Zastosowanie genetyki w medycynie

Genetyka jest nauką biologiczną , która zajmuje się badaniem mechanizmów dziedziczenia, ich przyczyny i skutkami a także zmienności wśród organizmów żywych.
Genetyka jest dość "młodą "dziedziną nauką, która obecnie jest w rozkwicie. Podstawowe wiadomości z zakresu genetyki są wynikiem badań przeprowadzonych w XX wieku. Ówcześnie, ta ilość wiedzy była niewystarczająca aby można było wykorzystać ją w praktyce lekarskiej. Obecnie poziom tej wiedzy wzrasta wykładniczo z każdym rokiem. Dzięki ogromnemu postępowi genetyki oraz rozwinięcie się skomplikowanych technik inżynierii genetycznej, możliwe jest wykorzystanie tej dziedziny wiedzy w medycynie oraz wielu gałęziach przemysłu. Ciągle przeprowadzane są badania, które przynoszą nowe rozwiązania , które maja na celu podnieść standard naszego życia i przedłużyć żywotność. Postęp w dziedzinie genetyki daje szanse osobom chorym nieuleczalnie na wyzdrowienie, ma na celu wyeliminowanie chorób genetycznych. Techniki inżynierii genetycznej wykorzystywane w przemyśle dążą do uzyskania nowych odmian roślin o wysokiej wydajności, zwierząt , które w swoim ciele będą produkować ważne biologicznie substancje oraz organy ( bardzo potrzebne w transplantologii ). Znane jest także wykorzystywanie "zdobyczy genetycznych" w mikrobiologii, przemyśle spożywczym , farmaceutycznym i wielu innych.

Pierwszym badaczem, który próbował badać zależności pomiędzy cechami dzieci i ich rodziców była Franciszek Galton- angielski antropolog i przyrodnik. Galton, zainspirowany poglądami innego badacza - Galla ( założyciela frenologii ) napisał książkę "Hereditary Genius"(1869), w której opisał podstawowe zagadnienia nauki, zwanej eugeniką. Eugenika ta jest nauką, która dąży udoskonalenia dziedzicznych cech człowieka. W swojej książce Galton głosił, że należy dążyć do zwiększenia liczby ludzi o korzystnych cechach i eliminacji , tych którzy posiadają cechy niekorzystne poprzez odpowiedni dobór partnera i świadome macierzyństwo. Mimo, iż Galton był wybitnym uczonym jego nauki nie mogły być do końca przyjęte, ponieważ mogły być źle zinterpretowane i przyczyniłyby się do licznych dyskryminacji. Obecnie eugenikę wyparła eugenika- dziedzina nauki, która polega na zwalczaniu konsekwencji chorób przenoszonych dziedzicznie poprzez odpowiednią terapię, zabiegi i operacje.

Cechy dziedziczne u człowieka.
Wiele cech człowieka , zarówno fizycznych , fizjologicznych czy biochemicznych jest przekazywanych z pokolenia na pokolenie ( mają charakter dziedziczny ).
Większość z tych cech determinowana jest zestawem kilku genów ( determinacja złożona ), tzn. za wytworzenie określonej cechy organizmu odpowiada kilka genów. Natomiast dziedziczenie jednogenowe cech ( cecha determinowana jest przez jedną parę alleli ) występuje dość rzadko.

Fizyczne cechy dziedziczne :
- kolor oczu ( u człowieka dziedziczenie tej cechy jest determinowane wieloma genami )
- kształt i wielkość oczu ( każda cecha warunkowana jest innymi genami, allele dominujące odpowiadają za duże i okrągłe oczy, natomiast recesywne za małe i wąskie)
- ułożenie oczu ( warunkowane jednym genem, allel dominujący determinuje proste oczy, natomiast recesywny - skośne)
- długość rzęs ( długie "dominują" nad krótkimi )
- kształt uszu ( determinacja złożona )
- kolor włosów ( cecha ta jest uwarunkowana kilkoma genami, z tym ,że za podstawową barwę włosów odpowiedzialny jest jeden gen, natomiast pozostałe implikują natężenie tej barwy, barwa włosów uzależniona jest od barwnika melaniny, który występuje też komórkach barwnikowych oka).

Cechy fizyczne i biochemiczne determinowane przez geny :
- grupy krwi ( grupa krwi jest uwarunkowana jednym genem, który wykazuje dominację zupełną )
- czynnik Rh ( warunkowany jednym genem)
- inteligencja ( determinowana genowo oraz w dużym stopniu czynnikami środowiska )
- leworęczność i praworęczność ( determinacja wielogenowa , wśród populacji ludzkiej obserwowana jest dominacja praworęczności )
- umiejętność zwijania języka ( cechę tą warunkuje jeden gen; osoby posiadające ten gen mają zdolność zwijania języka w trąbkę )
- sposób ułożenia dłoni "do pacierza" ( cecha uwarunkowana jeden genem, osoba posiadająca allel dominujący składa ręce w ten sposób, że kciuk lewej ręki leży pod kciukiem prawej ręki)
Charakter dziedziczny mają także choroby umysłowe.

Choroby uwarunkowane genetycznie.
Przyczynami chorób genetycznych są zmiany w prawidłowej budowie genomu powstałe w wyniku mutacji i dziedziczonych zmienności. Choroby te , podobnie jak powyżej opisane cechy są dziedziczone. Choroby te mogą mieć charakter wrodzony lub nabyty. W przypadku chorób wrodzonych nieprawidłowości w funkcjonowaniu lub budowie organów lub układów ujawniają się już w okresie noworodkowym lub nieco później. Choroby nabyte mogą być wynikiem stosowania złych leków, lub np. infekcji wirusowej kobiety ciężarnej
( w pierwszych etapach ciąży). Choroby dziedziczne charakteryzują się ty, iż zostają przekazywane z rodziców na potomstwo. Znanych jest blisko dwa tysiące chorób genetycznych ( dziedzicznych ).

Podział chorób genetycznych :
-genopatie- anomalie, które wywołują odziedziczone, zmutowane allele. Do genopatii zalicza się m.in. albinizm, fenyloketonurię, daltonizm, alkaptonurię, hemofilię, anemię sierpowatą, chorobę Parkinsona, pląsawicę Huntingtona i wiele innych.
-nieprawidłowości związane z mutacjami chromosomowymi.
-nieprawidłowości wywołane zmianami całego genomu ( genomopatie ). Rozróżniamy genomopatie autosomalne, do których zalicza się m.in. zespół Downa, zespół Edwarsa, zespół Patau, oraz genomopatie heterosomalne , np. zespół XXY, zespół Turnera.
Zawansowane techniki genetyczne pozwalają na określenie genów, ich lokalizację w chromosomie , w związku z tym możliwe jest dokładnie poznanie genów odpowiedzialnych za choroby genetyczne a także nowotworów. Dzięki tej wiedzy być może w przyszłości będzie możliwe unieczynnienie szkodliwych genów wywołujących chorobę.

Metody wykrywania chorób dziedzicznych.
Dzięki ogromnemu postępowi techniki i nowym odkryciom w dziedzinie genetyki możliwe jest rozpoznanie u płodu ( już we wczesnym etapie ciąży ) nieprawidłowości rozwojowe, które mogą być przyczyną chorób genetycznych. Obecnie stosowane są już tzw. testy prenatalne, czyli badania, które pozwalają na wykrycie nieprawidłowości w materiale genetycznym. W ramach testów prenatalnych wykonuje się kilka rodzajów badań, które mają na celu przedwczesne wykrycie chorób genetycznych.
Amniopunkcja, czyli amniocenteza.

Badania takie przeprowadza się jeśli istnieje podejrzenie wystąpienia genomopatii u rozwijającego się płodu. Z badaniem tym związana jest możliwość uszkodzenia płodu, w związku z tym badanie to monitorowane jest przy użyciu ultrasonografu. Istnienie , choć niewielkiego ryzyka uszkodzenia płodu powoduje , że badania to jest przeprowadzane tylko w przypadkach uzasadnionych. W badaniu tym nakłuwa się powłoki brzuszne i macicy aby móc pobrać płyn owodniowy. Żywe komórki znajdujące się w tym płynie poddawane są badaniom na oznaczenie kariotypu. Badania takie zalecane są ,jeśli któryś z członków z rodziny obciążony jest wadą genetyczną. Jednak badania te nie są skuteczne w odniesieniu do chorób poligenicznych lub determinowanych przez jeden gen.

Z płynu owodniowego , który został pobrany podczas zabiegu amniopunkcji uzyskiwany jest DNA płodu. Dzięki technikom inżynierii genetycznej , na podstawie DNA płodu można określić ilość i aktywność niektórych enzymów. Badanie to pozwala na wykrywanie niektórych chorób metabolicznych.

W badaniach prenatalnych stosuje się także ultrasonografię. Za pomocą tego badania można sprawdzić czy dziecko poprawnie rozwija się pod względem anatomicznym i morfologicznym. Badanie to jest bezpieczne dla matki i dziecka ponieważ jest nieinwazyjne.

Testy pourodzeniowe.
Do badań pourodzeniowych należy sonda molekularna. Badanie to polega na znakowaniu specyficznego odcinka DNA pierwiastkiem radioaktywnym a następnie przeprowadzeniu hybrydyzacji z DNA pobranym od pacjenta. Znakowane odcinki DNA są odpowiednikami zmienionych genów, które wywołują różne schorzenia , np. anemię sierpowatą, fenyloketonurię, chorobę Huntingtona. Hybrydy znakowanego DNA z DNA pacjenta wykrywa się za pomocą metod radiograficznych.

Dzięki badaniom, zarówno prenatalnym jak i pourodzeniowym możliwe jest wykrycie u płodu niektórych chorób dziedzicznych. Wczesne wykrycie choroby umożliwia zahamowanie rozwoju choroby a niekiedy jej wyleczenie.

Leczenie chorób dziedzicznych.
Wydaje się , że choroby genetyczne są niemożliwe do wyleczenia ponieważ determinowane są przez geny. Okazuje się jednak, że w większości przypadków choroby te są wynikiem współdziałania czynników genetycznych, etiologicznych i środowiskowych . Dlatego leczenie tych schorzeń nie opiera się jedynie na usuwaniu czynników genetycznych ale także pozostałych, modulujących przebieg choroby. A zatem sposobów leczenia schorzeń genetycznych jest wiele i niekoniecznie są w nich wykorzystywane skomplikowane techniki inżynierii genetycznej. W ramach terapii genowej stosuje się także różne zabiegi chirurgiczne, diety i inne rodzaje terapii, które znane były i stosowane od dawna, nawet przed wielkimi odkryciami genetycznymi.

Różne rodzaje terapii stosowane w leczeniu chorób genetycznych.
• Dieta eliminująca.
Polega ona na eliminacji z diety związków, które są przyczyną zaburzeń , np. eliminacja galaktozy u chorych na galaktosemii lub fenyloalaniny u chorych na fenyloketonurię.
• Dieta uzupełniająca.
Polega na zwiększonym przyjmowaniu pokarmów bogatych w określone związki chemiczne.
• Leczenie zapobiegawcze.
W ramach takiego leczenia wstrzymuje się zażywanie określonych leków lub stosuje się różne zabiegi chirurgiczne ( np. usuwanie części organu ), przykładem takiego działania jest wycięcia odcinka okrężnicy w celu zapobiegania rozwoju choroby zwaną polipowatością okrężnicy.
• Usuwanie niektórych związków z organizmu.
Przykładem jest zabieg zwany hemochromatozą , który polega na upuszczaniu krwi z organizmu w celu usunięcia nadmiaru żelaza.
• Podawanie produktu brakującego genu.
Terapię zastępczą stosuje się w przypadku hemofilii, gdzie pacjentowi podaje się czynniki krzepnięcia krwi lub u cukrzyków, którym podaje się insulinę.
• Hamowanie konkurencyjne.
Stosowane jest w przypadku nieprawidłowego działania niektórych enzymów, które prowadzi do gromadzenia się w dużych ilościach szkodliwych ubocznych produktów reakcji. W celu zapobiegania przebiegu tych nieprawidłowych reakcji podaje się związek, który jest substratem dla nieprawidłowo działającego enzymu. W ten sposób leczy się schorzenie związane z nieprawidłowym rozkładem glioszczawianu.
• Zastąpienie chorej tkanki.
W tym przypadku stosuje się przeszczepy tkanek lub narządów.
• Metody chirurgiczne.
Niekiedy należy usunąć cały organ aby zlikwidować przyczynę choroby, np. usunięcie śledziony.

Najbardziej nowoczesną metodą leczenia chorób dziedzicznych jest terapia genowa.
Terapia ta wymaga stosowania specjalnych technik genetycznych i polega na uzyskaniu genu z materiału genetycznego i włączeniu go w genom biorcy, czyli osoby cierpiącej na niedobór tego genu. Wprowadzenie "zastępczego genu " do organizmu można przeprowadzić w dwojaki sposób : kopię genu wprowadza się do somatycznych komórek organizmu lub gen przenosi się do komórek zarodkowych. Jeżeli "naprawa" genomu ma miejsce na poziomie zarodkowym , to "zdrowy allel" będzie przekazywany na następne pokolenia, a więc potomkowie osoby leczonej będą wolni od zachorowania. Terapia genowa w obrębie komórek somatycznych pozwala na naprawienie funkcji nieprawidłowo działającego allelu, jednak nie likwiduje dziedzicznego charakteru choroby.

Obecne badania dotyczące terapii genowej skupione są na razie na terapii komórek somatycznych. Naukowcy mają nadzieję, że wprowadzenie prawidłowego genu do organizmu zniweluje efekt jaki wywołuje gen o nieprawidłowej funkcji. W przypadku genowej terapii nowotworów przewiduje się, że wprowadzenie zastępczego genu do komórki docelowej spowoduje jej śmierć.
Bardzo ważne jest w tego typu terapii aby wprowadzony gen dotarł do odpowiedniej komórki, zwanej komórką docelową. Jeżeli gen wprowadza się do organizmu osoby chorej , to mamy do czynienia z terapią genową typu in vivo. Problemem terapii in vivo jest niska wydajność leczenia.

Znany jest jeszcze inny typ terapii genowej , określany jako ex vivo. Leczenie to polega na pobraniu komórek od osoby chorej i wprowadzeniu do nich genów w warunkach laboratoryjnych. Następnie zmodyfikowane komórki hoduje się w laboratorium i po określonym czasie ponownie wszczepia się je pacjentowi.

Celem wprowadzonego genu do organizmu może być komórka, zespół komórek, czyli tkanka a czasem nawet kilka tkanek.
Dużym utrudnieniem w powszechnym stosowaniu terapii genowej jest odnalezienie odpowiedniego wektora, który będzie miał zdolność przenoszenia genu terapeutycznego do komórek pacjenta. Najczęściej , jako wektory, stosowane są wirusy. Zanim wirus zostanie wykorzystany w terapii genowej, z jego genomu muszą zostać usunięte geny , które warunkują jego funkcje zakaźne. Dzięki temu wirus jest unieczynniony i nie wywołuje w organizmie pacjenta reakcji układu odpornościowego , która ma na celu jego zniszczenie.

Inaktywowane wirusy zwane są wirusami przygotowawczymi. Do skróconego genomu wirusa wprowadza się gen terapeutyczny oraz odcinki DNA odpowiedzialne z aktywację oraz prawidłowy przebieg ekspresji tego genu. Zmodyfikowany materiał genetyczny wirusa zostaje opłaszczony otoczką białkową ( kapsydem ) aby możliwe było połączenie się cząsteczki wirusa z komórką człowieka.

Dobrym materiałem wektorowym są retrowirusy - wirusy , które mają zdolność przeprowadzania transkrypcji DNA na matrycy RNA. Zaletą tego typu wirusów jest to, że mają one wyjątkową wydajność infekcyjną, tzn. atakują prawie wszystkie typy komórki, w związku z tym mogą wprowadzać do nich gen terapeutyczny. Minusem stosowania retrowirusów jako wektorów jest to, że są one zdolne jedynie do infekcji komórek dzielących się, a zatem mogą być stosowane tylko w terapii typu ex vivo.

Zdolność infekowania komórek nie dzielących się mają tzw. lentiwirusy i to one są wykorzystywane w terapii genowej typu in vivo.
Innymi typami wirusów wykorzystywanych w leczeniu chorób genetycznych są adenowirusy a także wirusy opryszczki.
Niestety każdy rodzaj wirusa wektorowego cechuje niska wydajność przenoszenia genów, wywoływanie odpowiedzi odpornościowej w organizmie pacjenta a także podobieństwo do wirusów wywołujących choroby nowotworowe. W związku z tymi wadami obecnie dąży się do rezygnacji z wektorów biologicznych , jakimi są wirusy. Prowadzone są badania dotyczące wektorowej funkcji liposomów ( zgrupowań lipidów ). Okazuje się, że mają one zdolność do przenoszenia materiału genetycznego do komórek. Dodatkowymi zaletami stosowania liposomów w terapii genowej jest to, iż mogą być wykorzystywane zarówno w terapii ex vivo jak i in vivo, oraz nie powodują one reakcji obronnej ( odpowiedzi immunologicznej )organizmu.

Obecnie stosuje się już próby terapii genowej w zwalczaniu schorzenia zwanego zwłóknieniem torbielowatym. W tym przypadku wykorzystywana jest metoda in vivo terapii z użyciem wektorów w postaci adenowirusów. Niestety terapia ta nie wykazuje dużej skuteczności ,ponieważ warstwa śluzu w układzie oddechowym stanowi poważną barierę dla wirusa a także istnieją poważne trudności w integracji wektorów z materiałem genetycznym komórek pacjenta. Poza tym istnieje niebezpieczeństwo aktywacji reakcji odpornościowej przeciwko komórkom zawierającym wirus.


Znaczenie bliźniąt w badaniach genetycznych.
Już sam Galton podkreślał istotność badań prowadzonych na bliźniętach. Obserwacje bliźniąt dają ważne informacje dotyczące zagadnień genetyki człowieka. Szczególną uwagę poświęca się obserwacji bliźniąt jednojajowych , ponieważ są on najbardziej ze sobą spokrewnione.
Bliźnięta mają bardzo zbliżony genotyp, jednak zdarza się , że różnią się między sobą fenotypowo. Na podstawie badań na bliźniętami jednojajowymi naukowcy chcą określić jak duże znaczenie na kształtowanie się fenotypu mają warunki środowiskowe. Celem naukowców jest także poznanie ekspresji cech wielogenowych.

Okazuje się, że częstotliwość występowania ciąż mnogich jest różna w obrębie różnych ras ludzkich. Najwięcej ciąż mnogich obserwuje się u rasy czarnej ( 1,4% całej populacji ) , następnie u białej ( 1,3% ) , natomiast najrzadziej występują wśród populacji rasy żółtej
( 0,8% ).

Bliźnięta dizygotyczne, czyli dwujajowe.
Bliźnięta dwujajowe powstają z komórek jajowych , które owulowały w podobnym czasie oraz zostały zapłodnione przez dwa różne plemniki. Z zapłodnionych komórek powstają dwie zygoty, z których rozwijają się zarodki osłonięte oddzielnymi błonami płodowymi. Zdarza się, że płody posiadają wspólne łożysko. Bliźnięta dwujajowe nie zawsze są tej samej płci, częstotliwość urodzeń bliźniąt o taj samej płci i bliźniąt o płci przeciwnej jest zbliżona.

Najczęściej bliźnięta dwujajowe rodzone są przez kobiety starsze. Oprócz wieku , istotnym czynnikiem zwiększającym prawdopodobieństwo urodzenia bliźniąt są uwarunkowania genetyczne. Dziedziczenie skłonności do rodzenia bliźniąt jest typowe tylko dla kobiet. Kobieta wywodząca się z rodziny, w której urodzonych było kilka bliźniąt , ma dość dużą szansę na urodzenie bliźniąt. Natomiast mężczyźni pochodzących z takich rodzin nie stają się ojcami bliźniąt częściej niż pozostali mężczyźni.
Bliźnięta monozygotyczne , czyli jednojajowe.

Bliźnięta jednojajowe rozwijają się z jednej zapłodnionej komórki jajowej. Powstała zygota, po pewnym czasie normalnego rozwoju dzieli się na kilka komórek. W zależności od tego na ile komórek podzieli się zygota, tyle zarodków zacznie się rozwijać ( z dwóch - powstaną dwojaczki, z trzech -trojaczki ). Niekiedy komórka jajowa dzieli się na więcej komórek, jednak część z nich obumiera w ciągu rozwoju.
Bliźnięta jednojajowe mogą być osłonięte osobnymi błonami płodowymi ( kosmówką i owodnią ) , podobnie jak w przypadku rozwoju bliźniąt dwujajowych. W takiej sytuacji mogą one posiadać łożysko wspólne lub oddzielne. Czasem zdarza się , że płody posiadają wspólne łożysko i kosmówkę, natomiast mają oddzielną owodnię. Istnieje jeszcze trzeci typ rozwoju bliźniąt jednojajowych , gdzie posiadają one wspólne błony płodowe i łożysko.

Genom bliźniąt jednojajowych jest identyczny ( z wyjątkiem wystąpienia mutacji somatycznych ), w związku z tym są one tak bardzo podobne do siebie, że aż trudne do odróżnienia a także zawsze są jednakowej płci.
W czasie rozwoju bliźniąt jednojajowych istnieje niebezpieczeństwo zrośnięcia się płodów. Zrośnięte bliźnięta określane są jako bliźnięta syjamskie. Istnieją różne stopnie zrośnięcia bliźniąt, od zrośnięcia warstw skórnych , tkanek do całkowitego zrośnięcia, gdzie wszystkie organy są wspólne a oddzielnie funkcjonują tylko głowy. Obecnie przeprowadzane są operacje rozdzielania bliźniąt syjamskich, jednak powodzenie tego zabiegu uzależnione jest od stopnia zrośnięcia oraz stanu zdrowia rodzeństwa. Jeżeli bliźnięta różnią się znacznie stopniem rozwoju, często prowadzi to do ich śmierci. Śmierć jednego z bliźniąt może nastąpić niezależnie od drugiego. Jeśli drugi bliźniak nie zostanie operacyjnie oddzielony od zmarłego to umrze on w przeciągu kilku godzin.
Wiek matki nie wpływa na częstość urodzenia bliźniąt jednojajowych.

Niekiedy trudne jest do określenia czy bliźnięta są jednojajowe czy dwujajowe. W tym celu stosuje się badania takie jak : porównanie cech morfologicznych dziedzicznych, badanie łożyska a nawet przeszczep fragmentu skóry między bliźniętami ( jeśli przeszczep nie jest odrzucony , to są to bliźnięta jednojajowe, jeśli dochodzi do odrzutu- bliźnięta są dwujajowe).

Badania bliźniąt jednojajowych jest szczególnie interesujące ze względu na fakt, iż posiadają one jednakowy genotyp. Mimo jednakowych genów, zdarzają się pewne różnice między bliźniętami , które prawdopodobnie spowodowane są czynnikami środowiskowymi.

Okazuje się , że poziom inteligencji bliźniąt jednojajowych jest bardzo zbliżony, nawet w przypadku, gdy wychowywane są one oddzielnie. Zjawisko to nie jest obserwowane u bliźniąt dwujajowych, nawet jeśli były one wychowywane wspólnie.