Особенности действия элементарных эволюционных факторов в человеческих популяциях

Популяция людей – группа людей, занимающих общую территорию и свободно вступающих в брак.

Популяция численностью 1500-4000 человек – дем, менее 1500 человек – изолят.

Особенности мутационного процесса

В последнее время давление мутационного процесса на генофонд человеческих популяций усиливается, что связано с загрязнением окружающей среды мутагенными факторами (химические, ионизирующая радиация, аварии на АЭС). Увеличение частоты мутаций ведет к увеличению частоты наследственных заболеваний.

Особенности действия изоляции

На ранних этапах становления человека в человеческих популяциях изолирующими барьерами являлись географические преграды (горы, моря и океаны). В настоящее время в качестве изолирующих барьеров выступают социальные факторы: культура, религия, язык, экономический уклад, национальные обычаи и т.п. Они оказались очень стойкими.

Действие изоляции на протяжении длительного времени привело к морфологическим различиям отдельных популяций людей.

Примеры.

1. Африканские племена бушмены выделяются своеобразным строением ушной раковины.

2. Народность на Камчатке коряки отличается широким углом нижней челюсти.

3. Народность на острове Хоккайдо (Япония) айны характеризуется исключительным развитием бороды у мужчин.

Особенности популяционных волн

Основная тенденция в изменении численности населения Земли – это увеличение:

неолит (6,5-8,5 тысяч лет назад) – 5 млн. человек;

начало новой эры – 200 млн. человек;

1989 год – 5,1 млрд. людей;

2000 год – 6 млрд. людей.

Вместе с тем в истории развития любой популяции имели место как резкие подъемы, так и спады численности – популяционные волны. Чаще всего причинами резкого сокращения численности являлись войны и эпидемии особо опасных инфекций (чума).

Особенности действия естественного отбора

В человеческих популяциях действует стабилизирующая форма естественного отбора, направленная на сохранение генофонда популяций. Стабилизирующий отбор может быть как положительным, так и отрицательным.

Положительный естественный отбор направлен на сохранение особей, отрицательный – на устранение из популяции особей с нежелательным генотипом.

Отрицательный отбор в свою очередь может быть направлен против гетерозигот и против гомозигот.

Примером отрицательного отбора, направленного против гетерозигот, может служить наследование Rh-фактора. Rh-фактор контролируется тремя доминантными тесно сцепленными генами, поэтому их можно условно принять за один.

D – ген, определяющий Rh-фактор

d – ген, не определяющий Rh-фактор

Среди европейцев Rh-фактор имеют 85% населения. Они называются резус-положительными. В семье, где мать Rh-отрицательна, а отец Rh-положителен, ребенок будет Rh-положительным:

Р ♀ dd ♂ DD

F ₁ Dd

П ри нарушении целостности плаценты эритроциты плода попадают в кровь матери, в организме которой будут вырабатываться антитела против чужеродного белка. Однако первая беременность, как правило, заканчивается рождением здорового ребенка.

При повторной беременности антитела проникают через плаценту в организм плода и развивается гемолитическая болезнь новорожденного, которая без оказания помощи ведет к гибели ребенка. Таким образом, из популяции устраняется гетерозиготная особь.

Примером отрицательного отбора, направленного против гомозигот, служит наследование серповидноклеточной анемии. Индивидуумы с генотипом SS умирают в раннем детском возрасте. Следовательно, из популяции удаляются сразу два патологических гена.

Однако в популяции, наряду с отрицательным отбором, направленным против гомозигот, действует положительный отбор, направленный на сохранение гетерозигот Ss. Гетерозиготы Ss в 14 раз реже болеют малярией, поэтому естественный отбор сохранит такие особи.

Положительный отбор, направленный против отрицательного отбора, называется контротбор.

+ Ss → - SS

Генофонд любой популяции – результат длительных и сложных взаимодействий элементарных эволюционных факторов (мутационного процесса, дрейфа генов, популяционных волн, изоляции, естественного отбора). В связи с этим все природные популяции генетически полиморфны.

Генетический полиморфизм – наличие в популяции нескольких генетических форм в состоянии длительного равновесия.

Генетический полиморфизм бывает адаптационный и балансированный.

Адаптационный (приспособительный). Пример: у виноградной улитки часть особей популяции, обитающая на песчаных почвах, имеет белый вход в раковину, а другая часть – красный цвет, они обитают на глинистой почве. У двухточечной божьей коровки есть красные и черные особи. Красные хорошо переносят зиму, а черные хорошо размножаются летом.

Балансированный – гетерозиготный – отбор благоприятствует сохранению гетерозиготных особей. Имеет большой биологический смысл – обеспечивает выживаемость особей в изменяющихся условиях окружающей среды, создает резерв наследственной изменчивости. Приспособленность любой реальной популяции всегда хуже приспособленности идеальной популяции, которая состояла бы только из нужных в данный момент генотипов. Разность между приспособленностью идеальной и реальной популяций называется генетическим грузом. Различают генетический груз мутационный (обусловлен мутациями в данном поколении) и сегрегационный (обусловлен мутациями, которые передались от предков).

В медицине наблюдаются следующие проявления генетического полиморфизма:

1. неравномерное распределение заболеваний на планете;

2. различная тяжесть течения заболеваний;

3. неодинаковая предрасположенность к наследственным заболеваниям.

Для человеческих популяций также характерен генетический груз. Он эквивалентен числу рецессивных генов, которые в гомозиготном состоянии ведут к гибели индивидуума до наступления репродуктивного периода. У отдельных людей число таких генов колеблется от 3 до 8.

Наличие генетического груза ведет к тому, что в каждом поколении 50% зигот не дают потомства:

15% – гибнут до рождения,

3% – гибнут при рождении,

2% – гибнут сразу после рождения,

3% – не достигают половой зрелости,

20% – не вступают в брак,

10% – бездетны.

Как видим, генетический груз в человеческих популяциях не имеет того биологического смысла, как в природных популяциях животных, однако перешел к человеку по наследству.

Эффект основателя — явление снижения и смещения генетического разнообразия при заселении малым количеством представителей рассматриваемого вида новой географической территории. Термин ввёл Э. Майр; является вариантом генетического дрейфа. При таком заселении малое количество исходных особей, имеющих частоты аллелей генов (или других генетических маркеров) случайно отклоняющиеся от характерных для вида в среднем, дают начало новым популяциям. В образовавшихся популяциях частоты рассматриваемых аллелей будут так же смещены, как и в исходной группе особей. Эффект основателя имеет большое значение для филогенетики популяций — изучения степени родства между популяциями и путей расселения видов, а также для оценки путей расселения древних людей и степени родства между современными популяциями или народами.

Ген-кандидат – ген, измененный белковый продукт которого, вследствие наличия в данном гене функционального полиморфизма, может быть одной из причин определенного заболевания. Применительно к многофакторным заболеваниям наибольшее практическое значение имеет анализ полиморфизмов генов-кандидатов, представляющих собой отклонения в последовательности нуклеотидов ДНК, в относительно небольшой степени влияющих на функцию кодируемых белков (ферментов, рецепторов, транспортных белков, белков системы свертывания крови и фибринолиза, факторов роста и воспаления, ионных каналов и т.д.). Генетические полиморфизмы представлены в популяции, как правило, достаточно широко и встречаются с частотой более 5%. Следовательно, генетические полиморфизмы совместимы с жизнью, и представляют собой индивидуальную изменчивость, но в сочетании с неблагоприятными внешними факторами (так называемыми негенетическими или модифицируемыми факторами риска) могут быть причиной различных внутренних, нервных, онкологических, эндокринных и др. болезней, в том числе и наиболее распространенных сердечно-сосудистых заболеваний (ССЗ). К ним относятся гипертоническая болезнь (артериальная гипертензия), ишемическая болезнь сердца (ИБС), нарушения ритма сердца и проводимости, атеросклероз сосудов нижних конечностей, цереброваскулярная и варикозная болезни и др., а также этиопатогенетически связанные с ними различные типы гиперхолестеринемии, метаболический синдром и инсулинорезистентность. Вместе с тем, практическую ценность представляет исследование функциональных полиморфизмов, или полиморфизмов с отрицательным эффектом, а именно – полиморфных «функциональных» аллелей в генахкандидатах, продукты которых с измененной функциональной активностью становятся участниками патогенеза многофакторного заболевания. Напомним, что аллелем гена является его альтернативная структурная форма (вариант нуклеотидной последовательности гена). Выбор гена и его аллельных полиморфизмов при составлении генной сети многофакторного заболевания определяется на основании знаний об этиологии и патогенезе, т.е. 5 участии белкового продукта в развитии конкретного заболевания. Таким образом, ген данного белка может являться геном-кандидатом изучаемого многофакторного заболевания. Задача исследования состоит в получении доказательств ассоциации аллельного полиморфизма гена-кандидата и первичного продукта с развитием заболевания, и измерении (оценке) силы его эффекта. Поскольку многофакторные болезни всегда являются полигенными, и вклад каждого гена в их развитие может быть незначительным, то наиболее целесообразным представляется составление генной сети для каждого заболевания. Комплекс генов, участвующих в формировании наследственной предрасположенности к определенному заболеванию, получил название генной сети. Идентификация генетических факторов риска сердечно-сосудистой патологии, как и других многофакторных заболеваний, и оценка их вклада в развитие заболевания – одна из основных задач молекулярной кардиологии. Генетические факторы риска – полиморфные (функциональные) аллели генов, белковые продукты которых с измененной функциональной активностью участвуют в патологических метаболических циклах (патогенезе заболевания). Функциональными аллелями они называются в связи с тем, что данный полиморфный аллель способен влиять на функцию кодируемого белка (изменять энзиматическую активность /фермента/, скорость синтеза, плотность и/или чувствительность /рецептора/ к субстрату и т.д.), отклонения которой могут привести к значимым сдвигам в метаболическом цикле, в котором работает данный белок.