Основы популяционной генетики и экогенетики.

Еще в 1908 г. английский математик Г.Харди и венский врач В.Вайнберг теоретически показали, что в достаточно больших совокупностях свободноскрещивающихся организмов при отсутствии отбора и любом исходном соотношении частот аллелей «А» и «а» одного локуса уже в ближайших поколениях устанавливается равновесие частот генотипов АА, Аа, аа, которое в дальнейшем будет сохраняться неограниченно долго. В 1926 г. С.С.Четвериков в развитие этих работ показал, что даже при наличии некоторого отрицательного давления отбора, рецессивные аллели, проявление которых скрыто у гетерозигот, могут сохраняться в популяциях на протяжении многих десятков поколений. Автор провел широкое исследование в природных популяциях разных видов организмов и установил наличие самых разнообразных мутаций, имеющихся в различных количествах. Эти исследования и положили начало новому разделу генетики - популяционной, предметом которой и является изучение генотипического состава популяций и факторов, влияющих на изменение этого состава в пространстве и времени.

Направленность и механизмы эволюции человека как биологического объекта остаются такими же, что и тысячелетия тому назад, но в результате социального и научно-технического прогресса меняются способы, правила и сроки эволюции. Если раньше человек адаптировался к естественной среде, то теперь он больше адаптируется к среде, созданной им самим. Основное орудие эволюции - отбор, основанный на наследственной изменчивости, все в меньшей степени действует в человеческой популяции. Популяция - группа людей, занимающих одну территорию и свободно вступающих в брак. Популяции человека, как правило, состоят не из одной, а из нескольких антропологических групп, отличающихся по происхождению, и расселены они на большей территории. В генетическом смысле определяющим является не пространственная близость, а степень связей между членами популяции. Большие популяции обычно подразделяются на субпопуляции:

а) демы - характеризуются малым процентом лиц, происходящих из других групп (1-2%), высокой частотой внутригрупповых браков (89-90%), их численность - 1500-4000 человек;

б) изоляты - малые популяции (до 1500 человек), представители других групп не более 1%, частота внутригрупповых браков более 90% (за 4 поколения - (около 100 лет) - все члены изолята становятся не менее, чем троюродными братьями и сестрами).

Популяции человека в широком смысле слова отличаются в настоящее время двумя характерными чертами:

1) относятся к численно возрастающим;

2) снижается давление отбора.

В развитом обществе в связи с резким снижением смертности отбор может осуществляться только за счет избирательной репродуктивности, но число детей в семье в настоящее время очень мало, поэтому сфера действия отбора резко сузилась. К тому же в современных популяциях действуют новые процессы, которых раньше не было:

1) разрушение брачных изолятов;

2) все большая средовая гомогенизация (установить национальность у многих трудно);

3) оздоровление среды, способствующее полному фенотипическому выявлению признака (например, увеличение роста, скорости созревания и т.п. - акселерация современных поколений);

4) замена одних форм болезней другими (вместо инфекционных и алиментарных на первое место вышли сердечно-сосудистые и онкологические).

Генетическая структура популяций определяется системой браков и факторами, изменяющими частоты генов.

В популяции происходит постоянная передача генов из поколения в поколение и, следовательно, должны существовать механизмы, которые поддерживают равновесие генных частот. Элементарным механизмом поддержания генных частот в популяциях является закон равновесного состояния - закон Харди-Вайнберга (р + 2р + q = const), где р - частота гомозиготного потомства по аллелю А ; -рq - частота гетерозигот (А а), q - частота гомозиготного потомства по аллелю а . Закон применяется для анализа популяций: можно выявить действующие на популяцию факторы отбора, определить распространенность патологического гена и частоту гетерозигот, проверить, наконец, гипотезы о моно- или полилокусности какого-либо признака.

Важнейшей группой факторов, нарушающих равновесие генов, являются факторы, смещающие равновесие генных частот - именно они, в конечном счете, и определяют частоту наследственных болезней. Если бы в популяциях сохранилось строгое равновесие генов и частота их не менялась, то эволюция была бы невозможной.

Все эти факторы обладают разнонаправленным действием:

1) поставляют в популяцию новые аллели или новые комбинации генотипов - мутационный процесс, иммиграция населения;

2) изменяют соотношение различных генотипов в популяции - родственные браки, «дрейф» генов, эмиграция, отбор.

Мутации возникают в любых генах постоянно и непрерывно, во всех возможных направлениях и в результате - возникновение всевозможных типов хромосомных и геномных мутаций. В большинстве случаев пополнение новых мутаций уравновешено их элиминацией.

Если же интенсивность мутационного процесса будет повышена, о приспособленность популяции понизится, возрастет наследственная патология.

Значение миграции велико, а масштабы ее в последнее время увеличиваются во всех странах мира. С генетической точки зрения миграция - это разрушение границ, системы браков, существовавших ранее. В связи со смешанными браками развивается поток генов и происходит гетерозиготизация населения. Противоположным миграции фактором является репродуктивная изоляция, основным результатом которой является ограничение численности популяции.

В человеческой популяции наиболее распространены панмиктические браки, но в ряде случаев в связи с географическими, национальными, а иногда и религиозными ограничениями встречаются кровнородственные браки. Одной из форм браков, приближающихся по своему эффекту к кровнородственным, являются избирательные браки фенотипически сходных индивидов. Например, сходные люди по росту, интеллекту или глухонемые чаще вступают между собой в брак, чем это можно было бы ожидать при случайном подборе пар.

В экспериментальной генетике и селекции подобные ситуации называют положительными ассортативными. Противоположное значение имеют отрицательные ассортативные браки, когда люди с определенными фенотипами реже вступают в брак с себе подобными. Так, например, у людей с рыжим цветом волос - они избегают вступать в брак с себе подобными.

Основным эффектом родственных браков является уменьшение численности популяции - вырождение (гомозиготизация генотипов).

Кровнородственные браки, несомненно, часто встречались на первых этапах развития человечества (в племенах, родах). В наше время в человеческих популяциях можно выделить несколько форм родственных браков:

1. Инцестные (запретные) браки - между родственниками первой степени родства (отец-дочь, брат-сестра), сейчас это крайне редкие случаи. Как правило, многие из детей таких браков являются умственно отсталыми или больными.

2. Кровнородственные браки, обусловленные территориальной изолированностью небольших популяций. Изолированные популяции (изоляты) до сих пор еще существуют, хотя и имеется тенденция к их распаду. Изоляты встречаются в Средней Азии (особенно в горных районах), в Дагестане, Сванетии, на Дальнем Востоке и в Сибири.

3. Кровнородственные браки характерны и для некоторых форм социальной изоляции. Среди некоторых групп населения такие браки поощряются по экономическим, религиозным соображениям.

Особенно это выражено у некоторых восточных народов, среди евреев.

В малочисленных популяциях параллельно уменьшению популяции возрастают колебания концентрации отдельных аллелей, так что в ряду поколений одни аллели могут быть вовсе утрачены, а другие станут более частыми или даже распространяться на всю популяцию.

Это явление и называется «дрейфом» генов. Например, при медико-генетических исследованиях в Туркмении установлены локальные очаги накопления отдельных форм наследственных заболеваний. Это объясняется, по-видимому, тем, что в истории популяции этой страны существовал период глубокой подразделенности на относительно малочисленные, изолированные субпопуляции, когда частота редких генов могла возрасти за счет «дрейфа».

Эволюция осуществляется путем отбора фенотипов гамет или диплоидных организмов, благодаря чему формируется генофонд популяций. Причем, гены, определяющие развитие адаптивных признаков, больше распространяются в популяции.

С другой стороны, возникновение вредной мутации предопределяет ее элиминацию путем естественного отбора. Решающим фактором для отбора является наличие или отсутствие размножения.

Можно выделить два вида отбора:

1. Отбор, действующий на выживаемость организма до периода размножения.

2. Отбор по признакам, определяющим интенсивность размножения.

Второй вид отбора в настоящее время действует очень мало потому, что не большее число детей семьи (1-2) может быть получено путем компенсаций числа беременностей.

Интенсивность отбора у человека во внутриутробном состоянии довольно высока. Более половины зачатий не заканчиваются рождением ребенка. Эмбрион или плод погибает на разных этапах развития по различным причинам. Спонтанные аборты составляют около 15% всех зачатий, мертворожденные - 2%, жесткому отбору подвергаются хромосомные и геномные мутации.

Процесс элиминации аномальных генов, особенно в рецессивном положении, происходит медленно. Отсюда понятно, что даже самые строгие евгенические меры, направленные на удаление какого-либо признака, не оказались бы эффективными. Так, например, если частота наследственной болезни равна 1:10000 и в течение 25 поколений гомозиготы не будут иметь детей совсем, то за это время частота данного гена в популяции уменьшится только на 20%. Наиболее распространенными формами отбора у человека являются отбор против гетерозигот и против гомозигот.

Примером 1-го вида отбора можно считать несовместимость матери и плода по резус-фактору. Если бы концентрации двух аллелей были в популяции одинаковыми, то элиминировалось бы одинаковое количество того и другого аллеля. Однако так не происходит - для резус-антигена соотношение аллелей составляет 85:15 и отбор гетерозигот еще больше смещает это неравновесное состояние в сторону более частого аллеля. Отбор против гомозигот хорошо известен на примере наследственных заболеваний - серповидноклеточная анемия, талассемия. Гомозиготные состояния приводят к гибели в дорепродуктивный период жизни, но гетерозиготы более устойчивы к малярийному плазмодию. Таким образом, механизм сохранения гомозигот привел к высокой их концентрации в зонах с высокой заболеваемостью малярией. Отбор в таких случаях идет против гомозигот по рецессивному и доминантному гену. Рецессивные гомозиготы погибают от наследственно обусловленной патологии, а доминантные - от малярии.

На протяжении эволюции в человеческих популяциях в связи с генетико-автоматическими процессами (дрейф генов) и под влиянием отбора на действие разных факторов внешней среды сформировался широкий полиморфизм наследственных проявлений. Многочисленные вариации в ферментных системах и рецепторах клеток обуславливают индивидуальные особенности у каждого организма метаболизма химических веществ, реакций на биологические агенты или физические факторы. Это направление исследований в генетике человека получило название экогенетики, под которым понимается изучение генетических вариаций чувствительности к факторам окружающей среды. Проблемы экогенетики сейчас становятся все более актуальными в связи с тем, что среда обитания человека пополняется все новыми факторами - лекарства, пестициды, пищевые добавки, промышленные вещества, виды энергии. Ранее в процессе эволюции, человек не соприкасался с этими факторами и поэтому в отношении их не было отбора. Какой-либо аллель мог распространиться ранее в популяции из-за его селективного преимущества или «дрейфа», но в другой экологической обстановке он мог проявлять патогенные свойства. Речь идет о таких, как бы «молчащих» генах, которые начинают проявлять свою функцию в новых условиях среды. Другими словами, это можно назвать экогенетическим действием новых факторов среды. Оказалось, что наследственные различия могут проявляться в реакциях не только на лекарства (фармакогенетика), но и на физические факторы, на пищу (особенно пищевые добавки и красители, загрязнение атмосферы, профвредности). На основе экогенетики возникает необходимость организации широкой проверки действия внешних факторов, особенно новых, с целью выявления патологических наследственно обусловленных реакций. Это явится научной основой для обеспечения адаптивной среды для каждого человека (подбор индивидуальной диеты и климата, исключение отравления лекарствами, обоснование критериев профотбора и т.п.), чтобы исключить преждевременную смерть, инвалидизацию, дополнительную госпитализацию.

Некоторые мутации лежат в основе чувствительности их носителей к определенным факторам внешней среды. Потенциальные токсические факторы окружающей среды могут приносить вред части населения, генетически предрасположенной к ним. Существует генетический контроль биотрансформации всех химических соединений. Экогенетические реакции могут быть осуществлены редкими мутантными генами, которые вызывают патологический ответ или идиосинкразию. Существуют также и полиморфные синтезы, обуславливающие вариации ответа. Экогенетические ответы могут контролироваться одним или несколькими генами. Передача признаков в этих случаях может быть моно- или полигенной.

Известно, что загрязнение атмосферы выхлопными газами транспортных средств, фабриками и заводами представляют серьезную экологическую проблему глобального масштаба. Химические соединения и частицы пыли попадают в организм через легкие, кожу, слизистые, вызывая различные реакции, в том числе и патологические. Для некоторых людей доза, концентрация этих факторов во много раз выше в связи с профусловиями работы - в шахтах, рудниках... Все это входит в широком понимании в экологическую среду человека. С некоторыми из этих факторов человек соприкасался, с другими - нет. Наследственные вариации возможны в ответе на любые факторы. Наиболее изученной мутацией на загрязнение атмосферы является недостаточность альфа1-антитрипсина - белка крови - ингибитора протеаз. Лица с наследственной недостаточностью фермента особенно гомозиготные, очень склонны к развитию хронических воспалительных заболеваний и эмфиземы.

Считается, что антитрипсиновая система играет важную роль в ограничении воспаления. В среде обитания человека встречается много углеводородов, в том числе полициклических, которые в организме после гидроксилирования ферментом арилгидрокарбонгидроксилазой образуют активные эпоксиды. Известно, что эпоксиды являются активными канцерогенными формами полициклических углеводородов, т.е. потенциальными мутагенами и канцерогенами. Канцерогенная активность их, например, в сигаретном дыме определяется активностью эпоксидообразующих ферментов и систем, разлагающих эпоксиды. В связи с этим, для лиц с высокой индукцией фермента ставится вопрос об исключении контакта с углеводородами в профусловиях.

Имеются данные также о наследственно-обусловленном различии в метаболизме никотина, известна также и связь между курением и рядом злокачественных заболеваний. Таким образом, возможно наследственное предрасположение к данному типу злокачественных заболеваний, реализующихся у курильщиков.

Пищевые вещества, пищевые добавки и красители могут вызвать нежелательные реакции у генетически чувствительных индивидов. Распространенным примером этой группы является непереносимость молочного сахара - лактозы. У таких лиц после употребления молока отмечается «дискомфорт» в кишечнике. Суть такой реакции сводится к отсутствию выработки фермента - лактазы в кишечнике, при этом молочный сахар не расщепляется и становится субстратом для размножения гнилостной микрофлоры.

Лица с наследственной предрасположенностью к гиперхолестеринемии имеют повышенный риск инфаркта миокарда при злоупотреблении жирной пищей.

Мигрень может вызываться у людей с пониженной коньюгацией тирамина (сыр), содержащего катехоламины, либо шоколад при низкой активности аминооксидазы. Известны также специфические реакции людей на алкоголь. Например, в популяции восточных народов наблюдаются признаки отравления относительно малыми дозами алкоголя - это не зависит от привыкания к алкоголю, а объясняется наследственными вариациями ферментов, расщепляющих этанол.

Как известно, имеется выраженная индивидуальная чувствительность к солям тяжелых металлов - свинец, ртуть, кадмий и т.д. Например, отравления органическими препаратами ртути вызывает нервно-психические расстройства разной выраженности. У детей с предрасположенностью повышенный уровень свинца (не токсический) может вызвать гиперактивное состояние.

 

 

8. Список литературы:

1. Руководство по патологической физиологии. М.: Медицина. - 1966, т.1 - С. 18-50.

2. Учебник патологической физиологии. Под редакцией А.Д.Адо и М.М.Ишимовой. - М.: Медицина. - 1980. С.3-32.

3. Учебник по патологической физиологии. - Под редакцией Зайко Н.Н. - 1985. - С.3-31.

4. Патологическая физиология. - Под. ред. В.А.Фролова и др., М. - Изд-во Университета дружбы народов, 1987. С3-27.

5. Патологическая физиология / Под ред. А.Д.Адо и В.В.Новицкого. Изд. Томского ун-та., Томск, 1994. с. 3-18.

6. Д.С.Саркисов. Очерки истории общей патологии. - М., !988. - С. 322.

7. Общая патология человека., - Под ред. А.П.Струкова и др., М., Медицина. - 1980. т.1. - С. - 448.

8. Л.А. Гаврилов, Н.С.Гаврилова. Биология продолжительности жизни. - М.,Наука. - С. 249.

9. Г.Н.Крижановский. Патофизиология как интегрированная медико-биологическая наука. - Пат. физиология и экспериментальная терапия. - 1980. - N 5. - С. 3-5.

10. В.Т.Мизин. Дискуссия по проблеме "предболезнь". - Пат.физ. и эксперим. тиерапия. - 1990. - N 2. - С. 48-50.

11. Зайчик А.Ш., Чурилов Л.П. Основы общей патологии. СПб, 1999, с.624.

12. Зайчик А.Ш., Чурилов Л.П. Основы патохимии. СПб, 2000, с. 132-209.

13. П.Ф. Литвицкий Патофизиология Курс лекций- М.: Медицина,1997. – 750 с.

14. А.Д. Адо В.В. Новицкий Патологическая физиология – Томск. 2000. – 540 с.

15. А.Д. Адо В.В. Новицкий Патологическая физиология – Томск. 1994. – 465 с

16. В.Ю. Шанин Клиническая патофизиология. - СПб.: Специальная литература, 1998. - 563с.

17. Н.Н. Зайко, Ю.В. Быця Патологическая физиология – М.: Медпресс-информ, 2002. – 426-447с.

18. Шутова Н.Т., Черникова Е.Д. Патологическая физиология развевающегося организма. – Л., 1974.

19.Деведенкова Е.В., Либерман И. Клиническая генетика. – 1975.

20. Дубинин Н.П. Общая генетика. – М., 1976.

21. Хелевин Н.В., Лобанов А.М. Задачник по общей и медицинской генетике. – М., 1984.

22. Бочков Н.П. Медицинская генетика. – М., 1984.

23. Алиханян С.И., Акинфьев А.П., Чернин П.С. Общая генетика. – М., 1985.

24. Наследственные болезни при беременности. Под ред. Дж.Д. Шульмана Дж. Л. Симпсона, пер. с англ., - М., 1985.

25. Бочков Н.П., Чеботарев А.Н., Наследственность человека и мутагены внешней среды. – М., 1989.

26. Балахонов А.В. Ошибки развития. – Л., 1990.