Темп возникновения генных мутаций и методы установления их частоты у человека.

Темп возникновения мутации, или мутабильность, измерялся у множества различных организмов, хотя в основном лишь для мутаций с хорошо заметным проявлением. Генные мутации встречаются реже, чем хромосомные и геномные, однако они не так часто сопровождаются летальным эффектами, в связи, с чем могут долго сохраняться в популяциях, а при некоторых условиях даже накапливаться. Исследования летальных эффектов при близкородственных браках показало, что около 8 % всех людей несут новообразованные мутации, и значительно меньшее количество этих генетических аномалий наследуется. В соответствии с известными научными данными, частота разных мутаций у человека колеблется в довольно широких пределах (табл. Стр. 217 т.2 Тоцкий).

Целенаправленные исследования мутационного процесса у человека были начаты в 30 – 40-х годах на генном (Haldane L, B, S, 1935) и хромосомном (Андреас А. Г., Хесин Л. Я., 1940) уровнях. Но проблема оказалась настолько обширной, что делать обобщающие выводы о разных аспектах изучения мутационного процесса у человека пока не представляется возможным. Интенсивность мутационного процесса у человека на генном уровне можно оценивать на основании учета фенотипов или популяционных эффектов (событий), вызываемых специфическими мутациями.

Популяционный подход основан на оценке летальных эффектов от инбредных браков, соотношения полов, элиминации мутаций в стационарных популяциях. Современные данные, включая электрофоретические, позволяют предполагать, что частота спонтанных генных мутаций у человека находится в пределах 10–5 – 10–7 . Суммарную интенсивность мутационного процесса можно оценивать только косвенно. Если принять, что у человека 50 000 – 100 000 локусов и частота мутаций в среднем составляет 10–6 , то это означает, что каждый инвалид имеет вероятность, равную 0,1 получить новую мутацию (либо от отца, либо от матери). Следовательно, 10 % людей имеют по одной вновь возникшей мутации.

Частота мутации не является абсолютно стабильной величиной. В многочисленных исследованиях выявлена зависимость частоты спорадических случаев, то есть в основном новых мутаций, ряда аутосомно-доминантных, заболеваний от возраста родителей. Так, еще в 1957 году L.Penrose показал значение возраста родителей в частоте рождения детей с ахондроплазией. Эти данные подтверждены другими исследователями (Лунга И. Н., 1975; Murdoch J. L. et al., 1970; Friedman J. M., 1981) И. Н.Лунга (1975), и М. Д. Баженова и соавт. (1984), Fridman J. M. (1981) определили, что большее значение имеет возраст отцов, чем матерей: вероятность рождения ребенка с ахондроплазией от 50-летних мужчин увеличивается в 2 раза по сравнению с общепопуляционным показателем (табл. ).

 

Таблица

Значение мутационного процесса в определении частоты наследственных болезней (Н. П. Бочкав, А. Н. Чеботарев, 1989)

Болезни Число родственных Новые мутации, % Семейные случаи, %
Ахондроплазные (аутосомно-доминантно наследуемое заболевание).
Нейрофиброматоз (аутосомно-доминантно наследуемое заболевание).
Хромосомные (вся группа)

 

Изучалось влияние возраста родителей на появление спорадических случаев аутосомно-доминантно наследуемых заболеваний. Выявлена разница в возрасте матерей пробандов и в контрольной выборке, но специальный анализ во всех случаях показывал много большую значимость возраста отцов. Объяснение этому находят в особенностях мужского гаметогенеза по сравнению с женским (непрерывная обновляемость спермиогенного эпителия), т.е. связывают появление мутаций с ошибками репликации ДНК. С этим можно частично согласиться, но требуется выяснить, почему зависимость частоты рождения детей с доминантными мутациями от возраста отца экспоненциальная, а не прямолинейная. Не для всех доминантно наследуемых заболеваний установлено значение возраста родителей (наследственный аденоматоз желудочно-кишечного тракта, туберозный склероз и др.).

Не обнаружено влияние возраста родителей, порядка рождения, числа детей и интервала между рождениями на вероятность появления болезней с поражением двигательных нейронов (309 родословных) (K. Kondo, K. Fujiki, 1984). Не зависит частота возникновения мутаций от возраста предков и при Х-сцепленных заболеваниях (возраста дедушек пробандов по материнской линии) (N.Yasuda, K. Kondo, 1982).

На частоту возникновения мутаций в зародышевых клетках могут влиять и другие биологические факторы. Еще J. B. S. Haldane (1935) впервые предпринял попытку сравнить частоту возникновения спонтанных мутаций в спермиях и яйцеклетках, т.е. изучить темпы спонтанного мутационного процесса на геном уровне у мужчин и женщин. Удобным объектом для такого исследования являются мутации генов, локализованных в Х-хромосоме. Анализ данных по гемофилии позволил автору прийти к выводу, что генные мутации возникают чаще (возможно в 10 раз) в мужских гаметах, чем в женских. Хотя данные не по всем изученным заболеваниям однозначны, все же многое свидетельствует о том, что у мужчин мутации возникают чаще, чем у женщин.

F. Vogel (1977) проанализировал данные литературы о частоте спонтанных мутаций в Х-хромосоме, вызывающих рецессивно наследуемые заболевания. Правильный статистический анализ и точное определение гетерозиготности являются непременными методическими условиями для проведения подобных исследований. При соблюдении этих условий установлено, что по локусам гемофилии А и синдрома Леша-Нихена мутационный процесс в зародышевых клетках мужчин протекает интенсивнее. В то же время большой материал по лигодистрофии Дюшенна показал, что разницы в мутационном процессе у мужчин и женщин по этому локусу нет (Hadane J. B. S., 1935; Yasuda N., Kondo K., 1980; Emery A. E. H., 1980).

Спонтанное возникновение мутаций может быть вызвано либо ошибками репликации, либо воздействием мутагенных факторов химической или физической природы. Можно попытаться объяснить спонтанные мутации естественным фоном облучения, действию которого человек подвергается постоянно. Однако большинство генетиков не считают эту точку зрения обоснованной. Как показывают расчеты, фон радиации имеет какое-то значение, но не является определяющим. Вряд ли в происхождении спонтанных мутаций у человека существенную роль играет температурный фактор, хотя для экспериментальных животных этот факт установлен. Если бы это было так, то у женщин мутаций возникало бы больше, чем у мужчин, поскольку температура яичек ниже, чем яичников. Если происхождение мутаций объяснить ошибками, возникающими в процессе репликации генов, то тогда у мужчин должна быть большая зависимость частоты мутации от возраста, чем у женщин, потому что у мужчин происходит непрерывное обновление сперматогенного эпителия, а ооциты женщин не делятся. В этом случае при рождении детей с наследственными болезнями разница между возрастом отцов и матерей должна быть больше, чем при рождении нормальных детей. Так оно и оказалось для некоторых заболеваний.

Таким образом, не один, а многие факторы определяют спонтанный мутационный процесс в зародышевых клетках на генном уровне.

Методы установления частоты мутаций у человека.

Фенотипические методы оценки интенсивности мутационного процесса у человека разделяют на прямой и непрямой (косвенный).

Прямой метод заключается в определении отношения числа новых случаев заболевания или морфологического изменения, т.е. числа измененных детей, рожденных от здоровых родителей, к числу всех генов данного локуса у лиц изученной популяции. При этом расчет идет на одно поколение (у человека его длительность принимается равной 30 годам). Очевидно, что прямой метод может быть применен только для учета доминантных аутосомных мутаций или кодоминантно наследуемых признаков, при которых заболевания хорошо диагностируется и имеется полная проявляемость мутации в гетерозиготном генотипе. Так как каждый организм имеет двойной набор генов, для расчета частоты мутирования на гамету необходимо удвоить общее число обследованных:

U – частота возникновения мутаций;

M – число мутантных фенотипов;

N – число обследованных.

 

Непрямой метод основан на принципе равновесия между мутационным процессом и элиминацией мутантов, имеющих пониженную жизнеспособность. Если мутация приводит к снижению плодовитости мутантов, то через какой-то промежуток времени установится равновесие между поступлением мутантов за счет вновь возникающих и элиминаций их за счет сниженной плодовитости. Таким образом, зная частоту мутантов в популяции и их плодовитость относительно плодовитости немутаннтных особей, можно определить интенсивность мутационного процесса.

С помощью непрямого метода можно определять частоты доминантных и рецессивных мутаций (аутосомных и сцепленных с полом), используя следующие формулы:

- для доминантных аутосомных

- для рецессивных аутосомных

- для рецессивных сцепленных с полом

- для доминантных сцепленных с полом

- для голандрических

где U – частота возникновения мутаций;

f – относительная плодовитость мутанта;

x – частота мутантов в популяции в целом;

x/ – частота мутантов среди мужчин.