содержание   ..  10  11  12  13  14  15  ..

Глава четырнадцатая

ИСТОЧНИК ПЕРЕМЕН: МУТАЦИИ

На протяжении всей истории человечества рождение человека или животного с необычным внешним видом пробуждало страхи, почтение или благоговейный ужас. В мифологиях многих культур говорится о фантастических существах, созданных по прихоти богов или появившихся в силу особого сочетания природных стихий. На самом деле это были люди и животные с аномалиями развития или с искажениями наследственной информации; такие организмы называются мутантами, а искажение наследственной информации — мутацией. (Мутацией называется также явление, приведшее к такому искажению.) Обычно под мутацией подразумевают небольшие изменения в последовательностях нуклеотидных пар ДНК; более крупные повреждения хромосом называются хромосомными аберрациями. Поняв механизм мутаций, люди хотят научиться в какой-то степени контролировать их, но в последнее время в окружающей среде под воздействием человека появились новые факторы, вызывающие мутации, в первую очередь радиоактивные и химические вещества, влияние которых мы начинаем осознавать только сейчас.

В жутких фантастических фильмах и рассказах обычно показаны вредные мугации, и складывается впечатление, что все мутации вредны. В определенном смысле это действительно так. В сложном организме, который получает инструкции для своего развития от многих тысяч генов, случайное изменение в структуре одного из них будет, скорее всего, вредным. Но мутации в то же время служат и основой изменчивости, от которой зависит естественный отбор. Без мутаций в широком смысле слова не было бы эволюции. Большинство мутаций не оказывают никакого или почти никакого воздействия на организм, но организмы живут в постоянно меняющейся среде обитания, и при случае мутации могут оказаться полезными. Во всех естественных популяциях имеется несколько аллелей одного гена, и некоторые популяции выживают только потому, что один аллель оказывается полезным в одной ситуации, а другой — в иной. (Классический пример — земляные улитки в Англии, которые имеют несколько аллелей, ответственных за цвет и рисунок раковины и служащих средством приспособления к окружающей среде в разные времена года.) Известны человеческие белки с несколькими аллельными формами. Поэтому в естественной популяции не существует так называемых диких, или нормальных, аллелей. Если взять для примера людей, то в Швеции, например, много блондинов, и это нормальный фенотип для Швеции, тогда как для Италии и Японии это исключение из нормы. Для лабораторных организмов дикие аллели определяются произвольно.

Мутации происходят спонтанно и непредсказуемо как в соматических, так и в половых клетках растения или животного. Мутации в половых или зародышевых клетках передаются потомству. Соматические мутации передаются дочерним клеткам изначально мутировавшей клетки; чаще всего они служат причиной рака.

Частота мутаций

Мутации всегда происходят естественно, случайно и без очевидной причины. Мы не можем заранее предсказать, какая именно мутация произойдет и где, поэтому при их изучении применяют статистические методы. Частотой мутаций называется число вероятных мутаций, каким клетка может подвергнуться за весь срок своей жизни. Частота спонтанных мутаций повышается при воздействии на организм радиоактивных и некоторых химических веществ, называемых мутагенами. Поскольку мутации в соматических клетках приводят к раку, то мутагены являются одновременно и потенциальными канцерогенами.

Определить частоту мутаций некоторых клеток, таких как бактерии и другие микроорганизмы, довольно легко. Она колеблется в пределах от 10^-6 до 10^-8 Это значит, что отдельный ген может мутировать в только в одной клетке на миллион или на сто миллионов клеток одного поколения. Измерять частоту мутаций в сложных диплоидных организмах труднее. Во-первых, изменения фенотипа могут соответствовать мутациям в ряде генов, особенно если это сложный организм. Во-вторых, сложные организмы, вроде человеческого, подвергаются изменениям на протяжении своего развития, и ненормальный фенотип может появиться в результате ненормального развития, а не мутации. Например, к отсутствию конечностей у ребенка могут привести не только мутации, но и некоторые лекарственные препараты, принимаемые во время беременности. В-третьих, если организм гомозиготен по аллелю дикого типа, то для проявления гомозиготного рецессивного фенотипа потребуются две идентичные мутации.

Один из самых простых способов изучения мутации — наблюдение за превращениями доминантного аллеля в рецессивный при скрещивании растений или животных с генотипом АА и аа. Все последующее поколение будет гетерозиготным с доминантным фенотипом; если же наблюдается рецессивный фенотип, то это следствие мутации в половых клетках родителя АА. Проблема заключается в том, что мутации происходят довольно редко, и для их изучения потребовалось бы исследовать неимоверное количество животных, таких как лабораторные мыши, не говоря уже о людях, для которых этот способ становится практически невозможным. Генетик Льюис Дж. Стэдлер изучал мутации кукурузы на примере нескольких генов, определяющих фенотип зерна, так что о мутациях можно было быстро догадаться, посмотрев на зерна в початке. Исследовав несколько миллионов зерен, он обнаружил, что большинство спонтанных мутаций происходит с крайне редкой частотой: приблизительно один случай на 10^-6 гамет. Несколько отдельных генных локусов обладали частотой мутации, равной 10^-4, что больше обычного показателя для бактерий.

Уильям Рассел и его коллеги изучали мутации мышей в одной из самых больших лабораторий по исследованию мышей, расположенной в городе Ок-Ридж (штат Теннесси). Как и Стэдлер, они искали редкие рецессивные черты среди особей, полученных от скрещивания гомозигот АА ВВ СС DD РР SS SeSe х  aa bb cc dd pp ss sese (буквами обозначены гены, затрагивающие фенотип мышей). Из 288 616 мышей было отобрано только 17 с мутациями по всем локусам, что составляет приблизительно 0,006%. Предположительная частота мутации по локусу колеблется от 1 х 10^-7 до 3 х 10^-7 на одну гамету, что опять-таки сравнимо с частотой мутаций бактерий.

Мутации у людей

Частоту мутаций у людей можно определить при помощи родословных, в которых проявляются доминантные черты. Дефект, неожиданно появившийся у одного представителя поколения и переданный потомству, должен быть результатом мутации. Хорошо известный случай доминантного фенотипа — карликовая ахондроплазия, нашедшая отображение еще в древних рисунках и статуях. Аллель ахондроплазии обладает высокой пенетрантноетъю, то есть все, у кого он имеется, демонстрируют мутант-ный фенотип. Из 94 075 детей, родившихся в одной из больниц Копенгагена, ахондроплазия наблюдалась у 8 детей от нормальных родителей. Это приблизительно одно на 12 тыс. рождений. Поскольку у каждого ребенка по два гена, из которых мутировать мог каждый, частота мутации аллеля равна одному на 24 тыс., или 4 х 10^-5. При исследовании ретинобластомы, которая характеризуется образованием опухоли на сетчатке глаза, от нормальных родителей родилось 49 больных детей на 1 054 985 обследованных. Таким образом, частота мутации ретинобластомы равна приблизительно 1,8 на 100 тыс. гамет. Частоты этих мутаций кажутся довольно высокими по сравнению с частотами мутаций других организмов, но это означает, что некоторые мутации — следствие изменения нескольких генов, и тогда общий показатель равен сумме частот мутаций этих генов.

Среди рецессивных генов легче всего обнаружить мутацию гена, сцепленного с полом. Зная фенотип мужских предков по обеим линиям родословной, можно определить генотип двух Х-хромосом женщины. Если у нее рождается сын с дефектным признаком, сцепленным с Х-хромосомой, то это будет результатом мутации. Наиболее известный пример мутации — гемофилия, затронувшая несколько семей европейских монархов. Мутация произошла либо в одной из гамет родителей королевы Виктории (1819—1901), либо в одной из ее клеток во время развития. Ее потомки перенесли эту мутацию в родословные монархов России и Испании. Царевич Алексей, единственный сын царя Николая II, болел гемофилией. Желая облегчить страдания своего сына, царица Александра обращалась за помощью к разного рода прорицателям и целителям и в конце концов попала под влияние Распутина.

Излучение

Спонтанные мутации довольно редки. Частоту мутаций увеличивают мутагены. К самым мощным мутагенам относятся некоторые виды излучений. В 1927 году Герман Мюллер, экспериментировавший с дрозофилой, и Л. Дж. Стэдлер, экспериментировавший с кукурузой, независимо друг от друга обнаружили, что если подвергнуть организмы действию излучения, то частота мутаций увеличится. Мюллер разработал метод обнаружения новых рецессивных летальных мутаций, сцепленных с полом, то есть мутаций на Х-хромосоме, которые детальны для имеющей такую Х-хромосому зиготы. Свой метод он использовал для определения мутагенного воздействия излучения.

Следует несколько слов сказать о различных видах излучения. Самый известный вид — электромагнитное, к которому причисляют и обычный свет. Это излучение состоит из небольших частичек энергии (фотонов), которые ведут себя как одновременно движущиеся электрическая и магнитная волны:

Каждая волна обладает определенной длиной; чем короче длина волны, тем больше энергия излучения. Электромагнитный спектр включает в себя видимый свет с длиной волн приблизительно от 400 (фиолетовый) до 800 (красный) нанометров:

 Ультрафиолетовый свет обладает несколько меньшей, а инфракрасный — большей длиной волны. Инфракрасные волны и микроволны могут нагревать вещество, как, например, в микроволновых печах и тепловых лампах. Теле- и радиосигналы переносятся электромагнитными волнами с еще большей длиной волны. Они обладают достаточной энергией, чтобы заставлять электроны двигаться по электронным схемам наших теле- и радиоприемников.

Видимый свет имеет достаточно энергии, поглощаемой электронами разного рода молекул. Мы видим свет, потому что определенные пигменты в наших глазах воспринимают электромагнитные волны такой длины. Цвет зависит от молекул, которые поглощают электромагнитные волны одной длины и отражают волны другой длины. (Растения, например, имеют зеленый цвет, потому что пигмент хлорофилл поглощает волны красного и синего цветов, энергия которых используется для метаболизма растений; волны зеленого цвета он отражает.) Получив дополнительную энергию, молекула может вступить в разного рода химические процессы. Ультрафиолетовые волны обладают большей энергией, чем видимый свет, поэтому они вызывают серьезные химические повреждения, включая мутации. Однако основная часть ультрафиолетовых лучей никогда не достигает поверхности планеты, так как ее поглощает защитный озоновый слой атмосферы. Серьезную озабоченность вызвало открытие, что сверхзвуковые самолеты и фторуглеводо-роды в аэрозольных баллончиках разрушают озон и что это произошло со значительной частью озонового слоя Земли. Причем уменьшение озонового слоя способно привести к гораздо худшим последствиям, нежели повышенная частота рака кожи у людей. Сейчас использование фторуглеводородов крайне ограничено и контролируется международными соглашениями.

Электромагнитное излучение с длиной волны от 10^-8 до 10^-11 м называется рентгеновским. Гамма-излучение — электромагнитное излучение с еще меньшей длиной волны. Его источником служат ядра некоторых элементов. Энергия рентгеновских волн настолько велика, что они выбивают электроны из атома или молекулы, превращая атом или молекулу в положительно заряженный ион. Поэтому это излучение называют также ионизирующим. Оно приводит к серьезным последствиям. Свободные электроны проносятся по всей клетке, вышибая электроны из других атомов, и поглощаются другими атомами. Ионы способны вступать в различные химические реакции. Рентгеновские лучи бывают «жесткими» и «мягкими», в зависимости от энергии и последствий.

Корпускулярное излучение, или радиация, отличается от электромагнитного. Оно состоит из субатомных частиц с очень большой энергией, которые испускаются радиоактивными атомами. Бета-частицы — это высокоэнергетичные электроны; альфа-частицы — группа из двух протонов и двух нейтронов. В повседневной жизни мало кому приходится сталкиваться с большой радиацией, кроме ученых, исследующих радиоактивные вещества в лабораториях, но все мы постоянно подвержены воздействию фонового излучения. Во-первых, существует небольшое излучение радиоактивных элементов Земли. Во-вторых до поверхности Земли доходит часть космического излучения, представляющего собой потоки электромагнитных волн и частиц в космическом пространстве. Данные табл. 14.1 показывают количество фонового излучения, которое обычно получает человек за год. Для сравнения приведены дозы излучений от искусственных источников — от терапевтических и диагностических приборов до атомных электростанций и люминесцентных циферблатов.

Таблица 14.1 Примерные дозы излучений

За исключением медицинских приборов для рентгеноскопии, искусственное излучение относительно невелико и сравнимо с естественным.

Что представляют собой мутации?

Мутация — это изменение в ДНК. Некоторые изменения происходят спонтанно, со временем. Например, молекулы ДНК теряют пуриновые основания гуанин и аденин (депуринизация) с относительно высокой скоростью. По примерным оценкам, клетка млекопитающего за сутки теряет около 10 тыс. пуриновых оснований. К счастью, в клетках имеются механизмы восстановления, которые вставляют основания в нужные места или вырезают искаженные последовательности и заменяют их вновь синтезируемыми.

Различные факторы также повреждают ДНК. Некоторые повреждения удается восстановить при помощи специальных (репаративных) ферментов, но другие повреждения становятся мутациями. В гл. 9 говорилось, что мутаген профлавин вставляет или удаляет одно или несколько оснований и вызывает так называемые мутации со сдвигом рамки, при которых механизм считывания генетического кода сдвигается. Мутация может быть и заменой одного основания на другое. Мутации такого рода образуются обычно при репликации ДНК, когда к новому основанию прикрепляется не то основание, которое должно было присоединиться изначально. Нормальные пары оснований, А—Т и G—С удерживаются посредством водородных связей, но иногда электроны и атомы водорода, образующие эти связи, могут сдвигаться. Основание G способно временно принять форму G* и при репликации образовать стабильную пару с тимином (Т), а не с ци-тозином (С). При последующей репликации в данном месте появится пара А—Т и, следовательно, произойдет мутация:

Аналоги оснований — это мутагенные молекулы, очень похожие на обычные основания и способные встраиваться в ДНК. Например, 5-бромурацил (5-BU) подобен тимину и может встраиваться в ДНК как парное основание для аденина. Но иногда в нем происходит внутренний сдвиг, и тогда он принимает свойства цитозина. Если такой сдвиг происходит во время репликации ДНК, то с 5-BU соединяется гуанин. Еще через одну репликацию прежняя пара А—Т заменяется на G—С.

Другие мутагены постоянно изменяют строение оснований ДНК и, следовательно, влияют на их свойства образовывать пары. Например, азотистая кислота, бисульфит и гидроксиламин удаляют амин-ные группы (рис. 14.1). Они превращают аденин в гипоксантин, который образует пару с гуанином; цитозин превращается в урацил, который создает пары как тимин.

Рис. 14.1. Дезаминирующий агент, такой как азотистая

кислота (NHO₂), удаляет аминогруппу двух оснований,

превращая их в основания, образующие неправильные пары

Такие мутагены, как нитрозами-ны, добавляют к основанию метальную или этиль-ную группу. Например, когда гуанин превращается в О-метилгуанин, он иногда образует пару с тимином вместо цитозина, что тоже приводит к мутации. Нит-розамины обычно образуются в кислой среде желудка из нитритов, и это заставляет серьезно задуматься об употреблении нитритов в пищевой промышленности. (В 1976 году Управление по контролю за продуктами и лекарствами США понизило допустимый уровень нитритов в мясных консервах с 200 до 50—125 ед. на миллион.) Эти виды повреждений, как и повреждения от 5-BU, происходят обычно при репликации, поэтому к действию этих агентов восприимчивы, прежде всего, делящиеся клетки.

Мы живем в мире, заполненном отходами и продуктами промышленного производства. Поэтому помимо известных мутагенов на наши ДНК воздействуют различные химические вещества, влияние которых еще не изучено и непредсказуемо. Так, при сгорании многих веществ образуется бензопирен, который ферментами печени преобразуется в форму, реагирующую с ДНК. Бензопирен образуется и при копчении продуктов, когда повара стремятся придать своим блюдам аппетитную поджаристую корочку. Многим нравится арахисовое масло, хотя на его поверхности образуется плесень, вырабатывающая афлатоксины, еще один класс мутагенов. Это одна из самых главных опасностей, подстерегающих тех, кто ест арахис и продукты из него. Но мы назвали только некоторые из известных опасных химических веществ современного мира, и наверняка есть много таких, о которых мы почти ничего или вовсе не знаем.

Система восстановления ДНК

По мере развития жизни на нашей планете клетки постоянно встречались с различными мутагенами как в виде излучения, так и в виде химических веществ. Частота мутации должна находиться в пределах каких-то границ, поэтому давление отбора приводило к эволюции систем, способных восстанавливать повреждения в своей ДНК, а также исправлять случайные ошибки, которые постоянно происходят при репликации ДНК, поскольку механизм репликации далек от совершенства.

Одна из ферментных систем восстанавливает повреждения, вызванные ультрафиолетовым излучением. Когда ДНК поглощает ультрафиолетовый свет, соседние пиримидиновые основания одной цепи (например, тимин), образуют сложные соединения, подобные димеру тимина:

Ферменты распознают димер, вырезают его и заменяют другими основаниями. Но ультрафиолет, тем не менее, продолжает представлять опасность для ДНК, потому что многие вызванные им повреждения клетки устранить не могут. Основная угроза ультрафиолетового облучения — развитие рака кожи. Известно, что среди работающих на открытом воздухе, под лучами солнца, случаи рака кожи выше средних показателей. У фермеров, например, часто возникает рак кожи шеи, а у водителей грузовиков рак развивается чаще на левой руке, чем на правой. Данные о раке кожи в чем-то противоречат любимой привычке обитателей Северной Америки и Европы загорать и их представлениям о красоте смуглой кожи. Часто бывает так, что под воздействием солнечного излучения кожа становится сухой и дряблой, и в результате люди среднего возраста выглядят менее привлекательно и, конечно же, совсем не так, как они надеялись выглядеть, принимая солнечные ванны.

Некоторые наследственные заболевания человека связаны с неспособностью восстановления ДНК. Xeroferma pigmentosum (XP) — аутосомное рецессивное заболевание, поражающее примерно одного из 250 тыс. человек, характеризуется неспособностью восстанавливать повреждения, вызванные ультрафиолетовым излучением. Кожа людей с этим синдромом покрыта густыми веснушками, они очень чувствительны к свету, и у них чаще обычного развивается рак кожи. Жертвы другого синдрома, анемии Фанкони, имеют смугловатую кожу, невысокий рост и нарушения в строении скелета. Их кровяные клетки обновляются медленно, и потому возникают лейкемия, опухоли и различные хромосомные аберрации в кровяных клетках. Эти симптомы связаны с неспособностью некоторых ферментов связывать между собой цепи ДНК. Интересно, что их клетки менее подвержены мутациям, нежели обычные клетки.

Генетические последствия радиации

Ионизирующее излучение вызывает мутации любого рода — от точечных замен до хромосомных аберраций и разрывов. Поместив источники невысокой радиации в лесу, исследователи доказали, что постоянное излучение убивает и повреждает растения, а это может иметь далеко идущие экологические последствия.

Ужасные ядерные бомбардировки Хиросимы и Нагасаки послужили источником сведений о долговременных последствиях воздействия радиации на людей. Для изучения этого вопроса в США и Японии была образована Комиссия по обследованию жертв атомной бомбардировки. Нелегко было следить за судьбой выживших на протяжении многих лет, определить их местонахождение относительно центра взрыва и рассчитать полученную ими дозу радиации. Особое внимание обращалось на четыре возможных нарушения: ненормальный исход беременности (рождение мертвого плода, серьезные врожденные пороки), смертность среди новорожденных, частота анеуплоидии (см. далее) половых хромосом детей и ненормальные варианты белков. Среди выживших жертв двух бомбардировок наблюдалось увеличение числа хромосомных повреждений и случаев заболевания раком, но, что удивительно, не очень высокое количество наследственных нарушений у потомства. Для того чтобы в полной мере оценить последствия радиации, нужно проследить за судьбой нескольких поколений и выявить рецессивные аллели или обнаружить эффект, вызываемый сразу несколькими повреждениями. Вместе с тем, казалось бы, доминантные мутации должны были сразу проявиться в следующем поколении, но таковых не наблюдалось. До сих пор нет подтверждений того, что радиоактивное воздействие атомных бомбардировок привело к появлению тяжелых наследственных заболеваний.

Тем не менее эксперименты на разных организмах, от бактерий до млекопитающих, доказывают, что различные виды облучения, вызванные применением атомного оружия, могут послужит причиной мутаций. Мутагенным воздействием обладает не только сам ядерный взрыв, но и различные частицы, переносимые на сотни и тысячи километров и выпадающие в виде радиоактивных осадков (содержащих, например изотоп стронций-90). Джеймс Кроу предположил, что по своим генетическим последствиям воздействие приблизительно 10 рентген на гонады каждого из 100 млн человек сравнимо с воздействием крупной аварии на атомной электростанции. И хотя его расчеты очень приблизительны, такая доза должна увеличить процент доминантных мутаций и мутаций, связанных с половыми хромосомами в значительное число раз (от 20 до 200), а это будет иметь серьезные последствия для населения.

Хотя радиация вызывает рак и другие нарушения у человека, подвергшегося ее воздействию, наибольшее беспокойство вызывает влияние радиации на клетки половых желез, в которых образуются сперматозоиды и яйцеклетки. Мутантные аллели, почти все вредоносные, могут передаться последующим поколениям и увеличить число генетически обусловленных заболеваний внутри вида. Конечно, после облучения мутантными становятся не все половые клетки. Мутации больше подвержены женские половые клетки, так как женщины рождаются уже с запасом будущих яйцеклеток. На протяжении всего репродуктивного периода они постоянно подвергаются воздействиям мутагенов. У мужчин сперматозоиды образуются постоянно, и хотя во время воздействия повышенной радиации мутации происходят чаще, после прекращения такого воздействия уровень мутаций новых сперматозоидов возвращается к норме.

Ядерное оружие по-прежнему представляет собой угрозу, хотя в последнее время люди все чаще испытывают беспокойство по поводу аварий на атомных электростанциях и их радиоактивных отходов. Среди самых известных — авария 1979 года близ Харрисберга (штат Пенсильвания), и авария 1986 года в Чернобыле. Они показали ошибочность хвастливых утверждений, что атомная энергетика — самый безопасный вид современных технологий. В ходе расследования инцидента в Харрисберге выяснилось, что низкий уровень радиации не так уж безвреден, как считалось ранее. Самое неприятное впечатление осталось от того рвения, с каким государственные чиновники стремились скрыть или приуменьшить размеры опасности радиации. Для проверки боеспособности войск в радиусе действия ядерного взрыва военное командование США намеренно организовало ряд учений, в которых воздействию радиации повергались тысячи солдат. Впоследствии центры по контролю заболеваний зафиксировали высокий уровень смертности от лейкемии среди участников этих учений. Лейкемия отмечалась также и у детей, родившихся в Юте во время наземных испытаний ядерного оружия в Неваде, причем частота заболеваний соответствовала графику испытаний. Обследования рабочих военных судостроительных заводов в Портсмуте показали, что из-за повышенного воздействия радиации, источником которой были атомные подводные лодки, увеличился уровень смертности и повысилась частота хромосомных повреждений. У рабочих военных судостроительных заводов Великобритании, доза облучения которых превышала нормативные 5 бэр в год, также наблюдалась повышенная частота хромосомных аберраций. После этого Национальная академия наук США объявила, что минимально допустимого уровня биологической опасности радиации не существует.

Как нам относиться к постоянно появляющимся в средствах массовой информации сенсационным рассказам о мутациях? К катастрофам на атомных электростанциях? К проблеме захоронения радиоактивных отходов, которые останутся радиоактивными на протяжении десятков тысяч лет? К тому, что весь город Порт-Хоуп в канадской провинции Онтарио заражен радиоактивным газом радоном, который образовался в результате захоронения отходов близлежащей компании по производству радиоактивных веществ? И хотя раковые заболевания чрезвычайно опасны, действие радиации не ограничивается мутациями в соматических клетках. Последствия мутаций половых клеток более непредсказуемы и потому значительно опаснее. Человечество подвергает себя серьезному риску непредвиденных генетических последствий, так как передаваемые по наследству мутации способны полностью изменить нас как биологический вид, и после какой-то стадии эти изменения будут уже практически необратимы. Существует ли на самом деле такая генетическая бомба с часовым механизмом, отсчитывающим последние мгновения до ужасной генной катастрофы? К сожалению, пока никто не может дать ответы на эти вопросы.

Хромосомные аберрации

Хромосомы содержат гены, расположенные в определенной последовательности. Фенотип организма зависит не только от тех или иных генов, но и от того, как они расположены относительно других генов. На первый взгляд это утверждение кажется странным. Если в ядре все хромосомы перемешаны, то, казалось бы, местоположение гена роли не играет; главное — то, что он присутствует. Поэтому генетики поначалу немало удивились, узнав, что перестройки хромосом могут привести к серьезным изменениям в экспрессии генов. Почему это происходит, во многом остается загадкой. О регуляции генов, упомянутой в гл. 11, мы знаем еще не очень много, но нам известно, что положительная или отрицательная регуляция генов осуществляется участками ДНК, расположенными от них на некотором удалении. Поэтому изменение местоположения гена может включить его в иную регуляторную систему. В любом случае перестановки последовательностей ДНК подобно их потерям и вставкам воздействуют на развитие половых клеток и на рост организма.

Хромосомные аберрации происходят вследствие физических разрывов хромосом и неправильного воссоединения их фрагментов. Делеция, или утрата участка хромосомы, происходит вследствие двух разрывов или отрыва конечного участка. Если ото рванный участок вставляется в обратной последовательности, мы имеем дело с инверсией:

Одновременный отрыв различных участков гомологичных хромосом и вставка одного из них позади другого может привести к делеции в одной хромосоме и к дупликации в другой:

И, наконец, оторванный участок может присоединиться не к той хромосоме, то есть происходит транслокация. (Иногда две негомологичные хромосомы меняются своими концами; в таком случае мы имеем дело со взаимной, или реципрокной, транслокацией.)

В клетке может измениться и количество хромосом. Иногда вместо нормальной диплоидной клетки с двойным (2n) набором хромосом получаются триплоидная (Зn) или тетраплоидная (4n) клетки. Но чаще происходит умножение или утрата отдельной хромосомы, и тогда образуется анеуплоидный организм с набором хромосом 2п + 1 или 2n — 1. Мы уже встречались анеуплоидией половых хромосом и узнали, что она является следствием нерасхождения хромосом. В таком случае в диплоидном наборе может недоставать одной хромосомы (моносомия) или присутствуют три гомологичные хромосомы (трисомия). Половые хромосомы обладают достаточным «запасом прочности», чтобы выполнять при этом свои основные функции. Анеуплоиды по половым хромосомам выживают и даже имеют относительно нормальный фенотип. Однако аутосомные хромосомы имеют настолько сложную и хрупкую структуру, что их необычное распределение практически во всех случаях приводит к летальному исходу. Даже если некоторые анеуплоидные эмбрионы и выживают во время развития, то обладают явно выраженными уродствами.

Полиплоидия широко распространена среди растений, которые, по-видимому, не столь чувствительны к необычному набору хромосом. Есть три-плоидные растения вроде бананов. Большинство новых сортов растений тетраплоидны, то есть они произошли вследствие удвоения всего генома. При скрещивании близких растений часто возникают тетраплоиды, имеющие по одному полному диплоидному набору хромосом от каждого родительского вида. Впоследствии новые сорта могут утрачивать некоторые хромосомы, и поэтому их набор хромосом уже не соответствует точной комбинации родительских наборов.

Одно из противоречий научного прогресса заключается в том, что методы предродовой и послеродовой терапии, благодаря которым удалось снизить смертность среди новорожденных, одновременно увеличили вероятность рождения детей с наследственными дефектами. Многие из них происходят вследствие хромосомных аберраций.

Большинство страдающих бесплодием имеют хромосомные дефекты. Преждевременное прекращение беременности происходит приблизительно у 20% женщин, и в половине этих случаев у плода имеются хромосомные нарушения. По меньшей мере у 0,5% новорожденных отмечаются очевидные нарушения хромосом; многие нарушения настолько незаметны, что их нелегко распознать при современном уровне диагностики. По приблизительным оценкам, сегодня более чем у 10% детей имеются нарушения, которые требуют основательного лечения или хирургического вмешательства еще в младенчестве или в раннем детском возрасте. В это число не входят прекращения беременности на самой ранней стадии развития эмбриона, когда некоторые женщины даже не догадываются, что были беременны. Так что хромосомные аберрации отнюдь не редки, и они служат серьезным источником беспокойства и страданий.

Хромосомы человека

Под электронным микроскопом хромосомы человека выглядят как свитые в многочисленные петли куски толстой веревки. Каждая хромосома представляет собой длинную, непрерывную цепь ДНК, в скрученном виде окруженную особыми белками и молекулами РНК. Поначалу исследования хромосом {цитогенетика) ограничивались изучением хромосом растений и насекомых с малым числом крупных хромосом. У млекопитающих обычно бывает наоборот — большое количество небольших хромосом. С 1920-х до середины 1950-х годов было распространено мнение, что у человека 48 хромосом. (Когда Д. Сузуки, один из авторов этой книги, учился в колледже, ему говорили, что у кавказцев 48 хромосом, а мужчины — представители желтой расы имеют хромосомный набор Х0 и 47 хромосом!). Но в 1956 году шведские ученые Трийо и Леван провели ряд исследований и обнаружили, что в самых хорошо подготовленных клетках при самых благоприятных условиях всегда наблюдается 46 хромосом. С тех пор общепризнанным стало число 46. У приматов количество хромосом сравнимо с количеством хромосом у человека, у макак-резусов их 42; у шимпанзе, горилл и орангутанов — 48.

В гл. 5 мы уже говорили, что для получения кариотипа раствор белых кровяных клеток обрабатывают колхицином. На четких фотографиях видны различные хромосомы, которые можно распределить по порядку. Всем хромосомам человека присвоены порядковые номера, начиная с самой длинной (рис. 14.2). После длины самая заметная характеристика — положение центромеры, то есть участка, в котором хроматиды сцеплены между собой и к которому присоединяются нити веретена. Хромосомы с центромерами, расположенными приблизительно посередине, называются метацентрическими, как, например, первые три хромосомы человека. У акроцентрических хромосом центромеры расположены ближе к одному из концов и делят их на две неравных части, или «плечи» (как, например, хромосомы с 16 по 18). Бывают также телоцентрические хромосомы с центромерами практически на конце, у человека таких нет. У некоторых хромосом имеются сателлиты, небольшие участки, присоединенные к основной хромосоме такой тонкой нитью, что ее почти не видно.

Более отчетливое изображение можно получить посредством окрашивания. При окрашивании раствором Гимза становятся видны кольцевые полосы, или Гимза-диски; под действием других красителей появляются флуоресцентные полосы. Такие процедуры помогают опознать хромосомы среди других и выявить в них аберрации. В 1971 году на международной конференции в Париже была принята единая система определения и обозначения участков хромосом по их полосам

Рис. 14.2. Хромосомы человека со стандартным рисунком Гимза-дисков. Длинные и короткие плечи обозначают бук вами p u g соответственно. Каждое плечо поделено на пронумерованные сегменты, определяемые располо-жени-ем Гимза-дисков. Отсчет сегментов начинается с центромеры. Конец длинного плеча первой хромосомы, например, обозначается как Iq44, а следующий сегмент— как Iq43

Анеуплоидия

Богатый источник материала для исследований хромосомных аберраций — выкидыши в течение первых недель развития, так как у них насчитывается в 50—100 раз больше хромосомных нарушений, чем у новорожденных. Наиболее частое нарушение — трисомия, то есть наличие одной лишней хромосомы. Среди выкидышей встречаются случаи трисо-мии по каждой из 23 хромосом, но моносомия, за исключением Х0, не встречается, так как это настолько тяжелое нарушение, что эмбрион погибает на самой ранней стадии. Плод выживает только в случае трисомии трех аутосомных хромосом — 12-й, 18-й и 21-й; при этом каждый случай характеризуется своим синдромом. Самый известный случай — трисомия по 21-й хромосоме, или синдром Дауна, при котором у ребенка развиваются характерные внешние черты, и людей с такими чертами сейчас довольно часто можно встретить в общественных местах. Обычно они страдают от замедленного умственного развития и потому становятся пациентами психиатрических заведений. Но в последнее время их все чаще оставляют дома, так как при надлежащей заботе они вполне самостоятельны и способны к обучению. Как правило, они добродушные, спокойные и не доставляют хлопот окружающим.

Нерасхождение 21-й хромосомы во многом зависит от возраста матери. Исследования показали, что среди 18-летних матерей только одна из 2500 рожает ребенка с болезнью Дауна, тогда как среди 45-летних это соотношение составляет один случай на 40—50, то есть вероятность повышается в 50 раз. В одном исследовании из 1700 случаев трисомии по 21-й хромосоме около 40% больных детей родились от матерей старше 40 лет, хотя в целом от таких матерей рождается 3,5—5% всех нормальных детей. Такая зависимость нарушения от возраста пока не нашла своего объяснения.

Становится очевидным, что хромосомные аберрации — основные источники наследственных заболеваний человека. Вот почему биологи стремятся понять механизм аберраций и разработать надежные методы их диагностики, если пока их невозможно предотвратить. Учитывая темпы развития хромосомного анализа, следует ожидать появления более совершенных методов диагностики в ближайшем будущем. В Северной Америке уже широко применяется хромосомный анализ плода, позволяющий определить дефект на ранней стадии развития, когда беременность еще можно прервать. Во многих странах принято всех будущих матерей старше 35 лет обследовать на предмет возможных хромосомных нарушений.

Дупликация и делеция

Дупликации и делеции больших участков хромосом почти всегда летальны, как и большинство мутаций. Если плод и выживает, то он характеризуется серьезными нарушениями в развитии. Самый известный пример — утрата части короткого плеча пятой хромосомы. Младенцы, гетерозиготные по этому нарушению, демонстрируют признаки так называемого синдрома cri-du-chat («крик кошки»); они страдают от сильных физических и психических дефектов и постоянно издают звуки, похожие на мяуканье. Другие синдромы сопоставлены с потерями сегментов других хромосом, в том числе 4-й и 18-й. Если от нарушений в развитии страдают гетерозиготы, то гомозиготам грозят еще большие нарушения — вплоть до летального исхода. Среди людей гомозиготы по таким недостаткам неизвестны, а у мушек-дрозофил они почти по всем делециям погибают. Это говорит о том, что практически любой ген играет важную роль и что для сохранения жизнеспособности необходимы две копии гена.

В ходе процесса, при котором образуются делеции, могут случаться и дупликации. Единственные установленные случаи дупликации у людей затрагивают гетерохроматин, о котором нам мало известно, и гены рибосомных РНК, которые, правда, почти никогда не подвергаются дупликации. Возможно (хотя это только предположение), что у некоторых людей имеются незначительные дупликации, которые внешне никак не выражаются и которые нельзя выявить традиционными методами цитогенетики.

Самые примитивные организмы имеют гораздо меньшее число генов по сравнению с растениями и животными, и естественно предположить, что ранние формы жизни имели еще меньшее число генов. Дупликации увеличивают количество генетического материала и потому важны для усложнения генома, так как в процессе дупликации клетка сохраняет свои обычные гены и получает одну или несколько дополнительных копий. В ходе последующих мутаций эти копии могут постепенно меняться, пока не приобретут иные функции.

Произошедшая дупликация позволяет и далее увеличивать количество генов. Представим еще раз гены как последовательности букв:

Когда спариваются две хромосомы с дупликацией, они могут образовать неравномерную пару:

И в таком случае получаются одна хромосома без дупликации и одна хромосома с тройной последовательностью (трипликация). Таким образом, при асимметричном спаривании хромосом генетический материал увеличивается и может накапливаться до бесконечности.

При кроссинговере в области дупликации может произойти еще одна дупликация:

Инверсии

Многие из нас слышали о супругах, которым никак не удается завести детей из-за прерванных беременностей и выкидышей. Это происходит, если один из партнеров гетерозиготен по инверсии или транслокации. Рассмотрим сначала инверсии. Инверсии можно опознать по изменившемуся рисунку полос. Они называются перицентральными, если инвертированная последовательность включает центромеру, или парацентральнъши, если не содержит центромеру. Генетические последствия этих двух типов различны. Во время мейоза гомологичные хромосомы образуют пары, и при этом они выстраиваются напротив друг друга с поразительной точностью. Какие бы силы их ни удерживали, хромосомы изгибаются и поворачиваются так, чтобы встать точно напротив комплементарной последовательности. У гетерозиготного по инверсии человека, который имеет одну нормальную и одну инвертированную хромосому, две гомологичные хромосомы образуют характерную инверсионную петлю, выравнивающую сегменты между точками инверсии:

Если кроссинговер происходит внутри инверсионной петли, то получившиеся гаметы могут оказаться дефектными. При гетерозиготной парацентральной инверсии кроссинговер удерживает вместе две центромеры и оставляет ацентрический отрезок без центромеры. В конце I стадии мейоза этот фрагмент теряется, тогда как две связанные мостом центромеры продолжают оставаться вместе. В конце II стадии мейоза обычные хроматиды, не задействованные в кроссинговере, расходятся. Мост при этом остается, и если он разрывается, то образуется ядро дефектной клетки, от которой никогда не будет потомства. Поэтому в ядрах функциональных клеток имеются только те хроматиды, которые не подвергались кроссинговеру. Так инверсии выборочно устраняют хромосомы в состоянии кроссинговера.

Перицентральные инверсии после кроссинговера ведут себя по-другому: хроматиды могут отделиться друг от друга, но они подвергаются дупликации, и их концы повреждаются. Гаметы с такими хроматидами выживают с очень небольшой вероятностью. Если у одного партнера имеется большая инверсия хромосомы, которая часто подвергается кроссинговеру, то у супружеской пары нарушения плода происходят гораздо чаще обычного или рождаются дети с наследственными дефектами.

Транслокации

Транслокации — частая причина наследственных нарушений, которую можно заметить в кариотипе. Обычно их переносят гетерозиготы, имеющие одну нормальную хромосому и одну хромосому с транслокацией.

Фенотипически такие носители нормальны, так как у них две копии гена, пусть даже одна имеет другую последовательность.

При расхождении хромосом образуется некоторое количество ненормальных гамет. Хромосомы образуют пары в характерной крестообразной конфигурации, когда гомологичные регионы расположены напротив друг друга:

Второй закон Менделя применим и здесь. Две пары центромер распределяются независимо двумя разными способами с равной вероятностью. Если к одному полюсу переходят центромеры с одной стороны креста, то образуются гаметы с дупликацией или делецией. Если же к одному полюсу переходят центромеры с разных сторон, то образуется два вида гамет: одни с нормальным набором хромосом, другие — с разными дополняющими друг друга участками транслокации.

Поскольку партнерами гетерозигот по транслокации обычно бывают люди с нормальными хромосомами, то у пары с равной вероятностью могут образоваться зиготы четырех типов: нормальные, нормальные с транслокацией (носитель) и два вида ненормальных (с дупликацией и делецией). Если Дупликация и делеция довольно большие, то развитие зародыша, скорее всего, прервется; если же младенец родится, то у него могут быть нарушения. Например, синдром Дауна может проявиться не только в результате нерасхождения, но и из-за транслокации. Один из типов гамет гетерозигот слишком дефектен, поэтому вероятность распределения признаков в потомстве такова: один нормальный, один носитель, один с синдромом Дауна. Поэтому в случае обнаружения признаков транслокации генетический консультант предупреждает пару о возможных осложнениях и сообщает им о высоком риске рождения ребенка с наследственными нарушениями.

содержание   ..  10  11  12  13  14  15  ..