10.4.9 Адрено-генитальный синдром.
10.4.10 Спинальная мышечная атрофия.
10.4.11 Атаксия Фридрейха.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ.
ГЛАВА Y.
ПОПУЛЯЦИОННЫЙ АНАЛИЗ МУТАЦИЙ. МЕХАНИЗМЫ СПОНТАННОГО
МУТАГЕНЕЗА.
Раздел 5.1 Полиморфизм, неравновесность по сцеплению.
Молекулярная идентификация мутантных аллелей и разра- ботка эффективных методов их диагностики у больных и у гете- розиготных носителей являются той экспериментальной базой, которая позволяет исследовать распространенность мутаций в различных этнических группах и популяциях. Одновременно воз- можен анализ сцепления мутантных аллелей с другими генети- ческими маркерами и оценка на этой основе предполагаемых ме- ханизмов возникновения и поддержания в популяциях наблюдае- мого уровня изменчивости. Но прежде чем перейти к описанию основных целей и методов популяционного анализа мутаций оп- ределим более точно два основных понятия, часто используемых при проведении подобных исследованиях - это понятия полимор- физма и неравновесности по сцеплению.
Генетическая изменчивость локуса в определенной попу- ляции измеряется уровнем полиморфизма, и количественным вы- ражением этой меры служат частоты аллелей. В однолокусной двухаллельной системе частоты двух вариантов аллелей - А1 и
А2, обозначаются буквами p и q, соответвственно, и (p+q=1).
Когда мы говорим, что в популяции существует полиморфизм по мутации, это значит, что ее частота выше определенного выб- ранного в соответствии с какими-то причинами условного уров- ня, чаще всего выше 5%. Высокополиморфными считаются локусы с близкими значениями частот аллелей. В больших популяциях со случайным характером скрещивания, то есть в панмикти- ческих популяциях, действует закон Харди-Вайнберга, согласно которому частоты гомозиготных особей в популяции равны p!2 и q!2, соответстенно, а доля гетерозигот равна 2pq. Таким об- разом, в двухаллельной модели частота гетерозигот в популя- ции по полиморфным локусам составляет от 10% и более, а по высокополиморфным локусам может достигать 50%. Если число аллелей в локусе больше двух, общая частота гетерозигот в популяции равна 1 - (p1!2 + p2!2 + ... + pn!2), где pk - частота аллеля Ak, k = 1, 2, ... n и p1 + p2 +... + pn = 1.
При этом доля гетерозигот в популяции возрастает с увеличе- нием числа аллелей и достигает максимального предела в каж- дой группе из n аллелей при равенстве их частот. Таким обра- зом, при увеличении числа аллелей, встречающихся с равными вероятностями, частота гетерозигот в популяции будет стре- миться к единице, то есть подовляющее число особей в популя- ции будут гетерозиготными по данному локусу. Такая ситуация характерна для высокополиморфных микросателитных повторов, в частности STR, что и делает их наряду с другими преимущест- вами наиболее удобными генетическими маркерами.
Как мы уже упоминали, частыми моногенными наследствен- ными заболеваниями считаются такие, при которых один больной ребенок встречается среди 2000 - 10000 новорожденных, то есть q!2 колеблется в пределах 1 /2000 - 1/10000. Соот- ветственно, частота мутаций - q, в этих генах составляет от
0.5% до 2.5% и доля гетерозиготных носителей - 2pq, достига- ет 1% - 5%. Для более редких заболеваний частоты гетерозигот не превышают десятых долей процента. Тем ни менее, если учесть, что общее количество различных моногенных заболева- ний составляет около 5000 нозологий, оказывается, что, в среднем, каждый человек является носителем мутантных аллелей около десяти генов. В общем случае, набор этих генов разли- чен у разных людей, и только в тех семьях, где оба родителя являются носителями мутаций одного и того же гена появляется
25%-ый риск рождения больного ребенка.
До сих пор мы рассматривали изменчивость в одном локусе
- A. Понятие неравновесности по сцеплению определяет отноше- ния между изменчивостью в двух локусах - A и B. Ситуация здесь может быть двоякой. Если изменчивость в этих локусах независима, то аллели двух локусов встречаются в популяции в случайных комбинациях. Однако, если аллели различных локусов в одних комбинациях встречаются чаще, чем в других, то гово- рят, что существует неравновесность по сцеплению. Количест- венно эта связь оценивается с помощью детерминанта неравно- весности по сцеплению - d. Рассмотрим, чему равен детерми- нант неравновесности по сцеплению в двухлокусной двухаллель- ной системе. Пусть Pnm, где n=1,2 и m=1,2, частоты четырех возможных в этом случае типов гамет - A1B1, A2B2, A1B2,
A2B1, а Pn и Rm - частоты аллелей локусов A и B, соот- ветственно. Если сочетания аллелей в гаметах случайны, то теоретически ожидаемые частоты гамет четырех типов равны произведению частот входящих в эти гаметы аллелей, то есть
Pnm=Pn*Rm. В этом случае произведение частот двух типов га- мет (A1B1 и A2B2), находящихся в состоянии "притяжения", равно произведению частот гамет в состоянии "отталкивания"
(A1B2 и A2B1), то есть P11*P22 = P1*P2 *R1*R2 = P12*P21. Од- нако, если сочетания аллелей в гаметах неслучайны, то эти произведения различны. Их разность служит мерой неравно- весности по сцеплению - d. Итак d = ¦P11*P22 - P12*P21¦ При отсутствии неравновесности по сцеплению d = 0. Верхняя гра- ница d = 0.25. Максимальная неравновесность по сцеплению достигается при полном отсутствии двух типов гамет, находя- щихся либо в состоянии "притяжения", либо в состоянии "от- талкивания", при одновременном равенстве частот оставшихся двух типов гамет.
Мутации в различных локусах возникают, как правило, не- зависимо друг от друга и наличие неравновесности по сцепле- нию, по-видимому, отражает тот факт, что мутация в одном из локусов возникла в хромосоме, несущей определенный аллель другого локуса, и далее эта хромосома получила распростране- ние в популяции. Неравновесность по сцеплению является очень важной популяционной характеристикой, позволяющей судить о порядке и примерном времени возникновения различных мутаций, а также оценивать возможные механизмы их поддержания в попу- ляции. Обнаружение сильной неравновесности по сцеплению меж- ду специфическими мутациями гена и определенными аллелями маркерных локусов имеет важное практическое значение. Часто наблюдается неравновесность по сцеплению между мутантными аллелями гена и одновременно несколькими маркерными локуса- ми. В этом случае анализ маркерных гаплотипов, то есть набо- ров аллелей различных локусов, локализованных в одной хро- мосоме, дает возможность с высокой степенью вероятности оце- нивать характер мутационного повреждения и прослеживать его наследование в семьях больного.
Раздел 5.3 Частоты спонтанного мутагенеза.
Считается, что средняя частота спонтанного возникнове- ния мутаций в структурных локусах человека колеблется в пре- делах от 10(-5) до 10(-6) на одну гамету за каждое поколе- ние. Однако, эта величина может значительно варьировать для разных генов, меняясь в пределах от 10(-4) для высокомута- бильных локусов до 10 (-11) в наиболее устойчивых частях ге- нома. Эти различия зависят от многих факторов и, в первую очередь, от характера мутационного повреждения, от механизма возникновения мутации и локализации нарушения. Большое зна- чение также имеет сам ген, протяженность его кодирующих об- ластей и те функции, которые выполняют контролируемые им мо- лекулы в обеспечении жизнедеятельности клеток и всего орга- низиа, в целом. Так например, нарушение работы генов, про- дукция которых необходима на ранних стадиях эмбриогенеза, может приводить к гибели плода. Такие мутации трудны для ди- агностики и в практической медицине мы чаще всего имеем дело только с теми мутациями, которые не проявляют летального эф- фекта на ранних стадиях эмбрионального развития. Тем ни ме- нее, не исключено, что ранние эмбриональные летали составля- ет немалый процент среди мутантных аллелей различных генов и вносят определенный вклад в снижение репродуктивной функции.
Особого внимания заслуживает проблема мутирования в
STR-сайтах и в VNTR- локусах, часто используемых в настоящее время для геномной дактилоскопии и молекулярной диагностики.
Эти участки генома, изменчивость в которых обусловлена раз- личиями в числе тандемных повторов, формально можно отнести к разряду высокомутабильных. Заметим сразу, однако, что пря- мое сопоставление темпов мутирования в кодирующих областях генома и в мини- и микросателлитных последовательностях ДНК, по-видимому, некорректно, так как физическая основа изменчи- вости, наблюдаемой в этих функционально и структурно разли- чающихся локусах совершенно различна. Мутабильность в
STR-сайтах обусловлена нестабильностью числа повторов, при- чем возникающие мутации затрагивают, как правило, лишь весь- ма ограниченное число кластерированных копий, чаще всего 1 или 2. Подобные тандемные повторы редко наблюдаются в смысловых последовательностях ДНК. Исключение составляют лишь мутации экспансии, но и для них характерно (1) сущест- вование большого числа аллелей дикого типа, отличающихся друг от друга небольшим числом копий, и (2) значительные различия по длине повторяющегося участка между нормальными и мутантными вариантами гена. Кроме того, изменчивость в
STR-сайтах в основе своей носит нейтральный характер и пото- му темп мутирования в этих локусах не подвержен жесткому контролю со стороны естественного отбора.
Прямые исследования показали, что в большинстве случаев частота возникновения спонтанных мутаций в микросателлитных
STR -сайтах варьирует в пределах от 0.1% до 0.45% на гамету, что должно учитываться при использовании этих маркеров в практической медицине. Частота мутирования в вариабильных
(C-A)n -повторах, используемых в качестве индексных маркеров в Genethon - картах сцепления составляет 0.05% на гамету.
Показано, что для ряда VNTR-локусов (MSB2) частота мутирова- ния достигает 0.7% на гамету. Для других локусов (М17) обна- ружено достоверное превышение скорости мутагенеза в зароды- шевых клетках по сравнению с соматическими. Для многих достаточно стабильных STR-локусов обнаружены существенные межпопуляционные различия по частоте аллелей, что позволяет использовать эту изменчивость для генетической характеристи- ки отдельных популяций. В то же время другие STR-сайты зна- чительно чаще подвергаются спонтанному мутированию, что при- водит к уравновешиванию паттерна аллелей и делает эти марке- ры малопригодными для популяционных исследований. Имеются данные, что в наиболее вариабильных STR-локусах частота спонтанных мутаций может достигать 5% на гамету за поколение
(Jeffreys et al., 1988).
Раздел 5.3. Эндогенные механизмы возникновения мутаций.
Основную часть мутаций, ведущих к наследственным болез- ням, составляют точечные мутации, делеции и в меньшей степе- ни инсерции и дупликации. При этом, как показывает детальный сравнительный анализ, частота, тип и локализация этих мута- ций отнюдь неслучайны и зависят от многих, пока еще невы- ясненных эндогенных механизмов мутагенеза. В пользу такого вывода свидетельствует уникальный характер спектра мутаций для каждого из многих десятков генов, первичная структура
ДНК и типы мутаций которых уже хорошо изучены. Так, для мно- гих структурных генов доминирующими по спектру и частоте яв- ляются точечные мутации (ген трансмембранного регуляторного белка муковисцидоза, ген фенилаланингидроксилазы, ген факто- ра IX cвертывания крови, бета-глобиновый ген и мн др.), тог- да как для других - достаточно протяженные структурные пе- рестройки типа делеций, дупликаций и инсерций (гены дистро- фина, фактора VIII свертывания крови, 21-гидроксилазы)
(см.Главу X). К структурным факторам, определяющим эндоген- ные механизмы мутагенеза, можно отнести (1) наличие прямых и обратных повторов и симметричных элементов вблизи места пе- рестройки; (2) высокую концентрация СpG динуклеотидов; (3) наличие внегенных последовательностей ДНК, гомологичных фрагментам структурного гена; (4) мобильные элементы генома.
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39, 40, 41, 42, 43, 44, 45, 46, 47, 48, 49
