Генетическая изменчивость

Отдельные гены, хромосомы и геном в целом (как под влиянием внешних факторов, так и в результате сбоев различных механизмов) постоянно претерпевает разнообразные изменения. Хотя существуют механизмы репарации (восстановления) ДНК, часть повреждений или ошибок сохраняется. Изменения в последовательности и числе нуклеотидов в ДНК, не исправленные ферментами репарации, — «мутации».

Термин «мутация» применяют в двух значениях — расширительном и узком. В расширительном значении термин «мутация» относят ко всему генетическому материалу (пара нуклеотидов, ген, аллели, хромосомы, ядерный и митохондриальный геном). В узком значении термин «мутация» соотносят с изменениями на уровне гена (в этом случае изменения хромосом обозначают термином «аберрация»).

Различают мутации в соматических клетках (фенотипически проявляются только в мутировавшей клетке или её потомстве) и мутации в половых клетках. Только последние потенциально могут быть переданы по наследству и могут проявляться в фенотипе потомства, в том числе и в виде наследственных заболеваний.

 Мутагены. Причинами мутаций могут быть различные факторы. Мутагены (равно и вызываемые ими мутации) классифицируют по происхождению (источнику) на эндогенные и экзогенные, а по природе на физические, химические и биологические.

 Экзогенныемутагены. Их большинство, к ним относятся различные и многочисленные факторы внешней среды (например, радиационное излучение, алкилирующие агенты, окислители, многие вирусы).

 Эндогенныемутагеныобразуются в процессе жизнедеятельности организма (например, мутации могут возникать под влиянием свободных радикалов, продуктов липопероксидации).

 Физическиемутагены— ионизирующее излучение и температурный фактор.

 Химическиемутагены— самая многочисленная (тысячи и десятки тысяч) группа мутагенов. К химическим мутагенам относятся сильные окислители или восстановители (например, нитраты, нитриты, активные формы кислорода), алкилирующие агенты (например, йодацетамид), пестициды (например, гербициды, фунгициды); некоторые пищевые добавки (например, ароматические углеводороды, цикламаты), продукты переработки нефти, органические растворители, ЛС (например, цитостатики, содержащие ртуть средства, иммунодепрессанты) и множество других.

 Биологическиемутагены: вирусы (например, кори, краснухи, гриппа и др.), Аг некоторых микроорганизмов, транспозоны, онкогены.

 Частотамутаций. Средняя частота возникновения мутаций в структурных локусах оценена в пределах от 10^–5до 10^–6на одну гамету за каждое поколение. Весь геном содержит 310⁹пар оснований. Другими словами, каждое последующее поколение приобретает несколько десятков мутаций. В широко известном научному и медицинскому сообществу и ежедневно пополняемом Каталоге наследственных заболеваний человека (OMIM, Online Mendelian Inheritance in Man <http://www.ncbi.nlm.nih.gov/Omim/>) по состоянию на август 2004 г. перечислено не менее (и только!) 4600 моногенных болезней, вызываемых мутациями конкретного гена. Для значительного числа поражённых генов идентифицированы разные аллели, количество которых для некоторых моногенных болезней достигает десятков и сотен.

 Типыгенныхмутаций

 По характеру изменений в составе гена различают делеции, дупликации, инверсии, вставки, транзиции, миссенс- и нонсенс-мутации.

 Делеции— утрата сегмента ДНК размером от одного нуклеотида до гена.

 Дупликации— удвоение или повторное дублирование сегмента ДНК от одного нуклеотида до целых генов.

 Инверсии— поворот на 180сегмента ДНК размером от двух нуклеотидов до фрагмента, включающего несколько генов.

 Инсерции— вставка фрагментов ДНК размером от одного нуклеотида до целого гена.

 Трансверсии— замена пуринового основания на пиримидиновое или наоборот в одном из кодонов.

 Транзиции— замена одного пуринового основания на другое пуриновое или одного пиримидинового на другое в структуре кодона.

 Миссенс–мутация— замена нуклеотида в кодирующей части гена — приводит к замене аминокислоты в полипептиде.

 Нонсенс–мутация— замена нуклеотида в кодирующей части гена — приводит к образованию стоп‑кодона и прекращению трансляции.

 По последствиям генных мутаций их классифицируют на нейтральные, регуляторные и динамические, а также на миссенс- и нонсенс–мутации.

 Нейтральнаямутации(молчащая мутация) — мутация не имеет фенотипического выражения (например, в результате вырождённости генетического кода).

 Регуляторнаямутация— мутация в 5– или 3–нетранслируемых областях гена, такая мутация нарушает экспрессию гена.

 Динамическиемутации— мутации, обусловленные увеличением числа тринуклеотидных повторов в функционально значимых частях гена. Такие мутации могут привести к торможению или блокаде транскрипции, приобретению белковыми молекулами свойств, нарушающих их нормальный метаболизм.

 Хромосомныемутации(аберрации) характеризуются изменением структуры отдельных хромосом. При них последовательность нуклеотидов в генах обычно не меняется, но изменение числа или положения генов при аберрациях может привести к генетическому дисбалансу, что пагубно сказывается на нормальном развитии организма. Различают внутрихромосомные, межхромосомные и изохромосомные аберрации.

 Внутрихромосомныеаберрации— аберрации в пределах одной хромосомы. К ним относятся делеции, инверсии и дупликации.

 Делеция— утрата одного из участков хромосомы (внутреннего или терминального).

 Инверсия— встраивание фрагмента хромосомы на прежнее место после поворота на 180^°. В результате нарушается порядок расположения генов.

 Дупликация— удвоение (или умножение) какоголибо участка хромосомы (например, трисомии).

 Межхромосомныеаберрации— обмен фрагментами между негомологичными хромосомами — транслокации.

Различают три варианта транслокаций: реципрокные (обмен фрагментами двух хромосом), нереципрокные (перенос фрагмента одной хромосомы на другую), робертсоновские (соединение двух акроцентрических хромосом в районе их центромер с потерей коротких плеч, в результате образуется одна метацентрическая хромосома вместо двух акроцентрических).

 Изохромосомныеаберрации— образование одинаковых, но зеркальных фрагментов двух разных хромосом, содержащих одни и те же наборы генов. Это происходит в результате поперечного разрыва хроматид через центромеры (отсюда другое название — центрическое соединение).

 Изменениягенома. Геномные мутации характеризуются изменением числа хромосом. У человека известны полиплоидия (в том числе тетраплоидия и триплоидия) и анеуплоидия.

 Полиплоидия— увеличение числа наборов хромосом, кратное гаплоидному (3n, 4n, 5n и т.д.). Причины: двойное оплодотворение и отсутствие первого мейотического деления. У человека полиплоидия, а также большинство анеуплоидий приводят к формированиюлеталей.

 Анеуплоидия— изменение (уменьшение — моносомия, увеличение — трисомия) числа хромосом в диплоидном наборе, т.е. не кратное гаплоидному (2n+1, 2n‑1 и т.д.). Механизмы возникновения: нерасхождение хромосом (хромосомы в анафазе 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 хромосомам 21, 18 и 13) — приводит к развитиюсиндрома Дауна(трисомия хромосомы 21),синдрома Эдвардса(трисомия хромосомы 18),синдрома Патау(трисомия хромосомы 13).

 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 хромосоме X (45,Х0) — приводит к развитию синдромаШерешевского–Тёрнера.

 Типынаследования. Для любого моногенного заболевания существенной характеристикой является тип наследования: аутосомно–доминантный, аутосомно–рецессивный, сцепленный с хромосомой X (доминантный и рецессивный), голандрический (сцепленный с хромосомой Y) и митохондриальный.

 Диагностика. Ниже коротко перечислены цели и возможности клинико–синдромологического и клинико‑генеалогического методов (в том числе составление родословной и изучение близнецов), а также методов цитогенетической, биохимической и молекулярной (гибридизация ДНК [блоттинг,insituи т.д.], клонирование ДНК, полимеразная цепная реакция) диагностики.

 Клинико‑синдромологическийметодпозволяет выявлять морфологические, биохимические и функциональные признаки наследственных форм патологии (например, дефицит плазменного фактора VIII при подозрении на гемофилию A; кариотип 45,Х0 при подозрении на синдромШерешевского–Тёрнера; поражения скелета, сердечно–сосудистой системы и глаз при подозрении насиндром Марфана).

 Клинико‑генеалогическийметодвыявляет патологические признаки и прослеживает особенности их передачи в поколениях при составлении родословной.

 Составлениеродословнойначинают со сбора сведений о семье консультирующегося или пробанда. Терминология:консультирующийся— лицо, обратившееся к врачу,пробанд— больной или носитель изучаемого признака,сибсы(братья и сёстры) — дети одной родительской пары,семья— в узком смысле родительскую пара и их дети, но иногда и более широкий круг кровных родственников, хотя в последнем случае лучше применять терминрод.

 Близнецовыйметодбазируется на сравнительном анализе частоты определённого признака в разных группах близнецов, а также в сопоставлении с партнёрами монозиготных пар между собой и общей популяцией. Идентичность близнецов по анализируемому признаку обозначают какконкордантность, а отличие — какдискордантность. Роль наследственности и факторов среды в возникновении патологии у близнецов оценивают по специальным формулам.

 Цитогенетическаядиагностикаоснована на микроскопическом изучении хромосом с целью выявления структурных нарушений в хромосомном наборе (кариотипирование). В качестве материала используют тканевые культуры с большим числом делящихся клеток, чаще лимфоциты периферической крови. Хромосомы на стадии метафазы изучают при помощи специальных методов окрашивания и составляютидиограммы(систематизированные кариотипы с расположением хромосом от наибольшей к наименьшей), что позволяет выявлять геномные и хромосомные мутации.

 Биохимическаядиагностикабазируется на изучении биохимических показателей, отражающих сущность болезни (например, активность ферментов, наличие патологических метаболитов, концентрация компонентов ферментативной реакции).

 Молекулярнаядиагностика. При помощи методов ДНК‑диагностики устанавливают последовательность расположения отдельных нуклеотидов, выделяют гены и их фрагменты, устанавливают их наличие в изучаемых клетках. К числу наиболее эффективных методов относятся гибридизация ДНК, клонирование ДНК, полимеразная цепная реакция.

 ГибридизацияДНК. Для определения порядка расположения нуклеотидов в исследуемом генетическом материале изучаемую ДНК помещают в специальную среду, где происходит контакт ДНК с нитями другой нуклеиновой кислоты. В случае комплементарности каких‑либо двух нитей происходит их «сшивка». При специальных исследованиях используют генетические «зонды» — фрагменты меченной радиоактивным изотопом однонитевой ДНК с известной последовательностью нуклеотидов.

 Блот‑гибридизация. Для выявления интересующих (в том числе мутантных) генов ДНК подвергают рестрикции. Полученные фрагменты ДНК подразделяют по молекулярной массе, денатурируют и переносят на носитель (нейлоновую или иную мембрану). Фиксированную на носителе в виде пятна ДНК гибридизируют с меченым радиоактивным изотопом ДНК‑ или РНК‑зондом. В результате определяют положение аномального фрагмента ДНК.

 КлонированиеДНК. С помощью специализированных ферментов (ДНК‑рестриктаз) подразделяют нить ДНК на отдельные группы генов или на единичные гены. Для изучения признаков (в том числе патологических), кодируемых данными генами, особенностей транскрипции и трансляции создают нужное количество копий данного гена.

 Полимеразнаяцепнаяреакция(специфическая амплификация ДНК). Применяют для изучения локусов предполагаемых мутаций и других особенностей структуры ДНК. Для исследования можно использовать любой биологический материал, содержащий ДНК (например, кусочек ткани, капля или пятно крови, смыв полости рта, луковица корня волос). На первом этапе исследуемую ДНК подвергают отжигу: расщепляют на две нити при нагревании до 95–98 °C. Затем одну из нитей гибридизируют и стимулируют синтез последовательности, комплементарной исследуемой ДНК (с помощью ДНК‑полимеразы). В первом цикле полимеразной цепной реакции гибридизацию выполняют с исследуемым фрагментом ДНК, а в последующих — с вновь синтезированными. При каждом цикле реакции число синтезированных копий участка ДНК увеличивается двукратно. Циклы повторяют до накопления нужного количества ДНК.