Экспансия (инсерция) повторяющихся

НУКЛЕОТИДНЫХ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЕЙ:

МИОТОНИЧЕСКАЯ ДИСТРОФИЯ (МД)

Встречаемость миотонической дистрофии составляет 1 на 8000. Это заболевание наследуется как аутосомное доминантное заболева­ние и представляет собой наиболее часто встречающуюся форму мы­шечной дистрофии у взрослых. Клинически это заболевание крайне разнообразно; его симптомы включают: миотонию, прогрессирую­щую слабость, атрофию мышц, расстройства сердечно-дыхательной системы, катаракты, раннее облысение, умственную отсталость и ат­рофию половых органов. Обычно первые клинические проявления МД наблюдаются в 30-40 лет, однако в некоторых случаях она раз­вивается с момента рождения, и тогда ее симптоматика намного тя­желее. Врожденная МД отличается высокой смертностью, у выжив­ших же детей классическая симптоматика МД обнаруживается уже к 10-летнему возрасту.

Мутация, вызывающая развитие МД, была выявлена, описана и картирована. Биологический механизм этой мутации связан с неста­бильной природой повторяющейся последовательности азотистых ос­нований (о структуре ДНК — гл. IV) на участке гена, расположенном на длинном плече хромосомы 19 (гл. I). Генетический механизм неста­бильных повторяющихся последовательностей был открыт сравнитель­но недавно. По неизвестной до сих пор причине короткие сегменты ДНК, состоящие из 2, 3 и 4 нуклеотидов (гл. I), выстраивают повто­ряющиеся последовательности, которые включают от двух до несколь­ких сотен таких сегментов, Повторяющуюся последовательность мож­но представить следующим образом:

АСАСТ — сегмент повторяющейся последовательности;

АСАСТ АСАСТ АСАСТ АСАСТ АСАСТ- повторяющаяся последова­тельность из 5 сегментов;

(А) АСАСТ АСАСТ, (а) АСАСТ АСАСТ АСАСТ АСАСТ - 2 разных аллеля (А и а) локуса, содержащего повторяющуюся последовательность. На языке генетики это означает, аллель А содержит 2 повтора (2 сегмента нуклеотидов), а аллель а содержит 4 повтора (4 сегмента нуклеотидов),

Сегодня эти повторяющиеся последовательности найдены более чем в 50 000 локусов человеческого генома. Каждый локус содержит несколько (иногда до 20 и более) аллелей, включающих разное коли­чество таких повторяющихся последовательностей. Эти аллели обыч­но наследуются по законам Менделя, однако были обнаружены и отклоняющиеся от них случаи, когда при переходе от одного поколе­ния к другому количество повторяющихся сегментов меняется. Благо­даря этому, а также высокой вариативности аллелей в каждом локу-се, повторяющиеся последовательности привлекают особое внима­ние генетиков, занимающихся картированием и локализацией генов в геноме человека.

Было замечено, что чем больше количество повторяющихся после­довательностей (т.е. чем длиннее вся повторяющаяся последовательность) у больных с МД, тем тяжелее протекает заболевание (табл. 3.1).

Как правило, здоровые люди являются носителями повторяющихся последовательностей длиной в 5—35 сегментов. Аллели больных, страда­ющих легкой формой МД, содержат 50-150 повторов. Аллели больных с классическим МД фенотипом (обычно это больные, у которых кли­нические симптомы появляются в 30-40-летнем возрасте) содержат от 100 до 1000 повторов, а аллели больных МД, симптоматика которых проявляется при рождении, могут содержать более 2000 повторов. В це­лом, чем длиннее повторяющаяся последовательность (чем больше по­второв она содержит), тем раньше обнаруживает себя заболевание и тем тяжелее оно протекает, Это явление известно под названием «гене­тическая антиципация». Генетическая антиципация характерна не толь­ко для МД, но и для ряда других заболеваний (например, хореи Ген-тингтона и синдрома «ломкой» Х-хромосомы — второго, после синдро­ма Дауна, по частоте встречаемости среди умственно отсталых).

Таблица 3.1

Фенотипические проявления МД в зависимости от количества сегментов нуклеотидных повторяющихся последовательностей

6. НАСЛЕДОВАНИЕ СЛОЖНЫХ ПОВЕДЕНЧЕСКИХ ПРИЗНАКОВ

До сих пор мы говорили о наследовании качественных признаков (формы и цвета семян гороха, половых различий, определенных забо­леваний). При классификации этих признаков никаких трудностей не возникает — мы легко различаем гладкие и шероховатые семена ду­шистого горошка, четко разбиваем людей на группы страдающих и не страдающих цветовой слепотой и т.д. Однако существует целый ряд признаков человека, подобная классификация которых или вообще невозможна, или возможна только со специальными оговорками. Та­кие признаки называются количественными (или континуальными) (например, рост, вес, баллы IQ и др.). Распределить людей на альтер­нативные группы по таким признакам (высокие и низкие, «умные» и «глупые») можно только условно.

Большинство признаков, изучаемых психогенетикой, характери­зуется тем, что в середине вариационного ряда (ряда значений) тако­го признака располагаются одна или две максимальные частоты, а справа и слева от них располагаются убывающие к концам ряда часто­ты, причем правые и левые частоты, одинаково удаленные от средне­го, примерно равны. Оно относится к классу количественных и имеет нормальное (или приближающееся к нему) распределение. Его свой­ства описаны в любом руководстве по статистике, поэтому излагать их здесь мы не будем. Отметим только, что кривая нормального рас­пределения имеет чрезвычайно важное значение для психологии. Дело в том, что каждый психологический признак в своем развитии зави­сит от очень большого количества факторов (и многих генов, и мно­гих средовых обстоятельств), действующих в благоприятном или не­благоприятном направлении. И именно нормальное распределение от­ражает фенотипическое разнообразие, возникающее в результате воздействия множественных факторов на исследуемый признак.

Предваряя изложение того, что известно о наследовании количе­ственных признаков, приведем более развернутый пример психогене­тических исследований изменчивости сложных фенотипов человека.

Коэффициент интеллекта, а точнее, его оценки (баллы и т.п., полученные в результате выполнения испытуемым набора различных субтестов, а затем усредненные с тем, чтобы получить обобщенную переменную, описывающую познавательные признаки человека), рас­пределен континуально, т.е. является примером количественного при­знака. При исследовании континуальных характеристик невозможно определить количество «больных» и «здоровых», т.е. нельзя приме­нить законы Менделя, описывающие механизмы исследования дис­кретных признаков. Тем не менее многочисленные психогенетичес­кие исследования интеллекта показали, что они передаются по на­следству (гл. IX). Например, родители с высокими показателями по

интеллекту обычно имеют детей, чьи интеллектуальные способности выше среднего (об ограничениях, связанных с такой интерпретаци­ей семейных данных, — в гл. VI, VII, VIII). Однако механизм переда­чи по наследству интеллектуальных способностей не соответствует законам Менделя.

С целью описания механизмов передачи по наследству континуальных признаков Ф. Гальтон предложил статистический аппарат, который до сих пор широко используется учеными. Он создал статистику, которую назвал «ко-реляция» (англ. co-relation — со-отношение) и которая затем преврати­лась в известный всем коэффициент корреляции. В статистической литера­туре этот тип корреляции (а всего разных видов корреляции — около дюжи­ны) называется Пирсоновской корреляцией, названной так в честь К. Пирсо­на, одного из учеников Ф. Гальтона, детально разработавшего технику получения корреляции. Корреляция представляет собой индекс сходства, из­меняющийся от нуля (r = 0), который обозначает отсутствие какого-либо сход­ства, до единицы (r = ±1, 0), обозначающей абсолютное сходство (или абсо­лютную противоположность, если имеет отрицательный знак).

Корреляции, описывающие сходство родственников по тестам интеллек­та, также зависят от степени их кровного родства. Только супруги, в отличие от других неродственников, коррелируют между собой по интеллекту с коэф­фициентом г = 0, 30-0, 40. Это — весьма примечательная находка, имеющая особое значение для интерпретации сиблинговых и близнецовых корреля­ций (подробнее — в гл. VII, IX).

Что же известно сегодня о механизмах передачи по наследству сложных поведенческих, т.е. количественных, континуальных, при­знаков? Каковы генетические модели, описывающие механизмы этой передачи?

Для менделирующих признаков и таких состояний, как болезнь Гентингтона и фенилкетонурия, наличие одного гена-мутанта — не­обходимое и достаточное условие формирования соответствующего признака: наличие в генотипе вредоносного аллеля (одной или двух его копий в зависимости от типа наследования) с неизбежностью вызовет у его носителя развитие болезни. При этом другие генотипи-ческие и средовые факторы роли практически не играют. В подобных случаях фенотипические проявления признаков дихотомичны: гено­тип — или носитель вредоносного аллеля, или нет; фенотип — или характеризуется определенным признаком, или нет. Сегодня известно примерно 3000 моногенных (т.е. вызываемых одним геном) заболева­ний, наследуемых по правилу «или—или».

Наследуемость сложных поведенческих признаков обеспечивает­ся, очевидно, многими генами. Такие признаки называются поли­генными.

Когда законы Менделя были переоткрыты в начале XX столетия, серьез­ные теоретические баталии развернулись между теми, кто считал, что все признаки наследуются согласно закону Менделя (так называемые мендели-

сты), и теми, кто утверждал, что законы Менделя неверны (так называемые биометристы), поскольку они не могут объяснить передачу по наследству сложных поведенческих признаков.

Как выяснилось, обе стороны были одновременно и правы, и неправы, Менделисты были правы в том, что признаки, контролируемые одним геном, наследуются по законам Менделя. Ошибочность их позиции заключалась в том, что они считали законы Менделя универсальными, применимыми ко всем, в том числе сложным, признакам. Биометристы были правы в том, что многие сложные признаки распределены непрерывно, а не альтернативно, но заблуждались, утверждая, что законы Менделя справедливы только для растений.

Противоречие этих двух позиций разрешилось само собой, когда выясни­лось, что законы Менделя применимы к наследованию полигенных признаков при отдельном рассмотрении каждого из генов, вовлеченных в генетический контроль исследуемого признака.

Кроме того, на функционирование каждого гена оказывают вли­яние характеристики среды. Предположим, что некоторый ген А чув­ствителен к изменению температуры в окружающей его клеточной среде (т.е. экспрессия гена зависит от характеристик окружающей сре­ды). Тогда можно предположить существование следующей причин­ной цепочки: температура клеточной среды повышается (в ответ на какие-то внешние средовые воздействия или на внутреннюю реак­цию организма, например, на инфекцию); в измененных темпера­турных условиях аллель А₂ производит больше белка (вероятнее все­го, в какой-то своей измененной форме), который оказывает влия­ние на изучаемый нами признак, и признак проявляется сильнее. Рассуждение о подобных цепочках событий привело к возникнове­нию еще одной модели наследования, называемой мультифакторной. Согласно этой модели, формирование признака контролируется слож­ным взаимодействием многих и генных, и средовых факторов.

Итак, в ситуации, когда рассматриваемый признак чувствителен к средовым влияниям, когда аллелей у каждого гена больше двух и когда каждый из этих аллелей может иметь или не иметь отличные по величине вклады в фенотип, все эти факторы приводят к формиро­ванию континуальных (непрерывных) распределений. Поэтому не уди­вительно, что часто в природе наблюдается континуальность, даже в тех случаях, когда сами аллели генов, контролирующих исследуемый признак, наследуются в соответствии с законами Менделя.

Представление о том, что количественные признаки формиру­ются в результате действия множества генов, является краеугольным в разделе генетики, называемом генетикой количественных признаков. Эта область науки была разработана Р. Фишером и С. Райтом. Гене­тика количественных признаков представляет собой основу для об­щей теории происхождения (этиологии) индивидуальных различий, будучи междисциплинарной наукой. Ее междисциплинарность опре­деляется как знаниями, создающими ее основу (общая биология,

генетика, психология и статистика), так и используемыми ею мето­дологическими и концептуальными аппаратами разных наук (гене­тики, психологии, психофизиологии и т.д.). В данном случае имеет место двухстороннее движение, поскольку, обогащаясь от различ­ных наук, генетика количественных признаков сама обогащает эти науки. Центральной догмой генетики количественных признаков является утверждение о том, что внутри популяции существуют кон­тинуально (непрерывно) распределенные количественные оценки ин­дивидуально-психологических особенностей. Генетика количествен­ных признаков систематизирует межиндивидуальные различия и рассматривает их не как «шум в системе» (как это свойственно, например, наукам, внимание которых сосредоточено на межгруппо­вых различиях), а как закономерную изменчивость внутри изучаемой группы. Кроме того, генетика количественных признаков указывает на источники появления изменчивости и определяет вклад каждого из этих источников.

Основные понятия генетики количественных признаков представ­лены в гл. VI, VIII. Не останавливаясь здесь подробно на генных моде­лях, лежащих в основе генетики количественных признаков, укажем только, что полигенная модель, приведенная и обсуждаемая в этих главах, является базой для объяснения сходства родственников раз­ной степени по фенотипическим признакам. Если генетические фак­торы влияют на формирование индивидуальных различий по како­му-то признаку, то степень фенотипического сходства родственни­ков должна изменяться в зависимости от степени их генетического родства (подробнее о разных методах психогенетики — в гл. VII, VIII). Например, родственники первой степени родства (родители — дети и родные сиблинги) в среднем имеют 50% общих генов. Иными сло­вами, ребенок наследует примерно по 50% генов от каждого из роди­телей (но это — средняя величина; в каждом конкретном случае мо­жет быть и больше, и меньше). Если один из сиблингов унаследует какой-то аллель от одного родителя, то вероятность наследования того же аллеля другим сиблингом составит в среднем 50%.

В случае познавательных способностей (и некоторых заболеваний, например, шизофрении) степень фенотипического сходства между родственниками увеличивается по мере увеличения их генетической близости. Например, вероятность того, что отдельно взятый в популя­ции человек заболеет шизофренией, составляет 1%. Если же в семье есть больной, то риск заболевания шизофренией для его родственни­ков второй степени (внуков и племянников) составит примерно 4%. Однако для родственников первой степени родства (родителей, сиб­лингов, детей) этот риск увеличивается до 9%. Наконец, риск разви­тия шизофрении стремительно возрастает до 48% для монозиготных близнецов-шизофреников. Эта цифра намного больше цифры, полу­ченной для дизиготных пар (17%).

Но на каком основании мы предполагаем, что шизофрения пред­ставляет собой континуальный признак? Мы привыкли рассуждать о шизофрении в терминах дихотомии (человек или болен, или здоров), а здесь почему-то предполагаем, что это заболевание возникает в ре­зультате действия множества генов в сочетании с неблагоприятной средой. Оказывается, что даже в случае, когда на признак оказывает влияние множество генов, проявляться он может в альтернативной форме (больной — здоровый). Для объяснения данного факта предло­жены понятия «подверженность» («предрасположенность») и «порог». Предрасположенность проявляется в том, что в случае наследствен­ных заболеваний риск заболеть у родственников выше, чем у нерод­ственников, причем сам по себе этот риск представляет континуум возрастающей восприимчивости к заболеванию (чем выше степень родства, тем выше риск). Порог проявляется в том, что на условной шкале подверженности за этим порогом оказываются носители дан­ного признака, т.е. больные.

«Подверженность» («предрасположенность») и «порог» — гипо­тетические понятия. Используя их и основанные на них модели, мож­но, тем не менее, получить много полезной статистической инфор­мации о том, как осуществляется передача того или иного признака по наследству. Например, если корреляция по признаку шизофрении для кровных родственников первой степени родства равняется 0, 45, то, основываясь на оценках частоты встречаемости шизофрении в по­пуляции (1%), можно подсчитать, что риск заболевания для таких родственников составляет 9%.

Альтернативная гипотеза наследования сложных поведенческих признаков утверждает, что порогов, разделяющих различные состоя­ния организма (например, состояния «больной» и «здоровый»), не существует. Согласно этой гипотезе, симптоматика заболевания плав­но возрастает, создавая непрерывный континуум между нормальным и патологическим. В последнее время широкую поддержку получает гипотеза о том, что, например, алкоголизм и депрессия являются именно такими признаками без четких границ между нормой и пато­логией.

Когда же речь идет о нормальных психологических признаках (бал­лах IQ, скорости двигательных реакций, особенностях памяти, вни­мания и т.д.), деление на альтернативные группы (например, «быст­рых» и «медленных») возможно лишь условно, в пределах исследо­ванной выборки («медленный» в данной выборке может оказаться «быстрым» в другой). Поэтому для психогенетики модели количествен­ной генетики оказываются наиболее адекватными.

Сходство родственников по анализируемым признакам позволяет утверждать, что генетические факторы влияют на количественные признаки, примером которых может служить как патология (напри­мер, шизофрения), так и норма (например, когнитивные способнос-

ти). Однако неоспоримым доказательством генетической этиологии анализируемых признаков сходство родственников считаться не мо­жет. Дело в том, что большинство пар родственников живут под од­ной крышей и проводят вместе много времени. Это сходство семей­ной среды также может играть существенную роль в формировании сходства родственников по фенотипическим признакам. Для того что­бы разделить вклады среды и генов, исследователи применяют специ­альные статистические модели или изучают несколько типов родствен­ников одновременно (см. гл. VI-VIII).

Многие генетически контролируемые заболевания и поведенчес­кие признаки развиваются в результате действия генетических меха­низмов, не подчиняющихся законам Менделя. Среди таких механиз­мов обычно называют хромосомные аберрации, сцепленное с полом наследование, импринтинг, появление новых мутаций, экспансии повторяющихся нуклеотидных последовательностей, наследование сложных континуально распределенных поведенческих признаков. На­копление новой информации, касающейся наследования немен-делирующих признаков, не опровергло законы Менделя. Выяснилось, что противоречия снимаются, когда все наследуемые признаки де­лятся на моногенные, в развитие которых вовлечен только один ген, и полигенные, в развитие которых вовлечено множество генов. Мен-делевские принципы сохраняют свою значимость при наследовании моногенных признаков, а также при наследовании каждого отдельно взятого гена, включенного в полигенную систему.

Наследование континуально распределенных признаков не под­чиняется законам Менделя. Эти признаки, в категорию которых по­падает большинство сложных поведенческих характеристик человека, наследуются согласно мультифакторным моделям — моделям, учиты­вающим совместное влияние многих генов и многих факторов среды; при этом гены и среда взаимодействуют между собой. Одна из таких моделей строится вокруг понятия «подверженность» («предрасполо­женность»). Генетическая предрасположенность — не достаточное ус­ловие для развития признака, однако она определяет вероятность его появления. Это понятие чаще используется в медицинской генетике, но можно полагать, что концепция генетической предрасположенно­сти применима и к нормальным психологическим признакам, по­скольку они также являются признаками мультифакторными; сегод­ня это предположение — только гипотеза.

Глава IV

ДНК КАК ОСНОВА НАСЛЕДСТВЕННОСТИ

Для психогенетики, главным объектом исследования которой яв­ляется природа индивидуальных различий, ознакомление со структу­рой и механизмами функционирования ДНК важно для понимания того, как гены влияют на человеческое поведение. Гены само поведе­ние не кодируют. Они определяют последовательности аминокислот в белках, которые направляют и создают основу химических процессов клетки. Между геном и поведением лежат многочисленные биохими­ческие события, открытие и понимание которых — интереснейшая задача, решаемая разными науками. Вариативность гена, тот факт, что он существует во множественных формах (аллелях), создает осно­ву для формирования индивидуальных различий — соматических, фи­зиологических, психологических. Именно в этом смысле говорят, что ДНК и есть материальная основа наследственности: вариативность генетическая создает, в контексте средовой вариативности, вариа­тивность фенотипическую.