Полиморфизм генов: общие сведения

Полиморфными принято называть гены, которые представлены в популяции несколькими разновидностями - аллелями, что обусловливает разнообразие признаков внутри вида. Различия между аллелями одного и того же гена, как правило, заключаются в незначительных вариациях его "генетического" кода. Большинство известных полиморфизмов выражаются либо в заменах одного нуклеотида, либо в изменении числа повторяющихся фрагментов ДНК. Полиморфизмы нуклеотидных последовательностей обнаружены во всех структурных элементах генома: экзонах, нитронах, регуляторных участках и т.д. Тем не менее вариации, затрагивающие кодирующие фрагменты генов и отражающиеся на аминокислотной последовательности их продуктов, встречаются относительно редко и не имеют отношения к анализируемой конкретной проблеме, для которой в первую очередь важны возможные последствия полиморфизма нитронов и 5'-концевых некодирующих последовательностей. Анализ данного феномена в существенной степени зависит от того, насколько вариабельны собственные функции белка, кодируемого различными аллелями, что справедливо и в отношении ферментов образования и метаболизма стероидных гормонов, о которых далее пойдет речь.

Локус называется полиморфным, если в популяции существуют два или более аллеля этого локуса. Однако, если один из аллелей имеет очень высокую частоту , скажем, 0.99 или больше, то высока вероятность того, что ни один другой аллель не будет присутствовать в выборке, взятой из популяции, если только эта выборка не будет очень большой. Таким образом, обычно локус определяется как полимрофный, если частота наиболее распространенного аллеля меньше 0.99. Такое деление носит весьма условный характер и в литературе можно найти другие критерии полиморфности.

Одним из наиболее простых способов измерения степени полиморфности в популяции является подсчет среднего соотношения полиморфных локусов и путем деления их общего числа на суммарное число локусов в выборке. Конечно, такая мера в значительной степени зависит от числа изученных особей. Более точным показателем генетической вариабельности внутри популяции является СРЕДНЯЯ ОЖИДАЕМАЯ ГЕТЕРОЗИГОТНОСТЬ или ГЕННОЕ РАЗНООБРАЗИЕ. Эта величина может быть получена непосредственно из генных частот и в гораздо меньшей степени подвержена влиянию эффектов, связанных с ошибкой выборки. Генное разнообразие по данному локусу определяется следующим образом:

                         m
                h = 1 - SUM xi*                      (3.19)
                        i=1
где SUM - сумма, xi - частота аллеля i и m - общее число аллелей данного локуса.

Для любого локуса h является вероятностью того, что два аллеля, случайным образом выбранных в популяции, будут отличаться друг от друга. Среднее по всем h для каждого изученного локуса, H, может быть использовано как оценка степени генетической вариабельности внутри популяции.

Степени генетического разнообразия h и H широко использовались для данных, полученных при электрофоретическом анализе и анализе рестрикционными ферментами. Однако, они не всегда могут быть подходящими для данных, полученных при исследовании последовательностей ДНК, так как степень разнообразия на уровне ДНК чрезвычайно велика. В особенности, когда рассматриваются длинные последовательности, вполне вероятно, что каждая будет отличаться от других последовательностей по одному или более нуклеотидам. Тогда как h, так и H будут близки к 1 и, следовательно, не будут различаться между локусами или популяциями, будучи, таким образом, не информативными.

При работе с ДНК более приемлемым показателем полиморфизма в популяции является среднее число нуклеотидных замен на позицию между двумя случайно выбранными последовательностями. Эта оценка называется нуклеотидным разнообразием (Nei M., Li W.-H., 1979) и обозначается п: 

        п = SUM (x * x * п  )                    (3.20)
            i,j   i   j   ij 
 
где x i и  x j - частоты последовательностей i-го и
j-го типов,
и п ij  - доля нуклеотидных различий между i-м и j-м типами
последовательностей.

В настоящее время известно несколько работ по изучению нуклеотидного разнообразия на уровне последовательностей ДНК. Одна такая работа была проделана для локуса, кодирующего алкоголь-дегидрогеназу D. melanogaster (Adh) (Nei M., 1987) .

Исследовались 11 последовательностей длиной 2.379 нуклеотидов. Не принимая во внимание делеции и инсерции, было выделено девять различных аллелей, один из котрых был представлен тремя, а восемь остальных - одной последовательностью. Таким образом, частоты x1 - x8 были равны 1/11, а x9=3/11. Сорок три позиции были полиморфны. Сначала были подсчитаны доли нуклеотидных различий для каждой пары последовательностей, приведенные в таблице :

Например, аллели 1-S и 2-S различались по трем позициям из 2.379, следовательно, п12 = 0.13%. Полученное с использованием формулы 3.20 значение п оказалось равным 0.007.

Геномный полиморфизм: выявление

Генетический полиморфизм и наследственные болезни.

В 1902 г. Гаррод предположил, что нарушения метаболизма, например при алкаптонурии , являются крайним выражением химической индивидуальности организма. Действительная широта генетического разнообразия впервые стала очевидной, когда с помощью электрофореза клеточных экстрактов (без предварительной очистки ферментов) было показано существование нескольких структурных изоформ для многих белков. Наличие изоформ обусловлено существованием в популяции множественных вариантов гена ( аллелей ) этого белка. Аллели имеют идентичную локализацию в гомологичных хромосомах.

Большинство генов в каждом организме представлено двумя аллелями, один из которых унаследован от отца, а другой - от матери. Если оба аллеля идентичны, то организм считается гомозиготным , если разные - гетерозиготным .

В ходе эволюции разные аллели произошли в результате мутаций от единого аллеля-предшественника, чаще всего они отличаются друг от друга заменой одного нуклеотида ( миссенс-мутации ). Обычно белки, кодируемые разными аллелями одного гена, обладают одинаковыми функциональными свойствами, то есть замена аминокислоты нейтральна или почти нейтральна с точки зрения естественного отбора.

О наличии тех или иных аллелей часто судят на основании анализа аминокислотной последовательности соответствующих белков. Для многих генов (например, гена бета-цепи глобина ) удается выделить нормальный аллель - самый распространенный в популяции, который встречается значительно чаще других. Иногда среди аллелей нет ни одного, который можно было бы считать нормальным. Чрезвычайно высокий полиморфизм свойственен, например, гену апопротеина (а) и гену альфа-цепи гаптоглобина . Ген считают полиморфным , если его самый распространенный аллель встречается менее чем у 99% людей. Это определение отражает только распространенность разных аллелей, а не их функциональные различия.

Понятие полиморфизма расширилось с открытием необычайной изменчивости последовательностей ДНК. В геномах разных людей различается 1 из 100-200 пар нуклеотидов; это согласуется с гетерозиготностью по 1 из 250-500 пар нуклеотидов. Современные методы позволяют выявить замены отдельных нуклеотидов в кодирующих областях, которые могут быть несмысловыми или вызывать изменение аминокислотной последовательности. Полиморфизм ДНК еще более выражен в некодирующих областях генома, влияние которых на экспрессию генов невелико или его нет вообще.

Помимо замены отдельных нуклеотидов в основе полиморфизма ДНК лежат вставки, делеции и изменение числа тандемных повторов . Различают варьирующие по числу (длинные) тандемные повторы ( минисателлитная ДНК ) и короткие (тетра-, три-, ди- или мононуклеотидные) тандемные повторы ( микросателлитная ДНК ).

Масштабы полиморфизма ДНК таковы, что между последовательностями ДНК двух людей, если только они не однояйцевые близнецы, существуют миллионы различий. Эти различия подразделяют на четыре большие категории:

- фенотипически не выраженные (например, полиморфные участки ДНК, используемые для идентификации личности молекулярно-генетическими методами);

- вызывающие фенотипические различия (например, в цвете волос или росте), но не предрасположенность к заболеванию;

- играющие некоторую роль в патогенезе заболевания (например, при полигенных болезнях );

- играющие основную роль в развитии заболевания (например, при моногенных болезнях ).

Различные изменения в нуклеотидной последовательности транскрибируемых областей ДНК могут по-разному проявляться в фенотипе. Часть из них не оказывает никакого влияния на структуру и функцию соответствующего белка. Примером могут служить замены нуклеотидов, не приводящие к замене аминокислот в силу вырожденности генетического кода. Такие замены принято называть полиморфизмами (или в иностранной литературе - silence mutation). Но не всегда полиморфизмы так "невинны". Так Siegelmann и Buetow (1998) сообщают о замене гуанина (G) на аденин (A) в кодоне кодирующем валин (Val)80 в гене ароматазы (Cyp 19) кодирующем цитохром Р450. Этот полиморфизм является маркером предрасположенности развития рака груди у женщин. Полиморфизм ДНК в еще одном цитохроме - P450c17a (CYP17), участвующим в биосинтезе стероидных половых гормонов, так же может повышать риск возникновения рака молочной железы . В 5' области гена в позиции -27 выявлена однонуклеотидная замена T на C, которая создает сайт узнавания для фермента MspAI и транскрипционного фактора Sp1. Показано, что этот аллель влияет на экспрессию гена и увеличивает риск возникновения рака груди в 2,5 раза ( Feigelson, 1996 , Feigelson, 1998 ).

Ссылки:

Все ссылки