В последние годы увеличивается применение неинвазивного генетического теста при пренатальной диагностике. Это анализ, который основан на изучении крови матери и амниотической жидкости, и его можно проводить на разных этапах беременности. Такой подход безопасен для будущей матери и плода.
Генетические нарушения у человека и методы их выявления
Гены — это участки двойной спирали ДНК, несущие информацию, необходимую для синтеза всех белков, составляющих организм человека или любое другое живое существо. В биологии существует принцип: один ген отвечает за один белок, то есть информация о каждом конкретном белке содержится в одном гене.
В 1990 году международная команда ученых начала масштабный проект, известный как Проект «Геном человека», который завершился в 2003 году. Этот проект позволил установить, что человеческий геном включает от 20 до 25 тысяч генов. Каждый из этих генов представлен в двух копиях, которые кодируют один и тот же белок, но могут содержать небольшие различия. У большинства людей гены практически идентичны — различия составляют всего 1% от полного генетического материала.
ДНК располагается в клеточном ядре, и организована в структуру, называемую хромосомами. Эти нитеподобные хромосомы видны при использовании микроскопа при подходящих увеличениях. Внутри хромосомы ДНК витки наматываются на белки, которые называются гистонами. Когда гены не активны, хромосомы плотно свернуты, а во время процесса считывания генетической информации молекула расплетается.
В человеческих клетках также имеются митохондрии, которые функционируют как мини-электростанции и отвечают за клеточное дыхание. Уникальна их структура тем, что они содержат собственную ДНК, и в ней также могут возникать генетические нарушения.
Весь набор хромосом внутри клетки называют кариотипом. В норме кариотип человека представлен 23 парами хромосом, всего 46. Хромосомы делятся на два типа:
- 22 пары аутосом — они одинаковы как у мужчин, так и у женщин. Обе хромосомы в парах имеют одинаковую длину и содержат идентичные наборы генов.
- Одна пара половых хромосом. У женщин это две X-хромосомы, одна из которых остается неактивной и сильно свертывается, ее называют тельцем Барра. У мужчин одна половая хромосома представлена X-хромосомой, а вторая — меньшая по размеру Y-хромосома.
Методы исследования хромосом
Для анализа кариотипа используется специальный метод, называемый световой микроскопией дифференциально окрашенных метафазных хромосом, полученных из лимфоцитов периферической крови.
Этот анализ позволяет диагностировать ряд различных хромосомных заболеваний. В ходе такого исследования можно выявить следующие генетические нарушения:
- Грубые изменения в кариотипе, такие как аномалии в числе хромосом. Например, при синдроме Дауна в клетках ребенка наблюдается избыток 21-й хромосомы.
- Присутствие клеток с различными кариотипами внутри одного организма, что называется мозаицизмом.
- Хромосомные аберрации — это структурные нарушения хромосом, включая внутрихромосомные и межхромосомные перестройки. К ним относятся делеции (утрата участков хромосом), дупликации (удвоение участков), инверсии (поворот участка на 180 градусов) и транслокации (перемещение участка одной хромосомы на другую).
Однако с помощью кариотипирования нельзя выявить все генетические нарушения. Этот метод не позволяет обнаружить такие изменения, как:
- микроделеции и микродупликации, которые касаются очень маленьких участков хромосом;
- заболевания обмена веществ, вызванные изменением последовательности букв в определенных генах;
- митохондриальные болезни, связанные с нарушениями в митохондриальной ДНК;
- низкопроцентный мозаицизм, когда малое число клеток имеют аномальный кариотип;
- мутации в отдельных генах, которые не влекают за собой видимые изменения в хромосомах;
- эпигенетические расстройства, при которых структура генов не меняется, но изменяются их функции.
Для получения более детальной информации, недоступной при обычном световом микроскопе, используются хромосомные микроматричные анализы (ХМА). Данная методика позволяет детально изучать все значимые участки генома и выявлять изменения в численности и структуре хромосом, включая микрополомки (микроделеции и микродупликации).
В процессе хромосомного микроматричного анализа применяется технология полногеномной амплификации и гибридизации генетических фрагментов с олигонуклеотидами на микроматрице. Говоря простыми словами, сначала производится копирование ДНК для увеличения её объема, а затем полученные фрагменты смешиваются со специализированными ДНК-микрочипами, что позволяет выявить различные генетические нарушения.
Эти методы позволяют в одном исследовании находить делеции и дупликации участков ДНК по всему геному. Разрешающая способность стандартного ХМА достигает 100 000 пар нуклеотидов — букв генетического кода (в некоторых регионах может быть до 10 000 п. н.).
При помощи ХМА можно обнаружить:
- изменения количества хромосом;
- как дупликации, так и делеции, включая микродупликации и микроделеции;
- отсутствие гетерозиготности — потерю одной из двух копий гена. Это имеет критическое значение в онкологии и при заболеваниях, связанных с импринтингом, а также в случаях аутосомно-рецессивных болезней и близкородственных браках;
- однородительские дисомии, когда в геноме ребенка присутствуют две хромосомы от одного родителя.
Генетический анализ на наличие заболеваний
На сегодняшний день известно более 3000 наследственных заболеваний. Современные генетические лаборатории предлагают тестирование на большинство из них. Анализы могут проводиться как при наличии подозрения на то или иное заболевание (когда у пациента уже имеются специфические клинические проявления), так и с целью оценки риска его появления у потомства. К счастью, большинство наследственных болезней обусловлено рецессивными генами, которые проявляются только в определенных условиях. Это означает, что риск передачи заболевания значительно повышается, если партнеры имеют схожие гены.
Генетическое тестирование предоставляет возможность подтвердить или опровергнуть повышенный риск для ряда заболеваний, таких как антифосфолипидный синдром, тромбофилия, различные неврологические болезни (например, болезнь Альцгеймера, Паркинсона, рассеянный склероз, миопатии), сахарный диабет 2 типа, ишемическая болезнь сердца, гиперхолестеринемия, злокачественные новообразования и многие другие.
Обычно такие исследования проводятся в частных клиниках и не являются частью государственной бесплатной медицинской помощи.
Генетический тест на отцовство
Быть отцом — это свидетельство большой радости, но, к сожалению, не все мужчины готовы взять на себя всю ответственность за ребенка и выполнять свои обязательства. После зачатия некоторые из них предпочитают оставаться в стороне, не поддерживая женщину финансово, что крайне важно для полноценного развития малыша. Часто происходит так, что мужчина отказывается признавать даже свою причастность к рождению ребенка. Для получения алиментов женщине необходимо в судебном порядке подтвердить, что именно данный человек является отцом её ребенка. Наиболее эффективным способом для этого является проведение ДНК-теста на отцовство.
Чаще всего процедура проходит в судебном порядке. Женщина подает иск в суд, который направляет запрос на проведение анализа в специальное учреждение. ДНК-тест проводится следующим образом: в анализ берется генетический материал матери, ребенка и предполагаемого отца. В качестве образцов могут использоваться соскоб с внутренней поверхности щеки, образцы крови, ногти, волосы и другие биологические материалы. Этот анализ позволяет с высокой точностью (99%) определить факт отцовства.
Иногда женщины решают проверку провести самостоятельно, без ведома предполагаемого отца. В таких случаях в лабораторию можно предоставить его волосы, остриженные ногти или даже ватную палочку с ушной серой. Таким образом, присутствие потенциального отца не требуется. Этот метод также актуален в ситуации, когда необходимо проведение посмертной экспертизы, если соскоб из полости рта технически невозможен.
Если генетический тест на отцовство осуществляется по решению суда, процедура выполняется бесплатно. Самостоятельное тестирование же обходится в сумму примерно от 13 до 18 тысяч рублей. Однако в различных клиниках могут взиматься дополнительные сборы.
Базовые понятия генетики
Генетика использует несколько ключевых терминов, помогает в понимании процессов наследования различных признаков между живыми существами:
- Наследственность — это уникальная способность всех живых организмов передавать своим потомкам различные характеристики и признаки во время онтогенеза. Это обеспечивает преемственность между поколениями. Для передачи наследственности должен быть задействован половой материал (гаметы). В случае бесполого размножения этот процесс берет на себя соматические клетки.
- Ген — определенный участок молекулы ДНК. Ген является единицей измерения в биологии при учете размножения видов и отвечает за передачу признаков от родителей к потомству.
- Генотип — это совокупность всех генов и соответствующих признаков, которые были унаследованы от родителей. Процесс формирования генотипа осуществляется следующим образом: ген → белок → признак.
- Изменчивость — это способность живых существ приобретать новые характерные признаки на разных этапах своего индивидуального биологического развития.
- Доминантный признак — это ген (аллель), который проявляется всегда как основополагающий.
- Рецессивный признак — это признак, который всегда находится в подавленном состоянии одиночного проявления, и его передача возможна исключительно в зиготной форме.
- Гомозигота — это организм, у которого идентичные аллели расположены на гомологичных хромосомах.
- Гетерозигота — это организм, который имеет разные аллели (один доминантный и один рецессивный) по одному и тому же гену на гомологичных хромосомах. Это может означать, что при наличии чистых аллельных генов происходит формирование генотипно однородного потомства, получаемого от особи с преобладанием гомозиготных генов.
Направления исследований в генетике
Чтобы пациент понимал, чем занимается генетик на приеме, следует знать основные направления этой науки. Генетика изучает несколько аспектов:
- структуры, отвечающие за хранение генетического материала;
- методы передачи наследственной информации;
- преобразование генетического кода в конкретные характеристики и признаки в организме;
- механизмы модификации генетической информации в процессе развития существа на различных этапах.
Эти вопросы исследуются на разных уровнях — от молекулярного и клеточного до организменного и популяционного. Умение грамотно анализировать проблемы генетики имеет важное значение для практического применения этой науки.
Основные задачи генетики можно обозначить следующим образом:
- выбор оптимальной системы размножения для селекции;
- изучение методов отбора и выбор наиболее эффективных;
- контроль над корректным развитием генетических признаков;
- применение мутагенеза на практике в селекции.
Задачи медицинской генетики
Результаты генетических экспертиз активно используются в медицине для диагностики наследственных заболеваний. Эта наука помогает людям решать репродуктивные проблемы и осуществлять лечение различных заболеваний.
- изучение наследственных болезней, законов наследования, особенностей развития этих заболеваний, а также терапевтических методов и профилактики;
- исследование наследственной предрасположенности к различным генетическим нарушениям;
- анализ патологий, связанных с наследованием генетического материала родителей;
- изучение синтеза иммунных антител и белков, механизмов образования опухолей;
- генная инженерия — это разработка методов лечения наследственных заболеваний путем переноса здоровых генов в ДНК пациента.
В зависимости от клинического диагноза и повышения риска конкретных заболеваний применяются различные последовательности генетических тестов, подбирая методы к конкретной клинической ситуации. Иногда достаточно простых методов (таких как ПЦР, MLPA), а в других случаях наилучший подход — это панели aCGH или NGS на ранних стадиях генетической диагностики.
Такие исследования помогают выявить наследственную предрасположенность к различным заболеваниям:
- хромосомные болезни или синдромы;
- моногенные болезни;
- мультифакториальные заболевания, объясняемые сочетанием генетических и внешних факторов;
- небольшие и серьезные врожденные аномалии развития.
Преимущества генетического теста
Исследование биоматериала на генетические аномалии предоставляет ряд значительных преимуществ:
- дает точную информацию о врожденных особенностях здоровья;
- позволяет рассчитать процент предрасположенности к онкологическим заболеваниям, диабету;
- может подтвердить или опровергнуть предварительный диагноз, если другие методы не дали информации;
- помогает врачам подобрать соответствующее лечение в соответствии с определенным генотипом;
- показывает степень серьезности ранее диагностированного заболевания;
- позволяет врачам эффективно проводить скрининг новорожденных на наличие врожденных аномалий.
Современные генетические тесты рекомендуются перед многими типами лечения и находят применение в косметологии, фармакологии, а также в пренатальном тестировании.
Как осуществляется генетическое тестирование
Независимо от выбора биоматериала, тесты анализируют клетки трёх типов:
- гены, входящие в структуру молекулы ДНК и предоставляющие необходимую информацию;
- хромосомы — нитевидные структуры, содержащие большое количество ДНК и уникальных белков;
- белки — эти клетки могут быть найдены в любой части организма и в биологических жидкостях, что позволяет выявить их патологические изменения на ранних стадиях протекания опасной болезни.
Существуют новые методы, позволяющие использовать для тестирования амниотическую жидкость, которую окружает эмбрион во время беременности.
Если есть мутация, определяющая развитие болезни, можно ее заранее выявить и быть готовым к такому развитию событий
— Слышал мнение, что по генетическому анализу можно выбрать идеальную профессию. Это правда?
— Если бы это было возможно, у нас не возникало бы проблем с выбором профессии. Да, можно определить предрасположенность к некоторым заболеваниям, чувствительность к медикаментам и дать рекомендации по питанию и физическим нагрузкам. Безусловно, некоторые физические качества, способствующие спорту, определяются при помощи генетики. Остальное — это скорее маркетинговые уловки.
Существуют полезные генетические паспорта (тесты), которые определяют носительство моногенных болезней, риски сердечно-сосудистых заболеваний и чувствительность к лекарственным препаратам. Это действительно полезная информация, так как позволяет более внимательно следить за своим здоровьем и минимизировать риски для будущих поколений.
— Какие гены могут быть связаны с психическими заболеваниями, такими как шизофрения или депрессия?
— Шизофрения и другие расстройства психического здоровья являются многофакторными заболеваниями, в том числе с точки зрения генетических аспектов. Обнаружены взаимодействия множества генетических вариантов, которые могут сочетаться с такими состояниями, Однако выделить один ген шизофрении или депрессии невозможно. Естественно, генетика не является единственной, и порой не играет ключевую роль в этих нарушениях.
Существуют такие нейродегенеративные заболевания, как хорея Гентингтона, болезнь Альцгеймера и боковой амиотрофический склероз, для которых была определена генетическая основа или установлены четкие предрасположенности. Если есть мутация, связанная с развитием болезни, ее можно выявить заранее, что позволит подготовиться. В случае предрасположенности, можно принять меры, чтобы предотвратить проявление болезни, используя правильное питание, образ жизни и медикаменты. Однако для многих психических расстройств требуется дальнейшее исследование, чтобы окончательно установить связь генетики и развития заболевания.
— Существует ли генетическая связь между близнецами, или это всего лишь миф?
— Это трудный вопрос. С одной стороны, я не верю в некие невидимые силы, которые связывают близнецов. Верю, что у них идентичные условия, способствующие общим интересам и привычкам, что можно даже заметить при выборе партнеров.
Однако есть много историй о том, как близнецы чувствовали недомогание друг друга и обращали на это внимание, что вызывает вопросы о том, существует ли что-то большее, недоступное для обычного восприятия, возможно, у близнецов есть некие связи.
— Какие гены отвечают за старение, и какие методы могут замедлить этот процесс?
— Исследования с участием долгожителей (старше 90 лет), их братьев и сестер разного возраста, а также детей, выявили более 50 генов, активность которых связана с продолжительностью жизни. Хотя каждый ген в этой системе вносит небольшой вклад, важно их взаимодействие. Кроме того, значительное влияние оказывают образ жизни, питание и наличие различного рода заболеваний.
Исследования на модельных организмах, таких как нематоды, дрозофилы и мыши, показали, что есть гены, мутации в которых приводят к увеличению продолжительности жизни. На данный момент продолжаются активные поиски аналогичных генов у человека с надеждой, что они будут работать аналогичным образом, что откроет возможности для разработки методов воздействия на эти гены с целью продления здоровой жизни.
В биологии и медицине невозможно дать стопроцентные гарантии, так как организм является живым
— Некоторые люди полагают, что генетически модифицированные продукты (ГМО) — это опасно. Каково ваше мнение по этому вопросу?
— Мы активно пользуемся ГМО на протяжении многих лет, просто раньше мало кто об этом задумывался. Например, когда мы скрещиваем два сорта пшеницы (один сорт с более наполненными колосьями и другой с крепким стеблем или устойчивостью к заболеваниям), мы получаем новый сорт и этому радуемся. Это уже ГМО. Или если семена поддаются облучению гамма-лучами и, затем высаживаются — это тоже ГМО, так как может вырасти новое растение с уникальными свойствами.
В результате, с появлением методов генной инженерии стало возможно целенаправленно создавать желаемые сорта растений, породы животных и даже штаммы микроорганизмов с заранее установленными свойствами, что привлекло к себе внимание общественности.
Почему-то люди думают, что если в ДНК какого-то растения (например, картофеля) вставить фрагмент ДНК из другого растения или бактерии для обеспечения устойчивости к вредителям или болезням, то этот фрагмент станет крайне вредным для здоровья человека — ведь он чуждый! Однако, мы с вами прекрасно существуем, имея митохондрии в каждой клетки. Когда-то давно эта структура имела иную форму — она представляла собой отдельную бактериальную ДНК, которая была захвачена клетками и адаптирована.
ГМО являются новыми сортами растений и породами животных, которые могут занимать новые экологические ниши. Это также возможность для растений и микроорганизмов создавать лекарства для человечества, а также улучшения эффективности сельского хозяйства и создания новых полезных и привлекательных форм жизни.
— Почему моногенные заболевания выделены в отдельную категорию?
— Существует множество заболеваний, за возникновение которых отвечают два или более генов (их называют дигенными или полигенными). Моногенные заболевания выделяются отдельной группой потому, что их развитие может быть вызвано нарушением функции единственного гена. Список таких состояний уже превышает 6000, включая известные муковисцидоз, спинальную мышечную атрофию, нейросенсорную тугоухость, фенилкетонурию, адреногенитальный синдром и гемофилию.
— Является ли генетическое тестирование в рамках программы экстракорпорального оплодотворения (ЭКО) стопроцентной гарантией того, что у ребенка не будет генетических аномалий?
— ПГТ (преимплантационное генетическое тестирование) эмбрионов — это процесс, при котором сначала проводится ЭКО для получения эмбрионов, а затем, при необходимости или по желанию, выполняется один или несколько генетических тестов. Когда необходимость ПГТ обозначается, подразумевается, что без него риск передачи генетической патологии, такой как лишняя хромосома или моногенное заболевание, значительно возрастает.
Тем не менее принятые решения о тестировании зависят от пациента. Врач должен информировать о возможных рисках отказа от ПГТ и обеспечить понимание альтернатив, таких как пренатальная диагностика или использование донорских материалов.
Что касается гарантий, следует помнить, что в биологии и медицине предоставить стопроцентные гарантии невозможно, так как организм является живым объектом, в котором могут происходить разнообразные процессы, которых трудно предсказать. Поэтому даже в случае, если эмбрион прошел ПГТ, беременная женщина должна проходить все стандартные скрининги и в необходимых случаях инвазивную пренатальную диагностику.