Мутационный процесс и генетическая комбинаторика в формировании генетической гетерогенной популяции. Генетический полиморфизм.

Мутационный процесс Мутационный процесс у человека сходен с таковым у других организмов по всем основным показателям – средней частоте мутирования на локус или геном за поколение, генетико-физиологическим мутаций, наличию антимутационных барьеров. Это совпадение неслучайно. Основные характеристики спонтанного мутагенеза формировались на начальных этапах эволюции жизни под действием таких постоянных факторов, как ультрафиолетовое и иные виды излучения, температура, определенная химическая среда. Хотя оценка частоты возникновения мутации у людей встречает серьезные трудности, некоторые подходы к получению таких данных имеются. Согласно одному из них, максимальная определяемая вероятность новой мутации составляла 2,24 * 10 -5 на один локус в поколении. В настоящее время давление мутационного процесса на генофонд человечества, по-видимому, усиливается благодаря росту индуцированных мутаций. Их причиной нередко служат факторы, возникающие в связи с производственной деятельностью человека в условиях научно-техническо революции, например ионизирующее излучение. Подсчет прироста количества мутаций сверх фоновых значений встречается с теми же трудностями, о которых шла речь выше. Согласно ориентированным данным, доза в 1 Гр (грей), получаемая при низком уровне радиации мужчинами, индуцирует от 1000 до 2000 мутаций с серьезными фенотипическими последствиями на каждый миллион живых новорожденных. У женщин эта цифра ниже – 900. Мутагенные факторы индуцируют мутации, как в половых, так и в соматических клетках. В последнем случае результат может состоять в повышении частоты определенных заболеваний, прежде всего злокачественных опухолей. В отношении ионизирующих излучений, в частности, это лейкозы. Далее идут рак молочной железы и щитовидной железы. 24 4.2 Генетическая комбинаторика В результате постоянных скрещиваний в популяции возникает множество новых сочетаний аллелей. Это генетическая комбинаторика многократно изменяет значение мутаций: они входят в новые геномы, оказываются в разной генотипической среде. Потенциально число таких комбинации имеющегося генетического материала в любой популяции невообразимо велико, но реализуется лишь ничтожная часть из этого теоретически возможного числа вариантов. Реально осуществленная часть комбинаций определяет то обстоятельство, что практически любая особь оказывается генетически уникальной. Это важно для действия естественного отбора. Комбинативная изменчивость, связанная с механизмом распределения хромосом в мейозе, случайной встречи гамет при оплодотворении и процессом кроссинговера,- мощный фактор, повышающий гетерогенность популяций. Подсчитано, что около 98 % всех наследственных изменений в популяции обязано своим распространением процессу генетической комбинаторики первично сравнительно редких мутаций. Безграничная изменчивость, однако, была бы вредна для организмов, т.к. не позволяла бы закрепляться полезным комбинациям генов. Поэтому в эволюции выработались механизмы, не только определяющие увеличение изменчивости, но и ведущие к понижению генотипической изменчивости. На уровне особи генетическая стабильность поддерживается механизмом митоза т распределением генов в геноме по группам сцепления в определенных хромосомах, а на уровне ДНК – механизмами репарации. На уровне же популяции такое ограничение изменчивости связано с тем или иным нарушением панмиксии и гибелью части особей в процессе борьбы за существование. Обычно по любому признаку или свойству в природных популяциях наблюдается достаточная степень изменчивости, обеспечивающая потенциальную возможность изменения данного признака или свойства в чреде поколений под давлением эволюционных факторов.

Полиморфизм ДНК. Для экспрессируемых продуктов генов, таких, как группы крови, белки тканей и крови, характерен высокий уровень полиморфизма, однако генетическая изменчивость, наблюдаемая на уровне ДНК, существенно выше. Поскольку значительная часть генома, вероятно, не принимает прямого участия в регуляции или кодировании продуктов генов, мутации в этих нерегуляторных и некодирующих участках ДНК не имеют фенотипического выражения и являются селективно нейтральными. Определение последовательностей нуклеотидов у различных индивидов и использование рестрикционных ферментов для картирования генома человека выявило необыкновенно высокую изменчивость на уровне ДНК. Семейный анализ показал, что варианты ДНК наследуются в соответствии с законами Менделя. Таким образом, теперь в распоряжении исследователей находится совершенно новый набор генетических маркеров.

Типы полиморфизма ДНК. Наиболее распространенный тип полиморфизма ДНК - рестрикционный полиморфизм. Если в сайте узнавания для какой-то рестриктазы происходит точечная мутация, фермент не распознает свой сайт и не разрезает ДНК (рис. 2.84). Имея под рукой специфические ДНК-зонды и рестриктазы, можно анализировать ДНК. Рестрикционные фрагменты ДНК (рестрикты) различаются по длине (полиморфизм по длине рестрикционных фрагментов). Они идентифицируются по различной подвижности после гибридизации по Саузерну (рис. 6.5). В настоящее время метод гибридизации по Саузерну включает радиоактивное мечение. Вероятно, в будущем появится возможность нерадиоактивного мечения фрагментов ДНК. Точечные мутации, заменяющие один нуклеотид на другой в некодирующем районе ДНК, встречаются очень часто. Немногие систематические исследования изменчивости ДНК проводились путем анализа с использованием большого количества рестриктаз в небольшой выборке особей (10-12). Результаты, полученные для хорошо изученных к настоящему времени областей генома (гемоглобина, альбумина и сегментов ДНК с неизвестной функцией из разных хромосом) [1143; 1742; 1959], свидетельствуют о том, что уровень нуклеотидной изменчивости приблизительно на порядок выше, чем наблюдаемый по структурным генам, кодирующим белки. Это означает, что разница между случайно выбранными хромосомами составляет в среднем ¹/₅₀₀ — ¹/₂₅₀ нуклеотидов (гетерозиготность = = 0,001 — 0,004). Особенно подходят для выявления вариантов ДНК ферменты Mspl и TaqI, узнающие метилированный динуклеотид CpG. Большинство вариантов по длине рестрикционных фрагментов диморфны, т. е. имеют только два «аллеля» - присутствие (+) или отсутствие (—) сайта рестрикции. Частота полиморфного варианта может изменяться от нескольких процентов до максимальной-50%.Другой тип полиморфизма ДНК заключается в различном числе тандемных повторов, имеющих общую центральную часть из 10-15 пар оснований («мини-сателлиты») [1795]. Участок хромосомы может нести различное количество таких повторов. Возникновение полиморфизма этого типа облегчается благодаря идентичности последовательностей нуклеотидов в повторах, что приводит к делециям и дупликациям, возникающим в результате неравного кроссинговера (рис. 6.6). Длина рестрикционных фрагментов зависит от числа повторов. Такие гипервариабельные участки ДНК расположены около гена, кодирующего инсулин, и вокруг комплекса Нbβ в хромосоме 11, встречаются они и в других хромосомах. Поскольку данный тип полиморфизма ДНК выражается в разном числе повторов, гетерозиготность по нему обычна, а гомозиготность встречается редко. Это свойство существенно для исследований с использованием ДНК-маркеров, поскольку почти во всех случаях варианты информативны.

На основе мини-сателлита интронной последовательности миоглобина Джеффри создал зонд, узнающий гипервариабельную ДНК [1795]. В разных хромосомах человека обнаружено много гипервариабельных участков. Уровень гетерозиготности в небольшой популяции, исследованной в это время, был весьма высоким и достигал почти 100%. Анализ инбредной родословной из 54 индивидов, относящихся к 4 поколениям, показал, что гетерозиготные полосы наследуются согласно законам Менделя. Интересно, что с помощью этого метода каждый индивид из родословной легко отличается от любого другого. Дальнейшее совершенствование этой методики даст возможность различать по «отпечаткам пальцев» (fingerprint) даже родственников.

Заметим, что различие по длине рестрикционных фрагментов между родителями и детьми может возникать не только в результате точковых мутаций в сайте узнавания, но и в результате ошибки репликации или кроссинговера. Ожидается, что эти события происходят чаще, чем точковые мутации. Среди 27 индивидов, у которых проанализировано 240 полос, выявлена такая полоса, которой не было ни у одного из родителей, отсюда скорость мутирования составляет 1/240, что по крайней мере на 4 порядка выше, чем скорость мутирования для точковых мутаций (разд. 2.3.3.9).

Использование ДНК-маркеров. Использование ДНК-маркеров значительно расширяет теоретические и практические возможности работ по сцеплению. Через несколько лет в распоряжении исследователей, вероятно, будет большое количество маркеров ДНК, равномерно распределенных по геному человека, что существенно расширит возможности пренатальной диагностики сцепленных с ними моногенных наследственных заболеваний (разд. 3.4) [946]. Возможно, с помощью ДНК-маркеров удастся точнее определить вклад различных генов в проявление широко распространенных заболеваний (менделевские признаки) путем обнаружения сайтов главных генов, не идентифицируемых по сцеплению. При дифференциации главных генов и полигенов возникают, однако, аналитические трудности (разд. 3.7). Варианты ДНК могут использоваться как маркеры в исследованиях по канцерогенезу [1685] и в анализе причин возникновения новообразований типа ретинобластомы, опухоли Вилмса и др. (разд. 5.1.6). Кроме того, станет возможной пренатальная диагностика наследственных форм этих опухолей. Поскольку новые полиморфные мини-сателлиты скорее всего несут рекомбинационные сигналы

 [1795], с их помощью можно исследовать механизм рекомбинации. Вполне вероятно, что в будущем при помощи маркеров ДНК будут проводить установление материнства и отцовства, а также идентификацию пятен крови и спермы в судебно-медицинской практике. Открытие полиморфизма на уровне ДНК произвело революцию в генетике человека и медицинской генетике. Думаем, что довольно скоро геном человека будет картирован полностью. Использование этой карты в теоретических и практических целях - увлекательная задача.

Полиморфизм митохондриальной ДНК. Митохондрии передаются только по материнской линии всем потомкам; диплоидность, мейоз и рекомбинация в этом случае отсутствуют. Полиморфизм митохондриальной ДНК особенно важен для популяционной генетики, с его помощью изучают взаимодействие между популяциями и историю популяций [1792]. Вероятно, варианты митохондриальной ДНК не подвержены давлению отбора. Следовательно, сравнение наследующихся по материнской линии рестриктных вариантов и РНК в группах популяций позволяет получить достоверную картину их мутационной истории.