Мед. Генетика Горбунова. Учебник для студентов медицинских вузов и слушателей последипломного образования
 Скачать 1.71 Mb.
|
|
Глава 1.4. Цитогенетические карты генов Выявление большого количества генов, ассоциированных с определенными фенотипическими признаками, и создание мутантных генетических линий, проходившие параллельно с изучением структурной организации хромосом, явились основой для построения цитогенетических карт генов . Цитогенетические карты определяют принадлежность генов к отдельным хромосомам и их взаимное расположение внутри хромосомы относительно друг друга и видимых хромосомных маркеров, таких как центромера, теломеры, участки гетерохроматина, бэнды. Возможность построения карт генов обусловлена линейным характером и стабильностью расположения генов в хромосомах. Так же как кариотип, карты генов являются видовым признаком, то есть каждый вид характеризуется своей картой генов. Основным методом построения карт генов является классический генетический анализ или анализ наследования признаков в родословных. Мы уже упоминали, что признаки, контролируемые генами, локализованными в разных хромосомах, наследуются независимо друг от друга, так как в процессе мейоза происходит независимое расхождение негомологичных хромосом по гаметам. При локализации генов в одной хромосоме они чаще всего вместе попадают от родителя в половую клетку. В разных половых клетках родительские аллели оказываются только в том случае, если между соответствующими генами проходит кроссинговер. Частота этого события является мерой расстояния между генами, исчисляемого в сантиморганах. При построении карт генов на первом этапе проводят скрещивания между мутантными особями двух разных генетических линий и определяют, насколько независимо комбинируют признаки в поколениях, то есть, сцеплены ли соответствующие гены. Таким образом, выявляют группы сцепления и определяют расстояния между генами. На следующем этапе необходимо сопоставить группы сцепления с хромосомами. В этом случае эффективным оказалось использование особей, несущих небольшие структурные перестройки, чаще всего делеции, индуцированные путем облучения или под действием других мутагенов. Если облучению подвергались особи, гетерозиготные по доминантному признаку, и этот признак исчезал при возникновении делеции, это означало, что соответствующий ген локализован в той же цитогенетической области, которая подверглась делеции. Эффективность построения и точность карт генов резко возрастает при увеличении числа картированных генов, а также других генетических маркеров. В настоящее время подробные цитогенетические карты построены для всех экспериментальных объектов (бактерий, дрожжей, многих растений, дрозофилы, мыши и т.д.). Построение карт генов человека продвигалось очень медленными темпами из-за небольшого размера семей, длительного периода одного поколения, ограниченного числа информативных родословных и отсутствия методов цитогенетического анализа всех пар хромосом. Достаточно сказать, что принадлежность первого гена человека (гена цветовой слепоты) к Х- хромосоме была определена в 1911 г., а картирование аутосомных генов началось только спустя более полувека. Однако появление во второй половине XX века новых биологических технологий, возможность работы на культурах клеток, а также успехи в области цитогенетики и молекулярной генетики резко ускорили этот процесс. В настоящее время степень детализации карт генов человека не только не уступает, но даже превосходит степень детализации карт генов хорошо изученных экспериментальных объектов, таких как дрозофила или мышь. Картирование генов является одним их наиболее значимых этапов их идентификации и изучения ассоциации с определенными заболеваниями человека. Глава 1.5.Типы наследования признаков Законы Менделя и хромосомная теория наследственности явились основой для изучения типов наследования признаков и проведения генеалогического анализа, то есть анализа родословных. Подчеркнем еще раз, что также как раньше мы будем говорить о наследовании моногенных или как их еще иногда называют менделирующих признаков, то есть таких признаков, проявления которых зависят от различных состояний одного гена. Такие признаки относятся к качественным, они существует в виде альтернативных состояний, при этом переходные формы отсутствуют. Это справедливо даже для таких случаев, когда доминирование одного признака над другим не является полным. Характер наследования моногенных признаков зависит от двух обстоятельств: (1) является признак доминантным или рецессивным и (2) находится ли соответствующий ген в аутосоме или в половой хромосоме. В соответствии с этим выделяют аутосомно-доминантный тип наследования, аутосомно-рецессивный и сцепленный с полом , который, в свою очередь, также может быть доминантным или рецессивным. При неполном доминировании расщепления по фенотипу и по генотипу полностью совпадают. Болезни, обусловленные мутациями в митохондриальной ДНК, также имеют свои особенности наследования. Если речь идет об экспериментальных животных, то для изучения наследования используют моногибридные скрещивания и на протяжении последующих поколений проводят количественную оценку потомков, различающихся по исследуемому признаку. Скрещивания между гибридами первого поколения и родительскими формами (Аа х АА и Аа х аа) называются возвратными , если при этомродительская форма относится к классу рецессивных гомозигот, скрещивание называется анализирующим При аутосомно-доминантном типе наследования при скрещивании гомозиготных алтернативных особей признак проявляется в каждом поколении вне зависимости от пола у всех потомков в F 1 и в 75% случаев – в F 2 . Особи с доминантным признаком могут быть как гомозиготными (АА), так и гетерозиготными (Аа) носителями доминантного аллеля. Для того чтобы это выяснить, необходимо провести анализирующее скрещивание такой особи с рецессивной гомозиготой. Если исследуемая особь является доминантной гомозиготой, то все потомки от этого скрещивания будут иметь доминантный признак, и при этом будут гетерозиготами (Аа). Во втором случае в потомстве с равной вероятностью будут наблюдаться особи как с доминантным (Аа), так и с рецессивным (аа) признаком. Мы уже говорили, что методы гибридологического анализа для человека не применимы. Определения типа наследования может проводиться только на основе анализа родословных. В некоторых случаях аутосомно- доминантное заболевание присутствует у одного из родителей больного. При этом вне зависимости от пола вероятность проявления признака в потомстве гетерозиготного носителя доминантной мутации составляет 50%, а гомозиготного – 100%. Но чаще всего (до 90% случаев) доминантные заболевания являются результатом мутации de novo. В этом случае они выглядят как спорадические заболевания. При аутосомно-рецессивном типе наследования признак у гибридов первого поколения будет отсутствовать, однако в F 2 вероятность рождения особей с рецессивным признаком составит 25% вне зависимости от их пола. При проведении анализирующего скрещивания рецессивный признак, также как и доминантный, будет наблюдаться у половины потомков. Особи с рецессивным признаком являются гомозиготными носителями рецессивного аллеля (аа).Чаще всегоони появляются в потомстве гетерозиготных родителей, которые сами не имеют рецессивного признака, но являются гетерозиготными носителями мутации. Таких родителей называют облигатными гетерозиготами. Вероятность рождения больного ребенка у облигатных гетерозигот по закону Менделя составляет 25%. Если речь идет об аутосомно-рецессивном заболевании, то родители больного ребенка, как правило, здоровы, но они могут иметь нескольких больных детей. Дети с аутосомно-рецессивным заболеванием часто рождаются в родственных бракам, причем вероятность рождения больного ребенка возрастает с увеличением степени родства между родителями. Аутосомно-рецессивные мутации могут накапливаться в популяции, так как гетерозиготные носители не подвержены давлению отбора. Если родители больного ребенка не состоят в родстве, то чаще всего они несут разные мутации в одном и том же гене, а их больные дети наследуют каждую из этих мутаций, то есть являются компаунд-гетерозиготами . Аутосомно-рецессивный тип наследования характерен для большинства наследственных ферментопатий. Особенности наследования признаков, определяемых генами, локализованными в половых хромосомах, объясняются тем, что в Y- хромосоме генов немного и практически нет гомологов генов X-хромосомы. В результате рецессивные аллели большинства генов X-хромосомы проявляются у особей мужского пола. Такое состояние рецессивного аллеля, когда у него отсутствует гомолог – (а/-), называется гемизиготным Заметим, что этот термин относится не только к генам, локализованным в половых хромосомах, но и к аутосомным генам в тех случаях, когда область локализации этого гена в одной из гомологичных хромосом делетирована, то есть отсутствует. При Х-сцепленном наследовании будут наблюдаться фенотипические различия в потомстве в зависимости от направления скрещивания, то есть в зависимости от присутствия в родительском поколении признака у матери или отца. Если признак доминантный и присутствует у гомозиготной матери, то в F 1 все особи независимо от пола будут иметь этот признак, а в F 2 будет наблюдаться расщепление 3:1, при этом признак будет отсутствовать только у половины особей мужского пола. В потомстве гетерозиготной матери вероятность рождения особей с доминантным признаком составит 50% независимо от пола. Если же доминантный признак в родительском поколении будет у отца, то в первом поколении этот признак будет присутствовать только у дочерей, а во втором – как у дочерей, так и у сыновей с вероятностью 50%. При рецессивном сцепленном с полом типе наследования признак чаще всего будет выявляться у особей мужского типа, и будет наблюдаться передача признака от «деда» к «внуку». Никогда не будет наблюдаться передача заболевания от отца к сыну, так как сын не наследует Х-хромосому отца, она всегда материнского происхождения. В большинстве случаев особи мужского пола с рецессивным сцепленным с полом признаком с вероятностью 50% будут появляться в потомстве гетерозиготных матерей, не имеющих этого признака. Все потомки первого поколения у отца с рецессивным признаком не будут иметь этого признаки, однако половина его дочерей будут нести мутацию в гетерозиготном состоянии, и вероятность рождения у них особей мужского пола с рецессивным признаком, как мы уже говорили раньше, составит 50%. Тип наследования признаков, определяемых генами Y-хромосомы, называется голандрическим и для него характерна передача признака от отца к сыну. В последние десятилетия накопилось много фактов, свидетельствующих о наличии большого числа отклонений от менделеевских типов наследования. К неменделирующим заболеваниям с нетрадиционным типом наследования, относятся митохондриальные болезни, однородительские дисомии и болезни геномного импринтинга, а также болезни экспансии, обусловленные присутствием динамических мутаций. Митохондриальный или цитоплазматический тип наследования называют материнским. Мужские половые клетки, хотя и содержат очень небольшое количество митохондрий, обеспечивающие их подвижность, но не передают их потомству. Поэтому все митохондрии плода, независимо от его пола имеют материнское происхождение. Таким образом, женщина передает свой генетический материал не только через хромосомы, но и с митохондриальной ДНК (мтДНК), причем с равной вероятностью как мальчикам, так и девочкам. В дальнейшем мы более подробно обсудим все типы наследования на примере различных болезней человека. Подчеркнем еще раз, что рассмотренные выше закономерности наследования справедливы для моногенных признаков. В каталоге генов человека и генетических болезней, который на протяжении нескольких последних десятилетий составлялся при непосредственном участии и под руководством выдающегося медицинского генетика современности Виктора А. МакКьюзика (McKusick V. A. Mendelian inheritance in man: a catalog of human genes and genetic disorder. –2006. - http://www.ncbi.nlm.nih.gov /OMIM/), представлено описание более 16000 генов, ответственных за фенотипические моногенные признаки. Примерно для 11000 из них установлен тип наследования, картировано более 8000 генов человека. Около 4500 генов связано с различными моногенными заболеваниями. Примерно для 4000 моногенных болезней установлен тип наследования. Количество аутосомных заболеваний превышает 3500, причем число доминантных и рецессивных заболеваний примерно одинаково, хотя доминантных все-таки несколько больше. Более 300 болезней наследуется по Х-сцепленному типу, всего несколько (не более 10) – по Y-сцепленому и немногим более 20 заболеваний обусловлены мутациями в митохондриальных генах. В некоторых случаях ни один из родителей не является носителем мутации, присутствующей у их ребенка. Мы уже писали о том, что мутации в определенном гене могут возникнуть de novo в период гаметогенеза в одной из половых клеток родителей. Некоторые аутосомно-доминантные заболевания целиком обусловлены мутациями, возникшими de novo. К их числу относится ахондроплазия, при которой у большинства больных обнаруживается специфическая мутация в гене рецептора 3 фибробластных факторов роста (Fgf). Практически во всех случаях возникают de novo замены одной из гомологичных аминокислот (пролина) в генах трех Fgf- рецепторов, идентифицируемые у больных с различными наследственными формами краниосиностозов (неправильным зарастанием швов черепа у ребенка). Частоты возникновения этих мутаций на три порядка превышают норму. Места возникновения этих специфических мутаций относятся к числу наиболее мутабильных в геноме человека или, как говорят, являются «горячими точками» мутагенеза , причем причины этой высоко специфической нестабильности до сих пор неизвестны. Повышены частоты возникновения мутаций в генах миодистрофии Дюшенна и гемофилии А. Почти у 40-45% больных с этими Х-сцепленными заболеваниями присутствуют мутации de novo. При медико-генетическом консультировании таких больных очень важно определить, унаследовал ли больной мутацию от своей гетерозиготной матери или она возникла de novo. В первом случае в такой семье при повторных беременностях необходимо проводить определенные профилактические мероприятия, направленные на предотвращение рождения больного ребенка. Во втором случае риск повторного рождения больного ребенка в данной семье не превышает общепопуляционного значения, и эта семья не нуждается в профилактических мероприятиях. В дальнейшем мы обсудим эту ситуацию более подробно. В генетическом контроле подавляющего большинства признаков организма может участвовать более одного гена. В этом случае говорят о полигенном наследовании. Иногда количество этих генов может достигать десятков или даже сотен. Полигенное наследование характерно, в частности, для количественных признаков, показатели которых можно измерить, таких как рост, вес, продолжительность жизни, многие продуктивные свойства сельскохозяйственных растений и животных. Изменчивость по фенотипическим проявлениям таких признаков в популяциях соответствует нормальному распределению – рис. 12. Рисунок 12. Пример нормального распределения К классу полигенно наследуемых признаков относятся многие широко распространенные болезни человека – атеросклероз, гипертензия, сахарный диабет, язвенная болезнь, бронхиальная астма и многие другие мультифакториальные заболевания. Для изучения наследования количественных и других полигенных признаков используют статистические методы, разработанные в первой половине прошлого века Фишером. Глава 1.6.Генетика популяций Каждый вид организмов характеризуется определенным уровнем генотипической изменчивости, характер которой различен в разных популяциях. Изучение генетического разнообразия популяций и закономерностей его поддержания являются предметом популяционной генетики. Фундаментом для развития этого направления генетики послужила работа С. С. Четверикова «О некоторых моментах эволюционного процесса с точки зрения современной генетики», вышедшая в 1926 году. В ней впервые обсуждаются вопросы поддержания мутаций в природных популяциях, влияния на этот процесс отбора и изоляции, а также их значения в эволюции. В больших популяциях, в которых нет предпочтения в образовании супружеских пар по родственным, национальным, религиозным, социальным или другим признакам (такие популяции называются панмиктическими от слова панмиксия – случайное скрещивание) соотношение между частотами аллелей и генотипов соответствует закону Харди-Вайнберга , независимо открытым этими двумя учеными в 1908 году. Для моногенных признаков он звучит таким образом: если частоты аллелей А и а равны p и q, тогда частоты гомозигот АА и аа будут равныp 2 и q 2 , а гетерозигот Аа – 2pq соответственно. При отборе, направленном против определенного генотипического класса, мутациях или инбридинге, который возникает при близкородственных браках и в небольших географически изолированных популяциях, так называемых генетических изолятах , эти соотношения нарушаются. К генетической изолированности могут приводить не только географические, но также национальные, социальные, религиозные и другие барьеры. Мутации, возникающие у членов изолированных замкнутых сообществ, получают более широкое распространение в генетических изолятах. Это явление называется эффектом основателя . Изменение частот аллелей в ряду поколений может произойти в силу случайной выборки особей, давших начало популяции или какой-то ее части. Такое явление называется дрейфом генов . Эффект основателя является одной из форм дрейфа генов. Миграции особей также могут сопровождаться дрейфом генов. Инбридинг способствует распространению в генетических изолятах специфических мутаций, ассоциированных с редкими наследственными заболеваниями. Частоты некоторых мутаций в таких популяциях могут возрастать по сравнению с общим уровнем в несколько, а иногда и в несколько десятков раз. Классическим примером, иллюстрирующим эти положения, является этническая группа евреев восточно-европейского происхождения, так называемые евреи-ашкенази. В этой группе в десятки раз повышена частота таких редких лизосомных заболеваний, как болезнь Гоше, Тея-Сакса (амавротическая идиотия), Нимана-Пика, муколипидоз, с высокими частотами встречаются торсионная дистония, синдром Блума (одна из генетических форм нанизма, сочетающегося с повышенной чувствительностью к солнечному облучению, телеангиэктазией, нарушением пигментации кожи и предрасположенностью к злокачественным новообразованиям). Причем, повышение частот этих заболеваний, как правило, происходит за счет широкого распространения специфических мутаций в соответствующих генах. Еще одним примером является аутосомно-доминантная форма болезни Паркинсона, обусловленная мутациями в гене лейцинбогатой киназы 2 – LRRK2. У европейских больных с семейными формами заболевания с частотой 6% встречается специфическая мутация в гене LRRK2 (G2019S), в то время как у таких же больных, но евреев-ашкенази, частота этой мутации достигает 30-40%. Широкое распространение в этой этнической группе имеют определенные полиморфные мутации в двух генах, ассоциированных с раком молочной железы и яичников. Даже такое известное заболевание, как муковисцидоз, у евреев-ашкенази в значительной степени объясняется присутствием особой специфической мутации (W128X). Отметим, что в Израиле в комплексное обследование беременных входит анализ гетерозиготного носительства мутаций в некоторых из генов, ответственных за перечисленные выше заболевания. Совершенно иной спектр наследственных заболеваний, встречающихся с повышенными частотами, наблюдается у финнов, то есть в другой изолированной этнической группе. Специфические финские мутации найдены, по крайней мере, для 30 различных моногенных заболеваний. Частота врожденного нефроза у финнов достигает значения 1:8000. Около 1% коренного населения Финляндии являются гетерозиготными носителями мутации, которая обнаруживается в гомозиготном состоянии более чем у 90% больных диастрофической дисплазией – одной из форм скелетной дисплазии, характеризующейся тяжѐлым сколиозом, двусторонней врождѐнной деформацией кистей и стоп, утолщением ушных раковин, преждевременной кальцификацией рѐбрных хрящей, наличием, в большинстве случаев, расщелины твѐрдого нѐба. С повышенной частотой среди финнов встречаются две формы наследственной офтальмопатии, каждая из которых обусловлена специфической мутацией. Это складчатая атрофия сосудистой оболочки и сетчатки глаза, а также плоская роговица глаза II-го типа, при которой наблюдается помутнение роговицы и корнеальной паренхимы, уже в раннем детском возрасте формируются старческие бляшки диска зрительного нерва или стекловидной пластинки, при этом уровень гиперметропии достигает или даже превышает +10D. С повышенными частотами в финских популяциях встречаются инфантильный цероидный липофусциноз, семейный амилоидоз, одна из генетических форм прогрессирующей миоклонической эпилепсии (Унверрихта-Лундборга). Примеры подобных генетических изолятов не являются единичными. В общем случае распространенность различных мутаций в популяциях зависит от двух сил, действующих в разных направлениях, – частоты возникновения мутаций и негативного или позитивного отбора по отношению к их носителям. Так например, мутация, оказывающая негативный эффект на жизнеспособность в гомозиготном состоянии, может получить широкое распространение в популяции, если в гетерозиготном состоянии она дает какие-то преимущества. Классическим примером является мутация в гене β-глобина, которая в гомозиготном состоянии приводит к серповидно-клеточной анемии. Мутантный гемоглобин имеет пониженную растворимость и повышенную способность к полимеризации, в результате чего эритроциты больных принимают серповидную форму. Такие эритроциты теряют пластичность, закупоривают мелкие сосуды и гемолизируются. Затем развиваются очаги ишемии и инфаркты во внутренних органах, спинном и головном мозге. Заболевание часто встречается в Центральной Африке, Индии, странах Средиземноморья, Ближнего и Среднего Востока, в том числе Азербайджане, Узбекистане и Армении. Оказалось, что в тех же регионах мира распространен малярийный плазмодий, вызывающий тяжелое инфекционное заболевание – малярию. Гетерозигтные носители мутаций в гене β-глобина обладают повышенной устойчивостью к малярии. Частоты гетерозиготного носительства мутации в гене β-глобина в этих популяциях достигают 5-8%. Совокупность перечисленных выше факторов приводит к полиморфизму популяций , то есть устойчивому сосуществованию в пределах одной популяции нескольких генетических форм, при этом разные популяции могут различаться по уровням или частотам полиморфизма. Важной характеристикой особи с определенным генотипом является ее приспособленность (W) , то есть вероятность дожить до репродуктивного возраста и оставить потомство. Общая приспособленность популяции является средней величиной из приспособленностей всех особей, а ее нормированное отклонение от максимально возможного значения – (W max – W)/W max – определяет генетический груз популяции, который является усредненной мерой распространенности в популяции мутаций, снижающих приспособленность особей. Он определяет долю в общей популяции гомозиготных и гетерозиготных носителей мутаций, обладающих негативным влиянием на жизнеспособность. Природные популяции растений и животных, также как человека, отягощены различными мутациями. Применительно к человеку генетический груз определяет распространенность в различных популяциях мутаций, ассоциированных с наследственной патологией. Доминантные мутации проявляются постоянно, часть рецессивных мутаций выявляется у редких гомозигот, но основная доля генетического груза подобно айсбергу скрыта в генофонде популяции в гетерозиготном состоянии. По мнению выдающегося русского генетика С. С. Четверикова мутации в природных популяциях составляют эволюционный резерв вида. Это направление популяционной генетики интенсивно развивалось в нашей стране в первой половине и середине прошлого века в работах Г. Меллера, Н. П. Дубинина, а затем Р. Л. Берг, М. Д. Голубовского и др. Оказалось, что концентрация различных мутаций в популяциях, включая те, которые приводят к летальному эффекту в гомозиготном состояним, достигает нескольких десятков процентов, причем состав этих мутаций постоянно меняется, и в разные годы широкое распространение получают различные специфические мутации. В заключение подчеркнем, что популяционно-генетические исследования имеют первостепенное значение для проведения эпидемиологических исследований с целью правильной организации медико- генетического консультирования населения и профилактики наследственной патологии. |