Генетический полиморфизм популяций человека.

Человечеству свойствен высокий уровень наследственного разнообразия, что проявляется в многообразии фенотипов. Люди отличаются друг от друга цветом кожных покровов, глаз, волос, формой носа и ушной раковины, рисунком эпидермальных гребней на подушечках пальцев и другими сложными признаками. Выявлены многочисленные варианты отдельных белков, различающиеся по одному или нескольким аминокислотным остаткам и, следовательно, функционально.

Белки являются простыми признаками и прямо отражают генетическую конституцию организма. Разнородные конституциональные типы отличаются друг от друга особенностями адаптаций к внешним условиям. Особенно отчетливо отличаются друг от друга типы " стайер" и " спринтер". Организм стайера довольно слабо приспособлен к выдерживанию мощных кратковреме нных нагрузок, однако после относительно короткой перестройки он способен переносить длительные равномерные воздействия экологических факторо в в неадекватных условиях.

Тип «спринтер» может осуществлять мощные физиологические реакции в ответ

на сильные, но непродолжительные воздействия экстремальными

экологическими условиями. Длительное действие неблагоприятных факторов

даже относительно небольшой интенсивности переносится спринтерами плохо.

Наряду с этими крайними типами существует промежуточный вариант —

«микст», характеризующийся средними адаптационными способностями.

У спринтеров и стайеров обнаруживаются различия по ряду

антропометрических показателей, имеющих генетическую природу: масса

тела, рост, объем грудной клетки, а также по функциональным признакам:

величина артериального давления, емкость легких, соотношение форменных

элементов крови, ее свертываемость и др. Отмеченные конституциональные

типы отличаются друг от друга также различной заболеваемостью. Так,

спринтеры более склонны иметь сердечно-сосудистые заболевания. Течение

их в этой группе лиц более тяжелое. Тип «спринтер» оказывается более

легко адаптирующимся в экстремальных экологических ситуациях на

протяжении первых месяцев и лет после попадания в соответствующие

условия. Особенности стайеров менее выигрышны в условиях акклиматизации,

но по истечении указанного срока их состояние значительно улучшается.

Таким образом, исходный генетический полиморфизм человеческих популяций играет важную роль в процессах их адаптаций к новым экстремальным условиям.

У людей не совпадают группы крови по системам эритроцитарных антигенов Rh, АВ0, MN.

Известно более 130 вариантов гемоглобина, более 70 вариантов фермента глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы (Г6ФД), который участвует в бескислородном расщеплении глюкозы в эритроцитах. В целом не менее 30% генов, контролирующих у человека синтез ферментных и других белков, имеют несколько аллельных форм.

Частота встречаемости разных аллелей одного гена варьирует.

Так, из многих вариантов гемоглобина лишь четыре обнаруживаются в некоторых популяциях в высокой концентрации:

- HbS (тропическая Африка, Средиземноморье);

- НЬС (Западная Африка);

- HbD (Индия);

- НЬЕ (Юго-Восточная Азия).

Концентрация других аллелей гемоглобина повсеместно не превышает, видимо, 0, 01—0, 0001.

Вариабельность распространенности аллелей в популяциях людей зависит от действия элементарных эволюционных факторов. Важная роль принадлежит мутационному процессу, естественному отбору, генетико-автоматическим процессам, миграциям.

Мутационный процесс создает новые аллели, и в человеческих популяциях он действует ненаправленно, случайным образом. В силу этого отбор не приводит к выраженному преобладанию концентрации одних аллелей над другими. В достаточно большой популяции, где каждая пара родителей из поколения в поколение дает двух потомков вероятность сохранения новой нейтральной мутации через 15 поколений составляет всего 1/9.

Все многообразие вариантов белков, отражающее разнообразие аллелей в генофонде человечества, можно разделить на две группы.

К одной из них относятся редкие варианты, встречающиеся повсеместно с частотой менее 1%. Появление их объясняется исключительно мутационным процессом.

Вторую группу составляют варианты, обнаруживаемые относительно часто в избранных популяциях.

Так, в примере с гемоглобинами к первой группе относятся все варианты, кроме HbS, HbC, HbD и HbE.

Длительные различия в концентрации отдельных аллелей между популяциями, сохранение в достаточно высокой концентрации нескольких аллелей в одной популяции зависят от действия естественного отбора или дрейфа генов.

Генетический груз

В 1960г Хабби и Левонтин предложили использовать метод электрофореза для определения морфологии белков человека и животных - благодаря заряду происходит распределение белков по слоям (метод очень точен).

Примером могут служить изоферменты (у организмов одного и того же вида есть несколько форм ферментов, катализирующих одну химическую реакцию, но различающихся по строению, активности и физико-химическим свойствам).

16% локусов структурных генов – полиморфны. Существует 30 форм глюкозы-6-фосфатазы. Часто есть сцепление с полом. В клинике давно различают лактатдегидрогеназы (ЛДГ), которых существует 5 форм. Этот фермент осуществляет превращение глюкозы в пируват, концентрация того или иного изофермента в разных органах различает, на чем основана лабораторная диагностика заболеваний.

Беспозвоночные животные полиморфнее, чем позвоночные. Чем полиморфнее популяция, тем более она эволюционно пластична. В популяции большие запасы аллелей не обладают максимальной приспособленностью в данном месте в данное время. Эти запасы встречаются в небольшом количестве и гетерозиготном состоянии. После изменений условий существования они могут стать полезными и начать накапливаться – переходный полиморфизм. Большие генетические запасы помогают популяции реагировать на окружающую среду.

В следствие того, что в популяции отбор поддерживает генетически неустойчивую гетерозиготную структуру, популяция содержит 3 типа особей (АА, Аа, аа). В результате действия естественного отбора происходит генетическая гибель, снижающая репродуктивный потенциал популяции -численность популяции падает. Поэтому генетическая гибель – бремя для популяции. Ее также называют генетическим грузом.

Генетический груз – часть наследственной изменчивости популяции, определяющая появление менее приспособленных особей, подвергающихся избирательной гибели в результате естественного отбора. Генетический груз - неизбежное следствие генетического полиморфизма.

Существует 3 типа генетического груза:

- мутационный;

- сегрегационный;

- субституционный.

Каждый тип генетического груза коррелирует с определенным типом естественного отбора.

Мутационный генетический груз - побочное действие мутационного процесса. Стабилизирующий естественный отбор удаляет вредные мутации из популяции.

Сегрегационный генетический груз – характерен для популяций, использующих преимущество гетерозигот. Удаляются хуже приспособленные гомозиготные особи. Если обе гомозиготы летальны – половина потомков погибает.

Субституционный генетический груз – происходит замена старого аллеля новым. Соответствует движущей форме естественного отбора и переходному полиморфизму.

Генетический полиморфизм создает все условия для протекающей эволюции. При появлении нового фактора в среде популяция способна адаптироваться к новым условиям.

Пример - устойчивость насекомых к различным видам инсектицидов.

Генетический груз в популяциях людей

Впервые генетический груз в популяции человека был определен в 1956г в Северном полушарии и составил 4%, т.е. 4% детей рождались с наследственной патологией.

При этом за последующие годы в биосферу было выброшено более миллиона химических соединений: более 6000 ежегодно, ежедневно - 63000 соединений. Растет влияние источников радиоактивного излучения. Структура ДНК нарушается.

Сегодня 3% детей в США страдают от врожденной умственной отсталости (не обучаются даже в средней школе).

Число врожденных отклонений увеличилось в 1, 5 – 2 раза (10%). Медицинские генетики говорят о 12-15%.

Вывод: необходимо беречь окружающую среду.

Так же как и в популяциях других организмов, наследственное разнообразие снижает реальную приспособленность популяций людей. Бремя генетического груза человечества можно оценить, введя понятие летальных эквивалентов. Считают, что число их в пересчете на гамету колеблется от 1, 5 до 2, 5 или от 3 до 5 на зиготу. Это означает, что то количество неблагоприятных аллелей, которое имеется в генотипе каждого человека, по своему суммарному вредному действию эквивалентно действию 3—5 рецессивных аллелей, приводящих в гомозиготном состоянии к смерти индивидуума до наступления репродуктивного возраста.

При наличии неблагоприятных аллелей и их сочетаний примерно половина зигот, образующихся в каждом поколении людей, в биологическом плане несостоятельна. Такие зиготы не участвуют в передаче генов следующему поколению. Около 15% зачатых организмов гибнет до рождения, 3 — при рождении, 2 — непосредственно после рождения, 3 — умирает, не достигнув половой зрелости, 20 — не вступают в брак, 10% браков бездетны.

Неблагоприятные последствия генетического груза в виде рецессивных аллелей, если они не приводят к гибели организма, проявляются в снижении ряда важных показателей состояния индивидуума, в частности его умственных способностей. Исследования, проведенные на популяции арабов в Израиле, для которой характерна высокая частота близкородственных браков (34% между двоюродными и 4% между дважды двоюродными сибсами), показали снижение умственных способностей у детей от таких браков.

Исторические перспективы человека в силу его социальной сущности не связаны с генетической информацией, накопленной видом Homo sapiens в ходе эволюции. Тем не менее человечество продолжает «оплачивать» эти перспективы, теряя в каждом поколении часть своих членов из-за их генетической несостоятельности.

Примерами генетического груза в человеческих популяциях являются аллели мутантных форм гемоглобина — Гемоглобина С и Гемоглобина S (патологические (аномальные) гемоглобины отличаются от нормального гемоглобина физико-химическими свойствами и молекулярной структурой глобиновой части. Присутствие в эритроцитах аномальных или патологических гемоглобинов приводит к состояниям, которые называются гемоглобинозы или гемоглобинопатии и являются наследственными аномалиями кроветворения).

HbС - в этом виде гемоглобина происходит замена в 6-м положении β -полипептидной цепи глутаминовой кислоты на лизин. Встречается преимущественно в Западной Африке. Эта мутантная форма снижает пластичность эритроцитов организма. В гетерозиготном организме (один аллель, кодирующий нормальный гемоглобин и один мутантный аллель) 28-44 % гемоглобина представлены гемоглобином С, анемия не развивается. У гомозигот почти весь гемоглобин находится в мутантной форме, вызывая умеренную гемолитическую анемию. У таких пациентов кристаллы гемоглобина С можно обнаружить при анализе мазка крови. Присутствие комбинации гемоглобинов С и S вызывает более тяжёлые формы анемии.

HbS - глутаминовая кислота в 6-м положении β -цепи глобина замещена на валин. Поскольку валин имеет неполярный радикал, располагающийся на поверхности молекулы, в результаты этой замены растворимость гемоглобина резко падает. HbS обладает пониженной стойкостью к разрушению и пониженной кислород-транспортирующей способностью, а заполненные им (или смесью нормального HbА и HbS) эритроциты имеют более короткий срок жизни и быстрее разрушаются в печени или селезенке. Это дает преимущество гетерозиготам в районах с высокой смертностью от малярии, так как мерозоиты малярийного плазмодия не успевают закончить свое развитие в таких эритроцитах. Эритроциты, несущие HbS деформируются из-за кристаллизации гемоглобина в них, приобретают серповидную форму (серповидно-клеточная анемия), теряют пластичность мембраны и способность проходить через мелкие капилляры. Застревая в капиллярах, такие эритроциты разрушаются и образуют тромбы (хроническая капилляропатия).