СЦЕПЛЕННОЕ НАСЛЕДОВАНИЕ. ГЕНЕТИКА ПОЛА. ИЗМЕНЧИВОСТЬ, ЕЕ ФОРМЫ И ПРОЯВЛЕНИЯ.

СЦЕПЛЕННОЕ НАСЛЕДОВАНИЕ. ГЕНЕТИКА ПОЛА. ИЗМЕНЧИВОСТЬ, ЕЕ ФОРМЫ И ПРОЯВЛЕНИЯ.

 

Наследование пола и хромосомы. Одним из первых и веских доказа­тельств роли хромосом в явлениях наследственности явилось открытие за­кономерности, согласно которой пол  наследуется как менделирующий при­знак, т. е. наследуется по законам Менделя. Из 46 хромосом (23 пары) в кариотипе человека 22 пары одинаковы у мужчин и женщин (аутосомы), а одна пара, называемая половой, у разных полов отличается: у женщин – XX, у мужчин – XY. Половые хромосомы представлены в каждой соматической клетке индивида. При образовании гамет во время мейоза гомологичные половые хромосомы расходятся в разные половые клетки. Следовательно, каждая яйцеклетка помимо 22 аутосом несет одну половую хромосому X (гаплоидный набор хромосом равен 23). Все сперматозоиды также имеют гаплоидный набор хромосом, из которых 22 – аутосомы, а одна – половая.

Половые хромосомы

 Половина сперматозоидов содержит X, другая половина – Y хромосому.  Поскольку женские половые хромосомы одинаковы и все яйцеклетки несут Х-хромосому, то женский пол у человека называют гомогаметным. Мужской же пол из-за различия половых хромосом (X или Y) в сперматозоидах именуют гетерогаметным.  Пол человека определяется в момент оплодотворения. Женщина имеет один тип гамет – X, мужчина – два типа гамет: X и Y, причем, согласно законам мейоза, образуются они в равной пропорции. При оплодотворении хромосомные наборы гамет объединяются. Напомним, что зигота содержит 22 пары аутосом и одну пару половых хромосом. Если яйцеклетку оплодотворил сперматозоид с Х-хромосомой, то в зиготе пара половых хромосом будет XX, из нее разовьется девочка. Если же оплодотворение произвел сперматозоид с Y-хромосомой, то набор половых хромосом в зиготе – XY. Такая зигота даст начало мужскому организму. Таким образом, пол будущего ребенка определяет гетерогаметный по половым хромосомам мужчина. Соотношение полов при рождении, по данным статистики, соответствует примерно 1:1.  

 

Кариотип женщины и мужчины

 

Хромосомное определение пола – не единственный уровень половой дифференцировки. Большую роль в этом процессе у человека играет гормональная регуляция, происходящая с помощью половых гормонов, которые синтезируются половыми железами.  Закладка половых органов человека начинается у пятинедельного эмбриона. В зачатки гонад из желточного мешка мигрируют первичные клетки зародышевого пути, которые, размножаясь митозом, дифференцируются в гонии и становятся предшественниками гамет. У зародышей обоих полов миграция проходит одинаково. Если же в клетках зачатков гонад присутствует Y-хромосома, то начинают развиваться семенники, причем начало дифференцировки связано с функционированием эухроматинового района Y-хромосомы. Если же Y-хромосома отсутствует, то развиваются яичники, что соответствует женскому типу.

Опредиление пола

 

Предполагается, что Y-хромосома не детерминирует дифференцировку по мужскому типу, а лишь контролирует работу соответствующего аутосомного гена. У индивидов, не имеющих Y-xpoмосомы, этот структурный аутосомный ген не активируется.  Человек по своей природе бисексуален. Зачатки половой системы одинаковы у зародышей обоих полов. Если активность Y-хромосомы подавлена, то зачатки половых органов развиваются по женскому типу. При полном отсутствии всех элементов становления мужского пола формируются женские половые органы. Их развитие не нуждается в специальных регуляторных механизмах и является “конститутивным”.

Тип вторичных половых признаков обусловлен дифференцировкой гонад. Половые органы формируются из мюллеровых и вольфовых каналов. У женщин мюллеровы протоки развиваются в фаллопиевы трубы и матку, а вольфовы атрофируются. У мужчин вольфовы каналы развиваются в семенные протоки и семенные пузырьки. Под влиянием хорионического гона-дотропина матери лежащие в эмбриональных семенниках клетки Лейдига синтезируют стероидные гормоны (тестостерон), которые участвуют в регуляции развития особи по мужскому типу. Одновременно в семенниках в клетках Сертоли синтезируется гормон, ингибирующий дифференцировку мюллеровых протоков. Нормальные особи мужского пола развиваются только в случае, если все гормоны действующие на зачатки внешних и внутренних половых органов, “срабатывают” в определенное время в заданном месте. В настоящее время описано около 20 разнообразных дефектов генов, которые при нормальном (XY) кариотипе по половым хромосомам приводят к нарушению дифференцировки внешних и внутренних половых признаков, (гермафродитизму). Эти мутации связаны с нарушением : а) синтеза половых гормонов; б) восприимчивости рецепторов к ним; в) работы ферментов, участвующих в синтезе регулирующих факторов и т.д (Шевченко В.А. и др., 2004).

Известно, что хромосомы, составля­ющие одну гомологичную пару, со­вершенно подобны друг другу, но это справедливо лишь в отношении аутосом. Половые хромосомы, или гетерохромосомы, могут сильно разниться между собой как по морфологии, так и по заключенной в них генетической ин­формации. Сочетание половых хромо­сом в зиготе определяет пол будущего организма. Большую из хромосом этой пары принято называть X (икс)-хромосомой,   меньшую—Y   (игрек)-хромосомой. У некоторых животных Y –xpoмосома может отсутствовать.

У всех млекопитающих (в том числе у человека), у дрозофилы и многих других видов животных женские особи в соматических клетках имеют две X–хромосомы, а мужские — Х- и Y -хромосомы. У этих организмов все яйце­вые клетки содержат Х-хромосомы, и в этом отношении все одинаковы. Сперматозооны у них образуются двух типов: одни содержат Х-хромосому, другие Y -хромосому, поэтому при оплодотворении возможны две комби­нации:

1.      Яйцеклетка, содержащая Х-хромосому, оплодотворяется сперматозооном тоже с Х-хромосомой. В   зиготе встречаются   две    Х-хромосомы.    Из такой   зиготы   развивается    женская особь.

2.      Яйцеклетка, содержащая Х-хромосому, оплодотворяется сперматозооном, несущим Y -хромосому. В зиготе сочетаются Х- и Y –хромосомы. Из такой зиготы развивается мужской организм.

Таким образом, сочетание половых хромосом в зиготе, а следовательно, и развитие пола у человека, млекопи­тающих и дрозофилы зависит от того, каким сперматозооном будет оплодо­творено яйцо.

Число особей женского пола (2А +XX) относится к числу особей муж­ского пола (2А + XY), как 1:1. Сперматозоонов с Х-хромосомой и с Y –xpo–мосомой примерно одинаковое число, поэтому особей обоего пола рождает­ся приблизительно  поровну. У птиц и ряда видов бабочек женские особи имеют разные половые хро­мосомы, а мужские одинаковые. Так, у петуха в соматических клетках со­держатся две Х-хромосомы и все сперматозооны его одинаковы. Курица же наряду с Х-хромосомой несет и Y -хромосому, поэтому яйца бывают двух ти­пов.  У некоторых насекомых (прямо­крылые,   ручейники) Y -хромосома от­сутствует. В таком   случае   кариотип самцов 2А + ХО, самок — 2А + XX. Пол,  имеющий обе одинаковые по­ловые хромосомы, называется     гомогаметным, так как все гаметы одина­ковые, а пол с различными половыми хромосомами, при котором образуются два типа гамет,  называется гетерогаметным. У человека, млекопитающих, дрозофилы гомогаметный пол женский, гетерогаметный — мужской,  у   птиц и бабочек, наоборот, гомогаметный — мужской, гетерогаметный — женский. У двудомных растений также обнару­жены   половые   хромосомы.    У   пчел особи женского пола (матки и рабочие) развиваются из оплодотворенных яиц, т. е. имеющих диплоидный набор хро­мосом, а особи мужского пола (трут­ни)   —  из   неоплодотворенных,   т. е. имеющих гаплоидный набор.   В сома­тических клетках трутней восстанав­ливается диплоидный набор хромосом. В настоящее время установлено, что у   всех   организмов   пол определяется наследственными    факторами.    Единственное кажущееся исключение пред­ставляет  морской   червь боннелия, у которого реализация факторов пола за­висит от внешней среды.  Его    самка имеет размеры   сливы с длинным   (до 1 м) хоботом, самцы же микроскопиче­ских размеров. Самцы ведут паразити­ческий образ жизни на теле самки. Из яйца боннелии развиваются личинки, которые с одинаковым успехом могут стать   как  самцами, так   и   самками. Если личинка сядет на хобот к самке, то под действием   каких-то   гормонов выделяемых самкой, она превращается в самца, но если личинке не встретится взрослая самка, она сама превратится в самку. У некоторых рыб внешние фак­торы также оказывают заметное влия­ние    на    вторичное   переопределение пола.

Наследование, сцепленное с по­лом. Признаки, наследуемые через половые хромосомы, получили назва­ние сцепленных с полом. Х- и Y-хромосомы гомологичны, поскольку обладают общими гомологичными участками, где локализованы аллельные гены. Однако, несмотря на гомологию отдельных локусов, эти хромосомы различаются по морфологии. Ведь, помимо общих участков, они несут большой набор различающихся генов. В Х-хромосоме лежат гены, которых нет в Y-хромосоме, а ряд генов Y-хромосомы отсутствуют в Х-хромосоме. Таким образом, у мужчин в половых хромосомах некоторые гены не имеют второго аллеля в гомологичной хромосоме. В таком случае признак определяется не парой аллельных генов, как обычный менделирующий признак, а только одним аллелем. Подобное состояние гена называется гемизиготным, а признаки, развитие которых обусловлено одиночным аллелем, расположенным в одной из альтернативных половых хромосом, получили название сцепленных с полом. Она преимущественно развиваются у одного из двух полов и по-разному наследуются у мужчин и женщин.  Признаки, сцепленные с Х-хромосомой, могут быть рецессивными и доминантными. К рецессивным относятся: гемофилия, дальтонизм (неспособность различать красный и зеленый цвета), атрофия зрительного нерва и миопатия Дюшена. К доминантным – рахит, не поддающийся лечению витамином Д, и темная эмаль зубов.

Рассмотрим наследование, сцепленное с Х-хромосомой, на примере рецессивного гена гемофилии. У мужчины ген гемофилии, локализованный в Х-хромосоме, не имеет аллеля в Y-xpoмосоме, то есть находится в гемизигот-ном состоянии. Следовательно, несмотря на то, что признак рецессивный, у мужчин он проявляется:

N – ген нормальной свертываемости крови,

h – ген гемофилии;

X^hY – мужчина с гемофилией;

X^NY – мужчина здоров.

У женщин признак определяется парой аллельных генов в половых хромосомах XX, следовательно, гемофилия может проявиться только в гомозиготном состоянии:

X^NX^N – женщина здорова.

X^NX^h – гетерозиготная женщина, носительница гена гемофилии, здорова,

X^hX^h– женщина с гемофилией.

Перечислим основные формальные характеристики Х-сцепленного рецессивного наследования. Обычно заболевание поражает мужчин. Все их фе-нотипически здоровые дочери являются гетерозиготными носительницами, поскольку в процессе оплодотворения получают от отца Х-хромосому:

		XhY
гаметы:	Xh	и	Y
	дочерям		сыновьям

Среди сыновей гетерозиготных матерей (X^N X^h) соотношение больных и здоровых составляет 1:1, так как гаметы X^N и X^h образуются с равной вероятностью:

XN Xh	x	XNY
гаметы:	XN, Xh	XN, Y

F₁:

	Отцовские гаметы
	XN	Y
материнские XN гаметы Xh	XNXN XNXh девочки здоровы	XNY XhY мальчики 1 : 1 здоровы больны

Такое наследование получило название крисс-кросс (или крест- накрест): сыновья наследуют фенотипический признак матери, а дочери – признак отца. Законы передачи признаков, сцепленных с Х-хромосомами, были впервые изучены Т. Морганом. Наиболее известным примером стало наследование королевской гемофилии А среди потомков английской королевы Виктории. Королева Виктория была гетерозиготной и передала мутантный ген сыну гемофилику и трем дочерям. (Один из потомков королевы царевич Алексей в России также страдал этим недугом). Согласно представленной родословной, как и следует ожидать при рецессивном X-сцепленном наследовании, больны гемофилией мужчины. Однако бывает и по-другому. Описаны семьи, в родословных которых наличествуют близкородственные браки, где гемофилия средней степени выявляется и у женщин. Помимо Х-сцепленных, у мужчин имеются Y-сцепленные признаки. Они называются голандрическими. Определяющие их гены локализованы в тех районах Y-хромосом, которые не имеют аналогов в Х-хромосомах. Голандрические признаки также определяются только одним аллелем, а поскольку их гены находятся только в Y-хромосоме, то выявляются они у мужчин и передаются от отца к сыну, вернее – ко всем сыновьям. К голандрическим признакам относятся: волосатость ушей, перепонки между пальцами ног, ихтиоз (кожа имеет глубокую исчерчен ность и напоминает рыбью чешую) (Слюсарев А.А. и др., 1987). Гомологичные районы Х- и Y-хромосом содержат аллельные гены, с равной вероятностью встречающиеся у лиц мужского и женского пола.

К числу определяемых ими признакам относятся общая цветовая слепота (отсутствие цветового зрения) и пигментная ксеродерма – заболевание, при котором под влиянием ультрафиолетовых лучей на открытых частях тела появляются пигментированные пятна, которые постепенно преобразуются в папилломы, а затем и в опухоли. Оба эти признака являются рецессивными. Признаки, связанные с аллельными генами, находящимися в X-и Y-хромосомах, наследуются по классическим менделевским законам.

У человека признаки, наследуемые через Y -хромосому, могут быть только у лиц мужского пола, а наследуемые через Х-хромосому — у лиц как одного, так и другого пола. Лицо женского пола может быть как гомо- , так и гетерозиготным по генам, локализованным в Х-хромосоме, а рецессивные аллели генов у него проявляются только в гомозиготном состоянии. Поскольку у лиц мужского пола только одна Х-хромосома, все локализованные в ней гены, даже ре­цессивные, сразу же проявляются в фенотипе. Такой организм называют гемизиготным.

При записи схемы передачи призна­ков, сцепленных с полом, в генетиче­ских формулах наряду с символами ге­нов указывают и половые хромосомы. У человека некоторые патологиче­ские состояния наследуются сцепленно с полом. К ним относится, например, гемофилия (медленная свертываемость крови, обусловливающая повышенную кровоточивость).

Аллель гена, контролирующий нор­мальную свертываемость крови (Н), и его аллельная пара «ген гемофилии» (h) находятся в Х-хромосоме. Аллель Н доминантен, аллель h рецессивен, по­этому, если женщина гетерозиготна по этому гену (X^HX^h), гемофилия у нее не проявляется. У мужчины только одна Х-хромосома. Следовательно, если у него в Х-хромосоме находит­ся аллели Н, то он и проявляется. Если же хромосома мужчины имеет аллель h, то мужчина страдает гемофи­лией: Y -хромосома не несет генов, определяющих механизмы нормального  свертывания  крови.

Естественно, что рецессивный аллель гемофилии в гетерозиготном состоянии может находиться у женщин даже в те­чение нескольких поколений, пока сно­ва не проявится у кого-либо из лиц мужского пола. Женщина, страдающая гемофилией, может родиться лишь от брака женщины, гетерозиготной по гемофилии, с мужчиной, страдающим гемофилией. Ввиду редкости этого заболевания такое сочетание маловероятно.

Аналогичным образом   наследуется дальтонизм, т. е. такая аномалия зрения, когда человек путает цвета,   чаще всего красный с зеленым. Нормаль­ное цветовосприятие обусловлено доминантным аллелем, локализован­ным в Х-хромосоме. Его рецессивный аллель в гомо- и гемизиготном состоя­нии приводит к развитию дальтонизма. Отсюда понятно, почему дальтонизм гораздо чаще встречается у мужчин, чем у женщин: у мужчин только одна Х-хромосома и если в ней находится рецессивный аллель, детерминирующий дальтонизм, он обязательно проявля­ется. У женщин две Х-хромосомы; она может быть чаще гетерозиготной, и очень редко гомозиготной по этому гену, только в последнем случае она будет  страдать дальтонизмом.

Если рецессивные признаки, насле­дуемые через Х-хромосому у женщин, проявляются только в гомозиготном состоянии, то доминантные в равной мере проявляются у обоих полов. К та­ким признакам у человека относятся: витаминоустойчивый рахит, темная эмаль зубов и другие.

Признаки, которые наследуются че­рез Y -хромосому, получили название голандрических. Они передаются от отца всем его сыновьям. К числу таких у человека относится признак, про­являющийся в интенсивном развитии волос на крае ушной раковины.

 

Гиппертрихоз ушных раковин

Признаки человека, наследование которых каким-то образом связано с полом, подразделяются на несколько категорий. Одна из категорий – признаки, ограниченные полом. Их развитие обусловлено генами, расположенными в аутосомах обоих полов, но проявляющимися только у одного пола. Например, гены, определяющие ширину таза женщины, локализованы в аутосомах, наследуются и от отца и от матери, но проявляются только у женщин. То же касается возраста полового созревания девочек. Среди мужских признаков, ограниченных полом, можно назвать количество и распределение волосяного покрова на теле. К иной категории относятся признаки, контролируемые полом, или зависимые от пола. Развитие соматических признаков обусловлено генами, расположенными в аутосомах, проявляются они у мужчин и женщин, но по-разному. Например, у мужчин раннее облысение – признак доминантный, он проявляется как у доминантных гомозигот (АА), так и у гетерозигот (Aa). У женщин этот признак рецессивный, он проявляется только у рецессивных гомозигот (аа). Поэтому лысых мужчин гораздо больше, чем женщин. Другим примером может служить подагра, у мужчин ее пенетрантность выше: 80% против 12% у женщин. Значит, чаще подагрой болеют мужчины. Экспрессивность признаков, контролируемых полом, обусловлена половыми гормонами. Например, тип певческого голоса (бас, баритон, тенор, сопрано, меццо-сопрано и альт) контролируется половой конституцией. Начиная с периода полового созревания, признак находится под влиянием половых гормонов (Шевченко В.Ф. и др., 2004).

Сцепление  генов и кроссинговер.

Хромосомная теория наследственности была сформулирована и экспериментально доказана Т. Морганом и его сотрудниками. Согласно этой теории, гены находятся в хромосомах и расположены в них линейно. Гены, локализованные в одной хромосоме, называются сцепленными, наследуются вместе и образуют группу сцепления. Количество групп сцепления соответствует числу пар гомологичных хромосом. У человека 46 хромосом: 22 пары аутосом и одна пара половых хромосом (XX или XY), следовательно, у женщин 23 группы сцепления, а у мужчин – 24, так как половые хромосомы мужчины (XY) не полностью гомологичны друг другу. Каждая из половых хромосом мужчины имеет гены, характерные только для Х- и только для Y-хромосомы, которым соответствуют группы сцепления Х- и Y-хромосомы. Гены, локализованные в одной хромосоме и образующие группу сцепления, сцеплены не абсолютно. В зиготе-не профазы первого мейотического деления гомологичные хромосомы сливаются вместе с образованием бивалентов, затем в пахитене происходит кроссинговер-обмен участками между хроматидами гомологичных хромосом. Кроссинговер – обязательный процесс. Он осуществляется в каждой паре гомологичных хромосом. Чем дальше друг от друга расположены гены в хромосоме, тем чаще между ними происходит кроссинговер. Благодаря этому процессу, возрастает разнообразие сочетания генов в гаметах. Например, пара гомологичных хромосом содержит сцепленные гены АВ и ab. В профазе мейоза гомологичные хромосомы конъюгируют и образуют бивалент:

АВ
ab

Кроссинговер

Если кроссинговер между генами А и В не произойдет, то в результате мейоза образуется два типа некроссоверных гамет: АВ и ab. Если же кроссинговер состоится, то получатся кроссоверные гаметы: Ab и аВ. то есть группы сцепления изменятся. Чем более удалены друг от друга гены А и В, тем больше возрастает вероятность образования и, соответственно число кроссоверных гамет. Если гены в большой хромосоме расположены на достаточном расстоянии друг от друга и между ними в мейозе происходят многочисленные перекресты, то они могут наследоваться независимо. Открытие кроссинговера позволило Т. Моргану и сотрудникам его школы в первые два десятилетия XX века разработать принцип построения генетических карт хромосом. Явление сцепления было использовано ими для выяснения локализации генов, расположенных в одной хромосоме, и создания генных карт плодовой мушки Drosophila melanogaster. На генетических картах гены располагаются линейно друг за другом на определенном расстоянии. Расстояние между генами определяется в процентах кроссинговера, или в морганидах (1 % кроссинговера равен одной морганиде). Для построения генетических карт у растений и животных проводят анализирующие скрещивания, в которых достаточно просто рассчитать процент особей, образовавшихся в результате кроссинговера, и построить генетическую карту по трем сцепленным генам. У человека анализ сцепления генов классическими методами невозможен, поскольку невозможны экспериментальные браки. Поэтому для изучения групп сцепления и составления карт хромосом человека используют другие методы, в первую очередь генеалогический, основанный на анализе родословных. Рассмотрим на конкретном примере, как можно выявить группу сцепления генов и констатировать кроссинговер, анализируя родословные. Чтобы выявить кроссинговер, необходимо исследовать либо большую родословную, либо несколько небольшихОбозначим рецессивные гены, определяющие дальтонизм и гемофилию, а и b соответственно, тогда группа сцепления будет Х^ab:

P: Х^ab Y × Х^ABХ^ABI

F₁: Х^ABХ^abII.

Гетерозиготная женщина из поколения F₁(II) выходит замуж за здорового мужчину (Х^ABY), и имеет двух здоровых дочерей, одного здорового сына и двух сыновей со сцепленным наследованием генов гемофилии и дальтонизма, что соответствует законам наследования признаков, сцепленных с Х-хромосомой. В этом случае группа сцепления передается из поколения в поколение, и кроссинговер не выявлен. Если гены, образующие группу сцепления, находятся на достаточном расстоянии друг от друга, то между ними возможен кроссинговер. Известны родословные, в которых выявляются кроссоверные особи.

Точное установление генотипов родителей при наборе достаточного количества обследованных семей, позволяет определить частоту кроссоверных генотипов. Разработаны сложные статистические методы для объективной оценки количества кроссоверных особей на основе анализа родословных. Такая оценка дает возможность установить расстояние между генами, участвующими в процессе кроссинговера. В некоторых случаях сцепление генов может быть выявлено путем обзора обширных родословных. Статистический анализ большого количества родословных конкретизирует параметры сцепления, а компьютерные расчеты уточняют наиболее вероятные частоты рекомбинаций сцепленных генов. Установленные же частоты рекомбинаций в группах сцепления позволяют построить генные карты по группам сцепления. Пары генов или группы сцепления аутосомных генов невозможно соотнести с конкретными хромосомами, используя только формально-генетический анализ родословных. Для установления конкретной локализации генов использовались морфологические маркеры хромосом. Например, на длинном плече первой хромосомы вблизи центромеры часто обнаруживается вторичная перетяжка. Морфология этой перетяжки бывает различной, а наследуемость определенной морфологии прослеживается в череде поколений. С присутствием слишком тонкой и длинной перетяжки связано наличие некоторых патологий.

Анализ родословных в связи с морфологией первой хромосомы выявил группу сцепления из трех локусов: врожденной очаговой катаракты, группы крови Даффи и локуса Un – 1. Маркерами при определении групп сцепления в конкретных хромосомах могут служить и достаточно крупные, выявляемые морфологически делеции. Другой подход в поисках соответствия групп сцепления конкретным хромосомам связан с исследованием уровня активности метаболических ферментов. Так, у больного с синдромом Дауна, причиной которого стала трисомия по 21-й хромосоме, оказалась повышенной активность ряда ферментов, что может зависеть от увеличения дозы генов за счет увеличения количества 21-х хромосом. Предположение, что эти ферменты кодируются генами, локализованными в 21-й хромосоме, позже подтвердилось. Однако проведение грубых аналогий всегда связано с некоторым риском, поскольку хромосомный дисбаланс может приводить к нарушениям регуляции активности генов, локализованных в разных хромосомах. Накопление данных о группах сцепления генов у человека продвигалось очень медленно. Прорыв в этой области был достигнут с возникновением новых технологий, основанных на гибридизации соматических клеток в клеточных культурах, в частности, метода картирования. В гибридных клетках человек-мышь, полученных в результате слияния анеуплоидных L-клеток мыши и диплоидных эмбриональных фибробластов человека, 75-95% человеческих хромосом утрачиваются в процессе культивирования, причем их утрата носит случайный характер. Среди множества разнообразных гибридов всегда найдется клетка, сохранившая ту или иную хромосому человека. После размножения этой клетки можно провести анализ ферментов, активность которых связана с наличием именно данной хромосомы.

       Использование методов дифференциального окрашивания хромосом позволяет связать гены с определенными локусами хромосом, так как в гибридных клетках довольно часты хромосомные разрывы, перестройки, присутствие не целых хромосом, а отдельных фрагментов. Современные методы картирования развивались на основе молекулярной биологии, генной инженерии, гибридизации на препаратах хромосом с ДНК-зондами. Данные о сцеплении генов в хромосомах, полученные современными методами картирования, достаточно хорошо согласуются с первоначальными результатами, основанными на методах классической генетики. Так, подтверждено расположение в первой хромосоме генов группы крови Даффи, локуса Un-1, и врожденной очаговой катаракты, картированных ранее. К настоящему времени эта самая крупная хромосома человека является наиболее изученной. В ее составе обнаружены гены, кодирующие белки разных классов. Это и ферменты, и белки групп крови резус-фактор, и факторы свертываемости крови. В популяциях людей отмечен полиморфизм генов этой хромосомы. Мутации в некоторых из них вызывают характерные генетические заболевания, например, фенилкетонурию. В последние годы достигнуты большие успехи в выявлении сцепления и локализации локусов сцепления в определенных хромосомах, изучены все 24 группы сцепления, построены цитологические карты генов хромосом человека, в которых для каждого сегмента дифференциально окрашенной хромосомы показано, какие гены на каком расстоянии друг от друга там находятся. Ожидается, что среднее количество генов, соответствующих одному сегменту, – несколько сотен. Сегодня генная карта человека достаточно насыщена: картировано около 8000 генов, и число это быстро растет. В рамках же международной программы “Геном человека” к 2005 г. будет картировано большинство генов. Анализ групп сцепления человека показывает, что в ряде случаев локус сцепления объединяет родственные гены. Так, например, сцеплены локусы гемоглобинов человека: γ, δ и b. Иммуноглобулиновый район содержит несколько локусов, ответственных за синтез γ-глобулиновых полипептедных цепей. В первой хромосоме локализовано не менее четырех генов, вовлеченных в контроль процесса гликолиза. Известны и другие функциональные группы сцепления. Все тесные группы сцепления называются кластерами. Считается, что генные кластеры – результат эволюционного процесса. Их могут порождать генные дупликации, неравный кроссинговер, создавая основу для дальнейшей функциональной специализации генов в ходе эволюции. В отсутствие хромосомных перестроек, разбивающих кластер, гены остаются тесно сцепленными. Порядок расположения генов в кластере может иметь функциональное значение. Так, в β-глобиновом кластере человека гены гемоглобина расположены в той последовательности, в какой они экспрессируются в онтогенезе человека: ε, γ β и σ. Родственные гены не всегда сцеплены в один кластер. Гены α-глобиновой группы человека, очевидно, родственные генам β-глобиновой группы, не являются сцепленными. Возможно, причину этого явления следует искать в характере эволюционного процесса, хотя не исключается и функциональная значимость такой локализации. Частота кроссинговера зависит не только от расстояния между генами. Известны и другие факторы, влияющие на рекомбинацию сцепленных генов. В свое время имела место дискуссия относительно влияния возраста родителей на уровень рекомбинации. Действительно, в ряде локусов частота кроссинговера в мейозе возрастает с возрастом, но для других локусов это утверждение неверно. Обсуждается предположение о том, что у гомогаметного пола (XX) кроссинговер происходит чаще. До недавнего времени исследования по сцеплению представляли, в основном, теоретический интерес. Ныне же появилась возможность практически применять полученные знания. Например, если ген А вызывает редкое наследственное заболевание, проявляющееся в позднем возрасте, а ген В тесно сцеплен с геном А и является генетическим маркером, то появление в семье признака, определяемого геном В, заставляет ожидать наследственного заболевания, определяемого геном А. Кроме того, в раннем возрасте можно предсказать вероятность наследственной патологии и скорректировать образ жизни человека, чтобы уменьшить риск развития патологии. Достоверная информация о группах сцепления важна для дородового генетического консультирования, поскольку точная дородовая диагностика по любой наследственной патологии осуществима только тогда, когда возможно определенное предсказание на основе анализа генотипа родителей (Слюсарев А.А. и др., 1987).  Во всех примерах скрещивания, которые приводились выше, имело место независимое комбинирование генов, от­носящихся к различным аллельным па­рам. Оно возможно только потому, что рассматриваемые нами гены локализо­ваны в различных парах   хромосом. Однако число генов значительно превосходит число хромосом. Следовательно, в каждой хромосоме локализовано много генов, наследующихся совмест­но.  Гены,   локализованные   в   одной хромосоме, называются группой сцеп­ления.  Понятно, что у каждого   вида организмов число   групп   сцепления равняется   числу пар хромосом, т. е. у дрозофилы их 4, у гороха — 7,  у томата — 12 и т. д.

Следовательно, установленный Менделем принцип независимого наследования и комбинирования признаков про­является  только  тогда,   когда  гены, определяющие эти признаки, находят­ся в разных парах хромосом (относят­ся к различным  группам  сцепления). Однако оказалось, что гены,   находящиеся в одной хромосоме, сцеплены не абсолютно. Во время мейоза,    при конъюгации хромосом   гомологические хромосомы обмениваются идентичными участками. Этот принцип получил   название кроссинговера, или перекреста. Кроссинговер может произойти в любом участке хромосомы, даже в не­скольких местах одной хромосомы. Чем дальше друг от друга расположены локусы в одной хромосоме, тем чаще между ними следует ожидать перекрест и обмен участками.

Обмен участками между гомологич­ными хромосомами имеет большое значение для эволюции, так как непо­мерно увеличивает возможности ком-бинативной изменчивости. Вследствие перекреста отбор в процессе “эволюции” идет не по целым группам сцепления, а по группам генов и даже отдельным генам. Ведь в одной группе сцепления могут находиться гены, кодирующие наряду с адаптивными (приспособи­тельными) и неадаптивные состояния признаков. В результате перекреста «полезные» для организма аллели могут быть отделены от «вредных» и, сле­довательно, возникнут более выгодные для существования вида генные комби­нации — адаптивные. ” Примером тесного сцепления генов у человека может служить наследование резус-фактора. Оно обусловлено тремя парами генов С, Д, К, тесно сцеплен­ных между собой, поэтому наследова­ние его происходит по типу моногиб­ридного скрещивания. Резус-положи­тельный фактор обусловлен доминант­ными аллелями. Поэтому при браке женщины, имеющей резус-отрицатель­ную группу крови, с мужчиной, у ко­торого резус-фактор положительный, если он гомозиготен, все дети будут резус-положительными; если гетеро­зиготен, следует ожидать расщепле­ния по этому признаку в соотношении 1:1.Точно так же близко расположены в АГ-хромосоме гены гемофилии и даль­тонизма. Если уж они есть,  то наследуются вместе, а находящиеся в той же хромосоме гены альбинизма локализо­ваны на значительном расстоянии от гена дальтонизма и могут дать с ним высокий  процент перекреста.

Линейное расположение генов. Генетические карты. Существо­вание кроссинговера позволило школе Моргана разработать в 1911—1914 гг. принцип построения генетических карт хромосом. В основу этого принципа положено представление о располо­жении генов по длине хромосомы в линейном порядке. За единицу рассто­яния между двумя генами условились принимать 1 % перекреста между ними. Эту величину называют морганидой в честь генетика Т. Г. Моргана (Слюсарев А.А. и др., 1987).

Допустим, что к одной группе сцеп­ления относятся гены А и В. Между ними обнаружен перекрест в 10 %. Следовательно, эти гены находятся на расстоянии 10 единиц (морганид). До­пустим далее, что к этой же группе сцепления относится ген С Чтобы узнать его место в хромосоме, необхо­димо выяснить, какой процент пере­креста он дает с обоими из двух уже известных генов. Наиболее подробные карты хромо­сом составлены для дрозофилы, давно ставшей классическим генетическим объектом. Из растительных объектов сравнительно хорошо в этом отношении изучены кукуруза и томаты,   из  животных — куры и мыши. Начато со­ставление карт хромосом человека. Уже известны 24 группы сцепления: 22 аутосомные и 2 сцепленные с полом в Х- и У-хромосомах.

Генетические карты хромосом строятся на основе гибридологического ана­лиза. Однако найден способ построе­ниями цитологических карт хромосом для дрозофилы. Дело в том, что в клет­ках слюнных желез личинок мух об-наружены гигантские хромосомы, пре­вышающие размеры хромосом из других клеток и содержащие больше хромонем. Оказалось, что в тех случаях, когда гибридологическим методом обнаружи­вались какие-либо нарушения насле­дования, соответствующие им измене­ния имели место и в гигантских хро­мосомах. Так, в результате сопостав­ления генетических данных стало возможным построить цитологические карты хромосом. Это открытие подтверждает правильность тех принципов, которые были положе­ны в основу построения генетических карт хромосом.

Метод картирования хромо­сом человека. Установить группы сцепления, а тем более построить карты хромосом человека, пользуясь тради­ционными методами, принятыми для всех других эукариотов (растений и животных), практически невозможно. Тем не менее в построении карт хромосом человека достигнут значительный прогресс, благодаря использованию нового метода— гибридизации сомати­ческих клеток грызунов и человека в культуре ткани. Оказалось, что если в культуре смешать клетки мыши и человека, то можно получить гибридные клетки, содержащие хромосомы одного и другого вида. В норме клетки мыши имеют 40 хромосом, человека, как известно,— 46 хромосом. В гибридных клетках следует ожидать суммарное число хромосом — 86, но обычно этого не бывает и чаще всего гибридные клетки содержат от 41 до 55 хромосом. При этом, как правило, в гибридных клетках хромосомы мыши сохраняются все, а утрачиваются какие-либо хромо­сомы человека; потеря тех или иных из хромосом случайна, поэтому гибрид­ные клетки имеют разные наборы хромосом.

 

Идиограмма

 

В гибридных клетках хромосомы как мыши, так и человека функционируют, синтезируя соответствующие белки. Морфологически каждую из хромосом мыши и человека можно отличить и установить, какие именно хромосомы человека присутствуют в данном кон­кретном наборе, и, следовательно, вы­яснить, синтез каких белков связан с генами данных хромосом. Гибридные клетки обычно теряют ту или иную хромосому человека целиком. Это дает возможность считать, что если какие-либо гены присутствуют или отсутствуют постоянно вместе, то они должны быть отнесены к одной группе сцепления. Этим методом удалось уста­новить все возможные для человека группы сцепления. Далее, в ряде слу­чаев, используя хромосомные аберрации (транслокации и нехватки), мож­но определить расположение генов в том или ином участке хромосом, вы­яснить последовательность их расположения, т. е. построить карты хро­мосом человека.

Наибольшее число генов удалось ло­кализовать в Х-хромосоме, где их из-вестно 95, в наиболее крупной из аутосом первой 24 гена. Ген, определяющий группы крови по системе АВО, оказался в девятой хромосоме, определяющий группы крови по систе­ме MN — во второй, а по группе крови системы резус-фактора (Rh) — в первой хромосоме. В этой же хромо­соме локализован ген элиптоцитоза (El), доминантный аллель которого кодирует овальную форму эритроци­тов. Расстояние между локусами Rh и El равно 3 %. Локализация патологи­ческих генов во всех хромосомах человека имеет большое значение для меди­цинской  генетики (Шевченко В.А. и др., 2004).

Карты хромосом прокариот. Прокариоты — гаплоидные организмы, поэтому метод построения карт хромосом, используемый для животных и растений, к ним не применим. Разра­ботаны два способа составления карт хромосом прокариот. Они базируются на существовании конъюгации у бак­терий.

Первый способ основан на том, что полного перехода хромосомы из бак­терии-донора в бактерию-реципиент, занимающего около 2 ч, обычно не происходит. Бактерии во время конъюгации соединены очень непрочно, и разрыв их чаще всего происходит до полного перехода хромосомы. Эта особенность использована для выяс­нения порядка расположения генов в хромосоме. Предполагается, что последовательность генов и расстояние меж­ду ними пропорциональны времени, в течение которого совершалась ко­нъюгация. Искусственно прерывая ко­нъюгацию через определенные отрез­ки времени и выясняя, какие гены за это время перешли в реципиентную клетку, можно установить порядок их расположения.

Второй метод основан   на том,   что после конъюгации у бактерии-реципи­ента   часть    хромосомы   оказывается диплоидной. В течение нескольких по­колений бактерий этот участок остает­ся диплоидным. Такие особи   исполь­зуются для выяснения того, какие из аллелей генов являются доминантными, а какие рецессивными. Обычно после нескольких делений ряд генов, лока­лизованных в участке хромосомы из донорской бактерии, путем   кроссинговера   включается    в    гомологичные локусы хромосомы бактерии-реципиен­та и заменяет аллельные гены, а ос­тальные гены донора элиминируются. Образовавшуюся   рекомбинированную хромосому   можно   использовать   для локализации генов по принципу, раз­работанному для эукариот.

Основные положения хромосомной теории наследственности. Закономерности, открытые школой Моргана, а затем подтвержденные и углубленные на многочисленных объектах, известны под общим названием хро­мосомной теории наследственности. Основные положения ее следующие:

1.    Гены находятся  в   хромосомах. Каждая хромосома представляет   собой группу сцепления генов.   Число групп сцепления у каждого вида равно гаплоидному числу хромосом.

2. Каждый ген в хромосоме   занимает определенное место (локус). Гены в хромосомах расположены    линейно.

3. Между гомологичными   хромосомами может происходить обмен  аллельными   генами.

4. Расстояние между генами в хромосоме пропорционально проценту кроссинговера между ними.

Тот факт, что один и тот же генотип может явиться источником развития различных фенотипов, имеет существенное значение для медицины. Это означает, что отягощенная наследственность не обязательно должна проявиться. Многое зависит от тех условий, в которых находится человек. В ряде случаев болезнь как фенотипическое проявление наследственной информа­ции можно предотвратить соблюдением диеты или приемом лекарственных пре­паратов. Реализация наследственной, информации находится в прямой за­висимости от среды. Их взаимозависимость  можно сформулировать  в  виде определенных положений.

1.     Организмов  вне среды  не существует. Поскольку организмы являются открытыми системами,   находящимися в единстве с условиями среды,  то и реализация   наследственной   информации происходит под контролем среды.

2.   Один и тот же генотип способен дать различные фенотипы, что определяется
условиями, в которых реализуется генотип в процессе онтогенеза особи.

3.      В   организме   могут   развиться лишь те признаки, которые обусловлены генотипом. Фенотипическая изменчивость происходит в пределах нормы реакции по каждому конкретному признаку.

4.    Условия среды могут влиять на степень выраженности наследственного признака у организмов, имеющих соответствующий ген (экспрессивность), или на численность   особей, проявляющих соответствующий наследственный при­знак   (пенетрантность) (Шевченко В.А. и др., 2004).

Изменчивость.  

Различают изменчи­вость ненаследственную и наследственную. Первая из них связана с измене­нием фенотипа, вторая — генотипа. Ненаследственную изменчивость Дарвин называл определенной. В настоящее время ее принято называть модификационной, фенотипической.  Наслед­ственная изменчивость, по определению Дарвина, является неопределенной. В настоящее время для этого вида измен­чивости принят термин генотипическая или наследственная.

Фенотипическая   (модификационная) изменчивость. Модифи-кациями  называются   фенотипические изменения, возникающие под влиянием  условий     среды. Размах   модифика­ционной изменчивости ограничен  нор­мой реакции.   Возникшее   конкретное модификационное изменение признака не наследуется, но диапазон модифика­ционной изменчивости, норма реакции, генетически обусловлен и наследуется. Модификационные изменения  не вле­кут за собой изменений генотипа. Норма реакции_, лежащая в основе модификационной изменчивости, скла­дывалась   исторически   в   результате естественного   отбора.   В   силу   этого молификационная      изменчивость  как правило, целесообразна. Она соответ­ствует условиям обитания, является приспособительной.

Изменчивость

Модификационной изменчивости под­вержены такие признаки, как рост животных и растений, их масса, ок­раска и т. д. Возникновение модифи-кационных изменений связано с тем, что условия среды воздействуют на фер­ментативные реакции, протекающие в развивающемся организме, и в известной мере изменяют их течение. Этим, в частности, объясняются появление различной окраски цветков у примулы и отложение пигмента в волосяном покрове у гималайских кроликов. Примерами модификационной изменчиво­сти у человека может служить усиление пигментации под влиянием ультрафио­летового облучения. В процессе   развития играют роль разнообразные факто­ры среды — климатические, физиче­ские, химические, биологические. Не­которые инфекционные болезни (крас­нуха, токсоплазмоз), которые перенес­ла мать, также могут стать причиной фенокопий ряда наследственных бо­лезней и пороков развития. Наличие фенокопий нередко затрудняет поста­новку диагноза, поэтому существование их врач всегда должен иметь в виду .

Особую группу модификационной изменчивости составляют длительные, модификации. Эти изменения возникают под воздействием внешних условий. Так, при воздействии высокой или пониженной температуры на куколок колорадского картофельного жука ок­раска взрослых животных изменяется. Этот признак держится в нескольких поколениях, а затем возвращается прежняя окраска. Указанный при­знак  передается   потомкам лишь  под воздействием температуры на женские особи и не передается, если влиянию фактора подвергались только самцы. Следовательно, длительные модифика­ции наследуются по типу цитоплазматической наследственности. По-види­мому, под влиянием внешнего фактора происходят изменения в тех частях цитоплазмы, которые затем могут ауторепродуцироваться.

Генотипическая, или наслед­ственная, изменчивость приня­то делить на комбинативную и мута­ционную (Слюсарев А.А. и др., 1987).

Комбинативная изменчивость. Комбинативная изменчивость связана с получением новых сочетаний генов в генотипе. Достигается это в результате трех процессов: а) незави­симого расхождения хромосом при мейозе, б) случайного их сочетания при оплодотворении, в) рекомбинации ге­нов благодаря кроссинговеру; сами наследственные факторы (гены) при этом не изменяются, но возникают их новые сочетания, что приводит к по­явлению организмов с другим геноти­пом и фенотипом.

Дарвин установил, что многие сорта культурных растений и породы домаш­них животных были созданы благода­ря гибридизации существовавших ра­нее пород. Он придавал большое зна­чение комбинативной изменчивости, считая, что наряду с отбором ей при­надлежит важная роль в получении новых форм как в природе, так и в хо­зяйстве  человека. Комбинативная изменчивость широ­ко распространена в природе. У микро­организмов, размножающихся бес­полым путем, появились своеобразные механизмы (трансформация и трансдукция), приводящие к появлению ком­бинативной изменчивости. Все это говорит о большой значимости комби­нативной изменчивости для  эволюции.

Комбинативная изменчивость распространена в природе и может играть роль даже в видообразовании. Описаны виды цветковых растений и рыб, совмещающие признаки двух близких ныне существующих видов. Однако воз­никновение видов в результате только гибридизации —  явление редкое. К комбинативной изменчивости относится явление гетерозиса, или «гибридная сила», мо­жет наблюдаться в первом поколении при гибридизации между представите­лями различных видов или сортов. Проявляется он в форме повышенной жизнеспособности, увеличения роста и других особенностей. Ярко выражен гетерозис у кукурузы, гибридизация которой дает значительный экономиче­ский эффект (Слюсарев А.А. и др., 1987).

Мутационная изменчивость.  

Мутацией (лат. mutatio — перемена) называется изменение, обусловленное реорганизацией воспроизводящих струк­тур, изменением ее генетического аппа­рата. Этим мутации резко отличаются от модификаций, не затрагивающих гено­типа особи. Мутации возникают внезап­но, скачкообразно, что иногда резко отличает организм от исходной формы.

Поллидактилия

Термин “мутация” был впервые введен в 1901 г. голландским ботаником, автором мутационной теории Гуго Де Фризом, который занимался изучением наследственности энотеры Ламарка (Oenothera lamarckiana). Наблюдая за этим растением в условиях эксперимента, ученый обнаружил стабильные фенотипические изменения, которые назвал мутациями. Мутации представляют собой внезапные и устойчивые изменения генотипа, возникающие под влиянием факторов внешней и внутренней среды. Процесс образования мутаций носит название мутагенеза, а факторы, вызывающие мутации, именуются мутагенами. Мутации могут возникать в половых клетках (генеративные мутации). Такие изменения способны передаваться следующим поколениям организмов при половом размножении и проявляются, как правило, во всех клетках потомков. Следует подчеркнуть, что, хотя эти мутации возникают на уровне половых клеток, в их число входят как аномалии половых хромосом, так и аномалии аутосом в этих клетках. Мутации, возникающие в соматических клетках (соматические мутации), наследуются дочерними клетками, которые образуются в процессе митотических делений. Фенотипические последствия таких изменений проявляются только у самой мутантной особи и только в том случае, если возникшие мутации препятствуют осуществлению специфических функций, свойственных данной клетке. Соматические мутации могут содержаться не во всех клетках организма, т.е. нормальные и мутантные клетки сосуществуют у одного индивидуума, что приводит к мозаицизму – наличию в организме клеток, отличающихся по своему генотипу и его фенотипическим проявлениям от других клеток этого же организма. По способу возникновения различают мутации спонтанные и индуцированные. Спонтанные мутации возникают случайно, т.е. в любой момент любой ген может претерпеть изменения. Причинами спонтанного мутационного процесса являются многочисленные факторы экзогенной и эндогенной природы, в том числе постоянное воздействие на организм человека мутагенов химической, биологической и физической природы (например, естественный фон облучения, действие вирусов); ошибки репликации ДНК, которые копируются и накапливаются в ряду клеточных поколений; нарушение функционирования репаративных систем; действие экзогенных метаболитов; физиологическое состояние и возраст организма. Спонтанные мутации могут возникать как в половых, так и в соматических клетках на генном, хромосомном и геномном уровнях. Индуцированные мутации возникают в результате направленного воздействия на организм мутагенных факторов различной природы. Различают физические (радиация, температура, давление и т.п.), химические (пестициды, тяжелые металлы и пр.) и биологические (вирусы, бактерии) факторы мутагенного действия. Более подробно вопросы индуцированного мутагенеза будут рассмотрены ниже. Мутации возникают независимо от того, полезны они для организма или вредны, т.к. носят случайный характер. В зависимости от действия на организм принято выделять отрицательные мутации (летальные, полулетальные), которые могут приводить либо к гибели организма, либо к снижению его жизнеспособности, нейтральные мутации, не оказывающие существенного влияния на процессы жизнедеятельности, и положительные мутации, повышающие адаптационные способности организма. Последние встречаются достаточно редко, однако играют существенную роль в процессе биологической эволюции. Следует отметить также, что мутации способны проявлять свои отрицательные или положительные свойства не сами по себе, а только при определенных условиях. Так, например, усиление пигментации может стать полезным признаком для живущих в Африке, поскольку темная кожа защищает организм от интенсивного ультрафиолетового излучения, в северных же странах светлая кожа способствует синтезу витамина Д при действии солнечного света.

 По локализации в клетке мутации подразделяют на ядерные и цитоплазматические. Цитоплазматические мутации возникают в результате изменений генома ДНК-содержащих клеточных органоидов – митохондрий. Принято считать, что митохоиндральная ДНК контролирует образование митохондрий, а именно – обеспечивает внутримитохондриальный синтез небольшого набора белков. Известны мутации митохондриальной ДНК у дрожжей. Большое количество митохондрий содержится в ооци-тах, в то время как в спермиях их только четыре. При оплодотворении митохондрии спермия не попадают в ооцит, поэтому все митохондрии во всех клетках организма имеют материнское происхождение. Можно предположить, что патология, связанная с мутациями в митохондриальной ДНК, должна передаваться от индивидуумов женского пола. Каждый ооцит содержит множество митохондрий и, если мутация произошла только в одной из них, то все остальные остаются нормальными, и, следовательно, фенотипически мутация проявляться не должна. Правда, существует мнение, что один из типов атрофии зрительного нерва обусловлен мутациями в цитоплазматических генах и наследуется, как правило, только по женской линии.

Изменения в генетическом материале могут происходить на разных уровнях. Когда они затрагивают один или несколько нуклеотидов внутри одного гена, то возникают генные мутации. Изменения множества нуклеотидов или структуры хромосомы в целом называют хромосомными мутациями, а нарушение численности хромосом относят к геномным мутациям. Рассмотрим классификацию генетических изменений с точки зрения наблюдаемых в результате таких изменений фенотипов – генетических болезней. В настоящее время все генетические болезни человека, учитывая механизмы их возникновения и характер наследования, подразделяют на менделевские, хромосомные, мультифакториальные, генетические болезни соматических клеток и болезни генетической несовместимости матери и плода. Менделевские болезни являются результатом мутаций в отдельных генах и, соответственно, их наследование подчиняется законам Менделя.

 Хромосомные наследственные болезни обусловлены изменениями в числе хромосом в геноме человека либо структурными перестройками (аберрациями) в них. Фенотипическое проявление мультифакториальных болезней зависит от комплексного взаимодействия между множественными генетическими факторами и факторами окружающей среды. Генетические болезни соматических клеток выделены в отдельную группу недавно. Их примером могут служить некоторые врожденные пороки развития, являющиеся результатом мутации в соматических клетках в критическом периоде эмбриогенеза. Болезни, возникающие при несовместимости матери и плода по антигенам, развиваются из-за иммунологической реакции матери на антигены плода (например, гемолитическая болезнь новорожденных, возникающая в результате несовместимости матери и плода по Rh-антигену). В некоторых популяциях такая патология встречается довольно часто (до 1 % новорожденных). Каждая из групп болезней является сборной и, в свою очередь, подразделяется на несколько подгрупп. Менделевские болезни включают аутосомные доминантные, сцепленные с Х-хромосомой и аутосомные рецессивные болезни. Генетические расстройства сложной этиологии – мультифакториальные болезни, объединяют врожденные пороки развития (аномалии), проявляющиеся уже при рождении, и обычные мультифакториальные болезни, наблюдаемые в основном в зрелом возрасте. Для обозначения этих расстройств часто используют определения – “нерегулярно наследуемые”, “полигенные”, “расстройства сложной этиологии”. Предложенной классификацией генетических изменений у человека мы будем пользоваться при рассмотрении как спонтанного, так и индуцированного мутационного процесса (Слюсарев А.А. и др., 1987).

Растениеводам и животноводам та­кие изменения были известны давно. Ряд наследственных изменений описал Дарвин в труде «Изменение домашних животных и культурных растений» (1868). Мутационной изменчивости по: святил свои работы СИ. Коржинский (1899) и Г. де Фриз (1901). Последне­му   принадлежит   термин   «мутация».

В настоящее время известны мутации у всех классов животных, растений и вирусов. Существует много мутаций и у человека. Именно мутациями обус­ловлен полиморфизм человеческих по­пуляций: различная пигментация ко­жи, волос, окраска глаз, форма носа, ушей, подбородка и т. д. В результа­те мутаций появляются и наследствен­ные аномалии в строении тела, и на­следственные болезни человека. По характеру изменений” генетического аппарата различают  мутации, обусловленные: а) изменением числа хромосом (ге­номные) б) изменением структуры хро­мосом (хромосомные аберрации); в) из­менением молекулярной структуры ге­на (генные, или точковые мутации). Геномная изменчивость. Гапло­идный набор хромосом, а также совокупность генов, находящихся в гаплоид­ном наборе хромосом, названы геномом. Мутации, связанные с изменением числа хромосом, получили название геномных. К ним относятся полиплои­дия и гетероплоидия (анэуплоидия).

 Полиплоидия — увеличение диплоидного числа хромосом путем добавления целых хромосомных набо­ров в результате нарушения мейоза. Вспомним, что половые клетки име­ют гаплоидный набор хромосом (n), а для зигот и всех соматических клеток характерен диплоидный набор (2n). У полиплоидных форм отмечается увели­чение числа хромосом, кратное гапло­идному набору: Зn — триплоид, 4n — тетраплоид, 5n — пентаплоид, 6n — гексаплоид и т. д. По-видимому, эво­люция ряда цветковых растений шла путем полиплоидизации. Культурные растения в своем большинстве— полиплоиды.

При полиплоидии число наборов негомологичных хромосом в кариотипе отличается от двух (3n; 4n и т.д.). Это результат нарушений в митотическом цикле, когда удвоение хромосом происходит без последующего деления ядра и клетки. Одной из причин подобного феномена может быть эндо-митоз, при котором происходит блокирование ахроматического аппарата в клетке и сохранение ядерной мембраны в течение всего митотического цикла. Разновидностью эндомитоза является эндоредупликация – редупликация хромосом, происходящая вне клеточного деления. При эндоредупликации как бы повторяются два следующих друг за другом S периода митотического цикла. В результате этого в последующем митозе будет наблюдаться двойной (тетрашюидный) набор хромосом. Такие мутации чаще всего приводят к гибели плода еще в эмбриогенезе. Триплоидия обнаруживается в 4%, а тетраплоидия приблизительно в 1% всех выкидышей. Для индивидуумов с такими кариотипами характерны многочисленные пороки развития, в том числе асимметричное телосложение, слабоумие, гермафродитизм. Тетраплоидные эмбрионы погибают на ранних сроках беременности, эмбрионы же с триплоидными клетками изредка выживают, но только если одновременно с триплоидными содержат клетки с нормальным кариотипом. Впервые синдром триплоидии (69, XXY) был обнаружен у человека в 60-хх гг. XX в. В литературе описано около 60 случаев триплоидии у детей. Максимальная продолжительность их жизни составила 7 дней.

Анеуплоидия – некратное гаплоидному уменьшение или увеличение числа хромосом (2n+1; 2n+2; 2n-1 и т.д.) – возникает в результате ненормального поведения гомологических хромосом в мейозе или сестринских хроматид в митозе. При нерасхождении хромосом на одной из стадий гаметогенеза в половых клетках могут оказаться лишние хромосомы. В результате при последующем слиянии с нормальными гаплоидными гаметами образуются зиготы 2n+1- или трисомии по какой-либо из хромосом. Если же в гамете оказывается на одну хромосому меньше, то при последующем оплодотворении образуется зигота 2n-1, или моносомик по одной из хромосом. Нерасхождение может затронуть не одну, а несколько пар хромосом, что ведет к трисомии или моносомии по нескольким хромосомам. Часто лишние хромосомы обусловливают депрессию развития или гибель особи, их несущей. Впервые анеуплоидию у человека обнаружили в 1959 г. Дж. Л еже и Р. Турпин. Это была трисомия по хромосоме 21 у больных с синдромом Дауна – одним из наиболее распространенных тяжелых наследственных заболеваний . Нерасхождение хромосом в мейозе может затрагивать любую из 23 пар хромосом. У человека описаны полные трисомии по хромосомам №№ 8, 9, 13, 14, 18, 21, X, Y. За редким исключением (например, трисомия по 21 хромосоме), аутосомные трисомии приводят к гибели организма на ранних стадиях эмбриогенеза или в первые дни после рождения. Особенно тяжелыми случаями гетероплоидии считаются моносомии, при которых происходит утрата целой группы сцепления генов. Примерно 20% случаев моносомии 

Таблица 6.1. Частота геномных мутаций

Хромосомы	Синдром	Частота среди новорожденных
Аутосомы Трисомия 21 Трисомия 13 Трисомия 18	Дауна Патау Эдвардса	1/700 1/5000 1/10000
Половые хромосомы (женщины) ХО, моносомия XXX трисомия ХХХХ, тетрасомия ХХХХХ, пентасомия	Тернера Пониженная плодовитость	1/5000 1/700
Половые хромосомы (мужчины) XYY трисомия XXY трисомия XXYY, тетрасомия XXXY, тетрасомия XXXXY, пентасомия XXXXXY, гексасомия	Норма Клайнфельтера	1/1000 1/500

приводят к летальному исходу еще в первые дни эмбрионального развития или заканчиваются гибелью зародыша на более поздних стадиях. Лишь моносомия по Х-хромосоме совместима с жизнью. Например, это больные с синдромом Шерешевского-Тернера, при котором 2n = 45 (44ХО). Поскольку половые хромосомы определяют пол, оказывая влияние на дифференцировку гонад, индивидуумы ХО – женщины с характерными нарушениями в развитии первичных и вторичных половых признаков. При полисомиях по половым хромосомам встречаются различные комбинации X и Y-хромосом, а число их с сохранением при этом жизнеспособности организма может доходить до пяти. Все подобные изменения кариотипа объединяют под общим названием синдром Клайнфельтера. Больные мужчины с недоразвитыми мужскими гонадами, слаборазвитым волосяным покровом на теле и увеличенными молочными железами, обычно стерильные. Некоторые из них страдают умственной отсталостью, причем с увеличением числа Х-хромосом ее вероятность растет. Неправильное расхождение хромосом в митозе приводит к возникновению мозаиков – особей, у которых разные клетки несут различный генотип. Фенотипически проявление мозаицизма зависит от доли клеток различных типов, т.е. от того, на какой стадии произошло нарушение в митозе, и от жизнеспособности возникающих линий клеток. При недостатке числа хромосом клетки чаще всего нежизнеспособны. У людей с мозаицизмом влияние нормальных клеток может преобладать настолько, что несущие избыточные хромосомы клетки могут вообще не находить выражения в фенотипе или проявляются лишь в виде отдельных симптомов. Так, около 2% больных с синдромом Дауна обнаруживают мозаицизм трисомных и нормальных клеток (47.ХХ+21/46ХХ). При достаточно большой доле нормальных клеток психическое развитие больных нередко выше, чем при чистой трисомии по 21 хромосоме.

Синдром Дауна

Чаще всего встречается мозаицизм по половым хромосомам. Многие индивидуумы, несущие признаки обоих полов, являются мозаиками, в клетках которых половые хромосомы содержатся в разных комбинаациях, вплоть до кариотипа 46,XX/46,XY. Причины такого мозаицизма различны: оплодотворение ооцита двумя различными спермиями, слияние до 4-х оплодотворенных яйцеклеток или последующие ошибки в митозе при первом делении зиготы. У многих женщин с признаками синдрома Шерешевского-Тернера кариотип некоторых клеток – 45,Х, а остальных – 47,ХХХ. Подобный тип мозаицизма, по-видимому, связан с нерасхождением Х-хромосомы нормальной зиготы в первом после оплодотворения митотическом делении. Аналогичен механизм возникновения из зиготы мозаицизма XO/XYY.

Мозаицизм

Известно также довольно много случаев мозаицизма, при котором в организме содержится три клеточных клона – 46,ХХ/45,Х/47,ХХХ, образованные в результате нерасхождения хромосом в поздней стадии клеточного деления.

Приведенные примеры хромосомных болезней человека позволяют в некоторой степени оценить тяжесть генетического груза человечества и сложность организации генома человека. В целом, по данным Научного Комитета ООН по действию атомной радиации за 1988 г., частота естественно встречающихся хромосомных болезней, связанных с аберрациями хромосом, составляет 400 случаев на 1 млн. новорожденных. Геномные мутации (изменение числа хромосом) встречаются с частотой 3400 на 1 млн.

В селекционной практике, с целью получения полиплоидов, растения под­вергаются действию критических тем­ператур, ионизирующей радиации, хи­мических агентов. Из последних наи­более популярен алкалоид колхицин. Формы, возникающие в результате умножения хромосом одного генома, носят название автоплоидных. Одна­ко известна и другая форма полиплои­дии — аллоплоидия, при которой умно­жается число хромосом двух разных геномов. Аллополиплоиды искусствен­но получены при гибридизации ряда видов растений и животных. Так, Г. Д. Карпеченко создал аллополиплоидный гибрид редьки и капусты. В данном случае каждый исходный вид имеет 18 хромосом, а гибридный — 36, так как   является   аллотетраплоидом. Полиплоидные формы известны и у животных. По-видимому, эволюция некоторых групп простейших, в част­ности инфузорий и радиолярий, шла также путем полиплоидизации. У не­которых многоклеточных животных полиплоидные формы удалось создать искусственно (тутовый шелкопряд).

Гетероплоидия.

В резуль­тате нарушения мейоза и митоза чис­ло хромосом может изменяться и ста­новиться не кратным гаплоидному набору. Явление, когда какая-либо из хромосом, вместо того чтобы быть пар­ной, оказывается в тройном числе, получило название трисомии. Если наблюдается трисомия по одной хромо­соме, то такой организм называется трисомиком и его хромосомный набор равен 2n-1. Трисомия может быть по любой из хромосом и даже по нескольким. Двойной трисомик имеет набор хромосом 2n + 3, тройной^:— 2n + 3 и т. д. Явление трисомии впервые описано у дурмана. Известна трисомия и у дру­гих видов растений и животных, а также у человека. Трисомиками явля­ются, например, люди с синдромом Дауна. Трисомики чаще всего либо нежизнеспособны, либо отличаются пониженной жизнеспособностью и ря­дом патологических признаков.

Трисомия 21+

 

Явление, противоположное трисо­мии, т. е. утрата одной хромосомы из пары в диплоидном наборе, называет­ся моносомией, организм – моносо­миком; его кариотип — 2n — 1. При отсутствии двух различных хромосом организм является двойным моносо­миком (2n — 2). Если из диплоидного набора выпадают обе гомологические хромосомы, организм называется нулисомиком. Он, как правило, нежизнеспособен.

Из сказанного видно, что гетероплоидия, т. е. нарушение нормального числа хромосом, приводит к изменениям в строении и к снижению жизнеспособ­ности организма. Чем больше наруше­ние, тем ниже жизнеспособность. У человека нарушение сбалансирован­ного набора хромосом влечет за собой болезненные состояния, известные под общим названием хромосомных бо­лезней.

Хромосомные аберрации возни­кают в результате перестройки хромо­сом. Они являются следствием раз­рыва хромосомы, приводящего к обра­зованию фрагментов, которые в даль­нейшем воссоединяются, но при этом нормальное строение хромосомы не восстанавливается. Различают четыре основных типа хромосомных аберра­ций: нехватки, удвоения (дупликации), инверсии, транслокации (Слюсарев А.А. и др., 1987).

Хромосомные аберрации

Транслокация

Дубликация

Делеция ( 16 пара )

Хромосомные аберрации можно классифицировать, используя различные подходы. В зависимости от того, в какой момент клеточного цикла – до или после репликации хромосом возникли перестройки – выделяют аберрации хромосомного и хроматидного типов. Аберрации хромосомного типа возникают на предсинтетической стадии – G₁ фазе, когда хромосома представлена однонитевой структурой. Аберрации хроматидного типа возникают после репликации хромосом в фазах S и G₂ и затрагивают структуру одной из хроматид. В результате хромосома на стадии метафазы содержит одну измененную и одну нормальную хроматиды. Если же перестройка произошла после репликации и затронула обе хроматиды, появляется изохроматидная аберрация. Морфологически она неотличима от аберраций хромосомного типа, хотя по происхождению относятся к хроматид-ному типу. Среди аберраций хромосомного и хроматидного типов выделяют простые и обменные аберрации. В их основе лежат нарушения одной или нескольких хромосом. Простые аберрации – фрагменты (делеции) – возникают в результате простого разрыва хромосомы. В каждом случае при этом образуется 2 типа фрагментов – центрические и ацентрические. Различают терминальные (концевые) и интерстициальные (средних участков хромосом) делеции или фрагменты. Обменные аберрации очень разнообразны. В их основе лежит обмен участками хромосом (или хроматид) между разными хромосомами (межхромосомный обмен) или внутри одной хромосомы (внутрихромосомный обмен) при перераспределении генетического материала. Обменные перестройки бывают двух типов: симметричные и асимметричные. Асимметричные обмены приводят к образованию полицентрических хромосом и ацентрических фрагментов. При симметричных же обменах происходит соединение ацентрических фрагментов с центрическими, в результате чего хромосомы, вовлеченные в обменную аберрацию, остаются моноцентрическими. Внутрихромосомные обмены могут происходить как внутри одного (внутриплечевой обмен), так и между обоими плечами хромосомы (межплечевой обмен). Кроме того, обмены могут быть простыми и сложными, когда в процесс вовлечены несколько хромосом. В результате могут образоваться необычные и достаточно сложные конфигурации хромосом. Любой обмен (симметричный и асимметричный, межхромосомный и внутрихромосомный) может быть полным (реципрокным) или неполным (нереципрокным). При полном обмене происходит соединение всех поврежденных участков, а при неполном обмене часть из них может остаться с открытым поврежденным участком. Некоторые хромосомные аберрации получили название стабильных, поскольку они способны передаваться из одного клеточного поколения в другое. Это связано с тем, что при перераспределении генетического материала произошло полное соединение центрических и ацентрических фрагментов. Лишенная центромер или, напротив, включающая в себя две или более центромеры, часть хромосомных аберраций может теряться в процессе клеточного деления. Такие структурные аберрации именуются нестабильными. Важное значение имеет идентификация хромосомных аберраций по принадлежности к хромосомному или хроматидному типу, при изучении индуцированного мутагенеза, т.к. мутагенные факторы различной природы (химической, физической, биологической) могут вызывать разные типы нарушений. В связи с этим более подробно рассмотрим основные типы хромосомных аберраций.

Нехватки возникают вслед­ствие потери хромосомой того или иного участка. Нехватки в средней части хро­мосомы приводят организм к гибели, утрата незначительных участков вызывает изменение наследственных свойств. Так, при нехватке участка одной из хромосом у кукурузы ее про­ростки лишены хлорофилла.

ДЕЛЕЦИЯ

Удвоение (дупликация) связано с включением лишнего, дуб­лирующего участка хромосомы. Это также ведет к проявлению новых при­знаков. Так, у дрозофилы ген полосковидных глаз (вместо круглых) обус­ловлен удвоением участка в одной из хромосом.

Дупликация

Инверсии наблюдаются при разрыве хромосомы и переворачива­нии оторвавшегося участка на 180°. Если разрыв произошел в одном месте, оторвавшийся фрагмент прикрепляется к хромосоме противоположным кон­цом, если же в двух местах, то средний фрагмент, перевернувшись, прикреп­ляется к местам разрыва, но другими концами. Н. П. Дубинин установил, что инверсии широко распространены, в частности у дрозофил, взятых из природы, и, по-видимому, могут иг­рать роль в эволюции видов.

Инверсия

Транслокации возникают в тех случаях, когда участок хромосомы из одной пары прикрепляется к негомологичной хромосоме, т. е. хромо­соме из другой пары Транслокация участка одной из хромосом (21-й) известна у человека; оно может быть причиной болезни Дауна. Большинство крупных хромосомных аберраций в зи­готах у человека приводит к тяжелым аномалиям, несовместимым с жизнью, либо к гибели зародышей еще во время внутриутробного развития ( Шевченко В.А. и др., 2004).

Парные (терминальные или интерстициальные) фрагменты, которые образуются в результате одного или двух разрывов хромосомы в фазе G₁. Величина их различна – от очень длинных, захватывающих почти все хромосомное плечо, до точечных. Парные фрагменты без труда регистрируются при анализе метафаз. Эти аберрации относятся к нестабильным. Как правило, они не проходят через митоз, т.к., лишенные центромер, не могут правильно ориентироваться относительно веретена .

 

2. Кольцевые хромосомы (центрические кольца) – внутрихромосомные обмены, при которых интерстициальный фрагмент хромосомы замкнут в кольцо. Для образования центрического кольца необходимы два разрыва по обеим сторонам центромеры, в результате чего свободные концы центрического фрагмента соединяются между собой. О полноте обмена можно судить по числу парных фрагментов, сопровождающих кольцевую хромосому. Один фрагмент характерен для полного обмена, т.к. концевые фрагменты соединяются между собой. Достаточно редко кольцевая хромосома сопровождется двумя парными фрагментами (неполный обмен).

3. Инверсии – внутрихромосомные обмены, при которых может происходить переворот сегмента, содержащего центромеру, на 180°. Такая аберрация возникает в результате двух разрывов либо на разных расстояниях от центромеры, либо на одинаковых (перицентрические инверсии). В результатеинверсии сегмента хромосомы внутри одного плеча хромосомы образуется парацентрическая инверсия. При цитогенетическом анализе перицентрическую инверсию достаточно легко обнаружить, если разрывы произошли на разных расстояниях от центромеры. Другие инверсии (в том числе парацентрические) с помощью стандартных цитогенетических методов не регистрируются.

4. Ацентрические кольца – внутри-хромосомные обмены, представляющие собой замкнутые в кольцо спаренные участки хроматид, не содержащие центромер и сопровождаемые появлением делетированной хромосомы.

5. Дицентрические и полицентрические хромосомы – это асимметричные транслокации, возникающие при межхромосомном обмене. Такие хромосомные аберрации имеют две (дицентрики) или более (полицентрики) центромер. Наиболее часто встречаются дицентрики, образующиеся в результате одиночных разрывов в двух хромосомах и последующего объединения двух центромерных фрагментов. Дицентрик обычно сопровождается одним, реже -двумя, парнымм фрагментами, что свидетельствует о неполном обмене. Дицентрические хромосомы легко распознаются с помощью стандартных цитогенетических методов. Наряду с центрическими кольцами, этот тип хромосомных аберраций широко используется для количественного изучения мутаций в работах по индуцированному мутагенезу.

Симметричные транслокации  – межхромосомные обмены, которые возникают без нарушения в распределении центромер (взаимный обмен ацентрическими участками между двумя хромосомами). Различают реципрокные, когда две хромосомы обмениваются участками и нереципрокные транслокации, когда участок одной хромосомы переносится на другую хромосому. Для осуществления нереципрокной транслокации необходимо наличие трех разрывов (двух – в одной хромосоме и одного – в другой) и последующие соединения разорванных концов. В особый тип выделяют так называемые Робертсоновские транслокации или слияния, которые приводят к изменению числа хромосом. Они образуются при слиянии двух акроцентрических хромосом в области центромеры, в результате чего образуется одна метацентрическая хромосома. Этот тип транслокаций получил свое название по имени исследовавшего механизм такого слияния У. Р. Робертсона. Стандартное цитогенетическое исследование позволяет увидеть только те из симметриччных транслокаций, которые образовались в результате обмена неравными по длине участками. При этом морфология хромосом изменяется: удлинение одной хромосомы происходит за счет укорочения другой.

Генные мутации, или трансгенации, затрагивают структуру самого гена. Мутации могут изменять участ­ки молекулы ДНК различной длины. Наименьший участок, изменение кото­рого приводит к появлению мутации, назван мутоном. Его может соста­вить только одна пара нуклеотидов. Изменение последовательности нук­леотидов в ДНК обусловливает изме­нение в последовательности триплетов и в конечном итоге изменяет программу синтеза белка. Следует помнить, что нарушения в структуре ДНК приводят к мутациям только тогда, когда не осуществляется  репарация.

Большинство мутаций, с которыми связаны эволюция органического мира и селекция,— трансгенации. Вот не­сколько примеров мутаций, широко используемых при изучении законо­мерностей наследственности. У дрозо­филы, имеющей в норме красные глаза, появились мутанты с глазами белого цвета, абрикосового цвета, цвета сло­новой кости и т. д. Так возникла боль­шая серия аллелей, включающая более 10 мутантных изменений окраски глаз.

Альбинизм животных — типичная генная мутация. В результате мутации гороха появились растения с желтыми и зелеными семенами, с гладкими и морщинистыми зернами; белыми и пурпурными цветками и т. д. Гены, которые возникли в результате мутации одного локуса, как известно, являются аллельными. Появление мутации для каждого генного локуса — событие довольно редкое. Различные аллели имеют неодинаковую частоту мутиро­вания. Так, у человека мутация, при­водящая к карликовости, встречается в 5—13 гаметах на миллион, мышечной дистрофии (мышечная слабость) в 8—11, микроцефалии (недоразвитие мозга) — в 27, ретинобластомы (опу­холь сетчатки глаза) — в 3—12 гаме­тах на миллион и т. д. Для каждой аллели частота мутирования более или менее постоянна и колеблется в пределах 10⁵—10⁷. Однако ввиду огромного числа генов у каждого орга­низма мутации довольно часты. Так, у высших растений и животных до 10 % гамет несут какие-либо новые мутации. Мутации делят на сома­тические и генеративные. Биологиче­ское значение их неравноценно и свя­зано с характером размножения орга­низмов.

При делении мутировавшей сомати­ческой клетки новые свойства переда­ются ее потомкам. Если у растения мутирует клетка, из которой образует­ся почка, а затем побег, то последний приобретает новые свойства. Так, на кусте черной смородины может по­явиться ветка с белыми ягодами. При вегетативном размножении новый при­знак, возникший в результате сомати­ческой мутации, сохраняется у потом­ков. Это применяется в селекции рас­тений. При половом размножении призна­ки, появившиеся в результате сомати­ческих мутаций, потомкам не передают­ся и в процессе эволюции никакой роли не играют. Однако в индивидуальном развитии они могут влиять на форми­рование признака: чем в более ранней стадии развития возникнет соматиче­ская мутация,   тем   больше   участок ткани, несущий данную мутацию. Такие особи называются мозаиками. Например, мозаиками являются люди, у которых цвет одного глаза отличает­ся от цвета другого, или животные опре­деленной масти, у которых на теле по­являются пятна другого цвета, и т. п. Не исключено, что соматические мута­ции, влияющие на метаболизм, явля­ются одной из причин старения и зло­качественных   новообразований.

Если мутация происходит в клетках, из которых развиваются гаметы, или в половой клетке, то новый при­знак проявится в ближайшем или последующих поколениях. Наблюде­ния показывают, что многие мутации вредны для организма. Это объясняет­ся тем, что функционирование каждого органа сбалансировано в отношении как других органов, так и внешней среды. Нарушение существующего рав­новесия обычно ведет к снижению жизнедеятельности или гибели орга­низма. Мутации, снижающие жизне­деятельность, называются полулетальными,  не   совместимые    с жизнью. Однако некоторая часть мутаций может ока­заться полезной. Такие мутации явля­ются материалом для прогрессивной эволюции, а также для селекции цен­ных пород домашних животных и культурных растений. По-видимому, чаще всего «полезные» мутации в со­четании с отбором лежат в основе эволюции.

Индуцированный мутагенез. Мутации делят на спонтанные и инду­цированные. Спонтанными называют мутации, возникшие под влиянием не­известных природных факторов, чаще всего как результат ошибок при ре­пликации ДНК. Индуцированные му­тации вызваны специально направлен­ными воздействиями, повышающими мутационный процесс.

Наследственные различия у микро­организмов, растений, животных и человека, в том числе наследственные болезни и уродства, появились в ре­зультате мутаций. Если спонтанные мутации — явление довольно редкое (частота—10⁶—10⁷), то  применение мутагенных агентов значительно повы­шает частоту их. Оценки частот спонтанных мутаций основаны, как мы уже указывали, на обширных исследованиях, проведенных в провинции Британская Колумбия в Канаде и в Венгрии. Жители Британской Колумбии являются потомками выходцев из Западной Европы, то есть в силу законов популяционной генетики они в преобладающей степени имеют генотипы, близкие к генотипам современных жителей Западной Европы. Таким образом, представленные выше оценки частот менделевских, хромосомных и мультифакториальных болезней основаны преимущественно на генотипах жителей Западной Европы, которое, конечно, далеко не исчерпывают генетическое разнообразие популяций человека на Земле. Что это действительно так, свидетельствуют результаты обследования ряда других популяций и этнических групп: амиш в Пенсильвании, финнов, французских канадцев, евреев ашкенази, буров (потомков датчан) в Южной Африке, палестинских арабов, проживающих в Израиле, и ряда других средневосточных популяций. Показано, что несколько менделевских болезней, которые редко встречаются в Западноевропейских популяциях, распространены в указанных популяциях и наоборот. Например, у женщин-евреек ашкенази выявлена высокая частота мутаций BRCA1 и BRCA2, не наблюдаемая в других популяциях. Эти мутации приводят к относительному увеличению частоты рака груди и яичника. Недавно законченное обширное обследование в Венгрии расширило представления о естественной изменчивости человека. Показано, что в возрасте до 70 лет, т.е. в течение всей жизни человека, выявляется почти на порядок больше наследственных аномалий, причем значительная часть наследственных болезней проявляется в среднем и пожилом возрасте. Преобладающую часть выявленной наследственной отягощенности человека составляют, как мы уже отмечали, мультифакториальные болезни (подагра, язва, диабет, астма и др.) – их абсолютное число равно 600 тыс. на 1 млн. людей (60 %). Таким образом, впервые удалось оценить суммарную (в течение всей жизни) генетическую отягощенность популяций человека (Слюсарев А.А. и др., 1987).

 

Естественная генетическая изменчивость человека включает в себя также генетическую отягощенность, выявляемую уже в зародышевых клетках. В последние годы были разработаны методы прямого хромосомного анализа сперматозоидов человека путем оплодотворения яйцеклеток хомячка. Показано, что частота аномалий хромосом в сперматозоидах фертильных мужчин составляет около 7%. Такие хромосомные изменения приводят к раннему прекращению беременности из-за связанных с аберрациями хромосом крупных аномалий развития зародыша. Исследования, проведенные в Европе, Америке и в Японии в 70-80е гг., позволили рассчитать пропорцию цитогенетических нарушений при возникновении аномалий беременности. Показано, что спонтанные выкидыши на сроках от 5 до 28 недель, связанные с хромосомными аномалиями, составляют приблизительно 40% от общего их числа. При этом в ранний период (от 5 до 7 недель) эта частота ниже и составляет 17,5%, далее (с 8 до 15 недель) она повышается приблизительно до 50%, снижается приблизительно до 30% в период от 16 до 19 недель и падает до 10% в период от 20 до 29 недель. Общее представление об относительном вкладе аномалий хромосом можно получить при анализе соотношения частот их встречаемости, зарегистрированных при исследовании новорожденных, перинатальной гибели и спонтанных абортов . В целом уровень естественной изменчивости человека весьма высок – он составляет, около 70% различных генетических отклонений от нормы в течение 70 лет жизни человека, принятых условно за среднюю продолжительность жизни. Эта величина складывается из 2,4% менделевских болезней, 0,4% хромосомных болезней, 6% врожденных аномалий и 60% мультифакториальных болезней. Таким образом, у 70% людей в течение их жизни проявляется хотя бы одно серьезное генетически обусловленное отклонение от нормы, снижающее продолжительность жизни человека по сравнению с нормой, либо мешающее его нормальной работоспособности.

Данные, полученные в Британской Колумбии, США и Венгрии, легли в основу обобщенной оценки уровня естественной изменчивости человека Научным комитетом ООН по действию атомной радиации, в 1988 г. При составлении данной таблицы эксперты НКДАР неоднократно подчеркивали, что в будущем оценка уровня естественной изменчивости может возрасти за счет уточнений частот отдельных типов наследуемых болезней

Таблица 6.4. Оценка методом удваивающей дозы риска
появления генетических болезней на миллион новорожденных
в популяции, подвергающейся воздействию генетически значимой
дозы, эквивалентной 1 Зиверту на поколение
(при воздействии низких доз, при малой мощности дозы излучения)^*

Классификация болезней	Естественная частота на миллион новорожденных	Эффект воздействия 1 Зв на поколение
		Поколения		Равновесный уровень
		I	II
Аутосомные доминантные и сцепленные с Х-хромосомой	10000	1500	1300	10000
Аутосомные рецессивные	2500	5	5	1500
Хромосомные -вследствие структурных аномалий	400	240	96	400
– вследствие изменения числа хромосом	3400	Возможно очень низкий
Врожденные аномалии	60000	Не оценивается
Другие многофакторные болезни	600000	Не оценивается
Рано проявляющиеся доминантные мутации	Неизвестно	Не оценивается
Наследуемые раки	Неизвестно	Не оценивается
Общий оцениваемый риск		1700	1400	12000

^*При расчетах принято, что удваивающая доза равна 1 Зв.

и за счет включения некоторых иных типов генетической изменчивости человека, по которым пока не производится количественная оценка, но которые, безусловно, имеют высокую мутационную компоненту (например, наследуемые злокачественные опухоли).

В реальности этого прогноза можно убедиться на примере менделевских наследственных болезней, оценка частоты которых возросла за последние 10 лет от величины 1,25%, указанной в данной таблице до величины 2,4%.

Частоты спонтанных мутаций в популяциях человека, представленные в таблице 4, послужили основой для расчета генетического риска, связанного с воздействием ионизирующих излучений на человека. Эти расчеты, о которых речь будет ниже, также представлены в этой таблице. Так как оценки генетического риска облучения человека, производимые НКДАР ООН, не претерпели изменений за последние 10 лет, в дальнейших разделах, посвященных рассмотрению индуцированного мутагенеза у человека, мы будем придерживаться этих официальных оценок.

Факторы, способные индуцировать мутационный эффект, получили назва­ние мутагенных. Установлено, что любые факторы внешней и внутренней среды, которые могут нарушить гомеостаз, способны вызвать мутацию. Глав­нейшими мутагенами являются: хими­ческие соединения, различные виды излучений,  биологические   факторы.

Химический мутагенез. Ещё в 1934 г. М. Е. Лобашев отметил, что химические мутагены должны об­ладать тремя качествами: высокой про­никающей способностью; свойством изменять коллоидное состояние хро­мосом; определенным действием на со­стояние гена или хромосомы.

Приоритет открытия химических мутагенов принадлежит советским иссле­дователям. В 1933 г. В. В. Сахаров получил мутации путем действия йода, в 1934 г. М. Е. Лобашев — применяя аммоний. В 1946 г. советский генетик И. А. Рапопорт обнаружил сильное мутагенное действие формалина и эти-ленимина, а английская исследователь­ница Ш. Ауэрбах — иприта. Позже были открыты многие другие химиче­ские мутагены. Некоторые из них усиливают мутационный эффект в сотни раз по сравнению со спонтанным; они получили название супермутагенов (лат. super — сверх), т. е. оказываю­щих сверхмутагенное действие. Мно­гие из супермутагенов, в частности использованные для получения вы­сокоактивных штаммов микроорганиз­мов — продуцентов антибиотиков, от­крыл И. А. Рапопорт.

Химические мутагены используются для получения мутантных форм плес­невых грибов, актиномицетов, бакте­рий, вырабатывающих в большом коли­честве пенициллин, стрептомицин и другие антибиотики. Химическими мутагенами повышена ферментативная активность грибов, применяемых для спиртового брожения. Разработаны де­сятки перспективных мутаций куль­турных  растений.

В экспериментах мутации индуци­руются разнообразными химическими агентами. Этот  факт   свидетельствует о том, что, по-видимому, и в естествен­ных условиях подобные факторы так­же служат причиной появления спон­танных мутаций у различных химиче­ских веществ и даже некоторых лекар­ственных препаратов. Это говорит о необходимости изучения мутагенного действия новых фармакологических ве­ществ, пестицидов и других химиче­ских соединений, все шире используе­мых в медицине и сельском хозяйстве.

Радиационный мутагенез. Индуцированные мутации, вызванные облучением, впервые были экспери­ментально получены советскими уче­ными Г. А. Надсоном и Г. С. Фи­липповым, которые в 1925 г. наблю­дали мутационный эффект на дрожжах после воздействия на них ионизирую­щей радиации. В 1927 г. американ­ский генетик Г. Меллер показал, что рентгеновы лучи могут вызвать мно­жество мутаций у дрозофилы, а позже мутагенное воздействие рентгеновых лучей подтвердилось на многих объек­тах. В дальнейшем было установлено, что наследственные изменения обуслов­ливаются также всеми другими ви­дами  проникающей радиации.

Для искусственных мутаций часто используются гамма-лучи, источником которых в лабораториях обычно явля­ется радиоактивный кобальт (⁸⁰ Со). В последнее время для индуцирования мутаций все шире применяются ней­троны, обладающие большой прони­кающей способностью. При этом возни­кают как разрывы хромосом, так и точковые мутации. Изучение мутаций, связанных с действием нейтронов и гамма-лучей, представляет собой ин­терес по двум причинам. Во-первых, установлено, что генетические послед­ствия атомных взрывов связаны преж­де всего с мутагенным влиянием иони­зирующей радиации. Во-вторых, фи­зические методы мутагенеза применя­ются для получения ценных в хозяй­ственном отношении сортов культур­ных растений. Так, советские исследо­ватели, используя методы воздействия физическими факторами, вывели стой­кие к ряду грибных заболеваний и бо­лее урожайные сорта пшеницы и ячменя. Облучение индуцирует как генные мутации, так и структурные хромосом­ные перестройки всех описанных вы­ше типов: нехватки, инверсии, удвое­ния и транслокации, т.е. все структур­ные изменения, связанные с разрывом хромосом. Причиной этого являются некоторые особенности процессов, происходящих в тканях при действии излучений. Излучения вызывают в тканях ионизацию, в результате ко­торой одни атомы теряют электроны, а другие присоединяют их: образуются положительно или отрицательно заря­женные ионы. Подобный процесс внут­римолекулярной перестройки, если он происходил в хромосомах, может привести к их фрагментации.

В последнее время доказано, что связь между облучением и мутационны­ми изменениями может носить и не­прямой характер. По-видимому, энер­гия излучения может вызвать в среде, окружающей хромосому, химические изменения, которые ведут к индуци­рованию генных мутаций и структурных перестроек в хромосомах. Так, у бак­терий и грибов можно увеличить час­тоту мутаций, даже не облучая их, а лишь воспитывая на облученной сре­де. Следовательно, мутации могут ин­дуцироваться и пострадиационными химическими изменениями, происшед­шими  в среде.

Одним из самых опасных послед­ствий облучения является образова­ние свободных радикалов ОН или НО₂ из находящейся в тканях воды. Эти радикалы обладают высокой реактив­ной способностью и могут расщеплять многие органические вещества, в том числе  нуклеиновые  кислоты.

Научным комитетом ООН по радиа­ции установлено, что для человека дозой рентгеновых и гамма-лучей, удваивающих количество естественных мутаций, является доза 0,5—1,5 Гр (50—150 рад.).

При всех недостатках современной оценки радиогенетического эффекта не остается сомнений в серьезности генетических последствий, ожидаю­щих человечество в случае бесконт­рольного повышения радиоактивного фона в окружающей среде. Опасность дальнейших испытаний атомного и во­дородного оружия очевидна.

В то же время применение атомной энергии в генетике и селекции позволит создать новые методы изменения наслед­ственности растений, животных и мик­роорганизмов, глубже понять процес­сы генетической адаптации организмов.

Другие мутагенные фак­торы. Первые исследователи мута­ционного процесса недооценивали роль факторов внешней среды в явлениях изменчивости. В начале XX в. неко­торые исследователи даже считали, что внешние воздействия не имеют ни­какого значения для процесса мутиро­вания. В дальнейшем эти представле­ния были отвергнуты благодаря искус­ственному воспроизведению мутаций с помощью различных факторов внеш­ней среды. В настоящее время мол но предполагать, что нет таких факторов внешней среды, которые в какой-то мере не сказались бы на изменении на­следственных свойств. Из физических факторов на ряде объектов установлено мутагенное действие ультрафиолето­вых лучей, фотонов света и температу­ры. Повышение температуры увеличи­вает число мутаций. Однако темпера­тура относится к числу тех агентов, в отношении которых у организмов существуют защитные механизмы, вследствие чего гомеостаз нарушается незначительно. В связи с этим темпе­ратурные воздействия дают небольшой мутагенный эффект по сравнению с другими агентами.

Найдены биологические мутагены, к которым относятся вирусы и токсины ряда организмов, особенно плесневых грибов. В 1958 г. советский генетик С. И. Алиханян показал, что вирусы вызывают мутации у актиномицетов. Далее в ряде отечественных и зарубеж­ных лабораторий было установлено появление большого числа хромосомных аберраций в культурах микроорганиз­мов и клеток животных и человека, по­раженных вирусами. Оказалось так­же, что вирусы вызывают мутации у растений и животных. При том му­тагенным действием обладают не только те вирусы, к которым восприим­чив организм, в котором  они  размножаются и вызывают заболевание, но и непатогенные для него вирусы. Так, у дрозофилы получен ряд мутаций дей­ствием вируса лейкоза мышей. По-видимому, причина кроется в способ­ности их глубоко изменять метабо­лизм клетки. Таким образом, роль вирусов в природе заключается в том, что они являются не только возбудите­лями многих болезней растений, жи­вотных и человека, но и виновниками многих спонтанных мутаций.

Гомологические ряды в наслед­ственной изменчивости (закон Вавилова). Известно, что мутирование происходит в различных направлениях. Однако это многообразие подчиняется определенной закономерности, обна­руженной в 1920 г. Н. И. Вавиловым. При сравнении признаков различных сортов культурных растений и близких к ним дикорастущих видов обнаружи­лось много общих наследственных изменений. Это позволило Н. И. Вавилову сформулировать закон гомологи­ческих рядов в наследственной измен­чивости: «Виды и роды, генетически близкие, характеризуются сходными рядами наследственной изменчивости с такой правильностью, что зная ряд форм в пределах одного вида, можно предвидеть существование параллель­ных форм у других видов и родов».

Подтвердим это примером. У колосо­вых злаков — мягкой и твердой пше­ницы и ячменя — известны формы с длинными и короткими остями, взду­тиями вместо остей, безостые. У пше­ницы, ячменя и овса встречаются три основные окраски колоса — белая, красная  и   черная.

Н. И. Вавилов указал, что гомологи­ческие ряды часто выходят за пределы родов и даже семейств. Короткопалость отмечена у представителей мно­гих отрядов млекопитающих: у круп­ного рогатого скота, овец, собак, че­ловека. Альбинизм наблюдается во всех классах позвоночных животных. Закон гомологических рядов позво­ляет предвидеть возможность появле­ния мутаций, еще не известных науке, которые могут использоваться в селек­ции для создания новых ценных для хозяйства  форм. В 1920 г., когда был сформулирован закон гомологических рядов, еще не знали озимой формы твердой пшеницы, но существование ее было предсказа­но. Через несколько лет такую форму обнаружили в Туркмении. У злаков — пшеницы, ячменя, овса, куку­рузы — существуют голые и пленчатые зерна. Голозерный сорт проса не был известен, но существование такой формы следовало предполагать. И она была   найдена.

Закон гомологических рядов в на­следственной изменчивости имеет пря­мое отношение к изучению наслед­ственных болезней человека. Вопросы лечения и профилактики наследствен­ных заболеваний не могут быть реше­ны без исследований на животных с наследственными аномалиями, по­добными встречающимся у чело­века (Слюсарев А.А. и др., 1987).

Согласно закону Н. И. Вавилова, мутации, аналогичные наследственным болезням человека, должны встречаться у животных. Действительно, многие мутации, обнаруженные у животных, могут служить моделями наследствен­ных болезней человека. Так, у собак наблюдается гемофилия, сцепленная с полом. Альбинизм зарегистрирован у многих видов грызунов, кошек, собак, у ряда видов птиц. Моделями для изу­чения мышечной дистрофии могут слу­жить мыши, крупный рогатый скот, лошади; эпилепсии — кролики, крысы, мыши, аномалии в строении глаза —: многие виды грызунов, собаки, свиньи и другие животные. Наследственная глухота существует у морских свинок, мышей и собак. Пороки развития в строении лица, гомологичные «заячьей губе» (несращение боковых ветвей верхней губы) и «волчьей пасти» (не­сращение верхней челюсти с твердым небом), бывают у мышей, собак, сви­ней. Наследственными болезнями обме­на, такими, как ожирение и диабет, страдают мыши. Этот список можно продолжить. Кроме уже известных мутаций путем воздействия мутаген­ных факторов можно получить у лабо­раторных животных много новых ано­малий, сходных с теми, которые встре­чаются  у  человека.