Интерес, проявляемый учеными всего мира к наследственности человека, не случаен. В последние десятилетия человечество тесно соприкасается с чуждыми для него химическими веществами. Число таких веществ, применяемых в быту, сельском хозяйстве, пищевой, фармакологической, косметической промышленности и в других областях деятельности людей, в настоящее время огромно. Среди этих веществ есть и такие, которые вызывают мутации.
Благодаря развитию медицины человек научился бороться с очень многими заболеваниями. Он успешно защищает себя от большинства очень опасных инфекционных заболеваний: оспы, чумы, холеры, малярии и др.
Частота хромосомных мутаций у человека велика и является причиной нарушений (до 40 %) у новорожденных. Кроме упоминавшихся хромосомных болезней существует множество других, обычно приводящих к тяжелым последствиям, а чаще – к гибели эмбриона. В большинстве случаев хромосомные мутации возникают в гаметах родителей заново, реже они существуют у одного из родителей и передаются потомкам.
Химические мутагены и ионизирующие излучения, при существенном повышении концентраций и доз вызывают возрастание частоты появления хромосомных мутаций. Спонтанные генные мутации происходят гораздо реже. Вероятность мутации в конкретном гене может колебаться около 10-5, в среднем на диплоидный геном приходится около двух новых мутаций. Однако далеко не все мутации вредны в гетерозиготном состоянии, они могут накапливаться и популяциях человека. Позднее, переходя в гомозиготное состояние, многие мутации могут приводить к возникновению тяжелых наследственных болезней.
Наследственные аномалии обмена веществ. Повышенный интерес медицинской генетики к наследственным заболеваниям объясняется тем, что во многих случаях знание биохимических механизмов развития заболевания позволяет облегчить страдания больного. Больному вводят несинтезирующиеся в организме ферменты или исключают из пищевых рационов продукты, которые не могут быть использованы вследствие отсутствия в организме необходимых для этого ферментов. Заболевание сахарным диабетом характеризуется повышением концентрации сахара в крови вследствие отсутствия инсулина – гормона поджелудочной железы. Это заболевание вызывается рецессивным геном. Оно лечится введением в организм инсулина, который теперь уже научились вырабатывать на фабриках, используя генно-инженерные методы. Однако следует помнить, что вылечивается только болезнь, т.е. фенотипическое проявление «вредного» гена, и вылеченный человек продолжает оставаться его носителем и может передавать этот ген своим потомкам. Сейчас известны сотни заболеваний, в которых механизмы биохимических нарушений изучены достаточно подробно. В некоторых случаях современные методы микроанализов позволяют обнаружить такие биохимические нарушения даже в отдельных клетках, а это, в свою очередь, позволяет ставить диагноз о наличии подобных заболеваний у еще не родившегося ребенка по отдельным клеткам в околоплодной жидкости.
Таким образом, определенной прогресс в лечении наследственных болезней обмена произошел за последние 10 лет, но это, безусловно, только частичный прогресс. Должны развиваться методы генной терапии, пересадки органов и тканей, фармакотерапии, методы улучшения поддерживающих систем для восстановления нормального гомеостаза.
Классификация мутаций
По действию мутантного гена, т.е. по его проявлению, чисто условно мутации разделяют на морфологические, физиологические и биохимические.
Часто мутации называют по той функции, которую изменяет мутировавший ген (например, при действии на плодовитость - мутации стерильности и фертильности, при изменении синтеза отдельных пигментов – пигментные мутации, мутации групп крови и т.д.).
Морфологические мутации изменяют характер роста и формирования органов у животных или растений. Они обуславливают, например, коротконогость у ряда животных, безглазость и бескрылость у насекомых, гигантизм и карликовость у растений.
У самых различных организмов известно большое количество физиологических мутаций, повышающих или понижающих жизнеспособность организмов, в частности летальных и полулетальных, полностью или частично тормозящих развитие.
К биохимическим мутациям относятся мутации, тормозящие или изменяющие синтез определенных химических веществ в организме.
По причинам вызывающим мутации, их подразделяют на спонтанные и индуцированные. Спонтанные мутации происходят под действием естественных мутагенных факторов внешней среду без вмешательства человека, например, наследственные болезни обмена веществ. Их причинами являются ошибки репликации и репарации ДНК.
Индуцированные мутации – результат направленного воздействия определенных мутагенных факторов. Так, впервые в 1925гю Г.А. Надсон и Г.С. Филиппов получили мутации у дрожжей под действием ионизирующей радиации.
По мутировавшим клеткам мутации подразделяются на генеративные и соматические.
Генеративные мутации происходят в половых клетках, передаются по наследству при половом размножении (гемофилия, фенилкетонурия).
Соматические мутации происходят в соматических клетках, проявляются у самой особи (разный цвет глаз, опухоли) и передаются по наследству только при вегетативном размножении.
По исходу для организма мутации бывают: отрицательные или летальные – несовместимые с жизнью (например, отсутствие головного мозга) и полулетальные – снижающие жизнеспособность организма (например болезнь Дауна); нейтральные – существенно не влияющие на процессы жизнедеятельности (например веснушки); положительные – повышающие жизнеспособность (например, появление четырехкамерного сердца). Последние возникают редко, но имеют большое значение для прогрессивной эволюции.
По изменениям генетического материала мутации подразделяют на геномные, хромосомные и генные.
Геномные мутации
Геномные мутации обусловлены изменениями числа хромосом. К ним относятся полиплоидия, гаплоидия и анеуплоидия. Аномалии числа хромосом могут быть вызваны разными причинами. Наиболее часто Геномные мутации являются следствием:
1) нерасхождения хромосом, когда две или несколько гомологичных хромосом остаются соединенными вместе и в анафазе отходят к одному полюсу.
2) анафазного отставания, когда одна или несколько хромосом в процессе анафазного движения отстают от других.
Полиплоидия – это кратное гаплоидному увеличение числа хромосом (3n, 4n, 5n …). Полиплоидия, как правило, используется в селекции растений и приводит к повышению урожайности. У млекопитающих и человека это летальные мутации.
Гаплоидия (1n) – одинарный набор хромосом, например у трутней пчел. Жизнеспособность гаплоидов снижается, так как в данном случае проявляются все рецессивные гены, содержащиеся в единственном числе. Для млекопитающих и человека – это летальная мутация.
Ганеуплоидия – это некратное гаплоидному уменьшение или увеличение числа хромосом (2n+1; 2n+2; 2n-1 и т.д.). Разновидности анеуплоидии:
а) трисомия – три гомологичных хромосомы в кариотипе, например, при синдроме Дауна (трисомия по 21-ой хромосоме);
б) моносомия – в наборе одна из пары гомологичных хромосом, например, при синдроме Шерешевского-Тернера (моносомия Х). Моносомии по первым крупным парам хромосом являются для человека летальными мутациями.
в) нулисомия – отсутствие пары хромосом (летальная мутация) у человека неизвестна.
Геномные мутации всегда проявляются фенотипически и легко обнаруживаются цитогенетическими методами.
Хромосомные мутации
Хромосомные мутации обусловлены изменением структуры хромосом. Они могут быть внутрихромосомными и межхромосомными.
К внутрихромосомным мутациям относятся перестройки внутри одной хромосомы.
Делеция (нехватка) – отсутствие части хромосомы. Выделяют нехватки терминальных и средних участков. Например АВСDEF…
Делеция практически любой части хромосом может нарушить эмбриональное развитие и проявиться множественными врожденными пороками. Например, делеция участка короткого плеча 5-й хромосомы у человека приводит к развитию синдрома «кошачьего крика» (недоразвитие гортани, снижение интеллекта, пороки сердца и д.р.). При делеции терминальных участков обоих плеч хромосомы часто наблюдается замыкание оставшейся структуры в кольцо - образование кольцевых хромосом.
Дупликация – удвоение участка хромосомы. Примером может служить синдром трисомии по короткому плечу девятой хромосомы у человека, проявляющийся умственной отсталостью, задержкой роста, микроцефалией и другими пороками.
Инверсия – отрыв участка хромосомы, поворот его на 1800 и прикрепление к месту отрыва. При этом наблюдается нарушение порядка расположения генов.
Межхромосомные перестройки происходят между негомологичными хромосомами.
Транслокация – это обмен сегментами между негомологичными хромосомами. Различают реципрокные транслокации, когда две хромосомы обмениваются сегментами, нереципрокные, когда сегменты одной хромосомы переносятся на другую, и робертсоновские, когда две акроцентрические хромосомы соединяются своими центромерными районами.
Нехватки и дупликации всегда проявляются фенотипически, так как изменяется набор генов и нарушается регуляция их активности в процессе эмбриогенеза.
Инверсии и транслокации фенотипически проявляются не всегда, они могут быть сбалансированными, когда не происходит ни увеличения, ни уменьшения генетического материала и сохраняется общий баланс генов в геноме.
При инверсиях и транслокациях затрудняется коньюгация гомологичных хромосом, что может служить причиной нарушения распределения генетического материала между дочерними клетками.
Хромосомные мутации выявляются цитогенетическими методами с помощью специальной дифференциальной окраски хромосом.
