اطلاعات کامل ژنتیکی یک فرد، ژنوم نامیده می شود. ژنوم متشکل از ساختارهایی به نام کروموزوم ها می باشد که شامل زنجیره های دوگانه بسیار بلند DNA می باشند. هر سلول انسان دارای 23 جفت کروموزوم است. نیمی از هر جفت از مادر و نیم دیگر از پدر به ارث رسیده است. بیست و دو مورد از 23 جفت کروموزوم، اتوزوم نامیده می شوند و جفت دیگر متشکل از کروموزم های جنسی X و Y است. کروموزم های جنسی، جنسیت فرد را مشخص می کنند؛ مردان نرمال دارای یک کروموزم X و یک کروموزم Y هستند، در حالیکه زنان نرمال دارای دو کروموزم X می باشند.

کروموزم ها در بخشی از سلول واقع شده اند که هسته سلولی نامیده می شود. زنجیره دراز و دوگانه DNA (که گاها DNA هسته ای نامیده می شود) و در هر کروموزم وجود دارد و دارای واحدهای اطلاعات ژنتیکی است که هر یک از این واحدها با عنوان ژن هستند. ژن ها از نوکلئوتیدها تشکیل شده اند که متشکل از فسفات ها، یک قند و یک باز حاوی نیتروژن هستند. چهار باز در DNA وجود دارد: آدنین، گوانین، تیمین سیتوزین. تفاوت در ساختار ژنتیکی هر فرد ناشی از تفاوت در قرارگیری این بازها بر روی هر کدام از زنجیره های DNA است. از نظم و قرارگیری بازها در هر ژن برای تولید RNA استفاده می شود که موجب تولید پروتئین خواهد شد. در حدود 30 هزار تا 50 هزار ژن در ژنوم انسانی وجود دارد و رفتار این ژن ها منجر به تولید تعداد زیادی از پروتئین هایی می شود که بدن ما را تشکیل می دهند.
یک بخش کوچکی از DNA نیز وجود دارد که در هسته سلولی واقع نشده بلکه در میتوکندری سیتوپلاسم هر سلول واقع شده است. میتوکندری ها ساختارهای سلولی بسیاری مهمی هستند که در عملکرد اصلی سلول ها وجود دارند و دارای بخش حلقوی DNA خود می باشند. این DNA با عنوان DNA برون هسته ای یا DNA میتوکندری نامیده شده و موجب تولید پروتئین هایی می شود که توسط میتوکندری ها برای عملکرد مناسب مورد نیاز هستند.
ژنوتیپ یک شخص، هویت ژنتیکی آن شخص (ترکیب خاص ژن ها که آنها در سلول های خود دارند) را تشکیل می دهد.
این اطلاعات از نظر ظاهر خارجی مشخص کننده اطلاعات نیستند. مشخصه ها یا ویژگی های قابل مشاهده مثل رنگ مو یا قد، به عنوان فنوتیپ فرد لحاظ می شوند. فنوتیپ تجلی فیزیکی ژنوتیپ است. فنوتیپ افراد متفاوت است زیرا ژنوتیپ آنها با هم تفاوت دارد. با اینکه ژنوتیپ های انسان از بسیاری جهات شبیه هم هستند، تفاوت های جزئی موجب منحصر بفرد بودن افراد هم از نظر ظاهر و هم ساختار ژنتیکی می شود. این تفاوت ها، پلی مورفیسم نامیده می شوند.
پلی مورفیسم های ژنتیکی در هر دوی DNA هسته ای و DNA میتوکندری به تشخیص ما بعنوان یک فرد انسانی کمک می کند. گاها و نه همیشه، این تفاوت ها در ژنوتیپ ما مرتبط با بیماری یا عدم توانایی ما برای سوخت و ساز داروها بطور طبیعی است. این انواع پلی مورفیسم با عنوان تغییرات ژنتیکی یا جهش نامیده می شوند و این جهش ها یا ارثی بوده و یا خودبخود رخ می دهند. برخی از این جهش های ژنتیکی در طی زمان و در تلاش برای حفاظت از ما در برابر بیماری ها رخ داده است. این جهش ها و تغییرات در بخش وضعیت ها یا بیماری های خاص که دارای یک جزء ژنتیکی هستند (مثل سیستیک فیبروزیس) بحث خواهد شد.گاها فقط یک نوکلئوتید در یک ژن متفاوت است و این به عنوان پلی مورفیسم تک نوکلئوتیدی خوانده می شود. این موضوع با جزئیات کامل در بخش آزمایشات ژنتیک بالینی بررسی خواهد شد. لازم به یادآوری است که همه تغییرات یا جهش های ژنتیکی نامناسب یا منجر به بیماری نخواهند شد.
الگوهای وراثت
روش های مختلفی وجود دارد که در آن یک پلی مورفیسم های یک فرد بصورت ارثی حاصل می شود. این ها با عنوان "الگوی وراثت" خوانده شده و منجر به انتقال پلی مورفیسم یا جهش از یک نسل به نسل بعد می شوند.
یک الگو با عنوان اتوزومال غالب نامیده می شود که در آن انتقال یک نسخه از یک ژن بر روی یکی از کروموزوم های اتوزومی برای ایجاد یک ویژگی خاص ظاهری (مثل رنگ چشم یا یک بیماری خاص) کافی است. این ژن ممکن است بصورت ارثی از مادر یا پدر فرد منتقل شود. افراد دارای ویژگی یا بیماری اتوزوم غالب، دارای شانس 50-50 از انتقال ژن پلی مورفیک به کودکان خود هستند. مثالهای ویژگی های اتوزومی، چشم های قهوه ای و توانایی لوله کردن زبان است؛ موارد بیماری های غالب اتوزموی، افزایش کلسترول خون ارثی و بیماری هانتینگتون می باشد.
مفهوم غیرعادی ژن های غالب با عنوان حالت غالب مشترک است که در آن ژن ها بر روی هر دو کروموزم باهم بروز می کنند. یک مثال از این مورد، گروه خونی AB است که در آن پروتئین آنتی ژن A و پروتئین آنتی ژن B هر دو بر روی گلبول های قرمز فرد قرار می گیرند.
الگوی دوم از وراثت با عنوان اتوزوم نهفته می باشد و مستلزم به ارث رسیدن دو نسخه جهش یافته از یک ژن (یک نسخه از مادر و نسخه دیگر از پدر) است تا ویژگی ظاهری در فرد بروز کرده یا بیماری توسعه یابد. اگر فرد فقط یک نسخه از ژن های جهش یافته را به ارث ببرد، وی بیماری را توسعه نخواهد داد بلکه در عوض حامل آن خواهد بود (مثل والدین خود) و می تواند این ژن جهش یافته را به کودکان خود منتقل کند. یک مثال از اتوزومی نهفته، چشمان آبی است؛ مثال هایی از بیماری اتوزومی نهفته شامل سیستیک فیروزیس، کم خونی سلول داسی شکل و هموکروماتوزیس می باشد.
الگوهای وراثتی نیز وجود دارند که در آن ژن جهش یافته بر روی کروموزم جنسی X یا Y قرار می گیرد و این الگوهای وارثت مرتبط با جنس می باشند. با بیماری های نهفته مرتبط با کروموزم X، یک زن ژن غیرعادی را بر روی یکی از دو کروموزم X خود حمل می کند، اما بدلیل اینکه او دارای یک نسخه نرمال از ژن است، تحت تأثیر قرار نمی گیرد. با این حال، از آنجاییکه مردان فقط یک کروموزم X دارند، یک نسخه غیرعادی از ژن نهفته بر روی کروموزم X یک مرد (که از مادر منتقل شده)، برای ابتلای به بیماری کافی است. مثالها شامل دیستروفی عضلانی داشن (Duchenne) و هموفیلی است. اگر یک بیماری مرتبط با X باشد، یک ژن غیرعادی بر روی کروموزم X می تواند موجب توسعه آن بیماری شود و دراین صورت یک زن متاثر از وضعیت شده و این بیماری معمولا در مردان کشنده است. این یک الگوی نادر از وراثت است.
لازم به ذکر است DNA میتوکندری (DNA برون هسته ای) فقط از مادران ما به ارث می رسد. این ما عنوان "حالت مادری" وراثت نامیده می شود.
عوامل بسیاری وجود دارد که می تواند موجب ابهام یا پیچیده تر شدن الگوهای وراثت شوند. این عوامل بر روش به ارث رسیدن یا بروز یک ژن در فرد تاثیرگذار هستند.

آزمایش ماده ژنتیکی

آزمایش ماده ژنتیکی بر روی نمونه های مختلفی مثل خون، ادرار، بزاق، بافت های بدن، استخوان یا مو انجام می شود. سلول های موجود در این نمونه ها جدا شده و نوکلئیک اسید های (DNA یا گاها RNA) موجود در آنها استخراج شده و از نظر جهش ها یا تغییرات احتمالی مورد بررسی قرار می گیرند. بررسی بخش های کوچکی از DNA درون یک ژن مستلزم بررسی های آزمایشگاهی تخصصی و خاص است. این آزمایش برای تعیین موقعیت دقیق خطاهای ژنتیکی انجام می شود. این بخش بر بررسی ژن های یک فرد از نظر بروز بیماری خاص، متمرکز می شود.
چهار دلیل عمده وجود دارد که ماده ژنتیکی به دلایل بالینی بررسی شود. آزمایش فرضی، وجود یک ژن جهش یافته را حتی در صورتیکه ناهنجاری های ژنتیکی مرتبط با بیماری در یک فرد وجود نداشته باشد، مشخص می کند. آزمایش ژنتیکی تشخیصی بر روی افراد دارای علائم و نشانه های حاکی از یک بیماری ژنتیکی انجام می شود. این به پزشک در انجام تشخیص دقیق کمک خواهد کرد.
آزمایش ماده ژنتیکی را نیز می توان بعنوان ابزار غربالگری قبل از تولد برای کمک به ارزیابی این نکته به کار می رود که آیا دو فرد (والدین) دارای یک ژن اتوزومال یا نهفته مرتبط با X هستند که در زمان ترکیب در کودک، موجب بروز یک اختلال جدی در آن کودک می شود. این نوع از آزمایش ژنتیکی با عنوان غربالگری حامل نامیده می شود. ماده ژنتیکی جنین هایی که درون رحم رشد می کنند را نیز می توان از نظر وضعیت سلامتی و در صورت خطرناک بودن وضعیت آنها می توان ارزیابی کرد.
برای بررسی DNA برای دلایل پزشکی، برخی از انواع مواد سلولی نیاز است. این ماده را می توان از خون، ادرار، بزاق، بافت های بدن، مغز استخوان، مو و غیره بدست آورد. این ماده را می توان با استفاده از لوله پزشکی، نمونه گیر یا در یک ظرف یا بصورت فریز شده ارائه کرد. اگر آزمایش به RNA نیاز داشته باشد، همان مواد را می توان را استفاده کرد. بعد از اینکه این مواد به آزمایشگاه رسید، سلول ها از مواد دیگر موجود جدا شده و DNA در هسته جدا و استخراج می شود.
متخصصین آزمایشگاهی که این آزمایشات را اجرا و تفسیر می کنند، پزشکان و دانشمندان متخصص و آموزش دیده هستند. DNA استخراج شده به روش های مختلف دستکاری می شود تا آسیب شناس مولکولی یا متخصص ژنتیک در مورد بخش های از دست رفته یا جهش یافته که عامل بیماری است، تحقیق و بررسی نمایند. یک نوع از دستکاری، برش DNA به بخش های کوچک با استفاده از آنزیم های خاصی است. آزمایش و بررسی این بخش های کوچک از زنجیره های بلند DNA آسان تر می باشد. دستکاری دیگر، آغشته کردن DNA استخراج شده و برش داده شده با ژل آگاروز و اعمال میدان الکتریکی به این ژل و بررسی نحوه حرکت DNA بر روی ژل است. این می تواند نشانگر تفاوت هایی در اندازه بخش های برش خورده DNA باشد که ممکن است ناشی از جهش های خاصی باشد.
دستکاری های دیگر، تکثیر، تعیین مرحله یا روش خاصی به نام هیبریدیزاسیون است. زمانی که نتایج این آزمایشات بررسی شد و با نتایج حاصل از یک فرد نرمال مقایسه شد، امکان مشاهده تفاوت ها در ژن های عامل بیماری وجود خواهد داشت.

بیماری های ژنتیکی خاص
بیماری های زیادی وجود دارند که ناشی از تغییرات در DNA می باشند. این تغییرات می توانند ارثی باشند یا بطور خودبخود رخ دهند. موارد مختلفی ممکن است با ژن های سازنده DNA هماهنگ نباشند و منجر به بیماری شوند. بخش زیر در مورد آنچه که می تواند برای DNA و بویژه ژن ها رخ دهد و منجر به بیماری شود، بحث می کند.

تغییرات و جهش ژنتیکی
تمامی تغییرات ژنتیکی یا پلی مورفیسم ها ناشی از فرآیند جهش هستند. تغییرات ژنتیکی گاها در طی فرآیند تقسیم سلول سوماتیک (میتوز) رخ می دهند. تغییرات ژنتیکی دیگر می توانند در طی میوز (چرخه تقسیم که یک سلول اسپرم یا تخمک وارد آن می شود) رخ دهند. برخی از تغییرات از نسل های دیگر منتقل می شوند و در طی سالها تغییرات زیادی را به موارد موجود اضافه می کنند. گاها این جهش ها موجب بیماری می شوند، در زمان های دیگر تاثیر قابل توجهی وجود ندارد. تغییرات ژنتیکی را می توان به گروه های مختلف طبقه بندی کرد: تغییرات ژنتیکی پایدار، تغییرات ژنتیکی ناپایدار، تغییرات ژنتیکی خاموش و انواع دیگر.
تغییرات ژنتیکی پایدار ناشی از تغییرات خاص در نوکلئوتیدهای منفرد می باشد. این تغییرات با عنوان پلی مورفیسم های نوکلئوتید منفرد یا SNP نامیده شده و می توانند شامل موارد زیر باشند:
1. جانشینی که در آن یک نوکلئوتید جایگزین دیگری می شود
2. حذفیات که در آن یک نوکلئوتید منفرد از بین می رود
3. ضمیمه شدن که در آن یک یا چند نوکلئوتید به یک ژن ضمیمه می شوند
اگر SNP موجب شود تا یک آمینواسید جدید ساخته شود، جهش میسنس (missense) نامیده می شود. یک مثال از این مورد کم خونی سلول داسی شکل است که در آن یک نوکلئوتید جانشین دیگری می شود. تغییر ژنتیکی در ژن موجب اضافه شده آمینواسید متفاوت به یک پروتئین می شود و منجر به عدم کارکرد مناسب پروتئین و داسی شدن سلول ها و عدم انتقال اکسیژن می شود.
تغییرات ژنتیکی ناپایدار زمانی رخ می دهند که یک زنجیره نوکلئوتیدی موجب تکرار خودش می شود. این با عنوان "تکرار" نامیده شده و اغلب نرمال است، با این حال، اگر تعداد این تکرارها بسیار زیاد شود، با عنوان تکرار بسط یافته است و علت بسیاری از بیماری های ژنتیکی است. یک مثال از بیماری ناشی از تکرار بسط یافته، بیماری هانیتنگتون است (اختلال شدید بخشی از مغز که با دمانس مشخص می شود، هیدروسفالی و حرکات غیرعادی مشخص می شود.)
تغییرات ژنتیکی خاموش مواردی از جهش ها یا تغییرات در یک ژن هستند که محصول پروتئینی آن ژن را تغییر نمی دهند. این جهش ها به ندرت منجر به بیماری می شوند. انواع دیگر تغییرات زمانی رخ می دهند که کل ژن در بخشی از ژنوم یک فرد تکثیر می شود. زمانیکه این وضعیت رخ دهد، نسخه های دیگر از ژن موجود بوده و موجب تولید پروتئین های دیگر می شود. این وضعیت در اختلالی که بر اعصاب محیطی اثرگذار است مشاهده شده و بیماری نوع 1 Charcot-Marie-Tooth نامیده می شود. برخی از تغییرات در بخش خاصی از ژن رخ می دهد که زمانیکه DNA به RNA نسخه برداری می شود، آن را کنترل می نماید. هنگامیکه زمانبندی تولید پروتئین از بین می رود، منجر به کاهش تولید پروتئین خواهد شد. تغییرات دیگر شامل نقص در یک ژن است که پروتئین اصلاح گر DNA را در سلول های ما می سازد. این تغییر می تواند منجر به انواع زیادی از بیماری ها مثل سرطان روده و یک بیماری پوستی به نام xeroderma pigmentosum می شود.

بررسی و آزمایش محصولات ناشی از رفتار ژنتیکی
بیشتر اختلالات ارثی بطور غیرمستقیم و با بررسی ناهنجاری ها در تولیدات نهایی ژنتیکی (پروتئین ها یا مواد حاصل از تجزیه) مشخص می شوند که در شکل یا مقادیر غیرطبیعی موجود هستند. طبق موارد مذکور، ژن ها تولید هزاران پروتئین را کدگذاری می کنند و اگر در این کدها خطایی رخ دهد، تغیرات می توانند منجر به تولید آن پروتئین ها شوند. بنابراین، به جای شناسایی مشکل در ژن، برخی از انواع آزمایشات یافته های غیرطبیعی مرتبط با پروتئین ها (مثل عدم حضور آنها) بررسی می کنند.
یک مثال از آزمایش تولیدات ژنتیکی شامل موارد گسترده مورد استفاده برای غربالگری نوزادان تازه متولد شده برای اختلالات مختلف است. برای مثال، نوزادان تازه متولد شده به منظور اختلال فنیل کتونوری (PKU) مورد بررسی قرار می گیرند، که این مورد یک اختلال متابولیک نهفته اتوزومال ارثی است که ناشی از تغییر در یک ژن می باشد که آنزیم خاصی را برای تجزیه یک نوع آمینواسید به نام فنیل آلانین می سازد. زمانیکه مقادیر زیادی از این ماده در خون تجمع کند، در صورت عدم درمان در سنین پایین با یک رژیم خاص و محدود، می تواند موجب عقب ماندگی ذهنی شود. این آزمایش از نمونه خون گرفته شده از پاشنه پای کودک برای بررسی وجود فنیل آلانین اضافی، به جای بررسی خود ژن جهش یافته، استفاده می کند. موارد دیگر شامل آزمایشات خون برای کم کاری تیروئید مادرزادی (با تشخیص مقادیر پایین یا نبود هورمون تیروئید در خون) و هایپرپلاسی غده فوق کلیه مادرزادی (یک بیماری ژنتیکی که موجب کاهش هورمون کورتیزول در خون می شود) است. بطور مستمر، آزمایشات غربالگری خون غیرطبیعی در نوزادان تازه متولد شده ممکن است با آزمایشات ژنتیکی افزایش یابد (برای مثال در سیستیک فیبروزیس).