Вплив навколишнього середовища на генофонд популяції

Лекція 3-4.

· Генофонд популяції.

· Чинники, що впливають на генофонд популяції.

· Генетичний моніторинг як засіб підтримання генетичної безпеки популяції.

Технічний прогрес зумовив суттєві ускладнення взаємозв'язків у системі «людина — навколишнє середовище», їх гармонізацію може забезпечити лише побудова екологічної цивілізації, яка враховує особливості не тільки соціології, а й біології людини. Ключова роль науки про спадковість у розв'язанні цієї проблеми пов'язана з тим, що здатність людини адаптуватися до нових чинників середовища визначена її генетичною програмою і далеко не безмежна. Характер генетичних процесів у популяції залежить від багатьох природних чинників (природно-кліматичні умови, географічні бар'єри, стихійні лиха, епідемії), проте в сучасну епоху превалюють антропогенні (забруднення навколишнього середовища) і соціальні чинники. Соціально-екологічні параметри середовища трансформуються так швидко, що постає питання про сумісність темпів цих змін з еволюційно обумовленими адаптивними можливостями людини, обмеженими властивостями генофонду популяції.

Ген — ділянка молекули ДНК, що містить інформацію, необхідну для синтезу білка, і займає певну позицію на хромосомі.

Зашифрований у гені «текст» являє собою послідовністьчергування чотирьох знаків інформації — окремих ланок ДНК (нуклеотидів). Середній розмір гена у людини —1—3 тис. пар нуклеотидів (п. н.). Уся генетична інформація про людину (геном) укладена в послідовності приблизноз З млрд п. н. чотирьохлітерного алфавіту.

Ядерні структури, в яких у спіралізованому вигляді упакована ДНК, — хромосоми. Хоча хромосоми можна побачитичерез звичайний мікроскоп, їх точну кількість у людини (46) було визначено лише у 1956 р. У другій поло­вині XX ст. у результаті бурхливого розвитку молекулярної генетики відбувся великий прорив у розумінні основ життя. Міжнародне товариство генетиків, які об'єдналися В межах проекту «Геном людини», поставило перед собою мету — розшифрувати всю послідовність ДНК (сиквенувати геном) людини. У 2000 р. це завдання було виконано.

Точна кількість генів у людини невідома, за приблизними оцінками — від 50 до 100 тис., з них третина — поліморфні, тобтоіснують у двох і більше варіантах (алелях), а 2/3 — мономорфні, тобто представлені одним варіантом (за винятком окремих випадків — мутацій). Прикладом мономорфізму є гени, що відповідають за кількість пальців на руці (ви­падки шестипалості надзвичайно рідкісні і зумовлені відпо­відною мутацією). Приклад поліморфного гена з трьома алелями — А, В і О — всім відома система груп крові АБО. Кожна людина може мати не більше двох алелів конкретно­го гена: або два різні — і тоді вона буде гетерозиготною (за групами крові — генотипи АО, ВО і АВ), або два однакові (генотипи АА, ВВ або ОО) — і тоді вона буде гомозиготною.

Генотип — індивідуальний набір алелів.

Генофонд популяції охоплює всю різноманітність але­лів усіх генів геному індивідуумів.

Генофонд — закодована в молекулах ДНК генетична пам'ять по­пуляції, що передається із покоління в покоління у процесі при­родного відтворення населення.

На генофонд популяції впливають численні чинники, серед яких найважливішими є: мутагенез, ізоляція і дрейф генів, міграція, структура шлюбів, природний добір. Саме вони зумовили виникнення різноманітних людських популяцій, що можуть помітно відрізнятися одна від одної як зовнішнім виглядом, так і особливостями перебігу життєво важливих процесів.

Мутаційний процес.Величезну роль в еволюції життя на Землі відіграв мутаційний процес як могутнє джерело нової генетичної інформації.

Мутаційний процес (мутагенез) — утворення мутацій, що полягає у стрибкоподібних успадкованих змінах генетичного матеріалу (кількості або структури ДНК).

Збільшення генетичної мінливості сформованих видів за рахунок нових мутацій призводить зазвичай до несприятливих наслідків. Тому зростання темпів мутаційного процесу, що відбувається внаслідок забруднення навколишнього середовища генотоксичними агентами, які пошкоджують генетичний матеріал, створює найбільшу загрозу генетичній безпеці всього живого (рис. 3.1).

Рис. 3.1. Оцінка рівня генетичної безпеки населення

Типи мутацій. За біологічними наслідками розрізня­ють такі типи мутацій:

1. соматичні мутації. Вони відбуваються в соматичних клітинах (клітинах тіла) і виявляються в осіб, які безпосе­редньо зазнають генотоксичного впливу. Вони збільшують ризик онкологічних захворювань, активізуючи онкогени (канцерогенез), знижують рівень імунного захисту, змен­шують тривалість життя;

2. гаметичні мутації. Виникають вони у статевих клі­тинах, виявляються у потомстві і створюють загрозу для здоров'я майбутніх поколінь, збільшуючи генетичний вантаж популяції.

Особливою категорією генотоксичних ефектів є пору­шення внутріутробного розвитку внаслідок впливу на ор­ганізм вагітних жінок, який призводить до виникнення вродженої потворності плоду (тератогенез).

Оскільки спадково можуть передаватися лише гаметичні мутації, вони становлять особливий інтерес для еко­логії людини.

За часом виникнення мутації поділяють на «свіжі», тобто такі, що виникли у статевих клітинах батьків мутан­та (мутації de novo), і успадковані, тобто такі, що виникли в попередніх поколіннях. Таке розмежування дуже ва­жливе у тих випадках, коли необхідно встановити, чи мо­гла хвороба дитини бути наслідком генотоксичних впливів на батьків (у юридичній практиці вже були судові позови до адміністрації підприємств зі шкідливим виробництвом із приводу генетичного збитку). «Свіжа» мутація може пе­редаватися спадково, якщо вона неістотно знижує присто­сованість її носіїв. Як приклад можна навести так звану «габсбурзьку губу», яка простежується на фамільних пор­третах представників цієї королівської династії протягом кількох століть.

За характером пошкодження генетичного матеріалу мутації бувають:

геномні, які полягають у зміні кількості хромосом;

хромосомні, що означають зміну структури хромосом;

генні, або точкові, що полягають у заміні одного або кількох нуклеотипів у структурі ДНК.

Майже всі геномні і хромосомні мутації є «свіжими», оскільки несумісні з життям (їх носії гинуть на пренаталь­них стадіях онтогенезу або в ранньому дитинстві) або приводять до серйозних аномалій морфофізіологічного і розумового розвитку. Патологією такого типу, що зустрічається найчастіше (в середньому з частотою 1 на 700 новонароджених), є синдром Дауна. Більшість генних мутацій певною мірою знижують пристосованість індивідуумів до леталь­них (смертельних) і сублетальних наслідків, але деякі ціл­ком сумісні з нормальним життям і репродукцією (шестипалість, альбінізм). Важливою є роль генних мутацій в етіології спадкових захворювань — нині їх відомо при­близно 6 тис. Сумарна частота генних мутацій у популяції сягає 1%, причому не всі спадкові захворювання, спричи­нені генними мутаціями, є вродженими. Існують і такі хвороби, наприклад хорея Гентінгтона, що можуть урази­ти людину у віці 40 років і старше. До цього часу вона, ні­чого не підозрюючи, вже могла завести потомство і передати фатальний ген наступному поколінню.

Профілактика мутацій. Накопичення вантажу мутацій у популяції в присутності мутагенів навколишнього середо­вища здійснює руйнівний вплив на генофонд, оскільки більшість мутацій знижують пристосованість індивіду­умів. Методи і способи запобігання негативним генетичним наслідкам забруднення довкілля полягають передусім у профілактиці виникнення мутацій. Такими методами можуть бути:

перевірка на мутагенність/ канцерогенність / тератогенність нових синтезованих сполук, які надходять у нав­колишнє середовище: розроблення досконаліших тест-систем; створення регістрів мутагенів;

вилучення з довкілля відомих мутагенних сполук, за потреби заміна їх нешкідливими аналогами;

перегляд і зниження існуючих ГДК (гранично допу­стимих концентрацій) хімічних речовин, використовува­них у промисловості, сільському господарстві, медицині та побуті і забруднюючих довкілля.

Малоймовірно, що вдасться вилучити з навколишнього середовища всі найнебезпечніші мутагени. Перспективні­шим є інший шлях — підвищення стійкості людей до дії Мутагенів. Сама природа передбачила в організмі людини спеціальні системи ферментів, які заліковують (репарують) пошкодження ДНК. Активність цих ферментів неоднакова у різних людей, але її можна підвищити за допомогою антимутагенів, до яких належать, наприклад, вітаміни С і 10, Інтерферони, екстракти деяких рослин (капусти, зеле­ного перцю, часнику, цибулі). Якщо мутація вже відбулася, її можна виявити на ранніх стадіях онтогенезу (прена­тальна діагностика) і запобігти народженню дитини з гене­тичним дефектом. Останнім часом внаслідок розвитку методів генної інженерії стала можливою генна терапія денних захворювань.

Генетична безпека має стати невід'ємною складовою за­гальної концепції національної безпеки, розроблення якої надзвичайно актуальне для сучасної України. Загальновизнано, що найнадійнішим методом оцінювання характеру генетичного процесу в популяції є генетичний моніторинг.

Генетичний (грец. genesis — походження) моніторинг (англ. monitoring — спостереження) — постійне спостереження за динамікою параметрів генетичного вантажу, онкологічною захворюваністю, іншими адаптивнозначущими ознаками.

При цьому сама популяція стає індикатором стану нав­колишнього середовища — зростання генетичного вантажу вказує на наявність несприятливого впливу. Проте від Констатації наявності небезпечної тенденції до визначання конкретного чинника, що її зумовив (причинно-наслідкових зв’язків), необхідний час і великі зусилля дослідників. Збільшення частоти будь-якої генетичної патології може бути зумовлене не тільки забрудненням довкілля, а й прибуттям мігрантів із регіонів з іншим спектром спадко­вих захворювань або з ослабленням добору проти відповід­ного гена. Трактування результатів генетичного моніторингу ускладнюється також через можливе збільшення генетичного вантажу внаслідок удосконалення діагностики і реєстрації спадкових дефектів.

Упродовж останніх десяти років в Інституті гігієни та медичної екології ім. О. М. Марзеєва АМН України проводили дослідження генетичної структури угруповань населення країни в умовах зміненого середовища існування людини. Було виявлено і кількісно оцінено деякі чинники ризику генетично зумовлених репродуктивних втрат (мимовільних викиднів, мертвонароджень, немовлят з уродженою і спадковою патологією, безплідність у шлюбі). Вчені дійшли висновку, що ймовірність репродуктивних втрат істотно підвищують хронічні інфекційні захворювання, хронічні хвороби статевих органів, вживання вагітною жінкою ліків, контакт шлюбної пари зі шкідливими речовинами або перебування в несприятливих умовах, що пов'язано з професійною діяльністю, шкідливі звички подружжя, проживання на території, забрудненій радіонуклідами внаслідок аварії на ЧАЕС. З'ясовано також, що у зв'язку з підвищенням інтенсивності шлюбних міграцій серед населення України відбулося порушення оптимуму внутріпопуляційної гетерозиготності (вважають, що в умовах сприятливого середовища така надлишкова гетерозиготність селективно нейтральна, але здатна різко змінити демографічну ситуацію в разі погіршення зовнішніх умов), що спричинює виникнення репродуктивних втрат генетичної природи. У дітей покоління 2002—2004 рр. порівняно з немовлятами, народженими у 1978—1980 рр., змінилися показники зросту і маси, особливо у хлопчиків, батьки яких проживають у сільській місцевості. Незважаючи на те що на зрості і масі тіла позначається середовище, є підстави вважати зміненою і генетичну компоненту новонароджених. Адаптивні якості (а отже, і майбутнє здоров'я) когорти новонароджених 2002—2004 рр. погіршилися порівняно з дітьми 1978—1980 рр. народження.

Отже, високою є ймовірність того, що частка генетичної компоненти у відтворенні населення, особливо за умови зниження тиску природного добору набагато більша, ніж прийнято вважати.

Питання для самоконтролю.

1. За якими критеріями оцінюють стан генофонду?

2. Які чинники впливають на генофонд?

3. Назвіть типи мутацій.

4. Яка сумарна частота спадкових захворювань у популяції'?

5. Охарактеризуйте вплив, який здійснює інбридинг на здоров'я і спадковість людини.

6. У чому полягають позитивні та негативні прояви сучасних мі-граційних процесів для спадковості людини?

7. Як виміряти інтенсивність природного добору в популяції?

8. Чим зумовлено зниження інтенсивності природного добору в популяціях людини?

9. Вкажіть процеси, що найбільше загрожують генетичній безпе-ці України.

10. Які підходи використовують під час проведення генетичного моніторингу?