Genetické studie: indikace, metody

V posledních letech je pozorován nárůst podílu dědičných onemocnění v celkové struktuře onemocnění. V tomto ohledu roste role genetického výzkumu v praktické medicíně. Bez znalostí lékařské genetiky není možné efektivně diagnostikovat, léčit a předcházet dědičným a vrozeným onemocněním.

Dědičná predispozice je pravděpodobně vlastní téměř všem onemocněním, ale její stupeň se značně liší. Pokud vezmeme v úvahu roli dědičných faktorů ve výskytu různých onemocnění, můžeme rozlišit následující skupiny.

• Nemoci, jejichž původ je zcela určen genetickými faktory (vliv patologického genu); do této skupiny patří monogenní onemocnění, jejichž dědičnost podléhá základním pravidlům Mendelových zákonů (Mendelovy choroby) a vliv vnějšího prostředí může ovlivnit pouze intenzitu určitých projevů patologického procesu (jeho symptomů).
• Nemoci, jejichž výskyt je určen především vlivem vnějšího prostředí (infekce, zranění atd.); dědičnost může ovlivnit pouze některé kvantitativní charakteristiky reakce těla, určovat rysy průběhu patologického procesu.
• Onemocnění, u kterých je dědičnost kauzálním faktorem, ale pro její projev jsou nutné určité vlivy prostředí, jejichž dědičnost se neřídí Mendelovými zákony (nemendelovské nemoci); nazývají se multifaktoriální.

Dědičné choroby

Vývoj každého jedince je výsledkem interakce genetických a environmentálních faktorů. Soubor lidských genů se ustavuje během oplodnění a poté spolu s environmentálními faktory určuje charakteristiky vývoje. Soubor genů organismu se nazývá genom. Genom jako celek je poměrně stabilní, ale pod vlivem měnících se podmínek prostředí v něm může docházet ke změnám - mutacím.

Základními jednotkami dědičnosti jsou geny (úseky molekuly DNA). Mechanismus přenosu dědičné informace je založen na schopnosti DNA se samoduplikovat (replikovat). DNA obsahuje genetický kód (systém záznamu informací o umístění aminokyselin v proteinech pomocí sekvence nukleotidů v DNA a mediátorové RNA), který určuje vývoj a metabolismus buněk. Geny se nacházejí v chromozomech, strukturních prvcích buněčného jádra obsahujících DNA. Místo, které gen zaujímá, se nazývá lokus. Monogenní onemocnění jsou monolokusová, polygenní onemocnění (multifaktoriální) jsou multilokusová.

Chromozomy (tyčinkovité struktury v jádrech buněk viditelné pod světelným mikroskopem) se skládají z mnoha tisíc genů. U lidí obsahuje každá somatická neboli nepohlavní buňka 46 chromozomů, které představuje 23 párů. Jeden z párů, pohlavní chromozomy (X a Y), určuje pohlaví jedince. V jádrech somatických buněk mají ženy dva chromozomy X, zatímco muži mají jeden chromozom X a jeden chromozom Y. Pohlavní chromozomy mužů jsou heterologní: chromozom X je větší a obsahuje mnoho genů zodpovědných jak za určení pohlaví, tak za další vlastnosti organismu; chromozom Y je malý, má odlišný tvar od chromozomu X a nese hlavně geny, které určují mužské pohlaví. Buňky obsahují 22 párů autozomů. Lidské autozomální chromozomy se dělí do 7 skupin: A (1., 2., 3. pár chromozomů), B (4., 5. pár), C (6., 7., 8., 9., 10., 11., 12. pár, stejně jako chromozom X, velikostně podobný chromozomům 6 a 7), D (13., 14., 15. pár), E (16., 17., 18. pár), F (19., 20. pár), G (21., 22. pár a chromozom Y).

Geny jsou uspořádány lineárně podél chromozomů, přičemž každý gen zaujímá přesně definované místo (lokus). Geny, které obsazují homologní lokusy, se nazývají alelické. Každý člověk má dvě alely stejného genu: jednu na každém chromozomu každého páru, s výjimkou většiny genů na chromozomech X a Y u mužů. Pokud homologní oblasti chromozomu obsahují identické alely, mluvíme o homozygotnosti; pokud obsahují různé alely stejného genu, mluvíme o heterozygotnosti pro daný gen. Pokud gen (alela) projevuje svůj účinek, když je přítomen pouze na jednom chromozomu, nazývá se dominantní. Recesivní gen projevuje svůj účinek pouze tehdy, je-li přítomen v obou členech páru chromozomů (nebo na jediném chromozomu X u mužů nebo u žen s genotypem X0). Gen (a odpovídající znak) se nazývá vázaný na chromozom X, pokud je lokalizován na chromozomu X. Všechny ostatní geny se nazývají autozomální.

Rozlišuje se dominantní a recesivní dědičnost. U dominantní dědičnosti se znak projevuje jak v homozygotním, tak v heterozygotním stavu. U recesivní dědičnosti se fenotypové (soubor vnějších a vnitřních znaků organismu) projevy pozorují pouze v homozygotním stavu, zatímco u heterozygotnosti chybí. Možná je i pohlavně vázaná dominantní nebo recesivní dědičnost; tímto způsobem se dědí znaky spojené s geny lokalizovanými v pohlavních chromozomech.

Dominantně dědičná onemocnění obvykle postihují několik generací v jedné rodině. U recesivní dědičnosti může v rodině dlouhodobě existovat latentní heterozygotní nosičství mutantního genu, v důsledku čehož se nemocné děti mohou narodit zdravým rodičům nebo dokonce v rodinách, ve kterých onemocnění po několik generací chybí.

Genové mutace jsou základem dědičných onemocnění. Pochopení mutací je nemožné bez moderního chápání pojmu „genom“. V současné době je genom považován za multigenomovou symbiotickou strukturu sestávající z obligatorních a fakultativních prvků. Základem obligatorních prvků jsou strukturní lokusy (geny), jejichž počet a umístění v genomu jsou poměrně konstantní. Strukturní geny tvoří přibližně 10–15 % genomu. Pojem „gen“ zahrnuje transkribovanou oblast: exony (vlastní kódující oblast) a introny (nekódující oblast oddělující exony); a přilehlé sekvence – vedoucí sekvenci, předcházející začátku genu, a koncovou nepřekládanou oblast. Fakultativní prvky (85–90 % celého genomu) jsou DNA, která nenese informaci o aminokyselinové sekvenci proteinů a není striktně obligatorní. Tato DNA se může podílet na regulaci genové exprese, plnit strukturní funkce, zvyšovat přesnost homologního párování a rekombinace a podporovat úspěšnou replikaci DNA. Účast fakultativních prvků na dědičném přenosu znaků a tvorbě mutační variability je nyní prokázána. Taková komplexní struktura genomu určuje rozmanitost genových mutací.

V nejširším slova smyslu je mutace stabilní, dědičná změna v DNA. Mutace mohou být doprovázeny změnami ve struktuře chromozomů, které jsou viditelné pod mikroskopem: delece - ztráta úseku chromozomu; duplikace - zdvojení úseku chromozomu, inzerce (inverze) - zlom v úseku chromozomu, jeho otočení o 180° a připojení k místu zlomu; translokace - odlomení úseku jednoho chromozomu a jeho připojení k jinému. Takové mutace mají největší škodlivý účinek. V jiných případech mohou mutace spočívat v nahrazení jednoho z purinových nebo pyrimidinových nukleotidů jednoho genu (bodové mutace). Mezi takové mutace patří: missense mutace (mutace se změnou významu) - nahrazení nukleotidů v kodonech s fenotypovými projevy; nonsense mutace (bezvýznamné) - nahrazení nukleotidů, které tvoří terminační kodony, v důsledku čehož je syntéza proteinu kódovaného genem předčasně ukončena; sestřihové mutace - substituce nukleotidů na spojení exonů a intronů, což vede k syntéze prodloužených proteinových molekul.

Relativně nedávno byla identifikována nová třída mutací - dynamické mutace neboli expanzní mutace spojené s nestabilitou počtu trinukleotidových repetic ve funkčně významných částech genů. Mnoho trinukleotidových repetic lokalizovaných v transkribovaných nebo regulačních oblastech genů se vyznačuje vysokou úrovní populační variability, v rámci které nejsou pozorovány fenotypové poruchy (tj. onemocnění se nevyvíjí). Onemocnění se vyvíjí pouze tehdy, když počet repetic v těchto místech překročí určitou kritickou úroveň. Takové mutace se nedědí v souladu s Mendelovým zákonem.

Dědičná onemocnění jsou tedy onemocnění způsobená poškozením buněčného genomu, které může postihnout celý genom, jednotlivé chromozomy a způsobit chromozomální onemocnění, nebo postihnout jednotlivé geny a být příčinou genových onemocnění.

Všechna dědičná onemocnění se obvykle dělí do tří velkých skupin:

• monogenní;
• polygenní nebo multifaktoriální, u kterého interagují mutace několika genů a negenetické faktory;
• chromozomální abnormality nebo anomálie ve struktuře nebo počtu chromozomů.

Nemoci patřící do prvních dvou skupin se často nazývají genetické a ty patřící do třetí skupiny se nazývají chromozomální choroby.

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

Klasifikace dědičných chorob

Chromozomální	Monogenní	Multifaktoriální (polygenní)
Anomálie v počtu pohlavních chromozomů: - Šereshevského-Turnerův syndrom; - Klinefelterův syndrom; - syndrom trisomie X; - syndrom 47, XYY Autosomy: - Downův syndrom; - Edwardsův syndrom; - Patauův syndrom; - parciální trisomie 22 Strukturální abnormality chromozomů: Syndrom křiku mluvení; Syndrom delece 4p; Syndromy mikrodelecí sousedních genů	Autozomálně dominantní: Marfanův syndrom; von Willebrandova choroba; Minkowského-Shoffarova anémie a další Autozomálně recesivní: - fenylketonurie; - galaktosémie; - cystická fibróza atd. X-vázaná recesivní choroba: Hemofilie A a B; Duchennova myopatie; A další. X-vázaný dominantní: - křivice rezistentní na vitamín D; - hnědé zbarvení Zubní sklovina atd.	CNS: některé formy epilepsie, schizofrenie atd. Kardiovaskulární systém: revmatismus, hypertenze, ateroskleróza atd. Kůže: atopická dermatitida, lupénka atd. Dýchací systém: bronchiální astma, alergická alveolitida atd. Močový systém: urolitiáza, enuréza atd. Trávicí systém: peptický vřed, nespecifická ulcerózní kolitida atd.

Chromozomální onemocnění mohou být způsobena kvantitativními anomáliemi chromozomů (genomovými mutacemi) i strukturálními anomáliemi chromozomů (chromozomálními aberacemi). Klinicky se téměř všechna chromozomální onemocnění projevují jako mentální postižení a mnohočetné vrozené vady, často neslučitelné se životem.

Monogenní onemocnění vznikají v důsledku poškození jednotlivých genů. Mezi monogenní onemocnění patří většina dědičných metabolických onemocnění (fenylketonurie, galaktosemie, mukopolysacharidózy, cystická fibróza, adrenogenitální syndrom, glykogenózy atd.). Monogenní onemocnění se dědí podle Mendelových zákonů a podle typu dědičnosti je lze rozdělit na autozomálně dominantní, autozomálně recesivní a vázanou na X chromozom.

Multifaktoriální onemocnění jsou polygenní a jejich rozvoj vyžaduje vliv určitých faktorů prostředí. Obecné příznaky multifaktoriálních onemocnění jsou následující.

• Vysoká frekvence v populaci.
• Výrazný klinický polymorfismus.
• Podobnost klinických projevů u probanda a blízkých příbuzných.
• Věkové a genderové rozdíly.
• Dřívější nástup a určité zvýšení klinických projevů v sestupných generacích.
• Variabilní terapeutická účinnost léků.
• Podobnost klinických a dalších projevů onemocnění u blízkých příbuzných a probanda (koeficient dědičnosti u multifaktoriálních onemocnění přesahuje 50-60 %).
• Neshoda dědičných vzorců s Mendelovými zákony.

Pro klinickou praxi je důležité pochopit podstatu pojmu „vrozené vady“, které mohou být jednoduché nebo vícečetné, dědičné nebo sporadické. Dědičná onemocnění nezahrnují ta vrozená onemocnění, která se vyskytují v kritických obdobích embryogeneze pod vlivem nepříznivých faktorů prostředí (fyzikálních, chemických, biologických atd.) a nejsou dědičná. Příkladem takové patologie mohou být vrozené srdeční vady, které jsou často způsobeny patologickými vlivy v období formování srdce (první trimestr těhotenství), například virovou infekcí tropickou k tkáním vyvíjejícího se srdce; fetální alkoholový syndrom, vývojové anomálie končetin, uší, ledvin, trávicího traktu atd. V takových případech genetické faktory tvoří pouze dědičnou predispozici nebo zvýšenou náchylnost k účinkům určitých faktorů prostředí. Podle WHO jsou vývojové anomálie přítomny u 2,5 % všech novorozenců; 1,5 % z nich je způsobeno působením nepříznivých exogenních faktorů během těhotenství, zbytek je převážně genetické povahy. Rozdíl mezi dědičnými a vrozenými onemocněními, která nejsou dědičná, má velký praktický význam pro predikci potomstva v dané rodině.

[ 5 ]

Metody diagnostiky dědičných onemocnění

Praktická medicína v současné době disponuje celým arzenálem diagnostických metod, které umožňují s určitou pravděpodobností detekovat dědičná onemocnění. Diagnostická citlivost a specificita těchto metod se liší - některé umožňují pouze předpokládat přítomnost onemocnění, zatímco jiné s velkou přesností detekují mutace, které jsou základem onemocnění, nebo určují charakteristiky jeho průběhu.

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

Cytogenetické metody

Cytogenetické výzkumné metody se používají k diagnostice chromozomálních onemocnění. Patří mezi ně:

• studie pohlavního chromatinu - stanovení X- a Y-chromatinu;
• karyotypizace (karyotyp je soubor chromozomů buňky) - stanovení počtu a struktury chromozomů za účelem diagnostiky chromozomálních onemocnění (genomových mutací a chromozomálních aberací).

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