Экологическая генетика

Наиболее изученная мутация, обусловливающая реакцию на загрязнение атмосферы, - недостаточность б1-антитрипсина. Этот белок сыворотки крови называют также ингибитором протеиназ. В норме его концентрация повышается при различных физиологических и патологических состояниях (беременность, воспаление, введение эстрогенов). Генетические варианты белка обнаружены во многих популяциях. Различные его формы различаются по антитрипсиновой активности и электрофоретической подвижности (аллели М, S, Z). Неактивность белка обусловлена аллелем Z (репрессивный признак). Частота гомозигот ZZ у европейцев составляет 0,05%, гетерозигот - 4,5%. Лица с наследственной недостаточностью ингибитора протеиназ, если они гомозиготны по данному признаку (генотип ZZ), чрезвычайно склонны к развитию хронических воспалительных заболеваний и эмфиземы лёгких. Последняя у таких лиц развивается в 30 раз чаще, чем в популяции после З0-40 лет, и протекает очень тяжело. Основа этой предрасположенности к эмфиземе ещё не ясна, но полагают, что антитрипсиновая система играет важную роль в ограничении воспалительного процесса. При любых, даже незначительных, повреждениях лёгочной ткани (воспаление, нарушение микроциркуляции) протеолитические ферменты вскоре начинают разрушать измененные участки. В норме включается синтез ингибитора протеиназ, который нейтрализует действие протеолитических ферментов и приостанавливает разрушение. При недостаточной продукции ингибитора протеиназ (мутантный генотип) протеолитические ферменты разрушают поврежденные участки, что и приводит к эмфиземе лёгких. Курение и запылённость воздуха существенно ускоряют развитие эмфиземы. Некоторые авторы описывают и более тяжёлые случаи проявления недостаточности ингибитора протеиназ у детей - поражение печени. Даже у лиц, гетерозиготных по гену недостаточности ингибитора протеиназ (генотип MZ), частота которых в некоторых популяциях превышает 10%, выражены патологические реакции на повышенную запылённость и курение, т.е. повышен риск эмфиземы лёгких. Следовательно, для этой группы лиц необходимо исключить влияние производственных пылевых факторов, чтобы предотвратить развитие эмфиземы лёгких. Методы определения недостаточности б1-антитрипсина разработаны и могут применяться при профессиональных осмотрах и отборах на работу на соответствующих производствах. В среде обитания человека встречается много углеводородов, в том числе полициклических, которые в организме после гидроксилирования арилгидрокарбонгидроксилазой образуют активные эпоксиды. Эта ферментная система у человека хорошо изучена. Для человека характерна широкая вариабельность индукции синтеза того фермента. Три категории людей (с высоким, средним и низким уровнем фермента) рассматриваются как гомозиготы с высоким количеством фермента, гетерозиготы и гомозиготы - с низким. Необходимость этих сведений для понимания химического канцерогенеза очевидна, потому что эпоксиды являются активным и канцерогенными формами полициклических углеводородов. Их канцерогенная активность в сигаретном дыме зависит от относительной активности эпоксидобразующих ферментов, с одной стороны, и систем, разлагающих эпоксиды - с другой. Таким образом, эти соединения являются потенциальными мутагенами и канцерогенами. Например, до З0% больны раком легких относятся к группе с высоким уровнем фермента, а в общей популяции этот признак встречается очень редко. Для лиц, имеющих высокий уровень индукции арилгидрокарбонгидроксилазы, ставится вопрос о прекращении курения и об исключении контакта с углеводородами в профессиональных условиях. Обнаружена генетическая предрасположенность к раку мочевого пузыря. Она связана с мутациями в локусе N-ацетилтрансферазы печени. Под действием этого фермента ксенобиотики ацетилируются и выводятся из организма. По скорости ацетилирования различают три фенотипа: быстрые (гомозиготы по нормальному аллелю), медленные (гомозиготы по мутантному аллелю) и промежуточные (гетерозиготы) ацетиляторы. Рак мочевого пузыря чаще развивается у медленных ацетиляторов. Риск особенно повышается при воздействии факторов среды (курение, производство резиновых изделий, краски).

4. Пищевые вещества и пищевые добавки

Определённые пищевые продукты могут вызывать нежелательные реакции у генетически чувствительных индивидов. Один из наглядных примеров - непереносимость лактозы. У лиц с этим дефектом после употребления молока возникают "дискомфорт" в кишечнике и понос. Суть дефекта сводится к отсутствию выработки лактазы в кишечнике, в результате чего лактоза не расщепляется и служит хорошим субстратом для размножения гнилостной микрофлоры. Мутантные формы гена лактазы широко распространены у восточных народов (до 95-100%), среди американских индейцев и афроамериканцев (70-75%). У европейцев частота гомозигот по этим мутациям невелика (5-10%).

Некоторые дети страдают синдромом нарушенного всасывания в связи с непереносимостью глютена (белок пшеницы и других злаков). Это заболевание называется целиакией. Дети начинают тяжело болеть, как только начинается прикорм манной кашей. Без продуктов из пшеницы (хлеб, манная каша) такие дети развиваются нормально. Близнецовым и генеалогическим методами показано значение наследственности в этих реакциях. Предрасположенность к целиакии определяется взаимодействием двух генов, ещё не расшифрованных. Интересно, что имеются сорта пшеницы, которые не вызывают патологических реакций. Они отличаются от других сортов заменой всего лишь одного или нескольких аминокислотных остатков в молекуле глютена.

Конские бобы, употребляемые в пишу, вызывают гемолиз у лиц, имеющих наследственную недостаточность глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы. За гемолизом следует поражение почек, если меры своевременно не приняты. Носители соответствующего гена часто (до 10% и выше) встречаются в районах, где была распространена малярия. Недостаточность глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы наследуется как сцепленный с Х-хромосомой рецессивный признак.

Гетерозиготные женщины встречаются чаще, чем гемизиготные мужчины. Все эритроциты мутантного происхождения у гомозигот ХХ и у гемизигот ХУ чувствительны к провоцирующим факторам - конским бобам, лекарствам, промышленным окислителям. Большая группа лекарств вызывает гемолиз у таких лиц. В полном соответствии с гипотезой М.Лайон, у гетерозиготных женщин может быть разное количественное соотношение нормальных и мутантных эритроцитов (от 1:99 до 99:1). Примерно у 30% гетерозиготных женщин после воздействия провоцирующих факторов наблюдается гемолиз эритроцитов с выраженными клиническими симптомами.

Структурные мутации гена приводят к синтезу аномальной молекулы глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы. Нарушения в этой молекуле изменяют каталитическую активность, кинетические свойства, стабильность и электрофоретическую подвижность. Известно более 200 вариантов глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы, но развитие патологических реакций обусловливают немногие из них. При наличии аномальной молекулы глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы в эритроцитах снижаются связывание кислорода, скорость восстановления метгемоглобина и устойчивость к воздействию различных потенциальных окислителей. При аномальном варианте и глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы нарушается основная функция фермента - поддержание стабильности мембран эритроцитов.

Катехоламины, содержащиеся в сыре, у некоторых индивидов могут вызывать мигрень. Это связано с пониженной конъюгацией тирамина. Другой пищевой продукт, провоцирующий мигрень, - шоколад, что объясняется низкой активностью моноаминоксидазы.

Известны специфические реакции людей на алкоголь. У большинства людей монголоидных популяций после употребления малых доз алкоголя наблюдаются немедленное покраснение лица, тахИкардия, жжение в желудке, мышечная слабость и другие признаки отравления. Это врожденное свойство проявляется уже через несколько дней после рождения и сохраняется на всю жизнь, не зависит от привыкания к алкоголю. Данная реакция на алкоголь объясняется наследственными вариациями в молекулах двух ферментов, расщепляющих спирт.

Гены алкогольдегидрогеназы печени представлены тремя полиморфными локусами (АDН-1, АDН-2, АDН-3), альдегиддегидрогеназы - двумя (АLDН-1 и АLDН-2). Установлено, что указанная выше токсическая реакция на малые дозы алкоголя свойственна людям, у которых отсутствует изоформа АLDН-1.

5. Физические факторы и отравления металлами

Несмотря на то, что хорошо известна индивидуальная чувствительность к теплу, холоду и солнечному свету, систематических исследований роли наследственных факторов этих особенностей не проводилось.

Четкие расовые различия обнаружены для реакции на холодовой фактор. Например, представители негроидной расы более чувствительны к холоду, чем представители кавказской расы. Это объясняется разным уровнем теплопродукции и расширения сосудов.

Твердо установлены индивидуальные и расовые различия в реакциях на ультрафиолетовое облучение. Крайний пример генетической чувствительности - редкая аутосомно-рецессивная болезнь пигментная ксеродерма: при воздействии солнечного света развиваются ожоги, затем язвенные поражения кожи и, наконец, злокачественные новообразования. Молекулярно-генетический механизм этого явления хорошо изучен. При пигментной ксеродерме поражается репарирующая система, восстанавливающая нормальное строение ДНК после повреждения ультрафиолетовыми лучами Речь идёт о мутациях в нескольких локусах, обусловливающих процессы репарации ДНК (экзо- и эндонуклеазы, полимеразы, лигазы. Эти гены клонированы и хорошо изучены. Возможна преклиническая и дородовая диагностика указанной болезни.

Предполагается, что наследственно обусловленное различие в репарирующих системах может иметь определённое значение в проявления чувствительности к ионизирующим излучениям, но достаточных доказательств этому ещё нет.

В ряде сообщений описывается различная чувствительность к солям тяжелых металлов (свинец, ртуть. кадмий и др.). Например, отравление органическими соединениями ртути вызывает нейропсихические расстройства различной выраженности у разных лиц. Гетерозиготные носители генов цистиноза и анемии Фанкони могут быть предрасположены к токсическому действию металлов или других почечных ядов. Повышенный, хотя и не "токсический", уровень свинца может быть "спусковым крючком" гиперактивного поведения у детей с наследственной предрасположенностью.

6. Чувствительность к биологическим агентам

Генетические основы детерминации иммунитета не вызывают сомнений, и неодинаковая выраженность иммунитета у разных индивидов - общебиологическая закономерность. Хорошо известны факты различной чувствительности людей к вакцинации при введении одних и тех же доз препаратов. У некоторых людей появляются клинические проявления инфекции, у других реакция на иммунизацию совершенно отсутствует. Это является следствием генетического полиморфизма реакций на действие внешних биологических факторов.

Первичные иммунодефицитные состояния являются наследственными дефектами клеточного и гуморального иммунитета. Они предрасполагают к бактериальным и грибковым заражениям, причём для разных форм характерны соответствующие типы инфекций (вирусные, бактериальные, грибковые).

Классическим примером наследственной устойчивости к биологическим агентам служат гемоглобинопатии (серповидно-клеточная анемия, талассемия) и энзимопатии (недостаточность глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы), при которых малярийный плазмодий не может размножаться у мутантных гомозигот и гетерозигот. В связи с тем, что лица с гемоглобинопатиями и недостаточностью глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы устойчивы к малярийному плазмодию, патологические мутации в соответствующих локусах широко распространялись в ряде популяций, проживающих в местностях с высокой заболеваемостью малярией (Африка, Греция, Италия, Филиппины, Азербайджан, Узбекистан).

Все мультифакториальные болезни могут рассматриваться как примеры из экогенетики человека, потому что их развитие является результатом взаимодействия генов предрасположенности и факторов внешней среды.

Мультифакториальные болезни

Мультифакториальная болезнь как определенный фенотип представляет собой результат взаимодействия экспрессии промежуточного фенотипа предрасположенности к определенному заболеванию и накопления в организме последствий специфических для появления фенотипа болезни влияний факторов внешней среды. Предрасположенность к полигенной болезни экспрессируется каким-либо полигенным комплексом или всем геномом. Специфические для экспрессии фенотипа болезни факторы, принадлежащие самому организму или внешней среде, выступают в роли условий возникновения заболевания, которые часто определяют как факторы его риска.

По признаку предрасположенности к полигенной болезни в основной популяции наблюдают ряд плавных переходов от минимальной предрасположенности к ее максимальной выраженности без каких-либо разрывов. Частотное распределение по признаку предрасположенности к мультифакториальной болезни, который проявляет непрерывную изменчивость, соответствует кривой нормального распределения. Под пороговой предрасположенностью понимают тот минимальный ее уровень, при котором кумуляция в организме последствий воздействий условий возникновения болезни (внутренних и внешних) может вызвать фенотип мультифакториального заболевания. Каждый из генов полигенного комплекса, кодирующего генетическую составляющую предрасположенности к полигенной болезни, мало влияет на ее фенотип, но совместно они экспрессируют соответствующий комплекс ее элементов при условии определенного накопления в организме последствий воздействий условий заболевания.

В основе непрерывной изменчивости предрасположенности лежат как различная степень накопления в организме варьирующих по силе, другим характеристикам воздействий внешней среды и присущих самому организму влияний (внутренние и внешние условия заболевания), а также изменчивость генотипа.

По ходу онтогенеза происходит непрерывное усиление предрасположенности к мультифакториальной болезни при условии определенной специфичности действий внутренних и внешних факторов, то есть эффектов условий, специфичных для индукции заболевания.

К наиболее часто встречающимся мультифакториальным болезням относятся: ревматизм, ишемическая болезнь сердца, гипертоническая и язвенная болезни, цирроз печени, сахарный диабет, бронхиальная астма, псориаз, шизофрения и др.

План практического занятия

1. Экогенетическое действие факторов внешней среды

2. Наследственно-обусловленные патологические реакции на действие внешних факторов

3. Загрязнение атмосферы

4. Пищевые вещества и пищевые добавки

5. Физические факторы и отравление металлами

6. Чувствительность к биологическим агентам. Коллоквиум

Основная литература: 1 - 10 ( по списку основной литературы)

Дополнительная литература: 1 - 13 ( по списку дополнительной литературы)

Тема 9-10. Генетика устойчивости к факторам среды

1. Генетический контроль устойчивости модельных объектов (сельскохозяйственных растений, животных, человека) к неблагоприятным внешним факторам

2. Молекулярные болезни человека

1. Генетический контроль устойчивости модельных объектов (сельскохозяйственных растений, животных, человека) к неблагоприятным внешним факторам.

Изучение генетического контроля устойчивости модельных объектов, в особенности сельскохозяйственных растений, животных и человека к неблагоприятным внешним факторам имеет большое значение для селекции, медицины и поддержания оптимальной среды обитания человека.

Прежде всего остановимся на так называемых молекулярных болезнях человека. Известны, в частности, наследственные аномалии репликации и репарации ДНК. У человека, например, существуют различные формы болезни пигментной ксеродермы. Это рецессивный аутосомный дефект репарации, в частности дефект ДНК-полимеразы, принимающей участие в репарации. Больные пигментной ксеродермой проявляют повышенную чувствительность к солнечному свету, который вызывает у них рак кожи. Дефекты систем репарации выявлены и при других наследственных заболеваниях (анемия Фанкони, синдром Луи Бар). При радиотерапии таких больных наблюдаются осложнения, часто со смертельным исходом.

В человеческих популяциях обнаруживается генетическая гетерогенность по многим признакам, в том числе по чувствительности к факторам окружающей среды, устойчивости к стрессирующим агентам и условиям вредного производства. Так, у людей с низкой активностью глюкозо-6-фосфат дегидрогеназы происходит гемолиз при действии сульфаниламидов, а некоторые больные с генетическими дефектами реагируют повышением внутриглазного давления на прием глюкокортикоидов. Некоторые мутантные формы гемоглобина чувствительны к окислителям, что выражается в гемолизе при их применении. Люди с повышенной активностью арилгидрокарбонгидроксилазы чаще заболевают раком легких при контакте с полициклическими углеводородами, которые под действием этого фермента превращаются в эпоксиды, обладающие высоким уровнем канцерогенности.

Такие факты необходимо учитывать при планировании медицинских мероприятий, при приеме людей на работу и их профориентации. Очевидно, что эти факты могут быть причиной и некоторых социально-экономических проблем. Возникают, в частности, такие вопросы. Можно ли допускать дискриминацию при приеме на вредные производства по генетическим противопоказаниям? Каковы должны быть условия страхования людей, имеющих дополнительные факторы риска в виде генетической предрасположенности к тем или иным заболеваниям? Простых ответов на эти и подобные им вопросы пока нет, но не ставить их нельзя.

ГЕНЕТИЧЕСКАЯ ТОКСИКОЛОГИЯ

Следует отметить, что загрязнение окружающей среды опасно не только ныне живущему поколению, но часто представляет опасность для грядущих поколений, поскольку многие загрязнители мутагенны (или, что почти то же самое, генетически активны). Выявление и устранение генетически активных факторов из среды обитания человека - задача генетической токсикологии, которая представляет собой наиболее активно развивающийся раздел экологической генетики. Это объясняется ее огромным прикладным значением.

Парадоксально, но факт, что открытие индуцированного мутационного процесса потребовало значительных усилий от исследователей: вспомним, что Г.Дж. Меллер получил Нобелевскую премию за открытие мутагенного действия рентгеновых лучей (1927 год). Теперь же мутагены обнаруживаются на каждом шагу. Многие продукты производственной деятельности человека, появляющиеся как результат так называемого технического прогресса, обладают генетической активностью. При этом мы говорим не только об отходах производства. Это могут быть лекарства, консерванты, пищевые добавки и красители, косметика, инсектициды и пестициды, не говоря уже о дыме сигарет и излучениях, сопровождающих "мирный атом", тем более оружие массового уничтожения - ядерное и химическое.

Что же такое генетически активные факторы? В генетической токсикологии принято говорить не только о мутагенах, но и, более широко, о генетически активных факторах. Не всегда удается определить непосредственно мутагенный эффект того или иного воздействия, но можно показать его влияние на кроссинговер, то есть на рекомбинацию генов или индукцию репаративного синтеза ДНК, сопровождающего многие повреждения генетического материала.

Таким образом, мутагенез, рекомбинагенез и индукция репаративного синтеза ДНК - это показатели генотоксичности или генетической активности исследуемого фактора.

Генетически активные факторы делятся на физические, химические и биологические. К физическим факторам относятся температура, ионизирующая радиация, ультрафиолетовый свет, по-видимому, высокочастотное электромагнитное излучение, ультразвук и т.д. Химические генетически активные факторы гораздо труднее поддаются перечислению и классификации. Достаточно сказать, что к ним относятся любые вещества, прямо или косвенно нарушающие структуру и воспроизведение молекул ДНК. Выхлопные газы автотранспорта и выбросы в атмосферу производственных предприятий содержат алкилирующие соединения (их называют радиомиметиками), органические соединения ртути, полициклические углеводороды, обладающие генетической активностью. Многие химические соединения сами по себе не проявляют генетической активности, но их легко активируют внутриклеточные метаболиты, а иногда и соединения, находящиеся в окружающей организм среде. Например, распространенные соли азотной кислоты легко превращаются в нитриты (соли азотистой кислоты) - мутагены, дезаминирующие основания ДНК. В кислой среде желудка млекопитающих нитриты и аминосоединения дают нитрозосоединения - супермутагены, нарушающие репликацию ДНК. Многие вещества, так называемые промутагены, активируются в организме млекопитающих при действии цитохрома P450 . Этот фермент, синтезируемый в печени, относится к классу неспецифических монооксигеназ и предназначен для инактивации чужеродных соединений, попадающих в организм. Но Р450 вместе с тем способен активировать некоторые промутагены. Более того, он может активировать не только промутагены, но и потенциальные канцерогены - вещества, вызывающие рак. Необходимо отметить высокий уровень корреляции между мутагенным и канцерогенным эффектами многих факторов, прежде всего физических и химических. Биологические факторы в этом отношении исследованы меньше всего.

C некоторых пор (у нас с 1979 года) все новые химические соединения (а всего их в обиходе более 4,5 млн) проходят проверку на генетическую активность. Это своеобразная служба генетической безопасности, использующая богатый арсенал различных тест-систем для выявления генетической активности. Эти системы позволяют учитывать мутации генов, их рекомбинации, потери и другие аберрации хромосом, нарушения делений ядра, индукцию репарации ДНК и т.д. При этом используются различные объекты: бактерии, дрожжи и другие низшие грибы, плодовая мушка-дрозофила, растения, культура клеток животных и человека.

Наибольший интерес представляет генетическая активность исследуемых агентов для человека. Поскольку прямое исследование их действия на человека невозможно, приходится ограничиваться результатами, получаемыми на модельных объектах. Эти результаты в значительной степени справедливы и для человека из-за биологической универсальности свойств генетического материала - это всегда ДНК. Тем не менее экстраполяция получаемых результатов на человека всегда представляет некоторые сложности, так как наряду с принципом биологической универсальности следует учитывать и специфику объектов, имеющих свои особенности реагирования на мутагены.

В качестве примера расскажем только об одной тест-системе, получившей широкое распространение при первичном выявлении генетической активности. Это система, разработанная в 60-е годы XX века американским исследователем Б. Эймсом, который длительное время изучал мутации в генах, контролирующих биосинтез гистидина у Salmonella typhimuium. Работа Б. Эймса, прекрасный пример того, как первоначально чисто теоретическое исследование, направленное на выяснение структуры и функции гена, приобрела сугубо практическое значение. Имея в своем распоряжении подробно охарактеризованные мутанты сальмонеллы, нуждающиеся в гистидине, зная молекулярную природу мутационных изменений: замены, вставки или выпадения пар оснований в ДНК гена или более крупные перестройки генетического материала, Эймс предложил изучать реверсии гистидиновых мутантов, то есть восстановление у них способности синтезировать гистидин, и, следовательно расти на среде без гистидина в результате воздействия различных мутагенов.

Тест очень прост: достаточно засеять среду без гистидина мутантом сальмонеллы, нуждающимся в гистидине (который естественно не растет на такой среде), и нанести в центр используемой для этого чашки Петри испытуемое химическое соединение. Через 2-3-е суток можно видеть появление колоний мутантов (в данном случае ревертантов) вокруг пятна нанесенного вещества, если оно обладает генетической активностью (рис. 2). Это пример так называемого спот-теста (от англ. spot - пятно). В настоящее время тест Эймса усовершенствован: наряду с хорошо изученными мутациями потребности в гистидине в геном сальмонеллы вводят делецию по одному из генов репарации, то есть инактивируют этот процесс, тем самым повышают чувствительность бактерии к мутагенам. Вводят также мутацию, блокирующую синтез липополисахаридной капсулы для повышения проницаемости клеток, а также плазмиды, повышающие чувствительность клеток к агентам, усиливающим рекомбинацию. Наконец, испытуемое вещество стали наносить вместе с экстрактом мышиной или крысиной печени, содержащим цитохром Р450 для активации промутагенов. Таким образом, тест-системы для выявления генетической активности могут быть далее усовершенствованы и в значительной степени генетическими методами. С применением теста Эймса впервые были показаны мутагенные эффекты: сигаретного пепла, некоторых пищевых консервантов, красителей для волос и т.д.

Генетическая изменчивость популяций человека

Генетические характеристики народов зависят от их истории и образа жизни. Каждая популяция характеризуется своим набором аллелей (некоторые аллели могут быть уникальны для этнической группы или расы) и соотношением их популяционных частот. Генетические различия возникают в изолированных популяциях, не обменивающихся потоками генов (то есть не смешивающихся из-за географических, лингвистических или религиозных барьеров), за счет случайных изменений частот аллелей, а также за счет процессов позитивного и негативного естественного отбора.

Процесс случайного изменения частот аллелей (генетический дрейф) без действия каких-либо других факторов обычно не приводит к значительным изменениям генетических характеристик популяции. Значительные изменения частот аллелей могут возникать при сокращении численности популяции или отселении небольшой группы, которая дает начало новой популяции (эффект "бутылочного горлышка" или "эффект основателя"). С "эффектом основателя" связывают повышенную частоту болезнетворных мутаций в некоторых этнических группах. Значительные генетические изменения возникают в результате отбора, действующего на популяции человека.

Всякий новый вариант гена (аллель) возник когда-то в результате мутации, того или иного изменения последовательности нуклеотидов. Мутации постоянно появляются в ДНК, и человек не отличается в этом отношении от других видов. По современным представлениям, большинство мутаций нейтральны, то есть никак не сказываются на жизнеспособности своих носителей. К адаптивным относится лишь небольшая часть генетических изменений, и адаптивная ценность тех или иных аллелей может существенно варьировать в зависимости от условий среды.

Все люди обладают общими генетическими характеристиками и несут мутации, накопленные в процессе антропогенеза, - мутации генов, которые "делают нас людьми" (Gibbons 1998; Ebersberger et al. 2002). Однако процесс накопления генетических изменений продолжался и после формирования человека как вида и привел к тому, что различные этнические или географические группы отличаются друг от друга по спектру мутаций (аллелей) и/или по частотам тех или иных аллелей. Часть этих различий связана с адаптацией популяций человека к различным факторам среды, включая и те условия жизни, которые возникли в результате развития цивилизации. Именно эти генетические различия между популяциями человека будут рассмотрены в следующем разделе.

Генетическая адаптация к типам питания

Очевидно, что пищевые традиции народа и генетические факторы взаимодействуют. Употребление тех или иных видов пищи становится возможным лишь при наличии определенных генетических предпосылок (как в упомянутом выше случае, когда наличие мутации в гене лактазы сделало возможным употребление молока не только детьми, но и взрослыми). Впоследствии ставшая традиционной диета действует как фактор отбора, приводя к изменению частот аллелей и распространению в популяции тех генетических вариантов, которые наиболее адаптивны при данной диете. В частности, частота мутации в гене лактазы наиболее высока в том регионе Европы, в котором наиболее интенсивно велось молочное животноводство.

Отсутствие фермента трегалазы, расщепляющей трегалозу (углевод грибов), видимо, является причиной того, что некоторые северные народы не употребляют грибы в пищу, так как в отсутствие этого фермента употребление грибов приводит к расстройству пищеварения.

У эскимосов при традиционном питании норма потребления мяса составляет до 2 кг в день. Переваривание такого количества мяса возможно при сочетании определенных культурных (кулинарных) традиций, микрофлоры определенного типа и наследственных физиологических особенностей пищеварения. Генетические детерминанты этих особенностей пока неизвестны.

Описана генетическая особенность, распространенная у жителей Эфиопии и Саудовской Аравии. Значительная часть этих популяций (20-30 %) способна быстро метаболизировать некоторые пищевые вещества и лекарства, в частности амитриптилин, благодаря наличию у них двух или более копий гена цитохрома P4502D. Цитохромы этой группы отвечают за метаболизм определенных веществ, поступающих с пищей. У народов других регионов удвоение гена цитохрома встречается с частотой не более 3-5 % и распространены неактивные варианты гена (от 2-7 % - у жителей Европы, до 30 % - в Китае). Предполагают, что увеличение числа копий гена в Эфиопии связано с особенностями диеты (возможно, употреблением в пищу больших количеств съедобного растения теф, составляющего до 60 % продуктов питания эфиопов).

Взаимодействие генетических, культурных и природных факторов можно проиллюстрировать на примере исследования риска развития гепатоцеллюлярной карциномы в Судане. Гепатоцеллюлярная карцинома - один из широкораспространенных во всем мире видов рака. Показано, что фактором риска рака в Судане является потребление орехового масла (пищевой фактор), причем риск этот значителен для регионов с высокой влажностью (климатический фактор), где при хранении орехов высока вероятность их контаминации афлотоксинами. Заболевают раком преимущественно индивиды с низкой активностью одного из ферментов метаболизма ксенобиотиков - глутатион-метионин трансферазы, кодируемой геном GSTM1 (генетический фактор).

"Экономичные" гены и болезни цивилизации

Диабет, ожирение, гипертония, атеросклероз и другие широкораспространенные в высокоразвитых обществах болезни связаны с избыточным потреблением углеводов, жиров, соли и недостаточной физической активностью. При этом существует генетическая предрасположенность к развитию этих заболеваний. Некоторые генетические особенности повышают риск развития диабета или атеросклероза. Для ряда генов показано, что генетическими факторами риска таких заболеваний являются исходные, предковые аллели, тогда как производные аллели, эволюционно более молодые, могут проявлять протективное действие. Это соответствует гипотезе об "экономичном" ("thrifty") генотипе. Гипотеза основана на предположении, что человек генетически адаптирован к образу жизни охотника-собирателя (кем он, собственно, и был на протяжении сотен тысяч лет своей эволюции). В условиях низкохолестериновой, низкоуглеводной, низкокалорийной и бессолевой диеты, сочетавшейся с высокой физической активностью, выгодны были "экономичные" гены, обеспечивавшие эффективное поглощение и утилизацию этих питательных веществ. "Экономичные" аллели, бывшие адаптивными в прошлом, стали факторами риска "болезней цивилизации" при переходе к современным условиям жизни. В модернизированных обществах частота этих аллелей снизилась, и они уступили место эволюционно более молодым аллелям-"транжирам" (Sharma 1998). Рассмотрим более подробно возможные факторы изменения частот "экономичных" аллелей в популяции.

Ген аполипопротеина Е (APOE) участвует в регуляции уровня холестерина крови. Один из его аллелей, называемый APOE*e4, ассоциирован с повышенным уровнем холестерина и рассматривается как "экономичный" (Mahley, Rall 2000; Corbo, Scacchi 1999). Этот аллель APOE*e4 является фактором риска болезни Альцгеймера и сердечно-сосудистых заболеваний у жителей Европы и евроамериканцев. Однако у племен суб-Сахарской Африки этот аллель не является фактором риска и не ассоциирован с высоким уровнем холестерина. У афроамериканцев ассоциация наблюдается, однако более слабая, чем у евроамериканцев. Это свидетельствует о разном проявлении одного и того же аллеля в различных условиях среды и на различном генетическом фоне. Частоты аллеля APOE*e4 варьируют от 5-15 % у большинства европейских народов до 40 % - у автохтонных народов Африки, Австралии и Америки. Можно полагать, что APOE*e4, являющийся более древним, предковым аллелем, был вытеснен в популяциях с производящим хозяйством более молодыми производными от него аллелями APOE*e3 (ассоциированным со средним уровнем холестерина) и APOE*e2 (ассоциированным с низким уровнем холестерина). При этом маловероятно, что болезнь Альцгеймера или сердечно-сосудистые заболевания были факторами отбора, так как эти заболевания проявляются в пострепро-дуктивный период. Вероятно, какой-либо другой признак, ассоциированный с этими аллелями и повышающий выживаемость в дорепродуктивный период, опосредовал действие естественного отбора.

Сходные наблюдения относятся к аллелю гена ангиотензиногена AGT. Ген AGT участвует в регуляции солевого обмена. "Экономичный" аллель гена ангиотензиногена AGT*235T ассоциирован c эссенциальной гипертензией (Sharma 1998). Возможная роль "экономичных" аллелей в адаптации к земледелию рассмотрена в обзоре.

Генетика устойчивости к инфекционным заболеваниям

Наиболее известным примером устойчивости к инфекциям является распространение наследственной болезни крови серповидноклеточной анемии в зоне распространения малярии. Серповидноклеточная анемия вызывается мутацией в гене гемоглобина, приводящей к нарушению его функций. Форма эритроцитов у больных напоминает серп, из-за чего болезнь получила свое название. Носители мутации более устойчивы к малярии. В зонах распространения малярии наиболее адаптивно гетерозиготное состояние. Хотя малярия не является созданием рук человеческих, распространение ее связано с антропогенными изменениями ландшафтов в результате распашки земель.

Аналогичным примером является муковисцидоз - наследственное заболевание, вызываемое мутациями в гене CFTR (cystic fibrosis transmembrane conductance regulator). Заболевают дети, у которых затронуты мутациями гены на обеих гомологичных хромосомах. До недавнего времени больные были неизлечимы, потомства не оставляли, обычно погибая в раннем детстве. При наличии у человека только одной мутации он остается здоровым. Предполагается, что гетерозиготные носители мутации более устойчивы к кишечным инфекциям, являвшимся на протяжении многих столетий частой причиной смерти детей.

Эти примеры показывают, что платой за повышение приспособленности гетерозигот может быть гибель гомозигот по болезнетворной мутации, неизбежно появляющейся при повышении популяционной частоты мутаций.

Генетические изменения, сопровождающие антропогенные преобразования среды

Распространенность определенных генетических детерминант в популяции может делать более вероятным развитие тех или иных культурных особенностей (требующих генетической адаптации), аналогично тому, как наличие определенных аллелей делает возможным освоение новых климатических зон. Например, показано, что русское население Севера по частотам некоторых аллелей отличается от русских центрального региона и приближается к частотам, характерных для аборигенного населения (Спицин 1985). Речь идет о вариантах, важных для адаптации к холодному климату. Носители дезадаптивных генетических вариантов плохо себя чувствуют, чаще болеют, проживая в холодном климате, и с большей вероятностью уезжают. Таким образом, данная экониша "отбирает" соответствующие ей генотипы, но не за счет дифференцированной смертности или различий в репродуктивном успехе, а за счет отъезда неадаптированных особей.

Часть социально и природно детерминированных факторов, например изменения климата или постепенный переход от собирательства к земледелию, может вызывать медленные (на протяжении десятков и сотен поколений) изменения генофонда популяций, на 2-5 % за поколение. Тогда как действие других факторов (эпидемий, часто связанных с войнами и социальными кризисами), вероятно, может в несколько раз изменить частоты аллелей в популяции на протяжении жизни одного поколения. Так, распространение в Европе некоторых вариантов генов, ассоциированных с устойчивостью к инфекциям, связывают с "черной смертью" - эпидемией чумы или другими эпидемиями (Stephens et al. 1998). При гибели до 80 % населения (а в ряде районов смертность от эпидемий достигала такого уровня) частота аллеля может измениться в 5 раз. До появления больших городов и достижения эпидемического порога численности населения такие крупномасштабные "раунды отбора" на устойчивость населения к инфекциям вряд ли были возможны.

Демографические изменения могли сказаться на манифестации некоторых генетических особенностей. Так, репродуктивные циклы женщин в индустриализованных странах и традиционных обществ отличаются. По сравнению с женщинами догонов у американских женщин раньше наступает менархе (12,8 по сравнению с 16,1 годами), позже происходят первые роды (16,0 лет по сравнению с 19,5), короче период грудного вскармливания ребенка (3 месяца по сравнению с 30 у догонов) и меньше число родов (в среднем 1,8 детей по сравнению с 5,0). Общее число менструальных циклов за время жизни у женщин западной культуры составляет около 400, тогда как у охотников-собирателей и ранних земледельцев - немногим больше 100. Увеличение числа менструальных циклов, во время которых овариальные гормоны стимулируют деление клеток в тканях репродуктивной системы и грудной железы, повышает риск появления мутаций, ответственных за злокачественную трансформацию клеток, и тем самым увеличивают риск развития рака у женщин (Strassmann and Dunbar 1999). Известны мутации, связанные с семейными формами рака груди и яичников, однако изменение их проявления в обществах различных типов пока не изучено.

Генетические изменения могут быть связаны и с изменением адаптивной ценности некоторых психологических и поведенческих особенностей людей различных обществ. По некоторым прогнозам, депрессия в XXI займет одно из первых четырех мест как причина потери работоспособности. Одной из причин увеличения частоты депрессий в вестернизованных обществах может быть утрата индивидом поддержки родовой группы. В ряде исследований показано, что с разрушением системы родовой поддержки снижается выживаемость детей, повышается риск развития заболеваний. Разные страны существенно различаются по частоте депрессии (европейские - в 5 раз), в отличие от шизофрении, частота которой примерно одинакова (Maynard Smith 1999). Можно предположить, что общества с развитой сетью родственных отношений и общества более индивидуалистичные могут отличаться по генетическим характеристикам, имеющим отношение к депрессии. Генетическая детерминация депрессии довольно велика (30-40 %) (Malhi 2000; McGuffin et al. 2001). Хотя выявлены некоторые гены, ассоциированные с этим заболеванием (гены транспортера серотонина HTT, катехол-о-метил трансферазы COMT), говорить о том, что генетические факторы риска развития депрессии изучены, преждевременно. Однако несомненно, что такие факторы будут выявлены в неотдаленном будущем.

Таким образом, из сказанного выше ясно, что при изменении хозяйственно-культурного типа общества и повышения уровня его социокультуры оно формирует такую среду обитания, адаптация к которой требует генетических изменений популяций. Во всех сложных обществах развито земледелие и животноводство, а это означает определенные изменения диеты по сравнению с охотниками-собирателями. От одомашненных животных человек получил десятки возбудителей инфекций. Все сложные общества имеют высокую плотность населения и развитые технологии хранения и перераспределения продуктов, а эти факторы требуют устойчивости к инфекциям. По мере усложнения социальной иерархии могут меняться и требования к поведению индивидов, что также может быть связано с определенными генетическими изменениями. Сложные и простые общества различаются по частотам аллелей некоторых генов, связанных с регуляцией поведения, например по аллелям гена DRD4 (Ding et al. 2002); при этом показано, что различия эти появились в результате действия отбора, однако фактор отбора пока неизвестен.

3. Молекулярные болезни

Все наследуемые признаки человека записаны с помощью генетического кода в макромолекулярной структуре ДНК. Двойная спираль ДНК, взаимодействуя со щелочными белками (пистонами), образует сложную надмолекулярную структуру - хромосому. Каждая хромосома содержит одну непрерывную молекулу ДНК, имеет определенный генный состав и может передавать только ей присущую наследственную информацию. Хромосомный набор (кариотип) человека включает 22 пары аутосом и 2 половые - XX или ХУ - хромосомы.

Несмотря на сложившуюся в процессе эволюции значительную стабильность генетического материала и наличие ДНК-репарирующих ферментов (энзимов, исправляющих ошибки репликации ДНК), под влиянием различных физических (ионизирующая радиация, ультрафиолетовые лучи), химических (алкирующие и другие соединения) и биологических (вирусы) факторов возможны изменения структуры ДНК - мутации. Учитывая наличие в геноме эукариот мигрирующих нуклеотидных последовательностей и транспозонов, под мутацией следует понимать изменение структуры ДНК, незапрограммированное в геноме и имеющее фенотипическое выражение.

Мутации в половых клетках фенотипически проявляются в виде наследственного предрасположения или наследственного заболевания. Наследственная предрасположенность - это генетически обусловленная повышенная подверженность какому-либо заболеванию, которая реализуется в определенных условиях среды. О наследственной болезни говорят в том случае, когда повреждение ДНК проявляется без дополнительного воздействия факторов среды. Все наследственные болезни человека подразделяются на две группы: молекулярные болезни, имеющие в своей основе точечный дефект на нити ДНК, и хромосомные, для которых характерно более грубое повреждение генетического материала.

Молекулярные болезни - обширная группа заболеваний, природа которых связана с повреждением отдельных генов. Сейчас известно более 2500 молекулярных болезней. Причиной данной патологии являются генные (точечные) мутации, т. е. изменения последовательности нуклеотидов в молекуле ДНК. Характер патологии зависит от локализации повреждения на нити ДНК. В генетическом аппарате эукариот имеются функционально различные участки: промотор - небольшая зона ДНК, узнающаяся РНК-полимеразой и факторами инициации транскрипции, регуляторные участки - энхансеры (усилители) и сайленсеры (ослабители) транскрипции, зона терминации транскрипции, а также структурные гены, определяющие последовательность аминокислот в молекуле белка. Большинство генов эукариот имеет прерывистую структуру: последовательности нуклеотидов, кодирующие белок (экзоны), чередуются с участками, не несущими информации (интроны). В ядре синтезируется про-м-РНК-копия всего гена. Далее здесь же в ядре все несмысловые участки вырезаются, а концы кодирующих последовательностей соединяются. Этот процесс назван сплайсингом. В одном и том же гене сплайсинг может протекать разными способами (альтернативный сплайсинг), т. е. под контролем одного гена в принципе могут синтезироваться несколько полипептидов с различной аминокислотной последовательностью.

Реализуется сплайсинг с помощью специализированных ферментов, а также за счет аутокатализа, когда роль фермента (рибозима) выполняет сама про-м-РНК.

Мутации, затрагивающие область промотора или регуляторные участки, приводят к изменению количества синтезируемого белкового продукта, но сам белок остается неизменным. Мутации структурного гена ведут к изменению первичной структуры белка. Мутация в области интрона может остаться без последствий, однако изменение сигнальной последовательности нуклеотидов на границе экзона и интрона может привести к нарушению процесса аутосплайсинга.

При мутации экзонов возможны следующие патологические изменения:

1) при мутации со "сдвигом рамки" может синтезироваться белок с резко измененной структурой и нарушенной функцией;

2) мутация может превращать бессмысленный (терминаторный) триплет в смысловой - синтезируется полипептидная цепь большей длины, чем в норме;

3) мутация может превращать смысловой триплет в терминаторный - происходит синтез укороченной полипептидной цепи;

4) мутация может приводить к изменению смысла кодона, что вызовет замену аминокислоты в полипептидной цепи.

Нарушение работы ферментов сплайсинга и рибозимов фенотипически проявляется также как мутация структурного гена.

Важным этапом в реализации генетической программы является посттранскрипционная модификация м-РНК. К одному концу м-РНК присоединяется отрезок поли-А, состоящий из 50 - 200 идениловых нуклеотидов. Другой конец м-РНК подвергается кэпированию, т. е. соединяется с химической группировкой, содержащей метилгуанозин. Нарушение этих процессов приводит к сокращению времени жизни м-РНК, к ее быстрому разрушению нуклеазами и, следовательно, невозможности трансляции генетической информации.

Вышедшая из ядра м-РНК соединяется с цитоплазматическими белками с образованием нуклеопротеидных частиц - информосом. При патологии информосом нарушается регулируемое поступление м-РНК в белоксинтезирующую систему.

Таким образом, основу молекулярных болезней составляет нарушение синтеза различных белков организма. Патология может касаться структурных, транспортных, рецепторных, антигенных белков, но чаще всего страдают белки-ферменты и большинство молекулярных болезней носит характер энзимопатий. Если в результате мутации изменен активный центр фермента - нарушается его каталитическая активность и сродство к субстрату; если затронут аллостерический центр - нарушается регуляция активности фермента метаболитами и гормонами.

Для диагностики наиболее распространенных энзимопатий используются простые экспресс-методы - так называемые скрининг-тесты (скрининг - просеивание). Скринирование энзимопатий основано на определении активности аномального фермента, изучении количества конечных продуктов реакции и предшественников, а также на выявлении необычных продуктов обмена в биологических жидкостях.

При хромосомных болезнях и синдромах световая микроскопия позволяет выявить изменения хромосомного набора либо в виде анэуплоидий, т. е. изменения числа аутосом (болезнь Дауна, синдромы Эдвардса и Патау) или половых хромосом (синдромы Клайнфельтера, Шерешевского - Тернера, трисомии-Х), либо в виде изменения структуры хромосом (делеции, дупликации, инверсии, транслокации). Причиной анэуплоидий является нерасхождение хромосом в процессе митоза или мейоза. Замечено повышение частоты нерасхождения с увеличением возраста матери.

В настоящее время описано более 100 различных хромосомных синдромов. Около 50 % всех случаев спонтанных абортов связаны с аномалиями хромосом. При этом хромосомные дефекты, унаследованные от предыдущих поколений, составляют лишь 1,3 % среди спонтанных абортов и 5,9 % среди мертворождений. Следовательно, чаще всего хромосомные аберрации являются результатом первичного нарушения гаметогенеза в родительском организме или появляются в процессе развития зародыша.

Для диагностики хромосомных болезней проводят исследование хромосомного набора человека (кариотипа), а также определяют Х- и Y-половой хроматин, что позволяет обнаружить изменение числа половых хромосом в кариотипе. Важным экспресс-методом диагностики хромосомных болезней является исследование дерматоглифического фенотипа - наследственных особенностей кожного рисунка.

План практического занятия

1. Генетический контроль устойчивости модельных объектов (сельскохозяйственных растений, животных, человека) к неблагоприятным внешним факторам

2. Молекулярные болезни человека

Основная литература: 1 - 10 ( по списку основной литературы)

Дополнительная литература: 1 - 13 ( по списку дополнительной литературы)

Тема 11-12. Генетический мониторинг популяций человека и охрана генофонда при действии мутагенов среды

1. Природные популяции как исторически сложившиеся стабильные популяционные системы

2. Генетический мониторинг популяций человека при действии мутагенов среды

1. Природные популяции как исторически сложившиеся стабильные популяционные системы

Комплекс условий среды складывается из отдельных параметров - т.н. экологических факторов (компонентов среды). По своей природе их можно разделить на два типа:

абиотические факторы, куда входят основные физические характеристики среды, например такие, как температура, влажность, топография и особенности ландшафта, геохимические свойства местности и т.п. Совокупность таких условий в данном пункте Земли называют экологической зоной, или биотопом;

биотические факторы - все те воздействия, которые могут быть связаны с популяциями других существ, с которыми человек сосуществует на данной территории. Эти т.н. симпатрические виды служат нам источником пищи, выступают в качестве наших конкурентов или даже хищников. Некоторые из них являются возбудителями или переносчиками инфекций, другие могут уничтожать наши урожаи, разрушать жилище и т.п. Наконец, третьи только тем и живут, что "борются за наше здоровье и урожай". Совокупность всех этих организмов, обитающих на одной территории и взаимодействующих на трофическом и пространственном уровне, называют биотическим сообществом (аналогичные понятия - биоценоз и биом).

Вместе эти разнородные компоненты функционируют как единый комплекс, они составляют т.н. биогеоценоз (экосистему) - т.е. сообщество организмов и окружающей их физической среды, взаимодействующих и образующих отдельную экологическую единицу. Биогеоценоз представляет собой функционально единую и сбалансированную систему - организмы, населяющие экологическую зону, как правило, способны к длительному существованию при отсутствии дополнительных источников вещества и энергии. Представители каждой популяции выполняют в этой системе определенные "функции" и занимают свое особое положение относительно других биологических объектов - т.н. экологическую нишу. Человек не является в этом отношении исключением. Естественно, для каждого организма понятие "окружающая среда" включает в себя других представителей той же популяции, с которыми он находится в генетических и социальных отношениях. Экзогенных факторов можно выделить очень много. На первый взгляд кажется даже, что оценить их воздействие на данный интересующий нас объект в принципе невозможно. Но компоненты среды отличны не только по своей природе, они имеют разную силу воздействия и разную значимость для функционирования популяции или ее отдельных представителей. Так, ряд факторов оказывает настолько незначительное воздействие на организм, что в исследовании ими можно пренебречь. Бывает, что тот или иной необходимый организму компонент всегда имеется в достаточном, а вернее сказать - в оптимальном количестве, и никак не ограничивает существование нашего объекта или сообщества. Для экологии особый интерес представляют т.н. лимитирующие (или ведущие) факторы - ключевые изменчивые параметры среды, прямо или опосредовано влияющие на жизнеспособность и стабильность индивидов, популяций и в целом сообществ. Сочетание экзогенных условий уникально в каждом географическом пункте планеты. Но, несколько упростив картину, всю территорию Земли можно разделить на небольшое число экологических зон - типов среды, характеризующихся определенным сочетанием ключевых параметров. В таком мировом масштабе отдельные климатические зоны распределяются в соответствии с широтой местности и ее топографией (в частности, высотой над уровнем моря). Вместе с ними закономерно распространяются и наиболее крупные экосистемы планеты. Карта описывает области, занятые современными биомами. Но нам хорошо известно, что в течение всего времени эволюции человека климат и топография планеты претерпевали глобальные изменения. В соответствии с этими климатическими и геологическими процессами меняется и распространение основных биотических сообществ. Наконец, непрерывно развиваются и сами экосистемы. Это динамичные образования - одни виды, входящие в состав их биотического компонента вымирают, другие приспосабливаются к сложившейся новой ситуации. Такая смена одних видов другими, происходящая за некоторый период времени в пределах экосистемы получила название экологической сукцессии. Финальной стадией этого процесса обычно является т.н. климаксное сообщество - устойчивое, самовозобновляющееся и находящееся в равновесии с данной средой. Появление нового фактора закономерно приводит к новой сукцессии. Все эти изменения идут и в современном мире: продолжается межледниковье (интерстадиал), тектонические плиты не останавливают свое движение, высятся новые горные системы и разрушаются старые… Да и мы с вами со своими городами, мусором, полями, нефтью и парниковым эффектом и т.п. представляем мощнейший экологический фактор (т.н. антропогенный фактор), к которому сами же никак не успеваем приспособиться. "Все течет, все изменяется". Представление о непрерывности изменения среды - важнейший момент в изучении хода приспособительных процессов и самого биологического разнообразия современного человека.