ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ГЕНЕТИКА. ЭКОГЕНЕТИЧЕСКИЕ ЗАБОЛЕВАНИЯ

Барсаева Г.М. 1

1ФГБОУ ВО Тюменский ГМУ Минздрава России

Работа в формате PDF

448.3 KB

Сертификат участника

Комментарии

Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

ВВЕДЕНИЕ

Словосочетания, содержащие понятия “экология”, “экологический”, встречаются сегодня на каждом шагу Слова «экология» и «генетика» часто употребляются при обсуждении глобальных и национальных, сегодняшних и будущих проблем человечества, встречаются сегодня на каждом шагу, как в научной среде, так и в широком обиходе. В теме настоящей статьи одновременно объединяются оба эти понятия. Речь пойдет о том, какого влияние экологических факторов или среды обитания в современных условиях на наследственность человека. Это отражает объективное стремление человека осознать свое место в мире живых существ и вообще в мире как единой системе взаимозависимых факторов, формирующих среду обитания. На протяжении сотен тысяч лет окружающая человека среда постоянно менялась. К ее изменениям человек как биологический вид приспосабливался, обладая широкой нормой реакции. К тому же человек как мыслящее существо активно изменял элементы среды своего обитания. Одновременно на групповом и популяционном уровне происходил отбор генотипов. Окружающая среда вела к отбору, выживанию, «процветанию» популяций или групп людей в зависимости от их наследственных характеристик. Эволюция человека шла через эволюцию его генотипа. Формировалась его биологическая природа, и он достаточно приспособился к окружающей среде. При воздействии повреждающих или новых факторов окружающей среды на человека могут наблюдаться три типа нежелательных эффектов:

1) изменения наследственных структур;

2) патологические проявления экспрессии генов на специфические факторы среды;

3) изменения генофонда популяций как результат нарушения генетического равновесия между мутационным процессом и отбором.

Рассмотрим каждый из этих эффектов под углом зрения современной экологической обстановки и прогресса биологической науки.

Объект исследования: наследственность и изменчивость организмов

Предмет исследования: изучение основных свойств организма

Цель исследования: изучить основные понятия экологической генетики и экогенетические болезни.

Задачи исследования:

Изучить сравнительно молодую области биологии (генетики) – экологической генетику , приобретающей все большее практическое значение в наши дни.

Рассмотреть разные взгляды на предмет, цели и задачи экологической генетики.

Изучить генетические подходы и экологические отнолшения

Определить область изучения экологической генетики человека

Изучить экогенетические болезни

ГЛАВА I.ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ГЕНЕТИКА КАК НАУКА

Экологическая генетика (ЭГ) — отрасль знаний, исследующая взаимодействие экологических отношений и генетических процессов (Инге-Вечтомов С. Г., 1998).

При изучении этого раздела обратите внимание, что генетические процессы, обусловливающие передачу наследственной информации из поколения в поколение, изменчивость организмов, постоянно испытывают влияние окружающей среды. Это влияние опосредовано взаимодействием организма данного вида со средой, частью которой являются организмы этого или других видов. В тоже время норма реакции организма, его адаптивные возможности, формы и способы установления взаимоотношений находятся под генетическим контролем. Одна из первых концепций экогенетики была предложена в

1971 г. Дж.Брюэром (Brewer G., 1971) как дальнейшее развитие фармакогенетики, исследующей наследственные различия в реакции людей на фармацевтические препараты. Медицина получила достаточно доказательств тому, что разные индивидуумы могут различно реагировать и на все остальные факторы внешней среды. Дж.Брюэр предложил расширить центральную концепцию фармакогенетики о генетически обусловленных различиях реакции организмов на воздействие лекарственных препаратов и сформулировать предмет экологической генетики следующим образом: экогенетика человека изучает реакцию человеческого организма наразличные агенты среды. В её задачи входят объяснение различной чувствительности отдельных индивидуумов к действию потенциально опасных внешних агентов и изучение индивидуальных особенностей адаптации к окружающей среде. Наряду с мутагенным действием факторов среды признаётся важным их специфическое влияние на экспрессию генов. Известны десятки экогенетических вариантов патологических реакций на загрязнение атмосферы, физические факторы, пищевые вещества, тяжёлые металлы. В основе концепций экогенетики человека лежат представления о широком наследственном полиморфизме популяций (Бочков Н. П., 1981).

По мнению многих авторов, экологическая генетика тесно связана с популяционной генетикой. И.М.Лернер (1970 г.) определил цель экологической генетики как изучение генетических основ гомеостаза и адаптации к абиотическим и биотическим факторам среды на опуляционном уровне. В начале 1960-х гг. Е.Б.Форд формулировал понятие об экологической генетике как о генетике популяций в природных условиях(Ford E.B., 1964). Антропогенное воздействие на биоту в самых различных его проявлениях уже признано многими исследователями как эволюционный фактор. оказаны произошедшие под влиянием антропогенных факторов микроэволюционные преобразования в генетической и морфологической структурах многих природных популяций. Генетические преобразования в популяциях опровождались преобразованием адаптивных реакций организмов

на антропогенное изменение факторов окружающей среды. Результатом таких преобразований в популяциях является эколого-генетическая дифференциация популяций и видов, обитающих в различных экологических условиях среды.

Таким образом, «предметом этой области знаний является

генетическая природа адаптивного потенциала живых организмов на всех уровнях и ступенях его формирования» (Жученко А. А., 1987).

Структура современной экологической генетики, которую можно представлять как пересечение основных разделов генетики и экологии (табл. 1).

ПРИЛОЖЕНИЕ Таблица А1

Структура экологической генетики

Таким образом выделяют следующие подразделы экологической генетики:

1)разработка элементарных эколого-генетических моделей,

2)исследование биологических факторов изменчивости,

3)изучение устойчивости организмов к абиотическим факторам окружающей среды,

4)генетическая токсикология — наука, основной задачей которой является выявление и оценка мутагенов окружающей среды и предотвращение их влияния прежде всего на увеличение генетического груза человека (Инге-Вечтомов С.Г., 2009).

Экологическая генетика опирается на методологию генетики и связана с её основными понятиями — «наследственность» и «изменчивость».

Наследственность- это свойство сходства родственных организмов, их способность передавать определенные признаки из поколения в поколение. При этом в качестве признаков могут фигурировать морфологические и биохимические признаки; свойства нервной системы, тип поведения и т.д. Генетический анализ вскрывает гены, контролирующие все это разнообразие признаков, изучает их наследование и локализацию в геноме.

Изменчивость — свойство организмов приобретать новые признаки или их комбинации. Генетический анализ позволяет вскрыть причины изменчивости. В экологической генетике особое внимание уделяется причинам, механизмам, последствиям мутационной изменчивости, т. е. наследуемых изменений генетического материала. Не менее важен вопрос о механизмах модификаций (не наследуемых изменений), которые изучены пока недостаточно хорошо. Модификации хотя и не передаются из поколения в поколение, тем не менее часто имеют адаптивный характер и складываются в онтогенезе на основе наследуемых признаков — они играют важную роль в экологических отношениях.Экологическая генетика, с другой стороны, использует весь

методический арсенал экологии.

Аутэкология — раздел науки, изучающий взаимодействие

индивидуального организма или вида с факторами окружающей

среды.

Демэкология — раздел науки, изучающий взаимодействие

популяций особей одного вида внутри популяции и с окружающей средой.

Синэкология — раздел науки, изучающий функционирование сообществ и их взаимодействия с биотическими и абиотическими факторами.

Исходя из этого экологические отношения делят на синэкологические (отношения между организмами) и аутэкологические (отношения организмов с окружающей средой).

Синэкология исследует как отношения между организмами одного вида, так и отношения между организмами разных видов, объединяемых в экосистемы. Чаще всего эти отношения основываются на взаимозависимости разных видов, составляющих различные этапы пищевых цепей. Знание пищевых цепей в природе необходимо для прогнозирования последствий любых воздействий на экосистемы.

Аутэкология рассматривает отношения живых существ с факторами окружающей среды преимущественно абиотического происхождения (температура, излучение, многие химические вещества). При этом подобные абиотические факторы могут быть естественными, с которыми живые организмы сталкивались неоднократно в ходе эволюции. В этом случае живые существа вырабатывали адаптивные реакции на такого рода воздействия, в результате чего возникала устойчивость организмов к повреждающим воздействиям в определенных пределах. Многим химическим агентам живые существа противостоят путем включения их в собственный метаболизм или в пищевые цепи экосистем.

Сложнее обстоит дело с новыми, как правило, антропогенными, факторами внешней среды, которые никогда не встречались

В природе в ходе биологической эволюции. Вновь синтезированные химические вещества получили название «ксенобиотики» (от греческого ξένος — чуждый и βίος — жизнь). Так, например, многие инсектициды — хлорированные углеводороды — никогда не существовали в природе. Они неразложимы биологическим путем, поэтому без трансформации передаются и могут накапливаться в трофических цепях. К ним относятся, например, полихлорбифенилы, в частности 2,4-Д и диоксины

1.2 ГЕНЕТИЧЕСКИЕ ПОДХОДЫ

Генетические подходы в экологической генетике базируются на двуединстве методологии генетического анализа, оперирующего понятиями наследственности и изменчивости. Прежде всего наследственность - это свойство сходства родственных организмов, их способность передавать определенные признаки из поколения в поколение. При этом в качестве признаков могут фигурировать наличие или отсутствие органов, их число, размер, цвет; способность проводить те или иные биохимические реакции; свойства нервной системы, тип поведения и т.д. Генетический анализ вскрывает гены, контролирующие все это разнообразие признаков, изучает их наследование и локализацию в геноме. Следует особо остановиться на важном для генетики понятии элементарных признаков, то есть таких признаков, различия по которым наследуются в соответствии с менделевской моногибридной схемой как аллели одного гена. Очевидно, что в природе дело обстоит, как правило, значительно сложнее и мы сталкиваемся обычно с полигибридными схемами наследования. Тем не менее установление элементарных признаков, разложение более сложных признаков на составляющие их элементарные и являются важнейшей задачей генетического анализа. Более того, именно этот подход и обусловил быстрый прогресс генетики в XX столетии.

Кроме того, генетический анализ вскрывает причины изменчивости, то есть отвечает не только на вопрос: "Почему организмы имеют сходство между собой?" - но и на вопрос: "Почему организмы отличаются друг от друга?" Особое внимание при этом уделяется причинам, механизмам и последствиям мутационной изменчивости, то есть наследуемых изменений генетического материала. Как известно, мутации могут быть спонтанными, возникающими, казалось бы, без какой-либо внешней причины, а также индуцированными, возникающими под действием различных внешних агентов: физических, химических и т.д. Не менее важен также вопрос о механизмах модификаций (не наследуемых изменений), которые хотя и не передаются из поколения в поколение, тем не менее часто имеют адаптивный характер и складываются в онтогенезе на основе наследуемых признаков.

Мутационный процесс обычно связывают с так называемыми генетическими процессами. К ним обычно относят репликацию - воспроизведение генетического материала; рекомбинацию - различные способы пересортировки генов и их частей, происходящие при смене поколений, и репарацию - процессы, поддерживающие нативную структуру генетического материала, постоянно повреждаемого под влиянием как внутренних факторов (физиологических, метаболических), так и внешних факторов (температуры, излучений, химических воздействий). Спонтанные или индуцированные нарушения этих процессов, лежащих в основе наследственной передачи генетического материала, являются причиной наследственной изменчивости - мутационного процесса.

К числу генетических процессов относят также транскрипцию - синтез РНК на матрице ДНК и трансляцию - синтез белков на матрицах информационных РНК. Это уже процессы, лежащие в основе реализации генетической информации, в основе действия генов. Их нарушения в значительной степени ответственны за модификационную изменчивость.

Механизмы наследования признаков, а также механизмы наследственной изменчивости изучены довольно подробно, чего нельзя сказать о механизмах модификаций. Это приходится учитывать в работе, тем более что адаптивные модификации играют важную роль в экологических отношениях. Следует оговориться, что в генетике часто употребляют также понятие генетические процессы в популяциях, то есть процессы, влияющие на частоты генов (точнее, их аллелей) в популяциях организмов и обусловливающие микроэволюционные преобразования .

1.3 ТИПЫ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ОТНОШЕНИЙ

Экологические отношения делят на синэкологические (отношения между организмами) и аутэкологические (отношения организмов с окружающей средой). При всей полезности такого деления следует признать его относительность, поскольку многие факторы окружающей среды имеют биотическое происхождение. Тем не менее будем пользоваться таким делением, поскольку оно позволяет формализовать ситуацию, что необходимо на первых порах знакомства с новой областью знания.

Хорошо известен пример того, к чему привело игнорирование структуры пищевых цепей при попытке уничтожить комаров на озере Клир-Лэйк в США. После использования для этой цели инсектицида ДДТ (4,4-дихлор-дифенилтрихлорэтана) его концентрация в воде составила 0,02 части на 106, в планктоне - 10 на 106, в рыбах, питающихся планктоном, - 903 на 106, в хищных рыбах - 2690 на 106, а в рыбоядных птицах - 2134 на 106. Таким образом, концентрация ДДТ увеличилась в 100 тыс. раз по мере продвижения вверх по пищевой цепи, что привело к сокращению численности птиц на озере Клир-Лэйк. Главная опасность применения ДДТ заключается в сочетании его токсичности и стабильности, характерных для хлорорганических соединений, к которым он относится.

Аутэкология рассматривает отношения живых существ с факторами окружающей среды преимущественно абиотического происхождения. При этом подобные абиотические факторы могут быть естественными, с которыми живые организмы сталкивались неоднократно в ходе эволюции. Это различные температурные воздействия, земное тяготение, различные виды излучений - от видимой части спектра до рентгеновских лучей, многие химические агенты и т.д. В ходе эволюции живые существа вырабатывали адаптивные реакции на такого рода воздействия, в результате чего возникала устойчивость организмов к действию повреждающих воздействий в определенных пределах. Многим химическим агентам живые существа противостоят путем включения их в собственный метаболизм или в пищевые цепи экосистем.

ПРИЛОЖЕНИЕ Таблица А2

Общая структура экологической генетики [Инге-Вечтомов, 1998]

Сложнее обстоит дело с новыми, как правило антропогенными, факторами внешней среды, которые никогда не встречались в природе в ходе биологической эволюции. Так, например, многие инсектициды - хлорированные углеводороды никогда не существовали в природе. Они не трансформируются в пищевых цепях и потому неразложимы биологическим путем, что не учитывалось при их применении. К ним относятся полихлорбифенилы, в частности пестициды: 2,4-дихлорфеноксиуксусная кислота (2,4-Д) или 2,4,5-трихлорфеноксиуксусная кислота (2,4,5-Т) - эффективные дефолианты. Притчей во языцех становятся в последнее время диоксины, также относящиеся к полихлорированным бифенилам и представляющие собой самые активные яды, известные в настоящее время [7]. Один из них входил в состав печально известного agent orange, применявшегося армией США во Вьетнаме в качестве боевого дефолианта. Диоксины образуются также при сжигании мусора в больших количествах на заводах по уничтожению городских отходов.

В списке наиболее значимых антропогенных факторов загрязнения среды (из 19 наименований) первые пять мест занимают: 1) пестициды; 2) тяжелые металлы; 3) диоксид углерода; 4) диоксид серы и продукты ее окисления, взвеси; 5) разливы нефти, сточные воды промышленных предприятий. При этом радиоактивные отходы, обладающие несомненной генетической активностью, стоят только на 12-м месте как загрязнители. Правда, мы очень скоро убедимся, что непосредственное влияние загрязнений на комфорт и здоровье человека может быть несопоставимо с отдаленными последствиями тех или иных изменений окружающей среды.

1.4 ЭКОЛОГО-ГЕНЕТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ

Применение методов генетического анализа, как уже было отмечено, связано с выявлением элементарных признаков. Это же справедливо и для генетического анализа экологических отношений, которые обычно сложны. Поэтому необходима разработка специальных эколого-генетических моделей. Большую помощь в этих случаях оказывает знание пищевых цепей, особенно если в них организмы одной экосистемы выступают как продуценты и потребители каких-либо метаболитов. Примером таких взаимоотношений может служить взаимодействие почвенной бактерии Agrobacterium tumefaciens, размножающейся вблизи корней крестоцветных растений. При этом агробактерии вступают в столь тесное взаимодействие с корнями растения, что передают им часть своей плазмидной ДНК (часть так называемой Ti-плазмиды), которая встраивается в хромосомы высшего растения. Это приводит к образованию растительных опухолей, которые начинают интенсивно синтезировать некоторые аналоги аминокислот - опины, производные лизина, гистидина, орнитина или аргинина. Эти соединения, в свою очередь, служат дополнительным источником азота для агробактерий и тем самым стимулируют их размножение. Такое взаимоотношение бактерий и растения получило название генетической колонизации (рис. 1). Стоит отметить, что способность Ti-плазмиды трансформировать клетки растений легла в основу методов генной инженерии растений, однако это уже другая тема [8]. Здесь важно подчеркнуть, что биосинтез опинов происходит частью под контролем генов растения, а завершается под контролем генов агробактерии, передаваемых в клетки растения. Генетический контроль этих процессов, а следовательно, и взаимосвязи агробактерия - растение довольно подробно исследованы. Таким образом, это пример эколого-генетической модели. Интенсивно разрабатываются и другие эколого-генетические модели, включающие иные почвенные бактерии, в частности азотфиксирующие. Практические выгоды от разработки этого направления очевидны - возможность управления процессом азотфиксации и симбиотическими отношениями бактерий и высших растений.

Еще один пример элементарной эколого-генетической модели - взаимоотношение членистоногих - клещей, насекомых и высших растений. В этой системе насекомые-вредители сельского хозяйства и сельскохозяйственные растения связаны как потребители и продуценты стеринов. Стерины, которые членистоногие не могут синтезировать самостоятельно, тем не менее являются для них незаменимыми метаболитами. Насекомые получают их с пищей из растений [9].

Выявление генов, отвечающих за элементарные экологические отношения, позволяет использовать генетический контроль для регулирования этих отношений и тем самым выбирать оптимальную стратегию сдерживания вредителей сельского хозяйства вместо того, чтобы вести с ними тотальную войну на уничтожение. Как мы показали, такая война оборачивается часто против самого человека.

1.5 ГЕНЕТИКА УСТОЙЧИВОСТИ К ФАКТОРАМ СРЕДЫ

Изучение генетического контроля устойчивости модельных объектов, в особенности сельскохозяйственных растений, животных и человека к неблагоприятным внешним факторам имеет большое значение для селекции, медицины и поддержания оптимальной среды обитания человека.

Прежде всего остановимся на так называемых молекулярных болезнях человека. Известны, в частности, наследственные аномалии репликации и репарации ДНК. У человека, например, существуют различные формы болезни пигментной ксеродермы. Это рецессивный аутосомный дефект репарации, в частности дефект ДНК-полимеразы, принимающей участие в репарации. Больные пигментной ксеродермой проявляют повышенную чувствительность к солнечному свету, который вызывает у них рак кожи. Дефекты систем репарации выявлены и при других наследственных заболеваниях (анемия Фанкони, синдром Луи Бар). При радиотерапии таких больных наблюдаются осложнения, часто со смертельным исходом.

В человеческих популяциях обнаруживается генетическая гетерогенность по многим признакам, в том числе по чувствительности к факторам окружающей среды, устойчивости к стрессирующим агентам и условиям вредного производства. Так, у людей с низкой активностью глюкозо-6-фосфат дегидрогеназы происходит гемолиз при действии сульфаниламидов, а некоторые больные с генетическими дефектами реагируют повышением внутриглазного давления на прием глюкокортикоидов. Некоторые мутантные формы гемоглобина чувствительны к окислителям, что выражается в гемолизе при их применении. Люди с повышенной активностью арилгидрокарбонгидроксилазы чаще заболевают раком легких при контакте с полициклическими углеводородами, которые под действием этого фермента превращаются в эпоксиды, обладающие высоким уровнем канцерогенности.

Такие факты необходимо учитывать при планировании медицинских мероприятий, при приеме людей на работу и их профориентации. Очевидно, что эти факты могут быть причиной и некоторых социально-экономических проблем. Возникают, в частности, такие вопросы. Можно ли допускать дискриминацию при приеме на вредные производства по генетическим противопоказаниям? Каковы должны быть условия страхования людей, имеющих дополнительные факторы риска в виде генетической предрасположенности к тем или иным заболеваниям? Простых ответов на эти и подобные им вопросы пока нет, но не ставить их нельзя.

1.6 ГЕНЕТИЧЕСКАЯ ТОКСИКОЛОГИЯ

Следует отметить, что загрязнение окружающей среды опасно не только ныне живущему поколению, но часто представляет опасность для грядущих поколений, поскольку многие загрязнители мутагенны (или, что почти то же самое, генетически активны). Выявление и устранение генетически активных факторов из среды обитания человека - задача генетической токсикологии, которая представляет собой наиболее активно развивающийся раздел экологической генетики. Это объясняется ее огромным прикладным значением.

Парадоксально, но факт, что открытие индуцированного мутационного процесса потребовало значительных усилий от исследователей: вспомним, что Г.Дж. Меллер получил Нобелевскую премию за открытие мутагенного действия рентгеновых лучей (1927 год). Теперь же мутагены обнаруживаются на каждом шагу. Многие продукты производственной деятельности человека, появляющиеся как результат так называемого технического прогресса, обладают генетической активностью. При этом мы говорим не только об отходах производства. Это могут быть лекарства, консерванты, пищевые добавки и красители, косметика, инсектициды и пестициды, не говоря уже о дыме сигарет и излучениях, сопровождающих "мирный атом", тем более оружие массового уничтожения - ядерное и химическое.

Что же такое генетически активные факторы? В генетической токсикологии принято говорить не только о мутагенах, но и, более широко, о генетически активных факторах. Не всегда удается определить непосредственно мутагенный эффект того или иного воздействия, но можно показать его влияние на кроссинговер, то есть на рекомбинацию генов или индукцию репаративного синтеза ДНК, сопровождающего многие повреждения генетического материала.

Таким образом, мутагенез, рекомбинагенез и индукция репаративного синтеза ДНК - это показатели генотоксичности или генетической активности исследуемого фактора.

Генетически активные факторы делятся на физические, химические и биологические. К физическим факторам относятся температура, ионизирующая радиация, ультрафиолетовый свет, по-видимому, высокочастотное электромагнитное излучение, ультразвук и т.д. Химические генетически активные факторы гораздо труднее поддаются перечислению и классификации. Достаточно сказать, что к ним относятся любые вещества, прямо или косвенно нарушающие структуру и воспроизведение молекул ДНК. Выхлопные газы автотранспорта и выбросы в атмосферу производственных предприятий содержат алкилирующие соединения (их называют радиомиметиками), органические соединения ртути, полициклические углеводороды, обладающие генетической активностью. Многие химические соединения сами по себе не проявляют генетической активности, но их легко активируют внутриклеточные метаболиты, а иногда и соединения, находящиеся в окружающей организм среде. Например, распространенные соли азотной кислоты легко превращаются в нитриты (соли азотистой кислоты) - мутагены, дезаминирующие основания ДНК. В кислой среде желудка млекопитающих нитриты и аминосоединения дают нитрозосоединения - супермутагены, нарушающие репликацию ДНК. Многие вещества, так называемые промутагены, активируются в организме млекопитающих при действии цитохрома P450 . Этот фермент, синтезируемый в печени, относится к классу неспецифических монооксигеназ и предназначен для инактивации чужеродных соединений, попадающих в организм. Но Р450 вместе с тем способен активировать некоторые промутагены. Более того, он может активировать не только промутагены, но и потенциальные канцерогены - вещества, вызывающие рак. Необходимо отметить высокий уровень корреляции между мутагенным и канцерогенным эффектами многих факторов, прежде всего физических и химических. Биологические факторы в этом отношении исследованы меньше всего.

C некоторых пор (у нас с 1979 года) все новые химические соединения (а всего их в обиходе более 4,5 млн) проходят проверку на генетическую активность. Это своеобразная служба генетической безопасности, использующая богатый арсенал различных тест-систем для выявления генетической активности. Эти системы позволяют учитывать мутации генов, их рекомбинации, потери и другие аберрации хромосом, нарушения делений ядра, индукцию репарации ДНК и т.д. При этом используются различные объекты: бактерии, дрожжи и другие низшие грибы, плодовая мушка-дрозофила, растения, культура клеток животных и человека.

Наибольший интерес представляет генетическая активность исследуемых агентов для человека. Поскольку прямое исследование их действия на человека невозможно, приходится ограничиваться результатами, получаемыми на модельных объектах. Эти результаты в значительной степени справедливы и для человека из-за биологической универсальности свойств генетического материала - это всегда ДНК. Тем не менее экстраполяция получаемых результатов на человека всегда представляет некоторые сложности, так как наряду с принципом биологической универсальности следует учитывать и специфику объектов, имеющих свои особенности реагирования на мутагены.

В качестве примера расскажем только об одной тест-системе, получившей широкое распространение при первичном выявлении генетической активности. Это система, разработанная в 60-е годы XX века американским исследователем Б. Эймсом, который длительное время изучал мутации в генах, контролирующих биосинтез гистидина у Salmonella typhimuium. Работа Б. Эймса, прекрасный пример того, как первоначально чисто теоретическое исследование, направленное на выяснение структуры и функции гена, приобрела сугубо практическое значение. Имея в своем распоряжении подробно охарактеризованные мутанты сальмонеллы, нуждающиеся в гистидине, зная молекулярную природу мутационных изменений: замены, вставки или выпадения пар оснований в ДНК гена или более крупные перестройки генетического материала, Эймс предложил изучать реверсии гистидиновых мутантов, то есть восстановление у них способности синтезировать гистидин, и, следовательно расти на среде без гистидина в результате воздействия различных мутагенов.

Тест очень прост: достаточно засеять среду без гистидина мутантом сальмонеллы, нуждающимся в гистидине (который естественно не растет на такой среде), и нанести в центр используемой для этого чашки Петри испытуемое химическое соединение. Через 2-3-е суток можно видеть появление колоний мутантов (в данном случае ревертантов) вокруг пятна нанесенного вещества, если оно обладает генетической активностью (рис. 2). Это пример так называемого спот-теста (от англ. spot - пятно). В настоящее время тест Эймса усовершенствован: наряду с хорошо изученными мутациями потребности в гистидине в геном сальмонеллы вводят делецию по одному из генов репарации, то есть инактивируют этот процесс, тем самым повышают чувствительность бактерии к мутагенам. Вводят также мутацию, блокирующую синтез липополисахаридной капсулы для повышения проницаемости клеток, а также плазмиды, повышающие чувствительность клеток к агентам, усиливающим рекомбинацию. Наконец, испытуемое вещество стали наносить вместе с экстрактом мышиной или крысиной печени, содержащим цитохром Р450 для активации промутагенов. Таким образом, тест-системы для выявления генетической активности могут быть далее усовершенствованы и в значительной степени генетическими методами. С применением теста Эймса впервые были показаны мутагенные эффекты: сигаретного пепла, некоторых пищевых консервантов, красителей для волос и т.д.

1.7 БИОЛОГИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ МУТАГЕНЕЗА

Особый интерес представляют биологические генетически активные факторы, поскольку их существование указывает на генетическую активность синэкологических отношений. В конце 30-х годов С.М. Гершензон установил мутагенный эффект ДНК и вирусов. Позже было выяснено, что хромосомные аберрации в соматических клетках вызывают вирусы оспы, кори, ветряной оспы, гриппа, гепатита. Стрептолизин-О, токсин гемолитического стрептококка, повышает частоту мутаций в культуре эмбриональных фибробластов человека. В контроле частота хромосомных аберраций составляет 4,0 ? 0,5%, а при действии токсина - 24,3 ? 0,6%. Ю.Я. Керкис показал мутагенный эффект иммунологического стресса при пересадке и отторжении в силу тканевой несовместимости кожного лоскута у мышей. Мощным мутагеном биологического происхождения оказался афлатоксин - продукт жизнедеятельности плесневого гриба Aspergillus flavus.

Под руководством М.Е. Лобашева еще в 60-е годы на кафедре генетики и селекции Ленинградского университета были начаты эксперименты, доказавшие роль нервной системы в контроле частоты хромосомных аберраций в соматических клетках (роговице глаза) у мышей. Развивая это направление, ученики М.Е. Лобашева (Р.И. Цапыгина, С.Н. Новоков, Е.В. Даев) показали мутагенный эффект феромонального стресса у мышей. При этом важно, что речь идет уже о мутациях не в соматических, а в генеративных клетках - при сперматогенезе. Схема проделанного эксперимента представлена на рис. 3.

Известно, что запах во взаимоотношениях мышей выполняет функции своеобразного языка. Феромоны, летучие вещества, содержащиеся в моче этих животных, играют роль сигналов, вызывающих реакцию подчинения, агрессии и т.д. Пользуясь этими сигналами, старые самцы держат в подчинении самок и молодых самцов. Оказалось, что запах взрослого самца при однократном воздействии повышает частоту цитологических нарушений в сперматогенезе у молодых самцов, увеличивает частоту аномальных сперматозоидов и доминантных летальных мутаций, выявляемых после их спаривания с самками, не подвергавшимися воздействию. Д.К. Беляев и П.М. Бородин в Новосибирске показали, что стресс у мышей, вызываемый некоторыми физическими воздействиями, повышает у них частоту кроссинговера.

Таким образом, синэкологические отношения, то есть отношения между организмами, могут быть источником наследственной изменчивости и тем самым служить дополнительным фактором эволюции. Эти исследования в последние годы развиваются, к сожалению, недостаточно активно.

ГЛАВА II.ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ГЕНЕТИКА ЧЕЛОВЕКА И ЭКОГЕНЕТИЧЕСКИЕ БОЛЕЗНИ

2.1 ОПРЕДЕЛЕНИЕ, ОБЛАСТЬ ИЗУЧЕНИЯ

Экологическая генетика человека, являясь частью ЭГ, фактически дала толчок развитию этого направления генетики. Основы экогенетики человека начали закладываться в середине 50-х гг.прошлого столетия, когда впервые были обнаружены генетически детерминированные патологические реакции на лекарства, обусловленные недостаточностью ферментов. Для описания таких состояний был предложен термин «фармакогенетика», который позднее был расширен до понятия «экогенетика». В настоящее время фармакогенетика является частью экологической генетики человека.

Экологическая генетика человека изучает влияние факторов среды обитания на наследственность и наследуемые индивидуальные различия реакции организма на внешние воздействия.Человек является одним из биологических видов. Его существование, эволюция и взаимодействие с окружающей средой подчиняется тем же закономерностям, которые характерны для любого вида животных, растений, грибов, населяющих нашу планету.

На протяжении сотен тысяч лет окружающая человека среда постоянно менялась. К её изменениям человек приспосабливался как биологический вид с широкой нормой реакции. Н.П.Бочков выделяет три группы нежелательных генетических эффектов, которые наблюдаются при воздействии неблагоприятных факторов окружающей среды на человека.

1.Изменения наследственных структур, причиной которых является мутационный процесс, индуцированный мутагенными факторами окружающей среды (в широком смысле слова) и ведущий к повышению темпов наследственной изменчивости человека на индивидуальном и популяционном уровнях.

2.В ответ на специфические факторы среды у человека возникают патологические проявления экспрессии генов. На индивидуальном уровне эти эффекты отмечаются в виде патологических реакций (болезней), а на популяционном уровне — в виде большей или меньшей приспособленности (адаптации, акклиматизации).

3.Изменения генофонда популяций в результате нарушения генетического равновесия между основными популяционными процессами мутационным процессом, отбором, миграциями, дрейфом генов)

2.2 МУТАЦИОННЫЙ ПРОЦЕСС И НАСЛЕДСТВЕННОСТЬ ЧЕЛОВЕКА

Источником наследственной изменчивости как основы эволюции служат мутации. Мутационный процесс — одна из существенных характеристик человека как биологического вида. Универсальность и всеобщность явления индуцированного мутагенеза в современных условиях не вызывают сомнений, и,следовательно, все его закономерности распространяются на человека. В настоящее время отмечены некоторые особенности мутационного давления на человека:

•загрязненность окружающей среды, в том числе мутагенными факторами, увеличивается в целом; к тому же быстро изменяется спектр факторов;

•комплексное воздействие многочисленных химических и радиационных загрязнителей дает суммарный эффект, превышающий допустимые уровни токсичности;

•в среде обитания человека все чаще появляются факторы с длительной устойчивостью (диоксины, радионуклиды), постоянно пополняющие мутации;

•современное жилище с его полимерной и пластмассовой «начинкой» может быть источником мутагенных, тератогенных и канцерогенных влияний;

•стресс и широчайшее распространение психоактивных веществ (курение, наркотики) усиливают мутационный процесс.

Установлено, что определенный, оптимальный для человека уровень мутационного процесса может изменяться под влиянием многих физических, химических и биологических факторов

ПРИЛОЖЕНИЕ Таблица А3

Последствия индуцированного мутагенеза в клетках человека

В целом биологическую и медицинскую значимость последствий мутационного процесса у человека на современном этапе надо рассматривать по показателям мутагенеза, канцерогенеза и тератогенеза.

Анализ частоты мутаций в клетках человека на протяжении 30 лет показал, что базовый уровень хромосомных аберраций за последние 20 лет конца ХХ в. увеличился в 2 раза (табл.4, Бочков Н.П. и др., 2003). Этот показатель среди лиц — работников различных химических производств превышает контрольный уровень в 2–3 раза. Особенно высокие показатели частоты мутаций в лимфоцитах периферической крови отмечаются среди курящих.

ПРИЛОЖЕНИЕ Таблица А4

Базовый уровень хромосомных аберраций в лимфоцитах крови человека

Частота хромосомных аберраций существенно повышена у

лиц, проживающих в районах радиационного загрязнения, у ликвидаторов аварии на Чернобыльской АЭС, у работников предприятий по богащению урана. Клетки с радиационно индуцированными хромосомными аберрациями сохраняются в организме до 40 лет и дольше. О неблагоприятных эффектах химического загрязнения среды на эмбриональное развитие судят по так называемым малым аномалиям развития (эпикант, аномалии ушной раковины, низкий рост волос на шее и пр.), которые не подвергаются внутриутробному естественному отбору, т. к. не нарушают функции органа. Обследование детей в городах с различиями в экологической обстановке показало, что число малых аномалий развития на ребенка в химически незагрязненных областях в 2

раза меньше, чем в городах с загрязненной атмосферой (табл.5, Бочков Н. П., 2003).

ПРИЛОЖЕНИЕ Таблица А5

Влияние загрязнений атмосферы на возникновение малых аномалий развития

Главный результат фундаментальных генетических исследований по проблемам мутагенеза — разработка методов выявления мутагенной опасности .Их широкое применение позволит экологам сделать среду обитания человека более безопасной с генетической точки зрения.

2.3 ЭКОГЕНЕТИЧЕСКИЕ БОЛЕЗНИ

На протяжении эволюции в человеческих популяциях сформировался широкий наследственный сбалансированный полиморфизм. Какой-либо ген считается полиморфным, если он присутствует в популяции в виде двух аллелей и более, причем частота редкого аллеля составляет не менее 1%. Распространенность полиморфизмов генов в современных опуляциях человека громадна. Не менее 25%, т.е. около 8000 генов человека представлены в виде полиморфных систем. Около 99% всех полиморфизмов являются молчащими, и только 1% проявляется под действием того или иного фактора окружающей среды. Генетические полиморфизмы, так же как и мутации, могут приводить к синтезу аномального белка, снижению или повышению его количества, что не может не отразиться на его функции.Благодаря полиморфизмам каждый человек, несмотря на все сходство с представителями своего вида, генетически уникален. Многочисленные вариации в ферментных системах, транспортных белках, антигенах и рецепторах клетки обусловливают индивидуальные особенности метаболизма химических веществ, наследственные различия реакций на разнообразные внешние

факторы химической, физической и биологической природы. В настоящее время накоплено множество экспериментальных данных и примеров высокой чувствительности и толерантности к ксенобиотикам (чужеродным веществам) у отдельных индивидов. При воздействии такого нового чужеродного фактора как бы «молчащие» аллели начинают функционировать в новых условиях среды и при этом могут проявлять патологические эффекты. Понятие о «молчащих» (или нейтральных) генах весьма условно. Каким будет ответ какого-либо аллеля, нормальным

(биологическим) или патологическим, зависит именно от воздействия специфического фактора среды.Этот феномен называется экогенетическим действием факторов, а патологические проявления мутантных аллелей под влиянием факторов окружающей среды — экогенетическими реакциями, или болезнями.

ПРИЛОЖЕНИЕ Схема Б1

Популяционно-генетическая основа возникновения экогенетических болезней

Наследственные обусловленные различия могут проявляться в реакциях на загрязнения атмосферы, на лекарства, на физические факторы, на пищу, особенно на пищевые добавки, а также на профессиональные вредности.

В связи с этим в экогенетике определилось несколько направлений. Как уже было сказано, изучение токсических наследственно обусловленных реакций на факторы среды выделено в отдельное направление, названное токсикогенетикой, или генетической токсикологией. Базы данных по геному человека и современные мощные информационные технологии позволяют прогнозировать токсические проявления тдельных факторов среды у лиц с определенными генотипами.

У человека обнаружены индивидуальные реакции на физические факторы.

Несмотря на то что хорошо известна индивидуальная чувствительность к теплу, холоду и солнечному свету, роль наследственных факторов в этой чувствительности стала изучаться лишь недавно.Четкие расовые различия обнаружены для реакции на холодовый фактор. Например, представители негроидной расы более чувствительны к холоду, чем представители европеоидной расы. Это объясняется разным уровнем теплопродукции и расширения сосудов.

Твердо установлены индивидуальные и расовые различия реакции на ультрафиолетовое облучение. Крайний пример генетической чувствительности — редкая аутосомно-рецессивная болезнь пигментная ксеродерма: под воздействием солнечного света возникают ожоги, затем язвенные поражения кожи и, наконец, злокачественные новообразования. Молекулярно-генетический механизм этого явления хорошо изучен: при пигментной ксеродерме поражается репарирующая система, восстанавливающая нормальное строение ДНК после повреждения ультрафиолетовыми лучами.

Хорошо изучены случаи патологических реакций на загрязнение атмосферы и на продукты питания .

ПРИЛОЖЕНИЕ Таблица А6

Примеры экогенетических болезней

У лиц с мутантной формой белка — ингибитором протеаз, который функционально не активен, пылевые частицы на производстве и курение вызывают хроническую болезнь легких.

Рак легких возникает у тех курильщиков, которые унаследовали мутацию в гене арилгидрокарбонгидроксилазы. Из-за аномалий структуры этого фермента эпоксиды, образующиеся из полициклических углеводородов, не разлагаются и остаются в легких как постоянные канцерогены.

В производственных условиях рабочие контактируют с бензпиреном, ароматическими соединениями, лакокрасочными материалами, продуктами изготовления резиновых изделий, солями тяжелых металлов и другими многочисленными факторами. В последнее время обнаружена взаимосвязь заболеваемости с производственными факторами у лиц с мутациями в группе генов глутатион-S-трансфераз и гена NAT2

(NAT2).

Наследуемые индивидуальные различия реакции организма

на пищу изучает нутригеномика. Основные постулаты нутригеномики следующие.

-Большинство нутриентов прямо или косвенно воздействуют на геном, изменяя экспрессию генов или их структуру.

-При определенных условиях у некоторых индивидов питание может быть серьезным фактором риска развития многих заболеваний.

-Некоторые регулируемые пищевыми факторами гены, возможно, играют роль в возникновении, течении и тяжести хронических заболеваний.

-Степень влияния питания на баланс между здоровьем и заболеванием может зависеть от индивидуального генотипа.

-Коррекция диеты основывается на знании пищевой потребности, состояния питания и генотипа индивида (персонализированное питание).

Классическими примерами нутригенетических заболеваний являются фенилкетонурия, галактоземия, непереносимость лактозы, глютеновая энтеропатия, семейная гиперхолестеринемия. Одним из наглядных примеров нутригенетических состояний является непереносимость лактозы, приводящая кдискомфорту

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Экологическая генетика представляет собой научную дисциплину, занимающуюся изучением влияния генетического изменения и мутаций организмов и их влияния и взаимосвязи с окружающей средой. Экологические генетика изучает ДНК на молекулярном уровне, постоянно проводя лабораторные эксперименты. Все исследования в этой сфере тесно связаны с экологией и изменением окружающей среды. Генетики проводят исследования, которые выяснять на генетическом уровне склонность организмов к переносимости засухи, мимикрии, полиморфизму и т.д. Ученые тщательно исследуют поколения насекомых, причины смертности в тех или иных районах, изменения в популяции и т.д. Все это дает возможность изучить экологию отдельного региона, и найти способы исправления тех или иных неблагоприятных экологических ситуаций. Экологическая генетика относится к наиболее старым отраслям генетики. Она была создана английским ученым-генетиком еще в первой половине 20-ого столетия Э. Фордом.

Экологическая генетика благодаря столь обширным и длительным исследованиям создала базу для развития таких направлений в генетике, как фармакогенетика и токсикогенетика.

Современный период характеризуется большей скоростью и объемом изменений среды обитания. Человек постоянно сталкивается с новыми факторами среды, испытывает большие социальные и экологические нагрузки. Увеличилась мутагенная нагрузка, расширился круг потенциальных брачных партнеров, увеличилась миграция населения, планирование семьи сократило естественное воспроизводство. Все это может менять генетическую структуру отдельных популяций или человечества вцелом.

Однако популяционные генетические процессы обладают большой инерцией. Наследственность человека на популяционном уровне так быстро меняться не может. Поэтому не следует ожидать, что мутационный процесс и экогенетические реакции в течение одного — двух поколений вызовут опасные изменения наследственности человека или резкое увеличение частоты наследственных болезней (Бочков Н. П., 2003).

В заключение можно отметить, что экологическая генетика человека как наука и как прикладное направление (в медицине) будет активно развиваться. Это связано с несколькими причинами:

1.Накапливаются новые знания об экогенетических заболеваниях, генах их определяющих, совершенствуется методология исследований.

2.Относительная значимость экогенетической патологии будет увеличиваться по мере улучшения медицинской помощи и успешной борьбы с распространенными болезнями. Обычные медицинские меры профилактики не снизят частоту экогенетических болезней.

3.Со временем можно ожидать увеличения экогенетической патологии в абсолютном выражении, поскольку вследствие научно-технического прогресса будут появляться все новые факторы, повысится специфичность новых производственных условий и т. д.

Научные данные и подходы, которые использует современная экологическая генетика человека смогут стать основой создания адаптивной среды для каждого человека: подбор индивидуальной диеты и климата, исключение приема лекарств с патологическими реакциями, обоснование профессионального отбора и т. д. Такой подход приближает человека к персонализированной медицине и значительно повысит качество жизни в будущем.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Абилев,С.К. Мутагены окружающей среды / С. К. Абилев. — URL : ttp://abilev.narod.ru/mutagen.htm

2. Бочков,Н.П. Клиническая генетика : учебник для вузов /Н.П.Бочков. — М., 2002.

3. Бочков Н.П., Рослова Т.А., Якушина И.И. Медико-генетическое консультирование по поводу мутагенных и тератогенных воздействий. - Медицинская генетика. - 2009. - № 1. - С. 3-8.

4. Бочков Н.П., Чеботарев А.Н. Наследственность человека и мутагены внешней среды. - М.: Медицина, 1989. - 272 с.

5. Генетический паспорт - основа индивидуальной предиктивной медицины / под ред. В.С. Баранова. - СПб.: Изд-во Н-Л, 2009. - 527 с

6. Дажо Р. Основы экологии. М.: Прогресс, 1975. 415 с.

7. Жученко А.А. Экологическая генетика. Кишинев: Штиинца, 1980. 587 с.

8. Жученко,А.А. Экологическая генетика культурных растений: теория и практика / А. А. Жученко // Экологическая генетика и эволюция. — Киев, 1987. — С. 50–73.

9. Инге-Вечтомов С.Г. Генетика с основами селекции. М.: Высш. шк., 1989. 592 с.

10. Инге-Вечтомов С.Г. Метаболизм стеринов и защита растений // Соросовский Образовательный Журнал. 1997. ╧ 11. С. 16-21.

11. Инге-Вечтомов,С.Г. Экологическая генетика и теория эволюции /С. Г. Инге-Вечтомов // Вестник ВОГиС. — 2009. — Т.13. No2. — С. 362–370.

12. Кайданов Л.З. Генетика популяций. М.: Высш. шк., 1996. 320 с.

13. Киселев А.В., Худолей В.В. Отравленные города. М.: Greenpeace, 1995. 34 с.

14. Крюков,В.И. Экологическая генетика животных — перспективное направление исследований в орловском государственном аграрном университете / В. И. Крюков // Вестник ОрёлГАУ — 2006. — No 1. — С. 25–30.

15. Пирузян Э.С., Андрианов В.М. Плазмиды агробактерий и генетическая инженерия растений. М.: Наука, 1985. 279 с.

16. Прохорова,И.М. Генетическая токсикология : учебное пособие / И.М.Прохорова, М.И.Ковалева, А.Н.Фомичева. —Ярославль, 2005.

17. Риклефс Р. Основы общей экологии. М.: Мир, 1979. 424 с.

18. Селезнева,Е.С. Экогенетика человека : проблемы и факты / Е.С.Селезнева. — Самара, 2005.

19. Спицын В.А. Экологическая генетика человека: эволюционная адаптация. Профессиональная деятельность. Спортивная геномика. Популяционная фармакогенетика. Мультифакториальные болезни. - М.: Наука, 2008. - 503 с.

20. Тихомирова М.М. Генетический анализ. Л.: Изд-во ЛГУ, 1990. 280 с.

21. Тихонович,И.А. Симбиозы растений и микроорганизмов : молекулярная генетика агросистем будущего / И. А. Тихонович, Н. А. Проворов. — СПб., 2009.

22. .Худолей,В.В. Канцерогенез / В. В. Худолей. — СПб., 2001

23. Экологическая генетика. — URL : http://ecolgenet.ru/ru

24. Dolinoy D.C., Jirtle R. Environmental Epigenomics in Human Health and Disease. - Environmental and Molecular Mutagenesis. - 2008. - V. 49. -P. 4-8.

ПРИЛОЖЕНИЯ