background image

 

MEDICAL GENETICS 

Basic concepts for Medical Students 

Aims: 

Every medical student should be aware of the impact of hereditary, genetic and other 
related  disorders  as  they  constitute  a  big  burden  on  health  care  providers.  Although 
not all of them are common, as some are rare, collectively they cause a great deal of 
morbidity and mortality as well as difficulty in diagnosis in many occasions. 
 

Learning objectives: 

By the end of this chapter, the student must be able to: 

1.  Classify genetic disorders (including birth defects). 
2.  Know anatomy, physiology and pathology of chromosomes and genes, i.e. the 

basis of each class (on subcellular or molecular level). 

3.  How each type produces the signs and symptoms  disease or syndrome. 
4.  What is meant by autosomal, sex-linked, recessive, dominant and how they are 

produced. 

5.  Birth defects: causes, types, and classification, with examples. 
6.  Basis of genetic counseling. 
7.  Main tests available, indications and interpretation of their results. 

 

BEFORE YOU START THIS CHAPTER, 

PLEASE REVIEW YOUR 

BIOLOGY, EMBRYOLOGY, AND BIOCHEMISTRY 

in relation to: 

 

1.  Mitosis and meiosis including all steps and stages. 
2.  RNA and DNA and chromosome structure, DNA transcription & translation, 

cell cycle, patterns and laws of inheritance (Mendel's Laws). 

3.  Symbols of family pedigree 
4.  Notes on DNA repair system. 
5.  Protein  structure,  synthesis,  types  (enzymes,  hormones,  etc.)  and  their 

functions, etc. 

6.  Normal development from fertilization till birth (Review your embryology). 

 

NOTE: What is found in BETWEEN BRACKETS AND IN GREEN is NICE TO 
KNOW, the rest is essential to know, i.e. not knowing it fails you. 

 

IN  THIS  CHAPTER,  YOU  ARE  GOING  TO  STUDY  THE  FOLLOWING 
TOPICS: 

1.  Introduction  to  genetic  disorders  "genetic  vs.  acquired  disorders  + 

Significance  of  genetic  disorders  "statistics  about  incidence  and  impact  on 
health  care  providers"  +  what  makes  genetic  and  inherited  disorders 
different  from  other  disorders?  "History,  physical  examination,  family 
History, probabilities and recurrence". 

2.

  Classification of genetic disorders. 

3.

  Genetic basis of disease: 

a.  Chromosomal disorders + examples 
b.  DNA mutations + examples  
c.  Multifactorial disorders + examples 

d.  (Non-classical genetic disorders). 

4.  Features  of  AD,  AR,  X-linked 

(and  mitochondrial  inheritance)

  with  their 

particular family pedigree. 


background image

 

5.  Teratogenesis  &  congenital  malformation  (birth  defects)  with  clinically 

important examples. 

6.  Prenatal diagnosis & Genetic counseling
7.  Basics  of  genetic  testing  (principles,  indications,  clinical  significance,  and 

interpretation of results): 

a.  Chromosomal study,  
b.  In-situ hybridization and  
c.  Molecular study (PCR)  

 

8.  You  may  encounter  the  following  topics  (and  more)  in  your  future  clinical  study; 

they  have  a  great  deal  of  genetic  basis  and  are  good  examples  to  understand  and 
correlate with what you'd known in this chapter: 

a.  Mental retardation  
b.  Growth retardation  
c.  Abnormal sexual differentiation / genital ambiguity  
d.  Approach to a child with coarse features  
e.  Approach to a child with a major or minor malformation]. 
f.  Antenatal care for mothers and unborn babies especially for high risk group.  
g.  Radiological signs in prenatal Dx (US, MRI, CT, etc.) 
h.  How to inform a family about their child with inherited disorders 
i.  Genetics as an integral part of all medical specialties. 

 

9.   Advances in molecular biology testing and their clinical applications [gene therapy, 

DNA  recombination,  stem  cells,  and  modern  diagnostics:  real-time  PCR  (RT-PCR), 
microarray,  comparative  genomic  hybridization  (CGH),  etc.] 

  are  nice  to  know 

topics that seem promising in the coming years. 

 

References: 

1.  Elements of medical genetics. By Emery & Rimoin, 2010. 
2.  USMLE road map: Genetics. BY George H. Sack, 2008 (or later). 
3.  Medical cytogenetics. By Hon Fong L. Mark, 2000. 
4.  An  Introduction  to  Human  Molecular  Genetics:  Mechanisms  of  Inherited  Diseases, 

Second  Edition.  By:  Jack  J.  Pasternak,  University  of  Waterloo,  Ontario,  Canada, 
2005. 

5.  Other references & websites as referred to in place. 
6.  Just  google  your  keyword(s)  and  find  out  what  you'll  get!!  You'll  find  a  lot  of 

interesting information. I promise. 

 

My advices to you: 

•  You may find this chapter non-orthodox. I hope you enjoy it as much as you 

benefit from it. 

•  The  chapter  may  seem  lengthy,  but  many  paragraphs  are  explanatory  and 

meant to make you understand an idea, and not intended to be memorized. 

•  Always return to your photos on the CD obtained from the dept. of pathology 

when studying this chapter. 

•  Do not hesitate to ask at any time (preferably after the lab. Time). 
•  Always  return  to  your  basic  knowledge  here  "and  go  to  other  references" 

when you encounter a disease with a genetic basis in your clinical years and 
after graduation.  

•  Your  questions  &  feedbacks  are  most  welcome  /  send  emails  to 

(

abmsadik@yahoo.com

) Dr. Bassam Musa Sadik. I'll do my best to assist. 


background image

 

What is meant by Medical Genetics? 

Medical  genetics is  the  specialty  of medicine that  involves  the  diagnosis  and 

management

 

of hereditary  disorders,  i.e.  it  refers  to  the  application  of  genetics  to 

medical care. So, diagnosis, management, and counseling of individuals with genetic 

disorders as well as research on the causes and inheritance of genetic disorders would 

be considered part of medical genetics.  

Genetic  medicine is  a  newer  term  for  medical  genetics  and  incorporates  areas  such 

as gene  therapy, personalized  medicine,  and  the  rapidly  emerging  new  medical 

specialty, predictive medicine. 

Various specialties within medical genetics are interrelated: 

1.  Clinical Genetics. 
2.  Cytogenetics. 
3.  Molecular Cytogenetics. 
4.  Molecular Genetics  
5.  Human genetics, molecular biology, genetic engineering, or biotechnology. 

 

Introduction: 

 
Human diseases in general, whether medical or surgical, can roughly be classified into 
three categories: 

1.  Those that are genetically determined. 
2.  Those that are almost entirely environmentally determined. 
3.  And those to which both nature and nurture contribute. 

However,  progress  in  understanding  the  molecular  basis  of  many  so-called 

environmental disorders had tended to blur these distinctions. At one time, microbial 
infections  were  cited  as  examples  of  disorders  arising  wholly  from  environmental 
influences,  but  it  is  now  clear  that  to  a  considerable  extent,  an  individual's  genetic 
makeup  influences  his  or  her  immune  response  and  susceptibility  to  microbiologic 
infections. 

Despite the complexities of this nature-nurture interplay, there is little doubt that 

nature  (i.e.  the  genetic  component) plays  a  major,  if  not  the  determining, role  in  the 
occurrence  and  severity  of  many  human  diseases.  Such  disorders  are  far  more 
frequent than is commonly appreciated (which represents only the tip of the iceberg).  

•  Around 20% of pediatric in-patients suffer from disorders of genetic origin. 
•  Up to 50% of spontaneous abortuses during the early months of gestation have 

a  demonstrable  chromosomal  abnormality;  there  are,  in  addition,  numerous 
smaller  detectable  errors  and  many  others  still  beyond  our  range  of 
identification.  

•  About 1% of all newborn infants possess a gross chromosomal abnormality.  
•  Approximately 5% of individuals under age 25 develop a serious disease with 

a significant genetic component. 

 
Only  those  mutations  compatible  with  independent  existence  constitute  the 

reservoir of genetic diseases in the population. 
 
 

 


background image

 

Classification of Genetic disorders (important): 

1.

  Classical Genetic Diseases: 

a.  Chromosomal (Cytogenetic) disorders. 
b.  Single gene (or unifactorial) disorders (Mendelian Disorders). 
c.  Multifactorial disorders. 

2.

  Non-Classical Diseases "or the single gene disorders with atypical pattern 

of inheritance": 

a.  Diseases caused by mutations in mitochondrial genes. 
b.  Triplet repeat mutations. 
c.  Uniparental disomy.  
d.  Genomic imprinting. 
e.  Gonadal mosaism. 

Added  to  that,  is  a  large  group  of  disorders  "malformations"  that  manifest  at 

birth,  called  congenital  malformations,  that  many  of  them  are  caused  by  genetic 
disorders. 

 

 

Genetic / Hereditary Disorders 

1. Classical Genetic Diseases 

A. Chromosomal Disorders:  

Review of what you've already known: 
Normal  human  nucleated  cells  contain  46  chromosomes  arranged  in  22 

homologous  pairs  of  autosomal  chromosomes  in  addition  to  one  pair  of  sex 
chromosomes that could be similar (i.e. XX) or different (i.e. XY). This arrangement 
into pairs, based on the position of the centromere and on the length of the upper and 
lower arms of the chromosomes, is known as the Karyotype (Figures 6-1, 2 photos). 

It  is  estimated  that  about  1  of  200  newborn  infants  has  some  form  of 

chromosomal abnormality. The figure is much higher in fetuses that do not survive to 
term. Cytogenetic (also called karyotypic) disorders may result from alterations in the 
number or structure of chromosomes and may affect autosomes or sex chromosomes. 
So, they could either be Numerical or Structural

 

A.  Numerical  abnormalities

  are  defined  as  a  gain  or  loss  of  one  or  more  whole 

chromosome(s)  (whether  an  autosome  or  a  sex  chromosome)  or  a  whole  set  of 
chromosomes.  

The normal chromosome count is 46 (i.e. 2n = 46) as it is arranged in two sets of 

chromosomes. An exact multiple of the haploid number (n) is called euploid (normal 
state). Any number that is not an exact multiple of the haploid (n) is aneuploid, and it 
is one of the commonest changes that take place in malignant tissues.  

A  gain  of  one  or  more  set  of  chromosomes  is  known  as  polyploidy.  This 

polyploidy may be triploidy when cells  have (3n) or tetraploidy when the cells have 
(4n).  Polyploidy  generally  results  in  spontaneous  abortions.  It  results  from  a 
pathological  condition  known  as  endoreduplication  i.e.  when  there  is  failure  of 
cytoplasmic division that should follow the nuclear division and therefore the original 
duplicated two sets will remain in one cell.  

A  gain  of  one  chromosome  is  a  state  known  as  trisomy,  e.g.  trisomy  of  some 

autosomal chromosomes such as chromosome 21 is called Down’s syndrome, trisomy 
18  is  called  Edward’s  syndrome,  trisomy  13  is  called  Patau’s  syndrome.  Other 
autosomal  trisomies  are  not  very  frequent.  Trisomy  of  the  sex  chromosome  is 
exemplified by Klienfelter's syndrome in male (XXY) and triple X (XXX) syndrome 


background image

 

in  female,  while  a  loss  of  one  chromosome  is  called  monosomy.  All  trisomies  and 
monosomies are by definitions (aneuploidies). 

A  gain  or  loss  in  the  sex  chromosomes,  especially  the  X-chromosome,  is 

compatible  with  life  and  is  relatively  common;  while  the  loss  of  an  autosomal 
chromosome is usually non-compatible with life
 and a fertilized ovum carrying such 
a  karyotype  could  not  sustain  pregnancy  to  full  term  and  are  usually  lost  early  in 
pregnancy, i.e. abortion. Monosomy of sex chromosome in a female is called Turner’s 
syndrome (45 XO).  

The  chief  cause  of  aneuploidy  (and  thus  trisomy  and  monosomy)  is  non-

disjunction  of  a  homologous  pair  of  chromosomes  at  the  1

st

  meiotic  division  or  a 

failure of sister chromatids to separate during the 2

nd

 meiotic division. The latter may 

also  occur  during  somatic  cell  division,  leading  to  the  production  of  two  aneuploid 
cells. Instead of two homologous chromosomes separating and moving into opposite 
poles of the dividing cell, both move to the same pole so that one cell receives both 
and  the  other  receives  neither.  The  same  may  happen  to  the  sister  chromatids  in 
mitosis.  

(what is the other less common cause of aneuploidy? 

 find out) 

 
Fertilization  of  such  gametes  by  normal  gametes  from  the other  partner  would 

result  in  two  types  of  zygotes:  trisomic,  with  an  extra  chromosome  (2n+1),  or 
monosomic (2n-1). 

A  post-zygotic  mitotic  non-disjunction  would  result  in  the  production  of  a 

trisomic  and  a  monosomic  daughter  cell;  the  descendants  of  these  cells  would  then 
produce  a  mosaic.  Mosaicism  affecting  sex  chromosomes  is  common,  whereas 
autosomal mosaicism is not. 

(How can you define mosaicism?) 

 

B. Structural abnormalities:  

In  this  case,  the  cell  has  a  normal  number  of  46  chromosomes  but  they  are 

morphologically or structurally abnormal.  

All chromosomes in a normal human karyotype have a long lower arm (known 

as  q  arm) and  a  shorter upper  arm  (known  as  the  p  arm), so  that  the  centromere  is 
located at different levels in between (Figure 2). 

The human karyotype is divided into various groups of chromosomes according 

to the ISCN (International System for Chromosomal Nomenclature) (See Figure 1-1 
photo 2). 

X  chromosome  is  included  within  group  C,  while  Y  chromosome  is  included 

within group G. 

Group D & G chromosomes are called acrocentric chromosomes as they have a 

short  arm  with  very  small  amount  of  DNA  connected  to  the  centromere  by  a  very 
slender thread, giving it a satellite or antenna-like appearance. Even when this satellite 
is lost, no abnormality appears. 

 
Structural abnormalities usually result from chromosomal breakage followed by 

loss or rearrangement of material. 

They are of different types as follows: 

1. DELETION: involves loss of a piece of a chromosome that could be either: 
i. Terminal, in which, there is one break in the chromosome and the portion distal to 

this  break  is  lost.  This  lost  piece  could  be  carrying  important  genes,  and  its 
loss results in signs and symptoms related to the lost genes products (Figure 6-
3 A). 


background image

 

ii. Interstitial, where the piece of a chromosome between two breaks is lost resulting 

in a chromosome that is shorter than the original with the same consequences 
e.g. Cri du chat (loss of short arm of chromosome 5) (Fig. 6-3 A & B). 
Most  of  certain  genes,  known  as  oncogenes,  are  lost  from  the  cells  through 

deletion and their loss will result in development of malignancy of certain tissues, e.g. 
loss of retinoblastoma gene by interstitial deletion of the long arm of chromosome 13, 
i.e.  13q  in  which,  the  newborn  carrying  this  deletion  will  develop  retinoblastoma 
(Figures 6-4 A & B). Another gene is lost in deletion of short arm of chromosome 11, 
which results in development of Wilm’s tumor with aniridia (Figure 6-5). 

Sometimes,  the  piece  lost  carries  no  gene  and  therefore  it  causes  no 

abnormality. This is due to the fact that the genes are not situated on the chromosome 
one  besides  the  other  all  along  the  chromosomes  but  there  are  parts  of  the 
chromosome  carry  no  genes.  In  fact,  only  about  10%  of  the  whole  length  of  DNA 
from all chromosomes carries coding sequences. 

If  individuals,  carrying  a  deleted  chromosome,  marry,  their  gametes  formed 

would be abnormal and results in either normal children, repeated abortions or in the 
birth of a child with malformation. 

 

2. INVERSION:  

This  abnormality  results  from  two  breaks  in  the  chromosome  and  the  piece 

between the two breaks will rotate 180

o

 and is fixed back again in its rotated position.  

The breaks may involve either the short arm or the long arm and the inversion is 

called paracentric (the breaks are on one side of the centromere), or the breaks may 
involve both arms and the inversion is called pericentric (the centromere is involved 
in the inversion)which is more severe (Figure 6-6). 

Consequences  of  both  types  of  inversion  are  the  creation  of  unbalanced 

homologues  of  chromosomes,  one  carrying  a  duplicated  gene(s)  and  the  other  is 
deficient  in  that  gene(s).  The  individual  carrying  such  inversions  may,  however,  be 
without  apparent  signs;  yet,  his  gametes  are  unbalanced  resulting  in  the  birth  of  an 
abnormal fetus or abortion. 

 

3. TRANSLOCATION: 

It  is  defined  as  an  exchange  of  segments  of  chromosomes  between  non-

homologous chromosomes.  

(translocation vs. crossing over)

 

Regular  (reciprocal)  translocation  that  takes  place  between  any  two 

chromosomes [other than the acrocentric group of chromosomes] is one of the main 
pathological  changes  seen  in  malignancies  (Figure  6-7).  It  has  recently  been 
discovered  that  these  translocations  may  translocate  some  oncogenes  from  their 
normal position to a new one where they are  induced to function  in an uncontrolled 
manner  leading  to  override  of  the  body's  regulatory  control  mechanisms,  ultimately 
leading to malignancy. 

Such important genes are usually those coding for the production of a hormone 

that  is  usually  needed  only  in  a  minute  amount  and  is  necessary  for  the  growth 
regulating processes  in the body. This  is usually  seen in  leukemias and lymphomas, 
e.g.  Philadelphia  chromosome  (the  product  of  a  translocation  between  chromosome 
22 and 9) seen in chronic myeloid leukemia (Figure 6-8), or a translocation between 8 
and 14 seen frequently in Burkitt's lymphoma. 

Another  type  of  translocation  called  Robertsonian  (centric  fusion)  type  that 

takes  place  between  two  acrocentric  chromosomes,  either  one  from  each  group  or 
two chromosomes of the same group but different number or the pair of a homologue 


background image

 

where  the  two  acrocentrics  lose  their  short  arm  and  both  long  arms  of  the 
chromosomes fuse together to form one chromosome (Figures 6-9). 

An individual who carries such a translocation have multiple types of gametes. 

These gametes when fertilized by the normal gamete of the normal spouse will 

result in four possibilities (Figure 6-10): 

1.  Normal. 
2.  Normal  count  (i.e.  46)  but  carries  the  translocated  chromosome.  This 

individual or fetus will be trisomic for the acrocentric chromosome, i.e. it 
is the source of cases of translocation Down’s syndrome. 

3.  Balanced carrier like the original parent with 45 count of chromosome. 
4.

  Monosomic (i.e. 45) and it is eliminated by abortion early in pregnancy as 

all autosomal monosomies. 

So,  an  individual  who  carries  a  Robertsonian  translocation  will  have  three 

possibilities  of  producing  a  full  term  baby  or  a  child  with  one  of  the  1

st

  three 

categories listed above. 
 
4. ISOCHROMOSOMES: 

This abnormality results  from aberrant division of the  centromere which is the 

last  part  of  the  chromosome  that  divides  in  the  mitosis  to  separate  the  two  sister 
chromatids  into  individual  chromosomes.  This  aberrant  division  takes  place  in  a 
horizontal  way  rather  than  the  perpendicular  natural  way.  So,  the  resulting  two 
chromosomes are imbalanced, one formed entirely of two short arms and the other of 
two long arms. Each of them is called an isochromsome (Figure 6-11). 

These  isochromosomes  may  be  seen  in  some  cases  of  Down's  or  Turner's 

syndromes. 
5. RING CHROMOSOME: 

It  results  from  deletion  of  both  ends  of  a  chromosome  and  then  the  ends, 

because of the adhesive nature of the exposed DNA, will stick together forming a ring 
or a circle chromosome (Figure 6-12). 

 

6. DUPLICATION OF PART OF A CHROMOSOME: 

 

These  abnormalities  can  produce  some  characteristic  signs  and  symptoms  called 
syndromes  that  can  be  confirmed  by  studying  the  number  and  structure  of  patient's 
chromosomes. This test is called chromosomal study or studying the karyotype. 

(karyotype vs. phenotype) 

 
The main indications for karyotype are: 

1.  Advanced maternal age (>35 years). 
2.  A family with a previous child known to have a chromosomal abnormality. 
3.  Clinical suspicion of a syndrome caused by a chromosomal abnormality. 
4.  Part of males or females infertility screening. 
5.  To determine sex (gender) of an individual. 
6.  Unexplained mental retardation. 
7.  Unexplained growth retardation 
8.  Some cases of cancer. 
9.  Miscellaneous conditions. 

 

 


background image

 

Clinical examples of Some Cytogenetic Abnormalities  

( Practical Part): 

 
I. Disorders of Autosomal Chromosomes: 
1. Cytogenetic types of Down’s syndrome (Karyotype writing): 

1.  Regular  Down’s,  which  constitutes  to  95%  of  cases  of  born  Down’s 

syndrome. It usually results from non-disjunction of the two sister chromatids 
of one homologue or non-disjunction of the ‘21’ homologue pair migrating to 
one pole, resulting in a gamete with double ‘21’ chromosomes (Figures 6-13, 
2 photos). 

 

(Writing the karyotype is nice to know) but interpretation of results are essential 

 
How to write such a karyotype? 

Karyotype writing starts 1

st

 by (a) mentioning the chromosome number, then (b) 

mentioning  the  sex  of  the  patient  (XX  or  XY),  followed by (c)  the  sign  of  addition 
because there is an extrachromosome, then (d) the number of additional chromosome,  
i.e. 47XY, +21 (male with regular Down's)   or 47 XX, +21 (female Down's) 

 

2.  Translocation  Down’s,  they  constitute  to  3%  of  cases  of  born  Down’s 

syndrome.  

 
Karyotype  writing  follows  the  1

st

  two  steps  above,  then  (c)  after  a  semicolon 

write  a  letter  ‘t’  (d)  then  opening  an  arc,  put  the  number  of  the  two  chromosomes 
sharing in the translocation with a slash in between: 

i.e. 46XY, t(14/21) or t(15/21) or t(22/21) or t(21/21) 

        46 XX    

      in order of decreasing frequency 

3.

  Isochromosome ‘21’  

Isochromosome of the long arm of chromosome ‘21’ may take place resulting 

in Down’s syndrome.  

Karyotype writing: the same 1

st

 two steps then (c) followed by letter ‘i’ after 

the  semicolon  with  the  number  of  chromosome  causing  the  isochromosome,  (d) 
followed by the symbol of the arm [the short arm ‘p’ or long arm ‘q’]. 

i.e.  

46XY, i(21q)   

or 

 

46XX, i(21p) 

 

4.

  Mosaics: are individuals who have a mixture of cells in their body of different 

proportions of two or more different karyotpyes. 

Karyotype  writing  is  to  write  every  line  or  type  of  karyotype  on  its  own the 

same way as the above principles then separating them by a slash,  

i.e. mosaic Down of normal karyotype and another with translocation: 
46XY, / 46XY, t(14/21) 
46XX, / 46XX, t(14/21) 

 

and so on mixing any type of karyotype. 

 
2. Cytogenetic types of Edward's syndrome (Karyotype writing): 

Edward's  Syndrome  (Figure  6-14)  or  trisomy  of  chromosome  18  is  the  most 

common type: 

•  Regular Edward's S.: 47XX, +18 
•  Mosaic type: 46XY / 47XY +18  

 

 

 
 

 


background image

 

3. Cytogenetic types of Patau syndrome (Karyotype writing): 

Patau's Syndrome (Figure 6-15) is in most cases a trisomy of chromosome 13: 

•  Regular Patau S.: 47XX, +13 
•  Translocation type: 46XY; t(13/21) or 46XX; t(13/22) 
•  Isochromsome type: 46XX; i(13q) 
•  Mosaic type: 46XY / 47XY +13  

 

and so on …  

 
4. Karyotype writing of a deletion syndrome: 

Writing  the  karyotype  of  a  deletion  again  following  the  same  1

st

  two  steps, 

followed  then  by  the  number of  chromosome being  deleted  followed by  the  sign  of 
minus mentioning the sign of the arm affected,  

e.g. Cri du Chat syndrome (cat cry syndrome) is formed by partial deletion 

of the short arm of chromosome 5 in males or females: 

 

46XY, 5p-  

or  46XX, 5p- 

5. Duplications of part of a chromosome: 

(Figure 6-16) 

 
II. Abnormalities of Sex Chromosomes: 
 
1. Cytogenetic types of Turner’s syndrome 

(Karyotype writing): 

By applying the same principles here, we may have: 

•  Regular Turner’s syndrome 45XO 
•  Or Turner's with long arm isochromosome X  

[46XX, i(Xq)] 

•  Or a mosaic Turner's 46XX / 45XO 

(Figure 6-17) 

2. Karyotype writing of other sex chromosome disorders: 

•  Regular Klinefelter's Syndrome    47XXY or 48XXXY  

 

 

•  Mosaic klinefelter's S. (seen in 15% of cases) 46XY / 47XXY  

or sometimes 46XY / 48XXXY 

 
3. Karyotype writing of Y chromosome disorders: 

47XYY (rare disorder) 

 very tall with azoospermia (Figure 6-18) 

 

N.B.:  Needless  to  mention  that  many  other  structural  chromosomal  abnormalities 
are  present,  some  of  which  are  more  complex  than the  examples  depicted  here,  e.g. 
dicentric chromosome. 
 
Or Just about everything you can imagine which can happen to that piece of string --
 does! 
 
 

For a review and more examples, see Figures (6-19 

 9 photos). 

 

Pay attention to the presentation at your labs. 

 
 

 

 


background image

10 

 

B.  Defects  of  Single  Genes  with  Large  Effect  (Unifactorial  or  Mendelian 

Disorders): 

Introduction: 

The  number  of  known  Mendelian  disorders  has  grown  to  more  than  5000. 

Although individually many are rare, altogether they account for approximately 1% of 
all  adult admissions to hospital and about 6-8% of all pediatric  hospital admissions. 
They  represent  the  most  common  purely  genetic  abnormality  as  compared  to  other 
causes. 

They are caused by a mutation in a single gene. A mutation is a disturbance in 

the  sequence  of  the  nucleotide  arrangement  in  the  DNA  molecule,  or  it  is  simply  a 
permanent change in the DNA. Mutations may give rise to inherited disorders or may 
cause cancer or congenital malformation. 

(When, Why and How?) 

Review: 

A gene  is that part of the DNA that codes for a polypeptide chain. Only about 

2% of the DNA codes directly for information, 24% is intronic sequence (non-coding 
sequences within the genes); the remaining 74% is a non-coding sequence outside the 
genes (Figure 6-20). The function of this  huge  amount of non-coding  sequences  has 
not been fully elucidated. 

There  are  about  30,000  genes  (in  contrast  to  what  was  previously  thought  of 

about 100,000). Genes are not arranged one beside the other along the chromosome or 
the  DNA.  There  is  a  variable  length  of  those  non-coding  sequences  in  between  and 
inside the genes. Those found inside the gene is called the intervening sequences (or 
the introns), while the coding sequences of the gene is called exon. 

Some genes have few exons and some have many. Some genes are very small in 

size but some are very large with so many exons. 

Some chromosomes are rich  in genes but some have only  few, which  explains 

why  some  chromosome  deletions  or  even  duplication  have  no  or  minimal  clinical 
effect. 

Genes  may  behave  as  dominant,  i.e.  when  only  one  of  the  alleles  becomes 

mutated  it  results  in  a  genetic  disease,  or  they  may  behave  as  recessive,  i.e.  the 
diseases  result  only  when  both  alleles  (of  both  the  maternal  and  paternal  origin)  are 
affected  by  the  same  mutation.  A  3

rd

  category  of  genes  are  those  genes  which 

determine an autosomal character but they are situated on the sex chromosome, called 
sex-linked  genes.  So  we  have  autosomal  dominant  (AD)  disorders,  autosomal 
recessive (AR) disorders, and sex-linked disorders. 

The question arises why some genes act in a dominant manner while others 

behave  in  a  recessive  one,  i.e.  the  problem  of  dominance  and  recessiveness.  To 
answer  this  question,  one  has  to  consider  the  following  principles  that  must  be 
remembered:  

It  was  thought  earlier  that  a  single  gene  is  responsible  for  the  formation  of  a 

single type of protein, but since the protein  is made up of units of polypeptides that 
could be the same or different in one molecule of protein, the principle becomes: 

A single  gene is responsible for the formation of a single type of polypeptide, 

and  if  we  known  that  out  body  structures  and  functions  from  the  moment  of  post-
fertilization to the full maturity and later on are determined by proteins. The types of 
proteins  are  varied;  they  could  be  structural  proteins,  like  fibrous  tissue,  elastic 
tissue;  they  could  be  immunoglobulins,  signal  transducing  proteins,  receptors, 
enzymes,  hormones
,  etc.  Therefore,  the  action  of  the  gene  being  dominant  or 
recessive is determined by the type of protein it produces and its function. 


background image

11 

 

(Codominance means that both alleles of the same gene are fully expressed in the 

heterozygote e.g. HLA and ABO blood group antigens are good examples). 

 

A single gene mutation may lead to multiple phenotypic effects, a phenomenon 

called pleitropy [e.g. Marfan's syndrome where there is skeletal, cardiovascular, and 
eye defects]; conversely, mutations at several genetic loci may produce the same trait 
[e.g. retinitis pigmentosa] in a phenomenon called genetic heterogeneity

 
Dominant
 genes usually produce these types of proteins: 

1.  Major structural (or non-enzymatic) proteins, which form or are present 

in  many  parts  of  the  body  (e.g.  collagen,  spectrin,  fibrillin,  elastin,  etc.); 
examples are cases of achondroplasia & Ehler Danlos syndrome (lax joints 
and skin).  

2.  A  key  enzyme  in  a  complex  metabolic  pathway  usually  under  feedback 

control (e.g. AD porphyria), or 

3.  A membrane receptor regulating a metabolic pathway (e.g. AD familial 

hypercholesterolemia  disease)  where  the  receptors  for  LDL  are  mutated. 
They are responsible for regulation of LDL in the cells and the circulation. 

4.  or a membrane transport protein. 

 

To explain the latter example and how the action of this pathway is executed, let 

us consider the pathway of circulating LDL.  

LDL  should  enter  the  cells  of  the  body  for  building  cellular  membrane  and 

nuclear  membrane  from  wear  and  tear.  It  could  not  enter  the  cells  unless  it  is 
complexed with receptors on the cell membrane. 

Once it is inside the cell, the complex will be degraded into free cholesterol and 

amino acid, which  is the remnant of the proteinous coat of the liporptoein. The free 
cholesterol  in  the  cell  constitutes  the  cholesterol  pool  of  the  cell,  which  its  level  is 
regulated  by  three  systems  of  enzymes,  the  HMG-CoA  reductase  (3-hydroxy-3-
methylglutaryl  coenzyme  A  reductase)
,  which  forms  cholesterol  from  fatty  acids, 
ACAT  (acyl-CoA:cholesterol)  transferase,  which  hydrolyze  cholesterol  into  ester 
rendering it inactive and the number of the receptors no the surface of the cell. If the 
pool  concentration  is  low,  messages  are  sent  to  activate  the  HMG-CoA  reductase, 
inactivate ACAT and increase the number of receptors on the cell surface. Therefore, 
when one of the two alleles responsible for the formation of the receptors protein, half 
the  number  of  receptors  are  formed  only,  so  50%  of  LDL  which  is  used  to  be 
internalized inside the cell will remain in the circulation unable to enter the cells and a 
state  of  hypercholesterolemia  results  with  reading  of 400-500  iu/dl  of  cholesterol  in 
the blood (Figure 6-20). 

 
A  defect  of  one  single  copy  of  a  dominant  gene  produces  a  great  deal  of 

abnormalities that produce signs and symptoms of a disease related to the function of 
the deficient protein. 

 
As for recessive genes, they produce enzymes which usually share in catabolic 

pathways  (usually  non-key  enzymes);  when  both  alleles  are  defective,  there  is  no 
protein,  i.e.  no  enzyme  and  therefore  the  catabolic  pathway  is  obstructed  with  the 
accumulation  of  the  biochemical  substrate;  while  loss  of  one  single  copy  is  usually 
compensated for by the remaining active and normal gene (50% protein present). 

Examples  of  those  diseases  are  some  of  diseases  of  thalassemia, 

mucopolysaccharidosis, lipidosis, phenylketonuria (PKU), and many others.  


background image

12 

 

 

(What happens if two copies of a dominant gene are defective?) 

(What causes the appearance of signs / symptoms to appear in a recessive disorder?) 

 
Sex-linked diseases: because most of the genes are carried on the “X” and very 

few  are  present  on  the  “Y”,  usually  sex-linked  is  used  for  “X”-linked  and  we  have 
both dominant and recessive disorders. 

In this type of inheritance, there is a lot of deviation from what is expected from 

autosomal recessive pattern. The usual pattern, in clinical practice, is that only males 
who carry the mutated gene on their “X” chromosomes are clinically  affected while 
females are usually silent carriers but they transfer the disease to their sons e.g. G6PD 
deficiency  (favism),  hemophilia  A,  …  etc.  as  males  have  only  one  X-chromosome 
while females have two. 

 
It happens that some females may present the disease clinically like males; this 

was explained by Lyon’s hypothesis, which states that in a female’s autosomal cells, 
and during early embryogenesis, all the “X” chromosomes will be inactivated except 
one which remains active during interphase. 

•  This  process  of inactivation  takes  place  early  in  the  post-fertilization  period, 

19-20 post-fertilization days. 

•  The process of inactivation is random concerning the origin of the inactivated 

“X”,  i.e.  paternal  “X”,  which  comes  from  the  father  or  maternal  “X”  that 
comes from the mother.  

•  In a cell, all the daughter cells that descend from it, the same “X” will remain 

inactive. 

•  All  inactive X-chromosomes will be condensed as a (Barr Body) (Figure (6-

21). 

This means  that  around 50%  of  the  “X”  chromosomes  are  inactivated  but  this 

does not necessarily involve all the paternal “X” or all the maternal “X”, as in some 
areas,  the  paternal  X  is  inactivated  while  in  others,  it  is  the  maternal  “X”  that  is 
inactivated.  Therefore, the  body  of  the  female  is  a  considered  as  mosaic  concerning 
the  active  “X”.  The  female  is  considered  heterozygote  for  the  X  chromosome 
(regarding origin of her X-chromosomes). 

 
In  a  female  who  carries  a  mutated  gene  on  “X”  chromosome  and  present 

clinically  (called  manifesting  carrier),  the  manifestations  happen  by  chance  that  in 
most part of her body, the “X” that carries the abnormal “X” gene remain active (or 
the normal X is inactivated), which results in deficiency of the product of the gene 

 

disease.  This  is  because  of  the  randomness  of  the  inactivation.  Some  have  more 
mutated Xs and some have more non-mutated Xs.  

 

(What other causes of a manifesting carrier female can you count so far?) 

 

Aetiology (Types of mutations in regard to the structural defect):  

[[very important]] 

All  single  gene  diseases  (dominant  or  recessive,  autosomal  or  sex  linked)  are 

due to mutations, which are of different structural types: 

1.  Point mutation: in which one single base is changed (substituted).  

Single  point  substitution  is  the  commonest  type.  It  usually  results  from  a 
change  in only one nucleotide base that  form the trios (three bases), each of 
which codes for a specific amino acid in the protein molecule. 


background image

13 

 

The possible consequences are the following: 

1.

  Silent mutation: A change in one base will result in a code which codes 

for the same amino acid in the protein. This is due to a fact known as the 
redundancy  of  the  code,  i.e.  for  each  of  the  20  amino  acids;  there  is 
more  than  one  code  from  the  64  codes  formed  by  the  four  nucleotide 
bases.  Therefore,  the  character  of  the  protein  would  not  change  and 
nothing results but one can deduce from this fact that there are proteins 
formed by DNA  sequence that are  variable among  individuals although 
the  protein  is the  same.  This  variation  forms  the  bases  for DNA  finger 
printing used to identify individuals like the original finger prints. 

2.

  Neutral  mutation:  when  one  base  is  changed  into  another  forming 

another  code;  the  new  code  codes  for  another  amino  acid  that  is 
physically and chemically similar (not identical) to the normal one 

 the 

function of the new polypeptide chain is unaffected 

 no disease state.  

3.

  Missense  mutation:  The  change  in  the  base  will  form  a  new  code 

coding  for  a  different  amino  acid  in  the  protein  changing  its  character 
and  behaviour  resulting  in  disease,  e.g.  all  cases  of  thalassemia,  sickle 
cell disease, PKU, etc. 

4.

  If  a  mutation occurs  in  one  of  the  three  codons  (called  termination or 

stop  codons)  that  usually  stop  the  signal  (e.g.  termination  of  gene 
transcription) 

 we have 2 possible types: 

a.  Non-sense  mutation:  which  occurs  when  a  codon  is  changed 

into  a  stop  codon  by  changing  one  of  its  bases 

  the  resulting 

polypeptide  would  be  shorter  than  normal  called  truncated 

protein; e.g. some forms of 

β-thalassemia 

b.  Or when a stop codon is converted into a coding one, so the gene 

transcription  will  continue  behind  the  termination  point  adding 
more  than  normal  number  of  amino  acids  until  a  second  'stop' 
codon  is  reached,  resulting  in  a  longer  protein  behaving 
abnormally 

 disease, e.g. Constant Spring type of haemoglobin 

(Hb

CS

),  where  the  termination  codon  of  α-polypeptide  of  Hb  is 

mutated resulting in addition of 31 amino acids to the original 14 
amino acids of the normal chain. 

2.  Additional / deletion mutations: 

a.  Addition / deletion of one single base: These mutations cause a gain or 

loss of one single nucleotide base 

 shift in the reading frame of the 

trios "codons"  changing the whole codons from the point of mutation 
onwards  creating  a  completely  new  type  of  protein  or  sometimes 
creates  a  termination  code  in  the  center  of  the  molecule  (the 
commonest outcome). These types of mutations are thus called frame-
shift mutations 
(Figure 6-22). 

 

 


background image

14 

 

3.  The  second  type  is  the  addition  or  deletion  of  more  than  one  nucleotide 

base

A.  If 2 bases 2  frame shift mutation (less common cause than a dingle 

base substitution).  

B.  Addition / deletion of 3 bases or the multiple of 3, i.e. 6, 9, 12, 15 … 

etc.  This  will  lead  to  addition  /  deletion  of  1,  2,  3,  4,  …  etc  amino 
acid(s)  in  the  protein  molecule  leading  to  abnormal  protein,  i.e. 
Frieberg  Hb,  where  5  amino  acids  (i.e.  15  bases)  is  added  between 
amino acids 78-79 sequence in β-Hb polypeptide.  

C.  Addition / deletion of a piece of DNA inside the gene (intragenic) or 

in between the gene (intergenic). Again this creates variability in the 
DNA  sequence  and  may  lead  to  a  disease  state  but  if  not,  it  causes 
polymorphism in DNA sequences that can be used for genetic testing 
and DNA finger printing. 

3.

  Unequal crossing over: 

Usually during crossing over at meiosis, the chromosomes align themselves side 

by  side.  This process  should be  very  precise that  one allele  would be  in  front  of  its 
brother allele and even the bases are matched to each other in number and type. So, 
when there is a crossing over and exchange of chromosomal segments, no disturbance 
occurs in the newly formed chromosomes or genes, but if the alignment is improper, 
then the alleles are pushed away for a certain degree. This case takes place in sites of 
the DNA where there are grouping of genes of similar DNA structure with very slight 
variation so one gene is mistaken for a different gene as being its allele and if crossing 
over  occurs,  a  defect  will  result  leading  to  the  formation  of  two  unbalanced 
homologues, one containing duplicated sequences and the other deleted sequences.  

 The  more  similarity  of  DNA  within  the  sequences,  the  more  likely  unequal 

crossing over  will  occur.  Crossing  over  is  the  process  most  responsible  for  creating 
regional gene duplications in the genome. Repeated rounds of unequal crossing over 
cause the  homogenization of the two sequences.  With the increase in the duplicates, 
unequal crossing over can lead to dosage imbalance in the genome and can be highly 
deleterious. 

 

Summary: 
Structurally, gene mutations can be in one of the following types: 

1.  Point mutations 

Single base substitution (most common type): 

i.  Silent 

ii.  Neutral 

iii.  Missense 
iv.  Non-sense 

v.  Longer protein 

2.  Addition / deletion mutation: 

a.  Single base addition / deletion  frame-shift mutation. 
b.  2 bases  frameshift mutation 
c.  3 (or mulƟple of 3) 
d.  A piece of DNA 

3.  Unequal crossing over 


background image

15 

 

1. Classical genetic disorders 

A. Chromosomal abnormalities: 
B. Single gene mutations: 
C. Multifactorial Inheritance (MFI) 

 
C. Multifactorial Inheritance (MFI) 

Multifactorial  (also  called  polygenic)  inheritance  is  involved  in  many  of  the 

physiologic  characteristics  (e.g.  weight,  height,  blood  pressure,  hair  color,  etc.).  A 
multifactorial physiologic  or  pathologic  trait may  be  defined  as one governed  by  the 
additive  effect  of  two  or  more  genes  of  small  effect  but  conditioned  by 
environmental, non-genetic influences.  

Even  monozygotic  twins  reared  separately  may  achieve  different  heights 

because  of  nutritional  or  other  environmental  influences.  This form  of  inheritance  is 
believed  to  underlie  such common  diseases  as  diabetes  mellitus,  hypertension,  gout, 
schizophrenia, bipolar disorders and certain forms of congenital heart disease as well 
as some skeletal abnormalities. 

In  multifactorial  inheritance,  it  is  the  additive  effect  of  many  genes  of  small 

effect PLUS a suitable environment that cause such disorders. 

In single gene disorders, individuals in regard to the abnormal gene are one of 3 

groups: a heterozygote (carrying one mutated and one normal gene and thus affected 
in  AD  and  not affected  in  AR  disorders),  a  homozygote  for  the  mutated  gene  (and 
thus affected in all cases),  or a homozygote normal. There  is no gradient in  between 
these 3 groups. 

 

(What do we call a male carrying an x-linked recessive disorder?  

A heterozygous or a homozygous? Or something else?) 

 

In MFI, we could group individuals in a community into many different grades, 

which have a normal distribution curve (Gaussian distribution) with a threshold point, 
which when exceeded, the disorder is expressed. 

The  facts  that  [MFI  are  affected  by  many  genes  (not  just  one)  and  that  the 

additive  effect  of  both  genes  and  the  environment  determine  the  expression  of  MF 
disorder],  are  called  Genetic  Liability  (or  genetic  predisposition)  of  the  individual 
and  this  liability  can  be  measured.  So,  MFI  is  only  partially  genetic  (unlike  other 
types of inheritance) and needs environmental factors to act for the disorder to appear. 

 

You might  imagine that  the list  of “multifactorial”  disorders blends  in with  the 

entire list of human diseases. Hence are “all” diseases “genetic”? 

 

• 

They are Multi-”FACTORIAL”,  not just multi-GENIC 

• 

If a disease or condition is scalable, rather than on or off, it is probably multigenic, or 
multifactorial,  just  part  of  the  spectrum  of  HOMO-zygous  diseases  being  HOMO-
geneous, and HETERO-zygous diseases being VARIABLE. 

• 

Common phenotypic expressions governed by “multifactorial” inheritance 

–  Hair color 
–  Eye color 
–  Skin color 
–  Height 
–  Intelligence 
–  Diabetes, type II 

 

Mention (5) diseases with multifactorial type of inheritance 


background image

16 

 

((This is a nice to know part)) 

 

2.  Single  Gene  Disorders  with  Atypical  Patterns  of  Inheritance 

(or Non-Classical Genetic Disorders) 

 

This group includes: 

A.  Diseases caused by mutations in mitochondrial genes. 
B.  Triplet repeat mutations. 
C.  Uniparental disomy / Genomic imprinting. 
D.  Gonadal mosaicism. 

a.

  Mitochondrial gene disorders: 

Mitochondria  contain  several  genes  that  encode  enzymes  involved  in  oxidative 

phosphorylation.   mtDNA  is  a  circular,  double-stranded  structure  without  introns.  It 
encodes  13  known  proteins  required  for  oxidative  phosphorylation.  In  addition, 
mitochondria contain tRNA and rRNA involved in translation of these proteins in the 
organelle. 

Inheritance  of  mitochondrial  DA  differs  from  that  of  nuclear  DNA  in  that  the 

former  is  associated  with  maternal  inheritance.  This  peculiarity  results  from  the  fact 
that ova contain mitochondria within their abundant cytoplasm, whereas spermatozoa 
contain  few,  if  any,  mitochondria.  Hence,  mitochondrial  DNA  complement  of  the 
zygote  is  derived  entirely  from  the  ovum  (maternal  origin).  Thus,  mothers  transmit 
mitochondrial  genes  to  all  of  their  offspring,  both  males  and  females;  however, 
daughters but not sons transmit the DNA further to their progeny.  

Each  cell  contains  hundreds  of  copies  of  mtDNA.  During  cell  division,  each 

mtDNA  replicates  but  unlike  the  nuclear  DNA,  the  newly  synthesized  mitochondria 
segregate  passively  to  the  daughter  cells.  This  random  segregation  of  mitochondria 
results in unpredictability in phenotype from individual to another. 

Such diseases are rare. Leber hereditarty optic neuropathy is a classical example 

(manifested as progressive bilateral loss of vision 

 blindness). 

b.

  Triplet repeat mutations: 

A  group  of  diseases  with  increasing  number  characterized  by  a  long  repeating 

sequence of  three  nucleotides  (a  pathological  expansion  of  trinucleotide  repeats),  all 
associated  with  neurodegenerative  changes.  This  pathological  amplification  of 
specific  sets  of  three  nucleotides  within  the  gene  would  disrupt  its  function.  The 
repetitive sequences may be within an exon (the portion of the gene coding for protein 
synthesis) or the intron (a portion of a gene that is not expressed in the gene product). 
The  number  of  this  repeat  expands  in  successive  generations  causing  disease  signs 
and  symptoms  to  appear  at  an  earlier  age  (a  phenomenon  called  anticipation).  Most 
such diseases share the nucleotides (G, C or both) in their trinucleotide repeat. 

The  classical  examples  are  Fragile  X  syndrome,  Huntington  disease,  myotonic 

dystrophy, and  Friedreich's ataxia.  Most of them  are inherited  as  an AD  or  X-linked 
fashion except the latter, which is an AR disorder. 

c.

  Uniparental Disomy / Genomic Imprinting: 

All  humans  inherit  two  copies  of  each  gene,  carried  on  homologous  maternal 

and  paternal  chromosomes.  It  has  usually  been  assumed  that  there  is  no  difference 
between  those  homologues  derived  from  the  mother  or  the  father.  It  has  now  been 
established that with respect to several genes, functional differences exist between the 
maternally  or  paternally  derived  genes.  These  differences  arise  from  an  epigenetic 
process  called  genomic  imprinting,  whereby  certain  genes  are  differentially 
'inactivated'  or  'switched  off'  during  gametogenesis.  Thus  maternal  imprinting  refers 


background image

17 

 

to  transcription  silencing  of  the  maternal  allele,  whereas  paternal  imprinting  implies 
that the paternal allele is inactivated. 

This process  occurs  in  the  ovum  or  sperm  and  is  then  stably  transmitted  to  all 

somatic cells derived from the zygote. 

The  best  illustrative  examples  are  two  uncommon  disorders,  namely  Prader 

Willi and Angelman syndromes. 

In 50-60% of Prader Willi cases, there is a deletion of a segment of a long arm 

of chromosome 15,  and this segment  was also found  to be deleted  in some cases  of 
Angelman syndrome, but their clinical features remarkably differ. Thus, a comparison 
of both syndromes clearly demonstrates the 'parent of origin' effects on gene function. 

It  is  believed  that  a  set  of  genes  on  maternal  chromosome  15q12  is  imprinted 

(and  hence  switched  off  or  silenced) 

  only  the  functional  alleles  are  of  paternal 

origin. When this segment is lost due to a deletion (in the paternal chromosome), the 
patient develops Prader Willi syndrome. 

On  the  other  hand,  if  the  paternal  15q  segment  was  imprinted,  only  the 

maternally derived allele of the gene is active. So, deletion of this maternal gene gives 
rise to Angelman syndrome. 

In some cases of both syndromes, both the structurally normal chromosome 15s 

are  derived  from  one  parent  (either  paternal  or  maternal),  in  a  condition  called 
uniparental  disomy.  The  net  effect  is  the  same  (i.e.  the  patient  does  not  have  a 
functional set of genes from the 'non-imprinted' parent's chromosome 15. 

Prader  willi,  thus  can  result  from  UPD  of  paternal  chromosomes,  while 

Angelman syndrome can result from UPD of maternal chromosomes. 

(Figure 6-23) and (Figure 6-24). 

d.

  Gonadal Mosaicism: 

Sometimes, a new (fresh) mutation occurs in a gene, especially AD one, leading 

to the appearance of  an AD  disorder for  the  first time  in a  family with  a  completely 
negative family history of the disorder. This is one mechanism of how genes maintain 
their  frequency  within  a  community.  The  other  way  is  through  direct  transmission 
from one generation into another. 

Such  a  mutation,  may  occurs  not  in  the  germ  cell  of  either  parent  during 

gametogenesis (a sperm or an ovum formation), but in an undifferentiated cell of the 
post-fertilization zygote. This cell and all of its descendants would carry the mutated 
gene,  thus  creating  a  cluster  of  cells  carrying  the  mutation,  differing  from  the  other 
non-mutated cells of the body. This state is called mosaicism (presence of 2 or more 
cell lines in the same individual). 

If it happens that this mutated cell would form the future testis or ovary of the 

growing  embryo,  a  state  of  mosaicism  is  formed  within  that  testis  or  the  ovary 
(gonadal mosaicism). 

When this clinically "phenotypically" normal individual forms gametes, some of 

his gametes would carry the mutated gene 

 AD dominant disorder in his offspring, 

which the individual and his family have no history of what so ever. 

This phenomenon could recur more than once in such an unfortunate family, as 

the  ovary  or the  testis  is  carrying  a cluster  of  mutated  cells.  Its  recurrence  is  merely 
due to a 'chance' factor. 

Gonadal  mosaicism  is  clinically  diagnosed  in  a  special  situation  when  an  AD 

disorder  occurs  in  more  than  one  sibling  of  a  family  in  the  absence  of  a  positive 
family history of this disorder. 

 

 


background image

18 

 

Specific Features of Single Gene Disorders: 
Autosomal Dominant (AD) Disorders  
Over 3000 conditions or traits shows this pattern of inheritance are identified. Some 
are very mild; others are lethal. 

•  AD disorders are manifested in the heterozygous state, so at least one parent of an 

index case is usually affected; both males and females are affected, and both can 
transmit the condition.  

•  When an affected person marries an unaffected one, every child has one chance 

in two of having the disease. In addition to these basic rules, autosomal dominant 
conditions are characterized by the following: 

•  With every autosomal dominant disorder, some patients do not have affected 

parents. Such patients owe their disorder to new mutations involving either the 
egg or the sperm from which they were derived. Their siblings are neither 
affected nor at increased risk for developing the disease.  

•  The proportion of patients who develop the disease as a result of a new mutation 

is related to the effect of the disease on reproductive capability.  

•  If a disease markedly reduces reproductive fitness, most cases would be expected 

to result from new mutations. Many new mutations seem to occur in germ cells of 
relatively older fathers. 

•  Clinical  features  can  be  modified  by  reduced  penetrance  and  variable 

expressivity.  Some  individuals  inherit  the  mutant  gene  but  are  phenotypically 
normal. This is referred to as reduced penetrance. 

•  Penetrance  is  expressed  in  mathematical terms:  Thus,  50% penetrance indicates 

that 50% of those who carry the gene express the trait.  

•  In contrast to penetrance, if a trait  is seen  in all  individuals carrying the mutant 

gene  but  is  expressed  differently  among  individuals,  the  phenomenon  is  called 
variable expressivity.  

•  For  example,  manifestations  of  neurofibromatosis  type  1  range  from  brownish 

spots on the skin to multiple skin tumors and skeletal deformities.  

•  The mechanisms underlying reduced penetrance and variable expressivity are not 

fully  understood,  but  they  most  likely  result  from  effects  of  other  genes  or 
environmental factors that modify the phenotypic expression of the mutant allele. 
For  example,  the  phenotype  of  a  patient  with  sickle  cell  anemia  (resulting  from 
mutation at the β-globin locus) is influenced by the genotype at the α-globin locus 
because the latter influences the total amount of hemoglobin made.  

•  The  influence  of  environmental  factors  is  exemplified  by  familial 

hypercholesterolemia.  The  expression  of  the  disease  in  the  form  of 
atherosclerosis is conditioned by the dietary intake of lipids. 

•  In  many  conditions,  the  age  at  onset  is  delayed:  symptoms  and  signs  do  not 

appear until adulthood (as in Huntington disease). 

 
Autosomal Recessive Disorders  
Autosomal recessive inheritance is the single largest category of Mendelian disorders. 
Because autosomal recessive disorders result only when both alleles at a given gene 
locus are mutants, such disorders are characterized by the following features:  
(1) The trait does not usually affect the parents, but siblings may show the disease;  
(2) siblings have one chance in four of being affected (i.e., the recurrence risk is 25% 
for each birth); and  
(3) if the mutant gene occurs with a low frequency in the population, there is a strong 
likelihood that the proband is the product of a consanguineous marriage.  


background image

19 

 

In contrast to those of autosomal dominant diseases, the following features generally 
apply to most autosomal recessive disorders: 

•  The  expression  of  the  defect  tends  to  be  more  uniform  than  in  autosomal 

dominant disorders. 

•  Complete penetrance is common.  

•  Onset is frequently early in life.  

•  Although new mutations for recessive disorders do occur, they are rarely detected 

clinically.  Since  the  individual  with  a  new  mutation  is  an  asymptomatic 
heterozygote,  several  generations  may  pass  before  the  descendants  of  such  a 
person mate with other heterozygotes and produce affected offspring.  

•  In  many  cases,  enzyme  proteins  are  affected  by  a  loss  of  function.  In 

heterozygotes,  equal  amounts  of  normal  and  defective  enzyme  are  synthesized. 
Usually  the  natural  "margin  of  safety"  ensures  that  cells  with  half  their  usual 
complement of the enzyme function normally. 

 
X-Linked Disorders  

1.  All  sex-linked  disorders  are  X-linked,  almost  all  X-linked  recessive.  Several 

genes are encoded in the "male-specific region of Y"; all of these are related to 
spermatogenesis. 

2.  Males  with  mutations  affecting  the  Y-linked  genes  are  usually  infertile,  and 

hence there is no Y-linked inheritance.  

3.  A  few  additional  genes  with  homologues  on  the  X  chromosome  have  been 

mapped  to  the  Y  chromosome,  but  no  disorders  resulting  from  mutations  in 
such genes have been described. 

4.  X-linked  recessive  inheritance  accounts  for  a  small  number  of  well-defined 

clinical conditions.  

5.  The  Y  chromosome,  for  the  most  part,  is  not  homologous  to  the  X,  and  so 

mutant genes on the X are not paired with alleles on the Y. Thus, the male is 
said  to  be  hemizygous  for  X-linked  mutant  genes,  so  these  disorders  are 
expressed in the male.  

Other features that characterize these disorders are as follows: 

•  An affected male does not transmit the disorder to his sons, but all daughters 

are carriers.  

•  Sons of heterozygous women have, of course, one chance in two of receiving 

the mutant gene.  

•  The heterozygous female usually does not express the full phenotypic change 

because of the paired normal allele. Because of the random inactivation of one 
of  the  X  chromosomes  in  the  female,  however,  females  have  a  variable 
proportion of cells in which the mutant X chromosome is active 

 skewed X-

inactivation.  

 
 

 

 


background image

20 

 

TERATOGENS AND CONGENITAL MALFORMATIONS 

(Developmental Diseases) / Birth defects 

 
The word dysmorphology is derived by combining three Greek words (

dys—bad 

or  disordered;

  morph—shape  or  structure;  and  ology—the  study  or  science  of). 

Dysmorphology is a branch of clinical genetics concerned with the study of structural 
defects, especially congenital malformations.

 

 

•  20% neonatal deaths caused by these  
•  3% live births have one or more congenital abnormality  
•  Even higher prevalence among still births 
•  6% one year olds have one or more  
•  about 3  million  fetuses  and  infants  are  born  each  year  with  major  congenital 

malformations 

•  They account for nearly 500,000 deaths worldwide each year.  
•  However,  individual  congenital  malformations  are  seen  only  infrequently  by 

the individual practitioner. 

 

Introduction: 

Congenital  malformations  or  birth  defects  are  common  among  all  races,  cultures,  and 

socioeconomic  strata.  Birth  defects  can  be  isolated  abnormalities  or  part  of  a  syndrome  and 
continue to be an important cause  of neonatal and infant morbidity and mortality.  

Of  all  congenital  malformations  diagnosed  by  the  end  of  first  year  of  life,  nearly  60% 

are identified in  the first  month and  about 80%  by the  end of  3 months.

 

With the  introduction 

of  prenatal  ultrasound  in  obstetric  care,  many  major  congenital  malformations  are  diagnosed 
prenatally, allowing parents to have  the option of terminating the pregnancy.   

 
Several  pediatric  disorders  are of  genetic  origin.  However,  it  must be borne  in 

mind  that  not  all  genetic  disorders  are  present  in  infancy  and  childhood,  and 
conversely,  many  pediatric  diseases  are  not of  genetic  origin  (e.g.  diseases  resulting 
from immaturity of organ systems). 

Three  commonly  used  terms  are  to  be  understood:  hereditary,  familial,  and 

congenital.  Hereditary  disorders,  by  definition,  are  derived  from  one's  parents,  are 
transmitted  in  the  gametes  through  the  generations,  and  therefore,  are  familial.  The 
term 'congenital' simply implies "present at birth". 

Not all congenital diseases are of genetic origin (e.g. congenital syphilis), and 

not  all  genetic  disorders  are  congenital (e.g.  Huntington's  disease,  is  expressed  only 
after the 3

rd

 or 4

th

 decade of life). 

 
Definition of CM: 

It is a deformation of structure or function of an organ that is present at birth.  

•  It  may  be  on  the  surface  of  the  body,  e.g.  cleft  lip;  or  inside  the  body  e.g. 

horseshoe kidney.  

•  It  may  be macrocellular,  i.e.  the  defect  affects  large  group of cells,  tissue  or 

organ,  e.g.  club  foot,  or  microcellular,  i.e.  can  be  identified  only  by 
microscopic  examination,  e.g.  sponge  kidney  where  the  defect  is  abnormal 
connection between the collecting tubules and the urineferous tubules leading 
to thin microscopical dilatation that gives the kidney a spongy feeling.  

•  It could be diagnosed by the  naked eye or it may need special procedure for 

diagnosis, e.g. congenital heart defects.  


background image

21 

 

•  It may present at birth with signs and symptoms, e.g. duodenal atresia or may 

present later in  life but the defect is present at birth, the signs and symptoms 
arises only later in life, e.g. adult polycystic kidney 

 chronic renal failure. 

•  It  may  be  familial  or  non-familial,  i.e.  either  there  are  multiple  cases  in  one 

family or it is the only case in the family (sporadic);  

•  And lastly  it could be of a  genetic origin (cause), or could be a non-genetic, 

i.e.  caused by environmental  causes,  e.g.  some cases  of microcephaly  are  of 
genetic origin while others are due to in utero infection (prenatal infection). 

 

Causes: 

Those agents with a potential to induce a structural anatomic anomaly and thus a 

congenital malformation  in  a developing  fetus  are termed  teratogens  (Greek:  teratos 
[monster]  and  gen  [producing]). 

Some  teratogens  act  as  a  mutagen  (when  affects  a 

growing fetus) and some as a carcinogen (when affects a mature adult cell type). 

 

Pathological Action of Teratogens: 

The  exact  mechanisms  by  which  each  teratogen  induces  anomalies  are  not 

clearly  known  but  include  altered  gene  expression,  histogenesis,  cell  migration  and 
differentiation, apoptosis, protein or nucleic acid synthesis and function, or supply of 
energy.  The  effect  of  a  teratogen  is  most  effective  on  growing  tissues  with  rapid 
division rate but not all teratogens affecting different foeti cause the same severity of 
action, i.e. the action of one teratogen is variable in different foeti.  

This is due to the following factors: 

a.  Nature of the teratogenic agent. 
b.  The  dose  of  the  teratogen:  larger  doses  of  course  cause  more  severe 

effects. 

c.  Timing  and  duration  of  the  exposure  to  the  teratogen;  the  earlier  and 

the more prolonged, the greater the effect would be (Figure 6-26). 

d.  Genetic  constitution  (or  host  susceptibility):  some  foeti  are  more 

susceptible than others for the same dose and therefore they are more 
severely affected. 

e.  Interaction  with  other  factors,  i.e. 

presence  of  concurrent  exposures 

e.g. environment of the uterus, maternal metabolic state, and so on.  

It  is  likely  that  the  interactions  between  genes  and  environmental  factors  are 

responsible for most birth defects related to teratogenic exposures. 

 

Potential Teratogenic mechanisms: 

•  mutational changes in DNA sequences 
•  chromosomal  abnormalities  leading  to  structural  or    quantitative  changes  in 

DNA 

•  alteration or inhibition of intracellular metabolism, e.g., metabolic blocks and 

lack of co-enzymes, precursors or substrates for biosynthesis 

•  interruption of DNA or RNA synthesis 
•  interference with mitosis 
•  interference with cell differentiation 
•  failure of cell-to-cell interactions 
•  failure of cell migrations 
•  cell death through direct cytotoxic effects 
•  effects on cell membrane permeability and osmolar changes 
•  physical disruption of cells or tissues. 


background image

22 

 

Types of Teratogens, See Figure (6-27): 

Genetic  factors  are  responsible  for  one  third  of  congenital  malformations  with 

known causes. 

(A  chromosomal  abnormality  occurs  in  1  of  170  live  born  infants.  Among 

chromosomally  abnormal  neonates,  1/3

rd

  have  an  extra  sex  chromosome,  1/4

th

  have 

trisomy  of  an  autosome,  and  the  remaining  have  an  aberration  of  chromosomal 
structure such as a deletion or translocation. However, a significant majority of these 
infants have  no  phenotypic  manifestations at  birth.  Nearly  10% of  infants  with  lethal 
multiple congenital  malformations  have  abnormal  cytogenetic  studies.  However,  this 
proportion is likely to be much higher today with advances in genetics.  

With  better  understanding  of  the  human  genome  and  improved  techniques  in 

molecular  cytogenetics,  more  and  more  structural  chromosomal  abnormalities  are 
being  identified  as  a  cause  of  congenital  anomalies  previously  considered  to  be  of 
unknown etiology). 

Environmental  factors  also  play  an  important  role  in  the  etiopathogenesis  of 

many  congenital  malformations.  Maternal  exposure  to  certain  environmental  agents 
can lead to disruption of the normal developmental process and result in both minor 
and major congenital anomalies.  

 

((Nice to know topic)) 

A & D with definitions are important to know 

 

Classification of Congenital Anomalies 

Although  all  congenital  malformations  are  a  result  of  an  aberrant  structural 

development,  the  underlying  cause/mechanism,  extent  of  maldevelopment, 
consequences,  and  the  risks of  recurrence  are  variable.  Congenital  anomalies  can  be 
classified  either  based  on  timing  of  insult,  underlying  histological  changes,  or  based 
on its medical and social consequences. 
 

A. Classification based on timing of insult. 

Congenital anomalies can be placed into the following three categories on the basis of 
developmental stage during which the aberration in development took place. 

1. 

Malformation.

 A malformation is a morphologic  defect of an organ, part  of 

an  organ,  or  a  region  of  the  body  due  to  an  intrinsically  abnormal 
developmental  process.  They  usually  result  from  abnormal  processes  during 
the  period  of  embryogenesis  and  have  usually  occurred  by  eighth  week  of 
gestation with  the  exception  of  some anomalies  of  brain,  genitalia,  and  teeth. 
Since malformations arise during this  early stage of development, an  affected 
structure  can  have  a  configuration  ranging  from  complete  absence  to 
incomplete  formation.  The  examples  include  renal  agenesis  and  neural  tube 
defects (Figure 6-28). Malformations are caused by genetic or environmental 
influences or by a combination of the two.  

2. 

Disruption.

 It results from the extrinsic breakdown of or an interference with 

an  originally  normal  developmental  process  and  the  resulting  anomaly  can 
include an organ, part of an organ, or a larger region of the body. Congenital 
abnormalities secondary to disruption commonly affect several different tissue 
types and the structural damage does not conform to the boundaries imposed 
by  embryonic  development.  A  disruption  is  never  inherited  but  inherited 
factors  can  predispose  to  and  influence  the  development  of  a  disruption.  An 
anomaly  secondary  to  disruption  can  be  caused  by  mechanical  forces, 
ischemia,  hemorrhage,  or  adhesions  of  denuded  tissues  and  occur  during  or 


background image

23 

 

after  organogenesis.  An  example  of  congenital anomaly  caused  by  disruption 
is the amniotic band sequence (Figure 6-29).  

3. 

Deformation.

 Deformational anomalies are produced by aberrant mechanical 

forces  that  distort  otherwise  normal  structures.  These  anomalies  occur  after 
organogenesis,  frequently  involve  musculoskeletal  tissues  and  have  no 
obligatory  defects  in  organogenesis.  Common  causes  of  deformation  are 
structural  abnormalities  of  the  uterus  such  as  fibroids,  bicornuate  uterus, 
multiple gestation,  and  oligohydramnios (Figure  6-30).  Deformations  can  be 
reversible  after  birth  depending  on  the  duration  and  extent  of  deformation 
prior  to  birth.  Thus,  both  deformations  and  disruptions  affect  previously 
normally  developed  structures  with  no  intrinsic  tissue  abnormality.  These 
anomalies  are  unlikely  to  have  a  genetic  basis,  are  often  not  associated  with 
cognitive deficits, and have a low recurrence risk. 

 
B. Classification based on underlying histological changes.  

1.  Aplasia e.g. renal agenesis.  
2.  Hypoplasia e.g. pulmonary hypoplasia. 
3.  Hyperplasia 
4.  Dysplasia  e.g.  Marfan  syndrome,  congenital  ectodermal  dysplasia,  and 

skeletal  dysplasias.  Most  dysplasias  are  genetically  determined;  unlike  other 
mechanisms  of  congenital  malformations,  most  dysplastic  conditions  have  a 
continuing  course  and  can  lead  to  continued  deterioration  of  function  during 
life. 

 
C. Clinical classification of birth defects 
 

1.  Single system defects:  involvement of either  a single organ  system or only  a 

local region of the body such as cleft lip/palate (Figure 6-31) and  congenital 
heart  defects  (Figure  6-32).  These  anomalies  usually  have  a  multifactorial 
etiology and the recurrence risk is often low.  

2.  Multiple  malformation  syndrome.  The  term  “syndrome”  (Greek:  running 

together)  is  used  if  a  combination  of  congenital  malformations  occurs 
repeatedly  in  a  consistent  pattern  and  usually  implies  a  common  etiology, 
similar natural history, and a known recurrence risk.  

3.  Associations.  Association  includes  clinical  entities  in  which  two  or  more 

congenital anomalies occur together more often than expected by chance alone 
and  have  no well-defined  etiology.  The  link  among  these  anomalies  is  not  as 
strong and consistent as among anomalies in a syndrome. A common example 
of an association is the VACTERL association which includes vertebral, anal, 
c

ardiac, tracheoesophageal, renal, and limb anomalies. The awareness of these 

associations  can  prompt  a  clinician  to  look  for  other  defects  when  one 
component of an association is noted.  

4.  Sequences.  The  term  sequence  implies  that  a  single  primary  anomaly  or 

mechanical factor initiates a series of events that lead to multiple anomalies of 
the same or separated organ systems and/or body areas. A common example is 
the  Potter  sequence  in  which  primary  abnormality  of  renal  agenesis  leads  to 
oligohydramnios,  limb  deformities,  flat  facies,  and  pulmonary  hypoplasia 
(Figure 6-30). The underlying etiologies for most sequences are unknown and 
the recurrence risk is usually low. 

5.

  Complexes.  The  term  complex  is  used  to  describe  a  set  of  morphologic 

defects  that  share  a  common  or  adjacent  region  during  embryogenesis,  for 
example,  hemifacial  microsomia.  These  defects  are  also  referred  to  as 


background image

24 

 

polytopic field  defects. Lack of  nutrients and  oxygen secondary  to  aberration 
of blood vessel formation in early embryogenesis as well as direct mechanical 
forces have been identified as a cause of many recognized complexes.  

 

D. Classification of birth defects based on medical consequences.  

Based on the medical consequences, a congenital malformation can be classified 

as either major or minor. 

1. 

Major  malformations.

  Major  malformations  are  anatomic  abnormalities 

which  are  severe  enough  to  reduce  life  expectancy  or  compromise  normal 
function such as neural tube defects, renal agenesis, etc. Major malformations 
can be further divided into lethal or severe malformations. A malformation is 
considered  lethal  if  it  causes  stillbirth  or  infant  death  in  more  than  50%  of 
cases.  The  remaining  major  malformations  are  life-threatening  without 
medical intervention and are considered severe. 

2. 

Minor  malformations.

  Minor  malformations are  structural alterations  which 

either  require  no  treatment  or  can  be  treated  easily  and  have  no  permanent 
consequence  for  normal  life  expectancy.  The  distinction  between  minor 
malformation and a normal variant is often arbitrary. It is common for isolated 
minor  anomalies  to  be  familial.  Minor  malformations  are  most  frequent  in 
areas of complex and variable features such as the face and distal extremities 
(Figure  6-33).  Minor  malformations  are  relatively  frequent  and  a  higher 
incidence may be noted among premature infants and infants with intrauterine 
growth retardation. In general, minor malformations are more subtle, have low 
validity of diagnoses, and are not reported consistently. They are nevertheless 
significant  as  they  may  be  an  indication  of  the  presence  of  a  major 
malformation and may also provide critical clues to the diagnosis. The risk of 
having  a  major  malformation  increases  with  the  number  of  associated  minor 
malformations.  It  is  estimated  that  infants  with  three  or  more  minor  defects 
have  a  20–90%  risk  of  a  major  malformation;  those  with  two  minor  defects 
have 7–11% risk; those with one minor defect have a 3–4% risk compared to 
infants  with  no  minor  malformations  who  have  a  1–2%  risk  of  a  major 
malformation. Some of this variability in risk is probably related to variability 
in definition, documentation, and validity of minor malformation diagnoses in 
different studies. For more examples, see Figures (6-34, 5 photos) 

 

Aetiology of birth defects: 

1.  Genetic factors: > 35% including: 

a.  Chromosomal anomalies: both numerical and structural. 
b.  Single gene defects: less common cause of birth defects. 
c.  Multifactorial: are important cause of birth defects. 

2.  Environmental teratogens (45-50%): 

1.

  In-utero infection :  
Prenatal  infection  of  the  foetus  with  bacteria,  viruses,  or  parasites  may  occur 

during pregnancy due to maternal infection that is transferred to the foetus through the 
placenta causing foetal infection. The most common is the viral infection with rubella 
virus (German measles), and influenza virus. 

I. Viral infections: 
a.  Rubella    congenital  rubella  syndrome  usually  causes  a  more  severe 

malformation  the  earlier  it  infects  the  fetus,  The  incidence  of  congenital 
malformation  due  to  infection  with  rubella  decreases  as  the  infection  is 


background image

25 

 

contracted later during pregnancy. The modern immunization against rubella 
in girls at reproductive age is one of the very successful methods to prevent 
this  type  of  malformation.  Rubella  causes  congenital  heart  defect,  mainly 
septal  defect,  microcephaly  as  it  invades  the  nervous  system 

  mental 

retardation,  or  infection  of  the  chambers  of  the  eyes  leading  to  blindness, 
cataract, in addition to causing deafness (Figure 6-35)

b.  Influenza virus usually causes cleft lip and palate. 
c.  Mumps,  measles,  herpes  simplex  (type  I  &  II)    neural  tube  defects, 

microcephaly, or hydrocephaly (Figure 6-36, 6-37) . 

d.  CMV:  usually  causes  early  fetal  loss  (abortion),  but  if  not    severe 

malformation like microcephaly and mental retardation. 

II. Bacterial  infection: The most important in this regard is Treponyma pallidum 

 congenital syphilis with multiple organ system effects ranging from severe to mild 
forms according  to  the timing  of  exposure  (more  severe  in  early  infections  and  less 
severe later in pregnancy). 

III. Parasitic infestation: 

   Toxoplasma gondii

 is an intracellular parasite, usually contracted from animals, 

mostly  sheep  or  cats.  It  invades  the  CNS 

  microcephaly,  mental  retardation  and 

jaundice  (Toxoplasmosis).  It  has  some  similarities  to  rubella  in  terms  of  timing  of 
infection or infestation. 

 
2.

  Physical teratogens :  

These could be: 

a.  Heat,  whether  sauna bathing,  or  from  weather  or  fever  (if  it  does  not 

cause abortion) 

 neural tube defects. 

b.  Physical  (mechanical)  pressure  that  may  be  caused  from  inside  the 

uterus  or  outside  it  pressing  the  growing  fetus  preventing  its  proper 
growth. These could be the following : 

i.  Congenitally  abnormal maternal uterus like unicornuate uterus 

or septate uterus. 

ii.  Luminal fibroid (large leiomyoma) projecting into the lumen. 

iii.  Corset wearing for a long period during pregnancy. 

iv.  Decreased  amount  of  liquor  or  absence  of  liquor  (Potter's 

facies). 

These  may  cause  abnormal  positioning  of  the  limbs  or  feet  resulting  in 

congenital hip dislocation or club foot, face compression, etc. 

v.  Amniotic  (fibrous)  band,  which  are  fibrosis  of  the  amniotic 

membrane  due  to  infection  that  may  turn  around  a  growing 
external part of the foetal body causing cut in its blood supply, 
ischemia  and  necrosis,  like  amputation  of  a  finger  or  hand  or 
foot. 

c.  Ionizing  radiation,  whether  diagnostic  or  therapeutic.  Radiation  or 

accidents usually causes malformation. Radiation causes embryonal or 
fetal  death,  microcephaly  anophthalmia  and  spina  bifida,  and 
Congenital heart disease (CHD). 

The  most  sensitive  time  for  radiation  effect  is  between  2-4  weeks  after 

fertilization. 

 

3.

  Chemical teratogens, these could be : 

a.  Non-medicinal:  


background image

26 

 

i.  like  pesticides,  insecticide,  and  household  chemical  used  in 

cleaning and industrial chemical. Some of those usually contain 
organic  phosphorous,  which  is  very  toxic.  These  usually  are 
ingested  accidentally  by  contaminated  food  and  water.  They 
usually  cause  abnormality  of  the  nervous  system  like  tremor 
rigidity, and may cause spina bifida.  

ii.  Alcohol  and  cigarette  smoking  are  to  be  mentioned  in  this 

category,  both  cause  intrauterine  growth  retardation  and 
delayed mental development in later life after birth with small 
stature.  Alcohol  also  results  in  a  typical  facial  features  and 
microcephaly (fetal alcohol syndrome). 

b.  Medicinal  chemicals: one  should  consider  that  all  drugs are  not  safe 

during  the  early  weeks  post-fertilization  and  medication  should  be 
taken  cautiously.  The  most  properly  documented  drugs  in  causing 
congenital malformation are: 

i.  Thalidomide:  a  drug  used  for  sedation  or  treatment  of 

hyperemesis  gravidarum  (severe  nausea  and  vomiting  during 
early  months  of  pregnancy),  usually  causes  amelia  and 
phocomelia (short deformed limbs) (Figure 6-38)

ii.  Anti-convulsants, 

especially 

phenytoin 

causes 

ptosis, 

microcephaly, 

pilonidal 

sinus 

and 

subnormal 

mental 

development,  and  camptodactyly  (flexion  contracture  of  some 
or all fingers). 

iii.  Anticoagulant, especially warfarin  neural tube defects. 

iv.  Cytotoxic  drugs  (anti-metabolites)  as  they  depress  cellular 

metabolism,  especially  the  rapidly  dividing  ones 

  club  foot 

(Figure 6-39), cleft palate, growth retardation. 

v.  Hormones:  like  progesterone  (used  to  maintain  pregnancy  in 

threatened  abortion),  oestrogen  and  cortisone.  The  1

st

  causes 

ambiguous  genitalia,  the  2

nd

  causes  vaginal  carcinoma  of  the 

growing  female  baby  at  an  early  age  between  10-15  years, 
while cortisone causes cleft lip and palate and NTDs. 

 

Paracelsus once said:  

“Poison is in everything, and nothing is without poison.  

The dosage makes it either a poison or a remedy.” 

 

4.

  Maternal disorders : 

a.  Diabetes  mellitus,  whether  treated  or  not,  and  whether  it  is  of  type  I 

(insulin-dependant) or type  II  (non-insulin  dependant), usually  causes 
caudal  regression  syndrome  (one  single  fused  limb)  and  femoral 
hypoplasia with agenesis of the sacrum (Figure 6-40)

b.  Maternal phenylketonuria (PKU), which is a genetic metabolic disease 

that  could  be  treated.  Females  may  reach  reproduction  with  normal 
state  but  their  high  phenylalanine  serum  level  results  from  their 
deficiency  of  phenylalanne  hydroxylase  enzyme  will  destroy  the 
developing  brain  of  the  rowing  embryo  to  cause  brain  atrophy  and 
consequently mental retardation. 

c.  Vitamin  A  maternal  state  both  hypo  and  hyper:  severe  limitation  of 

dietary  intake  results  in  hypo  state  as  happen in  Iraqi  mothers  during 
the  embargo;  hyper  state  results  from  treatment  with  the  modern 


background image

27 

 

creams  of  vitamin  A  used  for  acne.  Both  result  in  microphthalmia 
(Figure 6-41). Deficiency states 

 NTDs and cataracts. 

d.  Endemic goiter: a decrease in thyroid hormones production due to lack 

of  a  proper  iodine  intake  especially  during  times  of  stress  and 
increased  T3  &  T4  demand  (pregnancy,  puberty,  rapid  growth) 

 

elevated  TSH  level  and  thus  it  may  pass  to  the  fetus  and  ultimately 
suppresses  its  own  thyroid  function 

  congenital  hypothyroidism 

(cretinism). 

 

A better understanding of the etiology and pathogenesis of these defects has led 

to  several  prevention  strategies  over  the  years.  Rubella  immunization  and  avoidance 
of teratogenic drugs in women of reproductive age, use of folic acid supplementation 
and maintenance of euglycemia in diabetic patients during the periconception period, 
premarital and  preconception  genetic counseling  to  couples  at risk  of  certain  genetic 
disorders,  and  screening  for  Down  syndrome  in  presence  of  advanced  maternal  age 
are  a  few  examples  of  very  effective  and  successful  strategies  to  prevent  congenital 
malformations in a newborn. 

 
Classification of medicines / chemicals in relation to their teratogenic effects 

(nice to know this year but essential to know in clinical practice) 

 

Category

 

Description

 

A

 

Medication has not shown an increased risk for birth defects in human studies. 

 

B

 

Animal studies have not demonstrated a risk and there are no adequate studies in 
humans, OR animal studies have shown a risk, but the risk has not been seen in 
humans

 

C

 

Animal studies have shown adverse effects, but no studies are available in humans, 
OR studies in humans and animals are not available. 

 

D

 

Medications that are associated with birth defects in humans, however, there 
may be potential benefits in rare cases that outweigh their known risks. 

 

X

 

Medications are contraindicated (should not be used) in human pregnancy
because of known fetal abnormalities that have been demonstrated in both human and 
animal studies. 

 

 

 

 


background image

28 

 

Drugs known to cause human birth defects  

(nice to know this year but keep it as a reference for future use – essential) 

 

•  ACE inhibitors (eg, captopril, enalapril) - D  
•  Acetohydroxamic acid (AHA) - X  
•  Aminocaproic acid - D  
•  Androgens (eg, Danazol) - X  
•  Angiotensin II receptor antagonists (eg, losartan, valsartan) - D  
•  Antineoplastics (alkylating agents) - D  
•  Antineoplastics (antimetabolites) - X  

– 

5-Fluorouracil  

– 

Methotrexate  

– 

Methylaminopterin  

– 

Cytarabine  

– 

Busulfan  

– 

Chlorambucil  

– 

Azathioprine  

– 

Cyclophosphamide  

– 

Mechlorethamine  

– 

Cisplatin  

– 

Bleomycin  

•  Aminoglycosides (eg, gentamicin, streptomycin) - D  
•  Aspirin - D  
•  Atenolol - D  
•  Benzodiazepines - D and X  

– 

Flurazepam (X)  

– 

Temazepam (X)  

– 

Triazolam (X)  

•  Bromides - D  
•  Carbamazepine - D  
•  Colchicine - D  
•  Corticosteroids - C  
•  Danazol - X  
•  Diethylstilbestrol - Not on market  
•  Ergotamine - X  
•  Finasteride - X  
•  Fluconazole - C  
•  Folic acid antagonists - D (phenytoin) and X (methotrexate)  
•  Lithium - D  
•  Methimazole - D  
•  Methylene blue - C  
•  Mifepristone, RU-486 - D  
•  Minoxidil - C  
•  Misoprostol - X  
•  Mysoline - D  
•  Penicillamine - D  
•  Phenobarbital or methylphenobarbital - D  
•  Potassium iodine and medications that effect iodine levels (diatrizoate) - D  
•  Progestins - X (except megestrol and norethindrone - D)  
•  Raloxifene (Evista) - X  
•  Retinoic acid, isotretinoin (Accutane), acitretin (Soriatane), etretinate, topical tazarotene - X  
•  Statins (3-hydroxy-3-methylglutaryl coenzyme A [HMG-CoA] reductase inhibitors) - X  
•  Tamoxifen - D  
•  Tetracycline - D  
•  Thalidomide - X  
•  Valproic acid - D  
•  Warfarin - X 

 

 


background image

29 

 

Diagnosis of Genetic Diseases 

 

Diagnosis  of  genetic  diseases  requires  the  classical  sequence  of  getting 

information about the patient like any medical disorder i.e. by history taking, clinical 
examination  of  the  patient  plus  doing  some  additional  laboratory  (hematological, 
biochemical, serological, hormonal, etc.) or radiological (plain X-ray, CT-scan, MRI, 
Echocardiogram, etc.) tests when indicated. If a provisional diagnosis is made or a list 
of few differential diagnoses is thought of, a confirmatory test should be sought for to 
confirm or rule out that diagnosis. 
 
Cytogenetics (Karyotyping): 

A specific diagnosis for the genetic disorders may require a chromosomal study 

(a cytogenetic study to diagnose a numerical or structural chromosomal abnormality), 
which is the basic tool for any genetic laboratory, and can be used in a wide variety of 
gross chromosomal abnormalities (as discussed earlier), but many genetic diseases are 
caused by subtle changes in individual genes that cannot be detected by karyotyping.  
 
Molecular cytogenetics: 

Sometimes,  the  defect on  the  chromosome  is  more  subtle  (e.g.  deletion  of  the 

largest gene in the whole human DNA i.e. the dystrophin gene of a size of 2.4 M.B., 
is  beyond  the  capability  of  the  light  microscope  to  detect).  In  this  case,  in  situ 
hybridization
 is used to detect the mutated chromosome. 
 
Hybridization: 

This  is  a  procedure  used  in  the  diagnosis  of  genetic  and  other  pathologies  as 

well as in the diagnosis of cancer.  

It  is  based  on  the  fact  that  the  two  DNA  strands  are  not  identical  but 

complementary.  

The  test  is  performed  by  adding  a  synthetic,  single  stranded  DNA  sequence 

(called a probe) [that is made complementary to a specific region of DNA under study 
and is being labeled with a specific dye] to the double stranded DNA from the patient 
(after making it single stranded by a process called denaturation). If the probe found 
its complementary region along the patient's DNA, it'll combine (hybridize) to it  and 
starts emitting a color or "fluoresce". This emitted color can be detected using a UV-
microscope. 
Advantages: 

This procedure can detect smaller chromosomal defects (mostly structural ones) 

and can also detects numerical  chromosomal abnormalities during interphase as  well 
as  during  metaphase  (in  contrast  to  karyotyping  that  requires  the  cells  to  be  tested 
during  metaphase  only  i.e.  dividing  cells).  It  also  require  less  incubation  time  and 
fewer number of tested cells. 

This  procedure  forms  the  basis  of  what  is  known  as  fluorescent  in  situ 

hybridization (FISH). 

Nevertheless,  this  procedure  cannot  detect  single  point  mutations  or  even 

addition / deletion of 2 or more nucleotide bases. 

 
So,  the  technique  used  for  detection  of  such  smaller  defects  is  usually  DNA-

based;  the  most  representative  and  most  commonly  used  one  is  polymerase  chain 
reaction  (PCR)  that  revolutionalized  the  diagnostic  ability  of  genetic  testing.  Most 
new techniques used nowadays are PCR-based. 

 


background image

30 

 

Molecular Genetics 

Traditionally  the  diagnosis  of  single-gene  disorders  has  depended  on  the 

identification  of  abnormal  gene  products  (e.g.,  mutant  hemoglobin  or  enzymes)  or 
their  clinical  effects,  such  as  anemia  or  mental  retardation  (e.g.,  phenylketonuria). 
Now it is possible to identify mutations at the level of DNA and offer gene diagnosis 
for  several  mendelian  disorders.  The  use  of  recombinant  DNA  technology  for  the 
diagnosis of inherited diseases has several distinct advantages over other techniques:  

•  It is remarkably sensitive. The amount of DNA required for diagnosis by 

molecular hybridization techniques can be readily obtained from 100,000 
cells.  Furthermore,  the  use  of  PCR  allows  several  million-fold 
amplification of DNA or RNA, making it possible to use as few as 100 
cells  or  1  cell  for  analysis.  Tiny  amounts  of  whole  blood  or  even  dried 
blood can supply sufficient DNA for PCR amplification. 

•  DNA-based  tests  are  not  dependent  on  a  gene  product  that  may  be 

produced only in certain specialized cells (e.g., brain) or expression of a 
gene that may occur late in life. Because virtually all cells of the body of 
an  affected  individual  contain  the  same  DNA,  each  postzygotic  cell 
carries the mutant gene. 

These  two  features  have  profound  implications  for  the  prenatal  diagnosis  of 

genetic diseases (giving a diagnosis of the yet unborn foetus). 

There  are  two  distinct  approaches  to  the  diagnosis  of  single-gene  diseases  by 

recombinant  DNA  technology:  direct  detection  of  mutations  and  indirect  detection 
based on linkage of the disease gene with a harmless "marker gene." 

 

((Nice to know topics)) 

 
DIRECT GENE DIAGNOSIS  

It is also called the diagnostic biopsy of the human genome. It is indicated when 

the  location  of  the  gene  being  tested  is  known.  Such  diagnosis  depends  on  the 
detection of  an  important  qualitative change  in  the  DNA. There  are  several  methods 
of  direct  gene  diagnosis;  almost  all  are  based  on  polymerase  chain  reaction  (PCR) 
analysis, which involves exponential amplification of DNA from small quantities of 
starting material
. If RNA is used as a substrate, it is first reverse transcribed to obtain 
cDNA  (using  an  enzyme  called  reverse  transcriptase)  and  then  amplified  by  PCR. 
This method is often abbreviated as RT-PCR.  

To  detect  the  mutant  gene,  two  primers  (lengths  of  a  single  stranded  DNA 

made complementary to a desirable length of the tested DNA 'part of the gene to 
be  tested')
 that bind to the 3' (called  three prime) and 5' (called five prime) ends  of 
the normal sequence are designed. By using appropriate DNA polymerases (enzymes 
that build up DNA  strand based on its  complementary strand) and thermal  cycling
the DNA between the primers is greatly amplified, producing millions of copies of the 
DNA  between  the  two  primer  sites.  The  amplified  normal  DNA  and  patient's  DNA 
are then digested with a restriction enzyme that cuts the amplified DNA into pieces of 
known sizes e.g. the normal DNA yields three fragments (67 base pairs, 37 base pairs, 
and 163 base pairs long); by contrast, the patient's DNA yields only two products, an 
abnormal fragment that is 200 base pairs (instead of two pairs of 37 and 163 b.p.) and 
a  normal  fragment  that  is  67  base  pairs  long.  These  DNA  fragments  can  be  readily 
resolved  by  gel  electrophoresis  (by  which  we  can  separate  DNA  bands  or  pieces 
according to their molecular weight)
 and then visualized after staining with ethidium 
bromide under ultraviolet light. 

 


background image

31 

 

INDIRECT DNA DIAGNOSIS: LINKAGE ANALYSIS  

Direct  gene  diagnosis  is  possible  only  if  the  mutant  gene  and  its  normal 

counterpart have been identified and cloned and their nucleotide sequences are known 
(its  exact  locus  and  size  are  well  known).  In  a  large  number  of  genetic  diseases, 
including  some  that  are  relatively  common,  information  about  the  gene  sequence  is 
lacking.  Therefore, alternative  strategies  must  be  employed  to track  the  mutant  gene 
on  the  basis  of  its  linkage  to  detectable  genetic  markers.  In  essence,  one  has  to 
determine  whether  a  given  fetus  or  family  member  has  inherited  the  same  relevant 
chromosomal  region(s)  as  a  previously  affected  family  member.  It  follows  therefore 
that  the  success  of  such  a  strategy  depends  on  the  ability  to  distinguish  the 
chromosome that carries the mutation from its normal homologous counterpart. This 
is  accomplished  by  exploiting  naturally  occurring  variations  or  polymorphisms  in 
DNA sequences.  

Because  in  linkage  studies  the  mutant  gene  itself  is  not  identified,  certain 

limitations listed below become apparent:  

1.  For diagnosis, several relevant family members must be available for testing. 

With  an  autosomal  recessive  disease,  for  example,  a  DNA  sample  from  a 
previously affected child is necessary to determine the polymorphism pattern 
that is associated with the homozygous genotype. 

2.  Key  family  members  must  be  heterozygous  for  the polymorphism  (i.e.,  the 

two homologous chromosomes must be distinguishable for the polymorphic 
site).  Because  there  can  be  only  two  variations  of  restriction  sites  (i.e., 
presence or absence of the restriction site), this is an important limitation of 
RFLPs. Microsatellite polymorphisms have multiple alleles and hence much 
greater  chances  of  heterozygosity.  These  are  therefore  much  more  useful 
than restriction site polymorphism. 

3.  Normal  exchange  of  chromosomal  material  between  homologous 

chromosomes  (recombination)  during  gametogenesis  may  lead  to 
"separation" of the mutant  gene from the  polymorphism pattern with  which 
it  had  been  previously  coinherited.  This  may  lead  to  an  erroneous  genetic 
prediction  in  a  subsequent  pregnancy.  Obviously  the  closer the  linkage,  the 
lower the degree of recombination and the lower the risk of a false test. 

 
Molecular  diagnosis  by  linkage  analysis  has  been  useful  in  the  antenatal  or 

presymptomatic diagnosis of disorders such as Huntington disease, cystic fibrosis, and 
adult  polycystic  kidney  disease.  In  general,  when  a  disease  gene  is  identified  and 
cloned, direct gene diagnosis becomes the method of choice. If the disease is caused 
by one of several different mutations in a given gene, and direct gene diagnosis is not 
feasible, linkage analysis remains the preferred method. 
 

 
 

 


background image

32 

 

CLINICAL GENETICS 

It  is  the  study  of  the  possible  genetic  determinants  affecting  the  occurrence  of 

diseases and disorders. 
 
Role of The Geneticist
 

•  Diagnosis  (History,  Physical  Examination,  Investigations  (including 

karyotyping or DNA diagnostic methods). 

•  Genetic counseling  

1.  Discussing the problem with the family or the individual concerned  
2.  Recurrence risk calculation  
3.  (?) Treatment 
4.  (?) Prenatal diagnosis 
5.  (?) Prevention 

 

Who Might Benefit from Genetic Services? 

•  Parents of a child born with a genetic disorder (AD, AR, XR), birth defect, or 

chromosomal abnormality. 

•  Parents  concerned  about  certain  finding  in  the  family  that  is  recurrent  or 

severe  (deafness,  paralysis,  short  stature,  mental  retardation,  developmental 
delay, childhood blindness, etc.) 

•  Children with developmental delay and unusual features (dysmorphic features) 
•  Individuals  that  fail  to  develop  secondary  sexual  characteristics  or  children 

with ambiguous genitalia  

•  Couples  with  a  history  of  difficulty  becoming  pregnant,  repeated  pregnancy 

losses, stillbirths, or early infant deaths  

•  Children with short stature that is unusual for the family  
•  Individuals with a family history of a birth defects or genetic disease. 
•  Multiple  miscarriages,  still  births,  or  early  infant  deaths  with  congenital 

anomalies  

•  Couples who are first cousins or close blood relatives (consanguinity)  
•  Pregnant  woman  or  their  infants  who  have  been  exposed  to  a  medication, 

drug, radiation, or other environmental agent  

•  Woman  in  their  mid  30's  and  40's  who  are  pregnant  or  are  planning  a 

pregnancy  

•  Individuals of certain ethnic or geographic groups at increased risk for genetic 

disorders  

 

To make a diagnosis: 

•  Information  are  collected  –  about  family  and  medical  history,  family  history 

sometimes  including  photographs  of  family  members  plus  their  physical 
examination. 

•  Consultation of other specialist(s) 
•  Selective laboratory investigations. 
•  Making a clinical diagnosis.  
•  Confirmation  (whenever  possible  or  feasible)  by:  chromosome  testing,  FISH, 

DNA testing, or other genetic testing, as needed. 

 
What is Genetic Counseling? 
 
The  counseling  of  prospective  parents  on  the  probabilities  and  dangers  of  inherited 
diseases  occurring  in  their  offspring  and  on  the  diagnosis  and  treatment  of  such 
diseases. 


background image

33 

 

It  is  a  communication  process  that  translates  technical  and  complicated  knowledge 
into  practical  information  for  individuals  and  families.  Genetic  Counseling  can  help 
an individual or a family with a condition or a disease to:  

•  Understand the cause of the condition  
•  Know the chance of having future children with the condition (recurrence risk) 
•  Learn about current research, testing procedures, prenatal diagnosis  
•  Contact community  resources, and  if possible,  other families  or patients  with 

the same condition  

•  Adjust to the personal and family issues related to a genetic disorder  

 
PRENATAL DIAGNOSIS  

It  employs  a  variety  of  techniques  to  determine  the  health  and  condition  of  an 

unborn  fetus.  Without  knowledge  gained  by  prenatal  diagnosis,  there  could  be  an 
untoward outcome for the fetus or the mother or both. Congenital anomalies account 
for 20 to 25% of perinatal deaths.  

Prenatal diagnosis is helpful for: 

1.   Managing the remaining weeks of the pregnancy  
2.   Determining the outcome of the pregnancy  
3.   Planning for possible complications with the birth process  
4.   Planning for problems that may occur in the newborn infant  
5.   Deciding whether or not to continue the pregnancy  
6.   Finding conditions that may affect future pregnancies  

There  are  a  variety  of  non-invasive  and  invasive  techniques  available  for  prenatal 
diagnosis.  Each  one  can  be  applied  only  during  specific  time  periods  during  the 
pregnancy  for  greatest  utility.  The  techniques  employed  for  prenatal  diagnosis 
include: 
 

•  Ultrasonography  
•  Fetoscopy  
•  Amniocentesis  
•  Chorionic villus sampling  
•  Fetal blood cells in maternal blood  
•  Maternal serum (alpha-fetoprotein, 

beta-HCG, and estriol) 

•  Inhibin-A 

•  Radiography  
•  Gross Examination  
•  Microscopic Examination  
•  Microbiologic Culture & Serology  
•  Karyotyping  
•  FISH (on fresh tissue or paraffin blocks)  
•  DNA Probes  
•  Flow Cytometry  

 
Example: A commonly used screening test: "Triple" or "Quadruple" screen 
Combining  the  maternal  serum  assays  may  aid  in  increasing  the  sensitivity  and 
specificity  of detection  for  fetal  abnormalities.  The classic  test  is  the  "triple  screen" 
for maternal  serum alpha-fetoprotein (MSAFP), beta-HCG, and unconjugated estriol 
(uE3). The "quadruple screen" adds inhibin-A. 

 

 

HCG  

UE3  

MSAFP  

CONDITION  

Normal  

Normal  

Increased  

Neural tube defect  

Increased  

Low  

Low  

Trisomy 21  

Low  

Low  

Low  

Trisomy 18  

Very High  

Low  

Low  

Molar pregnancy  

Increased  

Normal  

Increased  

Multiple gestation  

Low  

Low  

Increased  

Fetal death (stillbirth)  

 




رفعت المحاضرة من قبل: Abdalmalik Abdullateef
المشاهدات: لقد قام 26 عضواً و 385 زائراً بقراءة هذه المحاضرة








تسجيل دخول

أو
عبر الحساب الاعتيادي
الرجاء كتابة البريد الالكتروني بشكل صحيح
الرجاء كتابة كلمة المرور
لست عضواً في موقع محاضراتي؟
اضغط هنا للتسجيل