Близнецовый метод

Исследования близнецов - один из основных методов генетики человека, который используется для выяснения наследственной обусловленности изучаемых признаков.

Первая попытка использовать близнецов для решения проблемы «природа и воспитание» принадлежит основателю антропогенетики Ф.Гальтону, который в XIX веке интуитивно предугадал то, что стало научной истиной и серьёзным методом исследования лишь спустя нескольких десятилетий.

Близнецов на планете - 1, 5-2 % населения, т. е. несколько десятков миллионов человек. Среди них различают два их вида: схожие, идентичные - монозиготные близнецы (М3), и не очень похожие, как обычные родные братья и сестры - дизиготные близнецы (ДЗ).

Эмбриология и генетика показали, что монозиготные близне­цы возникают из одной яйцеклетки, оплодотворенной одним сперматозоидом, когда из зиготы вместо одного зародыша возникают два или более. Это явление называется полиэмбрионией. Вследствие того, что митотическое деление зиготы даёт два равноценных бластомера каждом из которых развивается зародыш, монозиготные близнецы являются наследственно идентичными, одного пола, а их фенотипические отличия объясняются влиянием факторов среды.

Появление МЗ близнецов - достаточно редкое явление среди человеческих популяций, особенно если близнецов более двух. МЗ близнецы - единственные люди на Земле, имеющие одинаковые наборы генов. Но такие единичные случаи известны. Так, в 1996 г. в США одна женщина после гормонального лечения от бесплодия одновременно родила пятеро детей одного пола. Это явление представляет собой пример бесполого, точнее, вегетативного размножения.

Дизиготные близнецы (ДЗ) развиваются из одновременно овулировавших разных яйцеклеток, оплодотворенных разными сперматозоидами. Это может произойти также вследствие образования двух яйцеклеток в одном фолликуле или вследствие того, что второе редукционное тельце формируется такого же размера, что и нормальная яйцеклетка. Т.к. разные яйцеклетки и сперматозоиды могут нести разные комбинации генов, то ДЗ являются наследственно настолько разными, как и дети одной супружеской пары, которые родились в разное время (сибсы). Дизиготные близнецы могут быть одного или разного пола.

В некоторых семьях отмечается наследственная склонность к рождению близнецов, причём она передаётся со стороны матери и наследуется рецессивно, сцеплено с полом.

Факторы, способствующие образованию M3 близнецов, у человека, неизвестны.

Установлено, что из общего числа близнецов рождается 75 % ДЗ и 25 % M3, т.е. в отношении 3: 1. Дизиготные близнецы могут быть как однополые (оба мальчика - 25 %, обе девочки - 25 %), так и разнополые (50 %). Если близнецы разнополые, то ясно, что они дизиготные. Но если они однополые, то не всегда легко установить зиготность близнецов (МЭ или ДЗ). Известно, что вследствие идентичности обмена МЭ близнецы характеризуются значительным сходством по многим признакам. Они всегда принадлежат к одному полу, внешне похожи, имеют одинаковую группу крови. Белки, синтезирующиеся в их клетках, оказываются одинаковыми и поэтому во время трансплантации кожи или др. органов иммунологической несовместимости не возникает.

Сегодня лучший метод диагноза близнецов - сравнение по большому количеству генетических признаков, которые имеют полную пенетрантность и не изменяются под влиянием средовых воздействий (пол, цвет волос и глаз, группы крови ABO, MN, резус, дерматологический рисунок и др.). Хотя ни один из этих признаков сам по себе не является достаточным для суждения об идентичности или не идентичности близнецов, однако, все они в сумме дают возможность для такого заключения.

С помощью близнецового метода можно изучить:

1. Роль наследственности и среды в формировании физиологических и психологических особенностей организма.

2. Коэффициенты наследуемости разных признаков.

3. Гетерогенность популяции по изучаемым генам.

4. Конкретные факторы, усиливающие или ослабляющие влияние внешней среды.

5. Роль среды в определении изменчивости признаков.

6. Корреляцию признаков и функций организма.

Для того, чтобы выяснить факт генетической обусловленности признака, а также степень его изменчивости в зависимости от среды, необходимо определить меру подобия (конкордации) и степени отличия (дисконкордации) МЗ близнецов. Так как дизиготные (ДЗ) близнецы, как и монозиготные, развиваются приблизительно в одинаковых условиях, но имеют лишь половину общих по происхождению генов, их используют как контроль.

Понятий что у МЗ близнецов конкордантность выше, чем у ДЗ близнецов, однако, степень подобия для разных признаков неодинакова. Это даёт возможность выяснить роль генотипа и среды в их проявлении.

Для объективной оценки роли наследственности в развитии признака производят расчёт по формуле Хольцингера:

Коэф. наследуемости

При Н = 1 вся изменчивость в популяции обусловлена наследственными факторами, при Н = 0 - средовыми факторами. Влияние среды (С) выражается формулой С=100 %-Н, где Н - коэффициент наследуемости. Роль наследственности и среды в развитии тех или иных особенностей организма можно выразить также и следующим уравнением:

где H/C - отношение значении влияния наследственности к влиянию среды; а - процент конкордантности у МЗ близнецов; в - 'процент конкордантности у ДЭ близнецов одного пола.

Приведём пример применения формулы Хольцингера для решения вопроса о соотношении наследственных и средовых факторов в развитии некоторых признаков. Например, конкордантность монозиготных близнецовпо определенному признаку 80%, а дизиготных близнецов по этому признаку 30%.

Тогда Н=(80-30)/(100-30)=0, 71 или 71%; С=100-71=29%

Данный признак на 71 % обусловлен наследственностью, на 29 % - влиянием среды.

Приведём другой пример. Группы крови по системе АБО у МЗ близнецов совпадают в 100 % случаев, а у ДЗ близнецов - в 40%, тогда Н=(100-40)/(100-40)=1 или100%

Коэффициент наследуемости групп крови у ДЗ близнецов = 100% т.е. полностью зависит от наследственности.

В таблице приведены имеющиеся в литературе показатели конкордантности у МЗ и ДЗ близнецов по разным наследственным и ненаследственным заболеваниям.

Табл.1. Конкордантность монозиготных (МЗ) и дизиготных (ДЗ) близнецов по некоторым заболеваниям:

По данным таблицы высокая конкордантность сама по себе ещё не свидетельствует о значительном влиянии генетические факторов на проявление болезни или на формирование предрасположенности к ней; для такого вывода необходима значительная разница между показателями конкордантности MЗ и ДЗ близнецов. Например, почти каждый ребенок может переболеть корью, и показатели конкордантности у МЗ и ДЗ близнецов по этой болезни высокие. Это говорит о том, что генетические факторы почти не оказывают влияния на формирование предрасположенности к этой болезни. Более информативным является соотношение конкордантности ДЗ и МЗ близнецов; чем выше это соотношение, тем значительнее доля генетического фактора в развитии исследуемого признака.

Таким образом, на основании близнецового метода - была установлена генетическая предрасположенность к различным болезням. Этим методом показано, что и продолжительность жизни в определенной мере определяется наследственностью.

Конкордантность у МЗ близнецов значительно выше, чем у ДЗ, при ряде психических заболеваний (шизофрения, маниакально - депрессивный психоз, эпилепсия), заболеваниях скелета (косолапость, врожденный вывих бедра), внутренних органов (врождённый стеноз привратника, расщепление верхней губы, сахарный диабет), ряде инфекционных заболеваний (инфекционный гепатит, полиомиелит, туберкулёз лёгких и др.).

Выявлена конкордантность по склонности к совершению различных асоциальных поступков (у МЗ близнецов - 70%, у ДЗ - 34 %), по коэффициенту интеллектуальности (индекс IQ), по ряду особенностей психики. Для МЗ близнецов описано много случаев одновременных заболеваний и даже смерти в один день от одой и той же причины.

Таким образом, близнецовый метод показывает, в какой степени каждый признак человека определяется генетическими факторами, а в какой - средовыми.

В 1972 г. Г. Аллен и С. Смит предложили формулу для определения степени конкордантности МЗ и ДЗ близнецов. Когда исследуются все близнецы данной местности или популяции, то парная конкордантность:

где С - количество конкордантных пар; Д - количество дискордантных пар.

Исследования близнецов показывают, что коэффициент наследуемости продолжительности жизни человека колеблется в пределах 0, 3 - 0, 4. Это значит, что на долю средовых влияний следует отнести 60 - 70 % индивидуальных различий в продолжительности жизни.

В настоящее время спорным остаётся вопрос о наследовании компонентов психических и интеллектуальных черт человека. Да основании проведения крупных исследований приёмных детей с последующим генетико - математическим анализом полученных результатов (Техасский и Колорадский проекты) было установление, что межиндивидуальная вариативность оценок общего интеллекта в значительной мере определяется генетической вариативностью. Причём реализация индивидуальной нормы реакции будет разной в разной среде, и в изменчивости интеллекта большую роль играет индивидуальная, а не общесемейная среда. К факторам индивидуальной среды, значительным для индивидуального развития, относятся и такие формальные, легко регистрируемые и стабильные показатели, как порядковыйномер рождения ребёнка, интервалы между рождениями пробанда и ближайших к нему сиблингов, пол ребёнка и т. д.

В ряде робот показано, например, что в многодетной семье имеется тенденция к снижению интеллекта с повышением номера рождения ребёнка, причём она больше выражена при малых промежутках между рождением детей; поскольку все сиблинги имеют в среднем50 % общих генов, эта тенденция не может быть следствием генетических причин.

Для объяснения этой тенденции наиболее вероятными оказались психологические гипотезы, предполагающие снижение количества и качества общения ребёнка со взрослыми и особенно при малых интервалах между рождениями - ухудшение речевой среды ребёнка.

Последнее недавно получили своё экспериментальное подтверждение (Трефилова Т.Н. Особенности речевого развития у детей из многодетных семей. Канд. дис. М., 1997), обедненная речевая среда становится причиной отставания в речевом и, как следствие, интеллектуальном развитии ребёнка. Под термином «интеллект» здесь подразумевается то его значение, которое закреплено за тестами интеллекта и, главным образом, за его суммарной оценкой. Кроме того, по данным Колорадского проекта, и межвозрастные корреляции по интеллекту (общему, вербальному, пространственному) выше в группе биологических сиблингов, чем приёмных. Это говорит о том, что и переход от одного возрастного этапа к другому контролируется скорее генетическими, чем средовыми факторами.

В целом результаты генетике - математического анализа проведенных исследований говорят о том, что в общих когнитивных способностях генетические влияния обнаруживаются вполне отчётливо, отвечая в среднем примерно за 50 % их вариативности, хотя оценки наследуемости колеблются в широких пределах - 0, 4 - 0, 8. Это означает, что от 40 до 80 % различий между людьми по этому признаку объясняется различиями между ними по их наследственности.

Отдельные когнитивные способности исследованы менее систематично. Среди субтестов IQ надёжно выделить более-менее зависящие от факторов генотипа пока не удалось, хотя намечается тенденция к большей наследуемости вербального интеллекта по сравнению с нёвербальным и, по - видимому, наиболее отчётливо генетические влияния обнаруживаются в пространственных способностях. Например, в шведском лонгитюдном исследовании близнецов 12 и 18 лет вербальные тесты обнаружили большую генетическую обусловленность, чем невербальные в 18 лет, причём с возрастом наследуемость повышается особенно отчётливо именно для вербальных способностей (с 0, 20 в 12 лет до 0, 70 в 18 лет). Выяснилось также, что, невербальные способности более чувствительны к влияниям среды. Можно предположить, что невербадьный интелект более чувствителен к каким-то особенностям среды МЗ близнецов, поскольку количество общих генов у членов всехпар в среднем одинаково - 50 %.

Показано также, что общесемейная среда, т.е. те параметры среды, которые варируют от семьи к семье, но одинаковы для членов каждой семьи и потому повышают их сходство между собой, объясняет 10-40 ' % меж­индивидуальной вариативности по общему интеллекту. Индивидуальная среда ответственна за меньшую часть дисперсии баллов IQ (10 - 30 %). Помимо общесемейной и индивидуальной среды выделяется среда, специфичная для разных вариантов внутрисемейных диад, причём её влияние на когнитивные способности различно в разных диадах. Общая тенденция такова: близнецовая среда - сиблинговая - родительско-детская - двоюродных родственников; эти типы сред объясняют, соответственно, 35, 22, 20, 11 % дисперсии. При этом влияние общесемейной среды падает к подростковому возрасту и практически исчезает у взрослых.

С помощью определённых разновидностей близнецового метода можно решать и собственно психогенетические задачи, и иные, не относящиеся непосредственно к проблеме наследственности и среды, но либо использующие близнецовые пары как информационную модель, либо изучающие их как особую популяцию (например, тестирующие гипотезу о равенстве средовых влияний в парах МЗ и ДЗ близнецов).

Основные разновидности метода: метод разлученных близнецов, семей МЗ близнецов, контрольного близнеца, близнецовой пары. Первые две позволяют решать генетические задачи, две других используются для иных целей. Последовательно разберем их.

Метод разлученных близнецов заключается в оценке внутрипарного сходства исследуемого признака у близнецов, разлученных в детстве и, следовательно, воспитывавшихся в разных средах. Наибольшую ценность представляют пары МЗ близнецов (МЗ р), разлученных в первые месяцы или годы жизни: два генетически одинаковых человека растут в разных средовых условиях; тогда их сходство, если оно констатируется, не может быть объяснено сходством среды, а получаемые корреляции, есть непосредственная мера наследуемости признака.

Метод, семей МЗ близнецов, или метод монозиготных полусиблингов, заключается в сопоставлении детей в семьях, где матери или отцы являются монозиготными близнецами. Эти дети имеют весьма своеобразный генетический статус: тётя (или дядя) с генетической точки зрения - то же самое, что мать (или отец), т. е. они, не будучи сиблингами, не являются и двоюродными братьями и сестрами, т. к. имеют только по одному генетически различающемуся родителю (полусиблинги). Главная задача, для решения которой этот вариант метода даёт ценный материал, состоит в выявлении так называемого материнского эффекта Этим термином обозначается преимущественное влияние матери на фенотип потомков, возникающее не только благодаря передаче геенов, но и по иным причинам, к которым относятся и психологические, постнатальные факторы (идентификация ребёнка с матерью, особенности их взаимодействия), и биологические, внутриутробные (состояние материнского организма во время беременности, цитоплазматическая наследственность). Наличие материнского эффекта в психологической черте должно появиться в большем сходстве детей, имеющих матерей - МЗ близнецов, по сравнению с детьми, у которых отцы - МЗ близнецы. Бъём цитоплазмы в яйцеклетке намного больше, чем в сперматозоиде, состоящем практически полностью из ядра и оболочки. Носителями наследственной информации являются, помимо ядерных и структуры, находящиеся в цитоплазме клетки - цитоплазматическая наследственность.

Помимо материнского эффекта эта экспериментальная модель позволяет более детально изучить феномен ассортативности, т.е. неслучайного подбора супружеских пар (похожи ли супруги у генетически одинаковых людей?) и сцепление с полом. В последнем случае полусиблинги - мальчики должны быть более похожими, чем монозиготы - их матери (т. к. свою единственную Х-хромосому каждый из них получит от генетически идентичных женщин), и менее похожими - если МЗ близнецами являлись отцы. У девочек полусиблингов картина должна быть обратной.

Метод контрольного близнеца основан на том, что МЗ близнецы - генетически одинаковые люди, имеющие общую эмбриональную и в обычных условиях семейную среду, являются идеальным контролем друг к другу. Если группу МЗ близнецов разделить на две выборки так, чтобы в каждую вошли по одному близнецу из каждой пары, то исследователь получит уникальную ситуацию - две выборки, уравненные и по генетической конструкции, и по средовым (общественным,) параметрам. Далее можно, например, одну группу тренировать, а др. - нет или тренировать их в разном возрасте. На основании подобных экспериментов (А.Гезеля и др.) был получен материал, свидетельствующий о зависимости эффективности обучения (двигательного и речевого) от возраста. Разница в речевом развитии, стимулированном у МЗ близнецов тренировкой в возрасте 1, 5-2 года, стерлась в течение трех месяцев. Поскольку в раннем детстве созревание существенно, определяется генетической программой, тип и темп удержания эффекта тренировки у МЗ близнецов в основном одинаковы.

Шведский исследователь А. Незлунд оценил таким методом разные способы обучения чтению и показал, что одного оптимального для всех способа нет, их эффективность зависит от уровня интеллектуального развития ребёнка.

В работах Московского медико-генетического института этот метод (5 пар МЗ близнецов 5-6 лет) тоже использован для анализа не только эффекта обучения, но и конструктивной деятельности. Показано, что обучение при помощи метода моделей эффективнее, чем простое копирование: не только улучшается сама конструктивная деятельность, но и перестраиваются другойпсихологические функции ребенка.

Метод близнецовой пары. Еще в 30-х годах у появились работы, в которых рассказывалось об особой психологической ситуации в парах близнецов, «особом эффекте пары». Основными характеристиками этой особой психологической ситуации являются две борющиеся тенденции: к идентификации со своим со - близнецом и, наоборот, к индивидуализации каждого члена пары. Первая приводит к ощущению себя сначала членом пары и лишь затем - отдельной личностью; вторая может привести к выраженным конфликтным отношениям близнецов, своеобразному протесту против второго такого же. С возрастом первая тенденция обычно ослабевает, уступая место второй, причём у близнецов - мужчин данный процесс происходит легче, чем у женщин. Роли «старшего» (родившегося первым) и «младшего», ведущего и ведомого, формируют различия в психологическом облике близнецов.

С помощью этого варианта метода решаются три задачи:

1) пара генетически идентичных МЗ близнецов может быть хорошей моделью для изучения процессов индивидуализации, влияния конкретных средовых (внутрипарных и семейных) факторов на формирование тех или иных психологических черт и т. д.;

2) изучается валидность самого близнецового метода, и постулата о равенстве средовых влияний в парах МЗ и ДЗ близнецов, а также вопроса о том, репрезентативнали среда близнецов среде, в которой развиваются одиночнорожденные дети. Если условия развития и жизни близнецов высоко специфичны, имеют собственные, только им присущие закономерности, то близнецы престают быть выборной, репрезентативной общей популяции, и не могут быть использованы для изучения общих закономерностей.

3) чрезмерная, не компенсируемая идентификация себя со своим со-близнецом, или пары как целого, приводящая к отсутствию личной идентичности, может стать причиной формирования личностных черт, затрудняющих социальную адоптацию и в детстве, и во взрослом возрасте. Поэтому изучение специфических психологических характеристик близнецовой пары необходимо и для проведения консультационной работы с родителями, имеющими детей - близнецов.

По данным близнецовых исследований можно провести не только количественную оценку сравнительной роли генетических и негенетических влияний на какой-либо признак, но и оценку силы внешнего воздействия. В общем здесь сравниваются возможности трёх групп близнецов: ДЗ в одинаковых условиях, МЗ в одинаковых условиях, МЗ в разных условиях. Так, на основании этого метода было показано, что УФ - облучение при рахите и бронхоадените нецелесообразно. Этим же методом была установлена корреляция между различными признаками и функциями человека.

Изучение раздельно воспитанных и живущих в разных условиях среды монозиготных близнецов показало, что размеры скелета, скорость роста головы меняются мало, вес меняется больше, а психологические свойства ещё больше.

Близнецовый метод может быть использован для проверки эффективности лечения при разных заболеваниях, а также при изучении экспрессивности и пенетратности генов, вызывающих наследственные заболевания.