Популяционно-генетический метод

Метод изучения частоты генов и генотипов в популяции. Данным методом изучают:

1. Наследственные признаки в больших группах населения, в одном или нескольких поколениях.

2. Закономерности мутационного процесса. Сравнительные данные о наследственной патологии в изолятах и крупных городах или странах позволяют получить представление о распространении мутантного гена.

3. Роли наследственности и среды в возникновении болезней с наследственной предрасположенностью.

4. Влияние наследственных и средовых факторов в создании фенотипического полиморфизма человека по многим признакам.

Существенным моментом при использовании этого метода является статистическая обработка получаемых данных. Основой популяционно-статистического метода является закон генетического равновесия Харди-Вейнберга сформулированный в 1908 г. Он отражает закономерность, в соответствии с которой при определенных условиях соотношение частоты доминантного гена, его рецессивного аллеля и генотипов в генофонде популяции сохраняется неизменным в ряду поколений этой популяции.

Формула Харди-Вайнберга полностью применима к идеальной панмиксической (со свободным скрещиванием) популяции, где сохраняется определенное соотношение частот генов в поколениях. Характерно отсутствие отбора и мутационного процесса, отсутствие миграций в обе стороны. В идеальной популяции соотношение частоты доминантных гомозигот (АА), гетерозигот (Аа), рецессивных гомозигот (Аа) сохраняется постоянным из поколения в поколение.

При статистической обработке материала, получаемого при обследовании группы населения по интересующему исследователя признаку, основой для выяснения генетической структуры популяции является закон генетического равновесия Харди — Вайнберга. Он отражает закономерность, в соответствии с которой при определенных условиях соотношение аллелей генов и генотипов в генофонде популяции сохраняется неизменным в ряду поколений этой популяции. На основании этого закона, имея данные о частоте встречаемости в популяции рецессивного фенотипа, обладающего гомозиготным генотипом (аа), можно рассчитать частоту встречаемости указанного аллеля (а) в генофонде данного поколения. Распространив эти сведения на ближайшие поколения, можно предсказать частоту появления в них людей с рецессивным признаком, а также гетерозиготных носителей рецессивного аллеля.

Математическим выражением закона Харди — Вайнберга служит формула бинома Ньютона.

(p+q) ² =p²AA + 2pqAa + q²аа ; p+q=1

p – частота доминантного аллеля А

q – частота рецессивного аллеля а

p² - частота генотипа АА (гомозигот по доминантному аллелю)

q² - частота генотипа Аа (гомозигот по рецессивному аллелю)

Пример

В одном из городов при обследовании населения на резус-фактор, 16% людей оказалось резус-отрицательными, а 84% людей – резус-положительными. Определить частоту людей с генотипами АА, Аа, аа.

Решение

q²аа = 16% или 0,16, q = 0,40 или 40%

1-q=p; 1-0,40=0,60 или 60%

p²AA= 0,36 или 36%

2pqAa=2x0,60x0,40=0.48 или 48%

Вывод: 36% имели положительный резус с генотипом АА, 48% с генотипом Аа, 16% с генотипом Аа.

Например, альбинизм обусловлен отсутствием фермента, участвующего в образовании пигмента меланина и является наследственным рецессивным признаком. Частота встречаемости в популяции альбиносов (аа) равна 1:20 000. Следовательно, q² = 1/20 000, тогда q = 1/141, up = 140/141. В соответствии с формулой закона Харди — Вайнберга частота встречаемости гетерозигот = 2pq, т.е. соответствует 2 х (1/141) х (140/141) = 280/20000 = 1/70. Это означает, что в данной популяции гетерозиготные носители аллеля альбинизма встречаются с частотой один на 70 человек.

Так, например, установлено, что в США 29,16% белого населения имеют группу крови М, 49,58%—группу MN, 21,26%—группу N. Эти частоты разных фенотипов соответствуют формуле p²М + 2pqMN + q²N. Следовательно, эти три варианта признака обусловлены сочетанием двух аллелей одного гена, взаимодействующих по типу кодоминирования: группа М — L^mL^m, группа N — LⁿLⁿ, группа MN—L^mLⁿ. В том случае, если ген в генофонде популяции представлен несколькими аллелями, например ген группы крови системы АВО, соотношение различных генотипов выражается формулой (pI^A + qI^B + rI⁰) ².

Закон не применим в малочисленных популяциях. В изолятах важным фактором являются генетико-автоматические процессы или дрейф генов. (Н.П. Дубинин, Д.Д.Ромашов, Райтом и Фишером). Оно выражается в случайных изменениях частоты аллелей, не связанных с естественным отбором, в результате адаптивные аллели могут быть элиминированы, а менее адаптивные или даже патологические могут сохраниться и достигнуть высоких концентраций.

Следствием является – разная частота резус-отрицательных людей в Европе - 14%, в Японии – 1%, в Швеции - ген амавротической идиопатии, в Африке – ген Порфирии, в Швейцарии – ген наследственнйо глухоты.

 

Цитогенетические методы

В 1956 году Д.Тио и А.Леван установили, что у человека 46 хромосом, а не 48.

Цитогенетические методы исследования применяют для диагностики хромосомных болезней. Они включают:

• исследования полового хроматина - определение Х- и Y-хроматина;
• кариотипирование (кариотип - совокупность хромосом клетки) - оп­ределение количества и структуры хромосом с целью диагностики хро­мосомных болезней (геномных мутаций и хромосомных аберраций).

Определение Х- и Y-хроматина

Определение Х- и Y-хроматина часто называют методом экспресс-диагностики пола. Исследуют клетки слизистой оболочки ротовой полости, вагинального эпителия или волосяной луковицы. В ядрах клеток женщин в диплоидном наборе присутствуют две хромосомы X, одна из которых пол­ностью инактивирована (спирализована, плотно упакована) уже на ранних этапах эмбрионального развития и видна в виде глыбки гетерохроматина. Инактивированная хромосома X называет­ся половым хроматином или тельцем Барра. В норме у женщин обнаруживают одну глыбку Х-хроматина, а у мужчин её нет.

Отсутствие тельца Барра у женщин свидетельствует о хромосомном за­болевании - синдроме Шерешевского-Тернера (кариотип 45, ХО). При­сутствие у мужчин тельца Барра свидетельствует о синдроме Кляйнфелтера (кариотип 47, XXY).

Определение Х- и Y-хроматина - скрининговый метод, окончательный диагноз хромосомной болезни ставят только после исследования кариотипа.

Кариотипирование

Для изучения хромосом чаще всего используют препараты кратковремен­ной культуры крови, а также клетки костного мозга и культуры фибробластов. Доставленную в лабораторию кровь с антикоагулянтом подвергают центрифугированию для осаждения эритроцитов, а лейкоциты инкубируют в культуральной среде 2-3 дня. К образцу крови добавляют фитогемагглютинин, так как он ускоряет агглютинацию эритроцитов и стимулирует деление лимфоцитов. Наиболее подходящая фаза для исследования хромо­сом - метафаза митоза, поэтому для остановки деления лимфоцитов на этой стадии используют колхицин. Добавление этого препарата к культу­ре приводит к увеличению доли клеток, находящихся в метафазе, то есть в той стадии клеточного цикла, когда хромосомы видны лучше всего. Каждая хромосома реплицируется (производит свою копию) и после соот­ветствующей окраски видна в виде двух хроматид, прикреплённых к центромере, или центральной перетяжке. Затем клетки обрабатывают гипото­ническим раствором хлорида натрия, фиксируют и окрашивают.

Метафазные пластинки отдельных клеток фотографируют. Из фотогра­фий вырезают индивидуальные хромосомы и наклеивают их по порядку на лист бумаги; такая картина хромосом называется кариотипом.

Применение дополнительного окрашивания, а также новые методы по­лучения хромосомных препаратов, позволяющих растягивать хромосомы в длину, значительно увеличивают точность цитогенетической диагностики.

Для описания кариотипа человека разработана специальная номенкла­тура. Нормальный кариотип мужчины и женщины обозначают как 46, XY и 46, XX соответственно. При синдроме Дауна, характеризующемся нали­чием дополнительной хромосомы 21 (трисомия 21), кариотип женщины описывают как 47, XX 21+, а мужчины - 47, XY, 21+.

Составление и анализ родословных

 

1. Понятие о генеалогическом методе

 

Генеалогический метод, или метод анализа родословных, является наиболее фундаментальным и универсальным методом изучения наследственности и изменчивости человека. Он заключается в изучении какого-либо нормального или чаще патологического признака в поколениях людей, которые находятся друг с другом в родственных отношениях. Сутью генеалогического метода является составление и анализ родословных. Генеалогический метод соответствует основному методу генетики — гибридологическому методу. Но в отличие от него исследователи не подбирают родительские пары для целенаправленного скрещивания, а лишь детально анализируют результаты процесса естественной репродукции людей. Анализу по изучаемому признаку подвергается одна или несколько десятков семей с многочисленными родственниками разных поколений. Использование большого количества семей отчасти компенсирует низкую плодовитость человека и увеличивает число изучаемых потомков. В медицине этот метод часто называют клинико-генеалогическим методом, поскольку исследованию подвергаются разнообразные болезни или патологические признаки.

Целью генеалогического анализа является установление генетических закономерностей. Он позволяет решить многие теоретические и прикладные задачи:

· определить: наследуется ли вообще изучаемый признак;

· определить: каким: доминантным или рецессивным является изучаемый признак;

· определить: с какими генами: ядерными или митохондриальными — связан изучаемый признак;

· определить: в аутосоме, Х-хромосоме или Y-хромосоме находится изучаемый ген.

· выявить сцепление генов;

· рассчитать пенетрантность изучаемого гена;

· оценить экспрессивность изучаемого признака;

· определить генотип того или иного члена родословной;

· составить прогноз: оценить вероятность рождения у того или иного члена родословной ребенка с тем или иным альтернативным проявлением признака;

· оценить интенсивность мутационного процесса;

· выявить взаимодействие генов.

Технически генеалогический метод включает в себя два последовательных этапа:

1) сбор сведений о членах родословной и составление словесного описания родословной; словесное описание родословной с указанием родства и наличием или отсутствием изучаемого признака называется легендой;

2) составление графического изображения родословной, ее анализ и составление прогноза.