- •Глава 1 вводная
- •Глава 2 молекулярные основы наследственности
- •2.1. Генетическая роль днк и рнк
- •2.1.1. Днк — носитель наследственной информации
- •2.1.2. Строение и функции рнк
- •Глава 3 матричные процессы в клетке
- •Глава 4 хромосомы
- •Глава 5 клеточный цикл
- •5.6. Лабораторная работа
- •Глава 6 развитие зародыша человека
- •6.1.1. Сперматогенез
- •6.1.2. Оогенез
- •Глава 7 менделевская генетика
- •7.4.Задания
- •Глава 8 Взаимодействие генов
- •8.1.Комплементарность
- •Глава 9 сцепленное наследование
- •Глава 10 генетика пола
- •Глава 11 наследственность и среда
- •11.5. Лабораторная работа
- •Глава 12 генотипическая изменчивость
- •12.2.1. Классификации мутаций
- •12.2.5. Спонтанные и индуцированные
- •2 Х число обследованных индивидов
- •Глава 13 методы исследований генетики человека
- •13.1.1. Современные аспекты клинико-
- •13.12» Составление родословной Сбор семейных сведений
- •13.1.3. Анализ родословной
- •13.2.3. Лабораторная работа Определение полового хроматина
- •13.4.2. Дерматоглифика
- •13.4.3. Лабораторная работа Проведение дактилоскопического анализа
- •13.6.1. Закон Харди— Вайнберга
- •13.6.2. Распространение аллелей системы группы крови аво
- •13.6.3. Расы человека
- •13.6.4. Системы браков
- •13.6.5. Факторы, влияющие на изменение частот генов в популяции
- •13.6.6. Задание
- •13.6.7. Лабораторная работа Изучение распределения профилей моторной асимметрии у студентов в группе
- •Глава 14 евгеника
- •Глава 15 медико-генетическое консультирование (мгк)
- •15.3. Планирование семьи
- •15.4. Дополнение. Дерматоглифика
- •Глава 16 проблемы рака
- •Словарь терминов
12.2.5. Спонтанные и индуцированные
мутации
Спонтанные (случайные) мутации — это мутации, возникающие при нормальных условиях жизни. Спонтанный процесс зависит от внутренних и внешних факторов (рис. 12.13).
Спонтанные мутации у человека могут возникать в соматических и генеративных тканях.
Метод учета спонтанных доминантных мутаций основан на том, что в редких случаях у одного из детей появится доминантный признак, отсутствующий у обоих родителей. Это должно свидетельствовать о возникновении спонтанной мутации. Проведенное в Дании изучение наследственности хондро-дистрофии показало, что примерно одна гамета из 24000 несет доминантную мутацию. Частоту возникновения в генеративных тканях человека спонтанных рецессивных мутаций рассчитал Холдейн. Он рассуждал следующим образом: женщина обладает двумя Х-хромосомами, если в одной из них произошла рецессивная мутация, приводящая к гемофилии, она будет ее скрывать от действия отбора. Мужчины, имея одну хромосому, при получении данной мутации заболевают и, как правило, не оставляют потомства. Однако число генов гемофилии в популяции не уменьшается. Отсюда следует, что частота вновь возникающих мутаций должна быть равна количеству мужчин, больных гемофилией. Расчеты показали, что эта величина равна от 1х10-5 до 5х10-5 за поколение. Для других наследственных заболеваний были найдены как более высокие, так и более низкие частоты мутирования (табл. 12.4).
Курт Браун предложил, так называемый, прямой метод оценки спонтанных генных, хромосомных и геномных мутаций. Метод основан на изучении популяционной выборки новорожденных. При этом рекомендуется оценивать частоту мутаций только в тех случаях, когда признак или наследственная болезнь не обнаруживается у родственников пробанда. Частота мутаций рассчитывается по формуле:
Число спонтанных случаев
Проявления данной аномалии
m = -------------------------------------------------------
2 Х число обследованных индивидов
Хромосомные мутации выявляются у 1% новорожденных, при этом подразумевается, что у людей, не несущих хромосомной патологии, кариотип обладает высоким уровнем стабильности. Однако исследования показали, что нестабильность генома соматических клеток здоровых доноров не исключение, а норма. Повышенный уровень аберраций хромосом обусловлен генетически и выявлен у лиц с различными заболеваниями при некоторых формах анемии, заболеваниях нервной системы, изменениях иммунной системы и гормональных нарушениях. Большое число работ посвящено анализу спонтанного уровня аберраций хромосом в лимфоцитах периферической крови. Результаты этих работ показывают, что уровень аббераций хромосом в лимфоцитах у здоровых людей варьирует в пределах от 1 до 6%, при среднем значении в популяции 0,88%. По сведениям Бочкова Н.П. с соавторами (1975), при неоднократных исследованиях (до 8 раз в год) одних и тех же лиц отмечены колебания частот лимфоцитов с аберрациями хромосом от 0 до 6% независимо от времени года, пола, возраста и других особенностей индивидов. В связи с этим была высказана гипотеза о том, что нестабильность генома соматических клеток следует рассматривать не только как патологическое состояние организма, но и как адаптивную реакцию организма на измененные условия внутренней среды организма (Гуськов Е.П., 1989).
Индуцированный мутагенез — искусственное получение мутаций с помощью мутагенов различной природы. Впервые способность ионизирующих излучений вызывать мутации (мутагенный эффект) была обнаружена Г.А.Надсоном и Г.С.Филипповым (1925). Два года спустя Г.Г.Меллер обосновал факт мутагенного эффекта рентгеновых лучей, используя методы количественного учета мутаций у дрозофилы. Затем в обширных исследованиях Н.В.Тимофеева-Ресовского, М.Демереца, К.Штерна, Дж. Ли, М.Дельбрюка и многих других на различных объектах были изучены основные радиобиологические зависимости индуцированных мутаций. В частности, было показано, что частота генных мутаций возрастает с увеличением дозы воздействия. В конце сороковых годов И.А.Рапопорт и Ш.Ауэрбах открыли существование мощных химических мутагенов. В последние годы показана возможность вызывать повреждение ДНК человека для целого ряда вирусов, различных паразитарных организмов, гельминтов и др.
Все нарушения генетической информации человека, подрывающие здоровье населения, объединяются под названием генетический груз. В настоящее время основными проблемами являются оценка уровня генетического груза, снижающего здоровье людей. Влияние генетического груза на экономику, на трудовые и оборонные ресурсы страны очень велико. Просмотрим статистические данные домов инвалидов г. Москвы только по двум болезням: синдром Дауна, который возникает с частотой один больной на 600 новорожденных, и фенилкетонурия — рецессивная болезнь, которая появляется с частотой один на 10000 новорожденных. Статистический анализ показал, что за период с 1964 по 1979 гг. в эти дома поступило 75680 больных. Их содержание за это время обошлось государству в миллиард рублей (цены того периода) (Дубинин Н.П., 1990). :
Как мутационные изменения, приводящие к нарушениям генетического аппарата, так и модификационные (изменения нормы реагирования генов) приводят к ухудшению здоровья человека. Наука разрабатывает методы коррекции таких нарушений. Создаваемые в последние годы детские реабилитационные центры позволяют претворять в жизнь достижения науки и корректировать целый ряд модификационных нарушений у детей и взрослых.
12.3. Дополнение. Антимутагены
Мутационный процесс является источником изменений, приводящих к различным патологическим состояниям. Компенсационный принцип на современном этапе предполагает мероприятия по предотвращению генетических последствий загряз-
нения среды: предотвращение или снижение вероятности возникновения мутаций и устранение возникших в ДНК изменений путем репарации наследственного аппарата методами генетической инженерии.
В начале 50-х годов была обнаружена возможность замедления или ослабления темпов мутирования с помощью некоторых веществ. Такие вещества назвали антимутагенами, а сам процесс антимутагенезом. Выделено около 200 природных и синтетических соединений, обладающих антимутагенной активностью: некоторые аминокислоты (аргинин, гистидин, метионин и др.), витамины (токоферол, аскорбиновая кислота, ретинол, каротин и др.), провитамины и ферменты (пероксидаза, НАДФ-оксидаза, каталаза и др.), комплексные соединения (растительного и животного происхождения), фармакологические средства (интерферон, оксипиридины, соли селена и др.). Установлено, что антимутагены достаточно эффективны для человека.
Наша пища является одним из поставщиков натуральных генотоксичных продуктов. Подсчитано, что с пищей человек получает несколько граммов в день веществ, способных вызвать генетические нарушения, что в десять тысяч раз больше остатков синтетических пестицидов, содержащихся в тех или иных продуктах. Такие количества мутагенов должны вызывать существенные поражения в наследственных структурах человека. Этого не происходит, так как наряду с мутагенами пища содержит также антимутагены, которые нейтрализуют эффект мутагенов. Соотношение тех и других веществ в различных продуктах питания неодинаково. Некоторые виды бобов, люпин, неочищенное хлопковое масло, черный перец, определенные виды съедобных грибов содержат больше мутагенов. Обнаружено, что потребление в пищу мяса животных, питавшихся растениями, поглотившими мутагенные вещества из окружающей среды, повышает мутационный уровень у человека. В 80-х годах был описан случай появления врожденных дефектов в одном хозяйстве у новорожденого ребенка, выводка щенят и козлят. Оказалось, что в период беременности женщина и собака употребляли молоко, полученное от домашних коз, которых кормили люпином. Генетический аппарат коз был непосредственно поражен генотоксическими компонентами люпина, а человека и собаки опосредованно, через компоненты молока.
Соотношение антимутагенов и мутагенов в продуктах зависит от сроков их хранения и консервирования, а также от способа их приготовления. Например, повреждающие ДНК-продукты образуются в гренках, мясе, рыбе при их интенсивном нагревании, т.к. жир в процессе кулинарной обработки окисляется с образованием множества токсических продуктов (гидропероксиды холестерола, эпокизиды жирной кислоты, альдегиды и др.). Рационы традиционного питания, как правило, не отвечают демографическим (возрастная структура населения) и экологическим условиям. Защита наследственного аппарата от воздействия средовых токсинов предполагает увеличение в пользу антимутагенов баланса веществ в продуктах. Одна из наиболее изученных групп пищевых антимутагенов — витамины и провитамины: ретинол (витамин А и его синтетические аналоги — ретиноиды) и его провитамин каротин, токоферол (витамин Е), фолиевая кислота (витамин В4), аскорбиновая кислота (витамин С), филлохинон (витамин К).
Антимутагенные свойства витамина Е (а-токофе-рола) впервые были описаны в 70-х годах. Установлено, что антимутагенное действие токоферола практически универсально для различных факторов физико-химической и биологической природы (Алекперов У.К.,1984). Токоферол содержится в растительных продуктах: маслах, семенах и проростках злаковых (облепихе, послене, семенах шиповника).
Другой распространенный антимутаген — аскорбиновая кислота (витамин С). Для поддержания оптимального состояния здоровья ежедневная потребность в витамине С у разных людей варьируется в пределах от 250 мг до нескольких граммов. Аскорбиновая кислота активный антиканцероген. Пока роль витамина С в предотвращении рака не установлена до конца, тем не менее многочисленные экспериментальные и эпидемиологические данные об обратной корреляции между потреблением витамина С и появлением злокачественных образований имеют место. Отмечается высокое содержание аскорбиновой кислоты в зеленом и красном перце, черной смородине, петрушке, апельсиновом, лимонном, грейпфрутовом соках, помидорах, огурцах, клюкве, крыжовнике и др.
Витамин В4 (фолиевая кислота) служит барьером для вирусов, провоцирующих раковые заболевания. Ежедневная доза витамина (около 800 мкг) значительно сокращает и даже прекращает развитие предраковых состояний у женщин, принимающих пероральные противозачаточные средства.
Антимутагенами могут быть не только компоненты, но и пищевые продукты в целом. Экстракты крестоцветных растений, среди которых наиболее активны различные виды капусты, уменьшали уровень мутаций, вызываемых мутагенными компонентами пищи, более чем в 8—10 раз. Экспериментально определено, что токсический эффект снижается под действием экстракта яблок — в 8 раз, мятного листа — в 11 раз, зеленого перца — в 10, баклажана — в 7, винограда — в 4 раза. Рекордсменом оказался лопушник большой (сем. сложноцветных) — более чем в 20 раз. Среди лекарственных трав отмечают антимутагенное действие зверобоя.
Правильное питание является одним из путей предотвращения действия генотоксических факторов среды. Экспертная группа Международной комиссии по защите окружающей среды от мутагенов и канцерогенов отмечает достоверное снижение риска у лиц, придерживающихся диеты, богатой хлебными злаками, овощами и фруктами при снижении потребления продуктов, богатых жирами, и алкоголя.
12.4. Задание
1. Участок гена, кодирующий полипептид, имеет в норме следующий порядок оснований: ААГ-ЦААЦЦАТТАГТААТГААГЦААЦЦЦ. Какие изменения произойдут в белке, если во время репликации в шестом кодоне появилась вставка (Т) между вторым и третьим нуклеотидами?
2. Какие изменения произойдут в строении белка, если на участке гена ТААЦАААГААЦАААА между 10 и И нуклеотидами включить гуанин, а между 13 и 14 цитозин, а в конце появляется аде-нин? Как называются произошедшие мутации?
3. Каково будет число хромосом в сперматозоидах человека, если нерасхождение одной из фигур наблюдается: а) в анафазе-I мейоза; б) в ана-фазе-П мейоза?
4. На участке гена, кодирующего полипептид, последовательность нуклеотидных оснований следующая: ГААЦГАТТЦГГЦЦАГ. Произошла инверсия на участке 2—7 нуклеотидов. Определите структуру полипептидной цепи в норме и после мутации.
5. В процессе гаметогенеза у женщины происходит элиминация одной фигуры деления. Определите количество хромосом, возможное в яйцеклетке, если элиминация происходит в метафазу-I и мета-фазу-П мейоза.
6. В нуклеотидной последовательности гена АААГТТАААЦТГАААГГЦ происходит выпадение 5-го и 9-го нуклеотидов. Какой должен быть участок белка в норме и какой получится?
7. Во время митоза (в анафазе) у человека не разошлась: а) одна пара хромосом; б) две. Сколько хромосом будет в дочерних клетках?
8. Определите возможные генотипы детей в браках: а) здоровая женщина и мужчина с синдромом Клайнфельтера; б) женщина-трисомик по X-хромосоме и мужчина с синдромом Дауна (47.+21).
9. Могут ли мужчина и женщина, больные синдромом Дауна, иметь здоровое потомство? Какова вероятность его проявления в случае, если оба родителя имеют трисомию, и в случае транслокационной формы наследования синдрома?
10. В культуре ткани человека произошла элиминация одной хромосомы, сколько хромосом будет в дочерних клетках, если элиминация происходит в разные фазы митоза?
11. Женщина получила от матери 2 хромосомы неправильной формы, а от отца — три, все остальные хромосомы нормальные. Какова вероятность, что все 5 хромосом неправильной формы окажутся в одной гамете: а) если они не гомологичны; б) если одна материнская и одна отцовская гомологичные; в) если две материнские и две отцовские образуют гомологичные пары хромосом?
12. При хроническом миелолейкозе в 21 хромосоме человека есть нехватка. Индивид, получивший эту хромосому, заболевает лейкозом. Какая вероятность рождения здоровых детей от этого индивида?
13. Какие из следующих заболеваний не связаны с нарушением мейотического расхождения хромосом: а) синдром Тернера; б) синдром Дауна; в) синдром «кошачьего крика»; г) синдром Патау?
14. Укажите число телец Барра в клетках организма с синдромами: Шерешевского — Тернера; Клайнфельтера (ХХУ; ХХХУ; ХУУ; ХХУУ; ХХХХУ); Патау, Эдварса.
15. На сегодняшний день описано и изучено большое число разных мозаиков по половым хромосомам у человека. Нарисуйте схему происхождения следующих мозаичных организмов:
а) ХХ/ХО; б) ХХ/ХХУУ; в) ХО/ХХХ; г) ХО/ ХХ/ХХХ; д) ХХ/ХУ.
16. Определите названия мутаций в приведенных кариотипах, укажите, в каких хромосомах они произошли:
а) 46, XX, 1 pter22; б) 46, XY, Xq28; в) 46, XY, t (13; 21); г) 46, XY, 8qinv 12/22.