowiska, jak np. niedorozwój umysłowy lub zabunenia neurologiczne związane z urazami okołoporodowymi albo zespoły wywołane zakażeniem lub podaniem związków chemicznych w czasie ciąży. Aby orzec istnienie związku przyczynowego pomiędzy czynnikiem środowiska i chorobą, należy wykazać, że czynnik ten rzeczywiście występował w odpowiednim okresie. Stąd pedantyczna i szczegółowa dokumentacja przebiegu ciąży i porodu jest niezbędna dla późniejszych rozważań diagnostycznych. Rozpoznanie chorób metabolicznych opiera się na wykazaniu i określeniu odpowiedniego defektu molekularnego (patrz rozdział XV - Diagnostyka prenatalna). Niektóre z nich można bezpośrednio stwierdzić tylko w określonych komórkach, np. wątroby, w krwinkach czerwonych lub fibroblastach.
212 Rutynowe rozpoznanie choroby metabolicznej rzadko opiera się na bezpośrednim badaniu defektu molekularnego, znacznie częściej dokumentowane jest danymi pośrednimi, jak określenie aktywności enzymów, przesunięcia w zakresie metabolitów lub obecność nieprawidłowych produktów, zmiany w cechach antygenowych lub odczynowości immunologicznej, zaburzenia w procesach krzepnięcia krwi, a nawet w cechach strukturalnych, jak np. obecność krwinek sierpowatych, sferocytów itp. w hemoglobinopatiach. Tym bardziej konieczne jest dokładne określenie podstaw rozpoznania. Choroby metaboliczne mogą wystąpić w różnym wieku. Mogą one ujawnić się od razu po urodzeniu i doprowadzić do śmierci w pierwszych dniach, miesiącach lub latach życia. Rzadko kiedy towarzyszą im oczywiste nieprawidłowości wyglądu zewnętrznego. Podejrzenie choroby metabolicznej we wczesnym dzieciństwie wynika z różnych objawów. Pierwszym może być zahamowanie rozwoju psychomotorycznego, utrata nabytych już umiejętności, trudności w przyjmowaniu pożywienia, zahamowanie przyrostu masy ciała, wymioty, odwodnienie, kwasica, zmiany napięcia mięśniowego (hiper- lub hipotonia) i niekiedy drgawki. Nasilenie objawów może wahać się od drobnych, trudno uchwytnych, do dramatycznie narastającyeh zaburzeń. Szczegółowa kontrola stanu dziecka od chwili porodu (określonego według skali Apgar) i okresowe badania we wczesnym okresie życia mają podstawowe znaczenie dla wczesnej diagnostyki chorób metabolicznych. Może pojawić się ciężka hepatosplenomegalia oraz zmiany w elektroencefalogramie. Choroba może przebiegać szybko i uniemożliwić szczegółowe rozpoznanie za życia. Dlatego niezbędne jest pobranie i zamrożenie próbek krwinek, osocza i surowicy krwi oraz moczu w celu przeprowadzenia odpowiednich badań biochemicznych. Zależnie od podejrzenia może być wskazane pobranie wycinka skóry i założenie hodowli fibroblastów in vitro uzyskanie i zamrożenie materiału z biopsji wątroby oraz pobranie próbek różnych narządów w czasie sekcji z uwzględnieniem możliwości potrzeby badań biochemicznych mózgu. Zasadniczymi objawami wcześnie ujawniających się chorób metabolicznych są: żółtaczka, biegunka, wymioty, hipoglikemia, kwasica, specyficzny zapach ciała, moczu lub kału, nieprawidłowości owłosienia, apatia i śpiączka oraz drgawki. W późniejszym okresie dołączają się zaburzenia wzrostu i proporcji ciała, może wystąpić mikro- lub makrocefalia. Należy dodać, że objawy choroby metabolicznej zmieniają się z wiekiem i że w późniejszym okresie charakteryzują się one głównie niedorozwojem umysłowym, objawami neurologicznymi i zaburzeniami wzrostu oraz proporcji ciała. Mając udokumentowane obciażenie rodowodu chorobą metaboliczną, można na podstawie wymienionych wyżej objawów starać się zidentyfikowae dotkniętych nią członków rodziny. Wiedząc o istnieniu tych objawów i nie mając biochemicznego rozpoznania, lekarz udzielający porady genetycznej jest bezradny. Lekarz specjalista, mający do czynienia z tego typu objawami (najczęściej pediatra), powinien wyjaśnić rozpoznanie, doprowadzając do badania chorego lub zabezpieczenia materiałów w ośrodku dysponującym odpowiednim zestawem metod biochemicznych. Rozpoznanie aberracji chromosomalnych może być oparte wyłącznie na oznaczeniu kariotypu. Miarodajność oznaczenia zależy od wybranej metody i typu badanych komórek. Odpowiednie dane powinny znaleźć się w opisie wyniku badania. Wiele aberracji chromosomalnych łączy się z bardzo charakterystycznym fenotypem (pattz rozdz. IV i V). Jednakże rozpoznawanie aberracji chromosomalnych wyłącznie na podstawie cechy fenotypu jest błędem w sztuce. Trisomia 21 (zespół Downa) może służyć jako przykład. Aber
213 racja ta daje charakterystyczny fenotyp rozpoznawalny na pierwszy rzut oka, przykład typowej "diagnozy ulicznej". Charakterystyczny fenotyp jest rozpoznawalny w ciągu pierwszych 7 dni życia. Spotykaliśmy jednak przypadki kierowane po potwierd#enie rozpoznania w 3-4, a nawet 6 roku życia. Z naszych doświadczeń wynika, że w 1976 r. zespół Downa był "naddiagnozowany" w 15#/o. Błędne rozpoznanie tego typu piętnuje rodzinę i prowadzi do urazów psychicznych. Wreszcie ok. 4o/o przypadków stanowią trisomie translokacyjne, w których ryzyko genetyczne jest wyższe niż w trisomiach regularnych. Obowiązuje zasada, że w przypadku podejrzenia aberracji chromosomalnych oznaczenie kariotypu jest niezbędne dla ustalenia rozpoznania i prognozy genetycznej. W klasycznym ujęciu podejrzenie aberracji autosomalnych nasuwa triada objawów: niedorozwój umysłowy, nieprawidłowości cech zewnętrznych głowy i budowy szkieletu, wada serca. W miarę gromadzenia obserwacji przekonano się, że rozpiętość cech fenotypu w aberracjach chromosomalnych jest bardzo duża i waha się od głębokich zaburzeń do normy. Z zasady aberracje aneuploidalne prowadzące do dużych zmian w ilości materiału genetycznego (trisomie lub monosomie całych chromosomów lub dużych ich odcinków) dają głębokie zaburzenia. Nie jest to sztywna reguła, poważną rolę odgrywa również treść informacyjna chromosomu (odcinka), którego aberracja dotyczy. Obserwowaliśmy głębokie zaburzenia w częściowych trisomiach chromosomu 21, w których aberracja dotyczyła bardzo niewielkiego odcinka. Obserwowaliśmy również pacjentkę 46,XX/47,XX,#-8, z mozaiką w stosunku 1:3, z prawie normalnym fenotypem. W aberracjach strukturalnych, które dotyczą odcinków chromosomów zawierających określone locus, można i należy uzupełniać opis cech anatomicznych odpowiednimi badaniami biochemicznymi potwierdzającymi występowanie pojedynczej lub potrójnej dawki genu (patrz rozdział VII - Dziedziczenie jednogenowe). Należy dodać, że u osób z euploidalnymi aberracjami chromosomalnymi, jak robertsonowskie i zrównoważone wzajemne translokacje chromosomów, fenotyp jest prawidłowy. Obserwowano również osoby z małymi, bliżej nie zidentyfikowanymi chromosomami znacznikowymi (markerowymi), mające prawidłowy fenotyp. Rozpoznanie swoistych zespołów związanych z anomaliami budowy anatomicznej jest trudne. Jeszcze trudniejsze jest uzyskanie dokumentacji pozwalającej na potwierdzenie lub ustalenie rozpoznania. Tradycyjna dokumentacja kliniczna i anatomopatologiczna nie uwzględnia opisu budowy anatomicznej w wystarczającym stopniu. Konieczny jest szczegółowy opis cech zewnętrznych. Najlepszą dokumentacją są fotografie. Konieczne są zbliżenia głowy en face i z profilu. Te ostatnie muszą dobrze uwidoczniać uszy. Niezbędna jest fotografia całego ciała oraz zbliżenia dłoni i stóp. W przypadku dzieci zmarłych z wadami wrodzonymi niezbędne jest zdjęcie rtg całego kośćca oraz wynik badania sekcyjnego z uwzględnieniem głowy. Dane te powinny być uzupełnione pomiarami antropometrycznymi lub przynajmniej podstawowymi całego ciała. W opisie cech zewnętrznych należy szczególną uwagę zwrócić na głowę. Ważna jest charakterystyka owlosienia i linii zarostu włosów. Niezbędne jest scharakteryzowanie kształtu czaszki przez odpowiednie pomiary, minimum stanowi pomiar obwodu głowy. Istotne jest osadzenie uszu i kształt małżowiny usznej. Ważnymi cechami są kształt i ustawienie szpary powiekowej, rozstaw oczu i opis rogówki, źrenicy, często soczewki i dna oka. Znaczenie ma kształt czoła, nasady nosa i budowa nosa. Dla wielu zespołów charakterystyczny jest kształt ust, odstęp pomiędzy nosem i ustazni, cechy podniebienia, kształt i ustawienie żuchwy, uzębienie.
214 Jeżeli nie ma fotografii i cech tych nie uwzględniono w opisie, to nie windomo, czy były one rozważane, toteż w opisie należy podawać dane negatywne. Ważne są proporcje ciała, opis budowy tułowia i kończyn z uwzgIędnieniem charakterystyki palców. W przypadku urodzenia dziecka z wadami wrodzonymi i ze złym rokowaniem co do życia opis i fotografie należy sporządzić szybko, fotografie pośmiertne są zazwyczaj mniej informujące. W wielu przypadkaeh niezbędnym badaniem różnicowo-rozpoznawczym jest oznaczenie kariotypu. Należy więc szybko pobrać krew do tego badania lub wykonać biopsję skóry lub tkanki łącznej bezpośrednio po śmierci. Czytelne kariotypy można uzyskać z limfocytów śledziony w okresie 12-24 h po śmierci.
USłALENIE TOKU DZIEDZICZENIA CHOROBY
Po spełnieniu wstępnego podstawowego warunku, to jest zweryfikowaniu i ustaleniu rozpoznania choroby u probanda oraz uzyskaniu wiarygodnych danych o innych członkach rodziny, można przystąpić do ustalenia toku dziedziczenia. Ten zaś stanowi podstawę do wnioskowania o genotypie pacjenta, a następnie opracowania prognozy genetycznej. We wszystkich trzech etapach obowiązują te same zasady rozumowania, toteż trzy fragmenty poświęcone tym etapom należy traktować łącznie. Podział na etapy i podział tekstu został wprowadzony nieco sztucznie dla celów dydaktycznych. Zamiarem autorów było podkreślenie konieczności ścisłego, logicznego myślenia i zdawania sobie sprawy z miarodajności wniosków. Podstawę rozumowania stanowi informacja uzyskana z trzech źródeł: 1) ogólne dane empiryczne o rozważanej chorobie i populacji (dane empiryczne), 2) teoretyczne dane o prawach dziedziczenia (dane teoretyczne), 3) konkretna informacja oparta na wynikach badania rozważanej rodziny (dane szczegółowe). Konfrontacja tych danych pozwala na wysnuwanie logicznych wniosków, których miarodajność powinna być sprawdzona przez liczbowe określenie prawdopodobieństwa lub przez empiryczne sprawdzenie. To ostatnie nie zawsze jest możliwe, gdyż może brakować odpowiednich metod. Prognoza genetyczna (końcowy wynik rozumowania) dotyczy zdarzeń, które jeszcze nie nastąpiły, jest bowiem przewidywaniem możliwe#o genotypu (fenotypu) dziecka przed poczęciem. Prognoza genetyczna jest więc zawsze probabilistyczna, weryfikacja empiryczna jest możliwa w przyszłości.
ZASłOSOWANIE TEORII PRAWDOPODOBIEl#łSłWA W PORADNICłWIE GENEłYCZNYM
Zastasowanie teorii prawdopodobieństwa w poradnictwie genetycznym zostało przedstawione w dużym skróeie i w sposób uproszczony. Szczegółowe rlane podają Murphy i Chase (1975) w swoim podręczniku. Zajmując się poradnictwem genetycznym nie trzeba być biegłym matematykiem i statystykiem, należy jednak zdawać sobie sprawę z podstaw logicznych i matematycznych wnioskowania, prowadzącego do ustalenia prognozy genetycznej. Z praktycznego punktu widzenia obliczanie prawdopodobieństwa do n znaku po przecinku nie ma znaczenia dla pacjenta, który jest zainteresowany w jakościowym raczej określeniu ponoszonego ryzyka jako małego, średniego ż dużego. Liczbowe określenie wielkości prawdopodobieństwa ma znaczenie teoretyczne i znaczenie dla samokontroli osoby udzielającej porady. Teoria prawdopodobieństwa zajmuje się dużymi liczbami zjawisk, których
218 występowanie uwarunkowane jest przypadkowo. Rozwnża się duży zbiór zjawisk. Poszczególne badane zjawiska można określić jako zdarzenia elementarne. W rozważanym zbiorze określone zdarzenie jest wynikiem poszukiwanym, jak np. urodzenie dziecka z trisomią 21 wśród wszystkich żywych urodzeń, liczba zgonów na zawał serca wśród wszystkich zgonów itp. Prawdopodobieństwo jest ułamkiem, którego wartość waha się od zera do jeden. Prawdopodobieństwo 0 oznacza, że zdarzenie nie występuje. Prawdopodobieństwo 1 oznacza, że zdarzenie jest pewne. Prawdopodobieństwo
można wyrażać jako ułamek zwykły, np. -, stosunek, np. 1 szansa na 2, 1 2 ułamek dziesiętny, np. 0,5 lub w procentach, np. 50o/o, albo rzadko - w promilach. Ustalenie prawdopodobieństwa na podstawie częstości występowania wymaga empirycznych danych statystycznych. W genetyce często używa się takich danych. Ustalono na podstawie wielu tysięcy dzieci, że częstość zespołu Downa wśród noworodków wynosi 1: 640. Stąd na podstawie rozumowania indukcyjnego można stwierdzić, że dla danej populacji istnieje prawdopodobieństwo 1 :640 (ryzyko populacyjne), iż następne urodzone dziecko będzie miało zespół Downa. Badając dzieci kobiet w poszczególnych grupach wiekowych stwierdzono, że średnia częstość dzieci z trisomią 21 jest różna. Odchylenia nd średniej populacyjnej pozwoliły na wykazanie, że istnieje nieprzypadkowa zależność pomiędzy wiekiem matki w chwili porodu a zespołem Downa. Wynika stąd, że średnia częstość występowania zjawiska, a stąd i jego prawdopodobieństwo ustalone metodą indukcji, zależy od sposobu zebrania danych i ważne jest tylko w obrębie założeń logicznych i matematycznych danego ukladu doświadczeń. Sposobami zebrania danych, analizy ich przypadkowości lub związków przyczynowych zajmuje się statystyka. W poradnictwie bardzo często korzysta się z takich danych statystycznych, jak częntość chorób genetycznych, częstość genów w populacji, częstość mutacj i itp. W analizie genetycznej rodowodów często rozumuje się a priori. Może istnieć zbiór zdarzeń, w którym liczba możliwych wyników jest skończona. Klasycznym tego przykladem jest rzut monetą, który ma dwa możliwe wyniki - orzeł lub reszka. Zakładając, że oba wyniki są równouprawnione (moneta nie jest zgięta, sfalszowana w określony sposób), prawdopodobieństwo dla każdego z nich jest takie samo - -. Otrzymanie jednego z 2 dwóch wyników - to jest albo reszki, albo orła - równa się jeden i jest zdarzeniem pewnym. Jeżeli oznaczyć wynik orzeł literą p, a wynik reszkaliter# q to można zapisać:
p#-q=1 p=1-q p=q= 1 2
Prawdopodobieństwo uzyskania poszczególnych wyników w serii rzutu oparte jest na rozwinięciu dwumianu p -# q, jak to udowodnił Bernoulli. Dla dwóch rzutów dwumian należy podnieść do kwadratu: stąd w omawianym przykładzie prawdopodobieństwo otrzymania dwóch (p -# q)' = p# -ł- 2pq #- q' kolejnych rzutów z wynikiem orzeł wynosi 1/4, z wynikiem reszka - tyle samo, a z wynikiem orzeł w jednym, a reszka w drugim 1/2. Prawdopodo
Z16 0
1P #' 1
1 p2 -#- 2 p q, 3 1 p3 -i- 3 Pz q. -i- 3 Pq.2 #' 1 q. 4, 1p4 'ź' 4p3q, T 6p2%z #' 4P%3 + # 1 p5 '# 5 p4 % '# 10 p 3 q,z '# 10 p 2 q,3 '# 5 p %4 "# 1 #L5
Ryc. 98. Trójkąt Pascala. Liczba wyrazów w rozwinięciu dwumianu wynosi n -#- I. Każdy nowy współczynnik w trbjkącie otrzymuje się przez dodanie dwóch najbliższych wyrazów w wierszu wyżej, jak to pokazują strzałki.
bieństwo uzyskania poszczególnych wyników przy serii wielu rzutów otrzymuje się podnosząc dwumian do odpowiedniej potęgi. Można posłużyć się w tym celu trójkątem Pascala (ryc. 98). Wzór ogólny przedstawia się następująco:
m n-m
gdzie : n - liczba zdarzeń serii, - prawdopodobieństwo określonego zdarzenia, q - 1 - p = prawdopodobieństwo alternatywnego zdarzenia, m - liczba zdarzeń z wynikiem p, ! - oznacza silnię danej łiczby. Przykład. Zakładając populacyjną częstość zespołu Downa 1 : 640, jakie jest prawdopodobieństwo, że rodzina mająca 5 dzieci będzie miała 2 dzieci z tym zespołem na skutek przypadku: p =1/640 q # 639/640 n =5 Tn.=2
(2XlX3X2X1) X640 630 # lOX2,44X10-8X0,997 = 2,43X10#6 Prawdopodobieństwo jest znikome, ok. 2,5 szans na 100000. Toteż należy szukać przyczyny, którą móglby być nieprawidłowy kariotyp jednego (obydwojga) rodziców, wiek matki lub działanie czynników środowiska. Można z danych statystycznych obliczyć odpowiednie prawdopodobieństwa. W omawianym przypadku łatwo można sprawdzić empirycznie pierwsz# i drugą możliwość. W odniesieniu do czynników środowiska pojedyncza rodzina może nasuwać podejrzenia, ale nie może służyć do wykazania związku przyczynowego. Prawdopodobieństwo warunkowe dotyczy prawdopodobieństwa zdarzenia, które jest uzależnione od innego zdarzenia. Inaczej mówiąc, zdarzenie A jest warunkowane wystąpieniem zdarzenia B. W praktyce lekar2 często sprawdzg prawdopodobieństwo hipotezy (rozpoznania) posługując się prawdopodobień:twem warunkowym. Rozumowanie przedstawia tabela 47.
21# ł a b e 1 a 47. Prawdopodobieństwo wystąpienia i rozpoznania choroby
1. Prawdopodobieństwo wystąpienia (odpowiada częstości występowania w populacji)
2. Prawdopodobieństwo wystąpienia objawu C (odpowiada częstości objawu w przebiegu choroby, tj. prawdopodobieństwu warunkowemu)
3. Łączne prawdopodobieństwo wystąpienia objawu C i choroby
-4. Prawdopodobieństwo rozpoznania
5. Rozpoznanie choroby A jest bardziej prawdopodobne
Choroba A # Choroba B 0,015 0,18 0,37 0,01
0,00555
v,vv#aa # 0,75 0,00555 -#- 0,0018
0,0018
V,VVlV # 0,25 0,00555 -f- 0,0018
Załóżmy, że objaw C występuje w dwóch chorobach A i B. Ze statystyk znana jest względna częstość występowania obu tych chorób w populacji. Są to dane empiryczne, które można wykorzystać do określenia prawdopodobieństwa wystąpienia choroby (punkt 1 tabeli 47). W punkcie 2 zapisujemy prawdopodobieństwa warunkowe uzyskane z częstości występowania obja#wu C w przebiegu obu chorób. W punkcie 3 obliczamy prawdopodobieństwo łączne wystąpienia jednocześnie objawu i choroby, mnożąc wartości zapisańe w punkcie 1 i 2. Aby porównać względne prawdopodobieństwa zakładamy, że występuje jedna z tych dwóch ehorób, to jest, że rozpoznanie albo A, .albo B wyczerpuje wszystkie możliwości i jest zdarzeniem pewnym. W tym celu należy dane znormalizować dzieląc każde z łącznych prawdopodobieństw przez ich sumę. Podstawę rozumowania stanowi twierdzenie Bayesa oma-wiane w podręcznikach teor prawdopodobieństwa lub statystyki. Rozumowanie można uogólnić. Z danych piśmiennictwa znamy pierwotne prawdopodobieństwo (częstość występowania) stanu, który założono w hipo#tezie (np. rozpoznaniu). Poprzez badanie uzyskujemy dane empiryczne (D), których warunkowe prawdopodobieństwo dla każdej rozważanej hipotezy jest :znane. Zapisuje się je P (D # H). Wykorzystując szereg takich danych można uzyskać łączne prawdopodobieństwo, np. współistnienia objawów w chorobie. Dzieląc poszczególne łączne prawdopodobieństwa przez ich sumę, którą zapisuje się #'P#(DH#), można porównać prawdopodobieństwo każdej z hipotez, np. możliwych rozpoznań. Ten tok rozumowania, przedstawiony w tabeli 48 jest podstawą komputerowych programów diagnostyki różnicowej. Ten sam tok rozumowania służy do analizy rodowodów (patrz rozdział XAnaliza rodowodów). Informacja empiryczna powinna dotyczyć populacji, z której pochodzi badana rodzina. Często informacja taka jest niedostępna. Toteż wszystkie po#radnie genetyczne posługują się danymi przybliżonymi. Potrzebna jest znajomość częstości chorób genetycznych, genów w populacji i nowych mutacji. #Istotne znaczenie ma znajomość współczynników zdolności reprodukcyjnej
218 ł a b e 1a 48. Badanie prawdopodobieństwa hipotezy z użyciem prawdopodobieństw warunkowych Hipoteża HI . Hn Frawdopodobieństwo pier- P(H1)P(H2). . . P(Hh) wotne #rawdopodobieństwa warun- P (D,# H11 P (D,# H#). . P (D,# Hn) kowe P (DQ # H1) P (Dy # Hg). . P (Dg # H#) p(D##H1) P(Dn#Hs). . P(D##Hn) Prawdopodobieństwo łączne P (DI Ht) P (D # H#) . . P (D # Hn) Prawdopodobieństwo hipotezy P(DH1) P(D Hzl .. P(DHn) #,pt(DHj) E;P1(DHt) źipi CDH;)
oraz selekcji za i przeciw gametorn o określonym genotypie. W przypadku posługiwania się cechami sprzężonymi (znacznikowymi) trzeba znać ich współ-czynniki rekombinacji. Niezbędne są dane co do genetycznego ryzyka empirycznego, dotyczącego aberracji chromosomalnych i chorób wielogenowych. Informaeja teoretyczna obejmuje podstawowe prawa dziedziczenia i podstawy teorii prawdopodobieństwa. Znajomość ich jest niezbędna do właściwego wykorzystania empirycznej i szczegółowej informacji. Informacja szczegółowa obejmuje dane o fenotypie poszczególnych członków rodziny. Należy ustalić wzajemne pokrewieństwo probanda i pacjenta. Następnie należy przeprowadzić analizę możliwości wnioskowania o geno#ypie tych członków rodziny, których pozycja w rodowodzie pozwala na wnioskowania o genotypie pacjenta. Wstępna analiza rodowodu często poawala tylko na określenie, jakie dodatkowe dane należy zebrać lub jakie badania wykonać.
GENOłYP PACJENłA
Genotyp pacjenta może być określony z dużym prawdopodobieństwem, graniczącym z pewnością na podstawie cech fenotypu i/albo danych rodowodu lub badania z użyciem technik rekombinacji DNA. Bardzo często jednak genotyp może być tylko przyjęty z określonym prawdopodobieństwem, naj#zęściej na podstawie konfrontacji fenotypu z prognozą genetyczną ustaloną dla rodziców pacjenta. Ten tok rozumowania, wykorzystujący rachunek prawdopodobieństwa, zostanie przedstawiony łącznie z prognozą genetycz#ą. W odniesieniu do chorób jednogenowych często można ustalić genotyp pacjenta na podstawie jego fenotypu i danych rodowodu (informacji szczegółowej), informacji teoretycznej oraz empirycznej z wystarczającą dla celów praktycznych pewnością. Należy kierować się następującymi ogólnymi regułami. Osoba, która wykazuje autosomalne cechy dominujące w fenotypie, ma przynajmniej jeden gen warunkujący daną cechę i jest przynajmniej heterozygotą pod względem tego genu. Należy jednak pamiętać o konieczności różnicowania z fenokopią przy nieobciążonym rodowodzie i ze stanem homozygotyczności przy dwustronnie obciążonym rodowodzie. Podobne rozumowanie obowiązuje przy analizie pacjenta lub pacjentki, wykazujących #echy dominujące sprzężone z chromosomem X. Można przyjąć, że wszyscy synowie chorego mężczyzny są zdrowi, a wszystkie córki są chore. Potom#stwo chorych matek wykazuje cechę w połowie przypadków, niezależnie od pł". Homozygotyczność u kobiet jest mało prawdopodobna, gdyż dominu
219 jące cechy sprzężone z chromosomem X są zwykle letalne u homozygot. ## to zresztą nadzwyczaj rzadkie przypadki. Choroba recesywna sprzężona z chromosomem X ujawnia się u mężczyzny. W wielu przypadkach heterozygotyczność kobiet daje sie ustalić laboratoryjnie. HomozygotycznośE kobiet pod względem choroby sprzężonej z chromosomem X jest zdarzeniem rzadkim. Przypadki autosomalnych chorób dominujących oraz dominujących i r<# cesywnych chorób sprzężonych z chromosomem X są w większości wynikiem świeżej mutacji. Im mniejsza jest zdolnośE reprodukcyjna chorej osoby, tym większe jest prawdopodobieństwo, że choroba jest wynikiem nowej mutacji. Krańcowo rzecz biorąc, wszystkie przypadki letalnych (zdolność reprodukcyjna = 0) chorób dominujących autosomalnych i sprzężonych z chromosomem X są wynikiem świeżej mutacji. Nowe metody lecznicze zmieniają ten stan rzeczy i osoby obciążone cechami letalnymi w obecnym stanie wiedzy, mogą przeżywać dłuższe okresy i dochodzić do reprodukcji. Stąd częstość genu może zacząć wzrastać i przekroczyć pierwotną wartość, tj. stan, w którym częstośE genu w populacji była równa częstości mutacji. W przypadku chorób recesywnych sprzężonych z chromosomem X względny udział nowych mutacji w częstości genu w populacji zależy od zdolności reprodukcyjnej hemizygot (mężczyzn z cecham: choroby). Różnicowanie pomiędzy chorobą odziedziczoną a będącą wynikiem świeżej mutacji ma znaczenie dla ustalenia prognozy genetycznej krewnych chorej osoby. Jeżeli pacjentem jest osoba chora, to przekazuje ona chorobę potomstwu, niezależnie od tego, czy odziedziczyła chorobę, czy ma ją w wyniku świeżej mutacji rodzicielskich gamet. W przypadku chorób recesywnych autosomalnych należy pamiętaE, że wiele z nich jest w rzeczywistości przekazywanych w sposób kodominujący. W tej sytuacji (choroby metaboliczne) można w wielu wypadkach wykonaE badania laboratoryjne, które pozwalają wnioskować o dawce genu u badanej osoby. Można przyjąć, że rodzice dziecka z chorobą przekazywaną wytącznie tokiem recesywnym są heterozygotami. Prawdopodobieństwo, że jedno z rodziców jest heterozygotą, a u drugiego wystąpiła świeża mutacja podczas gametogenezy jest tak małe, że można je pominąć. W przypadku chorób, które mogą dziedziczyć się autosomalnie recesywnie i w inny sposób, rodzice dwojga chorych dzieci są heterozygotami, a choroba jest recesywna. Różnicowanie w takim przypadku między sprawą autosomalną a sprzężoną z chromosomem X zależy od posiadanej informacji empirycznej i płci chorych dzieci. W każdym przypadku, w którym możliwe jest wykonanie badań laboratoryjnych potwierdzających rozpoznanie, należy takie badanie wykonać. Nie należy opierać się na obrazie klinicznym i danych z wywiadu, lecz jeżeli można, uzupełnić je badaniami dodatkowymi. Inaczej mówiąc, im bardziej szczegółowy jest opis fenotypu, tym pewniejsze jest wnioskowanie o genotypie. Jak już wspomniano, rozpoznanie anomalii chromosomalnej na podstawie obrazu klinicznego, a nie na podstawie oznaczenia kariotypu, jest błędem w sztuce. W niektórych sytuacjach można wykorzystać cechy sprzężone z genem poszukiwanej choroby. Przy stosowaniu tej metody obowiązują następujące zasady. Znacznikowa (markerowa) cecha sprzężona oraz poszukiwana cecha chorobowa muszą byE kontrolowane genetycznie przez pojedyncze locus auto#omalne. Oba locż muszą byE ściśle sprzężone ze sobą (patrz rozdział VIIDziedziczenie jednogenowe). Osoba badana musi być potomkiem podwójne#
220 heterozygoty. Należy dysponować pewną informacją o pozycji rozważanych loci (cis-, trans-). Wskaźnik rekombinacji rozważanych locf musi być znany. Wskaźnik rekombinacji jest miarą wiarygodności badania. Jeżeli wynosi on np. 0,05, to prawdopodobieństwo, że otrzymano miarodajny wynik wynosi 1-0,5 = 0,95 i jest wystarczające. Proponowano również wykorzystanie znaczników sprzężonych dla badania przekazywania zespołów wielogenowych (cechy HLA i wady cewy nerwowej). Są to metody oparte na danych doświadczalnych i ich miarodajność może być tylko z nich określona. Brak teoretycznego wyjaśnienia podważa zaufanie do metody. W podsumowaniu należy stwierdzić, że zanim zostanie udzielona porada genetyczna, należy zanalizować, z jakim prawdopodobieństwem ustalono genotyp pacj enta.
OKRE#LENIE PROGNOZY GENEłYCZNEJ
Przez pojęcie prognozy genetycznej należy rozumieć przewidywanie wybranych elementów genotypu i fenotypu potomstwa pacjenta. Obejmuje to nie tylko przewidywanie, czy określona choroba wystąpi u potomstwa, ale również przewidywanie przebiegu choroby, nasilenia objawów, czasu przeżycia itp. Cechy potomstwa zależą oczywiście od genotypów obydwojga rodziców, toteż prognoza musi opierać się na rozważeniu danych o nich obojgu. Najczęściej porady zasięgają mężczyzna i kobieta pragnący mieć wspólne dziecko. Niekiedy jednak zdarza się, że o poradę prosi pojedyncza osoba i brak miarodajnych danych o drugim z rodziców. Praktycznie zdarzają się trzy takie sytuacje: 1) osoba pochodząca z obciążonej rodziny zwraca się z pytaniem, czy jej dzieci będą dotknięte; nie ma aktualnych lub planowanych związków z drugą osobą; 2) jedno z aktualnych lub przyszłych rodziców zasięga porady w tajemnicy przed drugim; 3) rodzice dziecka z obciażonej rodziny zapytują o jego przyszłość prokreacyjną. Nieco podobną sytuację stanowi zwrócenie się o genetyczną poradę przedmałżeńską przez osoby mające nieobciążone rodowody. Pierwszą zasadą określania prognozy genetycznej jest stwierdzenie, że każda para rndzicielska w danej populacji ponosi populacyjne ryzyko urodzenia dziecka z chorobą genetyczną. Wielkość tego ryzyka równa się częstości występowania tych chorób w rozważanej populacji (patrz rozdział IZnaczenie genetyki w praktyce lekarskiej). Poszczególne osoby w populacjf mogą ponosić dodatkowe ryzyko ze względu na występujące u nich niekorzystne geny, które ujawniają się w fenotypie potomstwa w interakcji z genami przekazanymi przez drugiego z rodziców. Prognoza genetyczna dotyczy tylko rozważanej cechy. Określenie wielkości ryzyka genetycznego (prawdopodobieństwa wystąpi#nia rozważanej choroby) nie zmienia wielkości ryzyka pnpulacyjnegn i rozważana para rodziców ryzyko to ponosi niezależnie od prognozy określonej dla rozważanej cechy (choroby). Jest to niezwykle istotne, gdyż pacjenci zazwyczaj uważają korzystną prognozę genetyczną (rozważana choroba nie wystąpi u potomstwa) za równnznaczną ze stwierdzeniem, że przyszle dziecko będzie zdrowe. Ryzyko populacyjne istnieje zawsze. Ryzyko genetyczne zależy pnnadto od wieku osnby zasię#ającej porady. Ryzyko urodzenia dziecka z aberracją chromosnmalną wzrasta z wiekiem matki (patrz niżej). Pewne dane wskazują, że ryzyko wystąpienia mutacji genowych wzrasta z wiekiem
221 ojca. W przec#wieństwie do ryzyka związanego z wiekiem matki ryzyko genetyczne związane z wiekiem ojca jest niewielkie i przynajmniej do 55 roku życia można je pominąć. Ryzyko związane z wiekiem ojca powyżej 55 lat nie jest dokładnie określone iloścńowo. Wydaje się jednak, że jest ono niewielkie. Drugą, bardzo istotną zasadą przy określaniu prognozy genetycznej jest więc reguła, że populacyjne ryzyko genetyczne jest różne dla poszczególnych grup wiekowych kobiet i istotnie wzrasta dla kobiet rodzących po 37 roku życia. Trzecia zasada mówi o tym, że prognoza genetyczna ustalona dla pojedynczej osoby, a nie dla pary przyszłych rodziców, ma ograniczoną wartość. Czwarta zasada stwierdza, że prognoza genetyczna jest zawsze probabilistyczna. Wielkość prawdopodobieństwa, z którym określono prognozę genetyczną, zmienia się zależnie od tego, czy genotyp pacjentów jest znany, czy też tylko zakładany z pewnym prawdopodobieństwem. W tym ostatnim przypadku wykorzystuje się dane rodowodu. Inne znaczenie należy przypisywać danym rodowodu dotyczącym krewnych wstępnych, a inne - dotyczącym krewnych zstępnych.
OKRE#LENIE PROGNOZY GENEłYCZNEJ W CHOROBACH JEDNOGENOWYCH
Określenie prognozy genetycznej w chorobach jednogenowych jest oparte na prawach Mendla. Przy znanym genotypie pacjentów jest to w zasadzie sprawa prosta. W wyniku związku dwóch homozygot pod względem tej samej c:echy powstaje homozygota. Związek dwóch różnych homozygot prowadzi do powstawania heterozygoty. Wynik związku dwóch homozygot jest więc jednoznacznie określony z prawdopodobieństwem = 1. Związek heterozygoty z homozygotą może prowadzić do powstania homozygoty lub heterozygoty z równym prawdopodobieństwem, tj. 50o/o. Związek dwóch heterozygot prowadzi do powstania albo jednej z dwóch możliwych homozygot (prawdopodobieństwo po 25#/o), albo heterozygoty (prawdopodobieństwo 50o/o). Stwierdzenia te wynikają z krzyżówek przedstawionych w rozdziale o dziedziczenic jednogenowym. W odniesieniu do autosomalnych chorób dominujących można by więc przewidywać prawdopodobieństwo urodzenia chorego potomstwa na podstawic prawdopodobieństwa powstania homozygoty zmutowanej (tj. z genem choroby lub odpowiedniej heterozygoty. W rzeczywistości jednak przewidywanie tc sprawdza się jedynie w odniesieniu do względnie mało upośledzających cect o pełnej penetracji. W wielu chorobach tej grupy homozygoty giną we wc'zesnym rozwoju i tylko heterozygoty mają szanse przeżycia przez dłuższy okres W celu opracowania pełnej i miarodajnej prognozy genetycznej nieżbędna jes' więc znajomość rozkładu prawdopodobieństw przeżycia określonego czasu współczynnika penetracji, prawdopodobieństwa różnych stopni ekspresji cechy (nasilenia objawów choroby) i współczynnika zdolności reprodukcyjne w danej jednostce chorobowej. W odniesieniu do większoścń dominującycl chorób nie ma liczb, które charakteryzowałyby te wielkoścń. Dysponuje sit danymi jakościowymi, jak np. stwierdzeniem, że dana choroba prowadzi najczęściej w stanie homozygotyczności do śmierci we wczesnym okresie życia Toteż nawet w pozornie prostym układzie prognozy dla dominującej chorobJ autosomalnej ustalenie prognozy z matematyczną dokładnością jest w obecł nyrn stanie wiedzy możliwe tylko w niektórych przypadkach. W uproszczeniu można przyjąć, że w przypadku obciążenia dominującą cho
222 robą autosomalną prawdopodobieństwo urodzenia chorych dzieci wynosi dl"# związku : 1) homozygota typ zmutowany (m/m) )( heterozygota typ zmutowany/tyg# dziki (m/-f-): 1,0 (wszystkie dzieci chore), 2) heterozygoty (m/-#) )( (m/#-): 3/,, czyli 0,75 lub '/s, czyli ok. 0,66, jeżeli homozygoty (m/m) giną we wczesnym okresie życia (zarodkowym lub płodowym), 3) heterozygoty (m/-f-) z homozygotą (- #/#-): 0,5 (połowa potomstwa jest chora). Oczywiście, związek dwóch homozygot, niezależnie, czy (m/m) )( (m/m) czy (m/m) )( (#--/-#), prowadzi do powstania gamet obciążonych, tj. do bezpłodności, zmniejszonej płodności lub urodzeń chorych dzieci. Posługując się danymi z rozdziału o dziedziczeniu jednogenowym, Czytelnik może określić prawdopodobieństwo urodzenia dzieci chorych, nosicieli choroby i zdrowych w zależności od genotypów pacjentów obciążonych genem choroby autosomalnej recesywnej. Ponownie należy podkreślić, że teoretyczne przewidywania mogą ulec modyfikacji na skutek selekcji za lub przeciw heterozygo= tom lub homozygotom. ftozważając choroby recesywne, należy pamiętaE, że w rzeczywistości wiele# z nich dziedziczy się w sposób kodominujący. Kilkakrotnie poruszanym przykładem są choroby metaboliczne, w których można odpowiednim testem wykryć heterozygotę (nosiciela). Inny pouczający przykład stanowi anomalia Pel= gera i Hueta, występująca u ludzi i królików. Polega ona na hiposegmentaeji jąder granulocytów i na charakterystycznych zmianach struktury jąder innych komórek układu krwiotwórczego. Cechę tę McKusick klasyfikuje jako. dominującą. Hodując króliki z anomalią Pelgera i Hueta uzyskuje się potomstwo wy#kazujące cechę i nie wykazujące jej w stosunku 2 : 1, przy jednoczesnym zmniejszeniu płodności w porównaniu z krzyżówkami rodzeństwa które cechy nie wykazuje (Nachtsheim 1954, własne doświadczenia). Sekcjał ciężarnych zwierząt wykazuje obecność obumarłych płodów lub resorpcji. W kilku przypadkach udało się wyhodować potomstwo ginące w pierwszych dniach życia i mające objawy ciężkiej chondrodystrofii i fokomelii. Opisano też dwa podobne przypadki u ludzi. Dane te świadczą o tym, że anomalia# Pelgera i Hueta w obrębie układu krwiotwórczego jest spowodowana pojedynczą dawką genu, który w podwójnej dawce prowadzi do ciężkich zaburzeń. rozwojowych i zwykle do śmierci w okresie płodowym lub zarodkowym. Ina= czej mówiąc, osoba (lub królik) z anomali# Pelgera i HueLa w układzie krwiotwórczym jest heterozygotą w odniesieniu do recesywnej cechy "chondrodystrofia typu Pelgera i Hueta". Przykład ten wskazuje na konieczność dalekoł posuniętej ostrożności przy wnioskowaniu o toku dziedziczenia rzadkich cech. Obserwując nieliczne rodziny ludzi z anomalią Pelgera i Hueta, mające nie-. zbyt liczne potomstwo, łatwo jest przyjąć dominujący tok dziedziczenia. W sytuacji, w której genotyp pacjentów nie jest znany, a jest tylko zakładany z pewnym prawdopodobieństwem na podstawie danych rodowodu, na= leży posługiwaE się prawdopodobieństwem złożonym, wykorzystując twierdzenie Bayesa. Odpowiednie metody postępowania są omawiane w podręcznikach poradnictwa genetycznego. W tym rozdziale zostały podane tylko dwa przykłady, pierwszy oparty na obliczaniu prawdopodobieństwa złożonego i drugi wykorzystu;ący twierdzenie Bayesa (patrz poprzednie ustępy tego rozdziału ł szczegółowo omawiają te sprawy Murphy i Chase, 19?5. Rycina 99 przedstawia rodowód rodziny z chorobą recesywną, który może być wykorzystany do zilustrowania określania prognozy genetycznej dla różnych krewnych probanda.
223: Ryc. 99. Rodowód rodziny a chorobą recesywną. W nawiasach podano prawdopodobieństwo heterozygotyczności, nie oznaczono tego prawdopodobieństwa dla II,E i III,1, gdyż odpowiada ono ezęstości genu w popuIacji i zależ, od rozpoznania (w zaIożeniu przyjęto chorobę recesywną, be: sprecyzowania rozpoznania). lll
1V
Jest nim dziewczynka III,4 z chorobą recesywną o pewnym toku dziedziczenia, ustalonym z danych piśmiennictwa, rozpoznanie jest pewne. Stąd rodzice I1,2 i II,3 są obligatoryjnymi heterozygotami (prawdopodobieństwo P = 1,0). Ich genotypy są więc znane i ponoszą oni ryzyko dla każdego następnego dziecka = '/a (25#/#), że będzie ono chore. Liczba urodzeń zdrowych lub chorych dzieci nie zmienia wielkości tego ryzyka. Kolejne zapłodnienia są zdarze-niami niezależnymi. Wykorzystując podane wyżej rozumowanie o prawdopołdobieństwie uzyskania poszczególnych wyników rzutu monetą i rozwinięcie dwumianu w trójkącie Pascala, Czytelnik może przeprowadzić formalny dowód. Udział nowych mutacji w chorobach recesywnych jest znikomy, można więc przyjąć z wystarczającą ufnością, że zmutowany gen pochodzi od krewnych wstępnych, tj. pokolenia I. Dla wszystkich czworga dziadków i babek probanda można więc obliczyć jednakowe prawdopodobieństwo heterozygotyczności: P # '/z (50o/a dla każdego). Posługując się tą informacją, można obliczyć dla heterozygotyczności P # '/z dla osób 1,4 i 5 pokoleniu II. Dla I11,5 prawdopodobieństwo złożone p = 1/e)C'/? = '/#. I11,2 oraz III,3 są dziećmi dwóch heterozygot i mają fenotyp prawidłowy. Są więc albo heterozygotami albo homozygotami typ dziki, z prawdopodobieństwem =/a dla heterozygoty i '/, dla homozygoty typ dziki.
Dla osoby IV,1 ryzyko heterozygotyczności wynosi I X 2 2 3 3 ko posiadania chorych dzieci dla wszystkich tych osób wynika z ryzyka heterozygotyczności pomnożonego pr#ez względną częstość genu w populacji (ozna.czoną przez q), pomnożonego przez ryzyko urodzenia homozygoty ze związku dwóch heterozygot, to jest '/#. Stąd:
dla II,1; II,4; II,5 ryzyko = '/#X'/,Xq # '/nq dla I11,2 i III,3 ryzyko # =/3X'/4Xq # '/sq dla II1,5 ryzyko # '/aX'/,Xq # '/Isq dla IV,1 ryzyko # I/sX'/aXq # '/#zq
Ryzyko populacyjne odpowiada względnej częstości ehoroby w populacji to jest q= (rozkład dwumianowy). Dla rzadkich chorób recesywnych q jest małe, stąd wszystkie te osoby mają ryzyko znacznie wyższe niż populacyjne. Wystarczy obliczyć ryzyko np. dla mukowiscydozy, gdzi# q wynosi około 'h" a ryzyko populacyjne około 1 : 2500. Jednakże jest to wciąż ryzyko w granicach małego ryzyka. Ryzyko wzrasta istotnie w przypadku małżeństw spo#krewnionych. Na przykład w pr#ypadku związku II,1 z IV,l ryzyko wynosi: '#,X'#,X'/# ''I# W rozważanym kankretnym przykładzie związek osól> nie spokrewnionych II,1 z II,4 lub III,5 ponosi odpowiednio ryzyko 1/#s lub 1/3z. W odniesieniu do osób, co do których uzyskano informację o prawdopodobieństwie genotypu z danych o krewnych zstępnych, prawd#podobieństwo to nie ulega zmiańie niezależnie od dalszej historii reprodukcyjnej. Tak więc ryzyko posiadania dzieci heterozygot dla par I,1 i I,2 oraz I,3 i I,4 oraz dzieci chorych lub heterozygot dla pary I1,2 i II,3 nie ulega zmianie niezależnie od liczby następnych urodzeń zdrowych dzieci. Gdyby jednej z par w pokoleniu I ur4dziło się chore dzieoko, wówczas prawdopodobieństwo heterozygotyczności dla każdego z nich (1/e) zmieniłoby się na prawdopodobieństwo 1,0.
iv < ##, Ryc. 100. Rodowód rodziny z cechą recesywną. III,2 jest albinosem.
Prawdopodobieństwo genotypu wydedukosanego z danych o krewnych wstępnych jest bardziej podatne na zmianę w zależności od historii repr4- dukcyjnej. Obliczenie prawdopodobieństw opiera się na twierdzeniu Bayesa i polega na rozważeniu prawdopodobieństw teoretycznych w porównaniu z wynikami k#lejnych ciąż. Ilustruje to przykład rodowodu na rycinie 100. Załóżmy, że pacjenci to małżeństwo spokrewnione III,1 i III,2, w którym mężayzna III,2 jest a1binosem (rzadka cecha recesywna). A prżorż u III,1 istnieje ryzyko '/z X 1/z =1/4, że jest heterozygotą. Stąd ryzyko, że dziecko IV,l będzie homozygotą pod względem cechy wynosi 1/s. Jeżeli urodzone dziecko nie wykazuje cechy i ma prawidłowy fenotyp, eliminuje to tę możliwość. Stątl nowe prawdapadobieństwo, że I1,2 jest heterozygotą wynosi e/r, a że III,1 jest heterozygotą wynosi '/,. Ryzyko dla następnego dziecka wynosi więc '/2 X 1/, = Ih9. Jeżeli następne dzieeko ma prawi"łowy fenotyp, to prawdopodobieństwo, że II,2 jest heterozygotą zmniejsza się do 6/#s, a III,1 - do I/#,. Stąd ryzyko dla trzeciego dziecka zmniejsza się do 1/z6. Z powyższych przykładów wynika, że w przypadku nie znanego genvtypu pacjentów, zakładanego tylko z pewnym prawdopodobieństwem z danych rodowodu, określenie prognozy genetycznej jest złożone. Prognozę genetyczną powinna więc określać specjalistyczna placówka. Opieranie pragnozy na postulawamych a prżorż genotypach bez uwzględnienia informacji z danych o krewnych zstępnych prowadzi do zawyżenia wielkości ryzyka. Dodatkowe trudności może nasuwać oltreślenie prognozy w przypadku chorób występującyeh w późniejszym okresie życia. Należy wówczas uwzględnić wiek pacjenta i prawdopodobieństwo ujawnienia się choroby w danym wieku. Na przykład osoba obciążona 50a/o ryzykiem dominującej pląsawicy Huntingtona (jedno z jej rodziców ma tę chflrobę) ponosi w zasadzie ryzyk-o 25o/a posiadania dziecka z tą chorobą. Jeżeli jednak abjawy choroby nie wystąpiły w pewnym wieku, to ryzyko ulega zmniejszeniu proporcjonalnie do odsetka osób z chorobą ujawnioną w tym wieku. #V 40 roku życia 75,/o chorych na pląsawicę
15 - Zarys genetyki 225 Huntingtona ma objawy choroby. Stąd osoba obciążona ponosi ryzyko, że jest heterozygotą : 1/zii0,25 (1/z)(0,25) -#0,5
= 0,2
a dzieci tej osoby ponoszą ryzyko równe połowie tej wartości, to jest l0o/o. Innyxn czynnikiem komplikującym prngnozę genetyczną jest niepełna penetracja. Ustalając prognozę w przypadku obciążenia chor"bami sprzężonymi z chromosomem X, należy kierować się zasadami podanymi w podrozdziale o genotypie pacjenta. Ujawnienie się choroby u hemizygoty mężczyzny nie świadczy o nosicielstwie matki, jeśli rodowód jest nieobciążony. W około 70o#u przypadków j#st to wynik nowej mutacji. Stąd ryzyko dla następnego syna (i nosicielstwa córki) wynosi P =1/z X 30o/o =15o#o. Urodzenia następnych zdrowych synów zmniejszają odpowiednio prawdopodobieństwo, że matka jest nosicielką i płynące stąd ryzyko dla następnych synów. Należy stosować rozumowanie podobne jak podane powyżej dla autosomalnych chorób recesywnych. Urodzenie dwóch chorych synów praktycznie akreśla genotyp matki jako nosicielki rhoroby z wystarczającą ufnością, aby ryzyko dla następnych synów uważać za P=50o#o. W określeniu nosicielstwa córek może być przydatne badanie cech sprzężonych z chromosomem X.
PROGNOZA GENEłYCZNA W MAŁŹEŃSłWACH SPOKREWNIONYCH
Prognoza genetyczna w małżeństwach spokrewnionych dotyczy przede wszystkim ryzyka wyśtąpienia autosomalnych cech recesywnyćh u potomstwa. Dla cech dominujących prognoza jest niezależna od spokrewnienia (genotypy są znane). Mężczyzna ńie może być homozygotą pod względem chramosomu X. U kobiet h#xnozygotyczność pod względem choroby sprzężonej z chromosomem X może być rózważana podobnie jak efekt spokrewnienia dla cech autosomalnych. Zazwyczaj kobiety homozygoty pod względem choroby sprzężonej z chromosomem X giną w okresie zarodkowym i stąd w małżeństwach spokrewnionych obciążonych taką cechą wzrasta ryzyko poronień płodów żeńskich. Rodowód na rycinie 101 przedstawia najc#ęstszy bliski stopień spokrewnienia - związek ciotecznego rodzeństwa (kuzynów I stopnia). Prawdopodobieństwo przekazania tego samego genu (alleli) z pokolenia I do pokolenia IV
I,1 I3) (3) I,2 1 2
(2% II,2 (4) (4) II,3 (2} II I I
1 2 3 4 I (1) III,1 I5) l5) III,2 (1) 1 2
##IV,1 IV
1 F# I st C# s
Rye. 101. Rodowód małżeństwa spokrewnionego (objaśnienia w tekście)
226 wynosi P :1/# X =/# X 1/e = (I/#)3 # 1/8, przekazanie tego samego genu (alleli) z obu stron - matki i ojca ma P =1/8 X 1/8 =1/64. Ponieważ w każdym lo#us w pokoleniu I występują cztery allele, łączne prawdopodobieństwo, że oba allele w określonym loc2ss pokolenia IV odpowiadają temu samemu genowi (allelowi) pokolenia I wynosi P = 4 X '/s4 =1/#s. Różne pochodzenie alleli ma P =1- '/#s =15/##. Stąd prawdopodobieństwo homozygotyczności w pokoleniu IV dla aileli a (Paa) ze względu na wspólne pochodzenie wynosi I/:s q, gdz:e q oznacza ezęstość genu w populacji. Prawdopodcibieństwo homozygotycznnści przy różnym poehodzeniu alleli wynosi 15/,s qź. Częstość drugiego z alleli A jest p. Jeżeli pamiętamy zasadę rozkładu dwumianowego, i że p-3-q =1, to całkowite prawdopodobieństwo homozygotyczności wynosi: Paa =16/s6q# -f-1/tsq = qz -#-1/#e#lq
Paa = p# -I-1/3spq Ponieważ częstość heterożygot ulega zmniejszeniu równemu wzrostowi ćzęstości homożygot : Paa =1 pq - #/3npq Wzrost ryzyka wystąpienia choroby recesywnej w małżeństwie spokrewnionym w stosunku do ryzyka populacyjnego zależy od częstości genu w populaeji. Frzy dużej częstości ryzyko wzrasta nieznacznie, przy małej wzrasta w dużym stopniu. Wniosek: małżeństwo spokrewnione ponosi ryzyko wystąpienia rzadkiej, nie ujawnionej dotychezas w rodzinie ehoroby recesywnej. Podane wyżej rozumowanie można uogólnić posługując się współezynnikiem spokrewnienia (wsobności). Ogólny wzór dla współezynnika F przedsta#via się :
F # CI#Q)N gdzie N odpowiada liczbie wspólnych przodków w obu liniach. W omawianym wyżej przyk#adzie liczba wspólnych przodków wynosi 5 w każdej linii (ryc. 101) i F = I/ss. Dla związku II,2 i III,2 F =1/e. Podane wyżej wzory można uogólnić dla dowolnego stopnia pokrewieństwa:
Paa = (1- F) qz -i- Fp
Paa = (1- F) 2 pq Współezynnik F można stosować do rodowodów obciążonych chorobą x^ecesywną. Dla rodowodów nie obciążonych ryzyko mniejsze niż przy F=lhs można pominąć. Nawet przy F =1/e ryzyko jest małe.
OKREŚLENIE PROGNOZY GENEłYCZNEJ DLA PACJENłóW OBCIĄŻl#NYCH ABERftACJt# CHftOMOSOMALNĄ LUB CfIOROBĄ WIELOGENOWĄ
Określenie prognozy genetycznej dla pacjentów obc?ążonyeh aberracią chromosomalną lub chorobą wielogenową opiera się w obecnym stańie wiedzy wyłącznie na danych doświadeza!iych. Można je odnaleźć w piśmiennictwie, przede wszystkim w kompendium pod redakeją Bergsmy (1980). Ryzyko aberracji chromosomalnych przy prawidłowym kariotypie rodziców i nieobciążonym rodowodzie odpowiada w przybliżeniu częstości aberraeji w populacji. Ściślej, ryzyko to odpowiada częstości aberracji w populacji, a mniej rzęstości aberracji w rodzinach obciążonych obecnych w tej populacji. Ryzyko dotyczy przede wszystkim urodzenia dziecka z trisomią 21 i wynosi ok. 1,5 promila. Ryzyko to wzrasta z wiekiem matki i dla kobiet rodzą
227 cych po 37 roku życia osiąga wartość bliską lo;'o. Podobnie urodzenie jednego dzieeka z aberracją chromosomalną, niezależnie od jej typu, zwiększa ryzyko urodzenia dziecka z tą samą lub inną aberracją chromosomalną do ok. lo/o dla matek poniżej 37 lat. Dla kobiet starszyeh ryzyko pozostaje takie samo jak dla innych kobiet tej grupy wiekowej mimo obciążenia wywiadu. Nieprawidłowości kariotypu rodziców zwiększają ryzyko w różnym stopniu, zależnie od rodzaju nieprawidłowości i płci jej nosiciela. Ryzyko ponoszą przede wszystkim nosiciele translokacji zrównoważonych, a jego wielkość jest różna zależnie od typu translokacji. Znaczenie tranślokacji robertsonowskich chromosomów 13 i 14 jest dyskusyjne, podobnie jak wariantów chromosomów #inwersja 9, warianty 16). Określenie prognozy genetycznej należy w tych przypadkach pozostawić specjalistycznym placówkom. Ryzyko genetyczne w przypadku zespołów wielogenowych również zależy od rodzaju choroby. Można przyjąć bardzo ogólną regułę, że wystąpienie choroby u jednego z bliskich krewnych pociąga za sobą ryzyko w granicach od 3 do 5o/o. Wystąpienie zespołu u dwóch członków rodziny zwiększa ryzyko do 10-15o/o. ftyzyko empiryczne ponownego wystąpienia choroby wielo#enowej jest różne w odmiennych populacjach.
POI#ADA GENEłYCZNA
Porada genetyczna polega na przekazaniu informacji o ustaleniach, tj. o rozpoznaniu, podłażu genetycznym choroby u probanda, taku dziedziczenia i prognozie genetycznej dla pacjentów. Omawiając prognozę należy pamiętać o stopniu obciążeńia, które powoduje choroba oraz o przedyskutowaniu możliwości leczenia lub rehabilitacji. Następnie należy wskazać możliwe opeje z uwzględnieniem diagnostyki prenatalnej, sztucznego unasiennienia i możliwości adopcji. Nie ma sztywnych reguł udzielania porady genetycznej. Sposób przekazania informacji zależy od wykształcenia pacjenta, jego osobowości i sytuacji życiowej oraz od osobowości lekarza. Porady można udzielać zespołowo lub pojedynezo, w ciągu jednej lub kilku wizyt itp. Można podać kilka bardzo ogólnych wytycznych. Większość pacjentów nie zna praw dziedziczenia. Należy je więc wyjaśnić w przystępny sposób. Większość też nie zna pojęć rachunku prawdopodobieństwa. Trzeba wyjaśnić probabilistyczny charakter prognozy genetycznej. Liczbowe określenie wielkości ryzyka genetycznego nie przemawia do wyobraźni. Umownie przyjęto za Carterem określać ryzyko do 5o;i" jako małe, w granicach 5 do l0o/o jako średnie, a powyżej IOo/o jako duże. Pacjentowi należy podać wielkość ryzyka dokładnie, a następnie określić je jako małe, średnie lub du#że i porównać z ryzykiem codziennego życia, jak np. ryzykiem wypadku drogowego, wypadku przy pracy w zawodzie pacjenta lub ryzykiem zachorowa#nia na często występujące choroby. Oczywiście, do oceny ryzyka dochodzi #cena obciążenia, jakie choroba powoduje. Pacjent powinien zrozumieć treść porady i w dyskusji z lekarzem radzącym podjąć samodzielną decyzję. Lekarz nie powinien narzucać swoich poglądów. Ńie jest to łatwe, tym bardziej, że często pacjenci oczekują wskazania najlepszego wyjścia i zadają pytanie, jaką decyzję podjęłaby osoba, udzielająca porady. Decyzja prokreacyjna jest sprawą tak osobistą, że lekarz nie może pod;ąć jej za pacjenta. Omawiając diagnostykę prenatalną, należy wielkość ryzyka genetycznego porównać z ryzykiem proponowanej metody badania. Amniocenteza genetycz
#28 na powoduje ryzyko dla plodu mniejsze niż lo#o, natomiast w obecnym stanie techniki amnioskopia powoduje ok. IO#io ryzyka straty płodu. Obie metody mają znikome ryzyko dla matki. Zakońezenie ciąży ze wskazań genetycznych; wykonane zgodnie z zasadami, przy użyciu prostaglandyn lub mikrocięciem cesarskim, powoduje ryzyko równe ryzyku porodu. Z punktu widzenia możliwości powikłań i skutków dla następnych ciąż ryzyko przerwania ciąży przez wyłyżeczkowanie w pierwszych 12 tygodniach jest znacznie wyższe. Po przedyskutowaniu porady z pacjentem należy odpowiednio przystępnie sformulowaną jej treść przekazać mu na piśmie, gdyż z biegiem czasu pacjenei zniekształcają ustną treść porady. Wskazane jest przekazanie kopii lekarzowi kierującemu. Z doświadezeń autorów tego rozdziału wynika, że porada genetyczna powinna być udzielana przez specjalistów w tej dziedzinie. Lekarze innych specjalności powinni ograniczyć się do stwierdzenia genetycznego obciążenia i potrzeby porady oraz właśeiwego skierowania pacjenta. Plaeówka genetyczna powinna zapewnić właściwą opiekę pacjentowi i jego rodzinie, kierując do odpowiednich specjalistów. Bardzo istotną sprawą jest utrzymanie dalszego kontaktu i uzyskanie informacji o dalszych losach rodziny, której udzielono porady. Konfrontując treść porady i aktualne decyzje pacjentów z celem poradnictwa, którym jest umoż= liwienie genetyczńie obciążonym rodzinom posiadania zdrowych dzieci, lekarz udzielający porady może dokonać kontroli skuteczności swego działania.
PO ZlSUMO WANIE
Podstawowym celem poradnictwa genetycznego jest umożliwienie genetycznie obeiążonym rodzinom posiadania zdrowych dzieći poprzez wskazanie rodzinom ryzyka możliwości wezesnego wykrycia chorych członków rodziny i zapewnienie im wezesnego właściwego leczenia lub rehabilitacji. Następnym celem poradnictwa jest zmniejszenie częstości urodzeń chorych genetycznie. Poradnictwo opiera się na identyfikacji rodzin i osób ryzyka genetycznego oraz przekazaniu im informacji o wielkości tego ryzyka. Naśtępnym etapem jest wskazanie możliwych opeji ;prokreacyjnych, możliwości leczenia i rehabilitacji oraz organizacja opieki genetycznej. Cały personel służby zdrowia, niezale#nie od specjalności, powinien brać udzial w identyfikacji rodzin i osób ryzyka. #.V. Diagnost##a prenatalna
Lucja# Wżśrzżezuskż
Nat#ralną #onsekwencją i przedłużeniem poradnictwa genetycznego jest d"agnostyka prenatalna chorób uwarunkowanych genetycznie. Poradnictwo genetyczne operuje pojęciem ryzyka opartym na prawdopodobieństwie statystyeznym. Diagnostyka prenatalna natomiast poz-t#ala na rozpoznawanie wielu ciężkich schorzeń plodu we względnie wczesnym okresie ciąży, kiedy można zastosować postępowanie lecznicze - lub podjąć decyzję o przerwaniu ciąży, gdy nie ma żadnych możliwości terapii. Na szybki rozwój diagnostyki prenatalnej w ostatnim dziesięcioleciu złożyło się wiele czynników. Jednym z nich bylo niewątpliwie wprowadzenie do diagnostyki prenatalnej badań ultrasonograficznych. Badania takie umożliwialy rozpoznawanie wielu wad ośrodkowego ukladu nerwowego (o.u.n.) już od 12 tygodnia ciąży, pozwalaly na określenie odpowiedniego terminu pobrania wód płodowych oraz zwiększały bezpieczeństwo zabiegu amniopunkcji. Poza waclami o.u.n. zastosowanie odpowiednich aparatów ultrasonograficznych umożliwia rozpoznawanie również takich nieprawidłowości, jak malogłowie, wady serca, nerek, układu kostnego itp. Początkowo diagnostyka prenatalna, przeprowadzana w II trymestrze c:ąży, opierala się głównie na badaniach ultrasonograficznych oraz zabiegu amniopunkcji. Ten ostatni polegal na pobraniu próbek płynu o##iodńiowego. Komórki z płynu hodowano i po ok. 2-3 tygodniach można bvło uzyskać wy
Ry#. 102. Ultrasonogram płodu w 17 tygodniu ci#ży. Brak prawidłowych ech odgłó#=?#i płodu.
230 niki badań cytogenetyeznych lub biochemicznych. W samym płynie owodniowym prowadzi się głównie badania stężenia alfa-fetoproteiny i acetylocholinoesterazy - znaczników (markerów) wad ośrodkowego układu nerwowego. Istotnym elementem, wpływającym na rozwój diagnostyki prenatalnej, bylo wprowadzenie w latach siedemdziesiątych prążkowych metod identyfikacji chromosomów, pozwalających na rozpoznawanie aberracji chromosomo#vych, zarówno liczbowych, jak i strukturalnych. ### latach ostatnich opracowano metody pobierania kosmków trofoblastu, pozwalające na wykonywanie diagnostyki prenatalnej już w I trymestrze ciąży, szczególnie w przypadkach związanych z diagnostyką chorób chr4mosomowych.
OCENA KAIZIOłYPU PŁODU
Możliwość wykrycia wad chromosomowyeh u,płodu w klasyenej już diagnostyee prenatalnej II trymestru ciąży jest uzależniona od sposobu hodowli komórek wód płodowych, jak też odpowiedniego doboru metod prążkowych do identyfikacji chromosomów.
231
Ryc. 104. Płód po rozpoznaniu prenatalnym przepukliny móz- gowo- rdzeniowej potwierdzo- nej po indukowanym poronie- niu.
Ryc. 103. Płód z rozpoznaną prenatalnie wadą bezmózgowia po wywołaniu poronienia za po- moeą prostaglanclyn. Pobranie wód płodowych dfl analizy chromosomów, jak i do innych badań. odbywa się między 16 - 18 tygodniem ciąży. W wodach płodowych znajdują się komórki pochodzące z owodni, naskórka płodu, nabłonka przewodu pokarmowego, układu oddeehowego oraz moczowo-płciowego. Większość komórek jest uszkodzona, jedynie kilka z nich, od 3 do 5 w 1 ml, wykazuje zdolność wzrostu. Materiał do hodowli powinien być pobrany w warunkach jałowych, zakładany do hodowli w specjalnych laminarach z nawiewem jałowego powietrza. Założone ho.dowle prowadzi się w inkubatorach z przepływem 5#! " COz, utrzymujących odpowiednią temperaturę i wilgotność. Dzięki zastosowaniu niezbędnych odczynników i pożywek, których opis przekraczałby ram y tego rozdziału, pobrane komórki dają się z powodzeniem hodować in vitro. Metody hodowli komórek z wód płodowych opisało wielu autorów, m.in. Nadler (1969 r.), Santesson (1969 r.), Bn"rr - Gardner i wsp. (1972 r.), Paul (1975 r.), Sehmidt (1975 r.), z polskich autorów - Snieżek (1969 r.). Wyróżniamy dwie formy wzrostu komórek z wód płodowych, a mianowicie fibroblastopodobne i nabłonkowopodobne. Dla badań cytogenetycznych nie ma większego znaczenia, jaki jest rodzaj badanych komórek. Garnitur chromosomowy jest stałą cechą każdej komórki. Jednak istnieją czynniki wpływające niekiedy na zachowanie się chromosomów podczas hodowli i doprowadzające do powstawania kilku linii komórkowych różniących się kariotypem (mozaikowość). Dlatego niektórzy badacze bazują na hodowlach wyprowadzonych z jednej komórki - metoda hodowli i#. situ i stosują dość skomplikowany nieraz system kontrolny. Bardzo interesującą modyfikacją met#dy uzyskiwania chromosomów z hodowli komórek wód płodowych jest pobieranie kilku komórek dzielących się z hodowli 3-4-dniowej (Claussen, 1983 r.) i wykonanie preparatów chromosomowych do wstępnej, szybkiej analizy. Rutynowo stosowana hodowla wód płodowych wymaga 2 - 3 tygodni wzrostu, w celu uzyskania dostatecznej liczby dzielących się komórek. Jak dotąd, nie wykryto czynnika pobudzającego wzrost komórek fibroblastopodobnych, tak jak to jest w przypadku limfocytów, gdzie pod wpływem fitohemaglutyniny następuje przyspieszenie podziałów komórkowych x już po 48 h można określać kariotyp. Ważnym czynnikiem w diagnostyce prenatalnej zaburzeń cllromosomalnych jest postęp w zakresie identyfikacji chromosomów. Grupa badaczy pod kierownictwem Casperssona opublikowała pierwsze obserwacje dotyczące zróżnicowanego wiązania się barwników fluoryzujących z hetero-euchromatyną chromosomów. Zauważono, że chromosomy wiążą barwniki nierównomiernie, ale według stałego powtarzalnego wzoru. Metoda fluorescencji umożliwiła opracowanie nowych kryteriów klasyfikacji chromosomów homologicznych, dokładniejsze rozpoznanie aberracji strukturalnych chromosomów i wiarygodn# ocenę kariotypu. Dalsze opracowania wykazały zróżnicowanie poprzeczne chromosomów #>rzy zastosowaniu barwnika Giemsy po uprzednim traktowaniu preparatów trv,nsyną lub solankami. Obserw#wano też ciemne barwiące się barwnikiem Giemsy rejony okołocentromerowe (bloki C) przede wszystkim chromosomów 1, 9, 16, Y i chromosomów akrocentrycznych oraz mniej wydatne - w pozostałych chromasomach. Poprzeezny wzór prążkowy ealych chromosomów (prążki G), widocmy po barwieniu barwnikiem Giemsy, stał się przydatny w diagnostvce prenatalnej. Odwrotnością morfolo#iczną prążków G są prążki R. Akt,#salnie żstnieje wiele metod prążkowych i opracowano ich specjalną nomenkiaturę. Najszerzej stosowaną metodą prążków G jest metoda GłG, prążków C - CBG, prążków R - metoda RBA. Wskazania do oznaczania kariotypu płodu przedstawiają się następująco:
232 1. Wiek matki powyżej 35 roku życia. 2. Wiek ojca powyżej 35 roku życia (dyśkusyjne). 3. Trisomia 21 u dziecka z poprzedniej ciąży. 4. ftodzinnie występujący zespół owna. 5. Inne aneuploidie niezależne od trisomii 21 (trisomia 13, 18, 8) z poprzedniej ciąży. 6. Mozaikowatość chromosomowa w kariotypie rodzicielskim (np. z lini# z dodatkowym chromosomem 21). 7. Nosicielstwo translokacji zrównoważonej u rodziców (translokacja wymienna lub heterologiczna fuzja centryczna). e. Nosicielstwo innych aberracji chromosomowyeh. 9. Zwiększone ryzyko wystąpienia schorzenia sprzężonego z płcią. 10. Zwiększone ryzyko urodzenia dziecka z zespołem łamliwego chromosomu X.
I1. Zwiększone ryzyko wystąpienia zespołu nadnerczowo-płeiowego u płodu# 12. Zwiększone ryzyko schorzeń genowych z niestabilnością chromosomową (z. Blooma, z. Fanconiego, xeroderma pig%n,e#tosum, atnxża teleangiectasia): Rodzinne występowanie zespołv Downa wiąże się często z układem mozadkowym w kariotypie rodziców lub z translflkacyjną formą tego zespołu. Urodzenie dziecka z zespołem Downa z formą translokacyjną de novo nie wiążesię ze zwiększonym ryzykiem urodzenia następmego dziecka z tym zespołem. Należy jednak mieć gwarancję co do xzeczywistego ojc#stwa dziecka z tą zmianą. W przypadku, gdy translokacyjna forma zespołu Downa jest wynikiem zrównoważonej translokaćji u jednego z rodziców, ryzyko powtórzeni# zależy od tego, czy translokacja jest pochodzenia ojcowskiego, czy też matczynego (większe ryzyko, gdy nosicielem jest matka) oraz od tego, które z chromosomów uczestniczą w translokacji. W przypadku translokacji homologicznej# t(21;21) każde następne dziecko z tego związku będzie obarczone zespolenx Downa i to l00a/o ryzyko powtórzenia zespołu Downa pow#duje, że odstępuje się od diagnostyki prenatalnej w razie kolejnej ciąży. Można zaproponnwać metodę inseminacji heterologićznej, gdy nosicielem tej aberracji jest ojciec, zanim małżonkowie zdecydują się na następną ciążę. Nosicielstwo translo'kacji typu t(13;21), t(14;21), t(15;21), t(21;23) jest wskazaniem do diagnostyki prenatalnej, przy czym najczęściej spotykaną aberracją translokaeyjną u donoszonych noworodków z zespołem Downa jest t(14;21). Wielkość ryzyka urodzenia dziecka z niezrównoważonym kariotypem u nosi~ cieli translokacji zrównoważonych jest funkcją prawdopodobieństwa tworze= nia się gamet niezrównoważonych pod względem zawartości materiału genetycznego a prawdopodobieństwem przeżycia płodów z niezrównoważonym kariotypem. Wiadomo, że wiele nieprawidłowo ukształtowanych płodów, w tym, z zespołem Downa, ulega biologicznej selekcji przez poronienia samoistne. VV przypadku translokacji wymiennych zrównoważonych istnieje możliwośćł powstawania niezrównoważonych kariotypów u płodów i ryzyko urodzenia dziecka z wadami zależy od zawartości genetycznej niezrównoważonego segmentu chromosomu, niezależnie od wielkości tego segmentu. Stwierdzenie# aberraeji strukturalnej u płodu w wyniku diagnostyki,prenatalnej wymagabardzo wnikliwej oceny, czy aberracja jest zrównoważ#na, czy nie. Czasami trzeba korzystać z bardzo pracochłonnych technik cytogenetycznych o dużej rozdzielczości, aby zinterpretować zmianę i jej konsekwencje fenotypowe. Do niedawna w rodzinach o zwiększonym ryz#ku wystąpiemia chorób sprzężonych z plcią ocena kariotypu płodu ograniczała się jedynie do ustalenia
233# płci. Aktualnie diagnostyka prenatalna tych sehorzeń została wzbagacona
-o inne badania, bardziej charakterystyczne dla tych jednostek, opierające się na bezpośredniej anali#ie DNA (sondy genetyczne).
ZASłOSOWANIE BIOPSJI Ti#OFOBLASłU W DIAGNOSłYCE PIś.ENAłALNEJ
Często stosowany zabieg amniopunkeji, pomimo nieżbyt dużego ryzyka powikłań (1o/o), ma pewne ograniczenia. W ra#ie lokalizacji łożyska w przedniej ścianie macicy wykonanie zabiegu amniopunkeji zdeeydowanie zwiększa ryzyko poronienia. Najistotniejszym jednak problemem jest zabieg przerwania ciąży w razie rozpożnania wady u płodu, co przypadałoby na okres 20 - 24 tyg. Z tego względu najbardziej korzystnym okresem diagnostyki prenatalnej jest I trymestr ciąży, a tkanką dostępną do badań - trofoblast. W tym czasie tkanka łożyskowa znajduje się w stadium kosmówki. W dobrze wykształco,nych kosmkach trzeciorzędowych znajdują się naczynia krwionośne pokrywające całe jajo płodowe. Kosmówka nie zawiera tkanek matezynych. Materiał do badań prenatalnych można uzyskać, dokonując biopsji przez kanał szyjki macicy, pobierając kosmki #arówno z kosmówki krzewiastej, tzn. z miejsca implantacji, jak i z kosmówki gładkiej. Należy wziąć pod uwagę, że po 10 tygodniu ciąży kosmki kosmówki gładkiej zanikają, w kosmówće krzewiastej zaczyna rozwijać się płyta podstawowa, a nadto miejsce implantacji może być ulokowane daleko od ujścia wewnętrznego. Zmiany te utrudniają otrzymanie kosmków do badań i większość autorów uważa, że badanie powinno wykonywać się przed ukońezonym 10 tygodniem ciąży. Pierwsze doniesienie o biopsji trofoblastu (Bł, chorion villi sampling = #VS) zostało przedstawione przez Hahnemanna i Mohra w 1958 r., dotyczyło 8 kobiet we wezesnej ciąży, które tuż przed planowanym jej przerwaniem ze wskazań społecznych zgodziły się na ten dadatkowy zabieg. Użyto endoskopu o średnicy 6 mm, który wprowadzono przez kanał szyjki do jamy maeicy, a następnie kleszezykami biopsyjnymi póbierano próbkę tkanki o wymiarach 1,5 X 0,5 X 0,2 em. Tylko jedna próbka (badana w mikroskopie świetlnym) była pochodzenia płodowego. Rok później ci sami autorzy opiśali 63 biopsje w I trymestrze ciąży. Technika była taka sama, a wyniki lepsze: w 20a/o uzyskano materiał pochodzenia płodowego, gdzie oznaczono kariotyp. U 12 pacjentek ciążę przerwano po 8 dniach - żadna z nich weześniej nie poroniła. Jedynym, acz obciążającym powikłaniem, było znalezienie w 12o/0 materiału komórek owadni. Metoda biopsji trofoblastu była już od kilknastu lat stosowana w Chinach, lecz dopiero w 1995 r. opublikowano wyniki biopsji u 100 kobiet w I trymestrze ciąży. Użyto sztywnej kaniuli metalowej o średnicy 3 mm, któr# wprowadzano na śl#po 6 - 9 cm poza ujście zewnętrzne szyjki maćicy i następnie aspirowano, po odezuciu lekkiego oporu stawianego przez najbliższy fragment kosmówki. Gdy nie uzyśkiwano materiału, procedurę powtarzano, #vkładając kaniulę w nieco innym kierunku. Paejentki w czasie 30 min po zabiegu szły do domu. Najbardziej k#mpleksowo potraktowali biopsję trofo'blastu badac#e z Mediolanu - Simoni, Brambati i wsp. (1983, 1984 r.), #tórzy przedstawili zarówno techniki biopsji, jak i możliwości różnorakich badań otrzymanego materiału. Przedstawiono wyniki badań eksperymentalnych oraz badań diagnostycznych na dużym materiale (ponad 100 pacjentek). Rozkład wskazań dc biopsji diagnostycznej przedstawiał się następująco: 87o/o - występowanic
'234 #nomalii chromosomowych, l0o#o - wystąpienie chorób sprzężonych z chromosomem X oraz 3o/o z powodu wystąpienia chorób metabolicznych. Ultrasonograficzna lokalizacja trofoblastu, ocena stanu płodu (akcja serca, ruchy) przed i po badaniu oraz dokładna kontrola położenia cewnika w ezasie biopsji czynią ten właśnie sposób pobierania kosmków do badania najlepszym i najbezpieczniejszym dla pł#du. Próbki płodowe uzyskano w 96o/o przypadków. Po zabiegu obserwowano kilkudniowe plamienie. Poronienie samoistne wystąpiło w 2o/o przypadków diagnostycznych. Nie stwierdzono zakażenia jaja płodowego (infekcji wewnątrzmacicznej). Dżięki szybkiemu rozwojowi techniki pobierania kosmków, przed diagnostyką prenatalną w I trymestrze ciąży pojawiają się coraz większe możliwoś#i. Pobrane podczas biopsji kosmki zawierają, oczywiście, taki sam materiał genetyczny i enzymatyczny jak płód, a we wczesnej ciąży masa ich nie przekracza 50o/o całego pęcherzyka płodowego. Do wykonania badań wystarcza już ok. 5 mg tkanki, a ilość optymalna to 10 - 30 mg. Kariotyp płodu oznacza się z komórek trofoblastu metodą bezpośrednią bez uprzedniego hodowania kosmków żn vżtro. Metoda ta umożliwia określenie kariotypu plodu już po kilku gndzinach po biopsji. Brambati i Simoni #v 1983 r. zdiagnozowali trisomig 21 pary chromosomów (zespół Downa) w 11 tygodniu ciąży po upływie 5 h od pobrania kosmków. Najczęściej,jednak stosuje się tżw. "overnight technique" i ocenę materiału po 24 h. Dżięki temu możliwe jest zdiagnozowanie we wczesnej oiąży chorób uzależnionych od liczbowych aberracji chromosomalnych (zespół Downa, zespół Edwardsa itd.) nraz zespół #'urnera, Klinefeltera itp. Badania genetyczne można też wykonać po 24 h od biopsji, jakkolwiek śtosuje się często metodę pośrednią, tzn. hodowlę ź#. vżtro kosmków w celu otrzyman;a szybko rosnących kultur komórkowych. Możliwość dokładnej identyfikacji i oceny chromosomów metodą prążków pozwala na diagnozowanie ehorób uza?eżnionych od strukturalnych aberracji chromosomalnych, np. zespół Cri-du-chat (zesp. "miauczenia kota"). Hodowla komórek trofoblaśtu stwarzała jednak kilka poważnych problemów. Pierwszy - to małe tempo wzrostu komórek trofoblastu w zwykłych waruńkach hodowlanych. Problem rozwiązano, hodując kosmki na specjalnych pożywkach Changa wzbogaconych hormonami, co znacznie przyspieszyło tempo wzrastania komórek. Drugi problem - to pojawianie się domieszki komórek matczynych w badanym materiale. Początkowo w pobranym materiale dominowały kariotypy #6,XX. Wiązało się to z niedoskonałymi technikami biopsji oraz brakiem doświadczenia w identyfikacji komórek doczesnej. Dokladne przeglądanie materiału pod inwertoskopem pozwala na eliminację zanieczyszczenia badanych próbek komórkami matczynymi. Dzięki temu można mieć pewność, że ujrzana właśnie mitoza i otrzymany z niej kariotyp 46,#;X jest kariotypem płodu, a nie matki. Większość aut#rów jest zdania, że metody bezpośrednie badania kosmków mają przewagę nad metodami pośrednimi (hodowlą). Spontanicznie powstające mitozy w kamórkach kosmków, pochodzących z trofoblastu, pozwalają na uzyskiwanie kariotypów i preparatów chromosomowych dabrej jakości, czas badania jest zredukowany do 2 dni, a koszty znacznie zmniejszone. Badanie enzymatyczne wykonuje się metodą ilościową oraz elektroforezy, także bez konieczności hodowania kosmków. Początkowo zakres tych badań był bardzo wąski, później stopniowo zaczęto oznaczać więcej enzymówszczególnie lizosomalnych. Simoni i Brambati oznaczają 7 enzymów lizosomalnych, a Gustavii - 11, co nie oznacza, oczywiście, kresu możliwości diagnozy odpowiednieh bloków metabolicznych. Badanie enzymów lizosomal
235 nych ma tu istotne znaczenie, pondeważ wśród ok. 50 rozpoznawalnych w czasie ciąży błędów metabolicznych znaczną część stanowią enzymopatie lizośomalne. Dotychczas dzięki biopsji w I trymestrze ciąży udało się zdiagnozować takie choroby, jak mukopolisacharydozy I - VI, glikogenozy i inne. Reasumując, w porównaniu z metodami diagnostyki prenatalnej stosowanymi w II trymestrze ciąży, biopsja trofablastu ma kilka istotnych zalet: Przede wszystkim w razie niekorzystnego wyniku badania poronienie sztuczne w I trymestrze ciąży jest zdecyd-owanie bardziej bezpieczne, szybsze i mn"ej obciążające matkę. Ta nowa metoda nie wyprze całkowicie amniopunkcji, na razie bowiem nie można tak wcześnie zdiagnozować np. otwartych wad układu nerwowego u płodu. Przegląd piśmienn#ctwa wykazuje, że biopsja trofobiastu jest badaniem. stosunkowo bezpiecznym i coraz częściej stosowaną metodą przez wiele ośrodków prowadzących diagnostykę prenatalną. O ile do 1983 r. wykonano ok. 165 biopsji diagnostycznych, to obecnie liczba ich przekroczyła już 1000# w 89 ośrodkach. Na tak dużym materiale akreśl4no ryzyko biopsji na około 3,6o/o. Jest to tzw. fetal loss rate (FLR). Różni się on nieznaeznie w zależności od ośrodka - wg Simoniego wynosi 4 - go#o, dane chińskie podają 2 - 3o/or a amerykańskie 3 - 4o/o. Poronienie po biopsji może byE spowodowane przebiciem pęcherza płodowego lub drażniącym działaniem wprowadzonego do macicy ciała obceg#. Inne obserwowane powikłania to zakażenia (na szczęście, występujące rzadko) i kilkudńiowe plamienia u znacznej części pacjentek, ale nie kończące się poronieniem ćiąży. Wydaje się słuszne, by w celu zmniejszenia częstości FLR przestrzegać ogólnych zasad, tzn. nie wykonywać biopsji w stanie zapalnym szyjki lub pochwy i plamieniu przed zabiegiem. Jeśli weźmie się pod uwagę, że ok. 8o/o wszystkich ciąż wymaga diagnostyki prenatalnej, ryzyko urodzenia płodu z wadą u kobiet powyżej 35 roku życia wynosi ponad 5o/o, a ryzyko samaistnego poronienia ok. 6,2a!o, to podany wyżej współczynnik FLR jest rzeczywiście ńiewielki. Należy przypuszczać, że wraz z rozwojem nowych technik procent powikłań będzie się zmniejszał. Postępy w uzyśkiwaniu czys#tego materiału i eoraz większe możliwości ba= dania go powodują, że biopsja trofablastu prawdopodobnie stanie się najszerzej stosowanym badaniem w diagnostyce prenatalnej.
ROLA ULłIZASONOGRAFII W DIAGNOSłYCE Pi#ENAłALNEJ WAD OŚRODKOWEGO UKŁADU NEHWOWEGO
Ultrasonografia (USG) jest jedną z metod uwi#oczniania płodu. Badanie ultrasonografdczne ma w diagnostyee przedurodzeniowej potrójne zastosowanie: Metoda ta służy do dokładnego ustalez#ia zaawansowania ciąży, lokalizacji łożyska i płodu, a także stosowana jest jako badanie diagnostyczne. Ze względu na niską częstotliwość stosowanych ultradźwięków (ok. 2 MHz) i krótkie czasy ekspozycji pacjentki powszechnie uważa się, że ultrasonografia jest całkowicie nieszkodliwa dIa pacjentki i płodu. Wiek ciąży ustala się na podstawie określenia wymiaru dwu"emieniowego główki płodu, wymiaru poprzecznego klatki i tułow"a, a także pomiaru kości długich kończyn płodv. Ultrasonografia jako metoda diagnostyczna w zakresie wad wrodzonych najwcześn"ej była stosowana w wykrywaniu otwartych wad cewy nerwowej. Wady ośrodkowego układu nerwowego są najbardziej liczną, równolegle do aberracji chromosomalnych, grupą schorzeń genetycznie uwarunkowanych.
236 Ryzyko ich wystąpienia jest różne dla określonych regianów geograficznych. Średnie ryzyko wystąpienia tych wad dla całej Wielkiej Brytanii wynosi 4,5#'#o; nato#xniast dla Szkocji sięga ono aż 9#oo. Szacuje się, że w Polsce łączna częstość wyśtępowania bezmózgowia i rozszezepu kręgosłupa wynosi 1,15o/oo. Oznacza to, że w kraju rodzi się roeznie ok. 690 dzieei z ciężkimi wadami ośrodkowego układu nerwowego na 600 000 żywo urodzanych. Ryzyko powtórnego wystąpienia bezmózgowia i rozszez#pu kręgosłupa w rod#inie dużego ryzyka jeśt znacznie większe. Odpowiednie dane przedstawione są w t"beli 49. Jako pełny miarodajny test rozpoznania wad ośrodkowego układu nerwowego przyjmuje się badania ultrasonograficzne oraz oznaczenia stężenia alfa-fetoproteiny i acetylocholinoesterazy w płynie owodniowym. Dodatkowym testem wskazującym na istnienie wady ośrodkowego układu nerwowego jest zjawisko przyspieszonego przyklejania się komórek płynu owodniowego do podłoża w czasie ich hodowli.
ł a b e 1 a 49. Ryzyko wystąpienia otwartej wady ośrodkowego układu nerwowego z## rodzinie dużego ryzyka (wg Smitha)
Wywiad
Je"r:o dziecko z wadą .ledno z rodziców obciążone wadą Jedno z radziców obciążone wadą oraz jedno dziecko obciążone wadą 13 D##-oje dzieci z wadą 13 Troje dzieci z wadą 13 Jedno dziecko i krewny z trzeciej linii z wadą g ,ledro dziecko i krewny z trzeciej linii z wadą 7
w %
Ba#daniem USG można wykluczyć lub rozpoznać, jak już wspomniano, wiele wad związanych z zaburzeniami anatomicznymi płodu. Najezęściej wykrywane są wodogłowie i bezezaszkowie. W tych przypadkach badanie należy rozpocząć od dokładnej analizy struktur wewnątrzezaszkowych, wyglądu i pomiarów główki. W analizie struktur wewnątrzezaszkowych należy brać pod uwagę: echo środkowe (echo od sierpu mózgv, echa od komory III i wodociągu mózgu - Sylwiusza). Następnie bardzo ważne w obserwacji są echa od komór bocznych mózgu, które powinny być zlokalizowane symetrycznie w obydwu półkulach, istotne również są echa rogów czołowych i potylicznych, splotu naczyniowego itp. Obraz USG w bezezaszkowiu jest eharakterystyczny - brak echa od kości pokrywy czaszki, zwykle obecne są echa od kości potylicznych i oczodołów. Rozpoznanie wodogłowiia opiera się głównie na analizie lokalizacji echa komór bocznych i oblicza#iu wskaźnika komorowo-główkowego (wartość prawidłowa wskaźnika komorowo-główkowego wynosi 0,5) oraz na pomiarach główki. Jest to niezmiernie ważne; gdy wymiar dwuciemieniowy główki odpowiada zaawansowaniu ciąży - wówezas rozpoznajemy tzw. wodogłor<#ie wewnętrzne. Małogłowie można rozpoznać za pomocą ultrasonografii, prowadząc analizę cotygodniowych pomiarów główki płodu (wymiar dwuciemieniowy). Zatrzymanie ###zrostu na pewnym etapie może świadezyć o wystąpieniu tej wady. Przepuklinę oponowo-mózgową można rozpoznać jako charakteryśtyczne echo (;,worek wypełniony płynem lub tkanką mózgową"), wychodzące z kości pokrywy czaszki w części potylicznej lub czołowej. Rozszezep kręgosłupa w obrazie USG rozpoznaje się na podstawie wyglądu kręgosłupa (normalnie kręgosłup w przekroju podłużnym ma wygląd dwu linii ciągłych równoległych, a w przekroju poprzecznym - litery O).
237 Przy rozszczepie kręgosłupa w przekroju podłużnym w danym miejscu następuje załamanie linii i przerwanie ciągłości na określonym odcinku. Często może być uwidoczniona przepuklina oponowo-rdzeniowa jako dodatkowe półkoliste echo nad miejscem uszkodzenia. Natomiast w przekroju poprzećznym w miejscu rozszczepu kręgosłup ma charakterystyczny wygląd litery "V" lub "U". Badaniem USG można również rozpoznać inne anamalie kośćca płodu, jak np.: brak lub skrócenie kości kończyn (na padstawie liczby palców, pomiaru długości poszczególnych kości kończyn), niedorozw"j poszczególnych grup kostnych, a nawet z"burzenia w uwapnieniu kośćca. W obrębie narządów 'klatki piersiowej za pomocą USG są rozpoznawane torbiele lub przepukliny przeponowe. Obecne ultrasonografy pozwalają na rozpoznanie wad serca płodu, wad przewodu pokarmowego i innych. Dość częste są an-omalie wy#ikające z braku ciągłości przedniej ściany brzucha (przepuklina pępkowa i pępowinowa, wytrzewienie jelit). Osobną grupę stanowią zaburzenia układu moczowo-płciowego. Za pomocą USG można stwierdzić: niedorozwój nerek, wodanercze jedno- lub dwustronne, którym często towarzyszy wodobrzusze, torbielowatość nerek itd. Z anomalii narządów płciowych możliwe jest rozpoznanie wodniaków jąder. Unowocześnienie aparatury ultrasonograficznej pozwoliło na rozwój i stosowanie chirurgii płodu w takich przypadkach, jak wodonercze czy wodogłowie.
ALFA-FEłÓ#PROłEINA W DIAGNOSłYCE OłWARłYCH WAD OŚRODKOWEGO UKŁADU NERWOWEGO
Istotną rolę w rozwoju diagnostyki prenatalnej odegrało wykrycie przez Brocka w 1972 r. zwiększen;ia zawartości alfa-fetoproteimy w wodach płłodowych i surowicy ciężarnej w przypadku bezmózgowia. Obserwacja ta została potwierdzona doniesieniami innych autorów. Zwiększenie zawartości tego białka zaobserwowano również w rozszczepie kręgosłupa z przepukliną mózgowo=rdzeniową, zarośnięciu przełyku, ciąży mnogiej, nerczycy wrodzonej. Alfa-fetoproteina (AFP) wytwarzana jest przez pęcherzyk żółtkowy płodu, a następnie przez komórki miąższu wątroby. Występowanie tego białka w tkankach i w surowicy płodu oraz w płynie owodniowym i surowicy ciężarnej jest stanem fizjologicznie prawidłowym. W surowicy krwi nieciężarnych kobiet białko to występuje w stężeniu mniejszym niż 5 wg/ml i wykrywalne jest jedynie za pomocą technik radioimmunologicznych. W czasie ciąży białko to przenika przez barierę łożyskową z krwiobiegu płodu do krwiobiegu matki i występuje w stosunkowo dużych ilościach w płynie owodniowym. Stężenie AFP w surowicy krwi płodu osiąga maksymalną wartość 3 - 5 mg/ml ok. 14 tygodnia ciąży. W wodach płodowych maksymalna zawartość tego białka wynosi 30 #g/ml (między 13 i 14 tygodniem ciąży). W surowicy ciężarnej białko to staje się wykrywalne w ósmym tygodniu ciąży, a maksymalne stężc'mie 200 ng/ml osiąga w 32 tygodniu ciąży. Występowanie zwiększonego stężenia AFP w surowicy ciężarnej i płynie owodniowym jest znamiennie skorelowane z występowaniem wad ośrodkowego układu nerwowego u płodu, dlatego też oznaczanie AFP w płynie owodniowym i surowicy aiężarnej jest właściwym testem w diagnostyce prenata1nej tych wad. Oznaczanie AFP w surowicy jest traktowane jako badanie przesiewowe, natomiast określenie stężenia AFP w płynie owodniowym jest jednym z głównych badań, na podstawie którego ustala się diagnozę.
Ryc. 105. Dynamika zmian stężenia a-fetoproteiny (AFP) w wybranych płynach ustrojowych w przebieg# ciąży prawid#owej (wg Sepp"la).
W praktyce zdarzają się wypadki wyników fałszywie pozytywnych i fałszywie negatywnyeh, dlatego też przy interpretacji uzyskanych wyników zawartości AFP należy uwzględnić naśtępujące problemy: 1. Zanieczyszczenie płynu owodniowego krwią płodową - stężenie AFP w krwi płodowej jeśt 150 - 300 razy większe niż w płynie #wodniowym. 2. Prawidłowe określenie wieku ciąży - normy opracowane są dla poszczególnych tygodni ciąży. 3. Możliwość wystąpienia innych zmian patologicznych płodu, które wpływają na zwiękśzenie stężenia AFP. Biorąc pod uwagę powyższe zastrzeżenia, mależy posługiwać się równolegle inną metodą biochemiczną, jaką jest określenie stężenia specyficznej acetylocholinoesterazy i profilu elektroforetycznego jej izoenzymów.
AKłYWNOSĆ ACEłYLOCHOLINOE#łERAZY W PŁ#NIE OWODNIOWYM W WADACH OSIćODI#OWEGO UKŁADU NERWOWEGO
Bardzo przydatną metodą pozwalającą wykryć wady o.u.n. jest metoda oparta na pomiarze aktywności acetylocholinoesterazy (AChE) w płynie owodniowym. W Centrum Zdrowia Dziećka opracowano normy dla tego enzymu w tych tygodniach ciąży, w których przeprowadza się diagnostykę prenatalną (tab. 50). Aktywność acetylocholinoesterazy oznacza się wstępnie metodą Ellmana. Aktywność AChE jest niezależna od wieku ciąży ani od ewen
289 'ł a b e I a 50. Wartości stężenia esterazy eholinowej (AChE) i a- fetoproteiny (AFP) #w głyłnie owodniowym dla poszczególnych t.ygodni ciąży (dane opracowane w Cen- #rum Zdrow ia Dziecka)
tualnego zanieczyszczenia krw#ą płodową w czasie pobierania płynu owod:niowego, pańieważ stężenie AChE we krwi pępowinowej jest małe. Jeśli stężenia AFP lub AChE są zwiększone, należy wykonać elektroforezę na żelu poliakrylam#dowym izoenzymów AChE z płynu owodniowego. Pozwala ona na identyfikację tworzącego się w patologicznym przebiegu ciąży prążka specyficznej acetylocholinoesterazy, ujawniającego się w elektroforezie. Rozdział elektroforetyczny można przeprowadzić niezależnie od pre#yzyjnego określenia wieku aiąży, a także od zanieczyszczeń płynu owodniowego krwią płodową. Badanie to wydaje się być najbardziej wiarygodnym testem w razie podejrzenia o wystąpienie wady ośrodkowego układu nerwowego.
240 DIAGNOSłYKA BLOKÓW MEłABOLICZNYCH I SCHORZEl# T UWARUNKOWANYCH GENEłYCZNIE
Bloki metaboliczne są chorobami genetycznymi częściej powodowanymi przez zmianę genu niż jego brak. Czasami zmiana dotyczy pojedynczego nukleotydu. Zmieniona informacja g#'tetyczna powoduje powstanże białka z brakiem lub zmniejszeniem aktywności enzymatycznej. Zaburzenia meta15oliczne należą do schorzeń ciężkich, których leczenie jest najczęściej mało skuteczne, stąd w przypadkach podejrzanych o schorzenie metaboliczne wskazana jest diagnostyka prenatalna. Ze względu na znaczną liczbę jednostek chorobowych, z których każda wymaga adrębnej procedury diagnostycznej, nie prflwadzi się badań przesiewowych na szeroką skalę. Zaleca się prowadzenie badań prenatalnych w kierunku określonych jednostek chorobowych u kobiet, które urodziły poprzednie dziecko obciążone wadą metabolieną lub w razie wystąpienia wad w rodzinie pacjentki.
a b e 1 a 51. Genetycznie uwarunkowane schorzenia metaboliczne, które są di#nozowane za pomocą biopsji trofoblastu
Jednostka chorobawa
#. #v#eaoAor aezaminazy adenozynowej 2. Arginino-bursztynuria 3. Cytrulinemia 4. Chondtod7)splasża punctata 5. Zespół nadnerczowo-płciowy 6. Cystynoza 7. Choroba Fabry'ego 8. Zespół Fanconiego - typ I 9. Galaktozemia 10. Choroba Gauchera 11. Acyduria glutarowa - typ I 12. Glikogenoza II (choroba Pompego) 13. Glikogenoza III 14. Gangliozydaza GMI 15. Gangliozydaza GM2 typ I - Taya i Sachsa typ II - Sandhoffa 16. Hipofosfatazja 17. Choroba Krebsa 18. Zespół Lescha i Nyhana 19. a-Mannozydaza 20. -Mannozydaza 21. Choroba syropu klonowego 22. Zespół Menkesa 23. Leukodystrofia metachromatyczna 24. Acydemia metylomalonowa 25. Mukolipidoza I 26. Mukolipidoza II 2?. Mukopolisacharydoza I (zespół Hurler) 28. Mukopolisacharydoza II (zespół Huntera) 29. Mukopolisacharydoza III (zespół Sanfilippo) 30. Mukopolisacharydoza VI (zespół Moroteaux-Lamy) 31. Mul#opolisacharydoza VII 32. Kompleksowy niedobór sulfatazy 33. Choroba Niemanna i Picka 34. Acydemia propionowa 35. Choroba Refsuma 36. Tyrozynemia - typ I 3?. Choroba Wolmana 38. Zespół Zellwegera
16 - Zarys genetyki 241 Diagnostykę prenatalną można wykonywać, badając komórkd hodowane i# vitro pochodzące z płynu owodniowego lub stosując materiał nie wymagający hodowli, jakim jest trofoblast. Do tej pory diagnostyka prenatalna wykonywana była głównie w II trymestrze ciąży. Ze względu na późny okres uzyskiwania wyników diagnozy (ok. 20 - 22 tydzień ciąży), obecnie w#rowadza się badania diagnostyczne na materiale nie hodowanym, pobranym pomiędzy 8 a 11 tygodniem ciąży. Dzięki wprowadzeniu badań diagnostycznych w I trymestrze ciąży, wynik badania uzyskiwany jest znacznie wcześniej - ok. 12 tygodnia ciąży i korzystniejsze są warunki rozwiązywania ciąży obciążonej wadą metaboliczną (tab. 51). Badania diagnostyczne wykonywane są technikami biochemicznymi, polegającymi na pomiarach aktywności enzymatycznych w hodowanych komórkach z wód płodowych albo w komórkach trofablastu lub z zastosowaniem najnowszych technik inżynierri genetycznej. Konwencjonalne metody biochemiczne nie zawsze są w stanie dać stuprocentową diagnozę. Powodowane to jest tym, że niektóre enzymy występują w ilościach śladowych. Rozwój technik inżyniezńi genetycznej umożliwia dokładną diagnozę wielu jednostek chorobowych, których liczba stale wzrasta. Metody inżynierii genetycznej opierają się na badaniu DNA. Do analizy wystarczy 10 wg kwasu dezoksyrybonukleinowego, który można wydzielić już z 10 - 20 mg tkanki trofoblastu. Badanie DNA chromosomowego umożliwia wykrycie: a. Mutacji punktowej - np. niedokrwistość sierpowatokrwinkowa wywoływana jest przez mutację punktową w genie #-globiny, która to spowodowała wymianę kwasu glutaminowego na walinę w pozycji 6 od końca N-terminalnego. Mutacja punktowa, która jest przyczyną tej choroby, usuwa także miejsce rozpoznawane przez endonukleazę restrykcyjną, co powoduje powstanie fragmentów DNA o innej długości niż w przypadku osóh zdrowych lub nosicieli. W ten sposób przy zastosowaniu specjalistycznych technik inżynierii genetycznej można ustalić rozpoznanie tej jednostki chorobowej. b. Delecji - np. w a- tałassexnii choroba manifestuje się zmniejszoną syntezą a-globiny, co jest spowodowane najczęściej delecją jednego lub więce# genów a- globiny. W warunkach fizjologicznych występują cztery geny dla a- globiny i są zlokalizowane na krótkich ramionach chromosomu 16. Diagnostyka prenatalna możliwa jest na podstawie analizy DNA z zastosowaniem metod inżynierii genetycznej (RFLP - restriction fragment length polymorphism, polimorfizm długości fragmentów restrykcyjnych). c. Najczęściej stosowana metoda wykrywania zaburzeń genetycznych polega na wspomnianym wyżej badaniu polimorfizmu (zmienności) fragmentów restrykcyjnych sprzężonyeh ze zmutowanym genem. Różnice w sekwencjach niekodujących DNA są powszechne w genomie ludzkim. Nie dają one żadnych zmian w fenotypie organizmu, ale wpływają na długość fragmentów DNA powstającyeh po cięciu enzymami restrykcyjnymi. Ta nieszkodliwa zmienność genetyczna powoduje polimorfizm długości fragmentów restrykcyjnych (RFLP). Zastosowanie badania polimorfizmu fragmentów restrykcyjnych DNA w diagnostyce chorób jednogenowych może miee miejsce nie tylko w wypadku chorób, gdzie gen i rodzaj mutacji (jak w niedokrwistości sierpowatokrwinkowej) są znane, ale również tam, gdzie gen jest znany, tzn. sklonowany, ale rodzaj defektu nie jest znany. Hemofilia B. Diagnostykę prenatalną można przeprowadzić przez korelację w danej rodzinie niefunkcjonalnego genu z polimorfizmem długości fragmentów restrykcyjnych. Również sprzężenie polimorfizmu fragmentów restrykcyjnych z uszkodzonym genem może być wykorzystane w diagnostyce.
242 Schorzenia występujące w blokach metabolicznych można podzielić na zwią- zane z przemianą: 1) lipidów, 2) wgglowodanów, 3) aminokwasów, 4) muko- polisacharydów.
ZABURZENIA PRZEMIANY LIPIDbW
Schorzenia te są związane z zaburzeniami ośrodkowego układu nerwowego. Do najwcześniej poznanych chorób należy gangliozydoza GM2, zwana chorobą Taya i Sachsa. Przyczyną powstania tego bloku jest całkowity brak enzymu -heksozaminidazy A, co powoduje gromadzenie się w komórkach nerwowych gangliozydów. Inną wcześnie znaną i rozpoznawaną prenatalnie chorobą jest leukodystrofia metachromatyczna. W schorzeniu tym następuje nagromadzenie się sulfatydów siarczanu cerebrozydu w ośrodkowym i obwodowym układzie nerwowym, a przyczyną tego jest brak aktywności arylosulfatazy A. W chorobie Niemanna i Picka następuje odkładanie w różnych narządach sfingomielin z powodu braku aktywności enzymu sfingomielinazy, która w warunkach prawidłowych uczestniczy w katabolizmie sfingomieliny. Stężenie tego enzymu obecnie może być określane prenatalnie. W chorobie Gauchera następuje odkładanie w komórkach układu siateczkowo-śródbłonkowego i układu nerwowego glukocerebrozydów z powodu braku aktywności enzymatycznej glukocerebrozydazy (-D-glukozydazy). W komórkach z wód płodowych można oznaczyć stężenie cerebrozydazy.
ZAHURZENIA PRZEMIANY W#GL'flWODANbW Węglowodany stanowią w naszej diecie jeden z głównych składników służących zaspokojeniu potrzeb energetycznych organizmu. Dla plodu jest to prawie jedyne źródło energii, toteż zaburzenia tych szlaków metabolicznych wywołują daleko idące zmiany. Jednym z bloków metabolizmu węglowodanów jest galaktozemia. Jest to wrodzona, uwarunkowana genetycznie autosomalna i recesywna wada, polegająca na nieprawidlowej przemianie galaktozy. W przemianie galaktozy wyróżnia się dwa bloki metaboliczne, związane z brakiem aktywności dwóch enzymów : a) urydylilotransferazy heksozo-1-fosforanowej, b) galaktokinazy. Galaktozemia często, chociaż nie zawsze, prowadzi u dziecka do objawów klinicznych z upośledzeniem umysłowym włącznie. Diagnostyka prenatalna tego schorzenia umożliwia urodzenie normalnego dziecka dzięki zastosowaniu przez matkę odpowiedniej diety. W oznaczaniu aktywności urydylilotransferazy i galaktokinazy stosowane są metody izotopowe, które są niezwykle czułe i wymagają małej ilości materiału. Pomimo stosowania metody izotopowej w oznaczaniu omawianych aktywności urydylilotransferazy i galaktolcinazy występują bardzo duże rozrzuty w wynikach, tak że określenie średniej aktywności w przypadku heterozygoty jest dość trudne. O wystąpieniu galaktozemii może świadczyć brak aktywności urydylilotransferazy galaktozo-1-fosforanowej lub galaktokinazy. Objawy kliniczne galaktozemii: marskość wątroby, zaćma, opóźnienie rozwoju umysłowego. Inny blok metaboliczny, zwany chorobą glikogenową, związany jest z nieprawidłowością przemiany glikogenu, który gromadzi się w wątrobie, nerkach i mięśniu sercowym. Pod względem klinicznym glikogenozy dzielą się
243 na 7 typów, zależnie od bloków w różnych punktach szlaku przemiany glikogenu. Choroba Pompego uwarunkowana jest przez autosomalny gen recesywny odpowiedzialny za syntezę kwaśnej maltazy, czyli alfa-1,4-glukozydazy. Brak tego enzymu powoduje nagromadzenie się glikogenu, co nadaje komórkom mięśni piankowaty wygląd. Choroba Pompego może być diagnozowana prenatalnie w komórkach z wód płodowych. Choroba Forbesa i Coriego, inaczej glikogenoza typu III, jest schorzeniem uwarunkowanym genetycznie, związanym z niedoborem enzymu amylo-1,6-glukozydazy, który w warunkach prawidłowych odpowiedzialny jest za hydrolizę wiązania 1,6-glukozydowego. W razie braku tego enzymu dochodzi do gromadzenia się glikogenu o nieprawidłowej strukturze.
ZABURZENIA PRZEMIANY AMINOKW#S66V
Aminokwasy odgrywają niezmiernie istotną rolę w metabolizmie organizmu. Są one podstawowymi jednostkami budulcowymi białek, barwników, hormonów. Homoeystynuria - choroba dziedziczona autosomalnie recesywnie. Trzy defekty enzymatyczne mogą prowadzić do homocystynurii: 1. Syntazy cystationinowej (typ I). 2. Metylotransferazy N5-metylohydrofoliowej (typ I1). 3. Reduktazy N-metylo-tetrahydrofoliowej (typ III). W przypadku zaburzenia zwanego cystynozą nieznana jest przyczyna gromadzenia się cystyny w lizosomie komórek siateczkowo- śródbłonkowych, w rogówce oka, wątrobie, nerce. Zaburzenie to może być diagnozowane prenatalnie w komórkach fibroblastów. Hodowlę fibroblastów prowadzi się w obe#ności znakowanej cystyny e5S i po kilkudniowej inkubacji można dokonać #omiarów stężeń cystyny znakowanej 85S w hodowanych komórkach metodą autoradiografii. Acyduria metylomalonowa jest chorobą uwarunkowaną genetycznie, autosomalnie i recesywnie, związaną z niedoborem enzymu metylomalonylomutazy. W warunkach prawidłowych enzym mutaza S- metylomalonylo-CoA przekształca L-metylomalonylo-CoA w bursztynylo- CoA. Morrow i inni w 1969 r. wykazali, że piętno "C-propionianu w hodowlach fibroblastów chorego człowieka gromadzi się w metylomalonianie, co potwierdza miejsce tego bloku.
Dobrze poznanym blokiem metabolicznym rozpoznawanym prenatalnie jest rhoroba syropu klonowego (ketoacyduria). Jej częstotliwość występowania wynosi 1:250 000 żywo urodzonych dzieci w przypadku homozy#ot i 1:250 w przypadku heterozygot. Przyczyną choroby jest brak enzymu dekarboksylazy leucyny odpowiedzialnego za dekarboksylację aminokwasów rozgałęzionych (walina, leucyna, izoleucyna). Komórki chorych tkanek nie metabolizują aminokwasów rozgałęzionych. Wendel i wsp. opracowali diagnostykę prenatalną tlla ketoacydurii. Polega ona na inkubacji komórek hodowanych ze znakowanym ketokwasem. Cytrulinemia - choroba wynikająca z braku aktywności syntetazy arginino#ursztynianu. Można brak tej aktywności stwierdzić w hodowlach fibroblastów skóry.
#ABURZENIA PRZEMIANY MUKOPOLISACI-IARYDbW
Mukopolisacharydozy należą do wrodzonych wad metabolicznych dziedziczonych w sposób recesywny, autosomalny lub sprzężony z płcią. Objawem kli
244 nicznym jest gromadzenie w lizosomach mukopolisacharydów, które w prawidłowych przemianach ulegają degradacji przy udziale enzymów lizosomalnych. Klasyfikacja tej grupy sehorzeń oparta jest na rodzaju wydzielanych z moczem mukopolisacharydów, objawach klinicznych (niedorozwój umysłowy, zmiany szkieletowe, zmętnienie rogówki) i rodzaju uszkodzonego białka enzymatycznego. Obecnie znanych jest 7 głównych grup mukopolisacharydoz. Mukopolisacharydy (glikozaminoglikany) są to związki wielkocząsteczkowe, długołańeuchowe, zbudowane z dwuczłonowych podjednostek heksozaminy i kwasu uronowego. W warunkaeh fizjologicznych związki te są degradowane w ściśle ustalonej kolejności. Brak kolejnego enzymu w łańcuchu degradacji powoduje niemożliwość dalszego rozkładu związku, który odkładany jest w lizosomach. Diagnostyka prenatalna możliwa jest dzięki badaniom stężenia enzymów zarówno w hodowanych komórkach płynu owodniowego, jak i w komórkach trofoblastu. Zespół Hurler (MPS I H) - choroba dziedziczona autosomalnie i recesywnie. Gzęstość występowania tej jednostki szacuje się na 1 - 2 na ok. 100 000 żywo urodzonych. Przyczyną tej choroby jest brak aktywności enzymu a-L-iduronidazy, która może zostać oznaczona za pomocą metod spektrofotometrycznych. Zespół Huntera (MPS II) - sehorzenie dziedziczone jako recesywne i sprzę#one z płcią. Gzęstość występowania 1:100 000 żywo urodzonych. Przyezyną choroby jest brak lub zmniejszenie aktywnośei sulfatazy siarezanu iduronianu. Aktywność tę można określać za pomocą technik izotopowych. Zespół Sanfilippo (MPS III) - dziedziczony w sposób autosomalny, recesywny. Częstość występowania szacuje się na 1:24 000 urodzeń. Kliniczne objawy polegają na niedorozwoju umysłowym przy niewielkich zmianach fizycznych. Zespół ten nie jest jednorodny - opisano 4 typy (A, B, C, D}. W typie A występuje defekt enzymu sulfatazy siarezanu heparanu i wydalany jest siarezan heparanu. Diagnostyka prenatalna możliwa jest przy zastosowaniu metod izotopowych. W typie B - brak aktywności N-acetylo-a-D- glukozaminidazy. Aktywność enzymatyczną można oznaczać metodą spektrofotometryczną. W typie C brak aktywności acetylotransferazy glukozaminowej. Substaneją spichrzaną i wydalaną w nadmiarze jest również siarezan heparanu. W typie Sanfilippo D defekt dotyczy N- acetylo-a-D-glukozamido-6-sulfatazy. Produkt spichrzania i wydzielania jak w poprzednich rodzajach. Zespół Morquio (MPS IV) - dziedziezony w sposób autosomalny, recesywny, występuje dość rzadko. Pacjenci dotknięci tą chorobą charakteryzują się normalną inteligeneją przy znacznej karłowatości. Przyczyną ehoroby jest brak lub zmniejszenie aktywności sulfatazy N-acetylo-heksozamino-6- siarezanu, co można określić za pomocą technik izotopowych. Zespół Seheiego (MPS I S) - dziedziczony w sposób autosomalny, recesywny. Osoby dotknięte tą chorobą charakteryzują się niewielkimi zaburzeniami wzrostu przy normalnym rozwoju umysłowym. Oceniana jest aktywność a-L-iduronidazy. Zespól Moroteaux-Lamy (MPS VI) - choroba dziedziczona w sposób autosomalny i recesywny, a możliwość diagnostyki prenatalnej oparta jest na oznaezaniu stężenia sulfatazy N-acetylogalaktozamino-4-siarezanu. Aktywność tego enzymu jest identyczna z aktywnością arylosulfatazy B. Zespół MPS VII - dziedziczony w speosób autosomalny, recesywny. Jednostka manifestuje się brakiem aktywności -glukuronidazy, który w fizjo
245 logicznych warunkach hydrolizuje -glukuronową podjednostkę. Aktywność zmutowanego enzymu może być badana metodami fluorescencyjnymi lub spektrofotometryeznymi. Gen dla enzymu - glukuronidazy został zlokalizo- wany na 7 chromosomie.
SCHORZENIA SPRZ#ŻONE Z CIiROMOSOMEM X
Oddzielną grupę sehorzeń stanowią w diagnostyce prenatalnej choroby sprzężone z chromosomem X. Ich nosi#ielkami są kobiety. W potomstwie kobiety nosicielki 50o/o synów jest chorych, 50o/o córek to także nosicielki jak matki. Do chorób tych należą między innymi: hemofilia A i B, niedobór dehydrogenazy glukozo-6-fosforanowej, choroba Leseha i Nyhana, moczówka prosta przysadkowa i nerkowa. Podobnie jak cechy w przekazywaniu autosomalnym, cechy determinowane przez geny zlokalizowane w chromosomie X mogą być nie tylko recesywne, ale również - chociaż rzadziej - dominujące. W przeciwieństwie do reeesywnego dziedziczenia sprzężonego z plcią geny dominujące sprzężone z płcią wywołują zmiany chorobowe zarówno u mężezyzn, jak i u kobiet, z tym że u kobiet dwukrotnie częściej niż u mężezyzn. Skutki przekazywania eeeh sprzężonych dominujących warunkowanych genami zlokalizowanymi w chromosomie X przedstawiają się następująco: 1. Wszyscy synowie chorego ojca są zdrowi, wszystkie córki chore. 2. U dzieoi matki heterozygoty sehorzenie występuje w stosunku 1 :1 niezależnie od płci dzieci, jeśli ojciec jest zdrowy. 3. Jeśli chorzy są ojciec i matka, to wszystkie córki są obciążone chorobą, natomiast ryzyko wystąpienia sehorzenia u synów wynosi 1 :1. 4. Wszystkie dzieci homozygotycznej chorej matki są obeiążone. Diagnostyka prenatalna sehorzeń sprzężonych z chromosomem X była przez dłuższy czas, do czasu wprowadzenia diagnostyki molekularnej, połowiczna i polegała na oznaczaniu płci płodu. Stwierdzając płeć żeńską wykluczano w ten sposób choroby. Stwierdzenie płci męskiej prowadziło często do rezygnacji z ciąży, bo wiązało się z przewidywaniem 50o/o prawdopodobieństwa choroby. Równolegle do tego usiłowano pobierać do badania krew z pępow vny lub naczyń łożyska płodu, głównie za pomocą fetoskopii. Od kilku lat diagnostyka prenatalna oparta jest na genetyce molekularnej, a głównie na wykorzystaniu zjawiska polimorfizmu długości fragmentów restrykcyjnych DNA. Jako przykład diagnostyki prenatalnej chorób sprzężonych z chromosomem X może służyć postępowanie we wspomnianej już poprzednio hemofilii B. Choroba spowodowana jest brakiem czynnika IX, białka uczestniczącego w procesie krzepnięcia krwi. Odpowiadający jej gen jest zlokalizowany w chromosomie X, ale nie wyjaśniono jeszeze natury mutaeji w genie uszkodzonym. Diagnostykę prenatalną można przeprowadzić przez korelację niefunkejonalnego genu z polimorfizmem długości fragmentów restrykcyjnych. Defektywny gen wykrywa się przez związek z obecnością specyfricznych miejsc restrykeji różniących się od tych od naturalnego genu. Podobnie wykrywa się upośledzenie umysłowe sprzężone z chromosomem X, chociaż gen odpowiedzialny nie jest znany. W diagnostyce prenatalnej zastosowano polimorfizm długości fragmentów restrykcyjnych DNA wykryty przez sondy zlokalizowane w pobliżu tego miejsca. Za pomoeą podobn#;ch metod możliwa jest diagnostyka prenatalna dystrofii mieśniowej typzi Duchenne'a, której locus leży w krótkim ramieniu chrom#somu X. Stwierdzono polimorfizm związany z locus choroby.
246 SCHOftZENIA O NIE USłALONEJ EłIOLOGII
Mukowiscydoza (fżbrosżs cżst%ca CF - zwyrodnienie torbielowate) - jest genetycznie uwarunkowaną ehorobą o nie ustalonej dotychczas etiologii. Jest to jedna z najczęściej spotykanych chorób metabolieznych rasy białej. Częstość występowania szacowana jest 1:2500 żywo urodzonych. Cechą charakterystyczną tej choroby jest dysfunkcja gruczołów zewnątrzwydzielniczych, co prow# dzi do uszkodzenia płuc, trzustki, niektórych narządów jamy brzusznej, jak również gurczołów potowych. Mukowiscydoza objawia się w różnych postaeiach i nieznany jest czynnik lub czynniki odpowiedzialne za zmiany chorobowe. Przez dłuższy #as diag,nostykę prenatalną mvkowiscydozy przeprowadzano oceniając aktywność enzymów rzęskowych 'y-glutaznylotranspeptydazy (GGłP) i fosfatazy alkalicznej (AF). Metody te nie dawały mnżliwości uzyskania pełnej diagnozy. Obecnie znany jest już gen, którego defekt odpowiedzialny jest za powstanie mukowiscydozy. Zlokalizowany jest w długich ramionach chromosomu 7. Poznane zostały sekwencje nukleotydów sąsiadujące z tym genem i za pomocą znacznika polimorficznego dokonano molekularnej analizy genu mukowiscydozy.
FEłOSKOPIA
Fetoskopia jest stosunkowo nowym badaniem, w czasie którego w II trymestrze ciąży płód m#że być w prosty sposób uwidoczniony i za pomocą którego mogą być póbrane do badań krew i różne tkanki płod4we. W ostatnim czasie badanie to przechodzi z fazy eksperymentalnej i przekształca się w jedną z głównych i stosunkowo bezpiecznych forxn badań w diagnostyce prenatalnej. Stosowane jest głównie do stwierdzenia małych zewnętrznych wad anatomicznych, których nie udaje się wykryć techniką USG, oraz do pobierania krwi i tkanek płodowych oraz rozpoznawania specyficznych właściwoś" genetyenych nie dających się identyfikować przez badanie płynu owodniowego uzyskanego za pomocą amztiopunkcji. Pierwsze doniesienie o pomyślnie zakflńczonych próbach obserwacjż płodu wewnątrz macicy pochodzą z lat pięćdziesiątych (Westin, Mori). Obserwacje te poezyniono za pomocą sondy wprowadzonej do kanału szyjki ma"cy. Walenti (1973 r.) przed histerotomią wykonywaną w II trymestrze ciąży wprowadzał d# pęcherzyka płod4wego nieco zmodyfikowany cystoskop pediatryczny i pod bezpośrednią kontrolą wzroku pobierał skórę płodu oraz krew z naczyń pępowinowych. Screarngrour (1973 r.) użył optycznego endosk4pu i zbadał 6 płodów obarczonych ryzykiem wady kręgosłupa, których matki chciały ciążę kontynuować, jeśli badanie nie wykazałoby zmian. U jednego płodu z powodu trudności technicznych nie udało się przeprowadzić badania i ciążę przerwano. W drugim przypadku pacjentka poroniła samoistnie w dwa dni po badaniu. W pozostałych przypadkach ciąże rozwijały się prawidłowo - trzy pacjentki urodziły dzieci zdrowe, ale czwarte urodziło się z rozszczepem kręgosłupa. Pierwsze badaazie w pełni udane i wykonane w znieczuleniu miejscowym przez brzuszne wejście do macicy było dziełem Hobbinsa (1974 r.). Użył on sztywnego endosk4pu (1,7 mm) firmy Dyonics i pod bezpośrednią kontrolą wzroku pobrał krew płodową z naczynia kosmka łożyskowego. L Tżywając tych samych narzędzi, Rodeck i Campbell pabierali krew płod#247 wą z naczyń pępowiny. Następnie stosowano tę technikę do bezpośredniej wewnątrznaczyniowej transfuzji krwi w przypadkach konfliktu Rh. Gdy wykonuje się fetosk#pię diagnostyczną, należy pacjentki przed zabiegiem poinformować o celach badania oraz o możliwych powikłaniach i komplikacjach. Następnie należy przeprowadziE dokładne badanże ultrasonograficzne, określając wiek ciąży, położenie łożyska, położenie płodu oraz wykluczyć duże wady anatomiczne płodu. W wadach sprzężonych z chromosomem X należy wykonać amniocentezę, ponieważ w razie stwierdzenia płodu płci żeńskiej fetoskopia jest nieprzydatna. Chociaż fetoskopia powinna być przeprowadzona w jak najwcześniejszej ciąży, to jednak małe rozmiary macicy i niewielka objętość wód pł#dowych nie pozwalają (ze względu na bezpieczeństwo) na wcześniejsze wejście fetosk4pem niż przed 15 tygodniem ciąży. Optymalnym okresem dla badania anatomicznych struktur płodowych jest okres między 15 a 18 tygodniem ciąży. Pobieranie krwi płodu zazwyezaj opóźniamy do 20 tygodnia ciąży, ponieważ naczynia pępowinowe bardziej krwawią z miejsca nakłucia, a utrata krwi płodowej jest proporcjonalnie większa. Po 20 tygodniu obraz staje się zaciemniony (z powodu żmętnienia wód płodowych), jednak jeśli tn k#nieczne, np. w przypadku wewnątrznaeyniowej transfuzji krwi w konflikcie Rh, fetoskopia jest przeprowadzana nawet w III trymestrze ciąży. Festoskop jest sztywną rurką o średnicy 1,9 mm z układem stałych, samoskupiających soezewek i włóknooptycznym źródłem światła. Dzięki niemu można uzyskae powiększenie do 30 razy, w zależności od odległości oglądanej tkanki.
Wykonanie. W celu zmniejszenia do minimum ruchbw płodu podajemy matce środki uspokajające. Badaniem ultrasonograficznym określamy położenie płodu, położenie łożyska i zaznaczamy miejsce, w ktbre będzie wprowadzony fetoskop. Umiejscowienie łożyska na przedniej ścianie nie jest przeciwwskazaniem do fetoskopii. Badanie może byE przeprowadzone przez delikatne wprowadzenie fetoskopu pod lub z boku łożyska, a często w tych przypadkach łatwiejszy jest dostęp do naczyń pępowinowych. Po znieczuleniu miejscowym w pełnej aseptyce nacinamy skbrę na długości ok. 3 mm, wprowadzamy kaniulę fetoskopu z prowadnicą. PrawidłowośE wprowadzenia prowadnicy sprawdzamy, obserwując czysty, przezroczysty płyn owodniowy. Następnie wprowadzamy do kaniuli fetoskop i obserwujemy płód, ewentualnie wykonujemy biopsję tkanki płodowej. Po zabiegu pacjentki pozostają pod obserwacją 1 dobę. Przed wypisem należy przeprowadziE kontrolne badanie ultrasonograficzne, sprawdzając stan płodu i objętośE wód płodowych. Pobieranie krwi płodowej. Krew płodową w II trymestrze ciąży możemy otrzymaE z naczyń kosmkowych lub z naczyń pępowinowych. Poezątkowo pobierano krew płodową z naczyń kosmkowych, ale częste występowanie trudności technicznych oraz zanieczyszczenie krwią matczyną spowodowały, że obecnie pobiera się krew naczyń pępowinowych. Aby pobraE krew płodową, należy wkłuE się do macicy tak, aby uniknąE uszkodzenia łożyska. Po uwidocznieniu w fetoskopie naczyń pępowinowych igłę wprowadza się przez boczny kanał rurki fetoskopowej, przepłukuje fizjologicznym roztworem NaCl w celu wykluczenia obecności płynu owodniowego, pod bezpośrednią kontrolą wzroku igłę wprowadza się do światła naczynia i pobiera się prbbkę czystej krwi płodowej. Następnie sprawdza się, czy w pobranej prbbce nie ma krwi matczynej. NieobecnośE jej potwierdza się laboratoryjnie testem Kleihauera. Pobieranie krwi z naczyń pępowinowych jest zwykle łatwiejsze technicznie, pobrana krew nie zawiera na ogbł domieszki krwi matczynej, nie powoduje to większych krwawień. Badanie otrzymanej w ten sposbb krwi płodowej pozwala na szeroką diagno
248 stykę chorób, m.in.: 1) hemoglobinopatii, 2) koagulopatii, 3) bloków metabolicz-ł nych, 4) "nfekcji płodu, 5) ni.egrawidłuwości kariotypu, 6) konfliktu Rh - ery= troblastoza płodowa, 7) dystrof mięśniowej Duchenne'a. Bezpośredni dostęp do krążenia płodoweg4 już od II trymestru ciąży stwarza ogromne możliwości lecznicze np. w grzyp.adku konfliktu Rh.
BADANIE PŁODU
Fetoskopia jest bardzo przydatnym badaniem, szczególnie w przypadkach wątpliwości nasuwającyeh się w czasie badania ultrasonograficznego. Również w razie stwierdzenia istnienia małych nieprawidłowości struktur anatomicz= nych płodu, które nie dają się rozpoznać ultrasonograficznie. Do najczęście# wykrywanych za pomocą bezpośredniego oglądania płodu wad należą: defekty twarzy, rąk, kręgosłupa oraz zaburzenia w różnicowaniu płci. W razie stwierdzenia we krwi matki lub w płynie owodniowym zwiększone#: zawartości a-fetoproteiny, a niestwierdzenia przy tym żadnyeh nie#prawidłfl= wości badaniem ultrasonograficznym - fetoskopia jest znakomitym badaniem uzupełniającym.
nie skóry płodu. Biopsja skóry jest stosowana do prenatalnej diagnozy niektórych dziedzicznych schorzeń skóry, jak: pęcherzyca, rybia łuska. W wielu chorobach zmiany skórne są częścią klinicznego obrazu choroby, np. zespół Sj"grena; i w tych przypadkach biopsja skóry za pomocą fetoskopii również znajduje za= sWsowanie. Biopsja wątroby płodu. W niektórych przypadkach biopsja wątroby jest konieczna dla diagnozy choroby, np. stwierdzenia braku karbamoilotransferazy ornitynowej możliwe jest tylko w wątrobie. Brak tego enzymu zaburza cykl moczni= kowy, a intoksykacja amoniakiem powoduje zgon płodów męskich w I tygodniu żyeia. Pierwsze próby wykrycia tego schorzenia za pomocą biopsji wątroby za= kończyły się powodzeniem i badania te są kontynuowane. Za pomocą tej techniki próbowano diagnozowania niedoboru innych specyficznych dla wątroby enzymów np. w fenyloketonurii. Obecnie fenyloketonuria oraz hiperamonemia typu, III mogą być diagnozowane prenatalnie za pomocą analizy DNA.
POWIKŁANIA
Fetoskopia wykonywana jest już w wielu ośrodkach medycznych i coraz#. powszechniej stosowana, je.dnak trudno wypowiedzieć się ostatecznie na te= mat stopnia ryzyka. Możliwyxni powikłaniami są: 1) uszkodzenie dużych naczyń macirznych, 2) uszkodzenie jelit, 3) krwawienia, 4) immunizacja u matek z Rh(-). Ryzyko utraty ciąży na dotychczas żebranym materiale określa się na około 10, np. Rodeck i Nikolaides na 618 przypadkach mieli 3 zgony płodów w ciągu 48 godzin od badania, tj. 0,5o/o. Pierwszy zgon wkrótce po badaniu# z powodu odklejenia łożyska, drugi z powodu arrznżonżtżs (36 h po fetoskopii poród samoistny), trzeci z powodu błędu technicznego, który spowodował uszkodzenie naczyń łożyskowych i krwawienie. Z pozostałych przypadków 2a/o poroniło w ciągu 5 tygodni po fetoskopii, ale związek przyczynowy trudno określić, gdyż ogblny wskaźnik samoistnych porodów w tym okresie# ciąży wynosi 1,5o/o. Fetoskopię należy traktować jako znakomite badanie uzupełniające w diagnostyce prenatalnej oprócz badania ultrasonograficznego i amniopunkcji. Wydaje się jednak, że badanie to znajdzie w przyszłości zastosowanie głównie w terapii. W ostatnim okresie wskazanża do fetoskop znacznie się zawężają. Za
24# stykę chorbb, m.in.: 1) hemoglobinopatii, 2) koagulopatii, 3) bloków metabolicz= nych, 4) "nfekcji płodu, 5) nieprawidłowości kariotypu, 6) konfliktu Rh - ery- troblastoza płodowa, 7) dystrofii mięśniowej Duchenne'a. Bezpośredni dostęp do krążenia płodoweg4 już od II trymestru ciąży stwarza- ogromne możliwości lecznicze np. w przypadku konfliktu Rh.
BADANIE PŁODU
Fetoskopia jest bardzo przydatnym badaniem, szczególnie w przypadkach wątpliwości nasuwających się w czasie badania ultrasonograficznego. Również w razie stwierdzenia istnienia małych nieprawidłowości struktur anatomicz= nych płodu, które nie dają się rozpoznać ultrasonograficznie. Do najczęściej wykrywanych za pomocą bezpośredniego oglądania płodu wad należą: defekty twarzy, rąk, kręgosłupa oraz zaburzenia w różnicowaniu płci. W razie stwierdzenia we krwi matki lub w płynie owodniowym zwiększone## zawartości a-fetoproteiny, a niestwierdzenia przy tym żadnych nieprawidł-o= wości badaniem ultrasonograficznym - fetoskopia jest znakomitym badanie. uzupełniającym.
Badanie skóry płodu. Biopsja skbry jest stosowana do prenatalnej diagnozy nie-któryeh dziedzicznych schorzeń skóry, jak: pęcherzyca, rybia łuska. W wielu cho= robach zmiany skórne są częścią klinicznego obrazu choroby, np. zespbł Sj"grena" i w tych przypadkach biopsja skóry za pomocą fetoskopii również znajduje zastosowanie. Biopsja wątroby płodu. W niektbrych przypadkach biopsja wątroby jest konieczna dla diagnozy choroby, np. stwierdzenia braku karbamoilotransferazy orni-ł tynowej możliwe jest tylko w wątrobie. Brak tego enzymu zaburza cykl moczni= kowy, a intoksykacja amoniakiem powoduje zgon płodów męskich w I tygodniu życia. Pierwsze próby wykrycia tego schorzenia za pomocą biopsji wątroby zakończyły się powodzeniem i badania te są kontynuowane. Za pomocą tej techni= ki prbbowano diagnozowania niedoboru innych specyficznych dla wątroby enzymów np. w fenyloketonurii. Obecnie fenyloketonuria oraz hiperamonemia typu, III mogą byE diagnozowane prenatalnie za pomocą analizy DNA.
POWIKŁANIA
Fetoskopia wykonywana jest już w wielu ośrodkach medycznych i coraz: powszechniej stosowana, jednak trudno wypowiedzieć się ostatecznie na temat stopnia ryzyka. Możliwymi powikłaniami są: 1) uszkodzenie dużych naczyń macicznych, 2) uszkodzenie jelit, 3) krwawienia, 4) immunizacja u matek z Rh(-). Ryzyko utraty ciąży na dotychczas że#ranym materiale określa się na# około 10, np. Rodeck i Nikolaides na 618 przypadkach mieli 3 zgony płodów w ciągu 48 godzin od badania, tj. 0,5o/o. Pierwszy zgon wkrótce po badaniu# z powodu odklejenia łożyska, drugi z powodu łn1L7.0??,2t?.S (36 h po fetoskopii poród samoistny), trzeci z powodu błędu technicznego, który spowodował uszkodzenie naczyń łożyskowych i krwawienie. Z pozostałyeh przypadków 2o/o poroniło w eiągu 5 tygodni po fetoskOpii, ale związek przyczynowy trudno określić, gdyż ogblny wskaźnik samoistnych porodów w tym okresie# ciąży wynosi 1,5o/o. Fetoskopię należy traktować jako znakomite badanie uzupełniające w# diagnostyce prenatalnej oprócz badania ultrasonograficznego i amniopunkcji. Wydaje się jednak, że badanie to zzzajdzie w przyszłości zastosowanie głównieł w terapii. W ostatnim okresie wskazanża do fetoskopii znacznie się zawężają. Za
24# #tosowanie sond molekularnych pozwala określić genotyp płodu na pod-stawie analizy DNA w jądrach komórek z wód płodowych lub komórek trofoblastu bez uciekania się do pobierania krwi pępowinowej, łożyskowej za pomocą ultrasonografii. Biopsję skóry płodu przeprowadza się pod kontrolą ltrasonograficzną. Za"iegi te stoją na pograńiczu, lub nawet stanowią poeczątek chirurgii płodu. Ewolucja diagnastyki prenatalnej w kierunku terapii i chirurgii płodu jest optymistyczną wizją dla rozwoju genetyki klinicznej. Tak wżęc nawet wiele lat prowadzona diagnostyka prenatalna ograni#rzona w większości wypadków do wykrywania chorób, których nie potrafiliśmy leczyć, przekształca się w medycynę terapeutyczną i chirurgię płodu.
PODSUMOWANIE
#Omówiono znaczenie diagnostyki prenatalnej w profilaktyce wrodzonych wad płodu. Zwrócono szczególną uwagę na schorzenia wywołane aberracjami chromosomalnymi oraz wady ośrodkowego układu nerwowego. Opisano sposób postępowania w prowadzeniu diagnostyki prenatalnej ze zwróceniem :szczególnej uwagi na diagnostykę prenatalną wad ośrodkowego układu nerwowego. Przedstawiono również zasady rozpoznawania prenatalnie bloków metabolicznych. Zwrócono uwagę, że postęp w zakresie diagnostyki prenatalnej polega na wprowad#eniu ultrasonografii, udoskonaleniu metod barwie.nia chromosomów, techniki hodowli chromosomów oraz wprowadzenia mikrotechnik w batlaniach biochemicznych. Zastosowanie fetoskopii rozszerzyło #akres wykrywanych prenatalnie schorzeń. XVI. Zastosowanie metod genet#ki molekularnej w diagnost#ce chorób genet#czn#ch
"Przem#siaw Czerskż
Współczesny stan wiedzy o organizacji genomu i strukturze genów uzyskano dzięki opracowaniu technik izolacji fragmentów DNA, ich oczyszczania i anaiizy oraz manipulacji nimi w żywych komórkach. Metody te, określane jako techniki rekombinacjż DNA, są coraz szerzej stosowane w diagnostyce chorób genetycznych. Jeśt to nowe podejście, które różni śię zasadniczo od tradycyjnego p4stępowania. To ostatnie opiera się na badaniu cech fen#typu i WI1'loskowaniu na ich podstawie o genotypie. Diagnostyka z użyciem technik rekombinacji DNA oparta jest na badanżu fizycznych nośników informacji genetycznej i wnioskowaniu na tej podstawie o fenotypie. Zasadniczą zaletą tego postępowania jest możliwość rozpoznania chorób genetycznych w okresie przedobjawowym, zanim doszło do ekspresji genów, a więc, zanim eeehy zakodowane w genotypie ujawniły się w strukturze i/albo funkcjach organizmu. Jest to więc postępowanie z wyboru w diagnostyce prenatalnej. W połączeniu z biópsją kosmówki można rozpoznać choroby genetyczne płodu w 8 - 10 tygodniu ciąży. Można również wcześnie rozpoznawać choroby, które ujawniają się w późniejszych okresach życia, jak np. pląsawica Huntingtona (typowo po 38 roku życia) lub choroba Alzheimera (65 lat). Mflżna wreszcie rozpoznać predyspozycje do #horób, których ujawnienie się wymaga współdziałania czynników środowiska. Postępy w tej dziedzinie są niezwykle szy^bkie. Rośnie liczba jednostek rozpoznawalnych z zastosowaniem technik rekombinacji DNA. Coraz więcej odczynników, niekiedy w postaci zestawów diagnostycznych, jest dostępnych #v handlu. Metody laboratoryjne ulegają uproszczeniu i aut#matyzacji. Szczegółowe apisy uległyby szybko dezaktualizacji. Toteż niniejszy rozdział ma na celu krótkie przedstawienie zasad i zastosowań technik rekombinacji DNA w diagnostyce genetycznej według stanu z początku 1987 roku. Należy przewidywać, że w najbliższej przyszłości zostaną opracowane metody terapii genowej oparte na tych technikach. Obecnie jednak zastosowania te są w stadium prób doświadczalnyeh i omówienńe ich przekracza ramy tego rozdziału.
ZASADY TECHNIK REKOMBINACJI DNA
8adania diagnostyczne mają na celu wykazanie obecności lub nieobecności okre#lonych sekwencji nukleotydów zlokalizowanych w określonych obszarach (domenach) genomu. Podstawowym materiałem do badań jest DNA zvyiz#lowany z komórki. Rzadziej bada się DNA zawarty w chromosomach.
2.51 Ostatnio podjęto próby zastosowania do celów klinicznych ilflściowych badań ekspresji genów. Zawartość DNA w badanym materiale można określać za pomocą masy lub liczby par nukleotydów. Ten ostatni sposób dogodniejszy jest dla rozważań molekularnych. Pozwala on na łatwe porównywanie długości odcinków DNA i białek, pamiętając, że 1 tryplet =1 aminokwas w przypadku egzonów kadujących białka. Pojedynczą parę oznacza się skrótem bp (z angielskiego "base pair"), a lOs bp - skrótem kbp lub kb (kilobases). Dla przykładu; zestaw diploidalny DNA człowieka zawiera około 7 X 109 bp. Najczęściej podawaną liczbą dla genomu człowieka (zestaw haploidalny) jest 3 X 10# bp. Pojedyncze kopie genów mają ok. 2 kb. Powtarzalne sekwencje (repeatytywny DNA) znajdujące się pomiędzy genami są długości okolo 0;3 kb. W niektórych obszarach, np. heterochromatynie okolicy centromerów, powtarzaln# sekwencje osiągają 106 bp. Za pomocą ekstrakcji homogenatów komórkowych fenolem i precypitacji etanolem uzyskuje się mieszaninę różnej wielkości odcinków DNA, czyli DNA genomiczny. Składa się on z fragmentów zbyt dużych dla dalszej analizy :ub manipulacji. Mniejsze fragznenty uzyskuje się przez trawienie endonukleazami restrykcyjnymi (restryktazami). Są to swoiste enzymy, uzyskiwane z bakterii lub grzybów. Restryktazy rozpoznają określone sekwencje i rozkładają wiązania fosfodiestrowe pomiędzy określonymi nukleotydami. Uzyskane fragmenty są więc częściowo scharakteryzowane przez znane sekwencje w miejscu przecięcia nici DNA (miejscu restrykcji). Bliższą charakterystykę fragmentów uzyskuje się przez określenie ich wielkości za pomocą elektroforezy w żelu agarozowym w obecności wzorca - fragmentów o znaneJ wielkości lub określenia sekwencji nukleotydów. Do tych celów trzeba jednak uzyskać dostateczną liczbę kopii fragmentów. Toteż łączy się je z cząsteczkami DNA mającymi zdolność do powielania się (replikaeji). Cząsteczki takie, zwane wektorami, wprowadza się do komórek, w których ulegają namnożeniu wykorzystując aparat syntezy DNA gospodarza. Uzyskuje się bibliotekę genów *, z której izoluje się fragment (np. określony gen) za pomoćą techniki klonowania. #'Uyklonowany odcinek DNA można oznakować za pflmocą radioaktywnych izotopów lub cytochemicznych technik. Oznakowany fragment, czyli sonda DNA (w piśmiennictwie anglosaskim "DNA probe"), może być użyty przez zastosowanie techniki hybrydyzacji DNA/DNA do indentyfikacji odcinka DNA, zawierająceg4 komplementarne sekwencje. P#zwala to na st#vierdzenie obecności poszukiwanego genu lub jego lokalizację. Znając sekwencję nukleotydów, można syntetyzować sondy DNA, posługując się odpflwiednią mieszaniną enzymów i prekursorów. Używa się w tym celv automatycznych przyrządów sterowanych minikomputerami, w których koduje się żąd"ną sekwencję. Dostępne aktualnie przyrządy pozwalają na syntezę pojedynczych nici długości 20 do 100 zasad. Inną techniką produkcji sond DNA jest ich synteza na matrycy mRNA przy uży"u enzymów mających zdolność do przepisywania informacji z mRNA na DNA, czyli transkryptaz odwrotnych. Uzyskany tak komplementarny DNA określa się jako cDNA. #'Vreszcie znakowanie mRNA i hybrydyzacja RNA/DNA mflgą być użyte do poszukiwania genów.
* W starszym piśmiennictw#e spotyka się termin "bank genów", obecnie używa się powszechnie nazwy "biblżoteka genów", rezerwując określenie "bank genów" dla przechowywanej w komputerach informacji o sekwencjach nukleotydów zbadanych dotychczas genów (np. program "Genbank" w Bostonie, USA, MA).
252 Bardzo obiecującą, lecz wciąż jeszcze kosztowną metodą badańia kariotypu ż geńomu, jest cytofotometria przepływowa wraz z automatycznym sorto- waniem chromosomów. (Opis podano dalej pod tytułem "Cytogenetyka prze- #ływowa".)
ZASłOSOWANIE ftESłRYKłAZ
Obecnie znanych jest ponad 500 restryktaz. Ponad 100 z nich jest dostępnych w handlu, a ok. 25 używa się rutynowo. Enzymy te oznaeza się skrótami. Pierwsza litera jest pierwszą literą nazwy rodzaju, a dwie następne są dwoma początkowymi literami nazwy gatuziku organizmu, z którego wyizolowano enzym. Czasem dodaje się czwartą literę dla oznaczenia szczepu lub serotypu tego nrganizmu. Cyfra rzymska oznacza chronologiczną kolejność uzyskania restryktazy z tego samego organizmu. Dla przykładu restryktaza otrzymana z Escherżchża colż RY 13 jest oznaczana jako Eco RI, z E. colż TB 14 - jako Eco Tl4I, z St7eptomyces albus jako Sal I, z Hae-wz.ophżlż#w żtzfluenzae szczepu c lub d - jako Hinc I lub Hind I (Hind II, Hińd III) itd. Wyróżnia się trzy typy restryktaz. Każdy z nich wymaga nieco odmiennych warunków reakcji. Typ I i III mają dodatkową aktywność metylaz. Typ II występuje w układzie z odrębną cząsteczką białkową o aktywności metylazy. Typ I rozpożnaje określone sekwencje nukleotydów, przecina jednak nić DNA w sposób przypadkowy w odległoś" 400 do 7000 kb od rozpoznanej sekwencji. Jest więc mało przydatny. Najczęściej używany typ II prze"na nić w abrębie lub w pobliżu rozpoznanej sekwencji w określonym miejscu. Podobnie działa typ III, miejsce przecięcia znajduje się 25 - 27 bp od rozpoznanej sekwencji. Opracowano rówńież chemiczne i enzymatyczne metody łączenia końców, które bez przekształcenia się rekombinują ze sobą. A więc trawienie restryktazami fragmentów DNA o odmiennej treści informacyjnej i mogących pochodzić z różnych organizmów, ale zawierających odpowiednie miejsca restrykcji, prowadzi do uzyskania ad#inków, które rekombinują ze sobą. Dysponując odpowiednim zestawem enzymów i metod, można konstruować fragmenty DNA zawierające określone geny ułożone w żądanej kolejności. Fragmenty te możńa wykorzystać do dalszych badań lub produkcji odczynników do badań w postaci sońd DNA (patrz niżej). Różnoro.dńość restryktaz jest wykorzystywana do badania struktury genomu przez określanie długości fragmentów DNA otrzymanych po trawieniu i mapowanie miejsc restrykcjż. Stosuje się częściowe trawienie, pozwalające na ujawnienie kolejnych miejsc restrykcji - jedno, dwa, trzy itd., albo trawienie pojedynczymi enzyxnami oraz ich mieszaniną (por. ryc. 107). Kolejńość miejsc restrykcji podaną na tej rycinie można potwierdzić znakując izotopami radioaktywnymi pojedyncze "wystające" nici, dobierając reakcje tak, że znakowane są końce 5' lub 3'. W tym przykładzie (ryc. 107) w ścieżce A (Eco RI) fragment 8 kb może być oznakowany tylko w pozycji 3', fragment 3 kb zarówno w pozycji 5', jak i 3', a fragment 5 kb w pozycji 5' zakładając, że fragment wyjściowy 16 kb ma tępe końce nie dające się oznakować. Fragmenty uzyskane po trawieniu można jednocześnie znakować za pomocą hybrydyzacji z sondami DNA swoistymi dla okreśIonych chromosomów lub ich odcinków (np. określonych prążków) lub dla poszczególnych genów. W końcowym wyniku uzyskuje się dane o położeniu genów i miejsc
Ryc. 107. Mapowanie. Kolejność miejsc restrykcji z użyciem 2 enzymów. Fragment DNA długości 16 kb poddano całkowitemu strawieniu przez Ecs RI (ścieżka A). Hind III (ścieżka ) i ich mieszaniną (ścieżka C). Po elektroforezie w żelu agarozowym uzyskano fragmenty długości jak na rycinie. Kolejność miejsc restrykcji Eco ft1 może być: 8, 3, 5 lub 8, 5, 3. Hincl III daje tylko dwa fragmenty (10 i 6 kb), ma więc tylko jedno miejsce restrykcji. Mieszanina daje fragment 6 kb oraz fragmenty 5 kb, 3 kb i 2 kb, łącznie 10 kb. Kolejność miejsc restrykcji jest więc następująca: S Hin # III 10 (2 #-- 3 -# 5) g T T (g #. 2) Eco R I 3 Eco ft I 5
restrykcji w stosunku do siebie. Badając przekazywanie genów i miejsc restrykcji w kolejnych pokoleniach, mflżna ustalić stopień sprzężenia pomiędzy genem i miejscem restrykcji, tj. sporządzić ich mapę genetyczną, posługując się klasyczną metodą badania sprzężeń. Jeżeli sprzężenie jest dostatecznie ścisłe, można posłużyć się miejscem restrykcji jako znacznikiem (markerem) dla danego genu. Im więcej miejsc jest sprzężonych z danym genem, tym większe jest prawdopodobieństwo prawidłowego wykrycia genu w badanym materiale z użyciem analizy miejsc restrykcji. Toteż badania nad zastosowaniem tej metody w diagnostyce genetycznej koncentrują się na poszukiwaniach sprzężeń miejsc restrykcji z genami warunkującymi choroby. Jeżeli założyć, że kolejność zasad w DNA jest przypadkowa, to sekwencje rozpoznawane przez restryktazy, jak np. Mbo I lub Tag I, zł#żone z 4 nukleotydów, powinny występować co 4', tj. 256 nukleotydów, a złożone z 6, np. rozpoznawane przez Aat I lub Eco RI. eo 46, tj. 4096 nukleotydów. Sekwencja zasad w DNA nie jest jednak przypadkowa, związana jest bowiem z jego treścią informacyjną i procesem ewolucji. Toteż odcinki uzyskane po trawieniu są różnych długości, charakterystycznych dla danego genomu. Mówi się o polimorfizmie długości odGinków pomiędzy miejscami restrykcji, określanym angielskim skrótem RFLP (restriction fragment length polymorphism). Przekazywańie sekwencji DNA w czasie replikacji, rekombinaeji mejotycznej i zapłodnienia leży u podłoża praw Mendla, toteż RFLP przekazywany jest zgodnie z tymi prawami Jeffreys i wsp. wykazali w latach 1979 - 1983, że powtarzane sekwencje satelitarnego DNA dają po trawieniu restryktazami i elektroforezie w żelu agarozowym tak charakterystyczny dla genomu obraz RFLP, że można użyć go do identyfikacji poszczególnych osób, podobnie jak używa się odcisków palców. Toteż mówi się potocznie o "odciskach palców DNA". Znalazłfl to zastosowanie w medycynie sądowej w dochodzeniu ojeostwa oraz do identyfikacji sprawców przestępstw. "Odciski paIców DNA" podejrzanej osóby porównuje się z DNA fragmentów tkanek znalezionych w miejscu przestępstwa. Wysoki stopień poliformizmu satelitarnego DNA można wyjaśnić nagromadzeniem w czasie ewolucji licznych mutacji. Ponieważ są to obszary nie kodujące, mutacje te nie znajdują odbicia w fenotypie i nie podIegają selekcji, a więc mogą przetrwać. W obszarach kodujących stopień polimorfizmu jest mniejszy. Część mutacji bowiem upośledza zdolność do życia i nie rozprzestrzenia się w popu
254 lacji. Mutacje w miejscu restrykcji (utrata lub pojawienie się miejsca) mogąr być związane z wymianą pary nukleotydów (mutacja punktowa), metylacją zasady (modyfikacja DNA), wymianą kilku par, delecją, insercją lub inwersją. Badając miejsca restrykcji, można niekiedy wykryć mutację punktową. Klasycznym przykładem jest niedokrwistość sierpowatokrwinkowa związan# z obecności hemoglobiny S. W łańcuchu na pozycji 6 kwas glutaminowy jest zastąpiony przez walinę dzięki mutacji punktowej. W locus na chromosomie I1 za2niast sekwencji GAG występuje sekweneja GłG, co prowadzi do utraty jednego z miejsc restrykcji Mst II (por. ryc. 108), która rozpoznaje sekwencję CC TNAGG, gdzie N jest dowolną zasadą. DNA znakujesię sondą swoistą dla genu -globiny i za pomocą elektroforezy w żelu agarozowym w obecności wzorca bada się długość fragmentów uzyskanych pa trawieniu (ryc. 108).
l. 15 kc
MSł ii ##5# #.:nakowOnie sonch DhA
6
!pio; ';gl !giui
i 35 kb
#.15 F #
#znukowan e SOn#r # h#
#. Cl. ; A :7
#Gr # iwal) Ig#ui
# r OCrlS #A `pr #### #o"'Y#
r.nst r
# L oC US P S i#emoglobin## s erpowatej ;
Ryc. 108. Schemat zmiany długości fragmentu DNA o trawieniu Mst II związane# ze zmianą nekwencji GAG na GłG w niedokrwistości sierpawatokrwinkowej, w której na pozycji B w łańcuchu -globiny występuje walina (wal) zamiast kwasu glutaminowego (glu, pro- prolina). Badany fragment oznakowano radioaktywną sondą DNA swoistą dla locus na ehromosomie 11. Obok autoradiogram żelu agarozowego DNA osoby z prawidłową hemoglobiną A, heterozygot AS i osoby z niedokrwistością sierpowatokrwinkową (SS).
Podobne zjawiska związane są z szeregiem innych hemoglobinopatii, np: mutacje punktowe w pewnej grupie -talassem. Inna grupa - talassemiż związana jest z submikroskopowymi delecjami, które również prowadzą dc zmian miejsc restrykcji. Badanie RFLP znalazło zastosowanie w diagno~ styce prenatalnej hemoglobinopatii. Różnorodność mutacji w określonyrn locus prowadzących do powstania fenotypu choroby (różne mutacje locus -globiny dające odmiany nieprawidłowych hemoglobin, związanych z pozornie jednolitą jednostką -talassemi) narzuca konieczność badania DNA rodziców przed podję"em diagnostyki prenatalnej. Badanie DNA jest łatwiejsze niż badanie sekwencji aminokwasów w hemoglobinie, toteż badanie DNA probanda i rodziny używane jest do określenia mutacji leżącej u podłoża choroby. To samo dotyczy wielu innych chorób, jak np. niektórych koagulopatii, pewnych postaci cukrzycy lub dystrofii mięśniowej. Podane wyżej
255 ;przykłady dotyczą ch.orób, w których mutaeje miej.sca restrykcji występują w obrębie patologicznego genu. Zmiana miejsca restrykcji może być nie tak bezpośrednio związana ze zmianą fenotypu, jak w przypadku hemoglobiny S. Mutacja związana ze zmianą miejsca restrykcji może dotyczyć intronu lub sekwencji kodujących odcinek białka nieistotny dla jego czynności. Intrageniczne zmiany RFLP są ściśle sprzężone z sekwencjami warunkującymi cechę choroby. Niemniej, mog# pocllegać rekombinacji w czasie mejozy. Konieczne są badania rodzin dotkniętych chorobą i populacji w celu określenia stopnia sprzężenia. Na tej #odstawie określa się tzw. zawartflść informacyjną polimorfizmu. Pojęcie ta wprowadzone przez Botsteina i wsp. (1980 r.) służy do określenia prawdopodobieństwa trafnaści rozp#znania na podstawie badania RFLP. W wielu wypadkach gen nie obejmuje miejsc restrykcji, występują one natomiast w przyległych sekwencjach na skraju genu. Zawartość informacyjna jest mniejsza toteż poszukuje się kilku (najczęściej dwóch skrajnych) miejsc restrykcji sprzężonych z badanym genem. Wreszcie można dysponować sondą DNA
ł a b e I a 52. Zestawienie wybranych chorób genetycznych rozpoznawanych za pomocą sond DNA i badania politnorfizmu długości fragmentów uzyskanych po trawieniu restryktazami (RFLP)
A.Rozpoznawane sekwencje są położone w obrębie genu (bezpośrednie rozpoznanie defektów intragenicznych) Koagulopatie (hemofilie, niedabory czynników krzepnięcia) Hemoglabinopatie (np. niedokrwistość sierpowatokrwinkowa, - talassemie) Niedobór a-1-antytrypsyny Cukrzyca Charoba Alzheimera Niedobór hormonu wzrostu Zaburzenia przemiany lipidowej usposabiające do chorób serca i naczyń (atherosclerosis) Zespół Ehlersa i Danlosa flsteogen.esis i#mperfecta Zespół Lescha i Nyhana Fenyloketonuria Ret"taoblastonaa Dystrofie mięśniowe (Duchenne'a i pokreame)
B.Rozpoznawane miejsca restrykcji są sprzężone z genem (rozpoznanie pośrednie z zastosowaniem RFLP) Koagulopatie Hemoglobinopatie Cukrzyca (typ II) Niedobór hormonu wzrostu (typ I) Zaburzenia przemiany tłuszczowej (hipertriglicerydemia) Pląsawica Huntingtona Mukowiscydoza Dystrofie mięśniowe
C.Sekwencje rozpoznawane sondą DNA i restryktazą są sprzężone z genem (rozpoznanie pośrednie) Niedorozwój umysłowy sprzężony z łamliwością chromosomu X Pląsawica Huntingtona Dystrofie mięśniowe (dystrofia Duchenne'a, pokrewne i dystrofia miotoniczna; Zespół Menkes Rett#n.oschisis
Uwaga: niektóre grupy chorób lub choroby wymienione są w różnych częściact tabeli, gdyż te same mutacje mogą byE rozpoznawane za pomocą różnych metoć albo odmienne mutacje leżące u podłoża tego samego klinicznego obrazu charob# (np. a-talassemie, zespół Lescha i Nyhana, dystrofia mięśniowa typu Duchenne'a wymagają rozpoznania z zastosowaniem różnych metod.
256 swoistą dla sekwencji występujących w sąsiedztwie genu i z nim sprzężonych oraz sprzężonym miejscem restrykcji. Diagnostyka przedobjawowa, oparta na wykrywaniu genu na podstawie sprzężonych sekwencji wykrywanych swoistą sondą DNA i/albo restryktazami, wymaga odpowiedniego przygotowania genetyenego i matematycznego. Badanie powinno obejmować kilku członków rodzżny. Rozpoznanie jest probabilistyczne i acena wyników powinna być dokonana w odpowiednio przygotowanym ośrodku. Przykłady chorób rozpoznawalnych za pomocą sond DNA i badania RFLP podane są w tab. 52. CzęśE A - podaje przykłady, w których bada się polimorfizmy w obrębie genu, B - sprzężone, lecz położone poza obrębem genu i część C - przykłady, w których wykorzystuje się sprzężenia sekwencji położonych poza genem, jednej wykrywalnej za pomocą swoistej sondy DNA i drugiej za pomocą restryktazy. Dla wykrycia obecności chorób wymienionych w punktach B i C tab. 52 znajomośE molekularnej istoty choroby nie jest konieczna. Wystarczy określić wzajemne położenie badanych sekwencji i poszukiwanego genu na mapie genetycznej oraz ustalić, że sprzężenia są dostatecznie ścisłe, aby służyć do celów diagnostycznych.
KONSłIZUKCJA BIBLIOłEK I SOND DNA. KLONOWANIE
Jak to wspomniano na wstępie rozdziału, badania genetyki moIekularnej wymagały uzyskania dużej ilośći jednakowych odcinków ńaturalnego DNA. Metody opracowane w tym celu służą obecnie do produkcji sond DNA do celów diagnostycmych. Materiałem wyjściowym może być genomiczny DNA albo DNA poszczególnych chromosomów uzyśkanych z międzygatunkowyeh hybryd komórkowych lub za pomocą przepływowego sortera. Trawienie restryktazami pozwala na uzyśkanie fragmentów wielkości kilkudziesięciu lub kilkuset bp. Dla uzyskania dostatecznej liczby tych fragmentów wprowadza się je za pomocą wektorów do żywych komórek, zazwyczaj bakterii (najczęściej E. coli), ale również i komórek eukariotycznych, jak drożdże, komórki myszy lub człowieka.
Ryc. 109. Schemat plazmidu pBR322. Oznaczono miejsca przecięcia Aval przez szereg restryktaz i orienBall tacyjną wielkość plazmidu (cyfry wewnątrz koła odpowiadają liczbie kb). Amp oznacza gen odporności na ampicylinę, Tetna tetracyklinę, Ori - polożełth III I Pvu II nie ośrodka replikacji DNA.
I iZat#y's t;enetyki 257 Jako wektłor może służyć cząstec'zka DNA, która: a) ma zdolność do samodzielnego powielania się w cytoplazmie gospodarza, b) zawiera znaczniki (markery), za pomocą których można ją zidentyfikować, oraz c) zawiera odpowiednie miejsca restrykeji pozwalające na uzyskanie lepkich końców. Jakc wektory mogą służyć występujące w naturze w cytoplazmie bakterii bakteriofagi oraz plazmidy. Te ostatnie są kolistymi fragmentami DNA, wielkości kilku kb. Zawierają one ośrodek replikacji oraz kilka genów nadające bakteriom - gospodarzom różne cechy, m.in. odpornośE na ant#biotyki. Wykorzystując naturalne bakteriofagi i plazmidy skonstruowano wiele sztucznych wektorów. W praktyce używa się wektorów dostępnych w handlu luk własnej konstrukeji. Jako przykład może służyć często używany plazmid p BR 322, przedstawiony na ryc. 109. Plazmid ten zawiera ośrodek replikaeji, jeden gen nadający gosgodarzowi odporność na tetracyklinę i jeden gen nadający odpornośi na ampicylinę oraz szereg miejsc restrykeji. Roztwór cząstek plazmidu, wyizolowanych z bakterii goddaje się trawieniu wybraną restryktazą. Uzyskujc się fragmenty liniowe zakońezone lepkimi końcami. Inkubacja tych fragmentów z roztworem fragmentów ba=danego DNA prowadzi do łąc#enia się zc sobą komplementarnych końców. Badane fragmenty ulegają włączeniu dc plazmidu, który ponownie przyjmuje postać kolistą. W praktyce często konieczne jest przeprowadzenie dodatkowych reakeji tj. inkubacji roztworów w odpowiednich warunkach z dodatkowymi enzymami (grzede wszystkim enzymem swoistym, ligazą DNA), aby uzyskać włączenie obcego DNA i zamknięcie koła plazmidu. Manipulacje są proste i sprowadzają się do inkubacji probówek z adpowiednim roztworem we właściwe; temperaturze przez określony czas. Rycina 110 przedstawia sehemat reakeji, w wynik2x której powstają zrekombinowane plazmidy. Nadają one ad#orność na tylko jeden antybiotyk zamiast na dwa, jak plazmid wyj#ciowy. Odpowiedni szezep bakterii zostaje zakażony plazmidamż. Hodowla tych bakterii na podłożach z antybiotykami i pozwala na wyselekejonowanie kolonii, które zawierają zrekombinowane plazmi.dy. Wysiewając bakterie w odpowiednżm stężeniu na płytki Petriego z podłożem agarowym, otrzymuje się kolonie pochodzące z pojedynezej komórki macierzystej, czyli klony. Wyselekejonowane na właściwych podłożach pos#czególne klony zawierają zrekombinowane plazmidy, do których włączone zostały odmienne fragmenty obcego DNA. Pojedynezy klon może również zawierać odmienne zrekombinowane plazxnidy. Zestaw hodowli komórkowych w których namnażane są wektory zawierające pewien zestaw odmiennycl fragmentów obcego DNA, nosi nazwę biblioteki genów lub fragmentów DNA Dysponując odpowiednią liczbą bakterii, można część biblioteki użyć do izolacji DNA wektorów. Wbudowane fragmenty można wyciąć restryktazami rozdzielić według wielkości i określić sekweneję nukleotydów. Stosując te chniki analityczne, preparatykę DNA i powtarzanie rekombinacji i klonoł wania mnżna uzyskaE klon bakterii, w którym powielają się wektory zał wierające pojedynezy identyczny odcinek DNA, czyli wyklonować fragmen DNA. Fragment ten m#żna oznakować izotopami radioaktywnymi lub cył tochemicznie i użyć do identyfikacji komplementarnych sekweneji za pomoc# techniki hybrydyzacj i. Mając do dyspozycji oznakowany fragment, czyli sondę DNA, można wrócić #do biblioteki i w#braE z niej klony zawierające interesujący fragment Po sprawdzeniu czystośeń klonów można je powieliE i uzyskać pokaźną liczł bę identycznych odcinków DNA. Sehemat postępowania w trakcie klonoł
258 p BR 323
D #y #A
Pst I
# * t 1 1
Ryc. 110. Plazmid pBR 322 poddano trawieniu Pst II lub Sal I, których micjsca restrykcji znajdują się w genach odporności na antybiotyki. Inkubacja z obcym DNA o odpowiednich lepkfch końcach prowadzi do włączeńia fragmentów do jcdnego z tych genów i utraty odporności na odnośny antybiotyk. W wyniku tej rekombinacji powstają plazmidy nadające odporność tylko na jeden antybiotyk i zawierające obcy DNA.
wania fragmentów eukariotycznego DNA z użyciem Z. coli praed#tawia ryc. 110. Powyższy opis przedstawia zasadę izolacji i namnażania kionu odeinka DNA. Do oznakowania wektorów używa się różnych antygenów, np. nadających określone cechy metaboliczne lub antygenowe. Stosuje się różne podłoża selekcyjne i metody immunologiczne selekcje klonów. Jako wektory mogą służyć fagi, różnorodne wirusy i wektory sztuezne, jest również wiele dostępnych szczepów k.omórek - gospodarzy. Schemat postępowania jest analogiczny. Jest ono pracochłorme. U#yskanie czystego klonu DNA wymaga opracowania od kilkuset do kilkunastu tysięcy hodowli komórkowych. Do konstrukcji bibliotek można również użyć DNA otrzymany z aastosowaniem transkryptaz odwrotnych z mieszaniny różnych mRNA. Można również wbudować do wektora syntetyany odcinek DNA. W tym wypadku oznakowany odpowiednio materiał wyjściowy może służyć jako sonda DNA do identyfikacji klonów, w których namnoży śię zrekombinowany wektor. Postępowanie ulega znacznemu uproszczeniu. Jeżeli użyć odpowiednżch szczepów komórek-gospodarzy i wektorów, wprowadzony #en może ulegać transkrypcji i translacji. Uzyskuje się produkcję określonego 'białka, które można wyżzolowaE i 4czyścić. Metoda ta jest uży259 wana do produkcji wielu enzymów (m.in. niektórych restryktaz, wielu enzymów przemysłowych, stryptokinazy), biol#gżcznie czynnych białek (np. interferony, czynniki krzepnięcia, antybiotyki) i hormonów (np. insulina, hormon wzrostu). Wzrasta liczba i ilośE śradków leczniczych produkowanych przy użyciu technik rekombinacji DNA. Sondy DNA lub RNA wyprodukowane dzięki tym technikom znalazły zastosowanie w diagnostyce chorób bakteryjnych i wirusowyeh oraz określaniu odporności na antybiotyki.
TECHNIKI IiYBRYDYZAC Jl
W odpowiednich warunkach (pH, siła jonowa i temperatura środówiska) pojedyncze nici DNA lub RNA wiążą się za pomocą wiązań wodorowych z nićmi DNA lub RNA, zawierającymi komplementarne sekwencje nukleotydów. Zjawisko to nosi nazwę hybrydyzacji. Podwójne nici mogę się rozpadaE, czyli denaturować, przy zmianie warunków. Najezęściej stosuje się denaturację termieną. Pojedyncze nici uzyskane przez denaturację mogą ponownie łączyć się ze sobą (renaturować, hybrydyzowaE) przy zmianie warunków (np. obniżeniu temperatury). St"bilność podwójnych nici zależy od warunków środowiska. Manipulując nimi można uzyskać hybrydyzację tylko nici ściśle zgadnych ze sobą lub częściowo knmplementarnych. Podstawowe etapy hybrydyzacji DNA w laboratorium są następujące: I. Badany fragment podwójnej nici DNA poddaje się denaturacji i uzyskane pojedyncze nici wiąże się ze stałym podłożem (np. błoną z nitrocelulozy), 2. Następnie dodaje się roztwór pojedynczych nici oznakowanych izotopami ra#ioaktywnymi lub chemicznie, eyli roztwór sondy DNA (RNA). Sonda wiąże się z nićmi zawierającymi komplementarne sekwencje w sposób bardziej lub mniej swoisty, zależnie ód warunków. Zazwyczaj dąży się do uzyskania bardzo swoistej h#brydyzacji. 3. Nie związane z badanym materiałem fragmenty sondy usuwa się przez płukanie w odpowiednich roztworach. 4. Związane ze stałym podłożem kómpleksy podwójnych nici powstałe na skutek hybrydyzacji wykrywa się za pomocą autoradiografii lub odpowiedniego barwienia. Jest to tak zwana punktnwa techniki bibułowa. Eardziej precyzyjną techniką jest metada opisana pxzez E. M. Southerna. Terhnika ta początkowo służyła do badania hybryd DNA/ftNA i z pewnymi modyfikacjami do badania białek. Southern oznacza po ang9elsku "południowy". Toteż pobocznie mówi się o technice bibułowej południowej (Southern blot), jeśli bada się hybrydyzaeję DNA/DNA, północnej (Northern blot), jeśli bada się hybrydy DNA/ /RNA, i zachodniej (Western blot), jeśli bada się białka. Technika półudniowa obejmuje następujące etapy (ryc. Ill). 1. Izolacja i oczyszczenie DNA z komórek człowieka. 2. Trawienie restryktazami w celu uzyskania mieszaniny fragmentów o dogodnej wielkości. 3. Rozdział elektroforetyczny fragmentów według wielkości. 4. Przeniesienie fragmentów z żelu na filtr z nitrocelulozy lub z nylonu; z zachowaniem ich rozmieszczenia; niezwykle 2legancka, dzięki swej prostocie, metoda Southerna przedstawi#na jest na ryc. 112. 5. Denaturacja fragmentów DNA i hybrydyzacja z sondą (technika południowa); nici RNA sa pojedyn#e, nie wymagają denaturacji, przeprowadza sie tylko hybrydyzacj# (technika pó#nocna); w przypadku białek (technika
Ryc. 111. Schemat klonowania genomicz- Ryc. 112. Schemat postępowani.a #w "ponego DNA człowieka w komórkach ludniowej" technice bibułowej ("SoutEschertchia co1% (patrz tekst). hern blot"), patrz tekst.
zachodnia) przeprowadza się reakcję wiązania znakowanych przeciwciał zwróconych przeciwko poszukiwanym grupom antygenowym. 6. Ustalenie poł4żenia fragmentów oznakowanych sondą lub przeciwciałem z użycżem autoradiografii, reakcji barwnych lub fluorescencji, zależnie od typu oznakowania sondy lub przeciwciała. Hybrydyzację można przeprowadzać w roztworze. Następnie trzeba wyizolować kompleks złożony z podwójnej nici DNA/DNA lub RNA/DNA. Za pomocą określenia radioaktywności lub fotometrii można oznaczyć liczbę hybrydyzujących sekwencji, np. fotokop badanego genu lub mRNA. Wresz"e można przeprowadzać hybrydyzację żn sżtu w mikroskopowych preparatach na szkiełku podstawowym lub w preparatach płytek metafazalnych, sporządzanych tak samo jak dla celów cytogenetycznych badań kariotypu. Przeprowadza się denaturaeję, hybrydyzację, a następnie wykrywa się obecność i lokalizację sondy za pomocą autoradiograf, metod cytochemicznych lub fluorescencji. Hybrydyzacja żtz sżtu może służyć do lokalizacji genów w chromosomach. Ann Henderson i wsp. (1973 r.) po raz pierwszy zaśtosowali hy261 Filtr z nitro#wiozy --#-,
Rye. 113. Technika przenoszenia fragmentów rozdzielonych elektroforetycmie w żelu agarozowym opracowana przez E. M. Southerna. O brzegi naczynia z buforem opiera się płytę szklaną, na którą nakłada się pasek bibuły filtracyjnej. Jego brzegi zanurza się w buforze i pasek służy jako knot wysysający roztwór. Na pasek nakłada się żel. Na nim umieszeza się duże warstwy bibuły filtracyjnej, na które nakłada się warstwę ręczników papierowyeh, odpowiednio przyciętych. Na wierzeh n#kłada się drugą płytę, obciążoną odpowiednim eiężarem. Dzięki sile włoskowatości powstaje prąd buforu, który wymywa fragmenty z żelu i osadza je na filtrze z nitrocelulozy.
brydyzację RNA/DNA do lokalizacji genów człowieka. Wykazali oni, że rybosomalny DNA hybrydyzuje z odcinkami DNA p#łożonymi w nóżkach satelitów chromosomów akrocentrycznych. Stąd geny kodujące rybosomalny RNA zlokalizowane są w tej okoliey. Sondy DNA są obecnie szeroko stosowane do mapovsania genów w chromosomach. Jako sond używa się wyklonowanych fragmentów genów, mRNA lub cDl\łA. Jeśli sekweneje w obrębie mutacji są znane i mutacja jest punktflwa lub dotyczy kilku zasad, rnożna posłużyć się sondami syntetycznymi. Składają się one z kilkunastu lub dwudziestu paru nukleotydów (sondy oligonukleotydowe). Sondy takie są używane w diagnostyce hemoglobinopatii, np. -talassemii, w której opisano 23 mutacje prowadzące do powstania obrazu choroby. Sondy takie służą również d# diagnostyki prenatalnej niedoboru a-1-anty#rypsyny i ok. 30o/o przypadków choroby lub nosicieli fenyloketonurii. W pzzypadkach tych występuje mutacja na końcu 5' intronu 12 genu hydroksylazy fenylolaninowej, polegająca na zastąpieniu guaniny przez adeninę. W pozostałych przypadkach nie ustalono jeszeze rodzaju mutacji. Niektóre choroby związane są z różnorodnymi mutacjami. Jako przykład mogą służyć dystrofie mięśniowe typu Duchenne'a i pokrewnych lub zespół Leseha i Nyhana. Ten ostatni związany jest z niedoborem fosforybosyltransferazy hipoksantyno-guaninowej. Gen tego enzymu jest duży, długości 44 kb, i w dotychezas zbadanych 18 przypadkach w każdym zmiana sekweneji była odmienna. Przykłady te zostały przytoczone dla podkreślenia konieczności badań ro262 dziny w przypadku ustalenia rozpoznania z użyciem metod wykrywających mutacje punktowe. Jednocześnie przykłady te wykazują, że metod tych nie mażna stosować jako testów przesiewowych dla wykrywania nosicieli lub świeżych mutacji. Toteż z nielicznymi wyjątkami, jak niektóre hemoglobinopatie, na razie bardziej przydatne są w diagnostyce sondy większej długości i badania sprzężeń z ftFLP lub ze zmianami w sekwencjach nie związanych bezpośrednio z istotą chorób. Używa się m.in. sond anonimowych. Hybrydyzują one z DNA określonych chromosomów lub prążków w ich obrębie, jednak bliżśza struktura i funkcja odcinków wykrywanych sondami anonimowymi nie jest znana. Sondy anonimowe mogą służyć w cytogenetyce do wykrywania submikroskopowych delecji, insercji lub translokacji; jak również w cytogenetyce przepływowej.
ZASłOSOWANIE SOND DNA I HYBRYDYZACJI
Najczęściej stosowaną metodą oznakowania sond jest wprowadzenie izotopów radioaktywnych. Ogranicza to jednak możliwość szerokiego zastosowania, gdyż laboratorium wykonujące takie badania musi odpowiadać wymogom bezpieezeństwa pracy z materiałami radioaktywnymi. Szerokie zastosowanie w rutynowych małych laborat#riach będzie możliwe po opracowaniu dobryeh metod z#akowania sond za pomocą związków wykrywanych reakcjami barwnymi lub z zastosowaniem fluorescencji. Prowadzi się intensywne poszukiwania takich metod. Jedną z nich jest wprowadzenie do końca sondy bocznego łańcucha 16 tymidyn, do których włączono biotynę. Łączy się ona w sposób swoisty z awidyną, kt&ra przyłączać może kilka cząstek biotyny. Awidyna włączona do sondy ma jeszcze wolne miejsca wiązania biotyny. Toteż kompleks sonda DNA/DNA badany/biotyna/awidyna można wykryć dołączając do niego biotynę sprzężoną z kilkoma cząsteczkami fosfatazy alkalicznej. Tę wykrywa się za pomocą typowej reakcji barwnej z błękitem nitrotetrazolowym. Kompleks można wylfrywać również za pomocą swoistych przeciwciał zwróeonych przeciwko awidynie i sprzężonych z fluorochromem (metodą immunofluorescencji). Ta ostatnia metoda używana jest w cytogenetyce przepływowej. Niestety, sondy oznakowane biotyną/awidyną są mniej swoiste i czułe niż sondy oznakowane izotopami radioaktywnymi. Zastosowanie sond w diagnostyce genetycznej jest duże. Szeroko stosuje się sondy DNA lub RNA w diagnostyce bakterii i wirusów. Używa się hybrydyzacji wyizolowanego z badanego materiału DNA lub RNA w roztworze lub punktowej techniki bibułowej. Liczba mikroorganizmów wykrywanych sondami stale rośnie. Wymienić można wirusy hepatżtżs A i B. Epstein-Barr, cytomegalowirus, herpes, papillomawirusy, wirus nabytego niedoboru odporności (AIDS) i wiele innych. Opracowano sondy dla PZaz#rrodżu#n, faLciparun'c (malaria) i wielu leiszman; w opracowaniu jest sonda do wykrycia trichinozy. I.ista bakterii jest bardzo długa, obejmuje m.in. i Salłnonellae, Klebsżellae, Le#żortellae i różne Mycobacterża, m.in. Mycobacterżu#n, tuberculosżs. W tym ostatnim przypadku podkreślić należy, że hodowla i próby biologiczne wymagają kilku tygodni, podczas gdy wykonanie badania przy użyciu sondy DNA - kilku godzin. Wreszcie dodać należy, że sekwencje genów odporności na antybiotyki s# znane. Wiele firm op-racowuje obecnie zestawy sond do wykrycia tych genów w badanych bakte
263 riach. Zestawy te powinny pozwolić na ustalenie odporności na antybiotyki w ciągu godziny lub dwóch. Wreszcie sondy DNA i metody jego rekombinacji znalazły szerokie zastosowanie w onkologii. Sondami można wykrywać onkogeny i co ważniejsze, badać liczbę ich kopii oraz lokalizację. Badanie amplifikacji onkogenów w raku sutka służy do celów prognostycznych i pozwala na wyróżnienie okresu, w którym powstają przerzuty. Omówienie zastosowań rekombinacji DNA w diagnostyce onkologicznej wymaga odrębnego rozdziału i przekraeza ramy niniejszego. Wspomnieć tylko należy o genie związanym z retżnoblasto#m,a. Jest on położony na ramieniu długim chromosomu 13 w prążku ql4.1 i jego sekwencja jest znana. Delecja tego genu powoduje nowotwór. Można więc podejrzewać, że jest to gen niezbędny do kontroli i regulacji proliferacji komórek. Badanie sondą DNA pozwala na ustalenie rozpoznania w okresie przedobjawowym.
CY'rOGrENEłYliA PftZEP#YWOWA
Cytogenetyka przepływowa wywodzi się z cytofotometr przepływowej. Najprostsze urządzenie do pomiaru światła wzbudzonego (fluorescencji) i światła wzbudzającego (zazwyczaj monochromatyczne pr4mienrowanie w paśmie nadfioletu) przedstawiono na ryc. 114. Szybkość przepływu chromosomów i pomiarów są tak dobrane, że uzyskuje się wykres pochłaniania (emisji) na
Ryc. 114. Schemat cytofotometru przepływowego z urządzeniem do sortowania ehromosombw. Płyn z zawiesiną chramosomów jest wprowadzany pod ciśnieniem do komory przepływ#wej, z której wypływa w postaci kropli. Wielkość kropli jest tak dobrana, żeby każda zawierała tylko jeden chromosom. lirople przepływają przez promień monochromatycznego światła lasera. Swiatło wzbudzające i światło wzbudzonej fluorescencji jest mierzone przez fotopowielacze (światło jest rozszczepione na dwa promienie i przepuszczane przez odpowiednie filtry). Krople przepływają między dwiema płytkami o wysokim ładunku elektrycznym sterowanym z minikomputera. Po rozpoznaniu sygnału (natężenie i grofil liniowy pochłoni#tego lub wzbudzonego światła) krople zawierające poszukiwane chromosomy są odchylane elektrostatycznie i zbierane w naezyniach.
264 przestrzeni długości chromosomu. Sygna#y z układów pomiarowych są zapisywane w komputerze. Ten sam komputer steruje wielkością i znakiem ładunku elektrycznego na płytkach elektrostatycznie odchylających krople ze strumienia kropli wtryskiwanych pomiędzy płytki. M#żna odchylać krople zawierające chromosomy o wybranej charakterystyce i zbierać je w naczyniach. Zasada urządzenia jest prosta, ale wymaga ono skomplikowanych elementów elektronicznych i jest kosztowne. Istnieją urządzenia kaskadowe, w których sort,owanie jest powtarzane kilka razy. Mflżna wbwczas dokonać seiekcji chromosomów według wielu kryteriów. Urządzenie na ryc. 114 pozwala na sortowanie z uwzględnieniem dwóch zmiennych. Ghrumosomy do tych badań izoluje się z komórek znaj#ujących się w trakcie mitozy przez zawieszenie w odpowiednim środowisku i wirowanie różnicowe. Do scharakteryz.owania chromosmów można się posłużyE pochłanianiem nadfioletu w DNA i posegregować je według zawartości kwasów nukleinowych. M#żna również posłużyć się chromosomami zabarwionymi barwnikami fluorescencyjnymi, np. używanymi w mikroskopie do badania prążków. Wykres intensywności wzbudzonego światła na przestrzeni długości chromosomu odpowiada wzorowi prążków. Można więc uzyskae kariotyp prążkowy badanych chrłom.osomów. Zawiesina chromosomów badana w ten sposób zawiera przypadkow# mieszaninę chromosomów z różnych kflmórek. Toteż należy zbadać duża liczbę chromosomów i przeprowadzić analizę statystyczną wyników, aby uzyskać kariotyp badanej osoby. Operacje rachunkowe są wykonywane w komputerze. Hybrydyzacja badanych chromosomów ze swoistymi sondami DNA, oznakowanymi fluorescencyjnie, pozwala na dalszą szaegółową charakterystykę. Niezależnie od celów anality#ych (badania kariotypu i genu), urządzenia te mogą służyć do izolacji poszczególnych prawidłowy#h lub nieprawidłowych chromosomów, które mogą być następnie użyte do konstrukcji bibliotek DNA, jak to opisano wyżej. Trzeba się zastrzec, że cytogenetyka przepływowa wymaga jeszcze udoskonaleń. Metoda jest w praktyce jeszcze trudna i nie zawsze tak precyzyjna, jakby wynikało z opi#u. Jest to metoda przyszłości, pod warunkiem, że zostanie bardziej wystandaryzowana i że aparatura będzie tańsza.
PODSUMOWANIE
Zastosnwanie rekombinacji DNA do metod diagnostycznych pozwala na wyciąganie wniosków co do rozpoznania, częst# prognozy na podstawie badania fizycznych nośników informacji genetyeznej (chromosomów, DNA mRNA). W skró"e myślowym można powiedzieć, że na podstawie genotypu wyciąga się wnioski o fenotypie. Gechy te nie muszą być wyrażone. Rozpoznanie można ustalić w okresie przedobjawowym. Jest to więc postępowanie z wybtrru w diagnostyce prenatalnej. S#ownik najezęściej używan#ch terminów genet#czn#ch
Krzysztof Boczkowwski
Aberracja chromosomalna - nieprawidłowość w liczbie lub strukturze chromosomu. Allele - alternatywne formy danego genu, zajmujące to samo miejsce (locus) w parze chromosomów. Każdemu chromosomowi (z wyjątkiem chromosomów X i Y u mężezyzny) odpowiada drugi homologiczny chromosom, dlatego też każdemu genowi odpowiada drugi gen, położony w identycznym miejscu w homologicznym chromosomie. Geny położone w identycznyeh miejscach w homologicznych chromosomach nazywamy allelami. Amniopunkeja - nakłucie pęcherza płodowego przez powłoki brzuszne albo przez pochwę. Anafaza - przedostatnia faza mitozy lub mejozy, w czasie której chromatydy (lub chromosomy w I podziale mejotycznym) wędrują do przeciwległych biegunów komórki.
Aneuploidia - brak albo nadmiar jednego lub kilku chromosomów w stosunku do liczby podstawowej dla danego gatunku. Artygen - substaneja wzbudzająca powstanie przeciwciała i/lub wykazująca swoistą z nim reakeję. Asocjacja - stowarzyszenie - łączne występowanie dwóch cech istotnie częstsze niż # losowe.
Biotyp (Johansse#, 1903) - grupa osobnikbw identycznych pod względem składu genetycznego. Bi#valent - para homologicznych chromosomów w okresie ich koniugacji podczas I podziału mejotycznego. Liczba biwalentów odpowiada połowie liczby chromosomów normalnej diploidalnej kombrki somatycznej.
Bliźnięta - dwa osobniki rozwijające się w przebiegu tej samej ciąży i pochodzące z jednej komórki jajowej (bliźnięta monozygotyczne) lub z dwóch komórek jajowych (bliźnięta dizygotyczne). Bliźnięta monozygotyczne są jednakowe pod względem genetycznym, natomiast stopień pokrewieństwa genetycznego bliźniąt dizygotycznych jest taki sam jak między rodzeństwem.
Cecha (Bateson, 1909) - każda właściwośE (fenotypowa) organizmu: bioehemiczna, anatomiczna, psychiczna itp. U jej podłoża leży informacja genetyczna, której realizacja zależy jednak od warunków środowiska. Cechę możemy określić jako autosomalną lub sprzężoną z płcią (z chromosomem płciowym), dominującą lub recesywną, jednogenową lub wielogenową itp. Centromer - heterochromatyczne miejsce chromosomu, w którym łączą się jego chromatydy i do którego przyczepiają się włókna wrzeciona kariokinetycznego podezas mitozy lub mejozy. Nazywany jest rbwnież przewężeniem pierwotnym.
266 Chimera (Winkler, 1807) - mozaika idiotypowa, najczęściej roślinna, rzadziej zwierzę, które ma tkanki dwbch lub więcej idiotypbw. Chimery mogą powstaE w wyniku mutacji, somatycznej segregacji lub przeszczepiania. U człowieka powstaje w wyniku podwójnego zapłodnienia komórki jajowej albo wymiany między dwoma zygotami lub ich połączenia albo przeszcżepienia tkanki czy narządu. Chromatyda - jedna z dwu jednostek podłużnych, z jakich składają się chromosomy od okresu syntezy aż do metafazy mitotycznej lub metafazy II podziału mejotycznego; potem staje się chromosomem potomńym. # Chromatyna - substancja jądra komórkowego barwiąca się b"rwnikami zasadowymi i składająca się z chromosomów. Chromatyna płciowa - chromatyna płciowa X (ciałko Barra) - płaskowypu#ła grudka chromatyny, położona przy błonie jądrowej komórek żeńskich, mających ponad jeden chromosom płciowy X. Odpowiada allocyklicznemu chromosomowi X w stadium interfazy. Chromosom - struktura, zawierająca ułożone kolejno geny, ktbre warunkują właściwości dziedziczne we wszystkich proto- i eukariotycznych systemach genetycznych. Chromosomy są strukturami samoodtwarzającymi się (autoreplikacja), a ich liczba w komórce, kształt i organizacja są charakterystycznymi cechami gatunkowymi. Ciałko Barra - patrz chromatyna płciowa. Ciałko Y - jasno fluoryzująca grudka widoczna w jądrach komórek męskich, która powstaje w wyniku silnej fluorescencji części dystalnej ramion długich chromosomu Y. Cis-trans efekt - gdy dwa allele (pseudoallele) znajdują się obok siebie ńa tym samym chromosomie (pozycja cżs) - ńie powodują one zmian fenotypowych; natomiast gdy znajdują się na dwóch homologicznych chrqxnosomaćh (pozycja trans) - powodują powstanie żmian fenotypowyeh. Crossing- over - przekrzyżowanie - morfologiczny wyraz rekombinacji. Cytogenetyka - dział genetyki badający chromosomy metodami cytomorfologicznymi. Zajmuje się zarówno liczbą i kształtem chromosomów, w. kt&rych zawarty jest materiał genetyczny, jak i jego przekażywaniem w procesie mitozy i mejozy, oraz określaniem nieprawidłowości chromosomalnych u osobnikbw.
Defekt wrodzony - anomalia obecna w chwili urodzenia, ktbra może 6yE spowodowanaczynnikami genetycznymi i/lub czynnikami środowiskowymi z okresu prenatalnego. Dełecja - ubytek części chromosomu. Denaturacja DNA - tworzenie jednoniciowych łańcuchbw z podwójnej (dwuniciowej) helisy DNA. De novo - powstanie osobnika mutacji, np. aberracji chromosomalńej "na nowo" (nie została przekazana mu przez rodziców). Dermatogłify - #vżóry listewek skórnych ń" dłoniach i stópaćh, genetyczńie i' f#dywidualnie śwoiste. Diploid - komórka lub organizm zawierający dwa zespoły homologicznycli chromosomów (jeden od ojca, a drugi od matki); u człowieka liczba diploidalna chromosomów wynosi 46. DNA - kwas dezoksyrybonukleinowy - polimer złożony z dezoksyrybonukleot.ydów, w ktbrym zakodowana jest informacja genetyczna komórki. Dominacja - uwidacznianie się cechy w stanie heterozygotycznym, tzn. gdg allele są odmienne, wówczas uwidacznia się cecha określana przez allel dominujący. Dryfgenetyczny - losowa zmiana częstości genów w populacji, zarówno ukierunkowana, jak i nie ukierunkowana, istoina żwłaszcza dla małych populacji gdyż może doprowadziE do utrwalenia #edneg# z ałleli i wykluczenia drugiegó, niezależnie od ich wartości adaptacyjnej.
267 Duplikacja - podwojenie fragmentu chromosomu, ramion chromosomu (izochro- mosom) albo całego chromosomu, lub kilku chromosombw (aneuploidia).
Dziedziczność - przekazywanie informacji genetycznej przez rodziców potomstwu. Genetyka jest nauką o dziedziczności.
E#zon - odcinek genu zawierający nukleotydy ulegające transkrypeji w czasie syntezy białka.
Endonukleazy - enzymy atakujące łańcuchy kwas&w nukleinowych wewnątrz łańcucha polinukleotydowego, patrz nukleazy. EksDresja - wyrazistość, forma lub stopień ujawniania się określonego gen lub #rupy genów w fenotypie nosiciela lub nosicieli, określana jakościowo lub ilościowo. Epiaom - element genetyczny, będący cząsteczką DNA, który nie jest koniecznym składnikiem kombrki. Episom może istnieE w dwbeh stanach: 1) w stanie zintegrowanym - w którym stanowi on część chromosomu #ospodarza replikujący się jako częśE tego chromosomu oraz 2) w stanie autonomicznymw którym replikuje się niezaletnie i niekiedy szybciej od chromosomu gospodarza. Episom, który utracił zdolnośE łączenia się z chromosomem, staje się plazmidem. Epistaza (Bateson, 1907) - forma wspbłdziałania genbw, polegająca na oddziaływaniu jednego genu na fenotypową ekspresję innego genu lub genów nieallelicznych w taki sposbb, że fenotyp jest uwarunkowany tylko przez ten jeden gen. Geny, których przejawianie slę zostaje zniesione pod wpływem innych genbw nieallelicznych, określa się jako hipostatyczne lub wykazujące hipostazę. Euchromatyna - chromosomy lub ich części, w których cykl spiralizacji przebiega typowo, warunkując normalny sposbb barwienia się barwnikami zasadowymi w odrbżnieniu od heterochromatyny. Eu##nlka (Galton, 1883) - nauka o, poprawianiu rasy ludzkiej".
Eukarionty - rośliny i zwierzęta zbudowane z kombrek zawierających jądro oddzielone błoną jądrową od cytoplazmy. Euploidy - komórki, tkanki lub organizmy z pełnym, typowym dla danego gatunku, pojedynezym zestawem chromosomów (monoploidy) albo z jego wielokrotnością (diploidy lub poliploidy), przy czym każdy chromosom występuje tylko raz w danym zestawie. Fa - inaczej bakteriofag, czyli wirus bakteryjny. FI-F= - kolejne pokolenia potomne, wywodzące się od określonej pary rodzicbw. Fenokopia - powstająca pod wpływem środowiska modyfikacja fenotypu, naśladująca cechę lub cechy uwarunkowane genety-cznie.
FenotyD - a) strukturalne i czynnościowe właściwości organizxnu, powstałe w wyniku współdxiałania genotypu i środowiska; b) dająca się stwierdziE morfologicznie lub czynnościowo charakterystyka określonej ceehy. Filogeneza - rozwój rodowy organizmbw, czyli historia powstawania zarówno poszezególnych naturalnyctt grup organizmów, jak i całe#o świata roślin i zwieł Tząt. - -
Gatunek - podśtawowa jednostka w systematyce roślin i zwierząt, obejmująca organizmy mające wspblną pulę genbw oraz mogące krzyżowaE się między sobą i mieE płodne potomstwo.
Gameta - dojrzała komórka rozrodeza (niekiedy tylko jądro kom&rkowe) o haploidalnej liezbie chromosombw. Gen (Johannsen, 1909) - jednostka materiału genetycznego, zlokalizowana w chromosomie i definiowana jako podstawowa jednostka funkeji, rekombinacji oraz mutacji.
268 Gen kontrolujący - gen określający czas, czynnośE lub stopień ekspresji genu strukturalnego. Gen letalny - gen, ktbry powoduje, że organizm jest niezdolny do życia. Gdy żywotnośE organizmu jest tylko osłabiona, leez nie dochodzi do śmierci, wbwezas gen warunkujący ten stan jest zwykle nazywany półletalnym. Gen regulujący - gen decydujący o tym, czy geny strukturalne danego operonu podejmą transkrypeję lub translację. Gen strukturalny - gen determinujący pierwotną strukturę (sekweneję aminokwasów) nowo tworzonego białka. Genetyka - nauka o informacji genetycznej, o ekspresji, czyli wyrażaniu się tej informacji, oraz o jej przekazywaniu do kombrek potomnych. Genetyka medyezna - dział genetyki człowieka zajmujący się zależnością między czynnikami genetycznymi a ehorobą. Genom - wszystkie geny (stanu haploidalnego) danej komórki, organizmu lub gatunku. Genotyp - a) cała informacja genetyczna (zawarta w genach) danej kombrki, organizmu lub gatunku; b) informacja genetyczna w danym miejscu genowym. Genyaddytywne - geny wykazujące współdziałanie, ale nie wykazująee ani epistazy, ani dominacji. Najezęściej geny te wpływają na kształtowanie się cech ilościowych.
Haploid - komórka lub organizm z pojedynezym genomem, czyli haploidalnym 2estawem chromosomów, oznaczanym zwykle literą n. Hemizygotyczność - występowanie pojedynezych genów w genotypie diploidalnym, np. genbw chromosomu X u mężezyzny. Heterochromatyna - silnie barwiąca się w okresie interfazy i skondensowana chromatyna. Heterozygotyczność - występowanie odmiennych alleli, w takich samych miejscach homologicznych chromosombw. Homozygotyczność - występowanie identycznych alleli, w takich samych miejscach homologicznych chromosomów. Hybryda ż., hybryd m. - wynik hybrydyzacji, czyli pomyślnego skrzyżowania lub połączenia dwbeh odmiennych genetycznie osobników.
Idiotyp - całkowita suma dziedzicznych determinant obejmujących genotyp (determinanty zlokalizowane w chromosomach jądra komórkowego) oraz plazmotyp (determinanty pozajądrowe). Indukeja genu lub operonu - proces uruchamiający ekspresję pojedynezego genu lub szeregu genów wehodzących w skład operonu. Interfaza - częśE cyklu życiowego komórki, zawarta między ukońezeniem jednego a początkiem następnego podziału. Interferon - swoiste drobnocząsteczkowe białko o aktywności przeciwwirusowej, produkowane przez kombrki zakażone aktywnymi lub nieaktywnymi DNAlub RNA-wirusami. Synteza interferonu jest indukowana przez genom zakażonej kombrki-gospodarza jako synteza de novo. Mechanizm dzialania interferonu polega na zahamowaniu syntezy cząstek wirusa (białka i kwasu nukleinowego) we wezesnym okresie replikacji wirusa w kombrce gospodarza. Intron - odcinek genu zawierający nukleotydy nie ulegające transkrypeji w czasie syntezy białka. Insereja - wstawienie do sekweneji DNA, pojedynezych czy pewnej liczby par nukleotydbw. Inwersja - aberracja strukturalna w obrębie chromosomu, polegająca na odwróceniu odcinka chromosomu, tak że geny zawarte w tym odcinku leżą w nim w porządku odwrotnym, niż to było pierwotnie. Inżynieria genetyczna - wprowadzenie do kombrek organizmu biorcy ściśle zde
269 finiowanego odcinka DNA dawcy, odpowiadającego jednemu lub kilku geno- mom bądź jednostkom transkrypeji, w eelu trwałego zmienienia właściwości biorcy. Izochromosom - aberracja strukturalna powstała wskutek nieprawidłowego, po- przecznego podziału centromeru chromosomu macierzystego, co daje w wy- niku izochromosomy składające się z dwu ramion homologicznych względem siebie - albo krótkich albo długich.
Hariogram - zestaw chromosomów jednej dowolnie wybranej komórki. Kariotyp - zestaw chromosombw typowych dla danego osobnika, grupy osobników
lub gatunku, uszeregowany według umownej zasady, np. zależnie od długości chromosomów, położenia centromeru itp. Klon- populacja komórek lub organizmów pochodzących od pojedynezej komórki lub wspólnego przodka drogą mitozy; reprodukeja klonu odbywa się bezpłciowo. Klonowanie - reprodukeja bezpłciowa grupy komórek lub całego organizmu z jednej, niezapłodnionej komórki.
Kod genetyczny - zasada zapisu, czyli kodowanie sekweneji aminokwasowych w polipeptydach przez sekweneje nukleotydów w DNA i w RNA. Kodominacja - występowanie alleli, które nie są związane stosunkiem dominacji lub recesywności; produkty tych alleli są wytwarzane niezależnie i ujawniają się fenotypowo. Kodon - triplet nukleotydów, który warunkuje włączenie określonego aminokwasu do określonego miesjca w łańcuchu polipeptydowym. Kodon inicjaeyjny - kodon AUG (bądź GUG), który na początku zapisu o syntezie polipeptydu w mRNA, stanowi sygnał do rozpoczęcia (inicjacji) syntezy polipeptydu. Hodony nonsensowne - trzy kodony: amber (UAG), ochre (UAA) i opal (UGA) nie rozpoznawane przez żaden rodzaj tRNA. Umieszezone na końcu zapisu o syntezie polipeptydu stanowią kodony terminacyjne - powodujące zakońezenie syntezy polipeptydu. Kodony terminacyjne - patrz kodony nonsensowne. Kompeteneja - zdolnośE komórek bakteryjnych do podjęcia, zintegrowania i ekspresji informacji genetycznej, zawartej w wielkocząsteczkowym DNA pokrewnych organizmów, czyli zdolnośE do transformacji genetycznej w przebiegu różnicowania komórkowego. Homplementarność - cecha charakterystyczna struktur, gdy jedna odpowiada dru#iej, np. w p#pad# DNA każda z cech wyznacza strukturę lub frakeję drugiej (dwa pasma w podwójnym łańcuchu DNA). W przypadku genów działanie ich jest komplementarne, jeśli na skutek ich interakeji dochodzi do powstania wspólnego efektu. Homplementarność łaficuchbw w DNA (lub DNA i RNA) - występowanie w dwóch łańcuchach kwasów nukleinowych takich sekweneji nukleotydowych, które umożliwiają paw#tanie podwójnej helisy, w której zasady G i C ora;# A i T(U) znajdują się naprzeciw siebie.
Letalność - występowanie genu lub genotypu, których ekspresja prowadzi do śmierci ich nosicieli. Locus (loci) - miejsce (miejsca). Locus genetyczny - miejsce zajmowane przez gen w chromosomie lub na mapie chromosomalnej, oznaczone metodami cytologicznymi lub genetycznymi poprzez badanie rekombinacji genetycznej.
Mapa chromosomalna - linearny zapis lokalizacji genów w chromosomie. Mapa genetyczna - graficzne przedstawienie pozycji zajmowanych przez geny
270 w chromosomie, ustalone na podstawie częstości rekombinacji lub za pomocą metod fizycznych. Mejoza - dwa sprzężone z sobą podziały komórek płciowych, w wyniku których powstają komórki płciowe o haploidalnej liczbie chromosomów, tzw. gamety. Metafaza - stadium mitozy lub mejozy, w którym centromery wszystkich chromosomów znajdują się w płaszczyźnie równikowej wrzeciona kariokinetycznego. Miejsce genowe - patrz locus. Mitoza - podział komórek somatycznych, w wyniku którego powstają dwie komórki potomne, mające taką samą liczbę chromosomów i identyczną informację genetyczną jak komórka macierzysta. Monoploid - komórka lub organizm z pojedynczym haploidalnym zestawem chromosomów. Monosomia - aberracja liczbowa polegająca na braku jednego (monosomia pojedyncza), dwóch (monosomia podwójna) lub kilku (monosomia wielokłotna) niehomologicznych chromosomów. Monozygotyzm - identycznośE genotypbw oraz daleko posunięte podobieństwo fizyczne i behawioralne u bliźniąt powstałych z jednego jaja zapłodnionego jednym plemnikiem. Mozaika chromosomalna - obecność w organizmie przynajmniej dwu linii komórkowych, o rbżnych liczbowo lub strukturalnie kariotypach, pochodzących od pojedynczej zygoty i powstałych w wyniku procesów przebiegających już po zapłodnieniu. Mozaikowość - obecność w organizmie komórek lub tkanek różniących się genotypem lub idiotypem. Mutacja - dziedziczna zmiana materiału genetycznego, która nie jest wynikiem ani segregacji, ani rekombinacji; dominujące mutacje letalne nie są przekazywane następnym pokoleniom. Mutacja nonsensowna - mutacja polegająca na zamianie kodonu sensownego na kodon nonsensowny, przerywająca translację, czyli syntezę pol#peptydu. Mutaeja punktowa - mutacja dotycząca tylko jednej pary nukleotydbw #v DNA. Mutac"a zmiany sensu - mutacja polegająca na zamianie kodonu sensownego na inny kodon sensowny, który oznacza inny aminokwas. mRNA - RNA matrycowy, czyli informacyjny, stanowiący bezpośrednią matrycę dla syntezy polipeptydu.
Nierozdzielność - brak rozdziału lub nierównomierne rozdzielenie się siostrzanych chromatyd (w czasie mitozy) lub homologicznych chromosomów (w czasie mejozy). Nukleazy - enzymy hydrolizujące (depolimeryzujące) kwas nukleinowy. Enzymy działające na DNA zwane są dezoksyrybonukleazami (DNA-zami), a działające na RNA rybonukleazami (RNA-zami). Nukleazy atakujące cząsteczki kwasbw nukleinowych od końców 3' i 5' zwane są egzonukleazami, zaś atakujące cząsteczki wewnątrz łańcucha - endonukleazami.
Ontogeneza - rozwój osobnika, poeząwszy od momentu powstania zygoty aż do śmierci. Ontogenezą nazywamy rozwój osobniczy a filogenezą - rozwój rodowy. Operator - odcinek operonu, leżący pomiędzy promotorem a genami strukturalnymi, do którego dołącza się represor, co powoduje unieczynnienie operonu. Operon - układ genów strukturalnych i towarzyszących im odcinków DNA o funkcjach regulujących, ktbry umożliwia wspólne działanie genów wchodzących w skład operonu. Liczba genów strukturalnych wchodzących w skład różnych operonów może wynosić od jednego do kilkunastu.
271 Penetracja - przenikliwość, częstość, z jaką dominujący lub recesywny gen w sta-nie homozygotycznym, bądź grupa genów, ujawnia się w fenotypie nosicieli. Plazmid - każda autonomicznie występująca determinata dziedziczności przenoszona niezależnie od chromosomów, w przeciwieństwie do episomów, które są elementami genetycznymi połączonymi z chromosomami. Pleiotropia - zjawisko warunkowania przez jeden gen kilku, pozornie nie związanych ze sobą właściwości fenotypowych. Poligenia - kontrola pojedynezej cechy fenotypu przez wieie współdziałajacych genów. Cechę taką określamy jako poligenową lub wielogenową. Poliginia - połączenie jednego męskiego i dwbeh lub więcej żeńskich jąder w isomórce jajowej. Polimorfizm genetyczny - regularne i jednoczesne występowanie w tej samej populacji dwbeh lub więcej odrębnych genotypów (bez form przej#eiowych), których obecności nie można wytłumaczyć powtarzającymi się mutacjami. Polimorfizm chromosnmów - występowanie jednego lub kilku chromosomów, w obrębie danej populaeji, w #wu lub więcej wykluczających się wzajeninie formach strukturalnych. Polipeptyd - łańcuch ponad dziesięciu aminokwasbw połączonych wiązaniem peptydowym. Cząsteczka białka składa się z pojedynezego polipeptydu albo z kilku identycznych lub różnych polipeptydów. Poliploidia - obecność więcej niż dwu kompletnych haploidalnych zestawów chromosomów, np. triploidia - 3#, tetraploidia - 4n, oktaploidia - 8n. Populacja - zbiór organizmów należących do jednego gatunku, występujących na określonym obszarze oraz mogąeych krzyżować się między sobą i mieć potomstwo. Proband - przypadek wstępny - osoba, której dolegliwości lub anomalie zwróciły uwagę badacza na rodzinę lub/i spowodowały identyfikację rodziny jaka wykazującej ryzyko genetyczne. Prokarionty - bakterie i sinice - których komórki nie mają obłonionych jąder i organelli komórkowych. Przedstawiają bardziej pierwotny poziom organizacji komórlsi niż eukarionty. Pseudoallel - każda z dwu flub więcej) mutacji, które są alleliczne w sensie funkcjonalnym, ale nie strukturalnym. Pseurloallele zajmują na mapie genetycznej rbżne pozveje i wykazują mały stopień rekombinacji genetycznej. Takie mutacje u heterozygot ujawniają się fenotypowo w pozycji trans, nabomiast nie ujawniają sig w pozycji cis. Przeszezsp allo#eniczny - homologiczny, przeszezep od osobnika tego samego ;atunku, lecz innego genotypowo. Przeszezep autogeniczny - autoprzeszezep, przeszezep w obrębie tego samego osobnika. Przeszezep heterogen#czn y - ksenogeniczny, przeszezep od dawcy jednego gatunku do biorcy innego gatunku.
Rasa - grupa w obrębie gatunku, ktbra stanowi populację lub zespół populacji, charakteryzująca się określoną częstotliwością genów. Recesywna - określenie cechy lub warunkującego ją allelu, którego działanie uwidacznia się dopiero u homozygot. Regu,latorowy gen - kodujący białko represorowe (lub inne białko regulacyjne), kontrolujące ekspresję genu lub zespołu genów (operonu). Rekombinaej2 - proces prowadzący do powstania chromosomów, komórek lub orgarrizmbw, ła.czących dwie lub więcej cech (genów), pod wzgl4dem których różnili się ich "rodzice". Renaturacia DNA - tworzenie się dwuniciowej helisy DNA, odwrotność procesu denaturacji. Reperacja DNA - protes enzyxnatyczny polegający na usuwaniu wsz#lkich uszkodzeń DNA, powstałych sponhanicznle lub w wyniku działania mutagenów.
212 gśeplikacja DN# - proces syntezy nowych łańcuchów DNA na matrycy, którą sta# nowią stare łańcuchy. Restrykeja - zjawisko polegające na przecinaniu obcego, np. wirusowego, DNA; przez enzymy restrykcyjne. HNA - kwas rybonukleinowy, polimer złożony z rybonukleotydów; od DNA różni się występowaniem rybozy (zamiast dezoksyrybozy) i uracylu (zamiast tyminy), oraz jednołańcuchowością ze zdolnością tworzenia niei komplementarnej do DNA.
Segregacja - rozdzielenie się alleli danej pary i przejście ich do różnych komórek potomnych, co następuje podezas mejozy, a czasem również mitozy (w wyniku mitotycznego crossing-over). Selekeja (arwin, 1858) - zróżnicowanie i niegrzypadkowe odtwarzanie różnych genotypów; najbardziej istotny czynnik ewolucji, powodujący kierunkow# zmiany frekweneji genów i genotypów w populacji. Socjobiologia - nauka badająca biologiczne podstawy wszelkich zachowań socjalnych. Sprzężenie (Morgan, 1910) - łąezne przekazywanie genów i uwarunkowanych przez nie cech fenotypowych, spowodowane tym, że geny te są zlokalizowane blisk# siebie w tym samym chromosomie lub w cząsteczce Iswasu nukleinowego. Spr#ężenie z płcią (Morgan, 1914) - geny (i uwarunkowane przez nie cechy fenotypowe) umiejscowione w chromosomaeh płciowych, określamy jako sprzężone z płcią.
łeratogeny - czynniki środowiskowe powodujące powsianie z#:b-#irzeń roz#vojowycl# u płodu. Transdukeja - przeniesienie informacji genetycznej z jednej bakterii do innej z# pośrednictwem wirulentnych lub umiarkowanyc?z bakteriofagów,. Transformacja - przeniesienie informacji genetycznej w postaei fragmentu DiVA z jednej komórki do drugiej oraz zintegrowanie jej z genomem komórk:. Transformacja nowotworowa - zmiana komórki normalnej w nowotworowa, ng. w wyniku integracji do chromosomu DNA wirusa onkogennego. Transkrypeja (#rzepisanie) - biosynteza mRNA na odcinku DNA; umożliwia przekazywanie informacji genetycznej zakodowanej w DNA na mRNA. Translacja (przekład) - biosynteza łańeLacha peptydowego, którego struktura I-rzędowa wyznaczana jest sekweneją nukleotydów mftNA. '#ranslokacja - przemieszezenie odcinka chromosomu w nowe położenie alba w obrębie tego samego chromosomu (tra.nslokacja wewnętrzna), albo z jednego chromosomu do drugiego. Transłokacja robertsonowska - połączenie centryczne ramion długich dwóch akrocentrycznych chromosomów; jest ona zwykle translokacją zrównoważoną. Translokacja zrównoważona - translokacja nie powodująca zmian w fenotypie: Triploidia - obecnośe trzech haploidalnych zestawów chromosomów. Trisomia - obecność trzech homologicznych chromosoznów. tftNA - przenośnikowy RNA przenoszący aminokwasy w proces:e translacji:
Uwarunkowanie eechy - wystąpienie ceehy zależy albo od jednej pary alleli (u#va-runkowanie jednogenowe), albo od wielu genów (uwarunkowańie wielogenowe), 1ub także od czynników środo###skowych (uwarunkowanie wieloczyn= nikowe).
1B - Zarys genetyki Wariancja - miara zmienności zbioru. Jest to suma kwadratów odchyleń poszczególnych elementów zbioru od jego średniej. Wariancja ma właściwości addytywności i można ją rozkładaE na poszczególne elementy, np. wariancja eałkowita jest sumą wariancji genetycznej i środowiskowej. Pierwiastek z wariancji jest to odchylenie standardowe. #Vielogenowa cecha - patrz poligenia. Wrodzona cecha lub wtaściwość - istniejąca w chwili urodzenia. Może być spowodowana zarówno czynnikami teratogennymi, jak i genetycznymi, przy ezym nie obejmuje wszystkich stanów uwarunkowanych genetycznie (które mogą ujawnić się dopiero w wieku późniejszym).
Zygota - komórka diploidalna powstała w wyniku połączenia się dwóch #amet; zapłodniona komórka jajowa. Po przeczytaniu Słownika porównaj następujące terminy: Allel Aneuploidia Biotyp Chromatyda Cialko Barra Delecja Dominacja Dziedziczny Egzon Episom Euchromatyna Fenotyp Filogeneza Gameta Gatunek Gen Gen Genetyka Haploid Homozygotyczność Hybryda Idiotyp Kariogram Kodon Mitoza Monosomia Mutacja Penetracja Replikacja Sprzężenie Transdukcja Trisomia Gen Euploidia Genotyp Chromatyna Ciałko Y Duplikacja Kodominacja Wrodzony Intran Plazmid Heterochromatyna Fenokopia Ontogeneza Zygota Rasa Cecha Genom Cytogenetyka Monoploid Heterozygotyczność Chimera Genotyp Kariotyp Kod g##netyczny Mejoza Trisomia Selekcja Ekspresja Renaturacja Asocjacja Transkrypcja Triploidia Chromosom Translokacja Recesywność Populacja Poligenia Genotyp Eugenika Diploid Hemizygotyczność Mozaika chromosomalna Plazmotyp Idiogram Interfaza Dryf genetyczny Restrykcja Sprzężenie z płcią Translacja Pleiotropia Socjobiologia Poliploid Mozaikowość Translokacja