ПОПУЛЯЦИОННАЯ ГЕНЕТИКА Популяционная генетика это раздел генетики который

ПОПУЛЯЦИОННАЯ ГЕНЕТИКА Популяционная генетика это раздел генетики, который изучает генетическую структуру популяций, их генофонд, факторы и закономерности при смене поколений. Генетический анализ популяции начинается с изучения распространенности того или иного признака, интересующего исследователя, например, наследственные болезни. Далее, зная частоту признака, можно установить генетическую структуру и генофонд популяции по этому признаку. Структура популяции характеризуется частотой генотипов, контролирующих альтернативные вариации признака, а генофонд — частотой аллелей данного локуса. Частотой определенного генотипа в популяции — называют относительное количество особей, обладающих данным генотипом. Частоту можно выражать в процентах общего числа особей популяции, которое принимается за 100%. Однако, чаще в популяционной генетике общее число особей принимается за единицу - 1.

Разберем способы вычисления частоты генотипов на конкретном примере. По МN-системе групп крови каждая популяция состоит из трех генотипов: LMLM; LNLN; LMLN. Принадлежность к каждой группе, можно установить серологическими методами. Генотип LMLM проявляется наличием антигена М, генотип LNLN проявляется наличием антигена N, генотип LMLN наличием обоих антигенов. Предположим при определении MN-групп крови в популяции установлено, что из 4200 обследованных 1218 человек имеют только антиген М (генотип LMLM), 882 человека — только антиген N (генотип LNLN) и 2100 человек — оба антигена (генотип LMLN). Нужно определить частоту всех трех антигенов в популяции. Для решения задачи примем общее число обследованных (4200) за 100% и вычислим, какой процент составляют люди с генотипом LMLM. 1218/4200 x 100% = 29% Следовательно, частота генотипа LMLM равна 29%. Таким же путем можно вычислить частоту двух других генотипов. Для генотипа LNLN она равна 21%, а для генотипа LMLN — 50%. Выражая частоты генотипов в долях единицы, получим соответственно 0, 29, 0, 21, 0, 5.

В популяционной генетике применяются и иные способы выражения частоты, преимущественно для редко встречающихся генотипов. Предположим, что в родильных домах при обследовании на фенилкетонурию выявлено 7 больных из 69862 новорожденных. Болезнь обусловлена рецессивным геном f и больные гомозиготны по этому гену (ff). Определить частоту генотипа ff среди новорожденных. Запишем частоту обычным методом и получим: 7/69862=0, 0001. Этот способ записи показывает, что при данной частоте в популяции на 10 тыс. новорожденных приходится 1 больной ребенок.

ЗАКОН ХАРДИ-ВАЙНБЕРГА Основная закономерность, позволяющая исследовать генетическую структуру популяций, была установлена в 1908 г. независимо друг от друга английским математиком Г. Харди и немецким врачом В. Вайнбергом. Закон Харди-Вайнберга гласит, что при условии наследственной преемственности и при отсутствии мутационного давления и давления отбора устанавливается равновесие частот генотипов, которое сохраняется из поколения в поколение. С точки зрения популяционного генетического анализа важно то, что закон Харди-Вайнберга устанавливает математическую зависимость между частотами генов и генотипов. Эта зависимость основывается на математическом расчете. Если генофонд популяции обусловлен парой аллельных генов, например А и А/ и ген А встречается с частотой p, а ген А/ с частотой g, то соотношение частот этих аллелей в популяции окажется равенством: p. A + g. A/ = 1

Возведя обе части равенства в квадрат, получим (p. A + g. A/ )=12 , после раскрытия скобок получим формулу, отражающую частоты генотипов: p 2 AA + 2 pg. AA/ + g 2 A/A/ =1 Единица стоящая в правой части равенств, показывает, что общее число особей популяции принято за 1, и частоты аллелей и генотипов выражены в долях единицы. При этом символы p и g в обоих равенствах выражают частоты генов А и А/ , а коэффициенты при генотипах в равенстве 2 — частоты генотипов. Следовательно, генотип АА встречается в рассматриваемой популяции с частотой p 2, генотип А/А/ — с частотой g 2, а гетерозиготы — с частотой 2 pg. Таким образом, зная частоту аллелей, можно установить частоту всех генотипов, и, наоборот, зная частоту генотипов — установить частоту аллелей.

Позволяют, например, вычислить частоту гетерозиготных носителей патологических аллелей даже в тех случаях, когда они фенотипически не отличаются от гомозигот. Аналогичным способом можно исследовать генетическую структуру популяции по АВО-системе групп крови. Перед тем как разобрать практическое применение этих формул, остановимся на условиях возникновения равновесия генотипов в популяциях.

К числу этих условий относят: 1. Наличие панмиксии, т. е. случайного подбора супружеских пар, без тенденции вступления в брак с партнерами, подобными или противоположными по генотипу. 2. Отсутствие притока аллелей, вызываемого мутационным давлением. 3. Отсутствие оттока аллелей, вызываемого отбором. 4. Равная плодовитость гетерозигот и гомозигот. 5. Поколения не должны перекрываться во времени. 6. Численность популяции должна быть достаточно большой. Известные генетики Ниль и Шелл отмечают, что, ни в одной конкретной популяции эта совокупность условий не может быть соблюдена, в большинстве случаев расчеты по закону Харди-Вайнберга настолько близки к действительности, что закон оказывается вполне пригодным для анализа генетической структуры популяций.

Известные генетики Ниль и Шелл отмечают, что, ни в одной конкретной популяции эта совокупность условий не может быть соблюдена, в большинстве случаев расчеты по закону Харди-Вайнберга настолько близки к действительности, что закон оказывается вполне пригодным для анализа генетической структуры популяций. Для медицинской генетики важно то, что этот закон можно использовать для анализа популяций и по патологическим генам, которые снижают жизнеспособность и плодовитость индивидов. Это связано с тем, что в человеческих популяциях отток патологических аллелей, вызываемый естественным отбором (с элиминицией особей со сниженной жизнеспособностью), уравновешивается притоком тех же аллелей в результате мутационного давления.

Закон Харди-Вайнберга объясняет тенденцию сохранения генетической структуры в сменяющихся поколениях популяции. Однако существует ряд факторов, нарушающие эту тенденцию. К их числу относят, во-первых, естественный отбор. Отбор — единственный эволюционный фактор, вызывающий направленное изменение генофонда путем удаления из популяции менее приспособленных особей или снижение их плодовитости. Вторым важным фактором, обеспечивающим приток аллелей в популяции, является мутационный процесс. Возникает вопрос. Как часто в естественных условиях возникают мутации в популяциях? Такие мутации называют спонтанными.

Важным фактором, влияющим на частоту аллелей в малочисленных популяциях, являются генетико-автоматические процессы — Дрейф генов. Случайным дрейфом генов (генетическим дрейфом) — называется изменение частот аллелей в ряду поколений, вызываемое случайными причинами, например малочисленностью популяции. В результате дрейфа генов некоторые адаптивные аллели могут быть удалены из популяции, а менее адаптивные и даже патологические в силу случайных причин достигнуть относительно высоких концентраций. Особенно интенсивно эти процессы протекают при неравномерном размножении. У правителя Персии 18 века Фехт -Алишаха было 66 сыновей, старших внуков 124, замужних дочерей 53, сыновей у них 135. К 80 годам жизни у него было 935 прямых потомков. В этих условиях любая мутация, не только полезная, но и вредная, должна была чрезвычайно размножиться среди аристократических семей Персии.

Если популяция не слишком мала, то обусловленные дрейфом генов изменения частот аллелей, происходящие за одно поколение, также малы, однако, накапливаясь в ряду поколений, они могут стать весьма значительными. В том случае, когда на частоты аллелей в данном локусе не оказывают влияния никакие другие процессы (мутации или отбор), эволюция приведет к тому, что один из аллелей будет фиксирован, а все альтернативные аллели элиминированы. Если в популяции происходит только дрейф генов, то вероятность того, что данный аллель будет в конце концов фиксирован, в точности равна его исходной частоте.

Предельный случай дрейфа генов представляет процесс возникновения новой популяции, состоящей всего из нескольких особей, такой процесс был назван Эрнстом Майром — Эффектом основателя. Популяции многих видов, обитающие на океанических островах, и насчитывают миллион особей, происходят от одной или нескольких особей, когда-то очень давно попавших туда в результате миграции. Аналогичная ситуация встречается в озерах, изолированных лесах. Вследствие ошибок выборки частоты генов в различных локусах у немногих особей, основывающих новую популяцию, могут сильно отличаться от частот генов в популяции, из которой они происходят, что может наложить сильный отпечаток на эволюцию вновь основанных популяций.

ЦИТОГЕНЕТИКА Цитогенетика — это раздел генетики, изучающий структурно-функциональную организацию генетического материала, на уровне клетки, главным образом хромосом. Для всестороннего понимания организации хромосом высших организмов (в том числе и человека) необходимы знания общих закономерностей упаковки ДНК во всех вариантах, предоставленных живой природой, — геномах вирусов, прокариот, митохондрий, протистов.

Хромосомы и кариотип Каждая клетка любого организма содержит определенный набор хромосом. Совокупность Кариотипом. хромосом клетки называется В кариотипе соматических клеток выделяются пары одинаковых (по структуре, форме и генному составу) хромосом — так называемые Гомологичные хромосомы (1 -я — материнская, 2 -я — отцовская). Набор хромосом, содержащий пары гомологов, называется Диплоидным (обозначается 2 n).

Половые клетки — Гаметы — содержат половину диплоидного набора, по одной хромосоме из каждой пары гомологов. Такой набор называется гаплоидным (обозначается 2 n). У человека в диплоидном наборе 46 хромосом, у шимпанзе — 48, у крысы — 42, у собаки — 78, у коровы — 60, у дрозофилы — 8, у тутового шелкопряда — 56, у картофеля — 48

Исследуется кариотип обычно на стадии метафазы митоза, когда каждая хромосома состоит из двух идентичных Хроматид и максимально спирализована. Соединяются хроматиды в области Центромеры (первичной перетяжки). В этой области располагается фибриллярное тельце — Кинетохор, к которому присоединяются нити веретена деления во время митоза. Концевые участки хромосом получили название Теломеры. Они препятствуют слипанию хромосом, т. е. ответственны за их «индивидуальность» .

Участок хроматиды между центромерой и теломерой называется плечом. Плечи имеют свои обозначения: короткое — р и длинное — q. В зависимости от расположения центромеры различают следующие морфологические типы хромосом: метацентрические (р = q), субметацентрические (q>р), акроцентрические (одноплечие — q).

Некоторые хромосомы кариотипа имеют вторичную перетяжку, где обычно располагается ядрышковый организатор — область формирования ядрышка. В ядрышке происходит синтез р-РНК и образование субъединиц рибосом. В ядрах разных организмов имеется от 1 до 10 ядрышек, у некоторых их нет совсем.

Для цитогенетического анализа все хромосомы, входящие в кариотип, должны быть идентифицированы. Основной метод идентификации хромосом на цитологических препаратах — это различные способы дифференциальной окраски (Q-, G-, R-, С- и др. ), которые основаны на применении определенных красителей, специфически связывающихся с участками ДНК разного строения.

Методы дифференциальной окраски были разработаны в конце 1960 -х — начале 1970 -х годов, они открыли новую страницу в цитогенетике. Каждая дифференциально окрашенная хромосома имеет свой специфический рисунок исчерченности, что позволяет ее идентифицировать. Кариотип можно представить в виде схемы, в которой хромосомы располагают в определенном порядке (обычно по группам, объединяющим хромосомы одного морфологического типа), под определенными номерами. Такая схема называется идиограммой. Гомологичные хромосомы имеют одинаковый номер, но изображается на схеме только одна из них.

Термин геном (нем. Genom) предложил немецкий ботаник Ганс Винклер в 1920 г. для обозначения минимального набора хромосом. Поэтому в настоящее время в молекулярной генетике термином геном все чаще обозначают минимальную упорядоченную всех молекул ДНК в клетке. совокупность

Рассмотрим организацию генома человека на цитогенетическом уровне. Число хромосом в гаплоидном наборе (основное число) равно 23. Все хромосомы пронумерованы и распределены по классам.

Все хромосомы пронумерованы распределены по классам. и Из них к классу А относятся хромосомы 1, 2, 3; к классу В – хромосомы 4, 5; к классу С – хромосомы 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12; к классу D – хромосомы 13, 14, 15; к классу Е – хромосомы 16, 17, 18; к классу F – хромосомы 19, 20; к классу G – хромосомы 21, 22. Перечисленные хромосомы называются аутосомы, они имеются и у мужчин, и у женщин.

Структура хромосом Каждая хроматида содержит одну молекулу ДНК, связанную с белками-гистонами и негистоновыми белками. В настоящее время принята нуклеосомная модель организации хроматина эукариот. Согласно этой модели белки-гистоны (они практически одинаковы у всех эукариот) формируют особые глобулы, по 8 молекул в каждой глобуле (по 2 молекулы гистонов Н 2 а, Н 2 б, ИЗ, Н 4). Нить ДНК делает по 2 витка вокруг каждой глобулы. Структура, состоящая из гистонового октамера, обвитого участком ДНК (размером 140— 160 п. н. ), называется нуклеосомой. Такая укладка ДНК сокращает ее длину в 7 раз. Нуклеосомная модель получила название «бусинки на нитке» . Положительно заряженные гистоны и отрицательно заряженная ДНК образуют надежный ДНК-

Участок ДНК между нуклеосомами имеет гистон HI. Он играет важную роль в спирализации нуклеосомной нити и образовании второго уровня организации хромосом — винтообразной структуры соленоида. Последующая многоступенчатая укладка ДНК-гистоновой нити определяет компактную упаковку генетического материала в хромосоме, так называемый процесс компактизации хроматина. Всего выделяют 4— 5 уровней упаковки, начиная с нуклеосомного. Степень компактизации хроматина различается в разных участках хромосом и зависит от периода клеточного цикла. Определенную роль в этом процессе разнообразные негистоновые белки. играют Благодаря процессу компактизации очень длинные молекулы ДНК упакованы в клетке в небольшом объеме.

Различают 2 типа хроматина: эухроматин (упакован менее плотно) и гетерохроматин (упакован более плотно). В свою очередь, гетерохроматин разделяют на два класса: структурный (или конститутивный) гетерохроматин (постоянно выявляемые участки) и факультативный гетерохроматин (участки обратимой компактизации эухроматиновых районов). Структурный гетерохроматин локализован в прицентромерных областях и некоторых других районах хромосом, он хорошо выявляется Сокраской. В интерфазе участки структурного гетерохроматина часто агрегируют друг с другом

Считается, что гетерохроматин генетически неактивен в связи с высокой степенью конденсации, а эухроматин — активен. Но, с другой стороны, только незначительная часть генов эухроматина активна, т. е. нахождение в эухроматине является недостаточным условием для экспрессии генов. Еще больше вопросов возникает при изучении функционирования гетерохроматина.

Гигантские хромосомы В природе наблюдаются случаи нетипичной структуры хромосом. Поскольку такие нетипичные хромосомы имеют крупные размеры, они служат удобной моделью для изучения генома. Хромосомы типа «ламповых щеток» представляют собой растянутый и раскрученный вариант обычных хромосом ооцитов во время длительного мейоза. Лучше всего они изучены у амфибий, в связи с их особо крупными размерами. Длина таких хромосом в 30 раз превышает их длину в обычном состоянии. Хромосомы типа «ламповых щеток» получили свое название из-за наличия петель. Петли — это участки хромосомной нити, выступающие из более компактного материала и являющиеся местом активной транскрипции. В конце мейоза хромосомы типа «ламповых щеток» возвращаются к обычному состоянию.

Политенные хромосомы образуются в некоторых клетках в результате максимальной деспирализации и многократной репликации без последующего расхождения хромосом. Такое явление называется эндомитозом. Перед эндомитозом гомологичные хромосомы соединяются попарно — конъюгируют. Такая конъюгация не характерна для других соматических клеток. Все политенные хромосомы кариотипа объединяются центромерами в общий хромоцентр. Лучше всего политенные хромосомы изучены у двукрылых насекомых (в том числе у классического объекта — дрозофилы), хотя встречаются и у некоторых других организмов. Поскольку политенные хромосомы содержат более 1000 нитей, они в 1000 раз толще обычных хромосом и у них хорошо видны участки более плотной спирализации — диски.

Молекулярные механизмы и биологическая роль репарации ДНК Устойчивость живых организмов к различным повреждающим агентам физической, химической и биологической природы, определяется их способностью к восстановлению поврежденных структур. Особая роль принадлежит процессу репарации ДНК на молекулярном уровне, приводящей к восстановлению нормальной структуры нуклеиновых кислот, измененных при взаимодействии с этими агентами. Так возникли восстановительные системы, направленные на исправление повреждений в молекуле ДНК. В настоящее время выделяют пострепликативную репарацию. дорепликативную и Дорепликативная репарация: фотореактивация, эксцизионная или темновая репарация.

Фоторективация Явление фотореактивации было открыто в 1949 г Келнером. Фотореактивация относится к одноэтапным процессам и осуществляется с помошью фотореактивирующего фермента (ФРФ) — фотолиазы. Сущность этого явления состоит в том, что видимый свет с длиной волны 300 -400 нм возбуждает фотореактивирующий фермент, который расщепляет пиримидиновые димеры. Этот механизм обладает свойством устранения только одного вида повреждений (тиминовых димеров), осуществляется одним ферментом, в одну стадию. В темноте фермент (фотолиаза) присоединяется к димеру и под действием видимого света расщепляет димер с образованием исходных неповрежденных оснований, а фотолиаза высвобождается. В 1971 г. ФРФ был обнаружен у всех типов живых организмов. Фотореактивация выявлена в лейкоцитах и фибробластах человека.

Возвращаясь к механизму действия ФРФ, следует отметить, что связывание фермента с содержащей димеры ДНК обратимо, и если этот комплекс не подвергается действию фотореактивирующего света, то происходит его диссоциация и ДНК которая несет измененные фрагменты, может стать субстратом для действия ферментов темновой репарации. Биологическая роль фотореактивации состоит в защите ДНК клеток от инактивирующего действия УФ-излучения.

Эксцизионная репарация (темновая репарация, внеплановый синтез ДНК). Наиболее общим способом исправления структурных повреждений ДНК, вызванных химическими мутагенами, воздействиями УФ и ионизирующего излучения, является эксцизионная репарация. Механизм эксцизионной репарации был обнаружен в 1964 г в клетках микроорганизмов облученных УФ светом. Характерной особенностью была эксцизия пиримидиновых димеров из УФ-облученной ДНК. (вырезание) Позднее оказалось, что этот механизм не ограничивается устранением УФ-повреждений в ДНК, а имеет универсальное значение системы элиминирующей любые химические повреждения первичной структуры ДНК. Другой особенностью эксцизионной репарации является отсутствие потребности в энергии видимого или ближнего УФ света.

Эксцизионная репарация относится к многоэтапным процессам, происходит в 4 стадии с помощью мультиферментной системы и устраняет димеры, пиримидиновые основания, продукты радиолиза. Первая стадия цикла — инцизия (надрезание). Это ферментативный процесс, заключается в разрыве эндонуклеазами цепи ДНК рядом с повреждением. Считают, что этой стадии предшествует стадия распознавания дефекта в ДНК. Вторая стадия — эксцизия, в ходе которой происходит выщепление димера и стоящих рядом нуклеотидов. Участвует фермент экзонуклеаза. Эксцизия начинается экзонуклеазной атакой поврежденной ДНК. При этом отщепляется пиримидиновый димер и происходит дальнейшее последовательное отщепление стоящих рядом нуклеотидов. Другой конец разрыва содержащий на 3 конце фосфатную группу, не может служить затравкой для экзонуклеазной активности ДНК-полимеразы-1, т. к. активность фермента, присоединившегося к такому концу ингибируется, поэтому отщепление фосфата с 3 конца вместе с нуклеотидом, происходит под действием фермента типа экзонуклеазы-3.

В результате образуется 5 -Р-конец, являющийся необходимым для завершения стадии репарации — ДНК-полимеразной реакции (репаративного синтеза). В качестве матрицы для репаративного синтеза ДНК используется комплементарная неповрежденная нить ДНК, обеспечивающая точное воспроизведение первичной структуры ДНК, cуществовавшей до воздействия повреждающего агента. стадия эксцизионной репарации — репаративный синтез, при котором образовавшиеся бреши застраиваются короткими участками с помощью ДНК-полимеразы. Третья Четвертая стадия репарации — сшивание 5 фосфатного и 3 ОН концов репарированной ДНК, участвует фермент лигаза. При действии радиации, когда происходит прямой разрыв нитей ДНК лигаза может действовать как самостоятельный репаративный фермент, осуществляя “сверхбыструю” репарацию.

Таким образом, и фотореактивация и эксцизионная репарация протекают до того, как поврежденные клетки вступят в фазу синтеза ДНК. В отличие от них постреликативная репарация начинается после того, как клетка приступает к репликации. При этом синтез ДНК идет в обход повреждения но против них в дочерних нитях образуются бреши, которые заделываются затем либо путем рекомбинации, либо синтезом ДНК de novo. Последние может быть двоякого рода — синтезами, аналогичными нормальной репликации, при которых азотистые основания включаются в ДНК в полном соответствии с правилами комплементарности (безошибочный путь репарации), либо безматричный синтез, когда основания вставляются наугад. Это склонный к ошибкам путь восстановления.

Все три вида репарации широко распространены в природе. Они обнаружены у представителей разных групп. У разных групп организмов тот или иной путь репарации может быть более или менее активным или даже отсутствовать полностью, но тогда это компенсируется активностью других репарирующих систем. Совместным действием различных восстановительных систем устраняются многие повреждения ДНК. Их разнообразие дает основание предполагать, что репарации могут подвергаться любые стабильные изменения структуры нуклеиновых кислот.

Репарационные последствия при некоторых наследственных болезнях человека. В настоящее время ряд наследственных заболеваний человека изучаются в связи с репарационными процессами. Пять из них — заболевания аутосомно-рецессивного типа, разные по клинической картине, но их общей чертой является нестабильность хромосом, иммунологическая недостаточность и повышенный риск заболевания раком. Пигментная ксеродерма. Это клиническое название объединяет группу болезней, при котором наблюдается повышенная чувствительность кожи к солнечному свету. Клинически это проявляется в покраснении кожи, пигментации, появления злокачественных новообразований. Характерны также признаки старения кожи. С кожными нарушениями могут быть связаны и неврологические аномалии.

Пигментная ксеродерма — первое заболевание человека, для которой была показана связь с состоянием репарационных процессов. Фибробласты кожи больных ПК оказались более чувствительны к УФ-облучению, чем фибробласты здоровых доноров. Это связано с тем, что они обладают пониженной способностью выщеплять димеры тимина после УФ-облучения. Поскольку в ДНК фибробластов больных ПК после облучения не образуются одиночные разрывы, характерные для первого шага эксцизионной репарации, был сделан вывод, что при этом заболевании имеет место мутация в гене, кодирующем синтез УФ-специфичной эндонуклеазы. Добавление этого фермента в среду полностью восстанавливало репаративную способность. В дальнейшем были обнаружены формы заболевания, при которых нарушены и другие ферменты эксцизионного пути и клетки больных оказались чувствительны и к УФ и к ионизирующей радиации.

Панцитопения или анемия Фанкони. Это заболевание характеризуется гематологическими аномалиями. Поражены все ростки костного мозга. Наблюдается лейкопения, тромбоцитопения, анемия, интенсивная коричневая пигментация кожи, дефекты развития скелета, сердца, почек, гонад. Первичным молекулярным дефектом при АФ является нарушение синтеза экзонуклеазы — фермента завершающего вырезание поврежденного участка ДНК. Первоначально, это было показано на УФ-облученных фибробластах больных. В клетках больных АФ вырезание сшивок нарушено из-за отсутствия экзонуклеазы. В клетках отмечена преждевременная конденсация хроматина при вхождении в митоз, появляются хромосомные аберрации. Изучение хромосомных аберраций в лимфоцитах показало, что подвержены оба типа клеток (Т и В лимфоциты). Полагают, что и те и другие лимфоциты могут быть вовлечены в развитие лейкоза при АФ.