Genetika
7.1 Genealogické vyšetření
Genealogická analýza slouží k sestavení rodokmenu konkrétní rodiny. Jeho cílem je určit způsob dědičnosti sledovaného znaku v rodině a stanovit riziko jeho výskytu v dalších generacích. Na sestavení rodokmenu se používají mezinárodně používané symboly, které jsou uvedeny na obrázku 6. Sestavování začíná od jedince, kterého nazýváme proband. V rodokmenu se označuje šipkou (obrázek 6). Nejčastěji jde o postiženého jedince nebo o jedince, který vyžaduje konzultace např. ohledně míry rizika přenosu geneticky podmíněné poruchy na své potomstvo.
Poznámka: V používání symboliky existují ve světě drobné rozdíly, ty však nejsou natolik závažné, aby bránily pochopit znázorněný rodokmen, proto se jim blíže nebudeme věnovat.
Cílem této kapitoly je vysvětlit povahu dědění jednotlivých znaků. Proto si vytvoříme hypotetický rodokmen (obrázek 6). Na tomto rodokmenu si ukážeme typický projev autozomálních dominantních alel, autozomálních recesivních alel, dominantních alel vázaných v nehomologním úseku chromosomu X, recesivních alel vázaných v nehomologním úseku chromosomu X a matroklinní dědičnosti, kterou musíme brát v úvahu v případě mitochondriálních genů.
Poznámka: Je jasné, že v jediném rodokmenu se nemohou vyskytovat všechny uvedené typy, které jsou vyznačeny na obrázku 6. Jsme však toho názoru, že jediná hypotetická schéma rodokmenu může napomoci rychlejšímu pochopení podstaty jednotlivých typů dědičnosti bez nutnosti nanovo pochopit příbuzenské vztahy, která by byla nutná v případě odlišných rodokmenů.
Jednotlivé generace se v rodokmenu označují římskými čísly. Jedinci se v rámci téže generace označují arabskými čísly podle pořadí narození. Např. v hypotetickém rodokmenu (obrázek 6A) první generaci tvoří manželský pár I1 a I2. Měli šest vlastních biologických dětí (II2, II4, II6, II8, II10 a II13) a jednoho adoptivního syna (II12). Jejich vnuk (III3) pochází z prvního manželství nejstaršího syna (II2). Po rozvodu se nejstarší syn podruhé oženil a měl tři děti, prvního syna (III3) a dvě dcery (III4 a III5). Kluk III1 je polorodý sourozenec dětí III3, III4 a III5 (stejný otec, různé matky). V rodině je příbuzenský sňatek mezi bratrancem a sestřenicí prvního stupně (III11 a III12), přičemž otec muže (II8) je starším bratrem matky jeho manželky, která je současně jeho sestřenicí (II13). Uvedený příbuzenský pár měl dva neúspěšné pokusy o dítě, které skončily spontánním abortem (IV1, IV2). Následně si pár adoptoval děvčátko (IV3). Po využití technik asistované reprodukce se jim narodily dvě děti, starší holčička (IV4) a nejmladší chlapeček (IV5).
Obrázek 6 - Jednotlivé typy dědičnosti
Autozomálně recesivní vlohy mají tyto specifika (obrázek 6C):
Po přehledem vysvětlení povahy jednotlivých typů dědičnosti při sledování rodokmenu si musíme objasnit důsledky příbuzenského křížení. Pokud se vrátíme k vysvětlení autozomálně recesivního typu dědičnosti, víme, že převážná část mutantních alel je v heterozygotním stavu a proto se jimi podmíněné onemocnění neprojevuje. Porucha vzniká pouze v případě, pokud se u jedince setkají dvě mutantní alely od obou heterozygotních rodičů. Obě recesivní alely v tomto případě mohou, ale také nemusí být identické původem (IBD). Např. v případě fenylketonurie (kapitola 5.1 Klasifikace mutace) známe několik různých mutantních alel. Je to logické, protože mutace může zasáhnout různá místa příslušného genu, přičemž výsledek je stejný - znefunkčnění enzymu fenylalaninhydroxylázy.
Poznámka: Při výpočtu inbredního koeficientu probanda se za nulovou generaci pokládá generace jeho rodičů, jako první je generace jeho prarodičů, druhá bude generace praprarodičů, atd. Pro uvedený příklad červeně označeného probanda na obrázku 7 činí inbrední koeficient Fx = ∑ [ (1/2) 2 + 2 +1 . (1 + 0)] = 0,03125. Výsledek platí ovšem pouze za předpokladu, že hodnota inbredního koeficientu společného předka FA=0 (tj. nepochází z příbuzenského svazku).
Pro autozomálně dominantní alely jsou specifické následující vlastnosti (viz obrázek 6B):
- postižení jedinci mají postiženého jednoho ze svých rodičů, přičemž nezáleží na pohlaví rodiče,
- postižení jedinci se vyskytují v každé generaci sledovaného rodokmenu,
- vzhledem k frekvenci patologických alel se ve většině případů nemocných jedinců jedná o heterozygoty, kteří mají jednu alelu patologickou a druhou normální,
- postižení jedinci mají ve svém potomstvu zdravé i postižené jedince v poměru 1:1, bez ohledu na pohlaví. Vyplývá to z jejich genotypu, který obsahuje dominantní (patologickou) alelu spolu s recesivní (normální) alelou,
- zdraví jedinci, kteří jsou potomky postižených jedinců, patologický znak do svého potomstva nepřenášejí.
Příkladem postižení tohoto typu je hereditární eliptocytóza, při níž od několika měsíců po narození jedince začínají v krvi kolovat erytrocyty eliptického tvaru. Těchto krvinek je časem většina. Normální erytrocyty se v kapilárách deformují, jsou však schopny nabýt původní tvar. V případě eliptocytózy však buňky po deformaci v kapilárách již nejsou schopny dosáhnout původní tvar. U pacientů je tento stav často spojený s hemolytickou anémií.
Dalším příkladem je segmentární neurofibromatóza, nazývaná také jako Recklinghausenova nemoc. Je důsledkem mutací genu pro neurofibromin, který se nachází na chromosomu č. 17, pozice 17q11.2. Hlavními příznaky jsou neurofibromy (nezhoubné nádory periferních nervů) a typické světlé skvrny na pokožce.
Autozomálně recesivní vlohy mají tyto specifika (obrázek 6C):
- rodiče postižených jedinců nevykazují známky onemocnění,
- oba rodiče postižených jedinců jsou přenašeči (heterozygoti) pro recesivní alelu,
- obě pohlaví bývají postižena ve stejné míře,
- pro dvojici heterozygotních rodičů je pravděpodobnost narození dítěte s postižením rovná ¼,
- vzhledem ke své nízké frekvenci se patologické alely v populaci nachází převážně v heterozygotním stavu u jedinců bez příznaků onemocnění.
- projev téhož onemocnění u sledovaného probanda může být podmíněn odlišnými recesivními mutacemi (to je i případ fenylketonurie), které vznikají v různých částech genu. Mluvíme o allozygotním genotypu.
- postižený jedinec může ovšem také mít pro sledovaný znak přítomny dvě stejné mutantní alely (IBD, angl. identical by descent), které vznikly u společného předka mateřské nebo otcovské linie rodokmenu. Mluvíme o autozygotním genotypu (viz dále obrázek 7).
- pokud má postižený jedinec obě mutantní alely IBD, bývá to důsledek příbuzenského křížení.
Příkladem poruchy podmíněné autozomálně recesívními mutacemi může být fenylketonurie (viz kapitola 5.1 Klasifikace mutací, příklad 1). Dědičnost fenylketonurie se v rodokmenech projevuje tak, jak je tomu v případě jedinců na obrázku 6 C: Rodiče (II10 a II11) jsou zdraví heterozygoti, od kterých zdědí obě Mutantní alely jejich nejmladší syn (III15).
V případech některých jiných onemocnění je však v populaci vyšší pravděpodobnost sňatku postižených jedinců, kteří jsou recesivními homozygoty pro danou chorobu. Paradoxní příčinou tohoto jevu je jejich sociální segregace (např. specializované školy pro takto postižené děti apod.). Příkladem je autozomálně recesivně podmíněna hluchoněmota. Tento jev je uveden na obrázku 6C vlevo. Oba postižení jedinci (II2 a II3) uzavírají sňatek v důsledku sociální segregace. V tomto případě všechny jejich děti mohou být postiženy.
X-vázaná dominantní dědičnost je znázorněna na obrázku 6D. Všimněme si proto na uvedeném modelovém rodokmenu povahy dědičnosti takového znaku:
- Tímto způsobem se dědí znaky, podmíněné dominantními alelami genů, které jsou lokalizovány v nehomologním úseku chromosomu X,
- podíl postižených žen v populaci je přibližně dvojnásobkem počtu postižených mužů. Je tomu tak proto, že u žen je projev znaku podmíněn přítomností dvou alel genu, zatímco u mužů se pro sledovaný gen nachází pouze jediná alela (hemizygotní stav, viz kapitola 4.5 Genetická informace a pohlaví),
- postižený muž má postižené pouze dcery, synové nejsou postižení (chromosom X dědí od matky),
- znak se projeví u každého jedince, který sledovanou dominantní alelu nese. Na příkladu, uvedeném na obrázku 6D lze vidět, že od otce (II14) zdědily dominantní vlohu všechny dcery (III12, III16, III17, III19), protože od otce dostaly jeho jediný chromozom s dominantní alelou sledovaného genu. Od matky III12 zdědil dominantní alelu její syn (probandi IV5), jeho starší sestra IV4 však od obou rodičů zdědila obě standardní alely.
Příkladem X-vázané dominantní dědičnosti může být hypofosfatémie. V důsledku poruchy resorpce anorganického fosfátu v renálních tubulech dochází k jeho zvýšenému vylučování močí z těla. V důsledku toho dochází k poklesu koncentrace fosfátu v séru postižených jedinců. Následkem bývá rachitida, deformace kostí v důsledku jejich oslabení osteomalacií. Mluvíme o vitamin D rezistentní rachitidě, protože postižení pacienti reagují pouze na vysoké dávky tohoto vitamínu.
X-vázaná recesivní dědičnost je znázorněna na obrázku 6E. Jde o znaky, které jsou podmíněny recesivními alelami genů, lokalizovanými na nehomologním úseku chromosomu X. O teoretických aspektech tohoto typu dědičnosti pojednává kapitola 4.5. Zde si charakterizujeme chování této dědičnosti v rodokmenu:
- Recesivní alela se projeví buď pouze v homozygotním stavu u ženy, nebo v hemizygotním stavu u muže,
- z hlediska poměru pohlaví postižených onemocněním je počet postižených mužů mnohem vyšší,
- postižený muž (na obrázku 6E jde o muže II14) bude mít v případě sňatku se zdravou ženou (II13) všechny své syny zdravé (synové III18 a III20; chromosom X dědí totiž od matky). Všechny jeho dcery budou zdravé, ale přenašečky (III12, III16, III17 a III19)
- Heterozygotní žena (přenašečka) bude mít v případě sňatku se zdravým mužem 50% pravděpodobnost, že syn bude postižen onemocněním (na obrázku 6E případ ženy III12, která je přenašečka a od které zdědí chromosom X s mutantní alelou její syn IV5).
Příkladem X-vázané recesivní dědičnosti je hemofilie. Na nehomologních úseku chromozomu X je lokalizován gen pro koagulační faktor VIII (antihemofilický faktor A). Jeho mutací může dojít ke vzniku hemofilie A. Na nehomologním úseku chromosomu X se nachází i gen pro koagulační faktor IX (Christmas faktor, antihemofilický faktor B). Jeho mutační změnou dochází ke vzniku hemofilie B. Frekvence výskytu hemofilie A u mužů je udávána přibližně 1/20000.
Poznámka: U žen je výskyt hemofilie mnohem nižší. Je to podmíněno statisticky. Zmíněná frekvence výskytu znamená, že u jednoho muže z dvaceti tisíců se vyskytne chromosom Xh s mutantní alelou. Víme, že poměr pohlaví je u lidí v produktivním věku v podstatě 1:1. Dále také víme, že dvě třetiny chromosomů X v populaci jsou v genomu žen (mají genotyp 46 XX) a jedna třetina chromosomů X u mužů (mají hemizygotný genotyp 46 XY). Z toho logicky vyplývá, že přenašečkou je statisticky jedna žena z deseti tisíc (1/10000). Proto celková pravděpodobnost narození ženy postižené hemofilií (XhXh) je dána součinem pravděpodobností výskytu alely Xh u muže (1/20000), u ženy-přenašečky (1/10000) a pravděpodobnosti přenosu alely Xh z přenašečky na potomstvo, která činí 1/2:
1/20000 · 1/10000 · 1/2 = 1/400000
Dědičnost znaků podmíněných geny na mitochondriální DNA je specifická tím, že se děje výhradně po mateřské linii (viz kapitola 2.1 Chromosomy). Tento typ dědičnosti je znázorněn na obrázku 6F. Matka (I2) odevzdá sledovaný gen všem potomkům bez rozdílu pohlaví (II2, II4, II6, II8, II10 a II13). Výjimkou je adoptovaný syn II12, který pochopitelně sledován znak od adoptivní matky nemá. Synové této matky na své potomstvo znak nepřenášejí (např. II2, II8). Dcery matky (II6, II10 a II13) opět tento znak odevzdají všem svým dětem.
Příkladem matrokliní dědičnosti je Leberova optická neuropatie. Projevuje se atrofií optických nervů, jež nastává mezi 12-30 rokem života.
Po přehledem vysvětlení povahy jednotlivých typů dědičnosti při sledování rodokmenu si musíme objasnit důsledky příbuzenského křížení. Pokud se vrátíme k vysvětlení autozomálně recesivního typu dědičnosti, víme, že převážná část mutantních alel je v heterozygotním stavu a proto se jimi podmíněné onemocnění neprojevuje. Porucha vzniká pouze v případě, pokud se u jedince setkají dvě mutantní alely od obou heterozygotních rodičů. Obě recesivní alely v tomto případě mohou, ale také nemusí být identické původem (IBD). Např. v případě fenylketonurie (kapitola 5.1 Klasifikace mutace) známe několik různých mutantních alel. Je to logické, protože mutace může zasáhnout různá místa příslušného genu, přičemž výsledek je stejný - znefunkčnění enzymu fenylalaninhydroxylázy.
Důležitá poznámka: Část recesivních alel vzniká u jedinců de novo mutacemi, proto při genetickém vyšetření rodičů postiženého jedince, který nese obě mutantní alely, může nastat situace, že jeden z rodičů není heterozygotní pro mutantní alelu, přesto je biologickým rodičem postiženého dítěte.
V případě příbuzenského křížení však může nastat situace, že se u postiženého jedince setkají recesivní alely, které jsou idenitcké původem (alela společná původem - z angl. identical by descent, IBD alela; obrázek 7, červená barva). Na uvedeném modelovém příkladu vidíme, že u předka postiženého jedince (zdravé prababičky I2) mohlo dojít ke vzniku recesivní mutace. Ta se následně přenesla do homozygotního stavu postiženého jedince (červený proband IV5) díky příbuzenskému křížení (zdraví rodiče červeně označeného probanda jsou svazkem bratrance a sestřenice, přičemž jsou vnuci zdravé ženy, u které mutace vznikla). Vidíme, že příbuzenské křížení zvyšuje riziko projevu recesivních alel, které jsou v populaci. V protikladu s tím se v panmiktické populaci, ve které je minimální podíl příbuzenského křížení, na vzniku postižených jedinců mohou podílet mutantní alely různého původu (modrá a červená barva u postiženého jedince III1, u kterého každý z jeho rodičů II1 a II2 má různou mutantní alelu).
Obrázek 7 - Příbuzenské křížení
Příbuzenské křížení se nazývá také jako inbríding (z angl. inbreeding). Oba jedinci v případě příbuzenského křížení však nemusí mít pouze jediného společného předka, ale může jich být v rodokmenu víc. Příbuzenské křížení se dnes vyskytuje v malých izolovaných populacích (např. málo osídlené odlehlé ostrovy), respektive pod vlivem socio-religiózních vlivů (příbuzenské sňatky mezi bratrancem a sestřenicí jsou poměrně časté v muslimských zemích vzhledem ke specifikám jejich kultury a tradic). Dalším důvodem inbrídingu je zvyk hledat si partnera ze stejné usedlosti z důvodu snahy o nedělení majetku komunity nebo z důvodu sociální segregace (ghetta). Důsledkem tohoto chování populace může být vznik tzv. genetických izolátů, ve kterých je nezvykle vysoký stupeň příbuznosti mezi jedinci.
Pravděpodobnost, s jakou potomek příbuzenského vztahu nese pro sledovaný gen dvě mutantní alely identické původem, nám udává inbrední koeficient. Zavedl ho r. 1922 Sewell Wright a je dán vztahem:
Fx inbrední koeficient
m počet generací mezi probandem a společným předkem v mateřské linii
n počet generací mezi probandem a společným předkem v otcovské linii
FA inbrední koeficient společného předka
Uvedený vzorec vychází ze stupně konsangvinity (stupně příbuznosti) mezi jednotlivými členy rodokmenu, daného koeficientem příbuznosti r:
r koeficient příbuznosti
n počet generací v rodokmenu
Stupeň příbuznosti mezi rodičem a potomkem činí r=(1/2)1 (čili 0,5), mezi prarodičem a potomkem představuje r=(1/2)2 = 1/4 (čili 0,25). Příbuznost mezi potomkem a praprarodičem je ještě nižší a činí r = (1/2)3 = 1/8 (čili 0,125).
Poznámka: Při výpočtu inbredního koeficientu probanda se za nulovou generaci pokládá generace jeho rodičů, jako první je generace jeho prarodičů, druhá bude generace praprarodičů, atd. Pro uvedený příklad červeně označeného probanda na obrázku 7 činí inbrední koeficient Fx = ∑ [ (1/2) 2 + 2 +1 . (1 + 0)] = 0,03125. Výsledek platí ovšem pouze za předpokladu, že hodnota inbredního koeficientu společného předka FA=0 (tj. nepochází z příbuzenského svazku).
Z hlediska humánní genetiky představuje příbuzenské křížení problém. V populaci způsobuje nárůst početnosti škodlivých, většinou recesivních alel. Eliminace důsledků tohoto jevu může trvat dlouhé období. Velmi důležitá je kromě léčebně preventivní péče i osvěta zdravotnických pracovníků v postižených komunitách.