ПОПУЛЯЦИОННО – СТАТИСТИЧЕСКИЙ МЕТОД

Популяционная генетика изучает генетический состав популяции, а также факторы влияющие на изменение этого состава.

Популяция – это совокупность особей одного вида, которые проживают в течении длительного времени на определенном ареале, свободно скрещиваются, дают плодотворное потомство и отделенные от других популяций того же вида той или иной формой изоляции.

Основная закономерность, позволяющая исследовать генетичскую структуру популяций, была установлена в 1908 году независимо друг от друга английским математиком Г. Харди и немецким врачом В. Вайнбергом. Этот закон позволяет установить математическую зависимость между частотами генов и генотипов в популяции.

Рассмотрим пару аллельных аутосомных генов (А и а). Например если ген А встречается с частотой (p), а ген а с частотой (q), то соотношение частот этих аллелей в популяции окажется равным 1.

p + q = 1

А а

Первое положение закона Харди-Вайнберга.

Сумма частот встречаемости доминантного и рецессивного аллелей одного гена величина постоянная и равна 1.

Возведя в квадрат мы получим (p + q)² = p² + 2pq + q² = 1.

АА Аа аа

Генотип АА в стречается с частотой (p²), генотип Аа встречается с частотой (2 pq), генотип аа встречается с частотой (q²). Распределение частот встречаемости различных генотипов соответствует коэффициентам бинома Ньютона второй степени

Второе положение закона:

Сумма частот встречаемости различных генотипов по одному аллелю в данной популяции величина постоянная и равна 1.

Аналогичный способ расчета можно применить для трехаллельной системы, например для исследования групп крови.

pI^A + qI^B + rI⁰ =1, возводим в квадрат и получаем

(pI^A + qI^B + rI⁰)² = 1 раскрываем скобки

p²I^AI^A + q²I^BI^B + r²I⁰I⁰ + 2prI^AI⁰ + 2qrI^BI⁰ = 1

Это количественная оценка всех гомозиготных и гетерозиготных генотипов по системе АВ0.

Закономерности полученные Харди и Ваайнбергом справедливы для равновесных популяций, для которых характерно:

1. Свободное скрещивание или отсутствие специального подбора пар по каким-либо отдельным признакам.

2. отсутствие оттока аллелей вызываемого отбором или миграцией за пределы данной популяции.

3. отсутствие притока аллелей вызываемого мутационным процессом или миграцией особей в данную популяцию из вне.

4. равная плодовитость гомозиготных и гетерозиготных особей.

5. поколения не должны перекрываться во времени.

6. численность популяции должна быть значительно большой.

В действительности реальная популяция может лишь приближаться к этим условиям. Известные генетики Ниль и Шелл считают, что, хотя ни в одной конкретной популяции эта совокупность условий не может быть соблюдена, в большинстве случаев расчеты по закону Харди-Вайнберга настолько близки к действительности, что этот закон вполне пригоден для анализа генетической структуры популяции. Для медицинской генетики имеет особенно большое значение то, что этот закон может быть использован для анализа человеческой популяции. Так как человеческая популяция является достаточно большой. Гомозиготные и гетерозиготные особи одинаково плодовиты. Для большинства людей характерна панмиксия или свободное вступление в брак. Существует случайный и неслучайный подбор супружеских пар. Например, случайный подбор осуществляется по группам крови, цвету глаз, умению владеть преимущественно правой или левой рукой. Неслучайный подбор пар может осуществляться по некоторым заболеваниям например, по глухонемоте. Панмиксия нарушается в изолятах, обусловленных национальными, расовыми, географическими, религиозными, сословными и другими подразделениями общества. Существенно панмиксия может быть нарушена имбридингом – близкородственным браком, что повышает вероятность рождения больных детей.

На генетический состав человеческой популяции существенно влияет мутационный процесс. Многие мутантные гены снижают продолжительность жизни человека, и он умирает не оставив потомства или имеют меньше детей, чем у нормальных людей. В результате происходит элиминация мутантного аллеля. Его частота снижается. К таким генам относятся летальные и полулетальные гены. Значительная часть хромосомных аномалий элиминируется еще на ранних стадиях внутриутробного развития. Однако не каждый патологический ген устраняется естественным отбором, и рождаются дети с различными наследственными заболеваниями.

Другим не менее важным фактором, влияющим на частоту аллелей в малочисленных популяциях и изолятах, является дрейф генов, при этом полезные и адаптивные аллели могут случайно элиминироваться из популяции, а менее полезные или даже неблагоприятные могут достигнуть значительных концентраций.

В человеческих популяциях действует и естественный отбор, который является единственным эволюционным фактором вызывающим направленное изменение генофонда путем элиминации из популяции менее приспособленных индивидов или снижения их плодовитости. В человеческой популяции постоянно действуют такие факторы эволюции как мутационный процесс, миграция, отбор, дрейф генов, что приводит к изменению частот генов, но значение их не так выражено.

Учитывая все перечисленное закон Харди-Вайнберга можно сформулировать следующим образом.

В неограниченно больших популяциях, при отсутствии давления естественного отбора, мутаций, миграций и наличии панмиксии имеет место постоянное число генотипов и фенотипов.

Значение популяционно-статистического метода для медицины велико. Применяя его на практике можно определить какова встречаемость патологических генов и генотипов в популяциях различных стран, изучить особенности распространения наследственных заболеваний в различных популяционных структурах и главное прогнозировать распространенность этих болезней в последующих поколениях. В ходе исследований выявляются не только больные, но и семьи в которых высок риск повторного появления детей с той же патологией. Такие семьи подлежат диспансерному наблюдению и среди них проводятся мероприятия направленные на снижение частоты этих заболеваний в потомстве.

Применяя на практике этот метод было установлено, что наследственные болезни в человеческой популяции распространены по регионам земного шара неравномерно. Установлено, что серповидно-клеточная анемия распространена среди негров и жителей Средиземноморья, врожденный вывих бедра чаще встречается у аборигенов Севера, различные виды прогрессирующего слабоумия у лиц еврейской и армянской национальности. Популяционно-статистический метод установил, что частота встречаемости даже повсеместно распространенных заболеваний колеблется в разных популяциях. Например, муковисцидоз чаще проявляется среди восточных народов, проявляемость фенилкетонурии выше среди славянских групп народов, чем у германских и романских.

БИОХИМИЧЕСКИЙ МЕТОД

Своеобразным толчком к применению биохимического метода в генетике человека стало открытие Полинга, о том, что серповидно-клеточная анемия является молекулярной болезнью. При этой болезни эритроциты приобретают форму серпа и синтезируется аномальный гемоглобин S, который не может обеспечивать в достаточном количестве транспорт кислорода к тканям. Применяя биохимический метод совместно с методами молекулярной генетики удалось установить, что причиной этого заболевания является мутация аллеля, ответственной за синтез гемоглобина А.

В настоящее время с помощью биохимического метода обнаружено более 1000 наследственных болезней обмена веществ, причем большая часть из них связана с дефектами различных ферментов. Диагностировать такие дефекты можно путем обнаружения в крови, моче, слюне и других биологических жидкостях продуктов метаболизма, образующихся в результате функционирования данного фермента. Если фермента синтезируется недостаточно, то в организме накапливаются промежуточные продукты нарушенного метаболизма.

На этом этапе используются простые и доступные методы обследования. Такая программа называется просеивающей или скрининг программой. И если подозрения подтверждаются, применяют более точные и сложные методы для уточнения диагноза.

Применение биохимического метода является весьма актуальным в диагностике болезней связанных с дефектами: а) аминокислотного обмена, б) обмена углеводов и в) обмена липидов.

Например, фенилкетонурия это болезнь, связанная с нарушением аминокислотного обмена, при котором обнаруживается дефект фенилаланиндигидроксилазы – фермента переводящего фенилаланин в тирозин. Вследствие чего происходит накопление в крови фенилаланина. Диагноз фенилкетонурия можно поставить, применяя простой биохимический тест. При этом заболевании с мочой выделяется фенилпировиноградная кислота, которая реагирует с реактивом Фелинга (3-х валентным хлоридом железа). В результате такой реакции моча, становится темного цвета. Исследуя сыворотку крови можно обнаружить повышенное содержание фенилаланина.

Биохимический метод можно успешно применять не только для постановки диагноза больным людям, но и для выявления гетерозиготных носителей наследственных заболеваний. Например, при гемофилии у женщины – носительницы снижается время свертывания крови, для более точной диагностики носительства исследуют антитела к гемофилическому глобулину. У носителей аутосомно – рецессивного гена, болезни Тея – Сакса (детской амавротической идиотии) снижается активность фермента гексозамининидазы А.

Установление гетерозиготности имеет очень большое значение. Оно помогает предотвратить рождение больного ребенка, особенно когда родители являются кровными родственниками.

Биохимический метод можно использовать в пренатальной диагностике. На 15-16 неделе беременности проводят амниоцентез. Полученную амниотическую жидкость и клетки плода исследуют, что позволяет выявить дефекты различных ферментов. С помощью амниоцентеза и последующих биохимических методов диагностируются свыше 60 наследственных заболеваний.