Виды живых существ, населяющие землю, образуют сообщества, то есть пространственно-временные объединения. Одной из разновидностей сообществ является популяция - сообщество одного вида, занимающее определённую территорию. Законы распространения генов среди населения изучает популяционная генетика.

Генетическая характеристика популяций позволяет установить генофонд популяции, факторы и закономерности, обусловливающие сохранение генофонда или его изменение в поколениях. Изучение особенностей распространения психических свойств в разных популяциях даёт возможность прогнозировать распространённость этих свойств в последующих поколениях. Генетическая характеристика популяции начинается с оценки распространённости изучаемого свойства или признака среди населения. По данным о распространённости признака определяются частоты генов и соответствующих генотипов в популяции.

Основными характеристиками генетической популяции являются:

• принадлежность особей одному виду,
• пространственно-временное сходство,
• сходство экологических потребностей,
• способность случайно и свободно скрещиваться между собой - панмиксия. Панмиксия может нарушаться, если образование пар происходит неслучайно. Например, в человеческих популяциях имеется тенденция к неслучайному подбору супружеских пар по росту, интеллекту, интересам и др. Такой неслучайный подбор пар называется ассортативность.

Замкнутая географически или по религиозным соображениям популяция, в которой не происходит обмена особями с другими популяциями, называется изолятом.

Закон Харди-Вайнберга

Зависимости между частотами аллелей и частотами генотипов в поколениях впервые были описаны в 1908 году независимо друг от друга английским математиком Г. Харди и немецким врачом В. Вайнбергом (рис. 5.1). Этот закон определяет взаимоотношения между частотами аллелей в исходной популяции и частотами генотипов в следующем поколении.

Рисунок 5.1.

Закон Харди-Вайнберга рассматривает популяцию идеальную. На самом же деле реальная популяция будет не в полной мере соответствовать данному закону, так как в ней происходят такие процессы, влияющие на изменение частот аллелей в популяции, как мутации, миграции, дрейф генов, отбор, а в человеческих популяциях и ассортативность.

Рассмотрим отдельно указанные факторы.

Мутации и виды мутаций

Мутации - внезапные и устойчивые изменения генотипа. Термин "мутация" предложил в 1901 году голландец Гуго де Фриз. Мутации служат основным источником генетической изменчивости, но их частота мала. Для того чтобы мутации привели к значительному изменению частот аллелей, потребуется очень много времени.

Можно классифицировать мутации по различным основаниям. Так, мутации бывают:

• спонтанные и индуцированные, т.е. возникшие под влиянием мутагенов - а) физических излучений; б) химических веществ; в) биологических - влияние вирусов, например, вируса краснухи;
• генные, цитоплазмические, хромосомные и геномные (изменения числа хромосом);
• в зависимости от влияния на жизнеспособность - отрицательные, нейтральные и положительные (роль мутации выявлена в устойчивости к таким заболеваниям, как ВИЧ и серповидноклетчатая анемия);
• в зависимости от типа наследования - доминантные и рецессивные;
• соматические или репродуктивные (гаметные).

Гаметные мутации - мутации, происходящие в половых клетках, например, рак груди. По прогнозу у женщин, родившихся после 1980 года, риск заболеть до 80 лет составляет 12%, то есть заболеет каждая восьмая. Мутированный ген на 13 и 17 хромосоме обусловливает от 5 до 10% случаев рака груди. Ген передаётся по менделевским законам.

Ген ВЯСЛ1, ответственный за генетические формы рака груди, теперь можно назвать геном Анджелины Джоли, поскольку широкой общественности он стал известен благодаря её недавним действиям и публичным заявлениям. Этот ген и его роль в развитии рака известны с середины 90-х годов прошлого века. Причём А. Джоли далеко не первая, кому пришло в голову провести превентивную мастэктомию. Есть данные, что в Великобритании на протяжении 2010-2011 гг. провели около 1500 таких операций именно с превентивной целью.

Надо подчеркнуть, что чисто генетический рак, то есть такой, который возник только из-за унаследованного конкретного "плохого" гена, встречается редко. Как уже говорилось, не больше 10% случаев рака груди и яичников являются наследственными, и за 50% из них отвечают гены ВЯСЛ. Частота мутантного аллеля гена ВЯСЛ1 составляет 0,06%, среди евреев ашкенази больше - 2,6%. Разработано несколько тестов, которые с помощью специальной компьютерной программы рассчитывают риск рака на основании анализа генов ВЯСЛ и индивидуальной информации. Для А. Джоли программа рассчитала наивысший риск рака груди - 86%.

Соматические - остальные 80% мутаций, связанных с возникновением рака груди, что происходят в соматических клетках.

Рассмотрим отдельно виды хромосомных и геномных мутаций (рис. 5.2).

Рисунок 5.2.

К хромосомным мутациям относятся делении, дупликации, инверсии, транслокации:

• деления - потеря участка хромосомы;
• дупликация - удвоение;
• транслокация - перенос участка хромосомы на другую;
• инверсия - поворот на 180 градусов определённого участка хромосомы.

Геномные мутации характеризуются изменением числа хромосом. Геномные мутации описывают несколькими видами. У человека известны полиплоидия (в том числе тетраплоидия и триплоидия) и анеуплоидия (рис. 5.3).

Рисунок 5.3.

Полиплоидия - увеличение числа наборов хромосом, кратное гаплоидному (3п, 4п, 5п и т.д.). То есть число хромосом становится равным 69, 92 и т.д. Причины полиплоидии - двойное оплодотворение и отсутствие первого мейотического деления. У человека полиплоидия, а также большинство анеуплоидий приводят к формированию летальных исходов сразу после рождения или до рождения (спонтанные выкидыши).

Анеуплоидия - изменение (уменьшение - моносомия или увеличение - трисомия) числа хромосом в диплоидном наборе, то есть число хромосом, не кратное гаплоидному (2п+1, 2п-1 и т.д.). Число хромосом становится равным 45, 47, 48 и др. Механизмы возникновения анеуплоидий различны: нерасхождение хромосом (хромосомы отходят к одному полюсу, при этом на каждую гамету с одной лишней хромосомой приходится другая - без одной хромосомы) и "анафазное отставание" (в анафазе одна из передвигаемых хромосом отстаёт от всех других).

Трисомия - наличие трёх гомологичных хромосом в кариотипе (например, по 21-й паре, что приводит к развитию синдрома Дауна; по 18-й паре - синдрома Эдвардса; по 13-й паре - синдрома Патау).

Моносомия - наличие только одной из двух гомологичных хромосом. При моносомии по любой из аутосом нормальное развитие эмбриона невозможно. Единственная совместимая с жизнью моносомия у человека - по Х-хромосоме - приводит к развитию синдрома Шерешевского-Тёрнера (45, Х0).

Одним из факторов возникновения мутаций является инбридинг. Инбридинг - кровнородственные браки, например между двоюродными сибсами. В браках между генетическими родственниками повышается вероятность появления потомства с рецессивными признаками. Генетические последствия таких браков проиллюстрируем на примере ряда наследственных болезней в популяциях Европы и США. Например, среди белого населения США на кровнородственные браки проходится лишь 0,05 % от общего числа браков и в то же время 20% случаев альбинизма.

Однако не во всех популяциях последствия инбридинга отрицательны. У сельского населения Индии, Китая и Японии кровнородственные браки довольно часты, но отрицательные эффекты (число уродств, мертворождений) обнаружены не были. Скорее всего в этих странах, где кровнородственные браки разрешены культурой, в течение многих поколений происходило выщепление рецессивных гомозигот, которые обладали пониженной жизнестойкостью.

Миграция и дрейф генов

Миграцией называется перемещение индивидов из одной популяции в другую с последующим образованием брачных связей между мигрантами и членами исходной популяции. Миграция ведёт к изменению генетического состава популяции, обусловленного поступлением новых генов. Например, распределение группы крови В в Европе является следствием движения монгол в западном направлении от материнской популяции в период между 6 и 15 веками. Поэтому в Европе частоту аллеля В последовательно снижается начиная от границ с Азией и заканчивая Испанией и Португалией. Обмен генами между популяциями может иметь ощутимые медицинские последствия. Так, до недавнего времени резус-конфликт практически не встречался в Китае, так как все китаянки резус-положительны.

Однако процессы миграции, переезд в Китай американцев, межрасовые браки ввели в китайские популяции резус-отрицательный аллель. И если в первом поколении у потомства американцев-мужчин и китаянок-женщин резус-конфликт не наблюдался, однако в последующих частота его встречаемости повысилась, так как появились резус-отрицательные женщины, которые выходили замуж за резус-положительных мужчин.

Вследствие ограниченного числа индивидов, образующих популяцию, возможны случайные изменения частот генов, которые называются дрейфом генов. В ряду поколений, если не действуют другие факторы, дрейф генов может привести к фиксации одного аллеля и исчезновению другого.

С. Райт экспериментально доказал, что в маленьких популяциях частота мутантного аллеля меняется быстро и случайным образом. Его опыт был прост: в пробирки с кормом он посадил по две самки и по два самца мух дрозофил, гетерозиготных по гену А (их генотип можно записать Аа). В этих искусственно созданных популяциях концентрация нормального (А) и мутационного (а) аллелей составила 50%. Через несколько поколений оказалось, что в некоторых популяциях все особи стали гомозиготными по мутантному аллелю (а), в других популяциях он был вовсе утрачен, и, наконец, часть популяций содержала как нормальный, так и мутантный аллель. Важно подчеркнуть, что, несмотря на снижение жизнеспособности мутантных особей и, следовательно, вопреки естественному отбору, в некоторых популяциях мутантный аллель полностью вытеснил нормальный. Это и есть результат случайного процесса - дрейфа генов.

Естественным отбором называется процесс избирательного воспроизводства потомства генетически разными индивидами в популяции. Естественный отбор проявляется в том, что особи с разными генотипами оставляют неодинаковое количество потомства, то есть вносят неодинаковый генетический вклад в следующее поколение.

Таким образом, закон Харди-Вайнберга - это закон популяционной генетики, гласящий, что в популяции бесконечно большого размера, в которой не действует отбор, не идёт мутационный процесс, отсутствует обмен особями с другими популяциями, не происходит дрейф генов, все скрещивания случайны, - частоты генотипов по какому-либо гену (в случае, если в популяции есть два аллеля этого гена) будут поддерживаться постоянными из поколения в поколение и соответствовать уравнению:

где Р - доля гомозигот по одному из аллелей; Р - частота этого аллеля;

¥^ - доля гомозигот по альтернативному аллелю; Я - частота соответствующего аллеля; - доля гетерозигот.

Содержание статьи

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

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

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

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

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

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ПОПУЛЯЦИОННОЙ ГЕНЕТИКИ

Частоты генотипов и аллелей.

Важнейшим понятием популяционной генетики является частота генотипа – доля особей в популяции, имеющих данный генотип. Рассмотрим аутосомный ген, имеющий k аллелей, A 1 , A 2 , …, A k . Пусть популяция состоит из N особей, часть которых имеет аллели A i A j . Обозначим число этих особей N ij . Тогда частота этого генотипа (P ij) определяется как P ij = N ij /N. Пусть, например, ген имеет три аллеля: A 1 , A 2 и A 3 – и пусть популяция состоит из 10000 особей, среди которых имеются 500, 1000 и 2000 гомозигот A 1 A 1 , A 2 A 2 и A 3 A 3 , а гетерозигот A 1 A 2 , A 1 A 3 и A 2 A 3 – 1000, 2500 и 3000 соответственно. Тогда частота гомозигот A 1 A 1 равна P 11 = 500/10000 = 0,05, или 5%. Таким образом мы получаем следующие наблюдаемые частоты гомо- и гетерозигот:

P 11 = 0,05, P 22 = 0,10, P 33 = 0,20,

P 12 = 0,10, P 13 = 0,25, P 23 = 0,30.

Еще одним важным понятием популяционной генетики является частота аллеля – его доля среди имеющих аллелей. Обозначим частоту аллеля A i как p i . Поскольку у гетерозиготной особи аллели разные, частота аллеля равна сумме частоты гомозиготных и половине частот гетерозиготных по этому аллелю особей. Это выражается следующей формулой: p i = P ii + 0,5Че j P ij . В приведенном примере частота первого аллеля равна p 1 = P 11 + 0,5Ч (P 12 + P 13) = 0,225. Соответственно, p 2 = 0,300, p 3 = 0,475.

Соотношения Харди – Вайнберга.

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

P ii = p i 2 , P ij = 2p i p j .

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

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

P 11 = 0,0506, P 22 = 0,0900, P 33 = 0,2256,

P 12 = 0,1350, P 13 = 0,2138, P 23 = 0,2850.

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

ПОПУЛЯЦИОННО-ГЕНЕТИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ

Дрейф генов.

Под дрейфом генов понимают случайные изменения генных частот, вызванные конечной численностью популяции. Чтобы понять, как возникает генный дрейф, рассмотрим вначале популяцию минимально возможной численности N = 2: один самец и одна самка. Пусть в исходном поколении самка имеет генотип A 1 A 2 , а самец – A 3 A 4 . Таким образом, в начальном (нулевом) поколении частоты аллелей A 1 , A 2 , A 3 и A 4 равны 0,25 каждая. Особи следующего поколения могут равновероятно иметь один из следующих генотипов: A 1 A 3 , A 1 A 4 , A 2 A 3 и A 2 A 4 . Допустим, что самка будет иметь генотип A 1 A 3 , а самец – A 2 A 3 . Тогда в первом поколении аллель A 4 теряется, аллели A 1 и A 2 сохраняют те же частоты, что и в исходном поколении – 0,25 и 0,25, а аллель A 3 увеличивает частоту до 0,5. Во втором поколении самка и самец тоже могут иметь любые комбинации родительских аллелей, например A 1 A 2 и A 1 A 2 . В этом случае окажется, что аллель A 3 , несмотря на большую частоту, исчез из популяции, а аллели A 1 и A 2 увеличили свою частоту (p 1 = 0,5, p 2 = 0,5). Колебания их частот в конце концов приведут к тому, что в популяции останется либо аллель A 1 , либо аллель A 2 ; иными словами и самец и самка будут гомозиготны по одному и тому же аллелю: A 1 или A 2 . Ситуация могла сложиться и так, что в популяции остался бы аллель A 3 или A 4 , но в рассмотренном случае этого не произошло.

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

Мутации.

При образовании гамет происходят случайные события – мутации, когда родительский аллель, скажем A 1 , превращается в другой аллель (A 2 , A 3 или любой иной), имевшийся или не имевшийся ранее в популяции. Например, если бы в нуклеотидной последовательности «…TЦT ТГГ…», кодирующей участок полипептидной цепи «…серин-триптофан…», третий нуклеотид, Т, в результате мутации передался ребенку как Ц, то в соответствующем участке аминокислотной цепи белка, синтезирующегося в организме ребенка, вместо серина был бы расположен аланин, поскольку его кодирует триплет TЦЦ (см . НАСЛЕДСТВЕННОСТЬ) . Регулярно возникающие мутации и образовали в длинном ряду поколений всех обитающих на Земле видов то гигантское генетическое разнообразие, которое мы сейчас наблюдаем.

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

Миграции.

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

Системы скрещивания.

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

Во многих регионах мира высока частота близкородственных браков (например, между двоюродными и троюродными родственниками). Образование брачных пар на основе родства называют инбридингом. Инбридинг увеличивает долю гомозиготных особей в популяции, поскольку в этом случае высока вероятность того, что родители имеют сходные аллели. С повышением числа гомозигот возрастает и количество больных рецессивными наследственными болезнями. Но инбридинг способствует также большей концентрации определенных генов, что может обеспечить лучшую адаптацию данной популяции.

Отбор.

Различия в плодовитости, выживаемости, половой активности и т.п. приводят к тому, что одни особи оставляют больше половозрелых потомков, чем другие – с иным набором генов. Различный вклад особей с разными генотипами в воспроизводство популяции называют отбором.

Изменения нуклеотидов могут влиять, а могут и не влиять на продукт гена – полипептидную цепь и образуемый ею белок. Например, аминокислота серин кодируется шестью разными триплетами – ТЦА, ТЦГ, ТЦТ, TЦЦ, АГТ и АГЦ. Поэтому мутация может превратить один из этих триплетов в другой, но при этом не изменить самой аминокислоты. Напротив, аминокислота триптофан кодируется только одним триплетом – ТГГ, и потому любая мутация заменит триптофан на другую аминокислоту, например на аргинин (ЦГГ) или серин (ТЦГ), или даже приведет к обрыву синтезируемой полипептидной цепи, если в результате мутации появится т.н. стоп-кодон (ТГА или ТАГ). Различия между вариантами (или формами) белка могут быть незаметны для организма, но могут и существенно влиять на его жизнедеятельность. Например, известно, что когда в 6-й позиции бета-цепи гемоглобина человека вместо глутаминовой кислоты стоит другая аминокислота, а именно валин, это приводит к тяжелой патологии – серповидноклеточной анемии. Изменения в других участках молекулы гемоглобина приводят к иным формам патологии, называемым гемоглобинопатиями.

Еще большие различия в приспособленности наблюдаются по генам, определяющим размеры, физиологические признаки и поведение особей; таких генов может быть много. Отбор, как правило, затрагивает их все и может вести к формированию ассоциаций аллелей разных генов.

Генетические параметры популяции.

При описании популяций или их сравнении между собой используют целый ряд генетических характеристик.

Полиморфизм.

Популяция называется полиморфной по данному локусу, если в ней встречается два или большее число аллелей. Если локус представлен единственным аллелем, говорят о мономорфизме. Исследуя много локусов, можно определить среди них долю полиморфных, т.е. оценить степень полиморфизма, которая является показателем генетического разнообразия популяции.

Гетерозиготность.

Важной генетической характеристикой популяции является гетерозиготность – частота гетерозиготных особей в популяции. Она отражает также генетическое разнообразие.

Коэффициент инбридинга.

С помощью этого коэффициента оценивают распространенность близкородственных скрещиваний в популяции.

Ассоциация генов.

Частоты аллелей разных генов могут зависеть друг от друга, что характеризуется коэффициентами ассоциации.

Генетические расстояния.

Разные популяции отличаются друг от друга по частоте аллелей. Для количественной оценки этих различий предложены показатели, называемые генетическими расстояниями.

Различные популяционно-генетические процессы по-разному влияют на эти параметры: инбридинг приводит к уменьшению доли гетерозиготных особей; мутации и миграции увеличивают, а дрейф уменьшает генетическое разнообразие популяций; отбор изменяет частоты генов и генотипов; генный дрейф увеличивает, а миграции уменьшают генетические расстояния и т.д. Зная эти закономерности, можно количественно исследовать генетическую структуру популяций и прогнозировать ее возможные изменения. Этому способствует солидная теоретическая база популяционной генетики – популяционно-генетические процессы математически формализованы и описаны уравнениями динамики. Для проверки различных гипотез о генетических процессах в популяциях разработаны статистические модели и критерии.

Прилагая эти подходы и методы к исследованию популяций человека, животных, растений и микроорганизмов, можно решить многие проблемы эволюции, экологии, медицины, селекции и др. Рассмотрим несколько примеров, демонстрирующих связь популяционной генетики с другими науками.

ПОПУЛЯЦИОННАЯ ГЕНЕТИКА И ЭВОЛЮЦИЯ

Нередко думают, что основная заслуга Чарлза Дарвина в том, что он открыл явление биологической эволюции. Однако это совсем не так. Еще до издания его книги Происхождение видов (1859) биологи сходились во мнении, что старые виды порождают новые. Разногласия имелись лишь в понимании того, как именно это могло происходить. Наиболее популярной была гипотеза Жана Батиста Ламарка, согласно которой в течение жизни каждый организм изменяется в направлении, соответствующем среде, в которой он живет, и эти полезные изменения («благоприобретенные» признаки) передаются потомкам. При всей своей привлекательности эта гипотеза не прошла проверку генетическими экспериментами.

Напротив, эволюционная теория, разработанная Дарвином, утверждала, что 1) особи одного и того же вида отличаются друг от друга по многим признакам; 2) эти различия могут обеспечить приспособление к разным условиям среды; 3) эти различия наследственны. В терминах популяционной генетики данные положения можно сформулировать так: больший вклад в следующие поколения дают те особи, которые имеют наиболее подходящие для данной среды генотипы. Изменись среда, и начнется отбор генов, более соответствующих новым условиям. Таким образом, из теории Дарвина следует, что эволюционируют генофонды .

Эволюцию можно определить как необратимое изменение генофондов популяций во времени. Совершается она путем накопления мутационных изменений ДНК, возникновения новых генов, хромосомных преобразований и др. Важную роль при этом играет то, что гены обладают способностью удваиваться (дуплицироваться), а их копии – встраиваться в хромосомы. В качестве примера вновь обратимся к гемоглобину. Известно, что гены альфа- и бета-цепи произошли путем дупликации некоего предкового гена, который, в свою очередь, произошел от предка гена, кодирующего белок миоглобин – переносчик кислорода в мышцах. Эволюционно это привело к возникновению гемоглобина – молекулы с тетрамерной структурой, состоящей из четырех полипептидных цепей: двух альфа- и двух бета-. После того как природа «нашла» тетрамерную структуру гемоглобина (у позвоночных), остальные типы структур для транспорта кислорода оказались практически неконкурентоспособными. Затем уже в течение десятков миллионов лет возникали и отбирались лучшие варианты гемоглобина (свои – в каждой эволюционной ветви животных), но в рамках тетрамерной структуры. Сегодняшний отбор по этому признаку у человека стал консервативным: он «охраняет» единственный прошедший миллионы поколений вариант гемоглобина, и любая замена в любой из цепей этой молекулы приводит к болезни. Однако многие виды позвоночных имеют два или более равноценных вариантов гемоглобина – отбор «поощрял» их одинаково. И у человека есть белки, по которым эволюция «оставила» несколько вариантов.

Популяционная генетика позволяет оценить время, когда произошли те или иные события в эволюционной истории. Вновь вернемся к примеру с гемоглобином. Пусть, например, желательно оценить время, когда произошло разделение предковых генов альфа- и бета-цепей и, следовательно, возникла такая система дыхания. Мы анализируем структуру этих полипептидных цепей у человека или какого-либо животного и, сравнивая их, определяем, насколько отличаются друг от друга соответствующие нуклеотидные последовательности. Поскольку в начале своей эволюционной истории обе предковые цепи были идентичными, то, зная скорость замены одного нуклеотида на другой и число различий в сравниваемых цепях, можно узнать время от момента их дупликации. Таким образом, здесь белки выступают в качестве своеобразных «молекулярных часов». Другой пример. Сравнивая гемоглобин или другие белки у человека и приматов, можно оценить, сколько миллионов лет назад существовал наш общий с ними предок. В настоящее время в качестве молекулярных часов используют «безмолвные», не кодирующие белки участки ДНК, менее подверженные внешним воздействиям.

Популяционная генетика позволяет заглянуть в глубь веков и проливает свет на такие события в эволюционной истории человечества, которые невозможно было бы выяснить по современным археологическим находкам. Так, совсем недавно, сравнивая генофонды людей из различных частей света, большинство ученых сошлись на том, что общий предок всех рас современного человека возник примерно 150 тысяч лет назад в Африке, откуда он и расселился по всем континентам через Переднюю Азию. Более того, сопоставляя ДНК людей в разных регионах Земли, можно оценить время, когда популяции человека стали расти в численности. Исследования показывают, что это произошло нескольких десятков тысяч лет назад. Таким образом, в изучении истории человечества популяционно-генетические данные начинают играть столь же важную роль, как и данные археологии, демографии и лингвистики.

ПОПУЛЯЦИОННАЯ ГЕНЕТИКА И ЭКОЛОГИЯ

Обитающие в каждом регионе виды животных, растений и микроорганизмов образуют целостную систему, известную как экосистема. Каждый вид представлен в ней своей, уникальной популяцией. Оценить экологическое благополучие данной территории или акватории позволяют данные, характеризующие генофонд ее экосистемы, т.е. генофонд слагающих ее популяций. Именно он обеспечивает существование экосистемы в данных условиях. Поэтому за изменениями в экологической обстановке региона можно проследить, изучая генофонды популяций обитающих там видов.

Осваивая новые территории, прокладывая нефте- и газопроводы, следует заботиться о сохранении и восстановлении природных популяций. Популяционная генетика уже предложила свои меры, например выделение природных генетических резерватов. Они должны быть достаточно обширными, чтобы содержать основной генофонд растений и животных данного региона. Теоретический аппарат популяционный генетики позволяет определить ту минимальную численность, которая необходима для поддержания генетического состава популяции, чтобы в ней не было т.н. инбридинговой депрессии, чтобы она содержала основные генотипы, присущие данной популяции, и могла воспроизводить эти генотипы. При этом каждый регион должен иметь свои собственные природные генетические резерваты. Нельзя восстанавливать загубленные сосняки Севера Западной Сибири, завозя семена сосны из Алтая, Европы или Дальнего Востока: через десятки лет может оказаться, что «чужаки» генетически плохо приспособлены к местным условиям. Вот почему экологически грамотное промышленное освоение территории должно обязательно включать популяционные исследования региональных экосистем, позволяющие выявить их генетическое своеобразие.

Сказанное относится не только к растениям, но и к животным. Генофонд той или иной популяции рыб эволюционно приспособлен именно к тем условиям, в которых он обитал в течение многих поколений. Поэтому интродукция рыб из одного природного водоема в другой порой приводит к непредсказуемым последствиям. Например, попытки развести сахалинскую горбушу в Каспии оказались безуспешными, ее генофонд оказался не в состоянии «освоить» новое местообитание. Та же горбуша, интродуцированная в Белое море, покинула его и ушла в Норвегию, образовав там временные стада «русского лосося».

Не надо думать, что основными объектами заботы о природе должны быть только экономически ценные виды растений и животных, такие, как древесные породы, пушные звери или промысловые рыбы. Травянистые растения и мхи, мелкие млекопитающие и насекомые – их популяции и их генофонды наравне со всеми другими обеспечивают нормальную жизнь территории. То же относится к микроорганизмам – тысячи их видов населяют почву. Изучение почвенных микробов – задача не только микробиологов, но и популяционных генетиков.

Изменение генофонда популяций при грубых вмешательствах в природу выявляется не сразу. Могут пройти десятилетия, прежде чем станут очевидными последствия в виде исчезновения одних популяций, а за ними – других, связанных с первыми.

ПОПУЛЯЦИОННАЯ ГЕНЕТИКА И МЕДИЦИНА

Один из насущнейших вопросов человечества – как лечить наследственные болезни. Однако до недавнего времени сама постановка такого вопроса казалась фантастической. Речь могла идти только о профилактике наследственных заболеваний в форме медико-генетического консультирования. Опытный врач-генетик, изучая историю болезни пациента и исследуя, сколь часто наследственное заболевание проявлялось среди его близких и дальних родственников, давал заключение о том, может ли у пациента появиться ребенок с такой патологией; и если может, то какова вероятность данного события (например, 1/2, 1/10, или 1/100). Основываясь на этой информации, супруги сами решали, иметь им ребенка или не иметь.

Бурное развитие молекулярной биологии существенно приблизило нас к заветной цели – лечению наследственных болезней. Для этого прежде всего необходимо найти среди множества генов человека тот, который ответствен за болезнь. Популяционная генетика помогает решить эту сложную задачу.

Известны генетические метки – т.н. ДНК-маркеры, которые позволяют отметить в длинной нити ДНК, скажем, каждую тысячную или десятитысячную «бусинку». Исследуя больного, его родственников и здоровых лиц из популяции, можно установить, какой из маркеров сцеплен с геном болезни. С помощью специальных математических методов популяционные генетики выявляют тот участок ДНК, в котором расположен интересующий нас ген. После этого в работу включаются молекулярные биологи, которые детально анализируют этот отрезок ДНК и находят в нем дефектный ген. Таким способом картированы гены большинства наследственных болезней. Теперь врачи получили возможность в первые месяцы беременности прямо судить о здоровье будущего ребенка, а родители – решать вопрос, сохранять или не сохранять беременность, если заранее известно, что ребенок родится больным. Более того, уже предпринимаются попытки исправлять допущенные природой ошибки, устранять «поломки» в генах.

С помощью ДНК-маркеров можно не только искать гены болезней. Используя их, проводят своеобразную паспортизацию индивидов. Такая ДНК-идентификация – распространенный вид судебно-медицинской экспертизы, позволяющий определить отцовство, опознать перепутанных в роддоме детей, выявить личность участников преступления, жертв катастроф и военных действий.

ПОПУЛЯЦИОННАЯ ГЕНЕТИКА И СЕЛЕКЦИЯ

Согласно теории Дарвина, отбор в природе направлен только на непосредственную пользу – выжить и размножиться. Например, у рыси окраска шерсти палево-дымчатая, а у льва – песчано-желтая. Окраска, как маскировочная одежда, служит тому, чтобы особь сливалась с местностью. Это позволяет хищникам незаметно подкрадываться к жертве или выжидать. Поэтому хотя цветовые вариации постоянно появляются в природе, дикие кошки с такой «меткой» не выживают. Лишь человек с его вкусовыми пристрастиями создает все условия для жизни домашних кошек самых разнообразных окрасок.

Переходя к оседлому образу жизни, люди уходили от охоты на животных и собирательства растений к их воспроизводству, резко уменьшая свою зависимость от катаклизмов природы. Тысячелетиями размножая особей с нужными признаками и ведя тем самым отбор соответствующих генов из генофондов популяций, люди постепенно создали все те сорта домашних растений и породы животных, что нас окружают. Это был тот же отбор, что проводила миллионами лет природа, но только теперь в роли природы выступил человек, направляемый разумом.

С началом развития популяционный генетики, т.е. с середины 20 в., селекция пошла по научному пути, а именно по пути прогнозирования ответа на отбор и выбора оптимальных вариантов селекционной работы. Например, в скотоводстве племенная ценность каждого животного вычисляется сразу по многим признакам продуктивности, определяемым не только у данного животного, но и у его родственников (матерей, сестер, потомков и др.). Все это сводится в некий общий индекс, учитывающий как генетическую обусловленность признаков продуктивности, так и их экономическую значимость. Это особенно важно при оценке производителей, у которых собственную продуктивность определить невозможно (например, у быков в молочном скотоводстве или у петухов яичных пород). С внедрением искусственного осеменения появилась необходимость в разносторонней популяционной оценке племенной ценности производителей при их использовании в разных стадах с разным уровнем кормления, содержания и продуктивности. В селекции растений популяционный подход помогает количественно оценить генетическую способность линий и сортов давать перспективные гибриды и прогнозировать их приспособленность и продуктивность в разных по климату и почвам регионах.

Структура генофонда в панмиктической стационарной популяции описывается основным законом популяционной генетики – законом Харди-Вайнберга , который гласит, что в идеальной популяции существует постоянное соотношение относительных частот аллелей и генотипов, которое описывается уравнением:

(p A + q a)2 = р2 АА + 2∙р∙q Aa + q2 aa = 1

Если известны относительные частоты аллелей p и q и общая численность популяции Nобщ, то можно рассчитать ожидаемую, или расчетную абсолютную частоту (то есть численность особей) каждого генотипа. Для этого каждый член уравнения нужно умножить на Nобщ:

p2 AA · Nобщ + 2·p·q Aa · Nобщ + q2 aa · Nобщ = Nобщ

В данном уравнении:

p2 AA · Nобщ – ожидаемая абсолютная частота (численность) доминантных гомозигот АА

2·p·q Aa · Nобщ – ожидаемая абсолютная частота (численность) гетерозигот Аа

q2 aa · Nобщ – ожидаемая абсолютная частота (численность) рецессивных гомозигот аа

Действие закона Харди-Вайнберга при неполном доминировании

Рассмотрим действие закона Харди-Вайнберга при неполном доминировании на примере наследования окраски шерсти у лис. Известно, что основное влияние на окраску шерсти у лисиц оказывает ген А, который существует в виде двух основных аллелей: А и а. Каждому возможному генотипу соответствует определенный фенотип:

АА – рыжие, Аа – сиводушки, аа – черно-бурые (или серебристые)

На заготовительных пунктах пушнины в течение многих лет (в России с XVIII века) ведется учет сданных шкурок. Откроем книгу учета сданных шкурок лис на одном из заготовительных пунктов Северо-Востока России и выберем произвольно 100 идущих подряд записей. Подсчитаем число шкурок с различной окраской. Предположим, что получены следующие результаты: рыжие (АА) – 81 шкурка, сиводушки (Аа) – 18 шкурок, черно-бурые (аа) – 1 шкурка.

Подсчитаем число (абсолютную частоту) доминантных аллелей А, учитывая, что каждая лиса – диплоидный организм. Рыжие лисы несут по 2 аллеля А, их 81 особь, всего 2А×81=162А. Сиводушки несут по 1 аллелю А, их 18 особей, всего 1А×18=18А. Общая сумма доминантных аллелей NА = 162 + 18 = 180. Аналогичным образом подсчитаем число рецессивных аллелей а: у черно-бурых лис 2а×1=2а, у сиводушек 1а×18=18а, общая сумма рецессивных аллелей Nа = 2 + 18 = 20.

Общее число всех аллелей гена А = NA + Na =180 + 20 = 200. Мы проанализировали 100 особей, у каждой по 2 аллеля, общая сумма аллелей равна 2 × 100 = 200. Число аллелей, подсчитанных по каждому гено/фенотипу, и число аллелей, подсчитанных по общему количеству особей, в любом случае равно 200, значит, расчеты проведены правильно.

Найдем относительную частоту (или долю) аллеля А по отношению к общему количеству аллелей:

рА = NA: (NA + Na) = 180: 200 = 0,9

Аналогично найдем относительную частоту (или долю) аллеля а:

qa = Na: (NA + Na) = 20: 200 = 0,1

Сумма относительных частот аллелей в популяции описывается соотношением:

рА + qa = 0,9 + 0,1 = 1

Приведенное уравнение является количественным описанием аллелофонда данной популяции, отражает его структуру. Поскольку в книге учета особи представлены случайным образом, и выборка в 100 особей достаточно большая, то полученные результаты можно обобщить (экстраполировать) на всю популяцию.

Рассмотрим изменение структуры аллелофонда (то есть частот всех аллелей) и генофонда (то есть частот всех генотипов) данной популяции при чередовании поколений. Все самцы и самки дают аллели А и а в соотношении 0,9А: 0,1а.

В этом отличие генетики популяций от классической генетики. При рассмотрении законов Менделя изначально задавалось соотношение 1А: 1а, поскольку родители всегда были гомозиготны: АА и аа.

Для нахождения относительных частот генотипов составим решетку Пеннета. При этом учтем, что вероятность встречи аллелей в зиготе равна произведению вероятностей нахождения каждого аллеля.

Гаметы самок	Гаметы самцов
		сиводушки
	сиводушки	черно-бурые

Найдем итоговые относительные и абсолютные частоты генотипов и фенотипов:

Сравнивая полученный результат с первоначальным состоянием популяции, видим, что структура аллелофонда и генофонда не изменились. Таким образом, в рассмотренной популяции лис закон Харди-Вайнберга выполняется с идеальной точностью.

Действие закона Х арди-Вайнберга при полном доминировании

Рассмотрим действие закона Харди-Вайнберга при полном доминировании на примере наследования окраски шерсти у кошек.

Известно, что черная окраска шерсти у кошек определяется генотипом аа. При этом черная окраска может быть или сплошной, или частичной. Генотипы АА и Аа обусловливают все остальное разнообразие типов окраски, но черный цвет при этом полностью отсутствует.

Предположим, что в одной из городских популяций кошек на о. Сахалин из 100 просмотренных животных полную или частичную черную окраску имели 36 животных.

Прямой расчет структуры аллелофонда популяции в этом случае невозможен из-за полного доминирования: гомозиготы АА и гетерозиготы Аа фенотипически неразличимы. Согласно уравнению Харди-Вайнберга частота черных кошек составляет q2 аа. Тогда можно рассчитать частоты аллелей:

q2aa = 36/100 = 0,36; qa = 0,36 –1/2 =0,6; pA = 1 – 0,6 = 0,4

Таким образом, структура аллелофонда данной популяции описывается соотношением: р А + q a = 0,4 + 0,6 = 1. Частота рецессивного аллеля оказалась выше, чем частота доминантного.

Рассчитаем частоты генотипов:

р2 АА = 0,42 = 0,16; 2 pq Аа = 2 ´ 0,4 ´ 0,6 = 0,48; q2aa = 0,62 = 0,36

Однако проверить правильность расчетов в данном случае невозможно, поскольку неизвестны фактические частоты доминантных гомозигот и гетерозигот.

3. Выполнение закона Харди–Вайнберга в природных популяциях. Практическое значение закона Харди–Вайнберга

В ряде случаев (например, в случае полного доминирования) при описании структуры генофонда природных популяций приходится допустить, что они обладают чертами идеальных популяций.

Сравнительная характеристика идеальных и природных популяций

Идеальная популяция	Природные популяции
1. Численность популяции бесконечно большая, и случайная элиминация (гибель) части особей не влияет на структуру популяции	1. Популяция состоит из конечного числа особей
2. Отсутствует половая дифференцировка, женские и мужские гаметы равноценны (например, при гомоталличной изогамии у водорослей)	2. Существуют различные типы половой дифференцировки, различные способы воспроизведения и различные системы скрещивания
3. Наличие панмиксии – свободного скрещивания; существование гаметного резервуара; равновероятность встречи гамет и образования зигот независимо от генотипа и возраста родителей	3. Существует избирательность при образовании брачных пар, при встрече гамет и образования зигот
4. В популяции отсутствуют мутации	4. Мутации происходят всегда
5. В популяции отсутствует естественный отбор	5. Всегда существует дифференциальное воспроизведение генотипов, включающее дифференциальное выживание и дифференциальный успех в размножении
6. Популяция изолирована от других популяций этого вида	6. Существуют миграции – поток генов

В большинстве изученных популяциях отклонения от перечисленных условий обычно не влияют на выполнение закона Харди-Вайнберга. Это означает, что:

– численность природных популяций достаточно большая;

– женские и мужские гаметы равноценны; самцы и самки в равной степени передают свои аллели потомкам);

– большинство генов не влияет на образование брачных пар;

– мутации происходят достаточно редко;

– естественный отбор не оказывает заметного влияния на частоту большинства аллелей;

– популяции в достаточной степени изолированы друг от друга.

Если же закон Харди-Вайнберга не выполняется, то по отклонениям от расчетных величин можно установить эффект ограниченной численности, различие между самками и самцами при передаче аллелей потомкам, отсутствие свободного скрещивания, наличие мутаций, действие естественного отбора, наличие миграционных связей между популяциями.

В реальных исследованиях всегда существуют отклонения эмпирических, или фактических абсолютных частот (Nфакт или Nф) от расчетных, или теоретических (Nрасч, Nтеор или Nт). Поэтому возникает вопрос: закономерны эти отклонения или случайны, иными словами достоверны или недостоверны? Для ответа на этот вопрос нужно знать фактические частоты доминантных гомозигот и гетерозигот. Поэтому в популяционно-генетических исследованиях выявление гетерозигот играет очень важную роль.

Практическое значение закона Харди–Вайнберга

1. В здравоохранении – позволяет оценить популяционный риск генетически обусловленных заболеваний, поскольку каждая популяция обладает собственным аллелофондом и, соответственно, разными частотами неблагоприятных аллелей. Зная частоты рождения детей с наследственными заболеваниями, можно рассчитать структуру аллелофонда. В то же время, зная частоты неблагоприятных аллелей, можно предсказать риск рождения больного ребенка.

Пример 1. Известно, что альбинизм – это аутосомно-рецессивное заболевание. Установлено, что в большинстве европейских популяций частота рождения детей-альбиносов составляет 1 на 20 тысяч новорожденных. Следовательно,

q2aa = 1/20000 = 0,00005; qa = 0,00005–1/2 = 0,007; pA = 1 – 0,007 = 0,993 ≈ 1

Поскольку для редких заболеваний рА ≈ 1, то частоту гетерозиготных носителей можно рассчитать по формуле 2·q. В данной популяции частота гетерозиготных носителей аллеля альбинизма составляет 2 q Аа = 2 ´ 0,007 = 0,014, или примерно каждый семидесятый член популяции.

Пример 2. Пусть в одной из популяций у 1% населения выявлен рецессивный аллель, который не встречается в гомозиготном состоянии (можно предположить, что в гомозиготном состоянии этот аллель летален). Тогда 2 q Аа = 0,01, следовательно, qa = 0,01:2 = 0,005. Зная частоту рецессивного аллеля, можно установить частоту гибели зародышей–гомозигот: q2aa = 0,0052 = 0,000025 (25 на миллион, или 1 на 40 тысяч).

2. В селекции – позволяет выявить генетический потенциал исходного материала (природных популяций, а также сортов и пород народной селекции), поскольку разные сорта и породы характеризуются собственными аллелофондами, которые могут быть рассчитаны с помощью закона Харди-Вайнберга. Если в исходном материале выявлена высокая частота требуемого аллеля, то можно ожидать быстрого получения желаемого результата при отборе. Если же частота требуемого аллеля низка, то нужно или искать другой исходный материал, или вводить требуемый аллель из других популяций (сортов и пород).

3. В экологии – позволяет выявить влияние самых разнообразных факторов на популяции. Дело в том, что, оставаясь фенотипически однородной, популяция может существенно изменять свою генетическую структуру под воздействием ионизирующего излучения, электромагнитных полей и других неблагоприятных факторов. По отклонениям фактических частот генотипов от расчетных величин можно установить эффект действия экологических факторов. (При этом нужно строго соблюдать принцип единственного различия. Пусть изучается влияние содержания тяжелых металлов в почве на генетическую структуру популяций определенного вида растений. Тогда должны сравниваться две популяции, обитающие в крайне сходных условиях. Единственное различие в условиях обитания должно заключаться в различном содержании определенного металла в почве).

Генетика человека с основами общей генетики [Учебное пособие] Курчанов Николай Анатольевич

8.1. Популяционная генетика

8.1. Популяционная генетика

Генетика популяций постулирует, что единица эволюционного процесса должна представлять собой неделимое единство и быть способной изменяться в ряду поколений. Ни вид, ни особь не удовлетворяют этим критериям. Элементарной единицей эволюционного процесса является популяция.

Популяция – это изолированная группа особей одного вида, связанная общностью территории и происхождения. Этот термин был предложен В. Иоганнсеном в 1909 г.

Представление о популяции как единице эволюции сформировалось почти сразу после возникновения дарвинизма. Популяция представляет собой непрерывный ряд поколений, она характеризуется и наследственностью, и изменчивостью. Понятие популяции применимо для организмов, как размножающихся половым путем, так и для лишенных полового процесса.

В период становления популяционной генетики считалось, что генетическая изменчивость природных популяций весьма мала, большинство локусов содержат доминантные аллели (аллели дикого типа) и лишь несколько локусов содержат мутантные аллели. Выходило, что «нормальный» генотип особи в природе гомозиготен почти по всем локусам.

В настоящее время принята так называемая балансовая теория популяций, предложенная Ф. Добжанским (Dobzhansky Тh., 1937). Согласно ей, изменчивость природных популяций очень велика, составляющие популяцию особи гетерозиготны по большинству локусов, не существует аллелей «дикого типа». При этом подчеркивается, что отсутствует какой-либо «нормальный» генотип. Генофонд популяции, включающий в себя все аллели всех населяющих популяцию особей, весьма разнообразен. Мерой генетической изменчивости популяции служит такое понятие, как гетерозиготность.

Гетерозиготность популяции показывает среднюю частоту особей, гетерозиготных по определенным локусам. Для подсчета гетерозиготности сначала определяют частоты гетерозигот по каждому локусу, а затем вычисляют среднее из полученных результатов. Чем большее количество локусов будет исследовано, тем более точная оценка изменчивости популяции будет получена. Исследования показали, что для приблизительной оценки достаточно проанализировать около 20 локусов.

Гетерозиготность – надежный показатель изменчивости. Она определяет вероятность того, что два любых аллеля одного локуса из генофонда популяции, взятые наугад, будут разными. Средняя гетерозиготность популяций человека составляет 6,7 % (Айала Ф., Кайгер Дж., 1988).

Таким образом, популяция – это совокупность генотипов, различающихся по многим локусам. Большинство локусов характеризуются множественными аллелями. Такое явление получило название полиморфизма. Количественным выражением полиморфизма популяции служит полиморфность (Р), показывающая долю полиморфных локусов. Так, если в исследованной популяции из 40 локусов 8 локусов оказались полиморфными (представленными несколькими аллелями), а 32 – мономорфными (представленными одним аллелем), то Р = 0,2, или 20 %.

Полиморфизм не выражает в полной мере степень генетической изменчивости популяции. Все локусы, имеющие больше одного аллеля, при вычислении Р будут равнозначными. Однако один локус может иметь в популяции 2 аллеля, а другой – 20. Не изменяет Р и относительная частота аллелей при одинаковом их числе. Аллели могут быть более-менее равномерно представлены в популяции, а может наблюдаться явное превалирование одного аллеля над всеми остальными.

Как и в случае многих других генетических терминов, различие между понятиями «мутация» и «полиморфизм» достаточно условное. Обычно, если какая-нибудь последовательность ДНК встречается чаще, чем в 1 % случаев, то говорят о полиморфизме, если реже, чем в 1 %, то о мутации. В геноме человека среднее число вариаций для каждого гена равняется 14 (Тарантул В. З., 2003). Значительным полиморфизмом характеризуется и число различных повторов, что у человека играет важную диагностическую роль.

Важнейшей характеристикой популяции являются показатели частот аллелей и генотипов составляющих ее особей. Их позволяет рассчитать ключевой закон популяционной генетики – закон Харди – Вайнберга. Он гласит, что при случайном скрещивании и отсутствии внешних факторов частота аллелей в популяции постоянна.

Для обозначения частот аллелей в популяционной генетике используются специальные символы: р – частота аллеля А; q – частота аллеля а; тогда p + q = 1.

Для расчета частот генотипов применяют формулу квадрата двучлена:

(p + q ) 2 = p 2 + 2pq + q 2 ,

где p 2 – частота генотипа АА; 2pq – частота генотипа Аа; q 2 – частота генотипа аа.

Применение закона Харди – Вайнберга для расчета частот аллелей у человека наглядно демонстрирует пример аутосомно-рецессивных болезней. Зная частоту встречаемости генетического заболевания, по формуле Харди – Вайнберга мы можем рассчитать частоту аллелей (с поправкой на погрешность). Например, одно из тяжелейших аутосомно-рецессивных заболеваний человека – муковисцидоз , встречается с частотой 1: 2500. Поскольку все случаи проявления обусловлены гомозиготой рецессивного аллеля, то:

q 2 = 0,0004; q = 0,02;

p = 1 – q = 1–0,02 = 0,98.

Частота гетерозигот (2pq ) = 2 ? 0,98 ? 0,02 = 0,039 (около 4 %).

Мы видим, что почти 4 % людей (совсем не мало) являются носителями гена муковисцидоза . Это показывает, сколь большое число рецессивных патогенных генов находится в скрытом состоянии.

При множественном аллелизме частоты генотипов определяются возведением в квадрат многочлена из частот аллелей. Например, имеются три аллеля: а 1 , а 2 , а 3 .

Их частоты соответственно: p, q, r . Тогда p + q + r = 1.

Для расчета частот генотипов:

(p + q + r ) 2 = p 2 + q 2 + r 2 + 2pq + 2pr + 2rq ,

где p 2 – частота генотипа а 1 а 1 ; q 2 – частота генотипа а 2 а 2 ; r 2 – частота генотипа а 3 а 3 ; 2pq – частота генотипа а 1 а 2 ; 2pr – частота генотипа а 1 а 3 ; 2rq – частота генотипа а 2 а 3 .

Необходимо отметить, что сумма частот генотипов, как сумма частот аллелей всегда будет равна 1, т. е. (p + q ) 2 = (p + q + r ) 2 = =… = 1. Частоты генотипов остаются неизменными в последующих поколениях.

Если число аллелей одного локуса обозначить k , то число возможных генотипов (N ) можно рассчитать по специальной формуле:

В строгом виде закон Харди – Вайнберга применим только для идеальной популяции, т. е. достаточно большой популяции, в которой осуществляется свободное скрещивание и не действуют внешние факторы. Только при этих условиях популяция находится в равновесии. Такие идеальные условия в природе никогда не реализуются. Рассмотрим подробнее два ограничения применения закона Харди – Вайнберга, касающиеся свободного скрещивания и действия внешних факторов.

В генетике популяций выделяют два вида скрещиваний:

1. Панмиксия – свободное скрещивание: вероятность образования брачной парыне зависит от генотипа партнеров. В отношении целых генотипов панмиксия в природе почти никогда не соблюдается, однако она вполне применима в отношении отдельных локусов.

2. Ассортативность – избирательное скрещивание: генотип влияет на выбор брачного партнера, т. е. особи с определенными генотипами спариваются чаще, чем при случайной вероятности. Избирательное скрещивание не изменяет частот генов, но изменяет частоты генотипов. Одной из крайних разновидностей ассортативности является целенаправленный инбридинг – скрещивание между родственными особями. Применительно к человеку ассортативность будет рассматриваться в разделе психогенетики.

Отклонение от равенства Харди – Вайнберга свидетельствует о том, что на популяцию действует какой-либо внешний фактор. Для анализа изменений генных частот в настоящее время разработаны сложные и довольно громоздкие системы уравнений. Это объясняется наличием переменных факторов, влияющих на результат. Разновидности эволюционных факторов мы рассмотрим чуть ниже, а пока отметим, что в любой достаточно большой популяции отклонения будут весьма незначительны, поэтому закон Харди – Вайнберга позволяет проводить важнейшие расчеты и является основой популяционной генетики. Но эти отклонения становятся значимыми, когда мы начинаем рассматривать процесс в эволюционном масштабе времени. Динамика генофонда популяций и представляет эволюцию на генетическом уровне.

Из книги Микробиология автора Ткаченко Ксения Викторовна

8. Генетика макроорганизмов Наследственный аппарат бактерий представлен одной хромосомой, которая представляет собой молекулу ДНК.Функциональными единицами генома бактерий, кроме хромосомных генов, являются: IS-последовательности, транспозоны,

Из книги Общая экология автора Чернова Нина Михайловна

8.2. Популяционная структура вида Каждый вид, занимая определенную территорию (ареал), представлен на ней системой популяций. Чем сложнее расчленена территория, занимаемая видом, тем больше возможностей для обособления отдельных популяций. Однако в не меньшей степени

Из книги Племенное разведение собак автора Сотская Мария Николаевна

Частная генетика собаки Генетика окраскиИсследованием окраски собак занимались многие ученые. Сведения по генетике этого признака были опубликованы в монографиях Ильина (1932), Доусона (1937), Уитни (1947), Бернса и Фрезер (1966) и других. Многие авторы детально исследовали

Из книги Новая наука о жизни автора Шелдрейк Руперт

Генетика поведения собак Несмотря на все многообразие и сложность поведения собаки, его наследование подчиняется тем же закономерностям, что и морфологические признаки. Разнообразие пород, отличающихся друг от друга формами поведения, издавна привлекало внимание

Из книги Наше постчеловеческое будущее [Последствия биотехнологической революции] автора Фукуяма Фрэнсис

7.1. Генетика и наследственность Наследственные различия между организмами, одинаковыми в других отношениях, зависят от генетических различий; эти последние зависят от различий в структуре ДНК или в ее расположении в хромосомах, а эти различия ведут к изменениям в

Из книги Новейшая книга фактов. Том 1 [Астрономия и астрофизика. География и другие науки о Земле. Биология и медицина] автора

Генетика и преступность Если есть на свете что-то более политически спорное, чем связь между наследственностью и интеллектом, то это - генетические корни преступности. Попытки свести криминальное поведение к биологии имеют столь же длинную и проблематичную историю, как

Из книги Генетика этики и эстетики автора Эфроимсон Владимир Павлович

Из книги Биология [Полный справочник для подготовки к ЕГЭ] автора Лернер Георгий Исаакович

Из книги Новейшая книга фактов. Том 1. Астрономия и астрофизика. География и другие науки о Земле. Биология и медицина автора Кондрашов Анатолий Павлович

Из книги Эмбрионы, гены и эволюция автора Рэфф Рудольф А

Что изучает наука генетика? Генетика – это наука о наследственности и изменчивости живых организмов и методах управления ими. В зависимости от объекта исследования выделяют генетику растений, генетику животных, генетику микроорганизмов, генетику человека и т. д., а в

Из книги Биология. Общая биология. 10 класс. Базовый уровень автора Сивоглазов Владислав Иванович

Генетика развития Не вызывает сомнений, что генетика развития представляет собой сейчас одну из наиболее активных областей биологии в отношении как теоретических построений, так и эксперимента. Однако в течение трех первых десятилетий XX в., когда и генетика, и биология

Из книги Генетика человека с основами общей генетики [Руководство для самоподготовки] автора

29. Генетика пола Вспомните!Каково соотношение мужчин и женщин в человеческой популяции?Что вам известно об определении пола из предыдущих курсов биологии?Какие организмы называют гермафродитными?Проблема взаимоотношения полов, морфологические и физиологические

Из книги Антропология и концепции биологии автора Курчанов Николай Анатольевич

Тема 6. Молекулярная генетика Кто ясно мыслит, тот ясно излагает. А. Шопенгауэр (1788–1860), немецкий философ Молекулярная генетика изучает молекулярные основы наследственности и изменчивости. Основное положение молекулярной генетики связано с признанием ведущей роли

Из книги Антропология [Учебное пособие] автора Хасанова Галия Булатовна

Генетика популяций Генетика популяций постулирует, что единица эволюционного процесса должна представлять неделимое единство и быть способной изменяться в ряду поколений. Ни вид, ни особь не удовлетворяют этим критериям. Элементарной единицей эволюционного процесса

Из книги автора

11.2. Популяционная экология Основной структурой теоретических построений экологии является популяция. На популяционном уровне сформулированы базовые экологические понятия и

ПОПУЛЯЦИОННАЯ ГЕНЕТИКА Популяционная генетика это раздел генетики, который изучает генетическую структуру популяций, их генофонд, факторы и закономерности при смене поколений. Генетический анализ популяции начинается с изучения распространенности того или иного признака, интересующего исследователя, например, наследственные болезни. Далее, зная частоту признака, можно установить генетическую структуру и генофонд популяции по этому признаку. Структура популяции характеризуется частотой генотипов, контролирующих альтернативные вариации признака, а генофонд - частотой аллелей данного локуса. Частотой определенного генотипа в популяции - называют относительное количество особей, обладающих данным генотипом. Частоту можно выражать в процентах общего числа особей популяции, которое принимается за 100%. Однако, чаще в популяционной генетике общее число особей принимается за единицу - 1.

Разберем способы вычисления частоты генотипов на конкретном примере. По МN-системе групп крови каждая популяция состоит из трех генотипов: LMLM; LNLN; LMLN. Принадлежность к каждой группе, можно установить серологическими методами. Генотип LMLM проявляется наличием антигена М, генотип LNLN проявляется наличием антигена N, генотип LMLN наличием обоих антигенов. Предположим при определении MN-групп крови в популяции установлено, что из 4200 обследованных 1218 человек имеют только антиген М (генотип LMLM), 882 человека - только антиген N (генотип LNLN) и 2100 человек - оба антигена (генотип LMLN). Нужно определить частоту всех трех антигенов в популяции. Для решения задачи примем общее число обследованных (4200) за 100% и вычислим, какой процент составляют люди с генотипом LMLM. 1218/4200 x 100% = 29% Следовательно, частота генотипа LMLM равна 29%. Таким же путем можно вычислить частоту двух других генотипов. Для генотипа LNLN она равна 21%, а для генотипа LMLN - 50%. Выражая частоты генотипов в долях единицы, получим соответственно 0, 29, 0, 21, 0, 5.

В популяционной генетике применяются и иные способы выражения частоты, преимущественно для редко встречающихся генотипов. Предположим, что в родильных домах при обследовании на фенилкетонурию выявлено 7 больных из 69862 новорожденных. Болезнь обусловлена рецессивным геном f и больные гомозиготны по этому гену (ff). Определить частоту генотипа ff среди новорожденных. Запишем частоту обычным методом и получим: 7/69862=0, 0001. Этот способ записи показывает, что при данной частоте в популяции на 10 тыс. новорожденных приходится 1 больной ребенок.

ЗАКОН ХАРДИ-ВАЙНБЕРГА Основная закономерность, позволяющая исследовать генетическую структуру популяций, была установлена в 1908 г. независимо друг от друга английским математиком Г. Харди и немецким врачом В. Вайнбергом. Закон Харди-Вайнберга гласит, что при условии наследственной преемственности и при отсутствии мутационного давления и давления отбора устанавливается равновесие частот генотипов, которое сохраняется из поколения в поколение. С точки зрения популяционного генетического анализа важно то, что закон Харди-Вайнберга устанавливает математическую зависимость между частотами генов и генотипов. Эта зависимость основывается на математическом расчете. Если генофонд популяции обусловлен парой аллельных генов, например А и А/ и ген А встречается с частотой p, а ген А/ с частотой g, то соотношение частот этих аллелей в популяции окажется равенством: p. A + g. A/ = 1

Возведя обе части равенства в квадрат, получим (p. A + g. A/)=12 , после раскрытия скобок получим формулу, отражающую частоты генотипов: p 2 AA + 2 pg. AA/ + g 2 A/A/ =1 Единица стоящая в правой части равенств, показывает, что общее число особей популяции принято за 1, и частоты аллелей и генотипов выражены в долях единицы. При этом символы p и g в обоих равенствах выражают частоты генов А и А/ , а коэффициенты при генотипах в равенстве 2 - частоты генотипов. Следовательно, генотип АА встречается в рассматриваемой популяции с частотой p 2, генотип А/А/ - с частотой g 2, а гетерозиготы - с частотой 2 pg. Таким образом, зная частоту аллелей, можно установить частоту всех генотипов, и, наоборот, зная частоту генотипов - установить частоту аллелей.

Позволяют, например, вычислить частоту гетерозиготных носителей патологических аллелей даже в тех случаях, когда они фенотипически не отличаются от гомозигот. Аналогичным способом можно исследовать генетическую структуру популяции по АВО-системе групп крови. Перед тем как разобрать практическое применение этих формул, остановимся на условиях возникновения равновесия генотипов в популяциях.

К числу этих условий относят: 1. Наличие панмиксии, т. е. случайного подбора супружеских пар, без тенденции вступления в брак с партнерами, подобными или противоположными по генотипу. 2. Отсутствие притока аллелей, вызываемого мутационным давлением. 3. Отсутствие оттока аллелей, вызываемого отбором. 4. Равная плодовитость гетерозигот и гомозигот. 5. Поколения не должны перекрываться во времени. 6. Численность популяции должна быть достаточно большой. Известные генетики Ниль и Шелл отмечают, что, ни в одной конкретной популяции эта совокупность условий не может быть соблюдена, в большинстве случаев расчеты по закону Харди-Вайнберга настолько близки к действительности, что закон оказывается вполне пригодным для анализа генетической структуры популяций.

Известные генетики Ниль и Шелл отмечают, что, ни в одной конкретной популяции эта совокупность условий не может быть соблюдена, в большинстве случаев расчеты по закону Харди-Вайнберга настолько близки к действительности, что закон оказывается вполне пригодным для анализа генетической структуры популяций. Для медицинской генетики важно то, что этот закон можно использовать для анализа популяций и по патологическим генам, которые снижают жизнеспособность и плодовитость индивидов. Это связано с тем, что в человеческих популяциях отток патологических аллелей, вызываемый естественным отбором (с элиминицией особей со сниженной жизнеспособностью), уравновешивается притоком тех же аллелей в результате мутационного давления.

Закон Харди-Вайнберга объясняет тенденцию сохранения генетической структуры в сменяющихся поколениях популяции. Однако существует ряд факторов, нарушающие эту тенденцию. К их числу относят, во-первых, естественный отбор. Отбор - единственный эволюционный фактор, вызывающий направленное изменение генофонда путем удаления из популяции менее приспособленных особей или снижение их плодовитости. Вторым важным фактором, обеспечивающим приток аллелей в популяции, является мутационный процесс. Возникает вопрос. Как часто в естественных условиях возникают мутации в популяциях? Такие мутации называют спонтанными.

Важным фактором, влияющим на частоту аллелей в малочисленных популяциях, являются генетико-автоматические процессы - Дрейф генов. Случайным дрейфом генов (генетическим дрейфом) - называется изменение частот аллелей в ряду поколений, вызываемое случайными причинами, например малочисленностью популяции. В результате дрейфа генов некоторые адаптивные аллели могут быть удалены из популяции, а менее адаптивные и даже патологические в силу случайных причин достигнуть относительно высоких концентраций. Особенно интенсивно эти процессы протекают при неравномерном размножении. У правителя Персии 18 века Фехт -Алишаха было 66 сыновей, старших внуков 124, замужних дочерей 53, сыновей у них 135. К 80 годам жизни у него было 935 прямых потомков. В этих условиях любая мутация, не только полезная, но и вредная, должна была чрезвычайно размножиться среди аристократических семей Персии.

Если популяция не слишком мала, то обусловленные дрейфом генов изменения частот аллелей, происходящие за одно поколение, также малы, однако, накапливаясь в ряду поколений, они могут стать весьма значительными. В том случае, когда на частоты аллелей в данном локусе не оказывают влияния никакие другие процессы (мутации или отбор), эволюция приведет к тому, что один из аллелей будет фиксирован, а все альтернативные аллели элиминированы. Если в популяции происходит только дрейф генов, то вероятность того, что данный аллель будет в конце концов фиксирован, в точности равна его исходной частоте.

Предельный случай дрейфа генов представляет процесс возникновения новой популяции, состоящей всего из нескольких особей, такой процесс был назван Эрнстом Майром - Эффектом основателя. Популяции многих видов, обитающие на океанических островах, и насчитывают миллион особей, происходят от одной или нескольких особей, когда-то очень давно попавших туда в результате миграции. Аналогичная ситуация встречается в озерах, изолированных лесах. Вследствие ошибок выборки частоты генов в различных локусах у немногих особей, основывающих новую популяцию, могут сильно отличаться от частот генов в популяции, из которой они происходят, что может наложить сильный отпечаток на эволюцию вновь основанных популяций.

ЦИТОГЕНЕТИКА Цитогенетика - это раздел генетики, изучающий структурно-функциональную организацию генетического материала, на уровне клетки, главным образом хромосом. Для всестороннего понимания организации хромосом высших организмов (в том числе и человека) необходимы знания общих закономерностей упаковки ДНК во всех вариантах, предоставленных живой природой, - геномах вирусов, прокариот, митохондрий, протистов.

Хромосомы и кариотип Каждая клетка любого организма содержит определенный набор хромосом. Совокупность Кариотипом. хромосом клетки называется В кариотипе соматических клеток выделяются пары одинаковых (по структуре, форме и генному составу) хромосом - так называемые Гомологичные хромосомы (1 -я - материнская, 2 -я - отцовская). Набор хромосом, содержащий пары гомологов, называется Диплоидным (обозначается 2 n).

Половые клетки - Гаметы - содержат половину диплоидного набора, по одной хромосоме из каждой пары гомологов. Такой набор называется гаплоидным (обозначается 2 n). У человека в диплоидном наборе 46 хромосом, у шимпанзе - 48, у крысы - 42, у собаки - 78, у коровы - 60, у дрозофилы - 8, у тутового шелкопряда - 56, у картофеля - 48

Исследуется кариотип обычно на стадии метафазы митоза, когда каждая хромосома состоит из двух идентичных Хроматид и максимально спирализована. Соединяются хроматиды в области Центромеры (первичной перетяжки). В этой области располагается фибриллярное тельце - Кинетохор, к которому присоединяются нити веретена деления во время митоза. Концевые участки хромосом получили название Теломеры. Они препятствуют слипанию хромосом, т. е. ответственны за их «индивидуальность» .

Участок хроматиды между центромерой и теломерой называется плечом. Плечи имеют свои обозначения: короткое - р и длинное - q. В зависимости от расположения центромеры различают следующие морфологические типы хромосом: метацентрические (р = q), субметацентрические (q>р), акроцентрические (одноплечие - q).

Некоторые хромосомы кариотипа имеют вторичную перетяжку, где обычно располагается ядрышковый организатор - область формирования ядрышка. В ядрышке происходит синтез р-РНК и образование субъединиц рибосом. В ядрах разных организмов имеется от 1 до 10 ядрышек, у некоторых их нет совсем.

Для цитогенетического анализа все хромосомы, входящие в кариотип, должны быть идентифицированы. Основной метод идентификации хромосом на цитологических препаратах - это различные способы дифференциальной окраски (Q-, G-, R-, С- и др.), которые основаны на применении определенных красителей, специфически связывающихся с участками ДНК разного строения.

Методы дифференциальной окраски были разработаны в конце 1960 -х - начале 1970 -х годов, они открыли новую страницу в цитогенетике. Каждая дифференциально окрашенная хромосома имеет свой специфический рисунок исчерченности, что позволяет ее идентифицировать. Кариотип можно представить в виде схемы, в которой хромосомы располагают в определенном порядке (обычно по группам, объединяющим хромосомы одного морфологического типа), под определенными номерами. Такая схема называется идиограммой. Гомологичные хромосомы имеют одинаковый номер, но изображается на схеме только одна из них.

Термин геном (нем. Genom) предложил немецкий ботаник Ганс Винклер в 1920 г. для обозначения минимального набора хромосом. Поэтому в настоящее время в молекулярной генетике термином геном все чаще обозначают минимальную упорядоченную всех молекул ДНК в клетке. совокупность

Рассмотрим организацию генома человека на цитогенетическом уровне. Число хромосом в гаплоидном наборе (основное число) равно 23. Все хромосомы пронумерованы и распределены по классам.

Все хромосомы пронумерованы распределены по классам. и Из них к классу А относятся хромосомы 1, 2, 3; к классу В – хромосомы 4, 5; к классу С – хромосомы 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12; к классу D – хромосомы 13, 14, 15; к классу Е – хромосомы 16, 17, 18; к классу F – хромосомы 19, 20; к классу G – хромосомы 21, 22. Перечисленные хромосомы называются аутосомы, они имеются и у мужчин, и у женщин.

Структура хромосом Каждая хроматида содержит одну молекулу ДНК, связанную с белками-гистонами и негистоновыми белками. В настоящее время принята нуклеосомная модель организации хроматина эукариот. Согласно этой модели белки-гистоны (они практически одинаковы у всех эукариот) формируют особые глобулы, по 8 молекул в каждой глобуле (по 2 молекулы гистонов Н 2 а, Н 2 б, ИЗ, Н 4). Нить ДНК делает по 2 витка вокруг каждой глобулы. Структура, состоящая из гистонового октамера, обвитого участком ДНК (размером 140- 160 п. н.), называется нуклеосомой. Такая укладка ДНК сокращает ее длину в 7 раз. Нуклеосомная модель получила название «бусинки на нитке» . Положительно заряженные гистоны и отрицательно заряженная ДНК образуют надежный ДНК-

Участок ДНК между нуклеосомами имеет гистон HI. Он играет важную роль в спирализации нуклеосомной нити и образовании второго уровня организации хромосом - винтообразной структуры соленоида. Последующая многоступенчатая укладка ДНК-гистоновой нити определяет компактную упаковку генетического материала в хромосоме, так называемый процесс компактизации хроматина. Всего выделяют 4- 5 уровней упаковки, начиная с нуклеосомного. Степень компактизации хроматина различается в разных участках хромосом и зависит от периода клеточного цикла. Определенную роль в этом процессе разнообразные негистоновые белки. играют Благодаря процессу компактизации очень длинные молекулы ДНК упакованы в клетке в небольшом объеме.

Различают 2 типа хроматина: эухроматин (упакован менее плотно) и гетерохроматин (упакован более плотно). В свою очередь, гетерохроматин разделяют на два класса: структурный (или конститутивный) гетерохроматин (постоянно выявляемые участки) и факультативный гетерохроматин (участки обратимой компактизации эухроматиновых районов). Структурный гетерохроматин локализован в прицентромерных областях и некоторых других районах хромосом, он хорошо выявляется Сокраской. В интерфазе участки структурного гетерохроматина часто агрегируют друг с другом

Считается, что гетерохроматин генетически неактивен в связи с высокой степенью конденсации, а эухроматин - активен. Но, с другой стороны, только незначительная часть генов эухроматина активна, т. е. нахождение в эухроматине является недостаточным условием для экспрессии генов. Еще больше вопросов возникает при изучении функционирования гетерохроматина.

Гигантские хромосомы В природе наблюдаются случаи нетипичной структуры хромосом. Поскольку такие нетипичные хромосомы имеют крупные размеры, они служат удобной моделью для изучения генома. Хромосомы типа «ламповых щеток» представляют собой растянутый и раскрученный вариант обычных хромосом ооцитов во время длительного мейоза. Лучше всего они изучены у амфибий, в связи с их особо крупными размерами. Длина таких хромосом в 30 раз превышает их длину в обычном состоянии. Хромосомы типа «ламповых щеток» получили свое название из-за наличия петель. Петли - это участки хромосомной нити, выступающие из более компактного материала и являющиеся местом активной транскрипции. В конце мейоза хромосомы типа «ламповых щеток» возвращаются к обычному состоянию.

Политенные хромосомы образуются в некоторых клетках в результате максимальной деспирализации и многократной репликации без последующего расхождения хромосом. Такое явление называется эндомитозом. Перед эндомитозом гомологичные хромосомы соединяются попарно - конъюгируют. Такая конъюгация не характерна для других соматических клеток. Все политенные хромосомы кариотипа объединяются центромерами в общий хромоцентр. Лучше всего политенные хромосомы изучены у двукрылых насекомых (в том числе у классического объекта - дрозофилы), хотя встречаются и у некоторых других организмов. Поскольку политенные хромосомы содержат более 1000 нитей, они в 1000 раз толще обычных хромосом и у них хорошо видны участки более плотной спирализации - диски.

Молекулярные механизмы и биологическая роль репарации ДНК Устойчивость живых организмов к различным повреждающим агентам физической, химической и биологической природы, определяется их способностью к восстановлению поврежденных структур. Особая роль принадлежит процессу репарации ДНК на молекулярном уровне, приводящей к восстановлению нормальной структуры нуклеиновых кислот, измененных при взаимодействии с этими агентами. Так возникли восстановительные системы, направленные на исправление повреждений в молекуле ДНК. В настоящее время выделяют пострепликативную репарацию. дорепликативную и Дорепликативная репарация: фотореактивация, эксцизионная или темновая репарация.

Фоторективация Явление фотореактивации было открыто в 1949 г Келнером. Фотореактивация относится к одноэтапным процессам и осуществляется с помошью фотореактивирующего фермента (ФРФ) - фотолиазы. Сущность этого явления состоит в том, что видимый свет с длиной волны 300 -400 нм возбуждает фотореактивирующий фермент, который расщепляет пиримидиновые димеры. Этот механизм обладает свойством устранения только одного вида повреждений (тиминовых димеров), осуществляется одним ферментом, в одну стадию. В темноте фермент (фотолиаза) присоединяется к димеру и под действием видимого света расщепляет димер с образованием исходных неповрежденных оснований, а фотолиаза высвобождается. В 1971 г. ФРФ был обнаружен у всех типов живых организмов. Фотореактивация выявлена в лейкоцитах и фибробластах человека.

Возвращаясь к механизму действия ФРФ, следует отметить, что связывание фермента с содержащей димеры ДНК обратимо, и если этот комплекс не подвергается действию фотореактивирующего света, то происходит его диссоциация и ДНК которая несет измененные фрагменты, может стать субстратом для действия ферментов темновой репарации. Биологическая роль фотореактивации состоит в защите ДНК клеток от инактивирующего действия УФ-излучения.

Эксцизионная репарация (темновая репарация, внеплановый синтез ДНК). Наиболее общим способом исправления структурных повреждений ДНК, вызванных химическими мутагенами, воздействиями УФ и ионизирующего излучения, является эксцизионная репарация. Механизм эксцизионной репарации был обнаружен в 1964 г в клетках микроорганизмов облученных УФ светом. Характерной особенностью была эксцизия пиримидиновых димеров из УФ-облученной ДНК. (вырезание) Позднее оказалось, что этот механизм не ограничивается устранением УФ-повреждений в ДНК, а имеет универсальное значение системы элиминирующей любые химические повреждения первичной структуры ДНК. Другой особенностью эксцизионной репарации является отсутствие потребности в энергии видимого или ближнего УФ света.

Эксцизионная репарация относится к многоэтапным процессам, происходит в 4 стадии с помощью мультиферментной системы и устраняет димеры, пиримидиновые основания, продукты радиолиза. Первая стадия цикла - инцизия (надрезание). Это ферментативный процесс, заключается в разрыве эндонуклеазами цепи ДНК рядом с повреждением. Считают, что этой стадии предшествует стадия распознавания дефекта в ДНК. Вторая стадия - эксцизия, в ходе которой происходит выщепление димера и стоящих рядом нуклеотидов. Участвует фермент экзонуклеаза. Эксцизия начинается экзонуклеазной атакой поврежденной ДНК. При этом отщепляется пиримидиновый димер и происходит дальнейшее последовательное отщепление стоящих рядом нуклеотидов. Другой конец разрыва содержащий на 3 конце фосфатную группу, не может служить затравкой для экзонуклеазной активности ДНК-полимеразы-1, т. к. активность фермента, присоединившегося к такому концу ингибируется, поэтому отщепление фосфата с 3 конца вместе с нуклеотидом, происходит под действием фермента типа экзонуклеазы-3.

В результате образуется 5 -Р-конец, являющийся необходимым для завершения стадии репарации - ДНК-полимеразной реакции (репаративного синтеза). В качестве матрицы для репаративного синтеза ДНК используется комплементарная неповрежденная нить ДНК, обеспечивающая точное воспроизведение первичной структуры ДНК, cуществовавшей до воздействия повреждающего агента. стадия эксцизионной репарации - репаративный синтез, при котором образовавшиеся бреши застраиваются короткими участками с помощью ДНК-полимеразы. Третья Четвертая стадия репарации - сшивание 5 фосфатного и 3 ОН концов репарированной ДНК, участвует фермент лигаза. При действии радиации, когда происходит прямой разрыв нитей ДНК лигаза может действовать как самостоятельный репаративный фермент, осуществляя “сверхбыструю” репарацию.

Таким образом, и фотореактивация и эксцизионная репарация протекают до того, как поврежденные клетки вступят в фазу синтеза ДНК. В отличие от них постреликативная репарация начинается после того, как клетка приступает к репликации. При этом синтез ДНК идет в обход повреждения но против них в дочерних нитях образуются бреши, которые заделываются затем либо путем рекомбинации, либо синтезом ДНК de novo. Последние может быть двоякого рода - синтезами, аналогичными нормальной репликации, при которых азотистые основания включаются в ДНК в полном соответствии с правилами комплементарности (безошибочный путь репарации), либо безматричный синтез, когда основания вставляются наугад. Это склонный к ошибкам путь восстановления.

Все три вида репарации широко распространены в природе. Они обнаружены у представителей разных групп. У разных групп организмов тот или иной путь репарации может быть более или менее активным или даже отсутствовать полностью, но тогда это компенсируется активностью других репарирующих систем. Совместным действием различных восстановительных систем устраняются многие повреждения ДНК. Их разнообразие дает основание предполагать, что репарации могут подвергаться любые стабильные изменения структуры нуклеиновых кислот.

Репарационные последствия при некоторых наследственных болезнях человека. В настоящее время ряд наследственных заболеваний человека изучаются в связи с репарационными процессами. Пять из них - заболевания аутосомно-рецессивного типа, разные по клинической картине, но их общей чертой является нестабильность хромосом, иммунологическая недостаточность и повышенный риск заболевания раком. Пигментная ксеродерма. Это клиническое название объединяет группу болезней, при котором наблюдается повышенная чувствительность кожи к солнечному свету. Клинически это проявляется в покраснении кожи, пигментации, появления злокачественных новообразований. Характерны также признаки старения кожи. С кожными нарушениями могут быть связаны и неврологические аномалии.

Пигментная ксеродерма - первое заболевание человека, для которой была показана связь с состоянием репарационных процессов. Фибробласты кожи больных ПК оказались более чувствительны к УФ-облучению, чем фибробласты здоровых доноров. Это связано с тем, что они обладают пониженной способностью выщеплять димеры тимина после УФ-облучения. Поскольку в ДНК фибробластов больных ПК после облучения не образуются одиночные разрывы, характерные для первого шага эксцизионной репарации, был сделан вывод, что при этом заболевании имеет место мутация в гене, кодирующем синтез УФ-специфичной эндонуклеазы. Добавление этого фермента в среду полностью восстанавливало репаративную способность. В дальнейшем были обнаружены формы заболевания, при которых нарушены и другие ферменты эксцизионного пути и клетки больных оказались чувствительны и к УФ и к ионизирующей радиации.

Панцитопения или анемия Фанкони. Это заболевание характеризуется гематологическими аномалиями. Поражены все ростки костного мозга. Наблюдается лейкопения, тромбоцитопения, анемия, интенсивная коричневая пигментация кожи, дефекты развития скелета, сердца, почек, гонад. Первичным молекулярным дефектом при АФ является нарушение синтеза экзонуклеазы - фермента завершающего вырезание поврежденного участка ДНК. Первоначально, это было показано на УФ-облученных фибробластах больных. В клетках больных АФ вырезание сшивок нарушено из-за отсутствия экзонуклеазы. В клетках отмечена преждевременная конденсация хроматина при вхождении в митоз, появляются хромосомные аберрации. Изучение хромосомных аберраций в лимфоцитах показало, что подвержены оба типа клеток (Т и В лимфоциты). Полагают, что и те и другие лимфоциты могут быть вовлечены в развитие лейкоза при АФ.