1. Предмет генетической эпидемиологии
1.1 Генетическая эпидемиология
В середине 50-х годов 20 века оформилось новое научное направление - генетическая эпидемиология, которая реализуется при взаимодействии клинической медицины и популяционной генетики человека. Генетическая эпидемиология изучает роль генетических факторов в возникновении и распространении болезней человека и связь этих факторов со средой обитания. Можно сказать иначе, эпидемиология наследственных заболеваний включает знание об их распространенности/частоте в различных регионах, а также механизмах влияющих на эти показатели. В медицине оценка этих показателей обусловлена необходимостью расчета и планирования потребностей медицинской и социальной помощи больным и инвалидам. В результате клиническая медицина получает представление о распространенности, вариабельности проявления и спектре наследственной патологии на определенной территории, а популяционная генетика - о модели генетической структуры популяции, которая наилучшим образом описывает территориальное распределение мутантных генов и особенности генетической дифференциации популяции.
Современные достижения молекулярной генетики позволили поднять эпидемиологические исследования на новый уровень. Генетическая эпидемиология все больше опирается на успехи геномных исследований, ориентируясь на идентификацию генов, ответственных за этиопатогенез заболеваний; все больше возникает необходимость изучения закономерностей распространения нормальных и патологических генов в различных популяциях с целью сохранения и развития генофонда человека.
Одним из фундаментальных в популяционной генетике является понятие генетического груза, но в медицинской генетике более широко используется понятие «груз наследственных болезней», включающее данные о частотах и распространенности широкого круга наследственных заболеваний. Груз наследственных болезней является частью генетического груза и обычно выражается через число пораженных на 1000 человек в популяции. Для анализа отягощенности популяции наследственными болезнями используют два основных показателя: распространенность и встречаемость, которые, соответственно, характеризуют всю накопленную заболеваемость наследственной патологией и только случаи заболевания, имеющиеся в популяции в данное время, таким образом, получается одномоментный срез популяции.
В генетической эпидемиологии существует несколько методологических подходов оценки «груза» наследственной патологии: изучение отдельных или относительно немногих наследственных болезней; «обзорный» метод исследования, который проводился в основном на «экзотических» или островных популяциях, не являющихся типичными для современного общества; создание генетических регистров; скиринирующие программы.
Исследования по изучению распространенности наследственной патологии в популяциях России были начаты лабораторией эпидемиологии наследственных заболеваний ГУМГНЦ РАМН в начале 80-х годов, изучены популяции Восточноевропейской части России с общей численностью населения 2,5 млн. человек. Результаты проведенных исследований создали базу для понимания эпидемиологии наследственных болезней в России. Они позволили оценить размеры груза наследственной патологии, уровень дифференциации популяций по грузу наследственной патологии в целом и по отдельным его составляющим, выявить факторы популяционной структуры, которые определяют дифференциацию популяций России по генам наследственных болезней. Получены данные о спектре частой наследственной патологии и ее вкладе в отягощенность, о генетическом сходстве исследованных популяций.
1.2 Популяционная генетика
Популяция (позднелат. populatio, от лат. populus -- народ, население) это совокупность особей одного вида, более или менее длительно занимающая определённое пространство и воспроизводящая себя в течение большого числа поколений. Особи одной популяции имеют большую вероятность скрещиваться друг с другом, чем с особями других популяций; это вызвано тем, что данная совокупность особей отделена от других таких же совокупностей особей той или иной степенью давления различных форм изоляции.
Основной характеристикой популяции, определяющей её центральное положение как элементарной единицы эволюционного процесса, является её генетическое единство. В пределах популяции в той или иной степени осуществляется панмиксия. Вместе с тем особям, составляющим популяцию, присуща генетическая гетерогенность (в пределах единого генофонда популяции), определяющая приспособленность популяции к различным условиям среды обитания и создающая столь важный для эволюции резерв наследственной изменчивости. Вследствие генетической и морфофизиологической неравноценности особей, неоднородности окружающей среды популяция имеет сложную структуру: особи различаются по полу и возрасту, принадлежности к разным, обычно перекрещивающимся поколениям, к разным фазам жизненного цикла, к тем или иным малоустойчивым группировкам внутри популяции. Именно через популяцию осуществляется генетическая преемственность поколений, регуляция таких биологически важных свойств, как плодовитость, численность, устойчивость к заболеваниям и, главное, микроэволюционный процесс.
Среди направлений современной медицины и биологии генетика популяций занимает особое место, так как позволяет понять процесс происхождения и эволюции популяций человека, оценить особенности генофонда (генофонд - совокупность наследственной информации, которая устойчиво передается от родителей к потомкам и сохраняется во времени в условиях нормально колеблющейся среды). Другими словами, популяционная генетика человека изучает поведение генов в популяциях и отвечает на ряд вопросов, в частности, как реализуются законы Менделя на уровне популяций и как влияют на генетическую структуру популяций такие факторы популяционной динамики, как мутационный процесс, отбор, миграции, инбридинг, случайное изменение генных частот.
1.3 Основной закон популяционной генетики
Закон Харди-Вайнберга -- это ключевая закономерность популяционной генетики. Этот закон можно сформулировать следующим образом: в популяции бесконечно большого размера, в которой не действует отбор, мутационный процесс, отсутствует обмен особями с другими популяциями, а так же ассортативность скрещиваний, частоты генотипов по какому-либо гену (в случае если в популяции есть два аллеля этого гена) будут поддерживаться постоянными из поколения в поколение и соответствовать уравнению:
pІ + 2pq + qІ = 1
где pІ -- доля гомозигот по одному из аллелей; p -- частота этого аллеля;
qІ -- доля гомозигот по альтернативному аллелю; q -- частота соответствующего аллеля;
2pq -- доля гетерозигот.
При соблюдении основных условий выполнения закона Харди-Вайнберга частоты генов в популяции остаются неизменными в чреде поколений. Согласно этому закону при отсутствии возмущающих воздействий на популяцию неограниченной численности характерные для нее частоты генотипов и генов остаются неизменными в неограниченно долгом ряду поколений. Подобные идеальные популяции в природе практически не встречаются, так как всегда существуют факторы, сдвигающие их с точки равновесия, нарушающие ее стабильность, - случайный дрейф генов, инбридинг, мутации, миграции и естественный отбор. Каждый из этих факторов имеет количественную меру и может изменяться в широких пределах, но, так или иначе, все они оказывают влияние на любую природную популяцию. В популяции обычно действуют одновременно несколько факторов популяционной динамики. В итоге возникает большое разнообразие в способах и характере взаимодействия микроэволюционных процессов в популяциях.
2. Факторы популяционной динамики
2.1 Инбридинг
Понятие «инбридинг» широко используется в популяционной генетике при описании особенностей генетической структуры популяций. Случайное скрещивание, или панмиксия, - это абстракция. В современных аутбредных популяциях скрещивание может быть почти случайным по таким признакам, как группы крови или варианты ферментов, однако по некоторым наследственным признакам, например, по глухоте, они неслучайны. Менее очевидны, но более распространены браки, ассортативные по психологическим или социальным особенностям. Ассортативность ведет к увеличению доли гомозиготных лиц и уменьшению доли гетерозиготных лиц в популяции, что теоретически должно нарушать равновесие частот генотипов и, соответственно, уменьшению генетической изменчивости.
Один из типов ассортативного брака - брак между родственниками или инбредный брак. По определению В.А.Ратнера, инбридингом называют ограничение свободы скрещивания индивидуумов, связанное лишь отношениями родства, когда, независимо от генотипа, близкородственные особи имеют повышенную частоту скрещивания. Инбридинг - коэффициент корреляции между гаметами g1 и g2, при объединении которых образовалась особь z.
Инбридинг имеет количественную меру. Для оценки инбридинга в популяции чаще используется коэффициент инбридинга, введенный С.Райтом, и коэффициент родства Малеко. Коэффициент инбридинга (F) - это вероятность идентичности по происхождению гена, полученного от общего предка. Коэффициент родства двух индивидов А и В - это вероятность того, что случайно выбранный ген, принадлежащий А, идентичен гену того же локуса у В.
В качестве меры дифференциации популяции С.Райт предложил различать три статистики:
FIS - локальный инбридинг, является мерой корреляции между объединяющимися гаметами в субпопуляции и позволяющий оценить брачную ассортативность в популяции;
FST - случайный инбридинг, отражает корреляцию между случайно объединяющимися гаметами в субпопуляции относительно всей популяции, который используется для сравнения степени дифференцированности субпопуляций по частотам генов и является количественной мерой для измерения эффективности дрейфа;
FIT - тотальный инбридинг, складывается из локального и случайного инбридинга.
Различные определения термина «инбридинг», встречающиеся в литературе, отражают лишь способ формирования изучаемого параметра, не меняя смысла данной характеристики.
Инбридинг является важной характеристикой для популяционной генетики, так как увеличивает в популяции частоту гомозиготных генотипов по сравнению с ожидаемой при равновесии Харди-Вайнберга.
Уровень инбридинга в разных популяциях колеблется в достаточно широких пределах. Так, средний коэффициент инбридинга в Европе варьирует от 0,00005 до 0,0011, в Америке - от 0,000099 до 0,0012, в Индии - от 0,0118 до 0,037, в отдельных изолятах - от 0,022 до 0,0698. В ряде стран получены коэффициенты инбридинга для отдельного индивида. В Бразилии он составил 0,00310, в Испании - 0,00572, в Италии - 0,00144, в Мексике - 0,00083, в Норвегии - 0,00216, во Франции - 0, , в Швейцарии - 0,00045, в Японии - 0,00433.
Большое число исследований посвящено изучению влияния неслучайной компоненты инбридинга на накопление рецессивных заболеваний. Высокие значения тотального инбридинга, обусловленного его неслучайной компонентой, выявлены при исследовании популяций республик Средней Азии, Западного Памира, Азербайджана и, в частности, талышей.
В медицинской генетике инбридинг привлекает основное внимание исследователей, так как он приводит к огомозигочиванию редких рецессивных генов, обусловливающих редкую патологию, что может приводить к увеличению частоты наследственных болезней и, в то же время, к «очищению» популяции от патологических мутантных генов (при длительном действии). Отягощенность аутосомно-рецессивной патологией связана с коэффициентом инбридинга в популяции.
Исследования, проведенные в Карнатаке (Южная Индия), показали, что наиболее предпочтительными в этой популяции являются кровнородственные браки. Коэффициент инбридинга, рассчитанный для всей популяции, составил 0,0271. Отягощенность менделирующей наследственной патологией следующая: АД - 2,7 и АР - 5,9 на 1000 человек, Х-сц. - 1,2 на 1000 мужчин. Отмечен высокий удельный вес аутосомно-рецессивной патологии в общей отягощенности наследственными заболеваниями.
Отмечается существенная роль инбридинга в снижении плодовитости и рождаемости и увеличении числа врожденных дефектов у детей. Вместе с тем, исследование, проведенное в Австралии, выявило повышение плодовитости в инбредных семьях, но при этом все же отмечено повышение постнатальной смертности и увеличение частоты врожденных аномалий.
Таким образом, высокий инбридинг в популяциях человека может быть обусловлен как большим количеством кровно-родственных браков (неслучайная составляющая инбридинга FIS), так и географической и социальной подразделенностью (случайная составляющая инбридинга FST).
Количественной мерой случайной компоненты инбридинга является FST. Теоретические расчеты случайного инбридинга, проведенные N. Morton, показали, что его варьирование должно быть не очень большим: от 0,002, для значительных по численности этнических групп, до 0,02, для популяций Ближнего Востока.
2.2 Генетический дрейф
Изучение природных популяций показывает, что, как правило, они не представляют собой единой панмиксной единицы. Подразделенность большой популяции на группы, или субпопуляции, обусловлена изоляцией, полной или частичной. Валунд доказал (эффект Валунда), что подразделенность влияет на динамику генных частот подобно влиянию инбридинга в неподразделенной популяции, и причиной этого является генетический дрейф.
Дрейф генов - это изменение генных частот в ряду поколений, вызываемое случайными причинами, например малой эффективной численностью популяции. При ограниченной численности, отсутствии давления мутационного процесса, миграций и отбора в популяции может произойти случайная потеря или, наоборот, случайная фиксация одного из аллелей не только в первом, но и в последующих поколениях. Случайная потеря или фиксация - это крайние случаи. В промежуточной ситуации в популяции сохраняются оба аллеля, но их частота флюктуирует случайным образом. Однако, если фиксация уже произошла, обратный процесс невозможен. Вероятность фиксации с увеличением числа поколений стремится к 1. Частными случаями генетического дрейфа являются эффект «бутылочного горлышка» и эффект «основателя», приводящие к резкому уменьшению генетического разнообразия. Для подразделенных популяций, по сравнению с панмиксными, характерно резкое снижение генетического разнообразия в отдельных субпопуляциях, а также увеличение доли гомозигот за счет уменьшения гетерозигот.