Классификация генов человека по размеру

Таблица 8.2

Распределение генов человека по размеру

Благодаря открытию геномного полиморфизма генетики получили широкие возможности для картирования генов, т.е. локализации генов на хромосомах. Распределенные по всему геному, полиморфизмы используются как генетические маркеры. Генетическими маркерами называются участки ДНК с известной локализацией и множественными аллельными формами. Они служат как бы опорными точками для картирования генов (подробнее об этом см. в следующем параграфе). Поиск генетических маркеров был одной из самостоятельных задач проекта "Геном человека". Концептуальная модель использования маркеров для локализации генов чрезвычайно проста. Если два индивида, связанные кровным родством, имеют идентичные маркеры, высока вероятность того, что рядом расположенные участки ДНК, в силу тесного сцепления, будут у них также идентичны. Если у этих родственников наблюдается к тому же одно и то же заболевание, т.е. они являются по нему конкордантными, можно предполагать, что ген болезни расположен рядом с маркером. Похожий принцип лежит и в основе картирования локусов количественных признаков (Quantitative Trait Loci - QTL), которые до недавнего времени, в отличие от признаков качественных, практически не могли быть картированы.
Основные молекулярные методы, разработанные на основе исследований генома человека и животных, были ассимилированы генетикой поведения и в настоящее время широко используются для локализации генов, связанных с различными психическими заболеваниями и отклонениями в развитии психики. Наиболее успешно решается проблема локализации генов моногенных заболеваний (фенилкетонурия, хорея Гентингтона), наследуемых по Менделю. Гораздо труднее идентифицировать гены, имеющие отношение к мультифакториальным заболеваниям (шизофрения, депрессия, алкоголизм и т.п.) или нормально варьирующим признакам (интеллект, темперамент, особенности личности).
Можно выделить три основных экспериментальных подхода, использующих молекулярные технологии при работе с людьми. Это различные варианты метода анализа сцепления, анализ ассоциаций и непосредственный анализ ДНК, т.е. определение последовательности нуклеотидов (секвенирование) и идентификация мутаций. Кроме исследований, ведущихся на человеке, современная психогенетика привлекает также методы моделирования на животных. Остановимся на каждом из этих подходов более подробно.

Анализ сцепления

• 8.2.1. Классический вариант анализа сцепления
• 8.2.2. Картирование локусов количественных признаков (ЛКП)
  
  

8.2.1. Классический вариант анализа сцепления

Как уже упоминалось в теме 3, гены в хромосомах располагаются линейно, один за другим. Этим обстоятельством определяются две основные особенности наследования генов, относящихся к одной хромосоме. Во-первых, такие гены имеют тенденцию передаваться совместно, поэтому их называют сцепленными. Во-вторых, хотя эти гены в процессе кроссинговера и могут рекомбинировать, их рекомбинация не является полностью случайной: вероятность совместной передачи повышается с уменьшением расстояния между генами.
Известный американский генетик Томас Морган еще в начале ХХ века предложил использовать явление сцепления для локализации генов, расположенных на одной хромосоме (Хрестомат. 8.1). Этот метод генетического анализа получил название анализ сцепления, а результатом его применения стало создание генетических карт, т.е. схем расположения конкретных генов на конкретных хромосомах (рис. 8.3). Генетические карты животных и растений, для которых возможны экспериментальные скрещивания, создаются постепенно в процессе наблюдений за частотой рекомбинации (чем чаще гены передаются совместно, тем ближе они расположены на хромосоме). Используя рекомбинантный анализ, Т. Морган и его коллеги успешно локализовали многие гены плодовой мушки дрозофилы. В настоящее время созданы подробные генетические карты для многих видов экспериментальных организмов и ряда сельскохозяйственных культур.

У человека экспериментальные скрещивания невозможны, поэтому классический способ рекомбинантного анализа может применяться весьма ограниченно, лишь на основе информации, которую дает анализ родословных. Чтобы выявить кроссинговер у человека, нужно располагать либо большой родословной, либо иметь несколько небольших родословных. Проще всего по родословной обнаруживается Х-сцепленное наследование, т.е. расположение генов в Х-хромосоме, поскольку характерный признак или заболевание наблюдается у лиц одного пола. Однако, чтобы установить расположение гена в конкретном сегменте Х-хромосомы, нужны дополнительные схемы анализа, требующие применения новейших методик. Почти все Х-сцепленные гены (а их более 100) были картированы с помощью анализа родословных.
Для того, чтобы картировать гены, принадлежащие аутосомам, необходимо сначала выявить группы генов, относящихся к определенной хромосоме. Простой анализ родословных не позволяет это сделать. Впервые локализация гена в аутосоме оказалась возможной благодаря наличию морфологического маркера хромосомы. Такой маркер в виде вторичной перетяжки был обнаружен на длинном плече первой хромосомы человека. Оказалось, что примерно в 0,5% случаев в популяции эта морфологическая особенность первой хромосомы отличается от нормы: перетяжка оказывается тоньше и длиннее. Было обнаружено, что такой вариант перетяжки наследуется доминантно. С этим морфологическим маркером оказался тесно сцепленным локус группы крови Даффи, а еще ранее было показано, что ген Даффи сцеплен с врожденной очаговой катарактой. Помимо визуально наблюдаемых морфологических особенностей хромосом, локализации генов на конкретных хромосомах могут способствовать анализ делеций (выпадений участков хромосомы) и некоторых других хромосомных аномалий, которые влекут за собой изменение ферментативной активности.
Таким образом, чтобы локализовать ген на определенной хромосоме, необходим маркер, по отношению к которому можно оценивать тесноту сцепления. Такими маркерами могут быть гены, локализация которых в данной хромосоме уже известна (например, локализация генов цветовой слепоты в Х-хромосоме), а также различные морфологические маркеры. В последнее время, благодаря успехам генной инженерии, стало возможным выявление молекулярных маркеров в ДНК человека. Огромные возможности для локализации генов появились с разработкой новых методов гибридизации клеток (например, клеток человека и мыши). В результате число уже локализованных генов человека растет с поразительной быстротой. Как показывают расчеты, весь геном человека может быть картирован, если исследователи будут располагать всего несколькими сотнями маркеров, которые случайно распределены по хромосомам (Фогель Ф., Мотульски А., 1989). Открытие множества геномных полиморфизмов человека обогатило генетику человека сотнями новых маркеров, благодаря которым проблема локализации генов и картирования хромосом успешно решается. Секвенирование генома позволяет составить полные генетические карты для всех хромосом.
На рисунке 8.4. приведена в качестве примера карта третьей хромосомы человека, на которой представлены мутации, приводящие к различным наследственным заболеваниям. Карты хромосом постоянно пополняются новыми мутациями. В настоящее время наиболее полная генетическая карта составлена для генома митохондрий (рис. 8.5)
Мерой "генетического расстояния" служит частота рекомбинации между маркером и исследуемым геном. Это расстояние измеряется в морганидах или сантиморганидах (сМ), единицах, названных так в честь Томаса Моргана. Одна сантиморганида соответствует расстоянию между генами, рекомбинация между которыми происходит с частотой 1%. Карты генома могут составляться в двух вариантах. Одни из них - карты генетического сцепления - строятся на основе анализа данных по наследованию гена или маркера в ряду поколений, другие - физические карты - на прямом исследовании носителей генетической информации (Пузырев В.П., Степанов В.А., 1997). Генетическое расстояние в 1 сМ примерно равно физическому расстоянию в 1 миллион пар оснований. Длина генетической карты генома человека составляет около 3000-3500 сантиморганид (Бочков Н.П., 2002).
Если частота рекомбинации соответствует 50%, это означает, что два локуса находятся на таком расстоянии, что наследуются независимо. Если два гена передаются совместно в 10 поколениях, вероятность того, что это происходит случайно, то есть гены не являются сцепленными, ничтожно мала (1/1000 или 1/103). В научной практике эта вероятность выражается в логарифмической шкале (LOD score) и составляет в данном случае 3 lod. При работе с родословными пользуются различными таблицами лод-баллов и специально разработанными алгоритмами. Благоприятные возможности для определения сцепления по родословной существуют, если один из родителей является гетерозиготным по двум различным генам, а второй - гомозиготным. Чаще всего анализ сцепления проводится для часто встречающихся в популяции маркеров или в тех случаях, когда часто встречающийся маркер сопутствует редкому наследственному заболеванию. Как доказательство сцепления обычно рассматривается лод-балл не менее 3 (1000:1 в пользу сцепления). В настоящее время разработаны специальные компьютерные программы для анализа сцепления по родословным. Широко используется программа LIPED, которая позволяет получать оценки максимального правдоподобия параметров сцепления по данным родословных (Ott, 1991), а также программа LINCAGE (Lathrop et al., 1984).
Анализ сцепления чаще всего используется при изучении альтернативных (качественных) признаков. Делаются попытки применять этот метод и для анализа количественных признаков в расчете на то, что удастся обнаружить главные гены, влияющие на изучаемые характеристики. Теоретически такой подход вполне оправдан, однако, как отмечают Ф. Фогель и А. Мотульски (1989), следует соблюдать большую осторожность в интерпретации данных. Во-первых, при анализе большого числа количественных признаков существует риск обнаружить сцепление за счет чисто случайных флуктуаций критериев значимости. Во-вторых, корреляция, наблюдаемая в семьях, может возникать не только за счет сцепления, но и за счет наличия ассортативности по исследуемому признаку. Следует отметить, что пока анализ сцепления для количественных признаков испытывает значительные трудности и часто не приносит ожидаемых результатов, однако с появлением молекулярных маркеров ДНК возможности анализа и интерпретации данных постоянно возрастают.