Основы популяционной генетики. Популяционная генетика популяционная генетика это раздел генетики который

Задачи:

1. Дать характеристику основным методам изучения генетики человека.
2. Изучить генетические основы структуры и эволюции популяций.

Методы изучения генетики человека

Каждый крупный этап развития генетики был связан с использованием определенных объектов для генетических исследований. Теория гена и основные закономерности наследования признаков были установлены на опытах с горохом, для обоснования хромосомной теории наследственности использовалась мушка дрозофила, для становления молекулярной генетики - вирусы и бактерии. В настоящее время главным объектом генетических исследований становится человек.

Рис. 1. Условные обозначения, принятые при составлении родословных:
1 - мужчина; 2 - женщина; 3 - пол не выяснен; 4 - обладатель изучаемого признака; 5 - гетерозиготный носитель изучаемого рецессивного гена; 6 - брак; 7 - брак мужчины с двумя женщинами; 8 - родственный брак; 9 - родители, дети и порядок их рождения; 10 - разнояйцевые близнецы; 11 - однояйцевые близнецы.

Для генетических исследований человек является очень неудобным объектом, так как у человека: большое количество хромосом, невозможно экспериментальное скрещивание, поздно наступает половая зрелость, малое число потомков в каждой семье, невозможно уравнивание условий жизни для потомства.

Однако, несмотря на эти трудности, генетика человека достаточно хорошо изучена. Это оказалось возможным благодаря использованию разнообразных методов исследования.

Генеалогический метод. Использование этого метода возможно лишь в том случае, когда известны прямые родственники - предки обладателя наследственного признака (пробанда) по материнской и отцовской линиям в ряду поколений или потомки пробанда также в нескольких поколениях. При составлении родословных в генетике используется определенная система обозначений (рис. 1). После составления родословной проводится ее анализ с целью установления характера наследования изучаемого признака.

Благодаря генеалогическому методу, было установлено, что у человека наблюдаются все типы наследования признаков, известные для других организмов, и определены типы наследования некоторых конкретных признаков. Так, по аутосомно-доминантному типу наследуются полидактилия (увеличенное количество пальцев) (рис. 2), возможность свертывать язык в трубочку (рис. 3), брахидактилия (короткопалось, обусловленная отсутствием двух фаланг на пальцах), веснушки, раннее облысение, сросшиеся пальцы, заячья губа, волчья пасть, катаракта глаз, хрупкость костей и многие другие. Альбинизм, рыжие волосы, подверженность полиомиелиту, сахарный диабет, врожденная глухота и другие признаки наследуются как аутосомно-рецессивные.

Рис. 2. Родословная по полидактилии (аутосомно-доминантное наследование).

Рис. 3. Доминантный признак - способность свертывать язык в трубочку (1) и его рецессивный аллель - отсутствие этой способности (2).

Целый ряд признаков наследуется сцепленно с полом: Х-сцепленное наследование - гемофилия, дальтонизм; У-сцепленное - гипертрихоз (повышенного оволосения ушной раковины), перепонки между пальцами. Имеется ряд генов, локализованных в гомологичных участках Х- и У-хромосомы, например общая цветовая слепота.

Установлением типа наследования признаков значение метода не ограничивается. Использование генеалогического метода показало, что при родственном браке, по сравнению с неродственным, значительно возрастает вероятность появления уродств, мертворождений, ранней смертности в потомстве. В родственных браках рецессивные гены чаще переходят в гомозиготное состояние, в результате развиваются те или иные аномалии. Ярким примером этого является наследование гемофилии в царских домах Европы.

Близнецовый метод. Близнецами называют одновременно родившихся детей. Они бывают монозиготными (однояйцевыми) и дизиготными (разнояйцевыми) (рис. 4).

Рис. 4. Образование монозиготных (1) и дизиготных (2) близнецов.

В гаметах и зиготах условно обозначены только половые хромосомы, а также хромосомы, несущие ген темных волос (черные) и ген светлых волос (белые).

Монозиготные близнецы развиваются из одной зиготы, которая на стадии дробления разделилась на две (или более) частей. Поэтому такие близнецы генетически идентичны и всегда одного пола. Монозиготные близнецы характеризуются большой степенью сходства (конкордантностью) по многим признакам.

Дизиготные близнецы развиваются из одновременно овулировавших и оплодотворенных разными сперматозоидами яйцеклеток.

Поэтому они наследственно различны и могут быть как одного, так и или разного пола. В отличие от монозиготных, дизиготные близнецы часто характеризуются дискордантностью - несходством по многим признакам. Данные о конкордантности близнецов по некоторым признакам приведены в таблице.

Конкордантность некоторых признаков человека

Как видно из таблицы, степень коркондантности монозиготных близнецов по всем приведенным признакам значительно выше, чем у дизиготных, однако она не является абсолютной. Как правило, дискордантность однояйцевых близнецов возникает в результате нарушений внутриутробного развития одного из них или под влиянием внешней среды, если она была разной.

Благодаря близнецовому методу, была выяснена наследственная предрасположенность человека к ряду заболеваний: шизофрении, умственной отсталости, эпилепсии, сахарного диабета и других. Наблюдения за однояйцевыми близнецами дают материал для выяснения роли наследственности и среды в развитии признаков. Причем под внешней средой понимают не только физические факторы среды, но и социальные условия.

Цитогенетический метод основан на изучении хромосом человека в норме и при патологии. В норме кариотип человека включает 46 хромосом - 22 пары аутосом и две половые хромосомы. Использование данного метода позволило выявить группу болезней, связанных либо с изменением числа хромосом, либо с изменениями их структуры. Такие болезни получили название хромосомных. К их числу относятся: синдром Клайнфельтера, синдром Шерешевского-Тернера, трисомия Х, синдром Дауна, синдром Патау, синдром Эдвардса и другие.

Больные с синдромом Клайнфельтера (47,ХХУ) всегда мужчины. Они характеризуются недоразвитием половых желез, дегенерацией семенных канальцев, часто умственной отсталостью, высоким ростом (за счет непропорционально длинных ног).

Синдром Шерешевского-Тернера (45,Х0) наблюдается у женщин. Он проявляется в замедлении полового созревания, недоразвитии половых желез, аменорее (отсутствии менструаций), бесплодии. Женщины с синдромом Шерешевского-Тернера имеют малый рост, тело диспропорционально - более развита верхняя часть тела, плечи широкие, таз узкий - нижние конечности укорочены, шея короткая со складками, "монголоидный" разрез глаз и ряд других признаков.

Синдром Дауна - одна из самых часто встречающихся хромосомных болезней. Она развивается в результате трисомии по 21 хромосоме (47, 21,21,21). Болезнь легко диагностируется, так как имеет ряд характерных признаков: укороченные конечности, маленький череп, плоское, широкое переносье, узкие глазные щели с косым разрезом, наличие складки верхнего века, психическая отсталость. Часто наблюдаются и нарушения строения внутренних органов.

Хромосомные болезни возникают и в результате изменения самих хромосом. Так, делеция 5-й хромосомы приводит к развитию синдрома "крик кошки". У детей с этим синдромом нарушается строение гортани, и они в раннем детстве имеют своеобразный "мяукающий" тембр голоса. Кроме того, наблюдается отсталость психомоторного развития и слабоумие. Делеция 21 хромосомы приводит к возникновению одной из форм белокровия.

Чаще всего хромосомные болезни являются результатом мутаций, произошедших в половых клетках одного из родителей.

Биохимический метод позволяет обнаружить нарушения в обмене веществ, вызванные изменением генов и, как следствие, изменением активности различных ферментов. Наследственные болезни обмена веществ подразделяются на болезни углеводного обмена (сахарный диабет), обмена аминокислот, липидов, минералов и др.

Фенилкетонурия относится к болезням аминокислотного обмена. Блокируется превращение незаменимой аминокислоты фенилаланин в тирозин, при этом фенилаланин превращается в фенилпировиноградную кислоту, которая выводится с мочой. Заболевание приводит к быстрому развитию слабоумия у детей. Ранняя диагностика и диета позволяют приостановить развитие заболевания.

Генетика человека - одна из наиболее интенсивно развивающихся отраслей науки. Она является теоретической основой медицины, раскрывает биологические основы наследственных заболеваний. Знание генетической природы заболеваний позволяет вовремя поставить точный диагноз и осуществить нужное лечение.

Генетика популяций

Популяция - это совокупность особей одного вида, длительное время обитающих на определенной территории, свободно скрещивающихся друг с другом, имеющих общее происхождение, определенную генетическую структуру и в той или иной степени изолированных от других таких совокупностей особей данного вида. Популяция не только единица вида, форма его существования, но и единица эволюции. В основе микроэволюционных процессов, завершающихся видообразованием, лежат генетические преобразования в популяциях.

Изучением генетической структуры и динамики популяций занимается особый раздел генетики - популяционная генетика.

С генетической точки зрения, популяция является открытой системой, а вид - закрытой. В общей форме процесс видообразования сводится к преобразованию генетически открытой системы в генетически закрытую.

Каждая популяция имеет определенный генофонд и генетическую структуру. Генофондом популяции называют совокупность генотипов всех особей популяции. Под генетической структурой популяции понимают соотношение в ней различных генотипов и аллелей.

Одними из основных понятий популяционной генетики являются частота генотипа и частота аллеля. Под частотой генотипа (или аллеля) понимают его долю, отнесенную к общему количеству генотипов (или аллелей) в популяции. Частота генотипа, или аллеля, выражается либо в процентах, либо в долях единицы (если общее количество генотипов или аллелей популяции принимается за 100% или 1). Так, если ген имеет две аллельные формы и доля рецессивного аллеля а составляет 3/4 (или 75%), то доля доминантного аллеля А будет равна 1/4 (или 25%) общего числа аллелей данного гена в популяции.

Большое влияние на генетическую структуру популяций оказывает способ размножения. Например, популяции самоопыляющихся и перекрестноопыляющихся растений существенно отличаются друг от друга.

Впервые исследование генетической структуры популяции было предпринято В.Иоганнсеном в 1903 г. В качестве объектов исследования были выбраны популяции самоопыляющихся растений. Исследуя в течение нескольких поколений массу семян у фасоли, он обнаружил, что у самоопылителей популяция состоит из генотипически разнородных групп, так называемых чистых линий, представленных гомозиготными особями. Причем из поколения в поколение в такой популяции сохраняется равное соотношение гомозиготных доминантных и гомозиготных рецессивных генотипов. Их частота в каждом поколении увеличивается, в то время как частота гетерозиготных генотипов будет уменьшаться. Таким образом, в популяциях самоопыляющихся растений наблюдается процесс гомозиготизации, или разложения на линии с различными генотипами.

Большинство растений и животных в популяциях размножаются половым путем при свободном скрещивании, обеспечивающем равновероятную встречаемость гамет. Равновероятную встречаемость гамет при свободном скрещивании называют панмиксией, а такую популяцию - панмиктической.

Закон Харди-Вайнберга

В 1908 г. английский математик Г.Харди и немецкий врач Н.Вайнберг независимо друг от друга сформулировали закон, которому подчиняется распределение гомозигот и гетерозигот в панмиктической популяции, и выразили его в виде алгебраической формулы.

Частоту встречаемости гамет с доминантным аллелем А обозначают p, а частоту встречаемости гамет с рецессивным аллелем а - q. Частоты этих аллелей в популяции выражаются формулой p + q = 1 (или 100%). Поскольку в панмиктической популяции встречаемость гамет равновероятна, можно определить и частоты генотипов.

Харди и Вайнберг, суммируя данные о частоте генотипов, образующихся в результате равновероятной встречаемости гамет, вывели формулу частоты генотипов в панмиктической популяции:

р 2 + 2pq + q 2 = 1.

АА + 2Аа + аа = 1

Пользуясь этими формулами, можно рассчитать частоты аллелей и генотипов в конкретной панмиктической популяции. Однако действие этого закона выполняется при соблюдении следующих условий: неограниченно большая численность популяции, все особи могут свободно скрещиваться друг с другом, все генотипы одинаково жизнеспособны, плодовиты и не подвергаются отбору, прямые и обратные мутации возникают с одинаковой частотой или настолько редко, что ими можно пренебречь, отток или приток новых генотипов в популяцию отсутствует.

В реально существующих популяциях выполнение этих условий невозможно, поэтому закон справедлив только для идеальной популяции. Несмотря на это, закон Харди-Вайнберга является основой для анализа некоторых генетических явлений, происходящих в природных популяциях. Например, если известно, что фенилкетонурия встречается с частотой 1:10000 и наследуется по аутосомно-рецессивному типу, можно посчитать частоту встречаемости гетерозигот и гомозигот по доминантному признаку. Больные фенилкетонурией имеют генотип q2(аа) = 0,0001. Отсюда q = 0,01. p = 1 - 0,01 = 0,99. Частота встречаемости гетерозигот равна 2pq, равна 2 х 0,99 х 0,01 0,02 или около 2%. Частота встречаемости гомозигот по доминантному и рецессивному признакам: АА = p2 = 0,992 98%, аа = 0,01%.

Изменение равновесия генотипов и аллелей в панмиктической популяции происходит под влиянием постоянно действующих факторов, к которым относятся: мутационный процесс, популяционные волны, изоляция, естественный отбор, дрейф генов и другие.

Именно благодаря этим явлениям возникает элементарное эволюционное явление - изменение генетического состава популяции, являющееся начальным этапом процесса видообразования.

Литература.

1. Грин Н., Стаут У., Тейлор Д. Биология. - М.: мир, 1990. - Т.1-3.

2. Гончаров О.В. Пименов А.В. Биология. Ч.1, Цитология, генетика, селекция: Пособие для поступающих в вузы. - Саратов: Лицей-интернат при СГАУ им. Н.И. Вавилова, 2001.

3. Ярыгин В.Н. Биология для поступающих в вузы. - М.: Высшая школа, 2006.

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

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

Основными характеристиками генетической популяции являются:

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

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

Закон Харди-Вайнберга

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

Рисунок 5.1.

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

Рассмотрим отдельно указанные факторы.

Мутации и виды мутаций

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

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

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

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

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

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

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

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

Рисунок 5.2.

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

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

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

Рисунок 5.3.

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

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

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

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

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

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

Миграция и дрейф генов

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

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

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

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

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

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

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

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

Область применения и теоретическая часть

Возможно, наиболее значимым «формальным» достижением современной синтетической теории эволюции является формирование математической основы популяционной генетики. Некоторые авторы (Beatty, 1986) даже считают, что математическое объяснение динамики популяций является основой синтетической теории эволюции.

Ричард Левонтин (1974) сформулировал теоретические задачи популяционной генетики. Он обрисовал два аспекта популяционной генетики: генетический и фенотипический . Основная цель завершённой теории популяционной генетики - это сформулировать набор законов, отображающий переход от набора генотипов (G 1) к серии возможных фенотипов (P 1), с учётом действия естественного отбора , а также набора законов, которые бы позволяли по набору фенотипов (P 2) в полученной популяции охарактеризовать представленные в ней генотипы (G 2); так как менделевская генетика может предсказать следующее поколение генотипов по набору фенотипов, кольцо замыкается. Вот схематическая визуализация этой трансформации

(По Lewontin 1974, p. 12).

Даже оставив в стороне тот момент, что в ходе классических работ на уровне изучения наследования и молекулярно-генетических исследований обнаружены многие отклонения от менделевского наследования, это представляется колоссальной задачей.

T 1 представляет генетические и эпигенетические законы, аспекты функциональной биологии или биологии развития, которые описывают переход от генотипа к фенотипу. Обозначим это как «отображение генотип-фенотип». T ² - это изменения, связанные с действием естественного отбора, T ³ - эпигенетические связи, которые определяют генотипы на основе избранных фенотипов и, наконец, T 4 - закономерности менделевской генетики.

Практически, есть две ветви эволюционной теории, которые существуют параллельно: традиционная популяционная генетика, оперирующая наборами генотипов, и биометрическая теория, оперирующая наборами фенотипов изучаемых объектов, которая используется в селекции растений и животных. Определённая часть системы, переход от фенотипа к генотипу, как правило, теряется. Это приводит к тому, что изменчивость в системе, описываемая с помощью одних подходов, характеризуется как стабильная, или постоянная, при использовании других подходов или в других условиях - характеризуется как закономерно эволюционно изменяющаяся. Следовательно, для адекватной постановки какого-либо популяционного исследования требуется иметь определённые знания об изучаемой системе. В частности, если фенотип почти полностью определяется генотипом (например, в случае серповидно-клеточной анемии), или временной промежуток при исследовании достаточно мал, выявленные параметры могут рассматриваться как постоянные, однако во многих случаях это некорректно.

Этапы развития генетики популяций

1. Вторая половина 20-х - конец 30-х годов XX века. В это время происходило накопление данных о генетической гетерогенности популяций. Он завершился выработкой представлений о полиморфизме популяций.
2. 40-е -середина 60-х годов XX века. Изучение механизмов поддержания генетического полиморфизма популяций. Появление и развитие представлений о важной роли гетерозиса в формировании генетического полиморфизма.
3. Вторая половина 60-х - конец 1970-х годов XX века. Этот этап характеризуется широким применением белкового электрофореза для изучения полиморфизма популяций. Формируются представления о нейтральном характере эволюции .
4. С конца 1970-х годов. Этот период характеризуется методическим смещением в сторону применения ДНК-технологий для изучения особенностей процессов происходящих в популяциях. Важным моментом этого этапа (примерно с начала 1990-х годов) является широкое применение вычислительной техники и специализированных программ (например, PHYLIP , Clustal , Popgene) для анализа разнообразных типов генетических данных.

Известные популяционные генетики

Фундаментальную закономерность, описывающую соотношения между частотами аллелей генов и фенотипов вывели независимо Харди и Вайнберг в 1908 году . В это время популяционной генетики не существовало, тем не менее, найденная исследователями зависимость лежит в основе данной науки. Работы С. С. Четверикова по выявлению насыщенности природных популяций Drosophila melanogaster рецессивными мутациями так же дали важный импульс для развития популяционно-генетических исследований.

Основателями теоретического и математического аппарата популяционной генетики можно считать английских биологов Рональда Фишера (1890-1962) и Джона Холдейна (1892-1964), а также американского ученого Сьюэла Райта (1889-1998). Фишер и Райт расходились по некоторым фундаментальным вопросам и дискутировали о соотношении ролей отбора и генетического дрейфа. Французский исследователь Гюстав Малеко (1911-1998) также внёс важный вклад в раннее развитие рассматриваемой дисциплины. Противоречия между американскими и британскими «школами» продолжались долгие годы. Джон Мейнард Смит (1920-2004) был учеником Холдейна, в то время как У. Д. Гамильтон (1936-2000) находился под сильным влиянием работ Фишера. Американский исследователь Джордж Прайс (1922-1975) работал с ними обоими. Последователями Райта в США стали Ричард Левонтин (р. 1929) и японский генетик Мотоо Кимура (1924-1994). Итальянец Луиджи Лука Кавалли-Сфорца (р. 1922), генетик популяций, с 1970-х гг. работавший в Стэнфорде , особое внимание уделял вопросам генетики популяций человека.

См. также

• Формула выборок Эвенса
• Вмещающий ландшафт
• Мутационная катастрофа
• Генетика количественных признаков

Литература

1. Кайданов Л. З. Генетика популяций. Москва. Изд-во "Высшая школа", 1996. 320 с.

Wikimedia Foundation . 2010 .

• Моника Геллер
• Salomon Sports

Смотреть что такое "Популяционная генетика" в других словарях:

Популяционная генетика - * папуляцыйная генетыка * population genetics …

популяционная генетика - Раздел генетики, изучающий закономерности наследственности и изменчивости на уровне популяций; становление П.г. связывается с работами В.Иоганзена (работа о наследовании в популяциях и чистых линиях, 1903), Г. Харди и Э. Вайнберга (закон Харди… … Справочник технического переводчика

ПОПУЛЯЦИОННАЯ ГЕНЕТИКА - раздел генетики, изучающий генетический состав, генетическую динамику природных популяций. Экологический энциклопедический словарь. Кишинев: Главная редакция Молдавской советской энциклопедии. И.И. Дедю. 1989 … Экологический словарь

ПОПУЛЯЦИОННАЯ ГЕНЕТИКА - раздел генетики, изучающий генофонд популяций и его изменение в пространстве и во времени. Разберемся подробнее в этом определении. Особи не живут поодиночке, а образуют более или менее устойчивые группировки, сообща осваивая среду обитания.… … Энциклопедия Кольера

популяционная генетика - population genetics популяционная генетика. Pаздел генетики, изучающий закономерности наследственности и изменчивости на уровне популяций ; становление П.г. связывается с работами В.Иоганзена (работа о наследовании в популяциях… … Молекулярная биология и генетика. Толковый словарь.

популяционная генетика - populiacijų genetika statusas T sritis ekologija ir aplinkotyra apibrėžtis Genetikos šaka, tirianti populiacijų genetinę struktūrą, genetiniams pokyčiams ir genų dažnumui poveikį darančių veiksnių dėsningumus. atitikmenys: angl. population… … Ekologijos terminų aiškinamasis žodynas

популяционная генетика - populiacijų genetika statusas T sritis augalininkystė apibrėžtis Genetikos kryptis, apimanti genetinės populiacijų sandaros ir jų raidos veiksnių tyrinėjimus. atitikmenys: angl. population genetics rus. популяционная генетика … Žemės ūkio augalų selekcijos ir sėklininkystės terminų žodynas

Популяционная генетика - раздел генетики (См. Генетика), изучающий генетическое строение и динамику генетического состава популяций (См. Популяция). Факторами, определяющими в популяциях изменения частот отдельных Генов и Генотипов, являются мутационный процесс… … Большая советская энциклопедия

ПОПУЛЯЦИОННАЯ ГЕНЕТИКА - Раздел генетики, который занимается изучением законов, определяющих генетическую структуру популяций и действующие в популяции эволюционные факторы. Методы популяционной генетики широко используются в животноводстве … Термины и определения, используемые в селекции, генетике и воспроизводстве сельскохозяйственных животных

Популяционная биология - * папуляцыйная біялогія * population biology научное направление, изучающее характер связей организмов во времени и в пространстве. П. б. включает в себя такие дисциплины, как экология, таксономия, этология, популяционная генетика и др., которые… … Генетика. Энциклопедический словарь

Книги

• Генетика человека. Проблемы и подходы (комплект из 3 книг) , Ф. Фогель, А. Мотульский. Книга двух известных генетиков из ФРГ и США является фундаментальным учебником по генетике человека, охватывающим практически все основные направления этой области науки. Она может служить…

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Популяционная генетика

Популяционная генетика исследует закономерности распределения генов и генотипов в популяциях. Установление этих закономерностей имеет как научное, так и практическое значение в разных разделах биологии, таких как экология и экологическая генетика, биогеография, селекция и т.д. В медицинской практике также нередко появляется необходимость установить количественные соотношения людей с различными генотипами по какому-либо гену, включающему патологический аллель, или частоту встречаемости этого гена среди населения.

Популяции могут находиться в состоянии генетического равновесия или быть генетически неравновесными. В1908 г. Г. Харди и В.Вайнберг предложили формулу, отражающую распределение частот генотипов в популяциях со свободным скрещиванием, т.е. панмиктических. Если частота доминантного аллеля р , а рецессивного – q , причем
p + q = 1 , тогда р*р (AA ) + 2pq (Aa ) + q*q (aa ) = 0 , где р*р – частота доминантного гомозиготного генотипа, 2pq – частота гетерозигот, а q*q – частота рецессивных гомозигот.

В генетически равновесной популяции частоты генов и генотипов из поколения в поколение не изменяются. Этому, кроме панмиксии, т.е. отсутствия специального подбора пар по какимлибо отдельным признакам, способствуют:

Большая численность популяции;

Отсутствие оттока или притока в нее генов за счет миграции особей;

Отсутствие давления мутаций, изменяющих частоту какого-либо аллеля данного гена или приводящих к появлению новых аллелей;

Отсутствие естественного отбора, результатом которого может быть неравная жизнеспособность или неравная плодовитость особей с разными генотипами.

Действие любого из указанных факторов может быть причиной нарушения генетического равновесия в данной популяции, т.е. динамики ее генетической структуры или изменению ее во времени (из поколения в поколение) или в пространстве. Такая популяция может быть эволюционирующей.

Используя формулу Харди-Вайнберга можно производить ряд вычислений. Так, например, на основании известных частот фенотипов, генотипы которых известны, можно вычислить частоты аллелей соответствующих генов. Зная частоту доминантного или рецессивного гомозиготного генотипа в данной популяции, можно вычислить параметры генетической структуры этой популяции, а именно, частоты генов и генотипов. Кроме того, опираясь на формулу Харди-Вайнберга, можно установить, является ли данная популяция с определенным соотношением частот генотипов генетически равновесной. Таким образом, анализ популяций с позиций основных положений закона Харди-Вайнберга позволяет оценить состояние и направление изменчивости конкретной популяции.

Закон Харди-Вайнберга приложим и к генам, представленным множественными аллелями. Если ген известен в трех аллельных формах, частоты этих аллелей выражаются, соответственно, как p, q и r, а формула Харди-Вайнберга, отражающая соотношение частот генотипов, образуемых этими аллелями, приобретает вид:

p*p + q*q + r*r + 2pq + 2pr + 2qr = 1

1. В одной изолированной популяции человека насчитывается примерно 16% людей, имеющих резус-отрицательную кровь (рецессивный признак). Установите число гетерозиготных носителей гена резус-отрицательной крови.

2. Соответствует ли формуле Харди-Вайнберга следующее соотношение гомозигот и гетерозигот в популяции: 239 АА :79 Аа : 6 аа ?

3. Подагра встречается у 2% людей и обусловлена аутосомным доминантным геном. У женщин ген подагры не проявляется, у мужчин его пенетрантность равна 20% (В.П. Эфроимсон, 1968). Определите генетическую структуру популяции по анализируемому признаку, исходя из этих данных.

4. Частота генов групп крови по системе АВ0 среди европейского населения приведена ниже (Н.П.Бочков, 1979).

Население Частоты генов

Русские 0,249 0,189 0,562

Буряты 0,165 0,277 0,558

Англичане 0,251 0,050 0,699

Определите процентное соотношение людей с I, II, III и IY группами крови среди русских, бурятов и англичан.

Домашнее задание:

1. В одной из панмиктических популяций частота аллеля b равна 0,1, а в другой – 0,9. В какой популяции больше гетерозигот?

2. В популяциях Европы на 20000 человек встречается 1 альбинос. Определите генетическую структуру популяции.

3. Население острова произошло от нескольких человек из популяции, характеризующейся частотой встречаемости доминантного аллеля B (карие глаза), равной 0,2, и рецессивного аллеля b (голубые глаза), равной 0,8. Определите для данной островной популяции процент людей с карими и голубыми глазами в первой генерации. Изменится ли это соотношение особей по фенотипу и генофонд популяции после смен нескольких поколений при условии, что популяция носит панмиктический характер, и практически в ней не было мутаций по цвету глаз.

4. В США около 30% населения ощущают горький вкус фенилтиокарбамида (ФТК), 70% людей не различают его вкус. Способность ощущать вкус ФТК детерминируется рецессивным геном а . Определите частоту аллелей А и а и генотипов АА , Аа и аа в данной популяции.

5. В популяции встречается три генотипа по гену альбинизма – а в соотношении: 9/16 AA , 6/16 Aa и 1/16 аа . Находится ли данная популяция в состоянии генетического равновесия?

6. Врожденный вывих бедра наследуется доминантно, средняя пенетрантность составляет 25%. Заболевание встречается с частотой 6: 10000 (В.П. Эфроимсон, 1968). Определите число гомозиготных особей по рецессивному гену.

7. Найдите процент гетерозиготных особей в популяции:

8. См. задача 4 – буряты и англичане. Сравнить.