Генетика человека (стр. 1 )

Муниципальное общеобразовательное учреждение

лицей № 82

Генетика человека.

Дидактическое пособие (профильный уровень)

Автор: , учитель биологии

Введение.

§ 1. Из истории генетики человека.

Формирование генетики как научной дисциплины относится к началу ХХ века, когда были переоткрыты законы Менделя, появились понятия ген, мутация. Затем в течении е последующих 20-30 лет при многих университетах возникли кафедры генетики, началось преподавание этой дисциплины, стали выходить периодические издания, монографии, учебники.

Период г. г. отмечен тем, что в генетике сложилась хромосомная теория наследственности, в рамках которой гены рассматривались как компоненты хромосом, расположенные линейно. Успехи в теории и методологии генетики привели к тому, что эта наука резко расширила объём исследований. Началось структурирование генетики по объектам и уровням изучения. Постепенно стали выделять в качестве отдельных разделов генетику человека, генетику растений, генетику микроорганизмов, популяционную генетику и др. Успехи следующего, революционного, этапа развития генетики, охватывающего г. г., широко известны. Установление роли нуклеиновых кислот как носителей генетической информации, открытие двуспиральной структуры молекулы ДНК, выяснение связи между генами и белками в виде знаменитой формулы «один ген – одна полипептидная цепь» и ряд других выдающихся достижений качественно изменили генетику. Наука о наследственности и изменчивости обрела надёжную молекулярную базу.

Этап г. г. начался с расшифровки генетического кода. Развитие методов секвенирования нуклеиновых кислот и белков дало ряд принципиальных результатов. Был расшифрован первый геном РНК-содержащего вируса. Наряду с секвенированием вирусных геномов важным шагом в науке стали расшифровки митохондриальных геномов и, что особенно важно, митохондриального генома человека. Позднее появилась дерзкая идея о полном и комплексном исследовании генома человека.

Начало геномной эры резко стимулировало развитие и использование ДНК-технологий, обеспечило проникновение генетических идей и методов во многие смежные области, особенно в медицину. Высокая структуризация – одна из характерных черт современной генетики человека. Более того, эта особенность имеет тенденцию к усилению. Сегодня мы становимся свидетелями завершающего этапа геномного периода развития генетики человека. Практически завершена международная программа «Геном человека». До недавнего времени лишь в воображении фантастов могли существовать клетки-гибриды, например человека и мыши, человека и бактерии, включающие в себя человеческие гены и производящие человеческий белок, который используется как лекарственный препарат. Невероятным казалось устатовление диагноза болезни задолго до рождения ребёнка. Сегодня дородовая (пренатальная) диагностика многих наследственных болезней широко применяется в практической медицине. Пренатальная диагностика позволяет предупредить появление больных детей в семьях, отягощённых наследственными заболеваниями. Ещё недавно практически нереальной выглядела перспектива направленного воздействия или перестройки генетического материала с целью лечения (генная терапия). Сегодня генная терапия для некоторых заболеваний уже осуществляется в рамках клинических испытаний. Соответственно особую значимость приобретают разработки правовых и этических проблем в современной генетике человека. Эти проблемы интересуют и хирургов, начинающих формировать новые направления в своей специальности с учётом достижений генетики человека.

Таким образом, современную генетику человека с уверенностью можно рассматривать как особо перспективную биологическую науку, которая предоставляет исследователям уникальную возможность принять участие в расширении горизонтов познания жизни.

§ 2. Человек как объект генетических исследований.

Основные закономерности наследственности, установленные для живых организмов, универсальны и в полной мере справедливы и для человека. Вместе с тем, как объект генетических исследований человек имеет свои преимущества и недостатки.

·  Для людей невозможно планировать искусственные браки. Ещё в 1923г. отмечал, что «…мы не можем ставить опыты, мы не можем заставить Нежданову выйти замуж за Шаляпина только для того, чтобы посмотреть, какие у них будут дети». Однако эта трудность преодолима, благодаря прицельной выборке из большого числа брачных пар, соответствующих целям данного генетического исследования.

·  Большое число хромосом (46) в значительной мере затрудняет возможности генетического анализа для человека. Разработка новейших методов работы с ДНК (метод гибридизации соматических клеток и др.) устраняют эту трудность.

·  Из-за небольшого числа потомков (во второй половине ХХ века в большинстве семей рождалось по 2-3 ребёнка) невозможен анализ расщепления в потомстве одной семьи. Однако в больших популяциях можно выбрать семьи с интересующими исследователя признаками.

·  Ещё одна трудность связана с длительностью смены поколений у человека. Одно поколение занимает в среднем около 30 лет, и, следовательно, генетик не может наблюдать более одного-двух поколений.

·  Для человека характерен генотипический и фенотипический полиморфизм. Появление многих признаков и болезней в значительной степени зависит от условий внешней среды. Следует отметить, что понятие «среда» для человека более широкое, чем для растений и животных. Наряду с питанием, климатом и другими абиотическими и биотическими факторами для человека средой являются социальные факторы, которые трудно изменяются по желанию исследователя. Вместе с тем, человека как генетический объект широко изучают врачи всех специальностей, что нередко позволяет установить различные генетические отклонения.

Тема № 1.

Методы изучения наследственности человека.

§ 3. Генеалогический метод.

Данный метод опирается на генеалогию – учение о родословных. Суть метода заключается в составлении родословной и последующем её анализе. Генеалогический метод широко используется для решения как научных, так и прикладных проблем. Он позволяет выявить наследственный характер признака и определить тип наследования, позволяет установить сцепленное наследование, определить тип взаимодействия генов и пенетрантность аллелей. Метод лежит в основе медико-генетического консультирования и состоит из двух этапов: составления родословной и её анализа.

1.  Составление родословной.

Сбор сведений о семье начинают с пробанда – обычно это больной с изучаемым заболеванием. Дети одной родительской пары (братья и сёстры) называются сибсами. При составлении родословной ведется краткая запись данных о каждом члене рода с указанием его родства по отношению к пробанду. Обычно указываются фамилия, имя и отчество, дата рожде­ния и смерти, возраст, национальность, профессия, место житель­ства, наличие хронических заболеваний в семье, причины смерти умерших и др.

Сбор генетической информации проводится путем опроса, ан­кетирования, личного обследования семьи. Опрос начинается обычно с бабушки и дедушки по материнской линии, с указанием внуков — детей каждого их ребенка. В родословную вносят сведе­ния о выкидышах, абортах, мертворожденных детях, бесплодных браках и др. После сбора сведений составляют графическое изображение ро­дословной, используя систему условных обозначений. Вы­полняя эту работу, важно соблюдать следующие правила:

1)  составление родословной начинают с пробанда; братья и сес­тры располагаются в порядке рождения слева направо, начи­ная со старшего;

2)  все члены родословной располагаются строго по поколениям в один ряд;

3)  поколения обозначаются римскими цифрами слева от родос­ловной сверху вниз;

4)  арабскими цифрами нумеруется слева направо (в один ряд) потомство одного поколения;

5) в связи с тем, что некоторые болезни проявляются в разные периоды жизни, указывается возраст членов семьи;

6) отмечаются лично обследованные члены родословной.

2. Генетический анализ родословной. Задача генетического ана­лиза — установление наследственного характера заболевания и типа наследования, выявление гетерозиготных носителей мутантного гена, а также прогнозирование рождения больных детей в семьях с наследственной патологией.

Анализ родословной включает следующие этапы: 1) установле­ние, является ли данный признак или заболевание единичным в семье или имеется несколько случаев (семейный характер). Если признак встречается несколько раз в разных поколениях, то можно предположить, что он имеет наследственную природу; 2) определе­ние типа наследования признака.

Для этого анализируют родослов­ную, учитывая следующие моменты:

1)  встречается ли изучаемый признак во всех поколениях и мно­гие ли члены родословной обладают этим признаком;

2)  одинакова ли частота признака у лиц обоих полов, у лиц ка­кого пола он встречается чаще;

3)  лицам какого пола передается признак от больного отца и больной матери;

4)  есть ли в родословной семьи, в которых у обоих здоровых ро­дителей рождались больные дети или у обоих больных роди­телей рождались здоровые дети;

5)  какая часть потомства в семьях, где болен один из родителей, имеет наследуемый признак.

В зависимости от типа наследования общая картина родослов­ной выглядит по-разному.

Аутосомно-доминантное наследование характеризуется тем, что мутантный ген связан с аутосомой и проявляется как в гомозигот­ном (АА), так и в гетерозиготном (Аа) состояниях. В силу этого прослеживаются следующие особенности наследования: передача патологии от больных родителей к детям; оба пола поражаются в равных пропорциях; здоровые члены семьи обычно имеют здоро­вое потомство; отец и мать одинаково передают мутантный ген до­черям и сыновьям; возможна передача болезни от отца к сыну.

При аутосомно-рецессивном типе наследования мутантный ген проявляет свое действие только в гомозиготном состоянии. По этой причине в гетерозиготном состоянии он может существовать во многих поколениях, не проявляясь фенотипически. При данном типе наследования заболевание встречается в родословной редко и не во всех поколениях. Вероятность заболевания у девочек и мальчиков одинакова. Признак может проявиться у детей, родители ко­торых были здоровы, но являлись гетерозиготными носителями мутантного гена. Возможно несколько вариантов таких браков:

1)  мать (аа) х отец (аа) — все дети будут больными (генотип аа);

2) мать (Аа) х отец (аа) — 50% детей будут больными (генотип аа) и 50% фенотипически здоровыми (генотип Аа), являясь гетерози­готными носителями дефектного гена;

3) мать (Аа) х отец (Аа) — 25 % детей будут больными (генотип аа), 75% фенотипически здоровыми (генотипы АА и Аа), но 50% из них будут носителями мутантного гена (генотип Аа).

Известно, что частота возникновения наследственных рецессивно-аутосомных болезней находится в прямой зависимости от сте­пени распространенности мутантного гена среди населения. Час­тота таких болезней особенно повышается в изолятах и среди насе­ления с высоким процентом кровнородственных браков. Такие браки отрицательно влияют на потомство. На это указывает тот факт, что умственная отсталость среди детей от родственных бра­ков в 4 раза выше, чем в семьях с неродственными браками.

Наследование заболеваний, сцепленных с полом, определяется тем, что мутантный ген расположен в Х - или Y-хромосоме. Известно, что у женщин имеется две половые Х-хромосомы, а у мужчин — одна Х - и одна Y-хромосома. У человека в Х-хромосоме локализо­вано более 200 генов, которые могут быть рецессивными или доми­нантными.

У женщин мутантный ген может находиться в обеих Х-хромосомах или только в одной из них; в первом случае она гомозиготна, во втором - гетерозиготна. Мужчины, являясь гемизиготными (имеют только одну хромосому X), передают ее только дочерям и никогда сыновьям. Любой ген, как доминантный, так и рецессивный, лока­лизованный в Х-хромосоме, обязательно будет проявляться. В этом главная особенность Х-сцепленного наследования. Для Х-сцепленного рецессивного наследования характерны следующие особенности:

—заболевание встречается чаще у лиц мужского пола;

-- от здоровых родителей могут родиться больные дети (если мать гетерозиготна по мутантному гену)

—больные мужчины не передают заболевание своим сыновь­ям, но их дочери становятся гетерозиготными носителями болезни;

—больные женщины могут родиться только в семьях, где отец болен, а мать гетерозиготна по мутантному гену.

Задание № 1.

1.  В медико-генетическую консультацию обратился юноша (пробанд), страдавший глухотой. У него есть сёстры с нормальным слухом. Мать и отец пробанда также имеют нормальный слух. У матери пробанда пять сестёр с нормальным слухом и один брат, страдающий глухотой. Три сестры матери пробанда замужем за здоровыми мужчинами. У одной сестры матери пробанда растёт здоровая дочь, у второй – здоровый сын, у третьей – здоровая дочь и глухой сын. Бабка пробанда по линии матери и её муж были здоровы. У бабки пробанда по линии матери есть три здоровые сестры и два брата, один здоровый, а другой – глухой. Здоровые сёстры бабки по линии матери имели здоровых мужей, а здоровый брат был женат на здоровой женщине. У первой сестры бабки пробанда четыре здоровые дочери и один глухой сын. У второй сестры бабки здоровая дочь и глухой сын. У третьей сестры бабки здоровая дочь и два сына, один здоровый, а другой глухой. Отец и мать бабки пробанда по линии матери здоровы.

Заболевание наследуется по аутосомно-рецессивному типу.

Определить, какова вероятность рождения здоровых детей в семье пробанда, если он женится на здоровой женщине, отец которой страдает тем же недугом, что и пробанд. Составить генеалогическое древо, определить вероятность рождения здоровых детей.

Примечание.

Глухонемота связана с врождённой глухотой, которая препятствует усвоению речи. Глухота может быть звуковоспринимающего и звукопроводящего типов. Наследственно обусловлено около половины всех заболеваний глухонемотой, другая половина – фенокопии. Наследственные формы чаще передаются рядом неаллельных аутосомных рецессивных генов. Имеются аутосомно-доминантные и рецессивные сцепленные с Х-хромосомой формы.

2.  В медико-генетическую консультацию обратилась молодая пара, собирающаяся вступить в брак, но обеспокоенная здоровьем будущих детей. Их тревога объясняется тем, что молодые люди – троюродные брат с сестрой Юноша (пробанд) страдает рахитом, который не излечивается обычными дозами витамина Д. Эта форма рахита наследуется по доминантному типу, сцепленному с полом. Сестра пробанда здорова. Мать – больна рахитом, отец здоров. У матери пробанда двое братьев – оба здоровы. Дед пробанда по линии матери болен, бабка здорова. Дед имел двух братьев: здорового и больного. У здорового брата деда от здоровой жены было два здоровых сына. У больного брата деда жена была здорова, от их брака родились две больные дочери и здоровый сын. У одной больной дочери брата деда пробанда от здорового мужа родилась здоровая дочь; у другой больной дочери, состоящей в браке со здоровым мужчиной, ролились два сына, один из которых болен и больная дочь. У здорового сына брата деда пробанда жена здорова, здоровы и их дети – мальчики близнецы.

Составить родословную, определить вероятность рождения здоровых детей в семье пробанда, если он вступает в брак со своей здоровой троюродной сестрой.

Примечание.

Рахит, резистентный к витамину Д, наследуется по доминантному типу, сцепленному с полом. Клиническая картина сходна с рахитом. Характерно искривление длинных трубчатых костей, голеностопный и коленные суставы деформированы. При отсутствии лечения дети утрачивают способность ходить. Отмечается необычайно низкая концентрация неорганического фосфора в крови.

3.  В медико-генетическую консультацию обратился мужчина (пробанд), страдающий дефектом ногтей и коленной чашечки. Его брат нормален. Этот синдром имелся у отца пробанда, а мать была здорова. Дедушка пробанда по линии отца имел подобный синдром, а бабушка была здорова. Отец пробанда имел трёх братьев и четырёх сестёр, из них два брата и две сестры с синдромом дефекта ногтей и коленной чашечки. Больной дядя по линии отца женат на здоровой женщине и имеет здоровых детей: двух дочерей и сына.

Составить генеалогическое древо, рассчитать вероятность рождения в данной семье здорового ребёнка с 4 группой крови с учётом того, что у пробанда 3 группа крови, а его супруга иаеет 2 группу крови и не страдает дефектом ногтей и коленной чашечки.

Примечание.

У человека ген, определяющий синдром дефекта ногтей и коленной чашечки – доминантный и находится в одной хромосоме на расстоянии 10 морганид от гена группы крови по системе АВО

4.  В медико-генетическую консультацию обратилась молодая семейная пара, обеспокоенная здоровьем будущих детей. Их тревога объясняется тем, что родители женщины были не вполне здоровы: мать страдала ночной слепотой, отец – цветовой слепотой.

Определить вероятность рождения здоровых детей.

Примечание.

Гемералопия – ночная, или куриная, слепота выражается в отсутствии способности видеть при сумеречном или ночном освещении, обычно – это составная часть каких-либо синдромов. Чаще наследуется как рецессивный сцепленный с Х-хромосомой признак. Имеется аутосомно-рецессивный тип наследования. Есть случаи аутосомно-доминантного наследования этого признака.

Частичная цветовая слепота – дальтонизм. Этот признак вызывается рецессивным геном, сцепленным с Х-хромосомой.

5.  В медико-генетическую консультацию обратилась семейная пара, обеспокоенная здоровьем будущих детей. Их тревога объясняется тем, что оба супруга страдают лёгкой формой талассемии. Кроме того, у женщины резус-фактор – отрицательный, а у мужчины – положительный.

Определите вероятность рождения здорового резус-отрицательного ребёнка, если мать мужчины была резус-отрицательная.

Примечание.

Талассемия, или анемия Кули обусловлена расстройством синтеза нормального гемоглобина. Кроме нарушения морфологии эритроцитов, наблюдается в различной степени выраженная желтуха, изменения в скелете и др. Гомозиготы в 90-95% случаев гибнут в раннем возрасте, у гетерозигот талассемия протекает в относительно лёгкой форме. Наследование аутосомное с неполным доминированием. Резус-фактор – один из множества антигенных свойств крови. Резус-положительность доминирует над резус-отрицательностью.

§ 4. Биохимический метод.

Основан на изучении белков организма. Используется для диагностики болезней обмена веществ, причиной которых является изменение активности каких-либо ферментов. Удаётся определить либо сам аномальный белок-фермент, либо промежуточные продукты обмена.

Этот метод отличается трудоёмкостью, требует специального оборудования и поэтому не может быть использован для массового обследования.

В последнее время в разных странах разрабатываются и применяются для массовых исследований специальные программы. Первый этап такой программы состоит в том, чтобы среди большого количества обследуемых выделить больных, имеющих какое-либо отклонение от нормы. Такая программа называется просеивающей, или скрининг-программой. Для этого этапа обычно используется небольшое количество простых, доступных методик (экспресс-методов). Экспресс-методы основаны на простых качественных реакциях выявления продуктов обмена в моче. Крови. На втором этапе проводится уточнение (подтверждение диагноза или отклонение при ложно-положительной реакции на первом этапе).Для этого используются точные хроматографические методы определения ферментов, аминокислот и т. д.

Задание № 2.

1.  Большая из двух цепей инсулина начинается со следующих аминокислот: фенилаланин – Валин – аспарагин – глутаминовая кислота – гистидин – лейцин.

Напишите последовательность нуклеотидов в участке молекулы ДНК, хранящем информацию об этом белке.

2.  Меньшая цепочка мономеров в молекуле инсулина заканчивается такими аминокислотами: лейцин – тирозин – аспарагин – тирозин – цистеин – аспарагин.

Какой последовательностью нуклеотидов заканчивается соответствующий ген?

3.  Сколькими способами может быть закодирован в генах участок белка из следующих пяти мономеров: пролин – лизин – гистидин – Валин – тирозин, если учесть вырожденность генетического кода.

4.  Под воздействием азотистой кислоты цитозин превращается в гуанин. Какое строение будет иметь участок синтезируемого белка с последовательностью аминокислот: серин – глицин – серин – изолейцин – треонин – пролин – серин, если все цитозиновые нуклеотиды соответствующего гена подверглись указанному химическому превращению?

5.  Считая, что средняя относительная молекулярная масса аминокислоты 110, а нуклеотида около 300, прикиньте, что тяжелее: белок или его информационная РНК?

6.  Химическое исследование показало, что 30% общего числа азотистых оснований данной

и-РНК приходится на урацил, 26% - на цитозин, 24% - на аденин. Что можно сказать о нуклеотидном составе соответствующего участка двуцепочечной ДНК, слепком с которого является указанная и-РНК?

§ 5. Методы дерматоглифики и моделирования.

Метод дерматоглифики – изучение рельефа кожи на ладонях, стопе, пальцах. Здесь имеются эпидермальные линии, образующие сложные узоры. Эти рисунки строго индивидуальны. Формирование их заканчивается к 6 месяцам и сохраняется всю жизнь.

Исследование дерматоглифики важно для определения зиготности близнецов в диагностике некоторых наследственных заболеваний, в криминалистике. Метод используется как дополнительный для подтверждения диагноза некоторых синдромов.

Метод моделирования.

Метод основан на законе гомологических рядов наследственной изменчивости. Известно, что генетически близкие роды и виды имеют сходные мутации. Для изучения мутаций человека подбирают мутантные линии животных со сходными аномалиями.

§ 6. Популяционно-статистический метод.

Одним из важных в современной генетике направлений являет­ся популяционная генетика. Она изучает генетическую структуру популяций, их генофонд, взаимодействие факторов, обусловлива­ющих постоянство и изменение генетической структуры популя­ций. Под популяцией в генетике понимается совокупность свобод­но скрещивающихся особей одного вида, занимающих определен­ный ареал и обладающих общим генофондом в ряду поколений. Генофонд — это вся совокупность генов, встречающихся у особей данной популяции.

В медицинской генетике популяционно-статистический метод используется при изучении наследственных болезней населения, частоты нормальных и патологических генов, генотипов и феноти­пов в популяциях различных местностей, стран и городов. Кроме того, этот метод изучает закономерности распространения наслед­ственных болезней в разных по строению популяциях и возмож­ность прогнозировать их частоту в последующих поколениях.

Популяционно-статистический метод используется для изучения:

—частоты генов в популяции, включая частоту наследствен­ных болезней;

—закономерности мутационного процесса;

—роли наследственности и среды в возникновении болезней с наследственной предрасположенностью;

—влияния наследственных и средовых факторов в создании фенотипического полиморфизма человека по многим признакам и др.

Использование популяционно-статистического метода включа­ет правильный выбор популяции, сбор материала и статистичес­кий анализ полученных результатов.

В основе метода лежит закономерность, установленная в 1908 г. английским математиком Дж. Харди и немецким врачом В. Вайнбергом для идеальной популяции. Обнаруженная ими за­кономерность получила название закона Харди—Вайнберга.

Для идеальной популяции характерны следующие особенности: большая численность популяции, свободное скрещивание (панмиксия) организмов, отсутствие отбора и мутационного процесса, от­сутствие миграций в популяцию и из нее. В идеальной популяции соотношение частоты доминантных гомозигот (АА), гетерозигот (Аа) и рецессивных гомозигот (аа) сохраняется постоянным из по­коления в поколение, если никакие эволюционные факторы не на­рушают это равновесие. В этом основной смысл закона Харди—Вай­нберга. При изменении любого из этих условий равновесия соот­ношение численности генотипов в популяции нарушается. К этим условиям относятся родственные браки, мутации, дрейф генов, от­бор, миграции и другие факторы. Однако это не снижает значения закона Харди—Вайнберга. Он является основой при рассмотрении генетических преобразований, происходящих в естественных и ис­кусственно созданных популяциях растений, животных и человека.

Соотношение численности разных генотипов и фенотипов в панмиктической популяции определяется по формуле бинома Ньютона:

(p + q)2=p2 + 2pq + q2;(p + q)~l,

где р — частота доминантного аллеля А; q — частота рецессивного аллеля а;

р2 — частота генотипа АА (гомозигот по доминантному аллелю); q2 — частота генотипа аа (гомозиготы по рецессивному аллелю).

В соответствии с законом Харди—Вайнберга, частота доминант­ных гомозигот (АА) равна квадрату вероятности встречаемости доминантного аллеля, частота гетерозигот (Аа) — удвоенному про­изведению вероятности встречаемости доминантного и рецессив­ного аллелей. Частота встречаемости рецессивных гомозигот (аа) равна квадрату вероятности рецессивного аллеля.

Таким образом, популяционно-статистический метод дает воз­можность рассчитать в популяции человека частоту нормальных и патологических генов у гетерозигот, доминантных и рецессивных гомозигот, а также частоту нормальных и патологических феноти­пов, т. е. определить генетическую структуру популяции.

Важным фактором, влияющим на частоту аллелей в малочис­ленных популяциях и в изолятах, являются генетико-автоматические процессы, или дрейф генов. Это явление было описано в 30-х гг. и (СССР), С. Райтом и Р. Фишером (СШД). Оно выражается в случайных изменениях частоты аллелей, не связанных с их селективной ценностью и дей­ствием естественного отбора. В результате дрейфа генов адаптив­ные аллели могут быть элиминированы из популяции, а менее адаптивные и даже патологические (в силу случайных причин) могут сохраниться и достигнуть высоких концентраций. В резуль­тате в популяции может происходить быстрое и резкое возраста­ние частот редких аллелей.

А) Генетико-автоматические процессы наиболее интенсивно про­текают при неравномерном размножении особей в популяции. Ко­лебания численности популяции нередко наблюдается у насекомых, грызунов и других животных в виде так называемых «волн жиз­ни». В отдельные благоприятные годы численность их сильно воз­растает, а затем резко падает. Причинами могут быть развитие заболеваний, нехватка пищи, понижение температуры и др. В ре­зультате спада численности популяции или в изолированных по­пуляциях уменьшается гетерозиготность и возрастает генетическая однородность популяции.

Б) Примером действия дрейфа генов в человеческих популяциях может служить «эффект родоначальника». Он наблюдается, если структура популяции формируется под влиянием аллелей ограни­ченного числа семей. В таких популяциях нередко наблюдается высокая частота аномального гена, сохранившегося в результате случайного дрейфа генов. Возможно, что следствием дрейфа генов является разная частота резус-отрицательных людей в Европе (14%) и в Японии (1%), неравномерное распространение наследственных болезней по разным группам населения земного шара. Например, в некоторых популяциях Швеции широко распространен ген ювенильной амавротической идиотии, в Южной Африке — ген порфирии, в Швейцарии — ген наследственной глухоты и др.

В) Близкородственные браки (инбридинг) значительно влияют на генотипический состав популяции. Такие браки чаще всего заклю­чаются между племянницей и дядей, двоюродными братом и сест­рой. Близкородственные браки запрещены во многих странах. Это связано с высокой вероятностью рождения детей с наследственной патологией. Родственники, имея общее происхождение, могут быть носителями одного и того же рецессивного патологического гена, и при браке двух здоровых гетерозигот вероятность рождения боль­ного ребенка становится высокой.

Г) Новые гены могут поступать в популяцию в результате мигра­ции (потока генов), когда особи из одной популяции перемещают­ся в другую и скрещиваются с представителями данной популяции. Реальные популяции редко бывают полностью изолированными.

Всегда происходит некоторое передвижение особей из одной попу­ляции в другую. Оно может быть не только активным, но и пассив­ным (перенос семян птицами). Иногда человек умышленно пере­мешивает популяции. Например, в Сибири для улучшения мест­ных соболей в их популяции выпускают баргузинских соболей с очень темной окраской меха, более ценимой в меховой промышлен­ности. Это приводит к изменению частоты аллелей в основной по­пуляции и среди «иммигрантов». В локальных популяциях часто­та аллелей может изменяться, если у старожилов и пришельцев ис­ходные частоты аллелей различны. Аналогичные процессы происходят и в человеческих популяциях.

В США потомство от смешанных браков между белыми и негра­ми относится к негритянскому населению. По данным Ф. Айала и Дж. Кайгера (1988) частота аллеля, контролирующего резус-фак­тор у белого населения, составляет 0,028. В африканских племенах, от которых происходит современное негритянское население, час­тота этого аллеля равна 0,630. Предки современных негров США были вывезены из Африки 300 лет назад (около 10 поколений). Частота аллеля у современного негритянского населения Америки составляет 0,446. Таким образом, поток генов от белого населения к негритянскому шел со скоростью 3,6% за 1 поколение. В резуль­тате через 10 поколений доля генов африканских предков состав­ляет сейчас 0,694 общего числа генов современного негритянского населения США. Около 30% генов американские негры унаследо­вали от белого населения. Очевидно, поток генов между белым и негритянским населением был значительным.

Д) Наконец, следует кратко рассмотреть, как влияют на генетичес­кую структуру популяций мутационный процесс и отбор. Мутации как фактор эволюции обеспечивают приток новых аллелей в попу­ляции. По изменению генотипа мутации подразделяют на генные (или точковые), внутрихромосомные и межхромосомные, геном­ные (изменение числа хромосом.). Генные мутации могут быть пря­мыми (А —> а) и обратными (а —> А). Частота возникновения пря­мых мутаций значительно выше обратных. Одни и те же гены мо­гут мутировать многократно. Кроме того, один и тот же ген может изменяться в несколько аллельных состояний, образуя серию мно­жественных аллелей (А —» at, a2, а3, ап). Изучение частоты мутаций, обусловливающих у человека такие тяжелые болезни, как гемофи­лия, ретинобластома, пигментная ксеродерма и др., дает основание полагать, что частота возникновения патологических мутаций от­дельного гена составляет около 1—2 на 100 тыс. гамет за поколение. Учитывая общее количество генов у человека (около 100 тыс.), сум­марная мутабильность — величина немалая.

Частота мутаций может значительно возрасти при действии на организм некоторых физических и химических факторов (мутаге­нов). Химические мутагены обнаружены среди промышленных ядов, инсектицидов, гербицидов, пищевых добавок и лекарств. Боль­шинство канцерогенных веществ также обладают мутагенным дей­ствием. Кроме того, многие биологические факторы, например, ви­русы и живые вакцины, а также гистамин и стероидные гормоны, вырабатываемые в организме человека, могут индуцировать мута­ции. Сильными мутагенами являются различные виды излучений, способные вызывать генные и хромосомные мутации у человека, о чем свиде­тельствуют последствия аварии на ЧАЭС.

Е) К факторам, нарушающим постоянство генетической структу­ры популяций, относится и естественный отбор, вызывающий на­правленное изменение генофонда путем элиминации из популя­ции менее приспособленных особей или снижения их плодовито­сти. Рассмотрим влияние отбора на примере доминантной патологии — ахондроплазии (карликовости). Эта болезнь хорошо изучена в популяциях Дании. Больные имеют пониженную жиз­неспособность и умирают в детском возрасте, т. е. устраняются естественным отбором из популяции. Выжившие карлики реже вступают в брак и имеют мало детей. Анализ показывает, что око­ло 20% генов ахондроплазии не передается от родителей детям, а 80% этих генов элиминируются из популяции. Из этих данных следует, что ахондроплазия не оказывает существенного влияния на структуру популяции.

Большинство мутантных генотипов имеют низкую селективную ценность и попадают под действие отбора. По данным В. Маккьюсика (1968), около 15% плодов погибают до рождения, 3% детей умирает, не достигнув половой зрелости, 20% умирают до вступле­ния в брак, в 10% случаев брак остается бесплодным.

Однако не каждый мутантный ген снижает селективную цен­ность признака. В ряде случаев патологический ген в гетерозигот­ном состоянии может повышать жизнеспособность особи. В каче­стве примера рассмотрим серповидно-клеточную анемию. Извест­но, что это заболевание распространено в некоторых странах Африки и Азии. У людей, гомозиготных по аллелю Hbs, вырабаты­вается гемоглобин, отличный от нормального, обусловленного аллелем НbА. Гомозиготы HbsHbs погибают, не достигнув половозрелости. Гетерозиготы HbAHbs более устойчивы к малярии, чем нормальные гомозиготы НbАНbА и HbsHbs. Поэтому в районах распространения болезни гетерозиготы имеют селективное преиму­щество. Отбор работает в пользу гетерозигот. В районах, где не было малярии, гомозиготы HbAHbA обладают одинаковой с гетерозиготами приспособленностью. При этом отбор направлен против ре­цессивных гомозигот. В некоторых районах Африки гетерозиготы составляют до 70% населения. «Платой» за приспособленность к условиям существования служит так называемый генетический груз, т. е. накопление вредных мутаций в популяции.

Задание № 3.

1.  У человека альбинизм обусловлен гомозиготностью ре­цессивного гена. Допустим, что альбинизм встречается с ча­стотой 1 на 20000 человек. Определите: 1) частоту гетеро­зиготных носителей альбинизма в данной популяции; 2) ча­стоту носителей альбинизма для случаев, когда альбиносы встречаются с частотой 1 на 25000, 1 на 10000, 1 на 1000.

2. При определении NN-групп крови в популяции установ­лено, что из 4200 обследованных 1218 человек имеют толь­ко антиген М, 882 — только антиген N и 2100 — оба антигена М и N. Определите частоту всех трех антигенов в популяции.

3. В родильных домах одного из европейских городов из 84000 детей, родившихся в течение 10 лет, у 210 обнаружен рецессивный дефектный признак, обусловленный геноти­пом аа. Определите генетическую структуру популяции но­ворожденных города.

4. В одном из районов тропической Африки частота серпо-видноклеточной анемии составляет 20%. Определите час­тоту нормального и мутантного аллеля в обследованном районе.

5. Врожденный вывих бедра наследуется по доминантно-аутосомному типу. Средняя пенетрантность гена равна 25%. Поданным (1968), заболевание встреча­ется с частотой 6 на 10000. Определите число гомозиготных особей по рецессивному гену.