Экологическая генетика

Мы примерно поняли, что взаимодействие в системе "организм-среда", на самом деле, выстраивается во вполне последовательную схему: изменение экзогенных факторов среды --> приспособление к новым условиям --> экологическая изменчивость. Основным звеном взаимодействия в этой схеме является процесс приспособления.

К сожалению, приспособление, или адаптация (от лат. adaptatio - прилаживание, приспособление) - понятие, имеющее в науке несколько разные оттенки:

во-первых, под адаптацией часто подразумевается сам процесс, в ходе которого организм приспосабливается к условиям окружающей среды, изменяя свое строение и функции (адаптация = процесс приспособления);

второе значение термина отражает степень соответствия между организмом и средой. Здесь адаптация рассматривается как "оценка" достигнутого в данный момент результата приспособления, протекающего в конкретном местообитании (биотопе) и в соответствующем сообществе (биоценозе) (адаптация = результат приспособления).

Об этих терминологических значениях важно помнить, изучая литературу или проводя исследования. Они же могут привести нас к ряду выводов. Первый из них состоит в том, что адаптивный эффект достигается посредством изменения целого ряда характеристик: биохимических, физиологических, морфологических и поведенческих.

Так, к высокой температуре среды человек может приспособиться при помощи следующих реакций:

уменьшения вязкости крови (биохимические изменения);

повышения вентиляции легких или потоотделения (изменения физиологические);

увеличения относительной поверхности тела или его частей (т.е. морфологическая адаптация);

Кроме того, можно постоянно находиться в тени, сидеть в воде, снизить свою двигательную активность и т.п. (адаптация путем непосредственных поведенческих реакций). Наконец, еще есть такая штука, как вентилятор, кондиционер и т.п. Все эти разнородные варианты в равной степени могут выступать как приспособительные по отношению к конкретному ведущему фактору среды. Адаптация в таком случае может рассматриваться как стратегия выживания, направленная на решение новых "задач", которые ставит перед организмом среда (адаптация = стратегия выживания).

Если говорить только о сфере биологии, то возникает еще два вывода:

приспособление может быть генетически детерминированным явлением, возникающим в ходе естественного отбора по данному ведущему фактору - в результате избирательной смертности одни генотипы (менее приспособленные к данному фактору) элиминируются, другие, напротив, имеют больше шансов закрепиться в популяции. В таком виде явление адаптации обусловлено генетически и представляет собой длительный исторический процесс, затрагивающий ряд поколений;

приспособление может быть результатом непосредственной фенотипической или поведенческой реакцией, возникающей в ответ на тот же фактор в течение короткого времени (например, в течение жизни).

В первом случае имеет место генотипическая адаптация, связанная с "направленным" изменением генных частот в популяции - по сути, экологическое проявление естественного отбора (адаптация " отбор). Во втором случае, когда речь идет о быстрых изменениях биологических свойств, мы имеем дело с адаптацией на уровне фенотипа. Это индивидуальные обратимые или необратимые фенотипические изменения, никак не затрагивающие частоту генов, связанных с развитием данного адаптивного признака (тем не менее, к изменению общего популяционного генофонда и эта адаптация имеет самое прямое отношение). Все мы регулярно, что называется "на собственной шкуре", испытываем такие быстрые или "краткосрочные" фенотипические изменения. Так, большая часть нашей возрастной и конституциональной изменчивости под определенным углом зрения представляет собой не что иное, как пример адаптации на уровне фенотипа. Конечно, можно привести и другие случаи, например - явления акклиматизации и физиологического стресса.

Под акклиматизацией (от лат. ad - к, для; греч. klima - климат) понимается процесс активного приспособления организма к непривычным для него климатическим условиям. Это комплекс быстрых фенотипических реакций, связанных в первую очередь с изменением показателей обмена веществ. Физиологические реакции регулируются на рефлекторном и нейрогуморальном уровне, а степень изменений определена индивидуальной нормой реакции. Куда бы мы с Вами ни приехали (скажем, отправились в горы, в поход, или просто на курорт), в первые дни почти однозначно изменится наше артериальное давление, возникнет ощущение сонливости, нарушится аппетит, изменится температура, скорее всего, "сыграет на понижение" масса тела и т.п. В общем, произойдет ряд неспецифических изменений, связанных с общей реакцией организма на раздражение. Если смена климатических условий была резкой, у особо чувствительных людей могут происходить очевидные психологические срывы, появляются различные недомогания (головные боли, вялость, разбитость), нервные, сердечно-сосудистые расстройства и пр. Могут резко обостряться хронические заболевания, такие как гипертоническая болезнь, стенокардия, ревматизм, туберкулёз и т.п. Механизм развития таких адаптивных изменений можно описать используя знакомую Вам концепцию физиологического стресса.

Согласно этой концепции совокупность защитных реакций, возникающих в организме при действии значительных по силе и продолжительности внешних и внутренних раздражителей можно назвать адаптивным синдромом. Эти реакции способствуют восстановлению нарушенного равновесия функций организма и направлены на поддержание постоянства его внутренний среды (гомеостаза). Все самые разнообразные факторы, вызывающие развитие адаптивного синдрома называют стрессорами (стрессогенными факторами), а развивающееся при их действии состояние организма - стрессом (от англ. stress - напряжение). Общими признаками начала этого процесса являются увеличение коры надпочечников и усиление их секреторной активности, уменьшение вилочковой железы, селезенки и лимфатических узлов, изменение состава крови, общая разбалансировка обменных процессов организма (причем преобладают процессы распада), ведущие к похуданию, падению кровяного давления и т.п.

Весь процесс можно разделить на 3 стадии:

стадия тревоги (шок ® противошок) - продолжается обычно от 6 до 48 часов. На этой стадии организм быстро перестраивается, основные показатели разбалансированы, начинается приспособление к новым условиям;

стадия резистентности - этап повышенной устойчивости организма к различным воздействиям. К концу этой стадии состояние организма нормализуется, физиологические показатели стабилизируются, и достигается новое состояние устойчивого равновесия (например, если речь идет о развитии болезни, то происходит выздоровление). Организму удается вполне успешно приспособиться к сложившейся ситуации;

наконец, если действие раздражителей велико по силе и(или) продолжительности, то наступает стадия истощения, которая может завершиться гибелью. Организму не удается приспособиться к действию данного стрессора.

Это общий механизм. Но ряд физиологических показателей будут вести себя совершенно специфическим образом в зависимости от сочетания конкретных стрессогенных факторов - тех условий, в которых мы оказались. Например, в условиях высокогорья климат отличается пониженным атмосферным давлением, интенсивной солнечной радиацией, повышенной ионизацией и низкой температурой воздуха - это ведущие факторы данного экологического региона. Уменьшение парциального давления кислорода в альвеолярном пространстве вызывает гипервентиляцию легких и возрастание минутного объема сердца. Происходит увеличение числа эритроцитов и содержания гемоглобина в крови. Чтобы снизить опасность высотной болезни, поднимаясь в горы, нам приходится делать регулярные более или менее длительные остановки (от нескольких дней до нескольких недель). Присмотревшись к представленным картинкам, Вы заметите, что после резкого изменения значения того или иного физиологического показателя, он стабилизируется на каком-то новом качественном уровне. Этот уровень наш организм "считает" наиболее адекватным данной экологической ситуации. Такой уровень варьирует, но в общих чертах сохраняется до тех пор, пока мы не окажемся в новых условиях (скажем, вернемся из нашей поездки домой). Состояние оптимума или равновесия в данной среде достигается обычно только на 1-3 годы жизни - человек все меньше замечает дискомфорт. Установлено, что направление приспособительных реакций в типе обмена веществ и других физиологических признаках у приезжих лиц совпадает с характеристиками, типичными для коренного населения тех регионов, в которых, собственно, происходит. В качестве примера возьмем те же условия высокогорья. Разница между пришлым и местным населением заключается в том, что даже после успешной акклиматизации организм мигрантов будет работать на износ и совершать "подвиг каждый день". Условия по-прежнему остаются для нас чужими. Устанавливается временное приспособление (фенотипическое) - это баланс на грани возможностей организма, его нормы реакции. Местное, т.н. коренное население адаптировано не только на фенотипическом, но и на генетическом уровне, а его норма реакции наилучшим образом соответствует данным условиям, которые для него наиболее обычны - комфортны (адаптация = изменение нормы реакции). "Утешает" лишь то, что если представители такой группы приедут к нам в гости, коренным населением окажемся уже мы с Вами. В нашей "комфортной" среде они будут чувствовать себя примерно так, как мы чувствовали себя у них в гостях. Ясно, что наиболее быстрый и оптимальный акклиматизационный эффект достигается при наибольшем сходстве морфофизиологических особенностей пришлого и коренного населения, а наибольшего напряжения механизмов адаптации требует акклиматизация в экстремальных условиях среды.

Наш собственный способ адаптации: среда-культура-человек

Все те способы приспособления, о которых мы говорили, в равной степени "используются" и человеком, и другими представителям живой природы. Но человек вряд ли освоил столь разнообразные типы среды, сделав это так быстро и эффективно, если бы шел только по пути биологической адаптации. Особенность человека - постоянный поиск новых форм приспособления путем изменений в социальной организации и хозяйственно-культурной сфере. Очень многие элементы нашей духовной и материальной культуры могут рассматриваться как непосредственные приспособительные черты, помогающие (или помогавшие когда-то) уменьшить влияние многих экзогенных факторов, а вместе с ними снизить давление естественного отбора. Культура (в широком понимании) - это наш собственный "человеческий" способ адаптации к среде, причем способ очень мобильный, динамичный и в смысле выживания человека весьма эффективный. Среда, безусловно, оказывает влияние на развитие культуры. И наоборот, именно посредством культуры человек воздействует на среду своего обитания - модифицирует её.

Упрощая картину, можно выделить два соподчиненных между собой уровня адаптации: биологический и социальный (небиологический). При таком подходе в понятие "приспособление" входят:

собственно биологические изменения, происходящие на разных уровнях организации человека (индивидуальном, популяционном и т.п.);

всевозможные приспособления на уровне небиологических систем (духовная и материальная культура, индивидуальное и социальное поведение).

Описанная ситуация и сама идея рассматривать культуру как адаптивное свойство человека настолько понятны, что развивать их дальше не стоит. Важнее подчеркнуть, что процесс биологической адаптации находится в постоянном и сложном взаимодействии с изменениями в культурной и социальной сфере, а для каждой конкретной группы человека значение того или иного составляющего элемента общего процесса различно. Вполне возможно, что такое разделение единого процесса приспособления на составляющие в принципе некорректно. Небиологическая "адаптация" вовсе не универсальна. Чаще всего культурные системы сглаживают давление окружающей среды на организм человека, но они же могут многократно усиливать существующий стресс или продуцировать новые типы стресса.

Кстати, именно в связи с этим, всегда большую проблему представляет попытка однозначно интерпретировать биологические последствия действия того или иного фактора среды. В исследовательской работе практически невозможно как-то точно измерить степень стрессового воздействия отдельного экологического фактора. Во всяком случае, нам такой способ неизвестен. Вспомните эпиграф к этой теме. Уже во времена Гиппократа была вполне принята следующая логика: "люди племени Х похожи друг на друга, потому что живут в одних и тех же условиях". В этих конкретных условиях они выработали определенные черты культуры ("носят одну одежду", "едят одну пищу" и т.п.) и поэтому еще больше похожи между собой и отличаются от других. По сути, изложен принцип географического (или экологического) детерминизма, проявляющегося у человека, как в сфере биологии, так и в сфере культуры. Со времен Гиппократа прошло более двух тысяч лет, и за это время мы изучили кое какие закономерности связи культуры человека и естественной среды. В частности мы знаем, что из всех явлений культуры с географической средой наиболее тесно связана хозяйственная деятельность человека. В сходных условиях и при одинаковом уровне культурного развития в разных группах человека вырабатываются близкие формы приспособления - возникают схожие комплексы материальной культуры.

Такие комплексы в отечественной этнографической литературе определяются понятием хозяйственно-культурный тип, т.е. исторически сложившийся комплекс хозяйства и культуры, типичный для народов, различных по происхождению, но обитающих в сходных географических условиях и находящихся на более или менее одинаковом уровне исторического развития. Конкретные примеры хозяйственно-культурных типов - охотники на морского зверя полярных районов Северной Америки и Евразии, охотники-собиратели тропических лесов Южной Америки, Африки и Азии, скотоводы степей и полупустынь Евразии, охотники и рыболовы речных долин и т.п. Можно продолжить эту цепочку и говорить, например, о типе "села", "города" и пр.

Хозяйственно-культурный комплекс возникает независимо (конвергентно) у разных по происхождению народов. Его формирование можно описать как социальную реакцию популяции на факторы естественной среды обитания. Это своего рода адаптивная стратегия, направленная на максимально полное использование данных условий для выживания всей человеческой группы. Благодаря этому явлению можно существенно конкретизировать результаты антропоэкологических исследований, и уж, конечно, учитывать такой комплексный фактор в непосредственной работе. Проблема в том, что система хозяйственно-культурных типов разработана только отечественной этнографической и антропологической школой, и выделенные комплексы ограничены территорией бывшего Советского Союза.

Наиболее значимыми социальными моментами, преломляющими прямое влияние географической ситуации на биологию популяции и ее адаптивные возможности, являются:

происхождение населения;

этнографические особенности быта, верований, культуры (в том числе, уровень гигиены и медицины);

тип и уровень развития хозяйства;

демографическая структура населения

Три последних пункта сами по себе являются хорошими адаптивными характеристиками и в этом отношении успешно исследуются. Но что делать, наука - штука тонкая, и иногда совсем не просто разобраться, что является фактором, а что - результатом его действия.

2. Генетический мониторинг популяций человека при действии мутагенов среды

Загрязнение природной среды вредными отходами производства, продуктами неполного сгорания, ядохимикатами и другими мутагенами, повышение фона ионизирующей радиации, вызываемое испытаниями атомного оружия, бесконтрольным использованием химических и радиоактивных веществ в энергетике, промышленности, сельском хозяйстве - все это ведет к значительному увеличению генетических нарушений.

Генетический груз, подразумевающий собой эти генетические нарушения, подрывающие наследственное здоровье населения, растет. Так в СССР с восьмидесятого года рождалось 200 000 детей с серьезными генетическими дефектами и около 30 000 мертвых. Около 25% беременностей не донашивается по генетическим причинам. На данный момент у 10% всего населения существует нарушение психики. Увеличивается также число онкологических заболеваний. И при этом, в большинстве случаев, болезни связаны с загрязнением окружающей среды. По данным ВОЗ 80% болезней вызвано состоянием экологического напряжения. Поэтому проблемы генетики, экологии и адаптации человека становятся особенно острыми.

Наиболее целесообразным на данный момент для решения проблем экологии человека является использование мониторинга окружающей среды и социально-трудовой потенциал людей. Цель мониторинга заключается в выявлении физического, химического, биологического загрязнения окружающей среды. Мониторинг окружающей среды проводится на основе оценки структур здоровья населения в различных территориально-производственных комплексах. При этом нельзя считать полученные статистические данные абсолютно точными, так как они могут констатировать лишь рост заболеваний. Мешает также и отсутствие четких критериев здоровья и эффективных средств его оценки. Несомненно, мониторинг окружающей среды, а также другие методы решения экологических проблем так или иначе затрагивают генетику. А между тем, генетическое загрязнение нашей планеты опаснее всех других. Становится необходимым прогнозирование изменений роста заболеваний. Поэтому особое значение имеет генетический мониторинг, позволяющий проводить контроль за мутационным процессом у человека, выявлять и предотвращать всю возможность генетической опасности, связанную с еще необнаруженными мутагенами.

На данный момент, однако, исследования мутаций трудно осуществимы.

Возникшие трудности исследования мутаций прежде всего связаны с проблемой обнаружения их в организме человека. Так, например, дело обстоит с регистрацией рецессивной аномалии, так как такой мутантный ген проявляется в организме в гомозиготном состоянии, для достижения которого требуется некоторое время. Значительно проще дело обстоит с регистрацией доминантных генных и хромосомных мутаций, особенно, если их появление в фенотипе легко обнаружимо.

Благодаря биоэкологическому мониторингу через типизацию климатогеографических и производственных районов по структурам здоровья, (то есть по соотношениям между группами с различными уровнями здоровья) возможно более эффективное улучшение условий окружающей среды, а также повышение уровня здоровья населения. Хотя остается большое количество проблем. Так, например, показатели рождаемости, заболеваемости и смертности довольно инертно "откликаются" на изменение окружающей среды, и выявляются лишь последствия экологического неблагополучия, что не дает возможности оперативного управления экологической ситуацией.

Еще не разработан ряд необходимых экономических механизмов для стимулирования мероприятий по охране окружающей среды. Хотя генетический мониторинг - дело сложное, он просто необходим для решения экологических проблем человека, а также уменьшения роста заболеваний, в том числе наследственных.

План практического занятия

1. Природные популяции как исторически сложившиеся стабильные популяционные системы

2. Генетический мониторинг популяций человека при действии мутагенов среды

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

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

Тема 13-14. Мутагенез и канцерогенез

1. Мутагенез и антимутагенез

2. Пути уменьшения генетической опасности

1. Мутагенез и антимутагенез.

Процесс возникновения мутаций называют мутагенез, организмы, у которых произошли мутации, -- мутантами, а факторы среды, вызывающие появление мутаций, -- мутагенными. Способность к мутированию -- одно из свойств гена. Каждая отдельная мутация вызывается какой-то причиной, как правило, связанной с изменениями во внешней среде.

МЕХАНИЗМЫ КАНЦЕРОГЕНЕЗА

Онкологические заболевания занимают второе место как причина смертности населения в экономически развитых странах, уступая только заболеваниям сердечно-сосудистой системы. В разных регионах земного шара число больных опухолями колеблется от 65 до 360 на 100 000 населения.

Опухоль - это избыточное, некоординируемое организмом, потенциально беспредельное разрастание ткани, состоящей из качественно измененных клеток, для которых характерны безудержная пролиферация, нарушение дифференцировки, морфологический, биохимический и функциональный атипизм.

Опухолевый процесс - это несбалансированный тканевый рост, избыточное размножение клеток, не отвечающее потребностям ткани и организма в целом.

В патологии встречаются и другие процессы, сопровождающиеся разрастанием ткани, но они существенно отличаются от истинного опухолевого роста. Так, одним из тканевых проявлений воспалительной реакции является пролиферация клеток. Но при воспалении пролиферируют клетки различного генеза: специфические клетки данной ткани, клетки соединительной ткани, сосудов, некоторые клетки крови. Рост же опухоли осуществляется за счет размножения клеток одного типа, являющихся потомками одной клетки, подвергшейся трансформации. Пролиферация клеток при воспалении не беспредельна, она регулируема, сопровождается клеточной дифференцировкой и продолжается до восполнения тканевого дефекта. В основе гиперплазии и регенерации также лежит размножение клеточных элементов одного типа, но и эта пролиферация не беспредельна, как в опухолях, и завершается созреванием клеток.

Таким образом, самой существенной особенностью опухолевой ткани является беспредельная пролиферация клеток с нарушением процесса их дифференцировки.

Классификация опухолей

Различают доброкачественные и злокачественные опухоли.

Это разделение основано на оценке внешних особенностей отдельных опухолевых клеток и опухоли в целом, их поведения, темпа и характера роста, влияния на организм.

Доброкачественные опухоли растут медленно, годами, тогда как злокачественные отличаются быстрым ростом и могут заметно эволюционировать в течение нескольких месяцев или даже недель. Доброкачественные опухоли, увеличиваясь в размере, отодвигают (раздвигают) окружающие ткани, при пальпации подвижны и имеют ровную поверхность.

Злокачественные опухоли обычно плотные, с бугристой поверхностью, прорастают соседние ткани, малоподвижны. Злокачественные новообразования, помимо выраженных изменений в соседних тканях, вызывают истощение организма, способны к распространению, образованию метастазов, рецидивам и без лечения завершаются летально.

Репарация наследственного материала

Антимутагенез - это воздействие на клетку и организм, которое блокирует или уменьшает вероятность возникновения мутаций. Устойчивость генетического материала обеспечивают антимутационные механизмы.

1. Естественные барьеры: диплоидный набор хромосом ( парность хромосом), двойная спираль ДНК, избыточность ( вырожденность) генетического кода, повтор некоторых генов.

2. Репарация структуры ДНК- это внутриклеточный процесс восстановления поврежденной молекулы ДНК. Повреждениями могут быть разрывы нитей ДНК, сшивание (соединение) нитей ДНК или ДНК - гистон, нарушения структуры азотистых оснований.

Репарация может происходить:

а) до удвоения молекулы ДНК ( дорепликативная);

б) в процессе удвоения молекулы ( репликативная) и в) после удвоения молекулы ДНК (пострепликативная).

В 1962г. К.Руперт описал фотореактивацию, или световую репарацию. Он установил, что при облучении ультрафиолетом фагов, бактерий и протистов резко снижается их жизнеспособность. Но если на них действовать видимым светом, жизнеспособность восстанавливается. При действии ультрафиолета в молекуле ДНК образуются димеры (химические связи между основаниями Т-Т одной цепочки). Это тормозит считывание информации. Видимый свет активирует ферменты, которые разрушают связи димеров.

Чаще встречается репарация темновая, или эксцизионная ( описана А.Герреном в 50-е годы ХХ века). Она заключается в том, что ферменты находят и " вырезают" поврежденный участок нити ДНК и на его место вставляют синтезированный неизмененный участок.

В этих процессах участвуют четыре группы ферментов:

а) эндонуклеаза " узнает" поврежденный участок и рядом с ним разрывает нить ДНК;

б) экзонуклеаза удаляет поврежденный участок;

в) ДНК-полимераза по принципу комплементарности синтезирует фрагмент ДНК на месте разрушенного;

г) лигаза соединяет концы вставленного участка с основной нитью ДНК.

Нарушение процесса репарации может привести к развитию болезней, примерами которых являются пигментная ксеродерма и анемия Фанкони. При пигментной ксеродерме под действием солнечных лучей на коже появляются ожоги, развиваются язвы, ороговение эпидермиса, поражения глаз и появление раковых опухолей.

Анемия Фанкони связана с нарушением функций красного костного мозга, что приводит к снижению содержания форменных элементов крови и развитию гиперпигментации.

3. Наличие антимутагенов. Это вещества различной природы, которые в небольших концентрациях способны стабилизировать мутационный процесс. Примерами могут быть биологически активные соединения гистамин и серотонин, антиоксиданты, сульфаниламидные препараты, свежие овощные соки и некоторые другие. Наиболее эффективным антимутагеном является б- токоферол, который снижает число как генных, так и хромосомных мутаций. Чем больше токоферолов содержалось в растениях, тем больше была устойчивость их генетического аппарата к действию мутагенных факторов.

Биологические основы канцерогенеза (генетические концепции)

Канцерогенез - процесс образования и развития опухолей. Изменения происходят на молекулярно-генетическом уровне. В их основе лежат механизмы, которые контролируют рост, размножение и дифференцировку клеток.

В 1901г. впервые Г.де Фриз высказал предположение, что опухоль образуется в результате мутации в соматических клетках. Это - мутационная концепция канцерогенеза.

Основы вирусо-генетической концепции представлены в работах А.Борреля и Ф.Боска (1903г.). Они считали, что вирусы являются причиной лейкозов и саркомы кур. Л.А.Зильбер (1945г.) называл вирусы универсальной причиной злокачественного роста.

Мутагены и канцерогены активируют вирусы, их геном включается в ДНК клетки и изменяет ее свойства. Ю.М.Оленов (1967г.) и А.Ю.Броновицкий (1972г.) предложили эпигеномную концепцию.

Они считали, что в основе превращения нормальной клетки в опухолевую лежат нарушения структуры функциональных генов. Последней по времени является генная концепция - концепция протоонкогенов (Р.Хюбнер, 1969г.; Г.И.Абелев, 1975г.).

В составе ДНК любой клетки содержатся неактивные участки - протоонкогены. Они могут быть получены от родителей или внесены в клетку вирусом. Активируются протоонкогены при мутациях или при попадании в клетку промотора вируса и переходят в активную форму - онкогены. Нормальная клетка преобразуется в опухолевую клетку.

Генетика и проблема рака.

Достижения генетики и молекулярной биологии последних десятилетий оказали огромное влияние на понимание природы инициализации и прогрессии злокачественных образовании. Окончательно установлено, что рак представляет собой гетерогенную группу заболеваний, каждое из которых вызывается комплексом генетических нарушений, определяющих свойство неконтролируемого роста и способность к метастазированию. Эти современные знания открыли принципиально новые возможности в диагностике и лечении злокачественных новообразований.

Влияние конкретных генетических нарушений, лежащих в основе опухолевого роста, позволило обнаружить специфические молекулярные маркеры и разработать на их основе тесты ранней диагностики опухолей.

Известно, что неопластические трансформация клеток происходит в результате накопления наследуемых (герминативных) и приобретенных (соматических) мутаций в протоонкогенах или генах-супрессорах. Именно эти генетические нарушения с первую очередь могут быть использованы для обнаружения злокачественных клеток в клиническом материале.

Наиболее подходящим субстратом молекулярной диагностики является ДНК, т.к. она длительно сохраняется в образцах тканей и может быть легко размножена с помощью т.н. полимеразной цепной реакции (ПЦР). Это позволяет осуществлять диагностику даже при наличии минимального количества исследуемого материала.

Помимо определения мутаций в онкогенах и генах-супрессорах в диагностических целях используют изменения, выявляемые в повторяющихся последовательностях ДНК, т.н. микро сателлитах.

При сравнении парных образцов опухоли и нормальных тканей может быть выявлено выпадение одного из аллелей в опухоли (потеря гетерозиготности (ПГ), что отражает наличие хромосомных делеций, лежащих в основе инактивации генов-супрессоров.

Микросателлитная нестабильность (МН) особенно характерна для наследуемой формы неполипозного рака толстой кишки. Она, однако, обнаруживается при многих других видах опухолей и проявляется как в инактивации генов-супрессоров, так и в делециях анонимных некодирующих последовательностей ДНК.

В целом, обнаружение клинических образцах ПГ и/или МН указывает на присутствие клеток, несущих искаженную информацию, свойственную опухолевому росту. Мутации в онкогенах и генах-супрессорах обнаруживаются также при использовании в качестве исходного материала клеточной РНК, которую превращают в реакцию обратной транскрипции в комплиментарную (С)-ДНК и амплифицируют с помощью ПЦР. Данный метод (RT-ПЦР) широко применяют для выявления экспрессии генов в различных тканях.

Известно, что нормальные и опухолевые клетки различаются по экспрессии многих сотен генов, поэтому разработаны современные методы серийного анализа экспрессии, основанные на технологии микрочипов и позволяющие оценивать сотни и даже тысячи генов одновременно.

Одним из новых перспективных молекулярных маркеров опухоли является телоизомераза, рибонуклеопротеиновый фермент, наращивающий нуклеотидные последовательности на концах хромосом (теломерах) активность данного фермента постоянно присутствует в более чем 90% опухолей и практически не обнаруживается в нормальных тканях. Несм отря на несомненную перспективность и высокую точность методов молекулярной диагностики, вопрос об их специфичности и чувствительности сохраняет свою актуальность. Это связано с тем, что опухоли всегда состоят из смеси нормальных и злокачественных клеток, поэтому выделяемая из них ДНК также гетерогенна, что необходимо учитывать при решении вопроса о применимости молекулярных тестов.

Тем не менее, методики, базирующиеся на ПЦР, технологически исключительно чувствительны и способны обнаруживать специфические генетические нарушения задолго до формирования морфологически определяемой опухоли.

В настоящее время сформировалось несколько направлений использования молекулярных тестов в онкологии.

1) Раннее выявление опухолей наиболее часто основывается на определении мутаций ras и p53, обнаружение которых позволяет в некоторых случаях судить о стадии опухолевого процесса. Информативным ранним маркером рака толстой кишки служат мутации гена АРС, обнаруживаемые более чем в 70% аденом. Микросателлитные маркеры высоко эффективны в ранней диагностике рака мочевого пузыря и простаты. Широкий спектр опухолей может быть диагностирован с использованием протоколов активности телоизомеразы.

2) Метастазирование и распространенность опухоли также могут оцениваться с применением молекулярных тестов. Наиболее часто для этих целей используют RT-PCR метод выявления изменений экспрессии генов в опухолевых клетках.

3) Анализ цитологических и гистологических препаратов с помощью молекулярных тестов находит все более широкое применение. Примером может служить определение HPV вирусов при раке шейки матки, а также применение молекулярных тестов для выявления мутаций онкогенов непосредственно на гистологических срезах.

4) Промежуточные биомаркеры служат для выявления клональных и генетических изменений, позволяющих предсказать появление опухолей. Эти маркеры успешно используются для оценки эффективности онкопротекторов на популяционном уровне.

5) Генетическое тестирование онкологического риска стало возможным в связи с открытием генов предрасположенности к онкологическим заболеваниям, что оказалось особенно актуальным для оценки риска среди членов так зазываемых "высоко раковых" семей.

ДНК-тестирование успешно применяется при различных наследуемых опухолях: ретинобластоме, полипозе кишечника, множественных эндокринных опухолях второго типа вслед за клонированием генов предрасположенности к раку молочной железы и яичников.

Одна из существенных проблем, возникающих при диагностике семейной предрасположенности к РМЖ, касается социальных и психологических последствий выявления у пациентов данных мутаций.

Однако при правильной организации генетического консультирования и соблюдения этических норм и принципа конфиденциальности применения молекулярных тестов в группах риска, безусловно, полезно и необходимо.

В заключение следует подчеркнуть, что внедрение современных методов молекулярной диагностики в широкую онкологическую практику неизбежно потребует серьезного технического перевооружения существующих клинических лабораторий, а также специально подготовленного персонала. Сами методы диагностики при этом должны пройти масштабные клинические испытания с учетом принципов рандомизации.

2. Пути уменьшения генетической опасности.

Онкогигиеническая профилактика, т.е. выявление и устранение возможности действия на человека канцерогенных факторов окружающей среды, а также выявление и использование возможностей уменьшения опасностей такого воздействия. Спектр форм воздействия в этом направлении чрезвычайно обширен и можно конкретизировать лишь основные из них. Такими являются образ жизни и питание человека. Ведущее значение в оздоровлении образа жизни придается контролю курения. В учебных заведениях некоторых стран введен специальный курс о последствиях курения и строгий контроль соответствующих органов за динамикой заболеваемости населения, связанной с курением. Такое внимание к контролю курения обусловлено тем, что табак и табачный дым содержат более 3800 химических веществ, из которых многие относятся к полициклическим ароматическим углеводородам (ПАУ), нитросоединениям и ароматическим аминам, являющимися сильнейшими канцерогенами. По данным литературы атрибутивный риск рака легкого, т.е. доля случаев этого заболевания, вызванных курением, составляет 80-90% у мужчин и 70% у женщин. Велика роль курения в возникновении рака пищевода, поджелудочной железы, мочевого пузыря. Ежегодные прямые и непрямые расходы на лечение заболеваний, связанных с курением составляют в США более 50 миллиардов долларов. Весьма значительно повышается онкологическая заболеваемость и при употреблении алкоголя, особенно крепких напитков. Так человек, систематически потребляющий 120 г и более чистого алкоголя в день, имеет риск заболеть раком пищевода в 101 раз выше, чем сопоставимый с ним, но не употребляющий алкоголя. Атрибутивный риск этой вредной привычки существенно возрастает, если она сочетается с курением. Большое значение в возникновении злокачественных опухолей придается действию ионизирующих излучений, ультрафиолетовому облучению, а также неионизирующим электромагнитным излучениям радио- и микроволнового диапазона.

Установлена отчетливая связь между катастрофическими событиями (стрессовыми ситуациями) в жизни человека и возникновением злокачественных новообразований. Риск возникновения этих заболеваний резко возрастает при эмоциональной подавленности невротического характера вследствие нервно-психической травмы, отмечается также высокая корреляция между депрессией (за исключением психических больных) и опухолевым процессом.

Весьма важное значение в возникновении опухолевых заболеваний имеет характер питания (диеты) человека. Рекомендуемая сбалансированная диета должна содержать жиров, особенно насыщенных, не более 75,0 в день для мужчин и 50,0 - для женщин. Она должна быть богата продуктами растительного происхождения и витаминами, особенно А, В, С, Е, которые оказывают на канцерогенез ингибирующее воздействие. Перечень факторов и воздействий на канцерогенез не ограничивается перечисленными выше и является достаточно обширным.

Биохимическая профилактика имеет целью предотвращение бластоматозного эффекта от действия канцерогенов путем применения определенных химических препаратов и соединений. Так, например, общеизвестна роль нитратно-нитритного загрязнения окружающей среды в развитии прежде всего злокачественных новообразований желудочно-кишечного тракта, который является основным путем их проникновения в организм человека. При среднем потреблении с водой и пищевыми продуктами 1 миллимоля в сутки смертность от рака желудка составляет 6 на 100 000 населения в год (США), а при нагрузке 4,5 миллимоля в сутки этот показатель возрастает до 43 на 100 000 населения (Япония). Канцерогенное воздействие воды и пищи возрастает также в случае загрязнения водоисточников соединениями мышьяка, галогенов, а также загрязнения воздушной среды различными химическими веществами и особенно асбестовой пылью, бластомогенное действие которой при поступлении ее в организм ингаляционным путем в настоящее время является общепризнанным. Канцерогенны химического происхождения окружают человека и в бытовой обстановке: полициклические ароматические углеводороды (ПАУ) и окислы азота при сжигании газа, формальдегид и смолы содержатся в пластиках, нитросоединения появляются в дыму при жарении пищи и т.д. Поэтому биохимическому направлению в профилактике онкологических заболеваний придается большое значение, однако реализация возможностей этого направления представляется весьма сложной: многие специалисты считают, что для организации мероприятий по предотвращению бластоматозного действия химических канцерогенов и контроля эффективности мер защиты необходим биохимический мониторинг.

Теоретически эффективность мероприятий по онкогигиенической и биохимической профилактике оцениваются снижением онкологической заболеваемости на 70-80%, так как по данным Международного агенства изучения рака (Лион, Франция) 80-90% злокачественных новообразований детерминировано средовыми факторами.

К числу других направлений профилактики злокачественных новообразований относится медико-генетическая профилактика путем выделения семей с наследуемыми предрасположенностями к предопухолевым и опухолевым заболеваниям, лиц с хромосомной нестабильностью и организации мероприятий по снижению опасности возможного действия на них канцерогенных факторов. В механизмах наследственной предрасположенности часто решающее значение имеют эндокринные факторы. Так, дочери матери, больной раком молочной железы, имеют риск заболеть этим заболеванием в 4,5 раза выше, чем их сверстницы, не имеющие такого анамнеза. Сестры больной раком молочной железы, если их мать страдала этим же заболеванием, имеют вероятность возникновения такой опухоли в 47-51 раз выше, чем их сверстницы с неотягощенной наследственностью. Женщинам, имеющим отягощенный анамнез относительно рака молочной железы, не рекомендуется грудное вскармливание детей, употребление кофе, прием некоторых медикаментов, особенно резерпина и группы раувольфии. Доброкачественные опухоли молочной железы среди женщин, имеющим это заболевание в семейном анамнезе, встречаются в 4 раза чаще.

Иммунобиологическая профилактика проводится путем выделения людей или формирования групп с иммунологической недостаточностью и организации мероприятий по ее коррекции или устранении одновременно с защитой от возможных канцерогенных воздействий. Это направление приобретает особо важное значение при продолжительной иммунодепрессивной терапии после гомологичной пересадки органов и тканей, а также лечении аутоиммунных заболеваний.

Эндокринно-возрастная профилактика проводится путем выявления и коррекции дисгормональных состояний и возрастных нарушений гомеостаза, способствующих возникновению и развитию злокачественных новообразований. Теоретическая эффективность каждого из этих направлений оценивается снижением онкологической заболеваемости на 10%.

Вторичная профилактика злокачественных новообразований представляет собой комплекс мероприятий, направленных на выявление предопухолевых заболеваний и состояний, а также раннюю диагностику онкологических заболеваний, что обеспечивает наиболее высокую эффективность их хирургического (и других видов противоопухолевого) лечения. В осуществлении этого вида профилактики большое значение имеет применение цитологических, гистологических, эндоскопических, рентгенологических и других специальных методов обследования, так как простой визуальный осмотр и применение обычных методов врачебного обследования без применения перечисленных выше методик недостаточно эффективны для выявления ранних стадий онкологических заболеваний. В СССР визуальному обследованию и профилактическим осмотрам ежегодно подвергалось около 100 млн. человек, а выявленные при этих осмотрах (без применения специальных дополнительных методов обследования) больные злокачественными новообразованиями составляли всего лишь около 7% от общего числа первично диагностируемых заболеваний такого рода. Однако учитывая значимость и возрастающую тенденцию роста онкологической заболеваемости это направление вторичной профилактики не утратило своего положительного значения. Методы коллективной профилактики должны реализоваться прежде всего путем строгого соблюдения положений соответствующих нормативных и регламентирующих документов об охране здоровья населения, а методы индивидуальной профилактики также и путем систематической пропаганды необходимых медицинских знаний и создания условий для здорового образа жизни.

В индивидуальной профилактике сохраняет свое большое значение диспансеризация, при проведении которой всеми врачами-специалистами должна проявляться онкологическая настороженность, т.е. исключение бластоматозной природы заболевания и опухолевых процессов обследуемой области, включая при необходимости и применение специальных методов исследования. Такой образ действия в процессе диспансеризации в достаточной степени обеспечивает своевременное выявление ранних стадий онкологических заболеваний и лиц с повышенным риском их возникновения, что позволяет формировать группы риска. Лица, отнесенные к этим группам, должны подвергаться специальным методам исследования (в зависимости от показаний - цитологическим, гистологическим, эндоскопическим, УЗИ, рентгенологическим, лабораторным и т.д.) с соблюдением строгой периодичности их проведения. В такие группы, помимо определенных соответствующими положениями, встречаются также страдающие некоторыми формами анемии, зобом, ожирением II-III ст., хроническими заболеваниями легких и желудочно-кишечного тракта, прежде всего воспалительной природы, в возрасте старше 40 лет. В эти группы включаются курильщики и страдающие алкогольной зависимостью, лица имеющие кровных родственников больных или болевших онкологическими заболеваниями, прежде всего раком легкого, раком желудка, толстой и прямой кишки, раком молочной железы и др. В группы риска должны включаться также лица, у которых обнаружена триада: гипертоническая болезнь, диабет, ожирение. Такие группы могут формироваться и на основе использования скрининговых программ, рекомендуемых ВОЗ, в том числе и с применением автоматизированного скрининга.

План практического занятия

1. Мутагенез и антимутагенез

2. Пути уменьшения генетической опасности. Коллоквиум.

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

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

Тема 15. Мониторинг генетических последствий загрязнения окружающей среды

1. Принцип дифференциации мутационного и сегрегационного груза

2. Популяции человека как объект генетического исследования в связи с состоянием окружающей среды

3. Проблемы оценки влияния загрязнителей биосферы на наследственность человека

1. Принцип дифференциации мутационного и сегрегационного груза

Для характеристики популяции существенно понятие генетического груза (L). Не все генотипы в популяции имеют одинаково высокую приспособленность. Появление в популяции особей с низкой приспособленностью возможно за счет постоянно возникающих мутаций, миграций, при естественном отборе, за счет инбридинга и др. Все это при водит к тому, что средняя приспособленность популяции оказывается ниже максимальной. Величину показывающую, насколько средняя приспособленность ниже оптимальной для популяции, Кроу предложил называть генетическим грузом.

L =Wmax - W/Wmax

Генетический груз слагается из многих величин.

В результате мутационного процесса в популяции накапливаются мутантные гены и, в результате, снижается средняя приспособленность популяции (мутационный груз Lm).

В популяции постоянно происходит расщепление на генотипы, неодинаковые по своей приспособленности и поэтому подвергающиеся действию того или иного типа отбора. При большей приспособленности гетерозигот (сверхдоминирование) от них постоянно выщепляются гомозиготы с более низкой приспособленностью. Этот компонент генетического груза можно назвать сегрегационным грузом (Ls).

Направленный отбор порождает субституционный груз. Замещение старого аллеля новым, превосходящим его аллелем, влечет за собой генетическую гибель носителей старого аллеля. Сумма случаев генетической гибели, происходящих при полном замещении какого-либо гена - суммарный субституционный груз,- может быть очень велика, поскольку частота старого аллеля, обреченного на замещение, в начале этого процесса обычно бывает высокой.

За счет повышения доли гомозигот при инбридинге создается инбредный груз (Li), также уменьшающий среднюю приспособленность популяции, иногда очень резко (инбредная депрессия).

В популяционных системах, способных к обмену носителями генетической информации, возникает проблема элиминации этих носителей (в первую ои"оедь, диплоидных), оказавшихся не на своем месте. В этих случаях может вступать в Действие дизруптивный или балансирующий отбор или отбор обоих типов одновременно. В результате генотипы, адаптированные к одной нише, погибают, оказавшись в смежной нише. Это явление называется генетическим грузом, вносимым особями, оказавшимися "не на месте" (misplaced individualload, или МРI-груз) (Грант, 1991).

Инбридинг

- близкородственные браки - частный случай ассортативных браков, когда выбор брачного партнера осуществляется по принципу родства будующих супругов.

Близкие родственники имеют хотя бы одного общего предка. Потомство от брака родителей близких родственников называется иньредным.

Количественная мера инбридинга - коэффициент инбридинга (F) - вероятность с которой у потомка от близкородственного брака в данном локусе будет находититься 2 идентичных по происхождению гена, полученого от общего предка.

F=сумма(1/2) n+n1+1, где n и n1-число шагов(поколений) от общего предка к каждому из родителей инбредного потомства.

Последствия: увеличивается риск проявления рецессивных наследственных болезней. Чем больше степень родства родителей инбредного потомства, тем больше часть генома общих предков может из него перейти в гомозиготное состояние. Чем реже ген рециссивного заболевания встраивается в популяции, тем больше шансы, что соответствующее заболевание обнаружится в близкородственном браке. Может увеличивать частоту полигенных заболеваний.

В реально существующих популяциях:

1)все факторы популяционной динамики 2)каждая популяция эволюционирует многими генами 3) генотипы взаимодействуют друг с другом 4) комбинация генотипов может быть неслучайны, а направленность отбора - непостоянна, она может сменяться со временем и при изменении условий среды.

2. Популяции человека как объект генетического исследования в связи с состоянием окружающей среды

В условиях усиливающегося антропогенного воздействия на природу важной задачей биологии становится не только сохранение структуры и видового разнообразия биоценозов, но и всего генетического фонда каждого вида, обитающего на Земле. Вместе с тем, тенденции антропогенного регресса биосферы таковы, что к уже вымершим видам с каждым годом прибавляются новые. Под угрозой исчезновения во всём мире в настоящее время находится около 25 тыс. видов сосудистых растений и более 1 тыс. видов позвоночных животных.

Помимо химического загрязнения природной среды, вызывающего острые и хронические отравления и гибель животных и растений, существуют другие причины падения численности и вымирания организмов - генетические. Условно все генетические причины деградации биоты можно разделить на две группы. Первая группа причин связана с загрязнением ОС мутагенами - физическими, химическими, а в последнее время и биологическими. Вторая группа причин связана с инсуляризацией некогда единых ареалов крупных популяций на более мелкие, изолированные друг от друга, микропопуляции, риск вымирания которых очень велик. В популяциях подверженных мутагенным факторам и в популяциях, испытывающих антропогенное дробление, могут происходить специфические процессы изменения генетической структуры. Понимание механизмов этих процессов необходимо для совершенствования практических мероприятий по сохранению генетического разнообразия видов.

В сложной и комплексной проблеме охраны природы сохранение полных генофондов всех живущих в настоящее время животных и растений является важной целью. Особого внимания заслуживают задачи сохранения генофондов всех одомашненных видов растений и животных - как основы сельскохозяйственного производства, генофондов всех видов дикорастущих растений и диких животных - как материала для дальнейшей селекционной работы. Наконец важной задачей является сохранение генофондов всех видов диких животных и растений, значение которых для практических целей пока не известно. Однако и те виды, которые не найдут практического применения тоже должны быть сохранены полностью, т.к. любой вид организмов является продуктом эволюции и его исчезновение будет невосполнимой потерей для биосферы Земли.

В настоящее время установлено, что многие токсиканты, загрязняющие биосферу, являются мутагенами и канцерогенами. Однако прямой зависимости здесь нет: часть токсикантов не обнаруживает мутагенных свойств и наоборот, некоторые сильные мутагены не являются сильными токсикантами. Аналогичная связь между мутагенными и канцерогенными свойствами веществ: многие канцерогены обладают мутагенными свойствами и наоборот, многие мутагены обнаруживают канцерогенные свойства. Однако, обнаружены вещества, активно проявляющие только одно из этих вредоносных свойств - либо мутагенность, либо канцерогенность. Циркулирующие в биосфере мутагены и канцерогены способны нарушать генетический аппарат живых организмов, в том числе и человека. Результатом этих нарушений может быть повышение частоты генных, хромосомных и геномных мутаций в соматических и генеративных клетках, и как следствие - рост частоты раковых заболеваний, спонтанных абортов, мерворождений, врождённых уродств и наследственных нарушений метаболизма. Так как большая часть вновь возникших мутаций вредоносна, то повышение их частоты в популяциях может привести к снижению жизнеспособности и уменьшению средней продолжительности жизни. У диких организмов интенсификация мутационного процесса, гибель наиболее чувствительных из них и рост численности резистентных к загрязнению особей может привести к коренному изменению генетической структуры популяций.