Genetika člověka Jednou z možností členění genetiky je její třídění podle druhu studovaných organismů (genetika virů, bakterií, rostlin, zvířat, člověka atd.). Genetiku člověka jsme se rozhodli zařadit do publikace "Obecná genetika" proto, že znalost jejích principů by měla patřit k obecným znalostem všech čtenářů. Z taxonomického hlediska je člověk jedním z nepočitatelného množství druhů živočišné říše. To, čím se člověk odlišuje od ostatních druhů, je spíše sociálního než biologického charakteru. Všechny základní genetické zákonitosti, pokud nejsou specifické jen pro nižší organismy, platí i pro člověka. Genetiku člověka proto můžeme chápat jako vědní disciplinu, jejímž předmětem výzkumu a předmětem aplikace poznatků je člověk. Genetika člověka má mnoho specifik, kterými se odlišuje od jiných genetických disciplin. Tyto zvláštnosti se týkají především metod výzkumu a možností praktické aplikace výsledků, které jsou podmíněné specifitou člověka jako objektu genetického výzkumu. Metody genetiky člověka Genetika je především experimentální disciplina a již z tohoto hlediska není člověk vhodným objektem pro genetický výzkum, protože etika nepřipouští experimenty na člověku. Nanejvýše možno registrovat - studovat "experimenty", které se uskutečňují spontánně (křížení - sňatky, genetické následky havárií - Černobyl apod.). Další nevýhodou je dlouhý generační interval (věk rodičů při narození vnuků), který představuje cca 40 let, zatímco u mikroorganismů 2 hodiny, u drosofily 2 týdny, u myši 2 měsíce atd. Problematický je i nízký počet potomstva, nemožnost dodržení přesně kontrolovatelných vnějších podmínek a další. Na druhé straně jsou však některé skutečnosti, které genetický výzkum člověka ulehčují. Především je to velká genetická variabilita člověka a to, že mnoho užitečných údajů můžeme čerpat z jiných souvislostí mnoho generací dozadu (zdravotnická statistika, demografie aj.). Základním cílem genetiky člověka je studium genetické variability, kterou lze rozdělit na patologickou a nepatologickou. Nepatologická variabilita je z mnohých stránek lépe prozkoumaná u člověka než u jiných druhů a zahrnuje takové formy genetické variability jednotlivých znaků a funkcí, které determinují genetickou identitu jedince (morfologické znaky, genetický polymorfismus aj.). Význam těchto poznatků není pouze pro poznání genetické variability člověka jako takové, ale má i uplatnění praktické, např. v soudnictví, určení paternity apod. Bezprostřední význam pro lidskou populaci má však studium patologické variability. Mezi geneticky podmíněnými znaky a funkcemi je mnoho patologických. V současnosti je známo okolo 3000 onemocnění (patologických stavů) podmíněných výlučně geneticky a množství dalších, na kterých se genotyp podílí částečně (predispozičně za spoluúčasti faktorů
prostředí). Tato skupina onemocnění zaujímá v populaci stále významnější místo, nakolik se negenetické choroby vlivem zlepšující se ekonomické, sociální, hygienické úrovně populací i pokroku medicíny dostávají pod stále účinnější kontrolu. Patologickou variabilitou se zabývá lékařská genetika, která kombinuje metody a poznatky jednotlivých oblastí genetiky (cytogenetiky, imunogenetiky, biochemické genetiky a dalších) a zaměřuje se nejen na vysvětlení etiologie genetických chorob, ale i na jejich diagnózu, léčení a prevenci. Lékařská genetika Je samostatnou medicínskou disciplinou, která se zaobírá studiem dědičnosti chorob - jejich genetické podstaty, následků, praktickou aplikací genetických poznatků v medicíně a genetickým poradenstvím jako prevencí vzniku genetických chorob. Genetické choroby můžeme třídit podle celé řady kritérií. Jedním z nich je příčina jejich vzniku: l. Genové choroby s jednoduchou mendelistickou dědičností a) autosomálně dominantní b) autosomálně recesivní c) pohlavně vázané 2. Genové choroby multifaktoriálně dědičné 3. Choroby dospělého věku s genetickou predispozicí 4. Choroby podmíněné chromozómovými aberacemi a) anomálie chromozomálního počtu b) anomálie struktury a tvaru chromozómů Genové choroby s jednoduchou mendelistickou dědičností Příčinou vzniku této skupiny chorob je mutace na úrovni genů a její segregace do genotypu nositele. Ve většině se jedná o recesivní typ dědičnosti. Podstatou jejich projevu ve fenotypu je vznik změněného genového produktu - enzymu nebo proteinu. Pro změněné funkce enzymů se souhrnně používá termínu enzymopatie. Změněná funkce enzymu (snížená aktivita až inaktivita) vede ke změně metabolismu, až k metabolickému bloku, který má za následek hromadění dané látky nebo jejího meziproduktu, což má následně patologický (např. toxický) efekt. Některé mutace genů, které vedou ke změně primární struktury jimi determinovaného enzymu, avšak bez detekovatelné změny jeho aktivity. Takovéto enzymy, respektive varianty původního enzymu, se označují jako isozymy.
Klasickým příkladem několika stovek těchto tzv. metabolických chorob může být metabolismus aminokyseliny fenylalaninu. Pro odbourání fenylalaninu přijatého potravou je potřeba celé řady enzymů. Každý enzym je geneticky determinován jedním alelickým párem. Přitom recesivní alela v homozygotní sestavě determinuje vznik některých enzymů nefunkčních - blokuje další průběh metabolické přestavby. Zjednodušeně je průběh metabolismu fenylalaninu zachycen na schématu č. 1 Schéma č. 1.: Metabolismus fenylalaninu blok = inaktivita nebo chybění enzymu blok = recesivně homozygotní sestava alel determinujících vznik patologického enzymu Blok v pozici 1 představuje chybění enzymu metabolizujícího fenylalaninu, vede tudíž k jeho hromadění v organismu a projevu onemocnění - fenylketonurie (poškození buněk CNS). Její výskyt u nás se udává v poměru 1 : 8 000-10 000 narozených dětí. Jediným opatřením je včasné odhalení (před poškozením CNS) a regulace příjmu fenylalaninu v potravě. Blok v pozici 2 představuje chybění některého z enzymů řídících další metabolickou přestavbu tyrozinu. Jedním z meziproduktů je kyselina homogentizová. Chybění enzymu homogentizád deoxygenázy vede k hromadění kys. homogentizové v organismu, jejímu ukládání do různých tkání a projevu alkaptonurie (změny pigmentace, postižení kloubů aj.). Její frekvence v populaci se pohybuje v rozsahu 1 : 100 000-1 000 000. V některých horských oblastech Slovenska je podle Feráka a Sršně (1981) její incidence až 1 : 25 000. Blok v pozici 3 znamená chybění enzymu tyrozinázy, nebo kteréhokoliv z řady dalších katalyzujících vznik melaninů - pigmentů. Důsledkem je vznik albinismu. Největší podíl na genetických chorobách v populaci mají choroby dospělého věku (trpí jimi asi 7 % populace), následují choroby multifaktoriálně dědičné (2%), mendelisticky dědičné (cca 0.7%) a chromozomální (0.5%). Výše jsme uváděli, že chromozomální aberace postihují však asi 1.7% všech porodů. Znamená to, že jen asi 1/3 z nich se projeví patologickým fenotypem. Celkem lze předpokládat, že více jak 10% lidské populace trpí geneticky podmíněnou chorobou. Genové choroby multifaktoriálně dědičné Tato skupina chorob tvoří heterogenní soubor a zahrnuje patologické stavy podmíněné působením více genů kvalitativních, vlastními kvantitativními geny, které se podílí na fenotypu především svým aditivním účinkem za spolupůsobení faktorů prostředí (polygenní
dědičnost) a konečně kombinací kvalitativních i kvantitativních genů. Prakticky jsou do této skupiny řazeny všechny choroby genového původu, u nichž nebyla prokázána jednoduchá mendelistická dědičnost. Patologické stavy, které se řadí do této skupiny, jsou označovány také jako vrozené vývojové vady, jejichž fenotyp člověk nese již při narození. Jejich výskyt v populaci je poměrně četný a mnohdy se vyskytují častěji než 1 : 1000. Jako příklad lze uvést rozštěpové vady rtu, měkkého i tvrdého patra, luxaci kyčlí, vrozené srdeční vady a další morfologické anomálie. Zvláštní skupinu tvoří psychiatrická onemocnění s velmi vysokou četností výskytu, kterými trpí více jak 6% populace. Choroby dospělého věku s genetickou predispozicí Sem patří velké množství onemocnění, které se obdobně jako předchozí skupina realizují za spolupůsobení genetického základu (vznik predispozice) a vlivu prostředí, který umožňuje její realizaci. Projevují se však až ve vyšším věku. Jsou to např. cukrovka, žaludeční vředy, ischemické choroby srdeční, některé neurózy a psychózy, arteriální hypertenze a mnoho dalších patologických stavů. Tato skupina chorob je specifická tím, že včasné odhalení geneticky predisponovaných jedinců a eliminace škodlivého účinku faktorů prostředí umožní zabránit jejich vzniku. Choroby podmíněné chromozomovými aberacemi Tato skupina zahrnuje patologické stavy, které vznikají jako důsledek nesčetných možností změn v chromozomálním počtu, struktuře a tvarů chromozómů - chromozómových aberací. Rozlišujeme přitom aberace autosómů, způsobující např. Downův syndrom, a aberace heterosómů, jejichž důsledkem je např. Klinefelterův syndrom. Mechanismus jejich vzniku byl velmi podrobně probrán v kapitole věnované základům cytogenetiky, včetně uvedení příkladů a popisů fenotypů chromozómových anomálií. Zvýšený výskyt chromozómových aberací v buňkách v souvislosti s věkem je doprovodným procesem stárnutí. Jak uvádí Ferák a Sršeň (1981) je u žen nad 60 let zjišťováno více jak 5% aneuploidních leukocytárních mitóz, nad 70 let dokonce až 12%. U mužů hraje věk mnohem méně významnou roli. Pro demonstraci si prostudujme empirická data, která ukazují jak ovlivňuje věk matky výskyt chromozómových aberací u potomků přinesených v tab. č. 1. Tab. č. 1.: Přibližné % výskytu chromozomálních aberací ve vztahu k věku matky (průměr dle různých autorů) Věk matky v letech 20 25 30 35 40 45 Všechny chromozómové aberace 0,12 0,22 0,34 0,49 1,59 5,26
Vyjádříme-li možnost postižení dítěte trisómií jako riziko a položíme-li toto riziko u žen kolem třicítky rovné jedné, pak mladší ženy mají riziko zhruba poloviční a nižší, u starších žen riziko prudce narůstá (tab. č. 2.) až na více než třicetinásobek základního rizika v populaci, které představuje asi 1,2%. Tab. č. 2.: Riziko výskytu Downova syndromu v závislosti na věku matky Věková skupina Průměr do 19 let 0.41 20 24 0.62 25 29 0.85 30 34 1.36 35 39 3.18 40 44 12.50 45 let a více 35.75 Chromozomálních aberací se může vyskytovat celá řada variant. Jak vyplývá z následující tab. č. 3., nejvyšší četnost mezi nimi zaujímají změny v počtu chromozomů (které jsou většinou výsledkem poruch v průběhu nepřímého nebo reprodukčního buněčného dělení) a jen v menší části se jedná o strukturální přestavby. Je pozitivním evolučním procesem, že podstatná část chromozómových anomálií je ve formě spontánních potratů negativně selektována. Tab. č. 3.: Chromozómové aberace u spontánně potracených plodů a u živě narozených dětí. počet Chromozómové aberace vyšetřených celkem strukturální monozómie trizomie polyploidie ostatní spontánní potraty N 3 714 1 499 47 311 799 * 289 73 % 100,0 40,4 1,3 8,4 21,0 7,8 1,9 živě narozené děti N 59 452 364 124 2 1,77 1 60 % 100,0 0,61 0,21-0,3-0,1 * včetně mozaik Fenokopie Je negeneticky determinovaná vada, která vzniká tehdy, kdy faktor vnějšího prostředí vyvolá vznik stejného fenotypu, který je obyčejně podmíněn geneticky. Tento zásah může nastat v kterémkoliv období ontogeneze působením např. některých teratogenních látek, jimiž jsou některé drogy, léky ap. (Contergan, LSD). Citlivé vůči teratogenům je zejména
období časné embryogeneze. Příkladem fenokopií jsou rozštěpové vady, u kterých je nutno při genetickém prognózování kalkulovat s možností genetické i negenetické determinace. Vývojové vady Z oplozených vajíček odumírá (je negativně selektováno) v průběhu různých fází gravidity až 70% jako přímý důsledek vývojových vad, jejichž příčiny vzniku jsou genetického i negenetického charakteru. V malé části se s vývojovými vadami plod rodí a přežívá. I když není jednotného názoru na terminologii, zpravidla se mezi vývojové vady řadí celá řada defektů vznikajících již v období blastogeneze, ale i v období embyogeneze a organogeneze, jejichž výsledkem je vznik různých zrůd, monster, malformací, srostlých plodů ap. Některé z vývojových vad tohoto charakteru jsou geneticky podmíněné, u jiných nebyla genetická souvislost prokázána (např. srostlá dvojčata). Ani u těchto nelze však souvislost s působením některých genů celého genotypu jedince vyloučit. Genetické poradenství Je oborem zabývajícím se praktickou aplikací genetických poznatků pomáhajícím řešit situaci manželství a rodin, ve kterých se vyskytlo genetické onemocnění nebo kde hrozí jeho výskyt. Genetik zjistí situaci v rodině a na základě genetických poznatků stanoví riziko - pravděpodobnost vzniku genetického onemocnění u potomků, genetickou prognózu. Šetrně informuje o výsledku, ale i o možném řešení situace. Genetické poradny jsou při každém oddělení genetiky ve větších (dříve krajských) zdravotnických zařízeních a vedou současně registr všech vrozených chorob v dané oblasti. Stanovení genetického rizika vychází z dostupných informací, mezi kterými jsou zejména: - znalosti přesné diagnózy onemocnění - ověření nebo upřesnění diagnózy specializovaným vyšetřením cytogenetickým, biochemickým a jiným - zpracování podrobné genetické anamnézy pro co nejvíce členů rodiny a zpracování rodokmenu - prostudování nejnovější genetické literatury, zjištění populační zátěže - frekvence genů v populaci a dalších informací pro konečný výpočet odhadu genetického rizika. Nejjednodušším příkladem stanovení prognózy u mendelisticky dědičného onemocnění, již výše zmíněné fenylketonurie může být řešení následujícího dotazu poprvé těhotné ženy: jaké je riziko výskytu tohoto onemocnění u dítěte, když sestra manžela má fenylketonurii. Jde o recesivně dědičné onemocnění, rodiče manžela jsou heterozygoti (Aa), genotypy jejich potomků budou štěpit v poměru 1 AA : 2 Aa : 1 aa.recesivní homozygot je sestra manžela, pravděpodobnost heterozygotnosti manžela je proto 2/3. Pravděpodobnost heterozygotnosti
tazatelky odvisí od frekvence dané vlohy v populaci a představuje 1/40. Dítě s fenylketonurií vzniká s pravděpodobností 1/4 od heterozygotních rodičů. Výsledná pravděpodobnost je součinem dílčích pravděpodobností, tj. 2/3 x 1/40 x 1/4 = 1/60, tj riziko poškození dítěte je pouze 1,7%. Riziko výskytu některé z vrozených vývojových vad u novorozenců činí 3-5 %. Proti tomuto riziku srovnáváme. Proto zjištěné riziko kolem 5% lze považovat za nízké, nad 10% za středně zvýšené a nad 20% za vysoké. U nositelů chromozómových aberací je prognóza většinou nepříznivá, záleží však na typu aberace (viz kap. základy cytogenetiky). Ke zpřesnění vypočtené genetické prognózy lze použít metody prenatální genetické diagnostiky. Prenatální genetická diagnostika Je oborem představujícím aplikaci prenatálních diagnostických metod za účelem detekce geneticky determinovaných patologických stavů v co nejrannějším stádiu vývoje embrya nebo plodu, tj. před jeho narozením. Metody můžeme pracovně rozdělit do dvou skupin: 1. Vyšetření plodu s použitím rentgenu, ultrazvuku nebo fenoskopu ap., umožňuje diagnózu pohlaví, dvojčat, některých abnormalit kostry a dalších vrozených vývojových vad. Jejich využití je však omezené, poskytují hrubší informaci a jsou indikovány častěji než amniocentéza, případně v kombinaci. 2. Vyšetření plodové vody získané amniocentézou Metoda představuje punkci amniové dutiny a odebrání vzorku plodové vody (obr. č. 1.). Plodová voda obsahuje zplodiny výměny látkové plodu, ale i buňky plodového původu. Největším zdrojem genetických informací jsou kromě plodové vody získané a následně kultivované plodové buňky, které mohou být použity pro vyšetření cytogenetická (stanovení chromozómových aberací) i pro diagnostiku řady metabolických chorob (zjištění vyšších hladin metabolitu v důsledku jeho metabolického bloku).
Obr. č. 1.: Technika amniocentézy placenta Odběr amniové tekutiny přes stěnu břišní děloha amniová tekutina centrifugace Segmentace pro chemickou analýzu Buňky pro cytogenetické a biochemické analýzy Tkáňové kultury pro stanovení karyotypu, biochemického polymorfismu aj. 3. Biopsie trofoblastu Provádí se běžně rovněž přes břišní stěnu a to nejčastěji mezi 10.-12. týdnem. Cytogenetické vyšetření karyotypu je mnohem rychlejší, protože lze pozorovat častější mitózy i bez kultivace. Kromě chromozómového vyšetření buněk mohou být použity pro DNA testy. Riziko je mírně vyšší než u amniocentézy. 4. Vyšetření matčiny krve Provádí se po 16. týdnu. Stanovení několika ukazatelů biochemických hodnot (alfafetoprotein, choriový gonadotropin, estriol) může indikovat některé vrozené defekty a choroby (Downův syndrom, rozštěp páteře, neuzavření břišní dutiny aj.). 5. Vyšetření krve plodu (kordocentéza) Představuje odběr krve plodu z pupečníku. Provádí se na specializovaných pracovištích a to po 20. týdnu. I když představuje o něco větší riziko potratu než amniocentéza, v suspektních případech však poskytuje mnoho cenných údajů, které nelze jinak zjistit (imunologické parametry, hematologické ukazatele, krevní skupiny, všechny potřebné biochemické hodnoty). Karyotyp plodu lze bezprostředně určit z lymfocytů. 6. Analýza DNA Je nejmodernější metodou prenatální genetické diagnostiky využívající metody molekulární genetiky, které umožní v řadě případů spolehlivě určit genotyp vyvíjejícího se plodu identifikací známých sekvencí bodových mutací jednotlivých genů, umožňují velmi časnou determinaci pohlaví plodu apod. O využití molekulárně biologických metod v genetice člověka se zmíníme v samostatné stati.
Výsledkem prenatální genetické diagnostiky je závěr o vysoké pravděpodobnosti narození zdravého, či nemocného dítěte, který může být znám podstatně dříve než je 24. týden gravidity, aby nebyla překročena zákonem stanovená hranice indikovaného přerušení těhotenství. Rozhodnutí o jeho přerušení však přísluší pouze rodičům bez ohledu na to, je-li onemocnění léčitelné, či nikoliv. Nejen v ČR, ale celosvětově nejsou jednotné názory na interupci jako takovou, natož některé další názory na metody zlepšování genetické kvality populací - na eugeniku v užším slova smyslu. Eugenika Eugenika je nejčastěji definovaná jako vědní disciplina, jejímž cílem je studovat zákonitosti dědičnosti u člověka a aplikovat je takovým způsobem, aby se zlepšily vlastnosti lidského druhu. V populačně genetické teorii možno však přijatelněji formulovat cíl eugeniky jako úsilí snížit genetickou zátěž populace. V první části je definice totožná v podstatě s náplní genetiky člověka. V současnosti se eugenikou spíše rozumí druhá část definice, která však má idealistické a do jisté míry problematické prvky. Primitivní představou prvních zastánců eugeniky bylo zamezit reprodukci nežádoucích genotypů a tím zajistit vymizení nežádoucích znaků z populace.k zneužití pojmu eugenika došlo i v rasistických představách s cílem vytvoření čisté rasy, které nemělo s eugenikou, natož s genetikou nic společného. Přesto lze však v eugenice spatřovat racionální prvky, které mají v současnosti asi tyto hlavní argumenty: 1. Do nástupu civilizace a především moderní medicíny se lidstvo vyvíjelo pod přímým tlakem negativní selekce. Reprodukčního věku se spíše dožívali pouze lepší, tedy lépe přizpůsobení zdraví jedinci, zatímco u ostatních byla reprodukční způsobilost nižší. 2. Moderní medicína dokáže udržet při životě jedince postihnuté genetickou chorobou, kteří by se jinak nemohli udržet při životě. Nakolik je většina genetických chorob recesivního typu dědičnosti, dochází k přenosu vloh do další generace. Výše uvedený selekční tlak buď přestal působit nebo působí opačně. Je sice nesrovnatelným, ale přesto lze uvést, že v populacích hospodářských zvířat je situace přesně opačná. 3. Civilizační faktory, kterými si člověk bezohledně znehodnocuje své životní prostředí, pravděpodobně zvyšují frekvenci mutací i počty jejich nových nositelů. Mnohé z těchto argumentů mají sice své, alespoň částečné, opodstatnění. Je však otázkou, jestli existují eticky únosné a společensky přijatelné metody, které by byly eugenicky účinné. Krátce se o těchto problémech zmíníme.
Metody eugeniky Eugenika formuluje dvě základní cesty na dosažení svých cílů: Negativní eugenika - sleduje dosáhnutí svého cíle dvěma základními metodami: a) omezením reprodukce jedinců, jejichž potomci mají vysokou pravděpodobnost, že budou postihnuti genetickými chorobami, b) omezit nebo úplně znemožnit reprodukci u geneticky postihnutých jedinců. Možnosti, jak uskutečnit tyto cíle prakticky ve všech rozvinutých státech světa, spočívají na zdravotnické osvětě, genetickém poradenství, odkrývání nositelů, informacích rodičů o riziku poškození potomků, v prenatální diagnostice genetických chorob, přerušení gravidity, navození sterility a další opatření. Vždy však za souhlasu nebo na požádání nositele genetické choroby. Pozitivní eugenika - předpokládá zvýšení reprodukce u genotypů s vlastnostmi a znaky, které si lze přát. Její možnosti jsou ještě omezenější. Vcelku jedinou možností je umělá inseminace, při které by dárce splňoval kritérium přenosu požadovaných znaků a vlastností. Splnění těchto požadavků je nanejvýš problematické, takže už není snad genetika, který by byl zastáncem pozitivní eugeniky. Pro indikaci umělé inseminace existují spíše jiné důvody - poruchy reprodukce. Z uvedeného nástinu je patrné, že eugenické metody neumožní odstranit nepříznivé geny z lidského genofondu. V současnosti je proto v popředí zájmu: - genetické poradenství (viz výše) - přizpůsobování vnějších podmínek prostředí tak, aby se geneticky determinované choroby nemohly projevit - omezování rizika vzniku nových mutací - hledání dalších možností léčby genotypových chorob. Do budoucna umožní aplikace nových cytogenetických, biochemických, biotechnických a molekulárně genetických metod ještě dříve řídit genetickou selekci již na úrovni zygot. Velké naděje jsou vkládány do nejmodernějších cest řízené modifikace genetického materiálu - genové terapie.