Под генетическим полиморфизмом понимается состояние дли­тельного разнообразия генотипов, когда частота даже наиболее редко встречающихся генотипов в популяциях превышают 1%. Генетиче­ский полиморфизм поддерживается за счет мутаций и рекомбинаций генетического материала. Как показывают многочисленные исследо­вания, генетический полиморфизм широко распространен. Так, по теоретическим расчетам в потомстве от скрещивания двух особей, различающихся лишь по десяти локусам, каждый из которых пред­ставлен 4 возможными аллелями, окажется около 10 млрд. особей с различными генотипами.

Чем больше запас генетического полиморфизма в данной популя­ции, тем легче ей адаптироваться к новой среде и тем быстрее протекает эволюция. Однако, оценить количество полиморфных аллелей посредством традиционных генетических методов практически невозможно, поскольку сам факт присутствия какого-либо гена в генотипе устанавливается путем скрещивания особей, обладающих различными формами фенотипа, определяемого этим геном. Зная, какую долю в популяции составляют особи с различными фенотипами, можно выяснить, сколько аллелей участвуют в формировании данного признака.

Начиная с 60-х годов XX столетия для определения генетического полиморфизма стал широко применяться метод электрофореза белков (в том числе и ферментов) в геле. С помощью этого метода можно вызвать перемещение белков в электрическом поле в зависимости от их размера, конфигурации и суммарного заряда в разные участки ге­ля, а затем по расположению и числу проявляющихся при этом пятен проводить идентификацию исследуемого вещества. Для оценки сте­пени полиморфизма тех или иных белков в популяциях обычно ис­следуют около 20 и более локусов, а потом математическим путем определяют количество аллельных генов, соотношение гомо - и гетерозигот. Как показывают исследования, одни гены, как правило, бы­вают мономорфными, а другие - чрезвычайно полиморфными.

Различают переходный и сбалансированный полиморфизм, что зависит от селективной ценности генов и давления естественного отбора.

Переходный полиморфизм возникает в популяции, когда проис­ходит замещение аллеля, бывшего некогда обычным, другими алле­лями, придающими своим носителям более высокую приспособлен­ность (множественный аллелизм). При переходном полиморфизме наблюдается направленный сдвиг в процентном соотношении форм генотипов. Переходный полиморфизм - это главный путь эволюции, ее динамика. Примером переходного полиморфизма может быть явление индустриального механизма. Так, в результате загрязнения атмосферы в промышленных городах Англии за последние сто лет у более чем 80 видов бабочек, появились темные формы. Например, если до 1848 г. березовые пяденицы имели бледно-кремовую окраску с черными точками и отдельными темными, пятнами, то в 1848 г. в Манчестере появились первые темнотелые формы, а к 1895 г. уже 98% пядениц стало темнотелыми. Это произошло вследствие закопчения стволов деревьев и избирательного выедания светлотелых пя­дениц дроздами и малиновками. Позже было установлено, что темная окраска тела у пядениц осуществляется мутантным меланистическим аллелем.

Сбалансированный полиморфизм характеризуется отсутствием сдвига числовых соотношений различных форм, генотипов в популя­циях, находящихся в стабильных условиях среды. При этом процент­ное соотношение форм либо из поколения в поколение остается од­ним и тем же, либо колеблется вокруг какой-то постоянной величины. В противоположность переходному, сбалансированный полиморфизм - это статика эволюции. И.И. Шмальгаузен (1940) назвал его равновесным гетероморфизмом.

Примером сбалансированного полиморфизма служит наличие двух полов у моногамных животных, поскольку они обладают равно­ценными селективными преимуществами. Их соотношение в популя­циях составляет 1:1. При полигамии селективное значение у предста­вителей разных полов может отличаться и тогда представители одно­го пола либо уничтожаются, либо в большей степени, чем особи дру­гого пола, отстраняются от размножения. Другой пример - группы крови человека по АВО-системе. Здесь частота разных генотипов в различных популяциях может варьировать, однако, в каждой конкретной популяции она остается постоянной из поколения в поколение. Это объясняется тем, что ни один генотип не обладает селективным преимуществом перед другими. Так, хотя у мужчин с первой группы крови, как показывает статистка, ожидаемая продолжительность жизни, выше, чем у мужчин с другими группами крови, у них чаше, чем у других, развивается язва двенадцатиперстной кишки, которая в случае прободения может привести к смерти.

Генетическое равновесие в популяциях может нарушаться давлением спонтанных мутаций, возникающих с определенной частотой в каждом поколении. Сохранение или же элиминация этих мутаций зависит от того, благоприятствует ли им естественный отбор или про­тиводействует. Прослеживая судьбу мутаций в той или иной популя­ции, можно говорить о ее адаптивной ценности. Последняя равна 1, если отбор не исключает ее и не противодействует распространению. В большинстве случаев показатель адаптивной ценности мутантных генов оказывается меньше 1, а если мутанты совершенно не способны размножаться, то он равен нулю. Такого рода мутации отметаются естественным отбором. Однако, один и тот же ген может неоднократ­но мутировать, что компенсирует его элиминацию, производимую отбором. В таких случаях может быть достигнуто равновесие, когда появление и исчезновение мутировавших генов становится сбаланси­рованным. Примером может служить серповидноклеточная анемия, когда доминантный мутантный ген в гомозиготе приводит к ранней гибели организма, однако, гетерозиготы по этому гену оказываются устойчивыми к заболеванию малярией. В районах, где распростране­на малярия, имеет место сбалансированный полиморфизм по гену серповидноклеточной анемии, поскольку наряду с элиминацией гомо­зигот, действует контротбор в пользу гетерозигот. В результате разновекторного отбора в генофонде популяций поддерживаются в каждом поколении генотипы, обеспечивающие приспособленность организмов с учетом местных условий. Помимо гена в серповидноклеточности, в популяциях человека есть ряд других полиморфных генов, которые как предполагают, вызывают явление гетерозиса

Рецессивные мутации (в том числе и вредные), не проявляющиеся фенотипически у гетерозигот, могут накапливаться в популяциях до более высокого уровня, чем вредные доминантные мутации.

Генетический полиморфизм является обязательным условием для непрерывной эволюции. Благодаря ему в изменяющейся среде всегда могут быть генетические варианты предаптированные к этим усло­виям. В популяции диплоидных раздельнополых организмов может храниться в гетерозиготном состоянии, не проявляясь фенотипически, огромный запас генетической изменчивости. Уровень последней, оче­видно, может быть еще более высоким у полиплоидных организмов, у которых за фенотипически проявляющимся нормальным аллелем может скрываться не один, а несколько мутантных аллелей.

Полиморфизм (многоформность) – любое разнообразие форм одного и того же вида организмов. Полиморфизм является наиболее универсальным явлением жизни. Дж. Б.С. Холдейн назвал человека самым полиморфным видом на Земле. У человека полиморфны практически все признаки (цвет глаз, волос, форма носа и черепа, группа крови и т.д.). Полиморфизм может быть результатом как дискретной внутрипопуляционной изменчивости наследственного характера, так и может определяться нормой реакции.

Генетический полиморфизм возникает благодаря закреплению в популяции разных мутаций. Поэтому его классифицируют на: генный, хромосомный и геномный.

Генный полиморфизм обусловлен наличием двух или более аллелей. Например, способность людей ощущать вкус фенилтиомочевины определяется доминантным аллелем (ТТ, Тt ), рецессивные гомозиготы (tt ) – его не ощущают. Наследование групп крови определяют три аллели – I А, I В, I 0 . Хромосомный полиморфизм связан с хромосомными аберрациями, а геномный – с изменением наборов хромосом в кариотипе (гетероплоидия).

Полиморфные генетические системы по их предполагаемой природе включают в себя три группы полиморфизмов: транзиторный, нейтральный, балансированный.

Транзиторный полиморфизм объясняется сменой генетического состава популяции по рассматриваемому локусу. Один новый аллель в изменившихся условиях среды становится более выгодным и заменяет "исходный". Такой полиморфизм не может быть стабильным потому, что благодаря естественному отбору рано или поздно "исходный" аллель будет вытеснен новым и популяция будет мономорфной по "новому" аллелю. Скорость такого процесса нельзя заметить на протяжении жизни одного поколения.

При нейтральном полиморфизме из-за случайных стохастических процессов (дрейф генов, эффект основателя) происходит случайное изменение частот аллелей. Например, возникновения различий в адаптивно-индифферентных признаках (приросшая или свободная мочка уха). Изменения генных частот по этим признакам осуществляется по механизму дрейфа генов, чем и объясняется нейтральный тип их эволюции.

Балансированный полиморфизм – это полиморфизм, обусловленный сложным балансом между отбором против обеих гомозигот в пользу гетерозиготы. Рецессивный генотип подвергается более сильной элиминации, чем доминантный. Различия в скорости элиминации двух этих генотипов поддерживают постоянное, стабильное равновесное существование в популяции обеих аллелей с собственной для каждого частотой. Этим и объясняется стабильность такого полиморфизма. Наиболее полно изучены системы сбалансированного полиморфизма, связанные с отбором по малярии – аномальных гемоглобинов, талассемии, недостаточности эритроцитарного фермента глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы. Стабильность этих полиморфизмов исчезает в связи с успехами борьбы с малярией. Балансированный полиморфизм превращается в транзиторный. Однако для снижения генных частот теперь уже полностью патологических генов, поскольку нет нужды в защите от малярии, должно пройти несколько десятков поколений.

Большое число открытых к настоящему времени полиморфных систем у человека со значительным числом аллелей приводит к тому, что практически каждый человек обладает уникальным набором генов, что позволяет говорить о биохимической и иммунологической индивидуальности личности. Это имеет большое значение в медицинской практике, особенно в судебной экспертизе.

Обычно наследственная предрасположенность носит мультифакториальный характер и определяется множеством генов с преобладающим эффектом одного или нескольких генов. Для установления этих генов пользуются биохимическими и иммунологическими методами антропогенетики. В настоящее время описано более 130 полиморфных генных локусов, кодирующих полиморфные белки. Это белки-ферменты, антигены, транспортные белки и т.д. Высказываются суждения, что около одной трети структурных генов человека должны иметь множественные аллели, т.е. кодировать полиморфные продукты метаболизма. В таком большом выборе для генетической рекомбинации заложена возможность возникновения индивидов с неблагоприятными сочетаниями генов, определяющих наследственную предрасположенность к заболеваниям. Учитывая генетический полиморфизм, для конкретного определения генетического фактора предрасположения к болезни сравнивают частоту встречаемости тех или иных полиморфных белков (антигенов) при данной болезни и в контрольной группе здоровых людей. Имеются многочисленные сведения по ассоциациям болезней с иммунологическими маркерами – антигенами групп крови АВО, системы HLA, с гаптоглобинами крови и с секретором. В частности, установлена предрасположенность людей со 2 группой (А) крови к раку желудка, толстой кишки, яичника, шейки матки, ревматизму, ишемической болезни сердца, тромбоэмболиями и т.д. Люди с 1 группой крови (0) предрасположены к заболеваниям язвенной болезни желудка и двенадцатиперстной кишки и т.д.

Полиморфизм человеческих популяций. Генетический груз.

Полиморфизм. Классификация полиморфизма.

Генетический полиморфизм популяций человека.

Полиморфизм по группам крови.

Генетический груз.

Генетический груз в популяциях людей.

Генетические аспекты предрасположенности к заболеваниям.

Процесс видообразования с участием такого фактора, как естественный отбор, создает разнообразие живых форм, приспособленных к условиям обитания. Среди разных генотипов, возникающих в каждом поколении благодаря резерву наследственной изменчивости и перекомбинации аллелей, лишь ограниченное число обусловливает максимальную приспособленность к конкретной среде.

Полиморфизм – существование в единой панмиксной популяции двух и более резко различающихся фенотипов, которые могут быть нормальными или аномальными.

Полиморфизм – явление внутрипопуляционное.

Наследственный полиморфизм создается мутациями и комбинативной изменчивостью.

Классификация полиморфизма.

Полиморфизм бывает:

Хромосомный;

Переходный;

Сбалансированный.

1. Генетический полиморфизм наблюдается, когда ген представлен более чем одним аллелем.

Пример – системы групп крови.

2. Хромосомный полиморфизм – между особями имеются различия по отдельным хромосомам. Это результат хромосомных аббераций, есть различия в гетерохроматиновых участках. (Характаций нейтрален.

3. Переходный (адаптационный) полиморфизм – замещение в популяции одного старого аллеля новым, который более полезен в данных условиях.

Так, в популяциях двухточечных божьих коровок Adalia bipuncata при уходе на зимовку преобладают черные жуки, а весной - красные. Это происходит потому, что красные формы лучше переносят холод, а черные интенсивнее размножаются в летний период.

У человека есть ген гаптоглобина - Нр1f, Hp 2fs (гаптоглобин - белок плазмы крови, с высокой аффинностью, связывающий гемоглобин и высвобождающийся из эритроцитов, тем самым ингибирующий его окислительную активность). Старый аллель - Нр1f, новый - Нр2fs. Нр обусловливает слипание эритроцитов в острую фазу заболеваний.

4. Сбалансированный (гетерозиготный) полиморфизм – возникает, если отбор благоприятствует гетерозиготам в сравнении с рецессивными и доминантными гомозиготами.

Так, в опытной численно равновесной популяции плодовых мух Drosophila elanogaster,содержащей поначалу много мутантов с более темными телами (рецессивная мутация ebony), концентрация последних быстро падала, пока не стабилизировалась на уровне 10%. Анализ показал, что в созданных условиях гомозиготы по мутации ebony и гомозиготы по аллелю дикого типа менее жизнеспособны, чем гетерозиготные мухи. Это и создает состояние устойчивого полиморфизма по соответствующему локусу.

Одним из механизмов, поддерживающих разнообразие является сверхдоминантность - явление селективного преимущества гетерозигот.

Механизм положительного отбора гетерозигот различен. Правилом является зависимость интенсивности отбора от частоты, с которой встречается соответствующий фенотип (генотип). Так, рыбы, птицы, млекопитающие предпочитают обычные фенотипические формы добычи, "не замечая" редких.

В качестве примера - раковина у обыкновенной наземной улитки Cepaea nemoralis бывает желтая, различных оттенков коричневого, розовая, оранжевая или красная. На раковине может быть от одной до пяти темных полос, при этом коричневая окраска доминирует над розовой, а обе они - над желтой. Полосатость является рецессивным признаком. Улитки поедаются дроздами, использующими камень как наковальню, чтобы разбить раковину и добраться до тела моллюска. Подсчет числа раковин разной окраски вокруг таких "наковален" показал, что на траве или на лесной подстилке, фон которых достаточно однороден, добычей птиц чаще оказывались улитки с розовой и полосатой раковиной. На пастбищах с грубыми травами или в живых изгородях с более пестрым фоном чаще поедались улитки, раковины которых окрашены в светлые тона и не имели полос.

Самцы относительно редких генотипов могут иметь повышенную конкурентоспособность за самок. Селективное преимущество гетерозигот обуславливается также явлением гетерозиса. Повышенная жизнеспособность межлинейных гибридов отражает результат взаимодействия аллельных и неаллельных генов в системе геннотипо в в условиях гетерозиготности по многим локусам. Гетерозис наблюдается в отсутствие фенотипического проявления рецессивных аллелей. Это сохраняет скрытыми от естственного отбора неблагоприятные и даже летальные рецессивные мутации.

Балансированный полиморфизм придает популяции ряд ценных свойств, что определяет его биологическое значение. Генетически разнородная популяция осваивает более широкий спектр условий жизни, используя среду обитания более полно. В её генофонде накапливается больший объем резервной наследственной изменчивости. В результате она приобретает эволюционную гибкость и может, изменяясь в том или ином направлении, компенсировать колебания среды в ходе исторического развития.

Все формы полиморфизма - генетический, хромосомный, переходный и сбалансированный - весьма обычны и очень широко распространены в природе среди популяций всех организмов.

В популяциях организмов, размножающихся половым путем, всегда есть полиморфизм.

Сегодня под термином «полиморфизм » понимают любой признак, который детерминирован генетически и не являющийся следствием фенокопии. чень часто имеются 2 альтернативных признака, тогда говорят о диморфизме. Например, половой диморфизм (различия признаков мужских и женских особей раздельнополых видов)

Первый генетический полиморфный признак у человека был выявлен Ландштейнером в 1900 г. Это была система группы крови АВО.

До 1955 г. у человека было известно только несколько полиморфных генетических систем, преимущественно разные группы крови.

В 1955 г. Смитис описал метод электрофореза в крахмальном геле, который позволял разделять белки по их заряду и молекулярной массе. Благодаря использованию этого метода, Смитису удалось показать, что полиморфным является также сывороточный белок гаптоглобин.

Было установлено, что электрофоретические варианты гаптоглобина наследуются как кодоминантные признаки.

Вскоре генетический полиморфизм был обнаружен и для некоторых других сывороточных белков, а дополнение электрофореза методами определения ферментативной активности позволило установить, что полиморфизм свойствен также многим эритроцитарным, лейкоцитарным ферментам и ферментам плазмы крови.

К 70-м годам XIX в. было известно, по-видимому, не менее 100 белковых полиморфизмов, которые можно было выявить с помощью различных вариантов электрофореза.

К сожалению, большая часть белковых полиморфизмов оказалась малопригодной для анализа сцепления с генами наследственных болезней, но сыграла исключительную роль в изучении генетической структуры популяций человека. Иные возможности для исследования сцепления и картирования генов открыли ДНК-полиморфизмы.

К мультифакториальным заболеваниям относится подавляющее большинство хронических болезней человека, включая сердечнососудистые, эндокринные, иммунные, нервно-психические, онкологические и др. Полиморфизмы «генов предрасположенности» в сочетании с неблагоприятными внешними факторами (нерациональное питание, вредные привычки, загрязнения окружающей среды, инфекции) повышают риск развития заболевания.

В ходе эволюции SNP появляются в результате мутации единого аллеля-предшественника. Такое огромное количество изменений в жизненно-важной генетической программе возникает потому, что в ДНК любой клетки человека ежедневно происходят тысячи случайных изменений (например, депуринизация - отрыв основания аденина или гуанина от нуклеотида), а в процессе репликации самым частым классом ошибок являются замены одиночных пар нуклеотидов. Замена нуклеотида в последовательности ДНК может произойти в регулирующей области гена и значительно изменить уровень его экспрессии (количество транскрибируемой РНК), либо в кодирующей области, отвечающей непосредственно за «считываемый» с гена белок-продукт. А может быть и такой случай, что ДНК мутирует, а продукт гена остается неизменным - в этом случае говорят о синонимичной замене .

Скорость мутации нуклеотидной пары равна примерно 10 −8 на поколение. Зная число пар нуклеотидов в геноме (3 млрд.) можно вычислить, что каждая гамета содержит примерно 30 однонуклеотидных замен, т.е. каждый ребенок в мире рождается с примерно 60 новыми SNP! Изменение одной «буквы» в гене может существенно повлиять на работу белка-продукта за счет изменения пространственной организации белковых доменов (рис. 1), либо за счет нарушения посттранскрипционных изменений РНК (сплайсинга и редактирования) или посттрансляционных модификаций белка (процессинга и присоединения различных химических групп к аминокислотным остаткам). А может и не повлиять. Такие несинонимичные замены (nSNVs - nonsynonymous single nucleotide variants) с точки зрения эволюции считаются нейтральными (ни вредными, ни полезными). Большая часть SNP, конечно же, относится именно к этому классу, иначе рождаемые дети просто-напросто не выживали бы.

Рисунок 1. Вредные несинонимичные замены. Пример такой замены - полиморфизм PAH R408W, причина довольно известного заболевания фенилкетонурии (ФКУ). На этикетках газированных напитков и жевательных резинок можно встретить надпись «не рекомендовано больным фенилкетонурией». А все потому, что эти продукты содержит подсластитель аспартам , который состоит из двух аминокислот - аспарагиновой кислоты и фенилаланина. Организм здорового человека последнюю перерабатывает, однако у больных ФКУ - редким врожденным заболеванием (оно диагностируется у одного из 10 000 новорожденных) - фенилаланин и продукты его распада накапливаются в организме и могут привести к поражению мозга. Больных детей до совершеннолетия нужно кормить пищей, не содержащей фенилаланина. На молекулярном уровне это объясняется тем, что в гене фенилаланин-4-гидроксилазы в 12-м экзоне происходит замена цитозина на тимин. Вследствие этого возникает замена аргинина на триптофан в 408 положении аминокислотной последовательности печеночного фермента, который в норме катализирует превращение фенилаланина в тирозин. В результате замены нарушается сборка активного белка («портится» взаимодействие между двумя субъединицами тетрамера), и фермент не может больше выполнять свои функции. На рисунке изображена доменная структура олигомера гидроксилазы и обнаруженные SNР, нарушающие фолдинг белка .

Один ген может иметь много полиморфных вариантов. Большинство замен в них является безвредными (нейтральными). Наиболее часто встречаемый аллель называют нормальным, а редкие варианты - мутантными. Если при конкретном заболевании наблюдается более высокая частота определенного аллельного варианта (неважно - мутантного или нормального), то такой SNP называют ассоциированным с заболеванием, а полиморфный ген - геном-кандидатом предрасположенности к развитию МФЗ. Развитие МФЗ может быть запущено либо одной причиной, либо комбинацией нескольких, которые могут быть чисто генетическими (например, один или несколько аллельных вариантов комплекса генов), либо чисто средовыми (например, химические аллергены, действию которых подвергается работник лакокрасочного завода или парикмахер), либо поведенческими (например, пристрастие к определенной пище), либо социальными или психологическими. При этом индивидуальный вклад каждой причины в проявление болезни может быть незначительным, и только их сумма ведет к развитию заболевания.

Пример МФЗ, к развитию которого приводит только наличие определенных комбинаций аллельных вариантов в генах предрасположенности - невынашивание беременности (НБ) (рис. 2). Сочетание аллельных вариантов с действием факторов среды пока мало изучено, однако на данный момент в мире исследованы SNP более 90 генов, относящихся к генной сети патологии беременности. Большая часть работ посвящена исследованию генов системы детоксикации, фолатного обмена, факторов свертывания крови, HLA-системы, факторов роста, генов антиоксидантной защиты и генов, вовлеченных в воспалительные процессы.

Рисунок 2. Имплантация эмбриона и причины невынашивания. Успех беременности зависит от полноценной имплантации эмбриона в организм матери. Успешная имплантация - результат сложных взаимодействий между гормонально подготовленным эндометрием матки и зрелой бластоцистой. Имплантация бластоцисты в эндометрий включает два этапа: 1) адгезия двух клеточных систем - эндометрия и трофобласта - и 2) децидуализация стромы эндометрия. Затем начинается фаза внедрения трофобласта в стенку эндометрия и активная дифференцировка трофобласта. Активно делящиеся клетки цитотрофобласта, сливаясь, образуют путем эндоредупликации синцитиотрофобласт, напрямую контактирующий с материнской кровеносной системой. В этом процессе активно задействованы все молекулы-участники регуляции и контроля клеточного цикла. Цитотрофобласт внедряется в децидуа и изменяет кровеносные сосуды матери для обеспечения тока крови к плоду: образуются хорион и плацента. Если при формировании плаценты инвазия трофобласта будет недостаточной, то произойдет выкидыш или задержка развития плода .

Рисунок 4. Механизм работы системы контроля повреждений ДНК. В раннем эмбриональном периоде происходит активное деление как клеток плода, так и материнских клеток. Этот процесс осуществляется ансамблем слаженно действующей системы репарации. Излучения (радиация, УФ), побочные продукты метаболизма, которые образуются внутри клеток, токсины, попадающие в организм с воздухом, пищей или питьем, а также ошибки репликации вызывают изменения в нуклеотидной последовательности ДНК, которые в норме узнаются белками-участниками контроля клеточного цикла.
Среди последних - белковые продукты генов CHEK2 и TP53 , которые останавливают деление клеток и являются объектом нашего исследования. После того, как они срабатывают, ошибка исправляется белками репарации, в числе которых - белковые продукты генов APEX1 и XPD, также ставшие объектами нашей работы. Если же ошибку исправить не удастся, то включается механизм «самоубийства» клетки (апоптоза). Всё это вместе составляет сложную сеть взаимодействующих сигнальных каскадов в клетке, изменение работы одного из которых может привести к нарушению работы и гибели клетки.

Показано, что при различных осложнениях беременности наблюдается повышенный уровень апоптоза в трофобласте . В результате происходит недостаточная подготовка стенок матки к имплантации эмбриона и изменения в маточно-плацентарных артериях, что приводит к снижению кровотока в них. Следствием этого является гипоксия, запускающая механизм окислительного стресса. Гипоксия усиливает апоптоз в трофобласте путем повышения экспрессии ТР53.

Именно поэтому для своих исследований мы выбрали гены системы репарации и контроля клеточного цикла. Исследование генов, контролирующих процесс репарации, - одна из важных задач в раскрытии патогенетических звеньев имплантации эмбриона и децидуализации эндометрия. Знание их роли в патогенезе невынашивания беременности позволяет, с одной стороны, прогнозировать риск развития патологии или тяжесть ее течения, с другой - индивидуально подобрать специфическую терапию для конкретного пациента.

История одного исследования

Участницы нашего исследования были разделены на две группы: женщины с нормально протекавшей беременностью, решившие прервать данную беременность на сроке 6–12 недель, и женщины с НБ. Из тканей матери (периферическая кровь и эндометрий) и плода (хорион, эмбрион) выделяли ДНК и изучали геном испытуемых на наличие аллельных вариантов Asp148Glu, Lys751Gln, 1100delC и Pro72Arg генов APEX1 , XPD , CHEK2 и TP53 , соответственно. Всё это - гены системы контроля клеточного цикла и репарации ДНК.

Анализ экспрессии этих генов позволил выявить возможные причины и механизмы нарушения процессов эмбриогенеза, приводящих к развитию патологии беременности. В ходе исследования мы обнаружили, что при одновременном наличии полиморфных аллелей изучаемых генов (как в генотипе плода, так и в генотипе матери) достоверно повышается вероятность развития патологии беременности. Большая часть полученных нами отличий в частоте полиморфных аллелей между исследуемыми группами выявлена именно при анализе фетальной ткани (хорион), что говорит о значительном вкладе отцовского генотипа в нормальное развитие беременности.

Это объясняется тем, что процесс имплантации эмбриона контролируется сложной молекулярной машиной, руководимой белками-участниками систем репарации и контроля клеточного цикла (рис. 5). Во время активного деления клеток неизбежно возникновение ошибок. Эти ошибки контролируются в специальных «сверочных точках» (чекпоинтах) клеточного цикла. Белки-сенсоры обнаруживают повреждения ДНК и активируют белки-датчики, которые, в свою очередь, активируют белки-эффекторы. Одним из таких белков является CHEK2 (чекпоинт-киназа2). Киназа активирует опухолевый супрессор TP53, известный также как «страж генома». Этот белок подавляет развитие многих типов новообразований, стимулирует остановку клеточного цикла и репарацию или апоптоз (в зависимости от физиологических условий и типа клеток). Действуя в качестве транскрипционного фактора, TP53 связывается со специфическими последовательностями ДНК и активирует большое число генов-мишеней. Известно, например, что TP53 избирательно индуцирует экспрессию гена хорионического гонадотропина человека (ХГЧ). ХГЧ - один из самых ранних формируемых эмбрионом сигналов, который обеспечивает поддержание продукции прогестерона и иммунную толерантность материнских тканей к ткани плода (являющейся наполовину чужеродной для организма матери из-за наличия отцовского генома).

ТР53 вызывает остановку клеточного цикла, активирует репарацию и транскрипцию необходимых для этого процесса генов (XPD , APEX1 ). APEX1 - эндонуклеаза, разрезающая ДНК в депуринизованных участках, способствуя процессам репарации. Кроме того, она может выступать в качестве транскрипционного фактора, активирующего ТР53 в ответ на окислительный стресс. Ген XPD кодирует белок, носящий название «хеликазная XPD субъединица основного комплекса транскрипционного фактора TFIIH». (Хеликаза - это белок, «расплетающий» двойную спираль во время репликации.) В случае успешной репарации ход клеточного цикла возобновляется, в противном же случае ТР53 запускает механизм апоптоза.

Рисунок 5. Взаимодействие белков репарации и контроля клеточного цикла. В ответ на повреждение ДНК чекпоинт-киназа активирует опухолевый супрессор, который вызывает остановку клеточного цикла и активирует хеликазу и эндонуклеазу, осуществляющие репарацию.

В результате SNP гена в молекуле его белкового продукта одна аминокислота может быть заменена на другую, что приводит к изменению конформации, размера, заряда и других свойств белка. Часто эти изменения приводят к изменению активности (как в случае с TP53, рис. 6) или потере функции (как в случае с CHEK2, рис. 7).

Рисунок 6. Повышение активности белка опухолевого супрессора TP53 в результате SNP кодирующего его гена. Полиморфизм Pro72Arg белка TP53 расположен в участке, богатом пролином и отвечающем за взаимодействие ингибитором TP53. Ингибитор связывается с Pro-формой гораздо сильнее, чем с Arg-формой, поэтому TP53/Arg72 эффективнее активирует апоптоз, чем исходная форма.

Рисунок 7. Потеря белком киназной функции в результате SNP в кодирующем его гене. Полиморфизм 1100delC гена CHEK2 приводит к экспрессии укороченного киназного домена. Это приводит к тому, что активация белка в ответ на повреждения ДНК становится невозможной (для нее необходимы 387 и 383 остатки треонина, а длина мутантного белка лишь 381 остаток из-за делеции).

При случайном одновременном наличии нескольких аллельных вариантов, продукты генов которых задействованы в выполнении схожих функций, может произойти нарушение работы всего метаболического пути и клетки в целом. Так, полиморфизм Lys751Gln гена XPD нарушает связывание с транскрипционным фактором (ТФ) IIH, действующим на ядерные рецепторы и обеспечивающим контроль активации генов гормонального ответа, необходимый для нормального развития плаценты. Вследствие этого в сыворотке крови матери повышается уровень ХГЧ (хорионического гонадотропина человека) и нарушается функция плаценты. SNP попадает в домен, богатый пролином, необходимый белку для полной индукции апоптоза. В случае неэффективной имплантации эмбриона и возникновения гипоксии будут нарушены механизмы апоптоза. Кроме того, ТР53 не сможет эффективно активировать необходимый для имплантации регулятор LIF и белок р21, запускающий процесс эндоредупликации в эндометрии, а также ХГЧ, участвующий в плацентации посредством стимуляции роста сосудов.

Полиморфные варианты генов системы репарации и контроля клеточного цикла производят менее активные белки репарации и специфические протеинкиназы, что вносит немалый вклад в развитие патологии беременности вследствие несрабатывания механизма корректировки повреждений ДНК, появления геномной нестабильности и запуска апоптоза в материнских и фетальных клетках (клетках плода), что подтвердилось в ходе нашего исследования.

По ту сторону добра и зла

Особенности спектров генетических полиморфизмов в зависимости от географических условий, диеты и этнической принадлежности говорят о невидимой руке естественного отбора. Имеются исследования, в которых было установлено, что частота аллеля Pro гена ТР53 тесно связана с географической широтой и температурой: она гораздо выше в экваториальных популяциях (рис. 8) .

Рисунок 8. Предполагаемый механизм отбора полиморфизма гена TP53. Под влиянием более низких температур в популяции отбирается TP53 Arg72 аллель, так как он дает более активную форму TP53, повышающего активность белков SCO2 (участвует в синтезе АТФ) и TIGAR (участвует в регуляции гликолиза и защите от окислительного стресса). TP53 Arg72 аллель участвует в регуляции метаболизма и имплантации эмбриона и повышении уровня приспособленности.

Эти факты особенно интересны в свете нейтральной теории молекулярной эволюции (НТМЭ), которая объясняет происхождение и распределение nSNV, ассоциированных с болезнями. Авторы одного из недавних исследований предполагают, что большинство аллельных вариантов, ассоциированных с заболеваниями, в современных человеческих популяциях изначально были нейтральными, а некоторые из них могли иметь адаптивное значение (например, замена глутамина на валин в одной из цепей гемоглобина - причина серповидно-клеточной анемии). В рамках этой теории nSNV, ассоциированные с МФЗ, имеют равную скорость эволюции с нейтральными nSNV. Это объясняется тем, что на них, в отличие от nSNV, приводящих к развитию моногенных болезней (например, фенилкетонурии), не действует очищающий отбор , элиминирующий заболевших индивидов . Этот подход хорошо объясняет то, что исследуемый нами полиморфизм Asp148Glu гена АРЕХ1 является исключительно нейтральным для функционирования белка - он не теряет своей эндонуклеазной активности , - однако нами выявлена достоверная связь между наличием этого SNP в генотипе матери или плода и невынашиванием беременности.

Таким образом, НТМЭ обеспечивает клиническую генетику информативной базой для объективной оценки адаптивных событий человеческой истории как одной из основных причин заболеваний человека.

Заключение

Индивидуальный вклад каждой причины в проявление болезни может быть незначительным, и только их суммы может оказаться достаточно для развития заболевания. Именно поэтому очень сложно определить, какой именно фактор послужил сигналом для запуска патогенеза. С точки зрения индивидуального прогноза здоровья и оценки риска МФЗ каждый персональный геном дает исчерпывающую информацию о носительстве аллелей, связанных с клиническими фенотипами. Ярким примером МФЗ является невынашивание беременности (НБ). Частота невынашивания в первые три месяца беременности может достигать 80%, и, по меньшей мере, половина этих случаев происходит по непонятным причинам.

Интеграция геномики и феномики в рамках системной биологии, появившиеся в последнее время новые мощные инструменты описания и анализа генетического разнообразия - секвенирование индивидуальных геномов и полногеномный анализ SNP на биочипах, проекты HapMap и «1000 геномов» - дают надежду на быстрый прогресс в каталогизации генетического разнообразия, связанного с риском развития распространенных болезней. Эта информация повысит эффективность лекарственной терапии и перебросит мостик от фундаментальных научных исследований к доказательным рекомендациям в персонифицированной медицине.

Молекулярно-генетическая диагностика позволит врачу заглянуть в индивидуальную программу жизни человека, увидеть особенности его организма, предрасположенность к одним заболеваниям и устойчивость к другим. Таким образом, диагностика заболеваний на досимптомном этапе развития позволит своевременно провести адекватную профилактику заболевания (например, невынашивания беременности или сахарного диабета) и назначить индивидуальную, подходящую именно для этого пациента схему лечения.

Существование генных полиморфизмов является результатом действия факторов микроэволюции и вносит вклад в генетическое разнообразие популяции, тем самым обеспечивая их удивительной способностью изменяться в соответствии с бесконечной изменчивостью окружающего мира. Исследование и выявление генных полиморфизмов, вносящих вклад в развитие того или иного заболевания, имеет прямую прогностическую ценность. Именно такой подход к терапии позволит свести к минимуму неблагоприятные эффекты лекарственных препаратов, сохранить пациенту здоровье и даже жизнь.

Литература

1. Перевалило за тысячу: третья фаза геномики человека ;
2. Gersting S.W., Kemter K.F., Staudigl M., Messing D.D., Danecka M.K., Lagler F.B., Sommerhoff C.P., Roscher A.A., Muntau A.C. (2008). Loss of Function in Phenylketonuria Is Caused by Impaired Molecular Motions and Conformational Instability . Am. J. Hum. Genet. 83, 5–17; ;
3. Dudley J.T. Kim Y., Liu L., Markov G.J., Gerold K., Chen R., Butte A.J., Kumar S. (2012). Human genomic disease variants: A neutral evolutionary explanation . Genome Res. 22, 1383–1394; ;
4. Щербаков В.И. (2011). Апоптоз в трофобласте и его роль при патологии беременности. Успехи современной биологии 131(№ 2), 145–158; ;
5. Куцын К.А., Коваленко К.А., Машкина Е.В., Шкурат Т.П. (2013). Молекулярно-генетический анализ полиморфизмов генов системы репарации и контроля клеточного цикла у женщин с невынашиванием беременности . Современные проблемы науки и образования 1;
6. Shi H., Tan S.J., Zhong H., Hu W., Levine A., Xiao C.J., Peng Y., Qi X.B., Shou W.H., Ma R.L., Li Y., Su B., Lu X. (2009). .

Генетический полиморфизм - это состояние, при котором наблюдается длительное разнообразие генов, но при этом частота наиболее редко встречающегося гена в популяции больше одного процента. Поддержание его происходит за счет постоянной мутации генов, а также их постоянной рекомбинации. Согласно исследованиям, которые провели ученые, генетический полиморфизм получил широкое распространение, ведь комбинаций гена может быть несколько миллионов.

Большой запас

От большого запаса полиморфизма зависит лучшая адаптация популяции к новой среде обитания, и в таком случае эволюция происходит намного быстрее. Произвести оценку всего количества полиморфных аллелей, используя традиционные генетические методы, нет практической возможности. Связано это с тем, что наличие определенного гена в генотипе осуществляется за счет скрещивания особей, которые имеют различные фенотипические особенности, определяемые геном. Если знать, какую часть в определенной популяции составляют особи, имеющие различный фенотип, то становится возможным установить количество аллелей, от которых зависит формирование того или иного признака.

Как все начиналось?

Генетика стала бурно развиваться в 60-е годы прошлого столетия, именно тогда стал применяться или ферментов в геле, который позволил определить генетический полиморфизм. Что это за метод? Именно при помощи него вызывается перемещение белков в электрическом поле, которое зависит от размера перемещаемого белка, его конфигурации, а также суммарного заряда в разных участках геля. После этого, в зависимости от расположения и числа пятен, которые появились, проводится идентификация определившегося вещества. Чтобы оценить полиморфизм белка в популяции, стоит исследовать приблизительно 20 или большее количество локусов. Затем с использованием математического метода определяется количество а также соотношение гомо- и гетерозигот. По данным исследований, одни гены могут быть мономорфными, а другие - необычайно полиморфными.

Виды полиморфизма

Понятие полиморфизма чрезвычайно широкое, оно включает в себя переходный и сбалансированный вариант. Зависит это от селективной ценности гена и естественного отбора, который давит на популяцию. Помимо этого, он может быть генным и хромосомным.

Генный и хромосомный полиморфизм

Генный полиморфизм представлен в организме аллелями в количестве более одного, ярким примером этого может стать кровь. Хромосомный представляет собой различия в пределах хромосом, который происходит за счет аберраций. При этом в гетерохроматиновых участках есть различия. В случае отсутствия патологии, которая приведет к нарушению или гибели, такие мутации носят нейтральный характер.

Переходный полиморфизм

Переходный полиморфизм возникает в том случае, когда в популяции происходит замещение аллеля, который когда-то был обычным, другим, который обеспечивает своего носителя большей приспосабливаемостью (это также называется множественным аллелизмом). При данной разновидности есть направленный сдвиг в процентном содержании генотипов, за счет него происходит эволюция, и осуществляется ее динамика. Явление индустриального механизма может стать хорошим примером, который охарактеризует переходный полиморфизм. Что это такое, показывает простая бабочка, которая с развитием промышленности сменила белый цвет своих крыльев на темный. Данное явление начали наблюдать в Англии, где более чем 80 видов бабочек из бледно-кремовых цветов стали темными, что впервые подметили после 1848 года в Манчестере в связи с бурным развитием промышленности. Уже в 1895 году более 95% пядениц приобрели темную окраску крыльев. Связаны такие перемены с тем, что стволы деревьев стали более закопченными, и светлые бабочки стали легкой добычей дроздов и малиновок. Перемены произошли за счет мутантных меланистических аллелей.

Сбалансированный полиморфизм

Определение "полиморфизм сбалансированный" характеризует отсутствие сдвига любых числовых соотношений различных форм генотипов в популяции, которая находится в стабильных условиях среды обитания. Это означает, что из поколения в поколение соотношение остается одним и тем же, но может незначительно колебаться в пределах той или иной величины, которая является постоянной. В сравнении с переходным, сбалансированный полиморфизм - что это? Он в первую очередь является статикой эволюционного процесса. И. И. Шмальгаузен в 1940 году дал ему также название равновесного гетероморфизма.

Пример сбалансированного полиморфизма

Наглядным примером сбалансированного полиморфизма может стать наличие двух полов у многих моногамных животных. Связано это с тем, что у них есть равноценные селективные преимущества. Соотношение их в пределах одной популяции всегда равное. При наличии в популяции полигамии селективное соотношение представителей обоих полов может быть нарушено, в таком случае представители одного пола могут либо полностью уничтожиться, либо устраняются от размножения в большей степени, чем представители противоположного пола.

Другим примером может стать групповая принадлежность крови по системе АВ0. В этом случае частота различных генотипов в различных популяциях может быть различной, но наравне с этим из поколения в поколение она не меняет своего постоянства. Проще говоря, ни один генотип не имеет селективного преимущества перед другим. По данным статистики, мужчины, имеющие первую группу крови, имеют большую ожидаемую продолжительности жизни, чем остальные представители сильного пола с другими группами крови. Наравне с этим, риск развития язвенной болезни 12-перстной кишки при наличии первой группы выше, но она может перфорироваться, и это станет причиной смерти в случае позднего оказания помощи.

Генетическое равновесие

Данное хрупкое состояние может нарушаться в популяции как следствие возникающих они при этом должны быть с определенной частой и в каждом поколении. Исследования показали, что полиморфизмы генов системы гемостаза, расшифровка которых дает понять, эволюционный процесс способствует данным изменениям или, наоборот, противодействует, крайне важны. Если проследить ход мутантного процесса в той или иной популяции, то можно также судить о ее ценности для адаптации. Она может быть равна единице, если в процессе отбора мутация не исключается, и препятствий к ее распространению нет.

Большинство случаев показывают, что ценность таких генов менее единицы, а в случае неспособности таких мутантов к размножению и вовсе все сводится к 0. Мутации такого рода отметаются в процессе естественного отбора, но это не исключает неоднократное изменение одного и того же гена, что компенсирует элиминацию, которая осуществляется отбором. Тогда достигается равновесие, мутировавшие гены могут появляться или, наоборот, исчезать. Это приводит к сбалансированности процесса.

Пример, который может ярко охарактеризовать происходящее, - серповидноклеточная анемия. В данном случае доминантный мутировавший ген в гомозиготном состоянии способствует ранней гибели организма. Гетерозиготные организмы выживают, но они более восприимчивы к заболеванию малярией. Сбалансированный полиморфизм гена серповидноклеточной анемии можно проследить в местах распространения данного тропического заболевания. В такой популяции гомозиготы (особи с одинаковыми генами) элиминируются, наравне с этим действует отбор в пользу гетерозигот (особей с разными генами). За счет происходящего разновекторного отбора в генофонде популяции происходит поддержание в каждом поколении генотипов, которые обеспечивают лучшую приспосабливаемость организма к условиям среды обитания. Наравне с наличием гена серповидноклеточной анемии в есть и другие разновидности генов, характеризующие полиморфизм. Что это дает? Ответом на этот вопрос станет такое явление, как гетерозис.

Гетерозиготные мутации и полиморфизм

Гетерозиготный полиморфизм предусматривает отсутствие фенотипических изменений при наличии рецессивных мутаций, даже если они несут вред. Но наравне с этим они могут накапливаться в популяции до высокого уровня, который может превышать вредные доминантные мутации.

эволюционного процесса

Эволюционный процесс является непрерывным, и обязательным его условием есть полиморфизм. Что это - показывает постоянная приспосабливаемость той или иной популяции к среде своего обитания. Разнополые организмы, которые обитают в пределах одной группы, могут быть в гетерозиготном состоянии и передаваться из поколения в поколение на протяжении многих лет. Наравне с этим фенотипического проявления их может и не быть - за счет огромного запаса генетической изменчивости.

Ген фибриногена

В большинстве случаев исследователями рассматривается полиморфизм гена фибриногена как предшествующее состояние для развития ишемического инсульта. Но в данный момент на первый план выходит проблема, при которой генетические и приобретенные факторы способны оказывать свое влияние на развитие данного заболевания. Данная разновидность инсульта развивается за счет тромбоза артерий головного мозга, а, изучая полиморфизм гена фибриногена, можно понять многие процессы, влияя на которые, недуг можно предупредить. Связи генетических изменений и биохимических показателей крови в данный момент учеными недостаточно изучены. Дальнейшие исследования позволят влиять на ход заболевания, изменять его течение или просто предупреждать его на ранней стадии развития.