8 stycznia 2002 Prelekcja VIII

GENETYKA MEDYCZNA CZ. I

Rodowodem nazywamy graficzne przedstawienie układu pokoleń danej rodziny. Podstawą jego konstrukcji jest dokładny wywiad dotyczący wszystkich jej członków. Analiza rodowodu określa sposób dziedziczenia i ryzyko wystąpienia czy powtórzenia się wybranych genetycznie uwarunkowanych chorób.

Analizę ta może być utrudniona na skutek:

• heterogenności gamet (choroby o podobnych objawach mogą być powodowane przez mutacje różnych loci lub powstawać z udziałem różnych alleli oraz dziedziczyć się w odmienny sposób);

• występowania fenokopii naśladującej choroby uwarunkowane genetycznie, a spowodo-wanej czynnikami środowiskowymi, np. małogłowie;

• pojawiania się rzadkich przypadków w mało licznych rodzinach;

• niepewności ojcostwa.

GENETYCZNIE UWARUNKOWANE CHOROBY UKŁADU KRĄŻENIA

1. Mikrosferocytoza (dziedziczna sferocytoza, wrodzona niedokrwistość hemolityczna).

Choroba ta dziedziczy się dominująco, a powodująca ją mutacja zachodzi w ramieniu krótkim chromosomu 8 (loc 8p). Częstość jej występowania to 1:5 tys. urodzeń.

Przyczyną choroby są mutacje w DNA, powodujące niedobór ilościowy lub nieprawidłowości w budowie spektryny — szkieletowego białka, nadającego krwince sztywność.

U chorych w rozmazie krwi obwodowej obok prawidłowych krwinek czerwonych (normocytów), pojawiają się tzw. czerwone sferocyty, niewielkie komórki o zwiększonej zawartości hemoglobiny i obniżonej zawartości ATP. Sferocyty rozpadają się łatwo w warunkach obniżonego ciśnienia parcjalnego lub osmotycznego. Powoduje to nasilenie hemolizy w warunkach przyspieszonego metabolizmu (przy wysiłku fizycznym, na skutek urazów psychicznych, podczas ciąży lub menstruacji). Ponadto na skutek niższego poziomu ATP zaburzeniu ulega gospodarka elektrolityczna komórki (np. regulacja poziomu K⁺ w jej wnętrzu).

Ponieważ zwiększony rozpad krwinek następuje w śledzionie, choroba zwykle objawia się jej powiększeniem i wzrostem poziomu bilirubiny we krwi (żółtaczka).

Najczęściej stosowanym przy mikrosferocytozie zabiegiem jest usunięcie śledziony.

2. Wrodzone defekty hemoglobiny, które dzielimy na dwie główne grupy:

• hemoglobinopatie (wynikające z niewłaściwości w budowie łańcuchów polipeptydowych globin), czyli zaburzenia jakościowe;

• talasemie (wynikające ze zmniejszenia ilości lub zupełnego braku określonych łańcuchów globin) — zaburzenia ilościowe.

Do wrodzonych defektów hemoglobiny zaliczyć możemy niedokrwistość (anemię) sierpowatą. Przyczyną tej choroby są mutacje punktowe (zmiany sensu) w obydwu genach kodujących β-globinę (jeden z łańcuchów polipeptydowych hemoglobiny), zlokalizowanych w ramionach krótkich chromosomu 11 (loc 11p^1,2). Zmiana sensu powoduje wstawienie do łańcucha aminokwasu waliny zamiast kwasu glutaminowego. Zmienia to elektryczny ładunek polipepetydu, a w konsekwencji — wiele spośród jego właściwości.

Produktem zmutowanego genu jest globina oznaczana jako β^S. Podczas gdy u osób zdrowych cząsteczka hemoglobiny (Hb^A) ma budowę α₂β₂, u osób z mutacją przybiera ona kształt α₂β^S₂. Taka cząsteczka nazywa się hemoglobiną S (Hb^S). Ma ona mniejsze powinowactwo do tlenu i mniejszą rozpuszczalność. Pod wpływem obniżonego ciśnienia parcjalnego wytrąca się w postaci złogów, co powoduje, że zawierające ją erytrocyty zapadają się, przybierając kształt sierpowaty. Erytrocyty takie mają zmniejszoną oporność na urazy mechaniczne, osmotyczne i termiczne, łatwiej też ulegają rozpadowi.

Anemia sierpowata dziedziczy się w sposób pośredni, tzn. allele prawidłowe i zmutowane są kodominujące. Osoby, u których wystąpiła mutacja, dzielimy zatem na heterozygoty i homozygoty mające dwa zmutowane allele.

U homozygot (chorzy z anemią sierpowatą) cała hemoglobina jest nieprawidłowa. Powoduje to liczne groźne konsekwencje, które zostały opisane wyżej, i sprawia, że chorzy rzadko dożywają 20 roku życia.

Heterozygoty (osoby obciążone cechą sierpowatości) w warunkach normalnego ciśnienia parcjalnego tlenu są całkowicie sprawne. U osób takich hemoglobinę możemy podzielić na dwie frakcje — Hb^A, występującą u osób zdrowych, i Hb^S, występującą u chorych na anemię sierpowatą. Obydwie frakcje stanowią po około 50%.

Częstość nosicielstwa genu Hb^S (heterozygoty Hb^S Hb^A ) wśród Murzynów afrykańskich wynosi niemal 40%, podczas gdy w USA nie sięga 10%. Spowodowane jest to zwiększoną odpornością osobników z takim genotypem na pospolitą w Afryce malarię (pierwotniak Plasmodium falciparum).

Prostym testem wykrywającym sierpowatość krwinek jest test Emmela. Kroplę krwi mieszamy z 0,8% roztworem NaCl i umieszczamy je między dwoma szkiełkami, których brzegi zabezpieczamy parafiną. Po upływie 48 godzin na skutek obniżonego ciśnienia parcjalnego tlenu (metabolizm krwinek) erytrocyty zawierające przewagę Hb^S zmieniają kształt na sierpowaty.

Czasami w celu stwierdzenia sierpowatości stosuje się metody elektroforetyczne lub chromatograficzne, polegające na rozdzieleniu obydwu rodzajów hemoglobin z erytrocytów, lub metodę hybrydyzacji DNA.

GENETYCZNIE UWARUNKOWANE DEFEKTY METABOLICZNE

Najczęściej spotykane defekty metabolizmu przekazywane drogą genetyczną dotyczą zaburzeń prawidłowej przemiany aminokwasów aromatycznych (fenyloalaniny i tyrozyny). Są one spowodowane niedoborem pewnych enzymów, których synteza warunkowana jest przez odpowiednie odcinki DNA komórki.

Mutacja zachodząca w takim odcinku powoduje zmianę sensu kodu genetycznego, co powoduje wstawienie do łańcucha polipeptydowego niewłaściwego aminokwasu. Otrzymany peptyd pod względem biologicznym jest nieaktywny, nie może więc uczestniczyć w procesie przemiany aminokwasu aromatycznego.

Prawidłowa forma genu jest prawie zawsze dominująca. Choroba występuje u osób, które odziedziczyły dwa recesywne (zmutowane) allele.

1. Fenyloketonuria.

Fenyloketonuria klasyczna (PKU) jest dziedziczną wadą metaboliczną związaną z nieprawidłową przemianą aminokwasu fenyloalaniny. Na skutek braku hydroksylazy fenyloalaninowej — enzymu warunkującego przekształcenie fenyloalaniny w tyrozynę — następuje nagromadzenie się jej w organizmie, czyli hiperfenyloalaninemia. Nadmiernie wysoki poziom fenyloalaniny może powodować uszkodzenia centralnego układu nerwowego, a co za tym idzie — upośledzenie umysłowe u dzieci.

Jedyną możliwą drogą postępowania jest odpowiednio wczesne rozpoznanie bloku metabolicznego i wdrożenie leczenia dietetycznego.

Rozpoznania bloku metabolicznego dokonuje się tuż po urodzeniu. Badaniu podlegają obowiązkowo wszystkie noworodki. Wykonuje się u nich badanie przesiewowe, polegające na oznaczeniu ilości fenyloalaniny w suchej kropli krwi. Krew pobiera się na bibułę z pięty noworodka, po czym wysuszone krążki bada się metodą mikrobiologicznego testu zahamowania Guthriego, pozwalającego na półilościowe oznaczenie stężenia fenyloalaniny we krwi. Wyniki badania przedstawiają się następująco:

• stężenie fenyloalaniny poniżej 2,8 mg na 100 ml krwi jest normą;

• jeżeli stężenie zawiera się pomiędzy 2,8 a 8 mg na 100 ml krwi, badanie należy powtórzyć. Następnie porównuje się obydwa wyniki. Jeżeli jeden z nich przekracza 4 mg na 100 ml, do rodziców dziecka wysyła się drugą bibułę celem ponownego pobrania krwi. W wypadku powtórzenia się sytuacji dziecko musi zostać poddane szczegółowym badaniom;

• jeśli stężenie przekracza 8 mg na 100 ml krwi, konieczna jest bezzwłoczna wizyta w poradni metabolicznej.

Ponieważ poziom fenyloalaniny we krwi noworodka znacząco wzrasta między 6. a 12. godziną po urodzeniu, krew może zostać pobrana najwcześniej po 24 godzinach. W Polsce dokonujemy tego najczęściej w trzeciej lub czwartej dobie życia dziecka. Bibuły z krwią przechowywać można do 6 miesięcy w temperaturze 2-8˚C.

Badania diagnostyczne fenyloketonurii opierają się na wykrywaniu w surowicy krwi lub w osoczu wysokich ilości fenyloalaniny, a głównie kwasu fenylopirogronowego, który daje barwne reakcje z FeCl₃. Podobne efekty daje badanie moczu. Jego analiza polega ona na dodaniu do moczu 4-5-tygodniowego dziecka kilku kropli FeCl₃, co powoduje pojawienie się intensywnego zabarwienia, od ciemnoniebieskiego do zielonooliwkowego.

Rozpoznanie choroby w czwartej dobie życia jest rozpoznaniem wstępnym i musi być poparte szczegółowymi badaniami weryfikacyjnymi w poradni metabolicznej. Dopiero po potwierdzeniu obecności defektu enzymatycznego można podjąć decyzję o rozpoczęciu odpowiedniego, wieloletniego leczenia.

Reżim dietetyczny, jakiemu podlegają chorzy, opiera się na znacznym ograniczeniu spożycia fenyloalaniny. Nie można jednak całkowicie wykluczyć jej z diety, ponieważ jest aminokwasem egzogennym (nie produkowanym w organizmie). W tym celu należy stosować odpowiednie preparaty, zawierające odpowiednią do wieku ilość fenyloalaniny. Należą do nich: Nofelan, Nofemix, Albumoid XP, Milupa PKU₁ i PKU₂.

Iloraz inteligencji osób z fenyloketonurią zależy od czasu wdrożenia diety. Przeciętnie wynosi on około 100; rezultat ten uzyskuje się, stosując taką dietę już od pierwszych tygodni życia. Mężczyźni muszą przestrzegać jej do ok. 18 roku życia (czyli do momentu, gdy układ nerwowy osiągnie pełen stopień rozwoju). Kobiety pozostają na diecie do końca okresu prokreacji. Jest to związane z występowaniem tzw. fenyloketonurii matczynej. Heterozygotyczne dziecko chorej kobiety może urodzić się z upośledzeniem umysłowym w przypadku, gdy matka podczas ciąży nie stosuje diety. Jest to związane z ekspozycją płodu na zwiększony poziom fenyloalaniny, która w okresie rozwoju przenika do jego organizmu z ustroju matki.

Heterozygotyczność w stosunku do genu fenyloketonurii wykrywa się, analizując zmiany poziomu tyrozyny i fenyloalaniny we krwi badanej osoby po doustnym podaniu tej ostatniej w ilości 0,1 g na każdy kilogram masy ciała. Okazuje się, że:

• u homozygot dominujących (FF, czyli osób zdrowych) stężenie fenyloalaniny wynosi ok. 1,5 mg na 100 ml krwi. Po podaniu fenyloalaniny, stężenie aminokwasu wzrasta do 8 mg na 100 ml. W ciągu następnej godziny spada ono do 6 mg na 100 ml, a w ciągu kolejnych 24 godzin wraca do normy. Stężenie tyrozyny z kolei w ciągu godziny po podaniu fenyloalaniny zwiększa się niemal trzykrotnie, aby wrócić do normy również w ciągu 24 godzin;

• u heterozygot (Ff, czyli nosicieli genu fenyloketonurii) po podaniu fenyloalaniny jej stężenie we krwi podnosi się do 9 mg na 100 ml w ciągu 2 godzin, po czym obniża się znacznie wolniej niż u homozygot dominujących. Stężenie tyrozyny we krwi wzrasta bardzo nieznacznie.

2. Tyrozynemia noworodków.

Choroba jest cechą recesywną autosomalną, której częstość występowania wynosi od 1:200 tys. do 1:100 tys. urodzeń. Wynika ona z niedoboru oksydazy parahydroksyfenylopirogronowej, enzymu utleniającego kwas parahydroksyfenylopirogronianowy (keto-pochodna tyrozyny) do kwasu homogentyzynowego. W efekcie powoduje to wzrost poziomu fenyloalaniny, tyrozyny i jej metabolitów w ustroju chorego.

Dolegliwości towarzyszące tyrozynemii to przede wszystkim uszkodzenia nerek na skutek nagromadzenia się metabolitów tyrozyny, a w dalszym etapie — ciężkie postacie krzywicy, zaburzenia wodno-elektrolityczne, zaburzenia neurologiczne oraz upośledzenie rozwoju umysłowego. Klinicznie wyróżniamy dwie postaci choroby — ostrą, prowadzącą do zgonu już w drugim półroczu życia, oraz przewlekłą.

Wykrywanie choroby polega głównie na oznaczaniu stężenia tyrozyny we krwi metodami biologicznymi bądź mikrobiologicznym testem Guthriego. Nieraz stosuje się również testy moczowe, pozwalające wykryć w moczu kwasy p-hydroksyfenolowe.

Leczenie tyrozynemii, podobnie jak przy fenyloketonurii, opiera się przede wszystkim na zachowywaniu odpowiedniej diety (o niskiej zawartości fenyloalaniny i tyrozyny). Uważa się, że pomocne mogą być wysokie dawki witaminy D.

3. Alkaptonuria.

Choroba jest cechą recesywną autosomalną, występującą z częstością 1:200 tys. urodzeń. Związana jest z brakiem oksydazy homogentyzynianowej — enzymu rozkładającego kwas homogentyzynowy do kwasu fumaryloacetooctowego.

Kwas homogentyzynowy powstaje z rozkładu fenyloalaniny i tyrozyny, a nierozłożony kumuluje się w organizmie, wywołując objawy chorobowe. U chorego występuje odkładanie się barwnika w obrębie chrząstek przylegających do kości i kręgosłupa, ciemne, siatkowate przebarwienia skóry w okolicy czoła i policzków oraz plamy barwnikowe na twardówce (czasem siatkówce) oka. W dalszym etapie pojawiają się stany zapalne i zmiany zwyrodnieniowe stawów. U małych dzieci choroba nie daje objawów. Uogólniona pigmentacja tkanki łącznej oraz uszkodzenia stawów (ochronoza) pojawiają się dopiero w 2-3 dekadzie życia.

Zwiększone ilości kwasu homogentyzynowego są również wydalane z moczem, i pod wpływem powietrza ulegając utlenianiu. Skutkiem utleniania jest ciemnienie moczu, który przybiera brązową barwę. Objaw ten może być pomocny przy rozpoznaniu choroby.

W częściowym ochronieniu oksygenazy w ustroju może dopomóc podawanie zwiększonych ilości witaminy C.

4. Albinizm.

Choroba dziedziczy się autosomalnie recesywnie z częstością ok. 1:10 tys. Wyróżniamy odmianę oczno-skórną (tyrozynododatnią i tyrozynoujemną), oraz oczną, która może być sprzężona z chromosomem X.

Albinizm jest defektem metabolicznym związanym z brakiem enzymu tyrozynazy, przekształcającego tyrozynę w jeden z prekursorów melaniny. Brak enzymu jest odpowiedzialny za zahamowanie syntezy melanin w melanocytach (komórkach barwnikowych) naskórka, cebulek włosowych oraz w tęczówce i siatkówce.

Skóra albinosów jest różowo-czerwona i łatwo ulega oparzeniu pod wpływem promieniowania UV, włosy są białe i jedwabiste, tęczówki niebieskie lub różowe z wyraźnym czerwonym połyskiem. Objawem towarzyszącym chorobie jest zmniejszona ostrość wzroku.

15 stycznia 2002 Prelekcja IX

GENETYKA MEDYCZNA CZ. II

GRUPY KRWI

Pojęcie grup krwi opisuje zróżnicowanie krwi ludzi związane z obecnością u każdego człowieka charakterystycznych białek, zwanych antygenami, którym mogą odpowiadać swoiste przeciwciała. Antygeny znajdują się na powierzchni krwinek czerwonych człowieka, przeciwciała natomiast może zawierać surowica krwi, a w większości przypadków także wydzieliny i płyny ustrojowe. Kontakt antygenu z odpowiadającym mu przeciwciałem wywołuje aglutynację — zlepianie się krwinek zawierających antygen, stąd też antygeny nazywa się czasem aglutynogenami, zaś przeciwciała — aglutyninami.

Podstawowym układem grupowym krwi człowieka jest układ AB0, związany z występowaniem lub brakiem na powierzchni erytrocytów antygenów grupowych A i B, którym odpowiadają obecne w surowicy przeciwciała α (anty-A) i β (anty-B).

Na błonie erytrocytu znajduje się przeciętnie ok. 1 mln antygenów układu AB0, łatwo dostępnych dla przeciwciał ze względu na swoje zewnątrzkomórkowe położenie. Towarzyszą im z reguły antygeny układu Rh, umieszczone śródbłonowo, a co za tym idzie — dla przeciwciał nieco trudniej dostępne.

PRZECIWCIAŁA NATURALNE I ODPORNOŚCIOWE. AGLUTYNACJA

Układ AB0 został wykryty przez Landsteinera w 1901 r. Ten sam uczony stwierdził, że przeciwciała naturalne z klasy IgM (izoprzeciwciała) w przeciwieństwie do przeciwciał IgG (odpornościowych) powstają bez uprzedniego kontaktu z antygenem. Okazuje się, że jest tak w istocie. Przeciwciała naturalne wytwarzane są w ustroju ludzkim już po urodzeniu. W początkowym okresie życia (3-6 miesiąc) jest ich jeszcze za mało, aby mogły aglutynować obce erytrocyty, jednak ich stężenie szybko wzrasta i między 5. a 10. rokiem życia osiąga swój maksymalny poziom. W późniejszym wieku zaczyna powoli się zmniejszać i u ludzi starszych ponownie spada na tyle, że aglutynacja jest znacznie ograniczona.

Różnice między przeciwciałami naturalnymi i odpornościowymi wynikają z ich odmiennej budowy. Wykryto, że na błonie erytrocytu występują reszty kwasu sjalowego, nadające mu pewien elektryczny ładunek ujemny. W środowisku elektrolitu (np. 0,9 % NaCl) erytrocyt przyciąga zatem kationy, wytwarzając wokół siebie otoczkę o dodatnim potencjale. Obecność takich otoczek o jednoimiennym ładunku elektrycznym powoduje, że erytrocyty są od siebie oddalone o około 25 nm.

Miejsca wiążące antygen przeciwciał naturalnych z klasy IgM są od siebie oddalone o ok. 30 nm, co sprawia, że po ich zetknięciu z odpowiednim antygenem reakcja aglutynacji następuje bardzo łatwo. Przeciwciała naturalne nazywa się więc często aglutyninami kompletnymi.

Zasięg ramion przeciwciał odpornościowych z klasy IgG wynosi z kolei ok. 14 nm, co powoduje, że w standardowych warunkach reakcja aglutynacji zachodzi znacznie trudniej. Przeciwciałom tym nadano nazwę aglutynin niekompletnych. Do grupy tej należą przeciwciała
anty-D (anty-Rh).

Okazuje się, że zasięg miejsc wiążących antygen tych przeciwciał można zwiększyć, działając na nie środkami redukującymi (powoduje to rozbicie mostków dwusiarczkowych między łańcuchami ciężkimi cząsteczki IgG). Zmienione w ten sposób przeciwciała są stosowane do identyfikacji antygenu D i D_u układu Rh.

Aglutynację zachodzącą z udziałem przeciwciał niekompletnych może przyspieszyć również obniżenie ujemnego ładunku na ich powierzchni erytrocytów. Możemy tego dokonać na drodze trawienia erytrocytów enzymami takimi jak papaina, ficyna czy bromelaina, usuwającymi reszty kwasu sjalowego.

IDENTYFIKACJA ANTYGENÓW

Określenie grupy krwi wymaga stwierdzenia ilości i rodzaju antygenów występujących na powierzchni erytrocytów.

W celu wykrycia we krwi antygenów o budowie wielocukrowej używa się często białek roślinnych lub białek bezkręgowców, mających zdolność wiązania określonych cukrów. Przykładem takiego białka jest lektyna, fitoaglutynina otrzymywana z rośliny Dolichos biflorus. Działanie wodnym wyciągiem z nasion tej rośliny (tzw. Dolichotest) pozwala odróżnić antygen A₁ od A₂. Różnicę można zaobserwować gołym okiem — erytrocyty zawierające antygen A₁ są aglutynowane ok. 500 razy silniej niż te z antygenem A₂. Lektyny wiążą α-N-acetylo-D-galaktozaminę A.

Fitoaglutyniny obecne w wodnym wyciągu z rośliny Bandeiraea simplicifolia dzięki swojej zdolności wiązania α-D-galaktozy pozwalają wykryć antygen B. Z kolei wyciąg z rośliny Lotus teragonolobus, której fitoaglutyniny wiążą L-fukozę, umożliwia wykrycie antygenu H (identyfikacja grupy krwi 0).

Cząsteczki krzyżowo reagujące z antygenami układu AB0 znaleziono również w komórkach bakterii, w płytkach roślin i komórkach zwierzęcych — przykładem mogą być heteroaglutyniny obecne w surowicy końskiej.

We współczesnych technikach laboratoryjnych często stosuje się tzw. przeciwciała monoklonalne. Są one wytwarzane in vitro przez klonowanie hybryd pochodzących z fuzji limfocytów B i komórek szpiczaka (nowotworu szpiku kostnego, którego komórki również pochodzą z szeregu rozwojowego limfocytów B). Powstałe hybrydy są zdolne do syntezy białek, a zarazem mają charakter nowotworowy, co zapewnia im nieśmiertelność i umożliwia długą ich hodowlę.

Przeciwciała monoklonalne przez dłuższy czas pozyskiwano z komórek mysich; dzisiaj można je otrzymać również z komórek człowieka. Stało się to możliwe dzięki wyhodowaniu myszy chimerycznych i transgenicznych. U myszy chimerycznych układ immunologiczny w całości zostaje zastąpiony ludzkim. Wyhodowanie myszy transgenicznej polega na wprowadzeniu do mysich limfocytów B genów układu immunologicznego człowieka. Po raz pierwszy dokonali tego w 1984 r. Milstein i Kochler.

Przeciwciał monoklonalnych używa się do wykrywania i określania stężenia leków, enzymów, hormonów, a także w diagnostyce, lokalizacji i leczeniu nowotworów. Przydatne są również w immunosupresji, np. po przeszczepach, lub jako odczynniki monoklonalne IgM do oznaczania układu grupowego AB0. Ponadto pozwalają na identyfikację rozmaitych innych układów grupowych, np. układu Rh (antygeny D, C_w, C, c, E, e) czy układów Lewis, Kidd, P, MNSs i Kell.

12 lutego 2002 Prelekcja X

GENETYKA MEDYCZNA CZ. III

DETERMINACJA PŁCI

U zwierząt wyróżnia się następujące rodzaje genetycznej determinacji płci:

♀ ♂

1. Lygeus XX XY (ssaki)

2. Protenor XX X (pluskwiaki, nicienie)

3. Abraxas ZW ZZ (ryby, płazy, gady, ptaki)

4. Fumea X XX (motyle z rodzaju Fumea)

Determinacja płci u ssaków jest modelem tzw. przełączenia rozwojowego, tzn. przejścia z jednego szlaku rozwojowego na inny. Zygota ssaków jest biseksualna — oznacza to, że podczas rozwoju embrionalnego niezróżnicowana gonada może rozwinąć się w jądro lub jajnik. Czynnikiem powodującym jej rozwój w kierunku gonady męskiej jest czynnik TDF, mieszczący się w ramieniu krótkim chromosomu Y, w obrębie specyficznego regionu zwanego SDR (z ang. Sex Determiny Region).

• Jeżeli ww. czynnika brakuje, niezróżnicowana gonada staje się jajnikiem, a różnicowanie płciowe przebiega w kierunku osobnika żeńskiego.

• Jeżeli czynnik TDF jest obecny, gonady rozwijają się w jądra, które rozpoczynają produkcję dwóch hormonów działających miejscowo. Komórki kanalików nasiennych Sertoliego wydzielają inhibitor przewodu Millera, powodując zanik pierwotnej macicy i jajowodów. Z kolei komórki śródmiąższowe jąder produkują testosteron, który stymuluje różnicowanie się przewodów Wolffa w najądrza, nasieniowód i pęcherzyki nasienne oraz odpowiada za męskie cechy zewnętrznych narządów płciowych.

Czynnik TDF utożsamiany jest obecnie z genem SRY, obejmującym otwartą ramkę odczytu, która koduje białko zawierające domenę złożoną z 80 aminokwasów. Domena ta posiada zdolność wiązania się ze specyficzną sekwencją DNA. Gen SRY jest zatem genem regulatorowym, którego białkowy produkt kontroluje aktywność innych genów biorących udział w determinacji płci.

Innym znanym czynnikiem biorącym udział w determinacji płci w kierunku osobnika męskiego jest gen HY, znany inaczej jako SMCY. Jest on zlokalizowany w części krótkich ramion chromosomu Y. Gen ten koduje u ludzi antygen HY, który wydzielany przez komórki podporowe Sertoliego pierwotnej gonady powoduje przekształcenie jej w jądra. Antygen ten przejawia słabe działanie immunologiczne i w wyjątkowych wypadkach może powodować odrzucanie przeszczepu tkanek samca przez samicę (jego wykrycia u myszy dokonano właśnie dzięki nie przyjmowaniu się takiego przeszczepu). Gen homologiczny do genu HY zlokalizowany jest w chromosomie X i koduje produkt białkowy różniący się dwoma aminokwasami od antygenu HY.

Czasami zdarza się, że nieprawidłowości genetyczne powodują znaczące zaburzenia prawidłowego kształtowania się płci. Przykładem może być upośledzenie rozwojowe spowodowane mutacją sprzężoną z chromosomem X i określane jako TFM, czyli zespół feminizujących jąder (pseudohermafrodytyzm męski, zespół niewrażliwości na androgeny). Osobnicy z tą mutacją na skutek defektu w budowie białkowego cytoplazmatycznego receptora androgenów prezentują fenotyp żeński mimo kariotypu 46, XY oraz obecności i prawidłowej czynności wydzielniczej jąder.

DETERMINACJA PŁCI U MUCHY OWOCOWEJ

Determinację płci u muchy owocowej Drosophila melanogaster po raz pierwszy opisał Bridges. Okazuje się, że za płeć u tego gatunku nie jest odpowiedzialna obecność lub brak odpowiednich heterochromosomów, lecz stosunek liczby chromosomów X do liczby garniturów autosomów (przyjmuje się, że jeden garnitur stanowią trzy autosomy) — tzw. wskaźnik Bridgesa.

Wartość tego wskaźnika,
, pozwala nam określić płeć muchy o dowolnym kariotypie:

9, XXX
„nadsamica”

12, XXX
samica

11, XX
interseks

7, X
samiec

10, X
„nadsamiec”

Jeżeli wartość wskaźnika Bridgesa przekracza 1,5 lub jest mniejsza od 0,33 — dany osobnik jest letalny.

Osobniki różnych płci Drosophila melanogaster można odróżnić również po fenotypie. Samice mają wydłużony tułów i pięć poprzecznych pasków na grzbiecie, samce natomiast charakteryzuje tułów skrócony i tylko trzy poprzeczne paski.

CHROMATYNA PŁCIOWA U CZŁOWIEKA

Chromatynę płciową u człowieka reprezentują przede wszystkim tzw. ciałka Barra. występujące w komórkach mających więcej niż jeden chromosom X. Znajdujemy je niemal we wszystkich komórkach ustroju. Ciałko Barra jest unieczynnionym chromosomem X, mającym postać grudki zbitej chromatyny, która swoją płaską powierzchnią przylega bezpośrednio do otoczki jądra.

Według hipotezy Lyon grudek takich w komórce jest zawsze o jedną mniej niż chromosomów X w kariotypie. Pojedyncze ciałka Barra spotykamy u wszystkich normalnych kobiet (46, XX), ale również u mężczyzn z zespołem Klinefeltera (47, XXY). W przypadku zespołu „nadkobiety” (47, XXX) ciałek Barra jest po dwa w każdej komórce.

Inną nieraz spotykaną formą chromatyny X jest tzw. „pałeczka dobosza”, występująca w jądrach granulocytów obojętnochłonnych.

Chromatynę płciową męską możemy zaobserwować w 30-80% komórek mężczyzn w postaci ciałka Y. Jest to chromosom Y, widoczny w jądrze komórkowym w postaci małej grudki wykazującej silną fluorescencję. Badanie ciałka Y jest jedną z metod określenia płci kariotypowej. Liczba ciałek Y w jądrze komórkowym równa jest liczbie chromosomów Y w kariotypie.

Ciałko Y może być niewidoczne u mężczyzn, u których wystąpiła delecja części ramion długich chromosomu Y, gdyż to ich dystalne części najsilniej świecą w obrazie fluorescencyjnym.

19 lutego 2002 Prelekcja XI

GENETYKA MEDYCZNA CZ. IV

CHROMOSOMY POLITENICZNE

Chromosomy politeniczne (olbrzymie) są to wielkie chromosomy o rozmiarach nawet ponad sto razy przekraczających przeciętną. Powstają one w wyniku wielokrotnych endomitoz i złożone są z wielu chromatyd (512, 1024, 4096), które łączą się ze sobą na całej długości. W jednym chromosomie występuje do kilku tysięcy poprzecznych pasm o charakterystycznym układzie. Powstawanie tych pasm wiąże się ze ścisłym połączeniem chromatyd tworzących chromosom i wynika z sąsiadowania ze sobą takich samych fragmentów poszczególnych spośród nich.

Na chromosomach politenicznych powstają ponadto charakterystyczne zgrubienia, tzw. pufy albo pierścienie Balbianiego. Stanowią one strukturalne modyfikacje pewnych części chromosomu — uważa się, że są efektem jego lokalnego rozszczepienia na pojedyncze chromatydy. Pufy są miejscami szczególnie aktywnej syntezy RNA; po utworzeniu pufu następuje wydatny wzrost syntezy tego kwasu.

Chromosomy politeniczne obecne są głównie w komórkach tkanek sekrecyjnych, m.in. w gruczołach ślinowych larw owadów (przede wszystkim muchówek), a także w cewkach Malpighiego, komórkach nabłonka rectum, ciałach tłuszczowych.

MUTACJE GENOMOWE ZWIĄZANE Z HETEROCHROMOSOMAMI

Do mutacji genomowych związanych z chromosomami płciowymi zalicza się przede wszystkim aneuploidie tych chromosomów.

1. Zespół Turnera.

Mianem zespołu Turnera, występującego z częstością 1:5 tys. urodzonych dziewczynek, określa się monosomię X.

Do możliwych kariotypów należą:

• 45, X klasyczna monosomia 57%

• 46, Xi (Xq) izochromosom ramienia długiego chromosomu X 17%

• 46, XX / 45, X mozaika 16%

• 46, XX; del (Xp) ubytek krótkiego ramienia chromosomu X 10%

Około 99% płodów z tym zespołem ulega samoistnemu poronieniu. Jak dotąd wśród rodziców cierpiących nań dzieci nie stwierdzono osób w starszym wieku, zdarzał się on natomiast u dzieci urodzonych przed 21. rokiem życia matki.

Zespół Turnera należy do grupy dysgenezji gonad. Oznacza to, że u chorej kobiety zamiast jajników wytwarzają się łącznotkankowe pasma, w których nigdy nie stwierdza się prawidłowych komórek płciowych.

Kobiety z zespołem Turnera są oczywiście niepłodne i oprócz dysgenetycznych gonad wyróżniają się cechami takimi jak: niski wzrost, zmiany w układzie kostnym, z cech wtórnych niedorozwój drugo- i trzeciorzędowych cech płciowych. U chorych kobiet znacznie częściej zdarzają się choroba Hashimota, osteoporoza, nadciśnienie tętnicze oraz nowotwory nie wywodzące się z gonad.

2. Zespół Klinefeltera.

Mianem zespołu Klinefeltera określa się występowanie jednego lub większej liczby dodatkowych chromosomów X w kariotypie mężczyzny. Częstość tego zespołu wynosi ok. 1:1000 urodzonych chłopców. Dowiedziono, że rośnie ona wraz z wiekiem matki.

Do możliwych kariotypów należą:

• 47, XXY trisomia 75%

• 46, XY / 47, XXY mozaika 15%

• 48, XXXY tetrasomia 49, XXXXY pentasomia 10%

Zespół Klinefeltera powstaje na skutek nondysjunkcji heterochromosomów podczas I lub II podziału mejotycznego u matki, a u ojca, kiedy w I podziale mejotycznym powstaną plemniki XY). W trisomii X dodatkowy chromosom w 60% przypadków pochodzi od matki, a w pozostałych 40% — od ojca.

Niepłodność mężczyzn z zespołem Klinefeltera związana jest ze zwyrodnienie kanalików nasiennych (dysgenezja kanalików nasiennych) i zanikiem komórek płciowych, prowadzącym do azoospermii.

Charakterystyczna dla chorych jest eunuchoidalna (kobieca) budowa ciała. Prawidłowy fenotyp męski występuje rzadko. Zespołowi towarzyszy zazwyczaj upośledzenie umysłowe, tym większe, im więcej nadliczbowych chromosomów X.

3. Zespół „nadkobiety”.

Zespół ten charakteryzuje się kariotypem 47, XXX. Występuje on z częstością 1:1000 noworodków płci żeńskiej, a częstość występowania wzrasta z wiekiem matki. Aneuploidia heterochromosomów powstaje na skutek nondysjunkcji w I lub II podziale mejotycznym u matki lub w II podziale mejotycznym u ojca.

Kobiety z tym zespołem są klinicznie prawidłowe i większości płodne.

4. Kariotyp XYY.

Kariotyp 47, XYY zdarza się z częstością 1:1000 noworodków płci męskiej, bez widocznego wpływu wieku rodziców. Taki układ chromosomów powstaje w wyniku utworzenia spermatydy YY w II podziale mejotycznym lub w wyniku nondysjunkcji chromosomu Y po zapłodnieniu.

Mężczyźni z tym kariotypem są w większości płodni. Przy wysokim wzroście zachowują prawidłowe proporcje ciała, charakteryzuje ich jednak z reguły niższy iloraz inteligencji oraz zaburzenia zachowania z agresywnością włącznie.

MORFOGRAM

Aby ocenić prawidłowość budowy ciała, wykonuje się tzw. morfogram. Badanie to polega na ocenie pięciu określonych wymiarów antropometrycznych i porównaniu ich z wymiarami w przybliżeniu wzorcowymi.

Przy wykonaniu morfogramu mierzy się:

1. Obwód klatki piersiowej.

Obwód ten mierzy się na bezdechu, zaś taśma miernicza powinna przebiegać przez punkt XIPHION(ALE). Punkt ten w stanie spoczynku znajduje się w linii pośrodkowej ciała na powierzchni mostka, w miejscu połączenia trzonu mostka z wyrostkiem mieczykowatym.

2. Długość kończyny dolnej.

Długość tę mierzymy taśmą od punktu TROCHANTERION (najwyższy punkt krętarza większego kości udowej) do płaszczyzny poziomej (basis), na której stoi badany.

3. Wysokość ciała.

Mierzymy ją w pozycji stojącej od płaszczyzny poziomej do punktu VERTEX (najwyższy punkt czaszki). Głowa podczas badania powinna być ustawiona w tzw. poziomej frankfurckiej (tzn. przechylona tak, aby linia łącząca górny brzeg otworu słuchowego zewnętrznego z dolnym brzegiem oczodołu przebiegała równolegle do podłoża).

4. Szerokość barków.

Mierzymy ją od przodu cyrklem kabłąkowym, którego ramiona powinny dotykać obydwu punktów ACROMION (najbardziej bocznie i ku górze położony punkt na zewnętrznej krawędzi wyrostka barkowego łopatki).

5. Szerokość międzykrętarzowa.

Pomiaru dokonujemy od tyłu cyrklem kabłąkowym, którego ramiona dotykają obydwu punktów TROCHANTERION.

26 lutego 2002 Prelekcja XII

GENETYKA MEDYCZNA CZ. V

ZESPOŁY CHOROBOWE ZWIĄZANE Z ANEUPLOIDIĄ AUTOSOMÓW

1. Zespół Downa.

Zespół Downa pojawia się z przeciętną częstością 1:700 urodzeń. Ryzyko wystąpienia zespołu wyraźnie wzrasta z wiekiem matki — wśród kobiet 40-letnich ma się już jak 1:100, a wśród 45-letnich — jak 1:50 lub jeszcze więcej. Około 60% płodów z tą aberracją ulega samoistnemu poronieniu.

Przyczyną zespołu Downa jest pojawienie się w komórce dodatkowej trzeciej porcji materiału genetycznego zawartego w końcowym odcinku długich ramion chromosomu 21.

1. W 95% przypadków zespół Downa spowodowany jest regularną (prostą) trisomią chromosomu 21. W kariotypie pojawia się wówczas dodatkowy chromosom, co przedstawia się: 47, XX, + 21 lub 47, XY, + 21.

2. W 3% przypadków mamy do czynienia z trisomią powstałą w wyniku translokacji. U osobników z translokacyjnym zespołem Downa stwierdza się wprawdzie prawidłową liczbę 46 chromosomów, jednak występuje u nich nadmiar materiału genetycznego w postaci translokacji dodatkowego chromosomu 21. do innego akrocentrycznego chromosomu z grupy D (13, 14, 15) lub G (21, 22).

Mówimy wówczas o translokacji niezrównoważonej, przedstawianej przez kariotypy:

46, XX (XY), - 14, + t(14q; 21q)

46 XX (XY), - 21, + t(21q; 21q).

W wyniku takiej translokacji w komórce trzykrotnie pojawia się informacja zawarta w ramionach długich chromosomu 21., co fenotypowo odpowiada regularnej trisomii.

3. 1-2% przypadków odpowiada mozaikowatość, w której połowa linii genetycznej jest prawidłowa, połowa zaś wykazuje trisomię 21.

4. Osobną grupę stanowią nosiciele zespołu Downa, czyli osoby z translokacją zrównoważoną. W translokacji tego typu w kariotypie pojawia się tylko 45 chromosomów, ale ubytki dotyczą mniej znaczącego materiału genetycznego zawartego w ramionach krótkich chromosomów D i G. Kariotypy przedstawiają się następująco:

45, XX (XY), - 14, - 21, + t(14q; 21q)

45 XX (XY), - 21, - 21, + t(21q; 21q)

Nosiciele (albo inaczej osoby z utajonym zespołem Downa) na pierwszy rzut oka nie wykazują objawów choroby, ponieważ ramiona długie chromosomu 21. pozostają w ich kariotypie w liczbie dwóch. Znacznie częściej przekazują jednak zespół Downa swojemu potomstwu; stąd wśród nosicielek obserwuje się wyższy procent poronień, wynikający z samoistnego usuwania zygot i płodów z aberracją. Ponadto mężczyźni-nosiciele są niepłodni na skutek zaburzeń spermatogenezy.

Cechy wyróżniające chorych z zespołem Downa to charakterystyczne zmiany budowy ciała i niedorozwój umysłowy. Ponadto występuje wśród nich wysoka śmiertelność i zaburzenia płodności (kobiety na ogół są zdolne do zajścia w ciążę, mężczyźni jednak są niepłodni).

2. Zespół Edwardsa.

Zespół pojawia się z częstością 1:3 tys. żywo urodzonych dzieci, przy czym ryzyko wystąpienia aberracji rośnie wraz z wiekiem matki. W rozwoju prenatalnym blisko 80% płodów z tą wadą ulega samoistnemu poronieniu. Płody płci męskiej ulegają poronieniu częściej niż żeńskiej, stąd wśród noworodków z zespołem Edwardsa więcej jest dziewczynek.

Przyczyną zespołu Edwardsa jest trisomia chromosomu 18. Aberracja powstaje w wyniku nondysjunkcji podczas I lub II podziału mejotycznego u jednego z rodziców. Kariotyp osobnika obciążonego tym zespołem przedstawia się: 47, XX, + 18 lub 47, XY, + 18. Czasami mamy do czynienia z mozaikowatością 46, XX (XY) / 47, XX (XY), + 18. Dodatkowy chromosom 18. jest zazwyczaj przeniesiony na jeden z chromosomów grupy D lub C.

Chorych cierpiących na zespół Edwardsa charakteryzuje głębokie upośledzenie umysłowe Ponadto znacznie częściej występują wśród nich wady serca, nerek i innych narządów. Około 30% spośród nich umiera już w pierwszym miesiącu życia, zaledwie 10% przeżywa pierwszy rok.

3. Zespół Patau.

Przyczyną tego zespołu jest trisomia chromosomu 13. Kariotyp osobnika obciążonego tą aberracją przedstawia się: 47, XX, + 13 lub 47, XY, + 13. W niektórych przypadkach zespołu Patau występuje translokacja (niezrównoważona) nadliczbowego chromosomu 13. na inny autosom, najczęściej z grupy C lub E. W około 5% przypadków mamy do czynienia z mozaikowatością 46, XX (XY) / 47, XX (XY), + 13.

Trisomia chromosomów 13. spowodowana jest nondysjunkcją I lub II podziału mejotycznego u któregoś z rodziców. Dosyć często, bo w ok. 20% przypadków jedno z rodziców jest nosicielem translokacji zrównoważonej.

Częstość zespołu wynosi od 1:5 tys. do 1:15 tys. żywych urodzeń, przy czym stwierdzono zależność między jego występowaniem a wiekiem matki. Śmiertelność wśród dzieci nim obciążonych jest bardzo wysoka — ok. 70% noworodków umiera w pierwszym półroczu życia.

4. Zespół „cri du chat” („kociego krzyku”).

Przyczyną tego zespołu, w przeciwieństwie do poprzednich, nie jest zwielokrotnienie liczby chromosomów, lecz delecja ramion krótkich chromosomu 5. Kariotyp osobnika obciążonego zespołem przedstawia się: 46, XX, del (5p) lub 46, XY, del (5p).

Częstość zespołu wynosi ok. 1:50 tys. urodzeń. Opisano przypadki urodzenia chorych dzieci przez kobiety fenotypowo zdrowe, lecz będące nosicielkami translokacji zrównoważonej, polegającej na przeniesieniu krótkich ramion chromosomu 5. na któryś z autosomów z grupy D lub G.

HETEROPLOIDIA AUTOSOMÓW

W wyniku asymetrycznych podziałów mitotycznych komórek nowotworowych w komórkach potomnych powstają nowe warianty komórkowe ze zmienioną liczbą chromosomów. Zjawisko takie określamy mianem heteroploidii.

Obserwujemy je np. w komórkach określanych jako He-La — najstarszej sztucznie utrzymywanej hodowli ludzkich komórek nowotworowych na świecie. Pobrano je od pacjentki (od której imion pochodzi nazwa komórek), u której stwierdzono raka płaskonabłonkowego (gruczolakoraka) szyjki macicy. Komórki te posiadają pewne stałe cechy kariotypowe i metaboliczne — np. zmutowany gen kodujący produkcję enzymu dehydrogenazy gluko-6-fosforanowej (G-6PD). Stały się one istotnym obiektem badań klinicznych nad nowotworami, syntezą białka, mutacjami.

Asymetryczne podziały mitotyczne podczas kariokinezy stwierdzono także w komórkach nowotworowych myszy, określanych jako NK/Ly (Nemeth-Keller Lymphoma).

MUTACJE

Mutacja genowa jest to dziedziczna zmiana w obrębie JEDNEGO GENU, powstająca nagle, skokowo i prowadząca do przekształcenia tego genu w jego nowy allel. Mutacje genowe dotyczące tylko jednej zasady nukleinowej noszą nazwę mutacji punktowych. Polegają one na zmianie chemicznej struktury genu, tj. zamianie, wstawieniu, wypadnięciu lub utracie pary nukleotydów.

W odróżnieniu od mutacji genowej, mutacja genomowa dotyczy garnituru chromosomów jako całości i z reguły wiąże się ze zmianą liczby chromosomów.

Średnia częstość mutacji jest porównywalna u wielu gatunków i wynosi od 10^-4 do 10^-6 mutacji na jedno locus w jednym pokoleniu (u ludzi mniej więcej 10^-5). Ponieważ jednak liczba loci wynosi między 10⁵ a 10⁶, w ciągu jednego pokolenia w danym zestawie genów zachodzi średnio od 1 do 10 mutacji.

Mutacje mogą zachodzić spontanicznie bądź też być indukowane przez działanie rozmaitymi czynnikami (promieniowanie ultrafioletowe i jonizujące, określone związki chemiczne). Między mutacjami spontanicznymi a indukowanymi nie stwierdza się przy tym żadnych różnic.

DOŚWIADCZENIE LEDERBERGÓW

Spontaniczne występowanie mutacji udowodniło ostatecznie doświadczenie Lederbergów. Przeprowadzając je w 1952 r. bracia Lederbergowie wykazali możliwość powstawania szczepów bakterii opornych na dany czynnik selekcyjny bez udziału tego czynnika. Doświadczenie to polega na wyhodowaniu na płytce matrycowej kolonii nieodpornych bakterii, a następnie na przeniesieniu bakterii z tej płytki na inną, która zawierać będzie czynnik selekcyjny (np. streptomycynę).

Dokonuje się tego tzw. metodą stemplową, używając bloczka obciągniętego jałowym aksamitem, którego włoski pełnią rolę wielokrotnej ezy (równomiernie przenoszą bakterie). Na bloczek nakłada się na początku płytkę matrycową, a następnie kilka kolejnych płytek ze streptomycyną. Na każdej z płytek zaznaczamy, w jaki sposób nałożona została na bloczek, po czym po kilkugodzinnej inkubacji porównujemy rozkład miejsc, w jakich wyrosły oporne kolonie. Okazuje się, że jest on podobny na wszystkich płytkach, z czego wnioskujemy, że mutacja powodująca odporność na streptomycynę zaszła już na płytce matrycowej, mimo że nie zetknęła się ona w żadnym momencie z czynnikiem selekcyjnym.

Chcąc uzyskać czyste mutanty odporne na streptomycynę, powtarzamy doświadczenie kilka razy, za każdym razem pobierając bakterie do nowej hodowli z miejsca, w którym wyrosła oporna kolonia.

Oporność bakterii na streptomycynę powstaje w wyniku mutacji jednego z genów komórki bakteryjnej i zachodzi z częstością raz na 10^-9 komórek w jednej generacji. Mutacja taka powoduje skokowe powstanie oporności na najwyższe praktyczne stężenie tego antybiotyku, w przeciwieństwie do oporności np. na penicylinę, wiążącej się z wielokrotną mutacją w kierunku zwiększającej się odporności na ten antybiotyk.

RÓŻNICE GENETYCZNE A ZMIENNOŚĆ FENOTYPOWA MUCHY DOMOWEJ

Na podstawie map genetycznych chromosomów politenicznych możemy badać mutacje genów odpowiedzialnych za określone fenotypy muchy domowej. Jak dotąd udało się określić kilka genów odpowiedzialnych za następujące zmiany fenotypowe:

• mutacja white — polega na zmianie barwy oczu z czerwonej na białą; zmiana taka uwarunkowana jest powstaniem recesywnej formy allela znajdującego się w chromosomie X;

• mutacja nub² — objawia się skróceniem skrzydeł i zachodzi w autosomie 3.;

• mutacje ebony i yellow — wiążą się ze zmianą barwy ciała, odpowiednio na ciemną lub żółtą; chyba X

• mutacja bar — objawia się wstęgowatymi oczami o zredukowanej liczbie fasetek; cecha ta wiąże się z duplikacją odpowiedniego genu znajdującego się w chromosomie X. Triplikacja tego genu powoduje mutację ultra bar.

5 marca 2002 Prelekcja XIII

GENETYKA MEDYCZNA CZ. VI

DZIEDZICZENIE CECH POLIGENOWYCH

Cechy poligenowe, czyli takie, o dziedziczeniu których decyduje więcej niż jeden gen, stanowią znaczącą większość wszystkich dziedziczonych cech. Możemy podzielić je na:

• jakościowe — są nimi głównie wady wrodzone (takie jak rozszczep podniebienia, zwężenie odźwiernika, zwichnięcie stawu biodrowego) oraz częste choroby wieku dojrzałego (schizofrenia, choroba wrzodowa, choroby alergiczne);

• ilościowe — należą do nich np. masa ciała, wzrost, barwa skóry, ciśnienie tętnicze krwi, iloraz inteligencji, liczba erytrocytów itp. Dobrym przykładem cechy ilościowej, zależnej bezpośrednio od wzrostu i masy ciała, jest powierzchnia ciała PC, opisywana wzorem Isakssona:

gdzie P oznacza masę ciała w kilogramach,

zaś dH — różnicę wzrostu ciała w stosunku do 160 cm.

Rozkład cechy ilościowej jest wynikiem zarówno genotypu, jak i oddziaływania czynników środowiska. Częstość jej występowania podlega prawu normalnego rozkładu i może być zilustrowana krzywą Gaussa.

Rozkład cech ilościowych (poszczególnych fenotypów) w pokoleniu F₂ możemy badać również za pomocą trójkąta Pascala.

1

1 1

1 2 1

1 3 3 1

1 4 6 4 1

1 5 10 10 5 1

1 6 15 20 15 6 1

1 7 21 35 35 21 7 1

1 8 28 56 70 56 28 8 1

1 9 36 84 126 126 84 36 9 1

1 10 45 120 210 252 210 120 45 10 1

Dalsze rzędy trójkąta konstruuje się, na skraju rzędów dodając „1”, a poniżej każdej pary liczb wstawiając kolejną liczbę będącą ich sumą.

Badany przez nas rząd trójkąta zależy od ilości genów polimerycznych (zwanych także kumulatywnymi), warunkujących daną cechę. Jeżeli cechę tę warunkuje np. 6 alleli (czyli 3 pary), rozkład fenotypów przedstawia rząd 6. Jeżeli cecha warunkowana jest przez 5 par alleli, analizujemy rząd 10. itd. Rzędy oznacza się kolejnymi liczbami naturalnymi, przy czym najwyższemu rzędowi w trójkącie („1”) daje się numer 0.

WYMIARY CZASZKI JAKO CECHA ILOŚCIOWA

Jako dobry przykład cechy ilościowej mogą służyć wymiary ludzkiej czaszki, do których badania używamy antropomierza.

1. Długość czaszki D.

Mierzymy ją między punktem GLABELLA (gładzizna kości czołowej) a punktem OPISTHOCRANION (najbardziej oddalony od gładzizny punkt na kości potylicznej).

2. Szerokość czaszki S.

Mierzymy ją między dwoma punktami EURYON (punkt na kości ciemieniowej lub skroniowej najbardziej oddalony od płaszczyzny pośrodkowej ciała).

3. Wysokość czaszki W.

Wysokość czaszki inaczej mierzy się na czaszce martwej, a inaczej u żywego człowieka.

Na czaszce martwej oznacza się odległość między punktami BASION (punkt przecięcia płaszczyzny pośrodkowej ciała z przednią krawędzią otworu wielkiego) i BREGMA (miejsce zetknięcia się szwów strzałkowego z wieńcowym).

U żywego człowieka mierzy się odległość między punktami VERTEX i TRAGION (punkt na górnym brzegu skrawka małżowiny usznej). Wysokość czaszki otrzymujemy, odejmując tę odległość od wyrażonego w centymetrach wzrostu badanego.

Znajomość tych trzech wymiarów, wyrażonych w centymetrach, pozwala obliczyć wskaźnik szerokościowo-długościowy oraz pojemność czaszki.

Wskaźnik szerokościowo-długościowy oznaczany jest jako W_SD i przedstawia się wzorem:

Pojemność czaszki V można mierzyć dwiema metodami:

1. Metoda Broca.

Polega na wypełnieniu uszczelnionej czaszki kaszą jaglaną, a następnie przesypaniu kaszy do cylindra miarowego i odczytania wyniku ze skali. Metoda ta stosowana jest wyłącznie do pomiaru pojemności czaszek martwych.

2. Metoda Pearson-Lee.

Metodę tę stosuje się do badania czaszek uszkodzonych lub przy pomiarach dokonywanych in vivo. Polega na zmierzeniu w wyżej opisany sposób długości, szerokości i wysokości czaszki a następnie obliczeniu pojemności, zależnie od płci, z odpowiedniego wzoru:

♂ V = 524,6 + 0,266 · D · S · W

♀ V = 812,0 + 0,156 · D · S · W

Otrzymujemy w ten sposób pojemność czaszki w cm³.

EWOLUCYJNE ZMIANY BUDOWY CZASZKI U NACZELNYCH

W toku ewolucji człowieka występowała tendencja do zwiększania się objętości czaszki — z ok. 650 cm³ u małp do ok. 1500 cm³ u ludzi. Człowieka od innych naczelnych odróżnia jednak nie tylko pojemność czaszki, ale i szereg innych cech jej budowy. Dla porównania możemy zestawić wybrane cechy czaszki człowieka (Homo sapiens) i goryla (Gorilla sp.):

Gorilla sp. Homo sapiens

1. trzewioczaszka większa od mózgoczaszki mózgoczaszka większa od trzewioczaszki

2. otwór potyliczny położony w tylnej części otwór potyliczny przesunięty do środka

podstawy czaszki podstawy czaszki

3. grzebień potyliczny kresy karkowe na kości potylicznej

4. kąt nachylenia kości czołowej (spłaszczenie kąt nachylenia kości czołowej: 54-74˚,

czaszki): 17-22˚ średnio 63˚

5. wały nadoczodołowe łuki brwiowe

6. wcięcie pozaoczodołowe —

7. prognatyzm kośćca twarzy (wysunięcie ortognatyzm kośćca twarzy (cofnięcie pod

do przodu) puszkę mózgową)

8. — wydatność kośćca nosa

9. szczęka długa i wąska szczęka krótka i szeroka

10. żuchwa wydłużona żuchwa skrócona

11. — „bródka” na przedniej ścianie żuchwy

12. część zębodołowa żuchwy wysunięta „bródka” wysunięta

13. łuk zębodołowy w kształcie litery V łuk zębodołowy w kształcie litery U

14. duże kły wysunięte poza linię zębów małe kły nie wysunięte poza linię zębów

15. pojemność czaszki: 325-650 cm³ pojemność czaszki: 1200-1500 cm³

16. masa mózgu w stosunku do 100 kg masy masa mózgu w stosunku do 100 kg masy

ciała: 340 g. ciała: 2380 g.

Swoisty „etap przejściowy” między jednymi a drugimi stanowić może wymarły obecnie rodzaj Plesianthropus z rodziny Hominidae. Rodzaj ten charakteryzowała dobrze wysklepiona czaszka z częścią twarzową wysuniętą ku przodowi. Kość czołowa przypominała budową kość ludzką, lecz występowały na niej wyraźne wały nadoczodołowe, zaś ta szczycie czaszki — grzebień kostny. Żuchwa i zęby zbudowane były zasadniczo tak, jak u współcześnie żyjących ludzi.

EWOLUCYJNE ZMIANY UZĘBIENIA

W toku ewolucji nastąpiło zmniejszenie się ogólnej liczby zębów. Dokonał się również zanik przerwy (diastemy) i uformowanie się zębów w łuk paraboliczny.

U ssaków mamy do czynienia z uzębieniem heterodontycznym, czyli takim, w którym obok siebie występują różne rodzaje zębów (siekacze, kły, przedtrzonowce i trzonowce). Ogólna liczba zębów jest stała dla danego gatunku. Stosukowo największym wśród zębów jest drugi trzonowiec, drugi przedtrzonowiec natomiast ulega zmniejszeniu. Uzębienie homodontyczne cechuje niższe kręgowce — ryby, płazy i gady.

Ssaki dzielimy na krótko- i długozębne. U pierwszych korzenie zębów kształtują się wcześnie i mają niewielkie otwory wierzchołkowe, natomiast korony cechuje ograniczony wzrost. U ssaków długozębnych korzenie kształtują się późno i charakteryzują się szeroko otwartym kanałem i dużym otworem wierzchołkowym, zaś korony zębów są długie i rosną przez całe życie.

Charakterystyczną cechą współczesnych ssaków są trzonowce o pofałdowanych koronach. Pierwotne ssaki owadożerne miały zęby 4-, 5- i 6-guzkowe. U ludzi zęby trzonowe z nielicznymi wyjątkami mają po 4 guzki, rozdzielone bruzdami ułożonymi na kształt krzyża.

Znaczącą różnicę między człowiekiem a innymi naczelnymi stanowi zanik zwarcia obcęgowatego (labidoncja). U rasy białej występuje przede wszystkim zwarcie nożycowate (psalidoncja), u rasy żółtej, nieco rzadziej niż w ½ przypadków — zwarcie dachówkowate (stegodoncja).

Pewne cechy ludzkiego uzębienia mogą być przekazywane genetycznie. Przykładem jest dziedziczne bezzębie u mężczyzn — cecha recesywna, gonosomalnie sprzężona z płcią. Innym przykładem może być brak szkliwa — cecha również sprzężona z płcią, lecz dominująca.

WZORY ZĘBOWE

Do opisu uzębienia stosujemy tzw. wzory zębowe, ilustrujące ilość zębów w odpowiadających sobie połowach szczęki i żuchwy:

Zęby mleczne człowieka ilustruje wzór
.

Do zębów stałych używamy wzoru
.

Wzory zębowe innych ssaków przedstawiają się następująco:

Gryzonie (np. królik):
.

Drapieżne (np. lis):
.

Wszystkożerne (np. świnia):

Przeżuwające (np. owca):

12 marca 2002 Prelekcja XIV

GENETYKA MEDYCZNA CZ. VII

INTELIGENCJA

Inteligencją (z łac. intelligentia = pojętność) nazywamy najogólniej zdolność subiektywnego rozumienia czynników środowiska i zdarzeń w nim zachodzących oraz znajdowania na nie właściwych, celowych reakcji.

Istnieje kilka definicji inteligencji, sformułowanych przez różnych badaczy tego zagadnienia.

Wg Cattela:

Wyróżniamy dwa „rodzaje” inteligencji:

1. płynną — zależną od struktur i funkcji mózgu i warunkującą szybkość kojarzenia, koncentrację uwagi i tempo pracy umysłowej. Ten rodzaj inteligencji ujawnia się podczas rozwiązywania testów bezsłownych i największą wartość osiąga między 18. a 21. rokiem życia;

2. skrystalizowaną — rozwijającą się na bazie inteligencji płynnej w wyniku uczenia się i nabywania doświadczeń.

Wg Piageta:

Inteligencja to rozwinięta forma adaptacji biologicznej. Rozwój umysłowy polega na coraz lepszym przystosowaniu, któremu towarzyszy wzrost złożoności i efektywności struktur poznawczych.

Wg Sternberga (TRIACHICZNA teoria inteligencji):

Inteligencja to zjawisko indywidualne, należące do świata wewnętrznego jednostki jako zjawisko zdeterminowane przez świat zewnętrzny i odzwierciedlające się w doświadczeniach jednostki. Jest ono wynikiem interakcji świata zewnętrznego i wewnętrznego.

Miarą inteligencji jest iloraz inteligencji. Jego wysokość określa się najczęściej według skali Wechslera. Badanie obejmuje 6 testów słownych (wiadomości, rozumienie, arytmetyka, powtarzanie liczb, podobieństwa, słownik) oraz 5 bezsłownych (np. porządkowanie obrazków, błędy i braki w obrazkach, klocki).

UKŁAD LINII PAPILARNYCH

Linie papilarne, czyli dermatoglify, występują na powierzchni rąk i stóp u człowieka i innych naczelnych. Tworzą je cienkie listewki skórne, pełniące funkcje czuciowe i mechaniczne, pomiędzy którymi znajdują się bruzdy.

Listewki skórne zaczynają tworzyć się w 3-4 miesiącu życia płodowego, aby pełne ukształtowanie osiągnąć pod koniec 6. miesiąca. W dalszym życiu w trakcie wzrastania i dojrzewania następuje ich rozbudowa, jednakże bez naruszenia wzajemnych proporcji. Ostateczne wymiary listewek wynoszą: 0,1-0,4 mm wysokości i 0,2-0,7 mm szerokości. Ponadto na dłoniach i stopach człowieka i naczelnych występują bruzdy zgięciowe, również kształtujące się w życiu płodowym i nie zmieniające swego układu do końca życia.

Układ linii papilarnych warunkują trzy pary genów współdziałających. Jest to cecha jakościowa, modyfikowana przez czynniki środowiska wewnętrznego organizmu — fakt ten tłumaczy różnice w układzie linii między prawą a lewą ręką. Ogólna liczba listewek skórnych jest cechą ilościową.

Odzwierciedleniem układu linii papilarnych jest tzw. daktylogram, który może być wykorzystywany przy identyfikacji osobnika. Układ dermatoglifów jest charakterystyczny, niepowtarzalny (wg Galtona prawdopodobieństwo wystąpienia dwóch identycznych wzorów linii papilarnych ma się jak 1:64 mld) i niezniszczalny.

Układ linii papilarnych opuszek palców charakteryzuje się pewnymi powtarzającymi się rysunkami. Jednym z najważniejszych spośród nich jest tzw. delta (trójramiennik, trójpromień). Powstaje ona na skutek rozchylenia się dwóch listewek biegnących koło siebie (delta typowa) lub rozdwojenia listewki pojedynczej (delta rozwidlona).

Łącząc środek delty ze środkiem wzoru papilarnego określonego palca otrzymujemy tzw. linię Galtona. Liczba linii papilarnych przecinających tę linię stanowi indeks RC. Suma indeksów RC dla wszystkich dziesięciu palców zwana jest indeksem TRC. Wartość tego indeksu jest cechą poligenową, dziedziczącą się ilościowo, i przeciętnie wynosi ok. 129 dla kobiet i ok. 146 dla mężczyzn.

W zależności od ilości delt na opuszce palca wyróżniamy trzy zasadnicze typy wzorów:

1. łukowy (bezdeltowy);

2. pętlicowy (jednodeltowy);

3. wirowy (dwudeltowy).

(Ze względu na obecność dwóch delt, we wzorze wirowym dla danego palca otrzymuje się dwa indeksy RC. Podczas obliczania indeksu TRC do sumy włącza się tylko indeks RC o większej wartości).

Ponadto w zależności od ułożenia wzory dzieli się również na:

• ulnarny (łokciowy);

• symetryczny;

• radialny (promieniowy).

W praktyce kryminalistycznej i badaniach genetycznych wykorzystuje się minucje, czyli najdrobniejsze różnice w układzie bruzd i linii papilarnych.

UKŁADY DERMATOGLIFÓW A WYBRANE SCHORZENIA GENETYCZNE

Pewne schorzenia genetyczne charakteryzują się szczególnym układem linii papilarnych:

1. W brachydaktylii rzadko występują wzory wirowe, bardzo często natomiast pętlicowe i łukowe.

2. W zespole Turnera następuje przewaga wzorów wirowych, a ponadto zwiększenie wartości TRC (przeciętnie ok. 165) i podwyższone (dystalne lub pośrednie) położenie trójpromienia osiowego.

3. W zespole Klinefeltera następuje przewaga wzorów łukowych, a wartość TRC ulega zmniejszeniu w stosunku do normy.

4. W zespole Downa zmniejsza się częstość występowania wzorów wirowych, natomiast w 80% przypadków mamy do czynienia z pętlicami łokciowymi (norma 62%). Trójpromień osiowy ułożony jest dystalnie (64-86% przypadków). Ogólna liczba bruzd zgięciowych na dłoniach i stopach jest zwiększona. Ponadto wybitnie charakterystyczną cechą tego zespołu (50-70% chorych) jest występowanie na dłoni czteropalcowej bruzdy zgięciowej (bruzda poprzeczna, „małpia bruzda”).

5. W zespole Edwardsa następuje przewaga wzorów łukowych i dystalne ułożenie trójpromienia osiowego. Czteropalcowa bruzda zgięciowa występuje u 30% chorych.

6. W zespole Patau mamy do czynienia z przewagą wzorów łukowych i pętlic radialnych. Trójpromień osiowy ułożony jest dystalnie, czteropalcowa bruzda zgięciowa występuje w 60% przypadków.

GENETYCZNE PODSTAWY TRANSPLANTACJI

Aby dany organ lub tkanka mogły być przeszczepione z powodzeniem, konieczny jest przede wszystkim brak niezgodności antygenów głównego układu zgodności tkankowej MHC między dawcą a biorcą. Antygeny te są kodowane przez większą liczbę genów, cechujących się polimorfizmem (liczne allele wielokrotne).

Poza układem MHC na różnych parach autosomów zlokalizowane są sekwencje DNA kodujące inne antygeny, zwane słabymi antygenami zgodności tkankowej. Jak się okazuje, w procesach transplantacji one również mają bardzo duże znaczenie i na skutek silnego odpychania transplantacyjnego mogą spowodować odrzucenie przeszczepu nawet przy pełnej zgodności układu MHC.

Przy dokonywaniu przeszczepu konieczna jest również pełna zgodność układu AB0 oraz (zazwyczaj w mniejszym stopniu) innych układów grupowych krwi.

Obecnie najczęściej wykonywanymi są allogeniczny przeszczep nerki i autogeniczny — skóry.

ODRZUCANIE PRZESZCZEPU. PRZESZCZEP PRZECIW GOSPODARZOWI

Ponieważ w praktyce uzyskanie pełnej zgodności wszystkich antygenów jest bardzo trudne, w transplantologii stosuje się rozmaite zabiegi zapobiegające odrzuceniu przeszczepu. Najczęściej polegają one na aplikowaniu pacjentowi określonych substancji, jak cyklosporyna A, globulina antytymocytarna lub duże ilości glikokortykosterydów. Niekiedy w celu osłabienia odpowiedzi immunologicznej napromieniowuje się również tkankę limfatyczną biorcy.

Wyróżniamy kilka mechanizmów odrzutu przeszczepu:

1. nadostry (odrzucenie przeszczepu dokonuje się w ciągu kilku minut — powstające mikrozakrzepy prowadzą do niedokrwienia i niemal natychmiastowej martwicy tkanki lub narządu);

2. ostry (odrzucenie przeszczepu następuje w ciągu dni lub miesiący);

3. przewlekły (procesy odrzucenia przeszczepu rozciągają się na lata).

Odrzucenie przeszczepu jest naturalną konsekwencją niezgodności antygenowej między przeszczepionym narządem a organizmem biorcy. Czasami dzieje się jednak inaczej. W przypadku, gdy w przeszczepianej tkance (najczęściej w szpiku kostnym) znajduje się duża liczba komórek immunologicznie czynnych, komórki te mogą wejść w oddziaływanie z niezgodnymi antygenowo komórkami biorcy.

Zjawisko to nazywamy reakcją przeszczepu przeciw gospodarzowi. Występuje ona nader często po przeszczepieniu szpiku kostnego w celach leczniczych chorym, których układ immunologiczny uległ osłabieniu na skutek rozmaitych chorób lub urazów — pacjentom z białaczkami, anemią aplastyczną, ostrą chorobą popromienną czy poddanym uprzednio radio- lub chemioterapii. Ze względu na upośledzenie odporności immunologicznej biorca allogenicznych limfocytów nie jest w stanie ich zniszczyć, one zaś, rozpoznając jego antygeny jako „obce”, powodują masowe niszczenie komórek jego organizmu.

Aby uniknąć opisanych wyżej zjawisk, w obecnych technikach transplantacyjnych przed dokonaniem przeszczepu podaje się dawcy leki immunosupresyjne lub przed dokonaniem przeszczepu eliminuje z pobranego szpiku dojrzałe limfocyty T.

19 marca 2002 Prelekcja XV

GENETYKA MEDYCZNA CZ. VIII

PRAWO HARDY'EGO-WEINBERGA

Prawo Hardy'ego-Weinberga przedstawia zależność między częstością genów a częstością genotypów w populacji mendlowskiej, opisując stan dynamicznej równowagi genetycznej w tej populacji.

Prawo powyższe mówi, że jeżeli w populacji:

p — częstość genu dominującego

q — częstość genu recesywnego

to częstość poszczególnych genotypów w tej populacji opisuje równanie:

p² + 2pq + q² = 1

gdzie p² oznacza częstość homozygot dominujących,

2pq — częstość heterozygot,

a q² — częstość homozygot recesywnych.

Ze względu na statystyczny charakter tego prawa, doświadczalne wyniki jego badania zgadzają się z założeniami teoretycznymi tylko w przypadku populacji o dużej liczebności. Tworzenie zygoty możemy przyrównać do losowania dwóch ze zbioru gamet danej populacji tylko przy założeniu, że kojarzenia są przypadkowe, nie działa dobór naturalny i wykluczamy migracje i mutacje. Zazwyczaj jednak warunki te nie są spełnione, gdyż na populację wpływa bardzo wiele czynników chwiejących równowagą w częstości występowania alleli.

SELEKCJA I DRYF

Selekcja jest procesem eliminacji niekorzystnych genotypów związanych ze zróżnicowaną rozrodczością różnych osobników. O selekcji danego osobnika mówimy, gdy jest on bezpłodny lub nie dożywa czasu reprodukcji.

Wpływ selekcji na częstość występowania cechy zależy od tego, czy jest ona dominująca, czy recesywna. Szkodliwe allele dominujące zostają wyeliminowane z populacji na ogół bardzo szybko. Allele recesywne mogą pozostawać w puli genowej przez wiele pokoleń, gdyż będą podlegały selekcji tylko w homozygotach.

Dryfem genetycznym nazywamy bezkierunkowe zmiany częstości genów, wynikające ze zjawisk losowych i ujawniające się zwłaszcza w populacjach niewielkich lub przy przypadkowym pobieraniu niewielkich próbek z dużych populacji. Zjawisko dryfu może wówczas prowadzić do istotnych odchyleń od pierwotnej częstości genów.

WYBRANE CECHY DOMINUJĄCE I ICH ROZKŁAD W POPULACJI CZŁOWIEKA

Do najistotniejszych cech allelomorficznych dziedziczących się dominująco należą:

1. ząbek włosów na czole;

2. włosy nierude (ciemne lub blond);

3. wzgórek Darwina (niewielka kosteczka na krawędzi małżowiny usznej);

4. wolny płatek ucha;

5. dołki w policzkach;

6. zdolność zwijania języka w literę U;

7. zdolność unoszenia końca języka ku górze;

8. zdolność odczuwania smaku fenylotiomocznika;

W populacji ludzi i małp człekokształtnych wyróżnia się dwie klasy: odczuwający i nieodczuwający gorzkiego smaku fenylotiomocznika (PTC) u nasady języka. Jest to cecha allelomorficzna, warunkowana przez allel dominujący oznaczany symbolem T. Występuje ona z różną częstością u różnych ras ludzkich:

• wśród Chińczyków — 93%

• wśród Indian północnoamerykańskich — 97%

• wśród Europejczyków — 75%.

Fenotypowa wrażliwość na smak fenylotiomocznika wykazuje rozkład dwumodalny. Oznacza to, że reakcje homozygot dominujących TT i heterozygot Tt różnią się między sobą. Okazuje się, że homozygoty TT odbierają gorycz fenylotiomocznika jako bardzo intensywną, zaś dla heterozygot Tt jest ona jedynie wyczuwalna.

9. orli nos (kształt nosa warunkowany jest przez 4 pary genów allelomorficznych)

10. piegowatość;

11. tendencja do używania prawej ręki;

Leworęczność i praworęczność są przejawem funkcjonalnej asymetrii ciała człowieka, związanej z dominacją jednej z dwóch półkul mózgowych (lateralizacja). Dominacja ta często bywa jednorodna (praworęczności towarzyszy prawooczność itd.). Szacuje się, że tendencję do posługiwania się prawą ręką przejawia ok. 96% ludzi. Leworęczność wykazuje zaledwie 4%. Czasami mamy także do czynienia z oburęcznością (ambidekstrią), która może mieć charakter pierwotny lub wtórny.

12. składanie kciuka prawego na lewy;

13. włosy na środkowej powierzchni paliczków dłoni;

14. grupy krwi A i B:

Obok kodominujących alleli I^A i I^B występuje recesywny allel i. Homozygoty pod względem tego allela mają grupę krwi 0. Grupa ta szczególnie często występuje wśród Indian w Chile.

15. prawidłowe widzenie barw:

Okazuje się, że mniej więcej 6,6-9% mężczyzn w Europie dotkniętych jest daltonizmem. Najczęściej, bo aż w 4,5% przypadków, mamy do czynienia z deuteranomalią, najrzadziej — z protanopią.

Poza Europą ślepota barw należy do rzadkości:

• wśród Australijczyków — 1,9%

• wśród Indian — 2,3%

• wśród Murzynów afrykańskich — 2,4%.

9

---