Популяционная генетика как раздел генетики человека. Лекция "Генетика человека. Генетика популяций". Популяционная генетика и эволюция

В процессе эволюции живых организмов ясно прослеживается тенденция к той или иной форме интеграции, которая проявляется, начиная с молекулярного уровня организации и заканчивается биосферным. Интеграция позволяет осуществлять разделение функций между отдельными элементами системы, что делает саму систему более лабильной, жизнеспособной и экономичной. Один из уровней интеграции, существующий между индивидуумом и видом, представлен популяцией.

Популяция — это группа особей одного вида, объединенных общим местом обитания. Она складывается под влиянием условий существования на основе взаимодействия трех факторов: наследственности, изменчивости и отбора. Особи внутри популяции обладают сходной системой приспособлений к условиям среды и из поколения в поколение воспроизводят основные адаптивные признаки.

Популяция является основной единицей эволюции. На эту роль популяция вышла благодаря следующим особенностям :

Популяция — самовоспроизводящаяся система, способная к длительному существованию во времени и пространстве, в отличие от индивидуума, жизнь которого ограничена узкими временными рамками и который может не оставить потомства. В основе воспроизводства популяции лежит процесс размножения составляющих ее особей.
Популяция является полномочным представителем вида, т.к. ее генофонд включает все основные гены видового уровня. В то же время в ней испытываются новые гены и их комбинации, за счет чего происходит обогащение видового генофонда.
В популяции в результате скрещиваний осуществляется обмен генетической информацией между особями, который изменяет генотипическую структуру популяции, позволяя ей адекватно реагировать на разнообразные воздействия.

Основными характеристиками популяции являются: ее генофонд, численность, ареал и генотипическая структура. Все они динамичны, подвержены временным, иногда очень значительным, колебаниям. Динамические процессы, приводящие к изменению генетической структуры старых и формированию новых популяций, обозначают термином микроэволюция .

Исследования в области генетики популяций были начаты в первые годы ХХ в. Основателем этого направления считается датский генетик В. Иогансен, который разработал учение о популяциях и чистых линиях. Изучая наследование количественных признаков в популяциях фасоли, Иогансен пришел к выводу о неэффективности отбора в чистых линиях и эффективности его в популяциях, в основе чего лежит генетическая однородность первых и гетерогенность вторых. Открытие Иогансена, наряду с законами Менделя, способствовало созданию научных основ селекции.

Большинство популяций животных и растений складываются на основе свободного скрещивания особей — панмиксии . Это так называемые менделевские, или панмиктические, популяции раздельнополых животных и растений-перекрестников, в которых осуществляется постоянный обмен генетической информацией между ее членами. Иной тип популяций образуют организмы, которым свойственно самооплодотворение или вегетативное размножение. В этом случае обмен генами между особями либо полностью исключен, либо затруднен. Это так называемые закрытые популяции (растения-самоопылители, животные-гермафродиты), которые складываются как группы особей одного вида, имеющие общее происхождение, общий генофонд и общую систему адаптаций. И, наконец, промежуточный тип характерен для популяций растений, в которых самоопыление чередуется с перекрестным, а половое размножение с апомиксисом (факультативные апомикты) или вегетативным размножением. Такие популяции обычно характеризуются сложной генетической структурой.

Особое положение в живой природе занимают популяции человека. Действие биологических факторов, изменяющих генетическую структуру популяции, в первую очередь естественного отбора, изменено в результате деятельности самого человека. С помощью достижений науки, культуры, этики и медицины человек вносит существенные коррективы в процесс конструирования популяций, стремясь свести до минимума риск распространения “вредных” генов. Однако существование человеческих популяций подчиняется тем же законам, которые действуют в других популяциях.

Основной закон генетики популяций был сформулирован в 1908 г. математиком Дж.Г. Харди в Англии и врачом В. Вайнбергом в Германии, независимо друг от друга, на основе данных, относящихся к популяциям человека. Главный постулат этого закона сводится к тому, что частота гена не изменяется от поколения к поколению, а распределение генотипов в каждом поколении соответствует формуле бинома Ньютона, т.е. определяется возведением в квадрат суммы частот двух аллелей.

Рассмотрим процедуру выведения этого закона. Возьмем достаточно большую по численности менделевскую популяцию, в которой присутствуют два аллеля одного гена: А и а . В такой популяции будут встречаться три генотипа: АА , Аа и аа . Обозначим частоту доминантного аллеля через p , а рецессивного через q . В случае свободного комбинирования гамет А и а частота каждого из трех генотипов будет равна: AA = p · p = p 2 ; aa = q · q = q 2 . Генотип Аа может возникнуть двумя путями: получив ген А — от матери, а ген а от отца, или же наоборот. Вероятность каждого из них равна pq , и, таким образом, общая частота генотипа Aa = pq + pq = 2pq .

Геометрическое изображение закона Харди-Вайнберга можно представить в виде решетки Пеннета.

	pA	qa
pA	p 2 AA	pq Aa
qa	pq Aa	q 2 aa

p 2 + 2pq + q 2 = 1

(p + q ) 2 = 1

Особи с генотипом АА будут образовывать один тип гамет с геном А с частотой p 2 . У особей с генотипом Аа будут формироваться два типа гамет: половина с А (pq ) и половина с а (pq ). Особи с генотипом аа дадут все гаметы одного типа с геном а с частотой q 2 . Общая частота гамет с геном А , таким образом, будет равна p 2 + pq = p (p + q ) = 1 = p , а гамет с геном а : q 2 + pq = q (q + p ) = q · 1 = q .

Следовательно, частота гамет, а значит и структура популяции (соотношение разных генотипов) в ней и в следующем поколении будут такими же. В этом случае говорят, что популяция находится в состоянии равновесия.

Закон Харди-Вайнберга имеет фундаментальное значение. Его формула позволяет рассчитывать частоту разных генотипов в популяции на основании фенотипического анализа. Например, допустим, что в популяции коров животные с рецессивной красной мастью составляют 16%, остальные 84% имеют доминантную черную окраску. Следовательно, частота гомозиготного рецессива q 2 = 0,16, а q , соответственно, равна 0,4. Так как p + q = 1, то p = 0,6. Таким образом, частота гомозиготных черных животных p 2 = 0,36, а гетерозиготных 2pq = 2 · 0,4 · 0,6 = 0,48.

Одно из интересных следствий, которое вытекает из закона Харди-Вайнберга, состоит в том, что редкие гены присутствуют в популяции в основном в гетерозиготном состоянии. Так, если частота рецессивного аллеля q = 0,01, то частота его у гомозигот q 2 = 0,0001, а частота у гетерозигот pq = 0,01 · 0,99 ≈ 0,01, т.е. в гетерозиготном состоянии находится в 100 раз больше аллелей, чем в гомозиготном.

Из этого следует вывод, что устранить вредную рецессивную мутацию из популяции практически невозможно: всегда будет существовать зона гетерозигот, где она будет прятаться под прикрытием доминантного гена.

Формула Харди-Вайнберга применима для расчетов при следующих условиях:

1)если учитывается одна пара аллелей;

2)спаривание особей и сочетание гамет осуществляется случайно, т.е. нет ограничений на панмиксию;

3)мутации происходят настолько редко, что ими можно пренебречь;

4)популяция достаточно многочисленна;

5)особи с разными генотипами имеют одинаковую жизнеспособность.

Перечисленным условиям вряд ли может соответствовать хотя бы одна природная популяция. Закон справедлив для так называемой идеальной популяции. Но это ничуть не умаляет его значения. В жизни каждой популяции существуют периоды, когда она находится в состоянии равновесия по частотам отдельных генов. И если это равновесие по какой-либо причине нарушается, то популяция его достаточно быстро восстанавливает.

Популяционная генетика, раздел генетики, изучающий генофонд популяций и его изменение в пространстве и во времени. Разберемся подробнее в этом определении. Особи не живут поодиночке, а образуют более или менее устойчивые группировки, сообща осваивая среду обитания. Такие группировки, если они самовоспроизводятся в поколениях, а не поддерживаются только за счет пришлых особей, называют популяциями. Например, стадо семги, нерестящейся в одной реке, образует популяцию, потому что потомки каждой рыбы из года в год, как правило, возвращаются в ту же реку, на те же нерестилища. У сельскохозяйственных животных популяцией принято считать породу: все особи в ней единого происхождения, т.е. имеют общих предков, содержатся в сходных условиях и поддерживаются единой селекционной и племенной работой. У аборигенных народов популяция – это члены связанных родством стойбищ.

При наличии миграций границы популяций размыты и потому неопределимы. Например, все население Европы – потомки кроманьонцев, заселивших наш континент десятки тысяч лет назад. Изоляция между древними племенами, усиливавшаяся с развитием у каждого из них собственного языка и культуры, вела к различиям между ними. Но обособленность их относительна. Постоянные войны и захваты территории, а в последнее время – гигантская миграция вели и ведут к определенному генетическому сближению народов.

Приведенные примеры показывают, что под словом «популяция» следует понимать группировку особей, связанных территориальной, исторической и репродуктивной общностью.

Особи каждой популяции отличаются друг от друга, и каждая из них в чем-то уникальна. Многие из этих различий наследственные, или генетические, – они определяются генами и передаются от родителей к детям.

Совокупность генов у особей данной популяции называют ее генофондом. Для того чтобы решать проблемы экологии, демографии, эволюции и селекции, важно знать особенности генофонда, а именно: сколь велико генетическое разнообразие в каждой популяции, каковы генетические различия между географически разделенными популяциями одного вида и между различными видами, как генофонд изменяется под действием окружающей среды, как он преобразуется в ходе эволюции, как распространяются наследственные заболевания, насколько эффективно используется генофонд культурных растений и домашних животных. Изучением этих вопросов и занимается популяционная генетика.

Основные понятия популяционной генетики

Частоты генотипов и аллелей. Важнейшим понятием популяционной генетики является частота генотипа – доля особей в популяции, имеющих данный генотип. Рассмотрим аутосомный ген, имеющий k аллелей, A1, A2, …, Ak. Пусть популяция состоит из N особей, часть которых имеет аллели Ai Aj. Обозначим число этих особей Nij. Тогда частота этого генотипа (Pij) определяется как Pij = Nij/N. Пусть, например, ген имеет три аллеля: A1, A2 и A3 – и пусть популяция состоит из 10000 особей, среди которых имеются 500, 1000 и 2000 гомозигот A1A1, A2A2 и A3A3, а гетерозигот A1A2, A1A3 и A2A3 – 1000, 2500 и 3000 соответственно. Тогда частота гомозигот A1A1 равна P11 = 500/10000 = 0,05, или 5%. Таким образом мы получаем следующие наблюдаемые частоты гомо- и гетерозигот:

P11 = 0,05, P22 = 0,10, P33 = 0,20,

P12 = 0,10, P13 = 0,25, P23 = 0,30.

Еще одним важным понятием популяционной генетики является частота аллеля – его доля среди имеющих аллелей. Обозначим частоту аллеля Ai как pi. Поскольку у гетерозиготной особи аллели разные, частота аллеля равна сумме частоты гомозиготных и половине частот гетерозиготных по этому аллелю особей. Это выражается следующей формулой: pi = Pii + 0,5jPij. В приведенном примере частота первого аллеля равна p1 = P11 + 0,5(P12 + P13) = 0,225. Соответственно, p2 = 0,300, p3 = 0,475.

Соотношения Харди – Вайнберга. При исследовании генетической динамики популяций, в качестве теоретической, «нулевой» точки отсчета принимают популяцию со случайным скрещиванием, имеющую бесконечную численность и изолированную от притока мигрантов; полагают также, что темпы мутирования генов пренебрежимо малы и отбор отсутствует. Математически доказывается, что в такой популяции частоты аллелей аутосомного гена одинаковы для самок и самцов и не меняются из поколения в поколение, а частоты гомо- и гетерозигот выражаются через частоты аллелей следующим образом:

Pii = pi2, Pij = 2pi pj.

Это называется соотношениями, или законом, Харди – Вайнберга – по имени английского математика Г.Харди и немецкого медика и статистика В.Вайнберга, одновременно и независимо открывших их: первый – теоретически, второй – из данных по наследованию признаков у человека.

Реальные популяции могут значительно отличаться от идеальной, описываемой уравнениями Харди – Вайнберга. Поэтому наблюдаемые частоты генотипов отклоняются от теоретических величин, вычисляемых по соотношениям Харди – Вайнберга. Так, в рассмотренном выше примере теоретические частоты генотипов отличаются от наблюдаемых и составляют

P11 = 0,0506, P22 = 0,0900, P33 = 0,2256,

P12 = 0,1350, P13 = 0,2138, P23 = 0,2850.

Подобные отклонения можно частично объяснить т.н. ошибкой выборки; ведь в действительности в эксперименте изучают не всю популяцию, а лишь отдельных особей, т.е. выборку. Но главная причина отклонения частот генотипов – несомненно, те процессы, что протекают в популяциях и влияют на их генетическую структуру. Опишем их последовательно.

Популяционно-генетические процессы

Дрейф генов. Под дрейфом генов понимают случайные изменения генных частот, вызванные конечной численностью популяции. Чтобы понять, как возникает генный дрейф, рассмотрим вначале популяцию минимально возможной численности N = 2: один самец и одна самка. Пусть в исходном поколении самка имеет генотип A1A2, а самец – A3A4. Таким образом, в начальном (нулевом) поколении частоты аллелей A1, A2, A3 и A4 равны 0,25 каждая. Особи следующего поколения могут равновероятно иметь один из следующих генотипов: A1A3, A1A4, A2A3 и A2A4. Допустим, что самка будет иметь генотип A1A3, а самец – A2A3. Тогда в первом поколении аллель A4 теряется, аллели A1 и A2 сохраняют те же частоты, что и в исходном поколении – 0,25 и 0,25, а аллель A3 увеличивает частоту до 0,5. Во втором поколении самка и самец тоже могут иметь любые комбинации родительских аллелей, например A1A2 и A1A2. В этом случае окажется, что аллель A3, несмотря на большую частоту, исчез из популяции, а аллели A1 и A2 увеличили свою частоту (p1 = 0,5, p2 = 0,5). Колебания их частот в конце концов приведут к тому, что в популяции останется либо аллель A1, либо аллель A2; иными словами и самец и самка будут гомозиготны по одному и тому же аллелю: A1 или A2. Ситуация могла сложиться и так, что в популяции остался бы аллель A3 или A4, но в рассмотренном случае этого не произошло.

Описанный нами процесс дрейфа генов имеет место в любой популяции конечной численности, с той лишь разницей, что события развиваются с гораздо меньшей скоростью, чем при численности в две особи. Генный дрейф имеет два важных последствия. Во-первых, каждая популяция теряет генетическую изменчивость со скоростью, обратно пропорциональной ее численности. Со временем какие-то аллели становятся редкими, а затем и вовсе исчезают. В конце концов, в популяции остается один-единственный аллель из имевшихся, какой именно – это дело случая. Во-вторых, если популяция разделяется на две или большее число новых независимых популяций, то дрейф генов ведет к нарастанию различий между ними: в одних популяциях остаются одни аллели, а в других – другие. Процессы, которые противодействуют потере изменчивости и генетическому расхождению популяций, – это мутации и миграции.

Мутации. При образовании гамет происходят случайные события – мутации, когда родительский аллель, скажем A1, превращается в другой аллель (A2, A3 или любой иной), имевшийся или не имевшийся ранее в популяции. Например, если бы в нуклеотидной последовательности «…TЦT ТГГ…», кодирующей участок полипептидной цепи «…серин-триптофан…», третий нуклеотид, Т, в результате мутации передался ребенку как Ц, то в соответствующем участке аминокислотной цепи белка, синтезирующегося в организме ребенка, вместо серина был бы расположен аланин, поскольку его кодирует триплет TЦЦ. Регулярно возникающие мутации и образовали в длинном ряду поколений всех обитающих на Земле видов то гигантское генетическое разнообразие, которое мы сейчас наблюдаем.

Вероятность, с которой происходит мутация, называется частотой, или темпом, мутирования. Темпы мутирования разных генов варьируют от 10–4 до 10–7 на поколение. На первый взгляд, эти величины кажутся незначительными. Однако следует учесть, что, во-первых, геном содержит много генов, а, во-вторых, что популяция может иметь значительную численность. Поэтому часть гамет всегда несет мутантные аллели, и практически в каждом поколении появляется одна или больше особей с мутациями. Их судьба зависит от того, насколько сильно эти мутации влияют на приспособленность и плодовитость. Мутационный процесс ведет к увеличению генетической изменчивости популяций, противодействуя эффекту дрейфа генов.

Миграции. Популяции одного вида не изолированы друг от друга: всегда есть обмен особями – миграции. Мигрирующие особи, оставляя потомство, передают следующим поколениям аллели, которых в этой популяции могло вовсе не быть или они были редки; так формируется поток генов из одной популяции в другую. Миграции, как и мутации, ведут к увеличению генетического разнообразия. Кроме того, поток генов, связывающий популяции, приводит к их генетическому сходству.

Системы скрещивания. В популяционной генетике скрещивание называют случайным, если генотипы особей не влияют на образование брачных пар. Например, по группам крови скрещивание может рассматриваться как случайное. Однако окраска, размеры, поведение могут сильно влиять на выбор полового партнера. Если предпочтение оказывается особям сходного фенотипа (т.е. со сходными индивидуальными характеристиками), то такое положительное ассортативное скрещивание ведет к увеличению в популяции доли особей с родительским генотипом. Если при подборе брачной пары предпочтение имеют особи противоположного фенотипа (отрицательное ассортативное скрещивание), то в генотипе потомства будут представлены новые сочетания аллелей; соответственно в популяции появятся особи либо промежуточного фенотипа, либо фенотипа, резко отличающегося от фенотипа родителей.

Биологические науки изучают живые организмы не только «изнутри», но также исследуют особенности их взаимодействия друг с другом и окружающей средой. Не является исключением и генетика. Одним из интереснейших её направлений является популяционная генетика. Как следует из названия, это направление генетической науки изучает особенности наследственности и изменчивости на уровне популяций. Но для начала давайте разберемся, что же такое популяция…

Что такое популяция

Популяция - это термин, который происходит от латинского - populatio, т.е. население. Он обозначает совокупность организмов относящихся к одному виду, которые длительное время обитают на определённой территории (имеют общий ареал обитания) и полностью либо частично изолированны от особей других аналогичных групп того же вида.

Безусловно для понимания данного термина следует привести пример. И, как говорится, будем «тренироваться, на кошках». Поэтому в качестве примера популяции рассмотрим бездомных кошек в городе. Они все принадлежат к одному виду и имеют общий ареал обитания (город), и попасть в другой город для них достаточно проблематично, так как для этого необходимо покрыть огромное расстояние, что обуславливает их относительную изоляцию.

Для чего нужна популяционная генетика

Интерес изучения генетики на популяционном уровне заключается в том, что через популяционный уровень осуществляется генетическая преемственность поколений, а также регуляция таких биологически важных свойств, как численность, плодовитость, устойчивость к заболеваниям и пр.

Таким образом, популяционная генетика - это раздел генетической науки, который изучает распределение частот аллелей (различных форм одного и того же гена, расположенных в одинаковых участках хромосом), а также их изменение под влиянием движущих сил эволюции, определяющих генетическую структуру популяции.

Она является одним из главных элементов синтетической теории эволюции. Механизмы, которые определяют генетическую структуру популяций, можно разделить на две группы:

поддерживающие равновесие,
те, которые, его нарушают.

К первым относятся естественный отбор и дрейф генов, а ко вторым мутагенез и поток генов . При этом естественный отбор и мутагенез оказывают систематическое воздействие, а дрейф и поток генов – случайное. Тем самым, популяционная генетика объясняет процессы адаптации и видообразования .

В общем исследования в области генетики популяций можно условно разделить на два направления:

описание генетического состава популяций
анализ причин изменения генофонда популяции.

Закон Харди-Вайнберга

Рассмотрение каждого из механизмов определяющих генетическую структуру популяции, заслуживает отдельной статьи, но понимание их невозможно без рассмотрения ключевого закона популяционной генетики – закона Харди-Вайнберга или закона равновесного состояния. На нем и остановим своё внимание.

Итак, механизмы этого закона был открыты в 1908 г. английским математиком Харди (Hardy) и немецким врачом (Weinberg) независимо друг от друга.

Для его понимания рассмотрим такое понятие как случайное скрещивание.

Случайное скрещивание – это скрещивание при котором генетическая структура особей не влияет на вероятность формирования брачных пар между ними. Таким образом, в случайно скрещивающихся популяциях частота спариваний носителей различных генотипов пропорциональна доле, встречаемости данных генотипов в популяции.

Итак, согласно закону Харди-Вайнберга при отсутствии элементарных эволюционных процессов (естественного отбора, мутаций, дрейфа генов и миграции) частоты генов из поколения в поколение остаются неизменными. Соответственно если скрещивания случайны, частота генотипа связана простым квадратичным соотношением с частотой генов (аллелей). Если речь идет об аутосомном локусе, то равновесие генов достигается за одно поколение, и если дополнительные вмешательства, нарушающие структуру популяции, отсутствуют, сохраняется во всех последующих поколениях. Если же мы говорим о сцепленных с полом локусах, равновесные частоты генотипов устанавливаются постепенно.

Таким образом равновесные частоты генотипов определяются произведениями частот соответствующих аллелей. В случае наличия только двух аллелей А (с частотой встречаемости p ) и а (с частотой - q ), частоты каждого их трех возможных генотипов будут выражены уравнением:

(p + q) 2 = p 2 + 2pq + q 2 = 1.

A a AA Aa aa

Если мы говорим о трех аллелях А , а , А’ с частотами p , q , r , формула будет иметь вид:

(p + q + r) 2 = p 2 + q 2 + r 2 + 2pq + 2pr + 2qr = 1.

А a А’ АА aa А’А’ А a АА’ a А’

Этот прием возведения в квадрат многочлена может быть использован для определения равновесных частот генотипов при любом числе аллелей. При этом сумма частот генотипов (как и аллелей) всегда должна равняться единице.

Задачи на закон Харди-Вайнберга не всегда просто даются начинающим генетикам. Помните, что Вы всегда можете обратиться к за квалифицированной и своевременной помощью! Сделайте процесс своего обучения приятным и легким вместе с Zaochnik!

Задачи:

Дать характеристику основным методам изучения генетики человека.
Изучить генетические основы структуры и эволюции популяций.

Методы изучения генетики человека

Каждый крупный этап развития генетики был связан с использованием определенных объектов для генетических исследований. Теория гена и основные закономерности наследования признаков были установлены на опытах с горохом, для обоснования хромосомной теории наследственности использовалась мушка дрозофила, для становления молекулярной генетики - вирусы и бактерии. В настоящее время главным объектом генетических исследований становится человек.

Рис. 1. Условные обозначения, принятые при составлении родословных:
1 - мужчина; 2 - женщина; 3 - пол не выяснен; 4 - обладатель изучаемого признака; 5 - гетерозиготный носитель изучаемого рецессивного гена; 6 - брак; 7 - брак мужчины с двумя женщинами; 8 - родственный брак; 9 - родители, дети и порядок их рождения; 10 - разнояйцевые близнецы; 11 - однояйцевые близнецы.

Для генетических исследований человек является очень неудобным объектом, так как у человека: большое количество хромосом, невозможно экспериментальное скрещивание, поздно наступает половая зрелость, малое число потомков в каждой семье, невозможно уравнивание условий жизни для потомства.

Однако, несмотря на эти трудности, генетика человека достаточно хорошо изучена. Это оказалось возможным благодаря использованию разнообразных методов исследования.

Генеалогический метод. Использование этого метода возможно лишь в том случае, когда известны прямые родственники - предки обладателя наследственного признака (пробанда) по материнской и отцовской линиям в ряду поколений или потомки пробанда также в нескольких поколениях. При составлении родословных в генетике используется определенная система обозначений (рис. 1). После составления родословной проводится ее анализ с целью установления характера наследования изучаемого признака.

Благодаря генеалогическому методу, было установлено, что у человека наблюдаются все типы наследования признаков, известные для других организмов, и определены типы наследования некоторых конкретных признаков. Так, по аутосомно-доминантному типу наследуются полидактилия (увеличенное количество пальцев) (рис. 2), возможность свертывать язык в трубочку (рис. 3), брахидактилия (короткопалось, обусловленная отсутствием двух фаланг на пальцах), веснушки, раннее облысение, сросшиеся пальцы, заячья губа, волчья пасть, катаракта глаз, хрупкость костей и многие другие. Альбинизм, рыжие волосы, подверженность полиомиелиту, сахарный диабет, врожденная глухота и другие признаки наследуются как аутосомно-рецессивные.

Рис. 2. Родословная по полидактилии (аутосомно-доминантное наследование).

Рис. 3. Доминантный признак - способность свертывать язык в трубочку (1) и его рецессивный аллель - отсутствие этой способности (2).

Целый ряд признаков наследуется сцепленно с полом: Х-сцепленное наследование - гемофилия, дальтонизм; У-сцепленное - гипертрихоз (повышенного оволосения ушной раковины), перепонки между пальцами. Имеется ряд генов, локализованных в гомологичных участках Х- и У-хромосомы, например общая цветовая слепота.

Установлением типа наследования признаков значение метода не ограничивается. Использование генеалогического метода показало, что при родственном браке, по сравнению с неродственным, значительно возрастает вероятность появления уродств, мертворождений, ранней смертности в потомстве. В родственных браках рецессивные гены чаще переходят в гомозиготное состояние, в результате развиваются те или иные аномалии. Ярким примером этого является наследование гемофилии в царских домах Европы.

Близнецовый метод. Близнецами называют одновременно родившихся детей. Они бывают монозиготными (однояйцевыми) и дизиготными (разнояйцевыми) (рис. 4).

Рис. 4. Образование монозиготных (1) и дизиготных (2) близнецов.

В гаметах и зиготах условно обозначены только половые хромосомы, а также хромосомы, несущие ген темных волос (черные) и ген светлых волос (белые).

Монозиготные близнецы развиваются из одной зиготы, которая на стадии дробления разделилась на две (или более) частей. Поэтому такие близнецы генетически идентичны и всегда одного пола. Монозиготные близнецы характеризуются большой степенью сходства (конкордантностью) по многим признакам.

Дизиготные близнецы развиваются из одновременно овулировавших и оплодотворенных разными сперматозоидами яйцеклеток.

Поэтому они наследственно различны и могут быть как одного, так и или разного пола. В отличие от монозиготных, дизиготные близнецы часто характеризуются дискордантностью - несходством по многим признакам. Данные о конкордантности близнецов по некоторым признакам приведены в таблице.

Конкордантность некоторых признаков человека

Как видно из таблицы, степень коркондантности монозиготных близнецов по всем приведенным признакам значительно выше, чем у дизиготных, однако она не является абсолютной. Как правило, дискордантность однояйцевых близнецов возникает в результате нарушений внутриутробного развития одного из них или под влиянием внешней среды, если она была разной.

Благодаря близнецовому методу, была выяснена наследственная предрасположенность человека к ряду заболеваний: шизофрении, умственной отсталости, эпилепсии, сахарного диабета и других. Наблюдения за однояйцевыми близнецами дают материал для выяснения роли наследственности и среды в развитии признаков. Причем под внешней средой понимают не только физические факторы среды, но и социальные условия.

Цитогенетический метод основан на изучении хромосом человека в норме и при патологии. В норме кариотип человека включает 46 хромосом - 22 пары аутосом и две половые хромосомы. Использование данного метода позволило выявить группу болезней, связанных либо с изменением числа хромосом, либо с изменениями их структуры. Такие болезни получили название хромосомных. К их числу относятся: синдром Клайнфельтера, синдром Шерешевского-Тернера, трисомия Х, синдром Дауна, синдром Патау, синдром Эдвардса и другие.

Больные с синдромом Клайнфельтера (47,ХХУ) всегда мужчины. Они характеризуются недоразвитием половых желез, дегенерацией семенных канальцев, часто умственной отсталостью, высоким ростом (за счет непропорционально длинных ног).

Синдром Шерешевского-Тернера (45,Х0) наблюдается у женщин. Он проявляется в замедлении полового созревания, недоразвитии половых желез, аменорее (отсутствии менструаций), бесплодии. Женщины с синдромом Шерешевского-Тернера имеют малый рост, тело диспропорционально - более развита верхняя часть тела, плечи широкие, таз узкий - нижние конечности укорочены, шея короткая со складками, "монголоидный" разрез глаз и ряд других признаков.

Синдром Дауна - одна из самых часто встречающихся хромосомных болезней. Она развивается в результате трисомии по 21 хромосоме (47, 21,21,21). Болезнь легко диагностируется, так как имеет ряд характерных признаков: укороченные конечности, маленький череп, плоское, широкое переносье, узкие глазные щели с косым разрезом, наличие складки верхнего века, психическая отсталость. Часто наблюдаются и нарушения строения внутренних органов.

Хромосомные болезни возникают и в результате изменения самих хромосом. Так, делеция 5-й хромосомы приводит к развитию синдрома "крик кошки". У детей с этим синдромом нарушается строение гортани, и они в раннем детстве имеют своеобразный "мяукающий" тембр голоса. Кроме того, наблюдается отсталость психомоторного развития и слабоумие. Делеция 21 хромосомы приводит к возникновению одной из форм белокровия.

Чаще всего хромосомные болезни являются результатом мутаций, произошедших в половых клетках одного из родителей.

Биохимический метод позволяет обнаружить нарушения в обмене веществ, вызванные изменением генов и, как следствие, изменением активности различных ферментов. Наследственные болезни обмена веществ подразделяются на болезни углеводного обмена (сахарный диабет), обмена аминокислот, липидов, минералов и др.

Фенилкетонурия относится к болезням аминокислотного обмена. Блокируется превращение незаменимой аминокислоты фенилаланин в тирозин, при этом фенилаланин превращается в фенилпировиноградную кислоту, которая выводится с мочой. Заболевание приводит к быстрому развитию слабоумия у детей. Ранняя диагностика и диета позволяют приостановить развитие заболевания.

Генетика человека - одна из наиболее интенсивно развивающихся отраслей науки. Она является теоретической основой медицины, раскрывает биологические основы наследственных заболеваний. Знание генетической природы заболеваний позволяет вовремя поставить точный диагноз и осуществить нужное лечение.

Генетика популяций

Популяция - это совокупность особей одного вида, длительное время обитающих на определенной территории, свободно скрещивающихся друг с другом, имеющих общее происхождение, определенную генетическую структуру и в той или иной степени изолированных от других таких совокупностей особей данного вида. Популяция не только единица вида, форма его существования, но и единица эволюции. В основе микроэволюционных процессов, завершающихся видообразованием, лежат генетические преобразования в популяциях.

Изучением генетической структуры и динамики популяций занимается особый раздел генетики - популяционная генетика.

С генетической точки зрения, популяция является открытой системой, а вид - закрытой. В общей форме процесс видообразования сводится к преобразованию генетически открытой системы в генетически закрытую.

Каждая популяция имеет определенный генофонд и генетическую структуру. Генофондом популяции называют совокупность генотипов всех особей популяции. Под генетической структурой популяции понимают соотношение в ней различных генотипов и аллелей.

Одними из основных понятий популяционной генетики являются частота генотипа и частота аллеля. Под частотой генотипа (или аллеля) понимают его долю, отнесенную к общему количеству генотипов (или аллелей) в популяции. Частота генотипа, или аллеля, выражается либо в процентах, либо в долях единицы (если общее количество генотипов или аллелей популяции принимается за 100% или 1). Так, если ген имеет две аллельные формы и доля рецессивного аллеля а составляет 3/4 (или 75%), то доля доминантного аллеля А будет равна 1/4 (или 25%) общего числа аллелей данного гена в популяции.

Большое влияние на генетическую структуру популяций оказывает способ размножения. Например, популяции самоопыляющихся и перекрестноопыляющихся растений существенно отличаются друг от друга.

Впервые исследование генетической структуры популяции было предпринято В.Иоганнсеном в 1903 г. В качестве объектов исследования были выбраны популяции самоопыляющихся растений. Исследуя в течение нескольких поколений массу семян у фасоли, он обнаружил, что у самоопылителей популяция состоит из генотипически разнородных групп, так называемых чистых линий, представленных гомозиготными особями. Причем из поколения в поколение в такой популяции сохраняется равное соотношение гомозиготных доминантных и гомозиготных рецессивных генотипов. Их частота в каждом поколении увеличивается, в то время как частота гетерозиготных генотипов будет уменьшаться. Таким образом, в популяциях самоопыляющихся растений наблюдается процесс гомозиготизации, или разложения на линии с различными генотипами.

Большинство растений и животных в популяциях размножаются половым путем при свободном скрещивании, обеспечивающем равновероятную встречаемость гамет. Равновероятную встречаемость гамет при свободном скрещивании называют панмиксией, а такую популяцию - панмиктической.

Закон Харди-Вайнберга

В 1908 г. английский математик Г.Харди и немецкий врач Н.Вайнберг независимо друг от друга сформулировали закон, которому подчиняется распределение гомозигот и гетерозигот в панмиктической популяции, и выразили его в виде алгебраической формулы.

Частоту встречаемости гамет с доминантным аллелем А обозначают p, а частоту встречаемости гамет с рецессивным аллелем а - q. Частоты этих аллелей в популяции выражаются формулой p + q = 1 (или 100%). Поскольку в панмиктической популяции встречаемость гамет равновероятна, можно определить и частоты генотипов.

Харди и Вайнберг, суммируя данные о частоте генотипов, образующихся в результате равновероятной встречаемости гамет, вывели формулу частоты генотипов в панмиктической популяции:

р 2 + 2pq + q 2 = 1.

АА + 2Аа + аа = 1

Пользуясь этими формулами, можно рассчитать частоты аллелей и генотипов в конкретной панмиктической популяции. Однако действие этого закона выполняется при соблюдении следующих условий: неограниченно большая численность популяции, все особи могут свободно скрещиваться друг с другом, все генотипы одинаково жизнеспособны, плодовиты и не подвергаются отбору, прямые и обратные мутации возникают с одинаковой частотой или настолько редко, что ими можно пренебречь, отток или приток новых генотипов в популяцию отсутствует.

В реально существующих популяциях выполнение этих условий невозможно, поэтому закон справедлив только для идеальной популяции. Несмотря на это, закон Харди-Вайнберга является основой для анализа некоторых генетических явлений, происходящих в природных популяциях. Например, если известно, что фенилкетонурия встречается с частотой 1:10000 и наследуется по аутосомно-рецессивному типу, можно посчитать частоту встречаемости гетерозигот и гомозигот по доминантному признаку. Больные фенилкетонурией имеют генотип q2(аа) = 0,0001. Отсюда q = 0,01. p = 1 - 0,01 = 0,99. Частота встречаемости гетерозигот равна 2pq, равна 2 х 0,99 х 0,01 0,02 или около 2%. Частота встречаемости гомозигот по доминантному и рецессивному признакам: АА = p2 = 0,992 98%, аа = 0,01%.

Изменение равновесия генотипов и аллелей в панмиктической популяции происходит под влиянием постоянно действующих факторов, к которым относятся: мутационный процесс, популяционные волны, изоляция, естественный отбор, дрейф генов и другие.

Именно благодаря этим явлениям возникает элементарное эволюционное явление - изменение генетического состава популяции, являющееся начальным этапом процесса видообразования.

Литература.

1. Грин Н., Стаут У., Тейлор Д. Биология. - М.: мир, 1990. - Т.1-3.

2. Гончаров О.В. Пименов А.В. Биология. Ч.1, Цитология, генетика, селекция: Пособие для поступающих в вузы. - Саратов: Лицей-интернат при СГАУ им. Н.И. Вавилова, 2001.

3. Ярыгин В.Н. Биология для поступающих в вузы. - М.: Высшая школа, 2006.

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.