Текст книги "Генетическая лотерея"

Автор книги: авторов Коллектив

Соавторы: Ольга Баловнева
сообщить о нарушении

Текущая страница: 8 (всего у книги 13 страниц)

Рост и генетика. Как рассчитать рост своего будущего ребенка?

Рост – важный показатель, который является индикатором благополучия человека и территории, на которой он проживает. Ожидаемый средний рост здорового населения должен составлять 163 см для женщин и 176,5 см для мужчин, как это определено эталонными стандартами роста ВОЗ. Интересно, что средний глобальный рост для женщин составляет 159,5 см, а для мужчин – 171 см.

До 80 % роста человека определяется унаследованными вариантами последовательности ДНК, за это отвечает множество генов, не все из которых известны ученым. Некоторые гены могут очень сильно повлиять на рост – в таком случае обычно речь идет о генетическом заболевании, например, мутации в гене FGFR3 вызывают ахондроплазию – карликовость. Однако для большинства здоровых людей выделить один наиболее влияющий на рост ген нельзя.

Помимо генетики, на рост также влияют факторы окружающей среды. Они могут действовать в течение всего периода роста, но наиболее значимо их влияние в младенчестве. При наличии неблагоприятных условий окружающей среды физический рост детей может замедлиться и даже повлиять на рост взрослого человека. Наиболее важный фактор окружающей среды – питание, особенно недостаток белка. Также могут влиять заболевания, в том числе эндокринные и инфекционные. К проблемам с питанием и широкому распространению заболеваний среди детей, как правило, приводят социально-экономические причины. К примеру, дети дошкольного возраста из Северной Кореи в среднем на 13 см ниже своих ровесников из Южной Кореи.

Поскольку рост здорового человека определяется большим количеством вариантов генов и факторами внешней среды, трудно абсолютно точно предсказать, каким будет рост ребенка. Наследование генетических вариантов помогает объяснить, почему дети обычно вырастают примерно такого же роста, как и их родители, но при этом разные комбинации вариантов могут привести к тому, что братья и сестры будут разного роста.

Варианты расчета роста

Специалисты предлагают несколько вариантов расчета роста. Ни один из них не обладает абсолютной точностью.

1. Приплюсуйте рост матери в сантиметрах к росту отца. Добавьте 13 сантиметров для мальчиков или вычтите 13 сантиметров для девочек. Полученный результат разделите на 2.

2. Удвойте рост мальчика в два года или рост девочки в полтора года.

3. Используйте стандартные графики роста, применяемые в педиатрии.

4. Воспользуйтесь специальным калькулятором (https://www.calculator.net/height-calculator.html).

5. Можно попробовать учесть в расчетах наследуемость признака и средний рост по популяции. Например, возьмем мужчину ростом 180 см и женщину ростом 170 см. Допустим мы знаем, что средний рост мужчин этой популяции – 175 см, а женщин – 160 см, а наследуемость роста составляет 70 % для мужчин и 65 % для женщин. Для сына ожидаемая разница в росте от среднего значения населения составляет: 0,7 х ((180–175) + (170–160)) / 2, что равно 5,25 см; для дочери разница составляет 0,65 х ((180–175) + (170–160)) / 2, что равняется 4,875 см. Таким образом, ожидаемый рост сына 175 + 5,25, или 180,25 см, а дочери 160 + 4,875, или 164,875 см. Также можно рассчитать, сколько сантиметров к росту могут добавить факторы окружающей среды.

Можно ли изменить рост?

Рост в высоту обусловлен удлинением костей благодаря так называемым эпифизарным пластинам, или пластинкам роста. Скорость роста увеличивается в начале или середине полового созревания и снижается или вовсе останавливается после закрытия пластинок роста в позднем периоде полового созревания. После этого значительно повлиять на рост, не прибегая к хирургии, не получится.

Однако немного рост все же изменяется. К примеру, после сна мы немного выше, чем к вечеру, а к старости люди становятся ниже из-за изменений, происходящих в позвоночнике.

Аномалии роста

Нормальный рост может значительно варьироваться внутри популяции, однако существуют границы, рост ниже и выше которых принято считать аномальным.

Если рост взрослого человека составляет менее 147 см, его состояние называют карликовостью. Самая частая причина карликовости – ахондроплазия, о которой мы писали выше.

Если рост ребенка или подростка слишком высокий, говорят о гигантизме. Точные цифры обычно не называют, однако рост должен на несколько стандартных отклонений превышать средний для лиц того же пола. Самым высоким человеком (с наличием неопровержимых доказательств величины роста) считается Роберт Уодлоу, чей рост равнялся 272 сантиметрам. Такой быстрый рост происходит из-за избытка гормона соматотропина и продолжается вплоть до закрытия эпифизарных пластинок костей. После этого гигантизм переходит в акромегалию: расширяются и увеличиваются кости стоп, кистей, черепа без изменения общего роста. Наиболее частая причина гигантизма – опухоль гипофиза.

Глава 5
Образ жизни, спорт и питание

Если жениться на девушке-ученом, дети будут умные?

Наследование интеллекта всегда привлекало ученых, и на этот счет было выдвинуто множество состоятельных и не очень гипотез.

В начале 2000-х годов интернет пестрел заголовками, что ученые наконец открыли законы наследования умственных способностей и интеллект наследуется вместе с Х-хромосомой и передается по женской линии. Конечно, сейчас вышло множество опровергающих исследований лучшего качества, чем те, на которые ссылались журналисты несколько десятков лет назад.

Интересно, что от Х-хромосомы, и правда, может зависеть интеллект, но связано это с некоторыми Х-сцепленными формами умственной отсталости, и более ничем. Поэтому устаревшее понимание наследование интеллекта больше не актуально с точки зрения науки. А значит, и выбор в качестве матери для своего ребенка женщины-ученого еще не гарантирует гениальное потомство.

Изучением генетики поведенческих и когнитивных особенностей человека в настоящее время занимается поведенческая генетика. Зародившись относительно недавно на стыке психологии и генетики, эта область исследований во многом раскрыла понимание процессов наследования признаков, которые ранее было сложно связать с чем-либо кроме окружения, воспитания и событий жизни. Здесь мы поговорим о наследовании интеллектуальных способностей и определяющих их негенетических факторах.

Одной из основных моделей поведенческой генетики, применяемой к исследованиям, является так называемая ACE модель. Буквы АСЕ соответствуют трем составляющим:

1. генетический компонент а2 (он же h2), так называемая наследственность;

2. внешний компонент с2, описывающий эффекты окружения и среды существования, влияющий одинаковым образом на всех членов семьи;

3. внешний компонент e2, описывающий индивидуальные для каждого человека эффекты окружения и среды.

В контексте этой модели эффекты окружения и наследственности на когнитивные способности были достаточно хорошо изучены. Анализы некоторых популяций показывают, что разница IQ между людьми одного и того же возраста значительно определяется генетикой в старшем возрасте, тогда как интеллектуальные способности детей отличаются в меньшей мере из-за генетики, а бóльшая роль отводится внешним факторам среды.

Если представить отличия интеллекта между людьми одного возраста в виде стопроцентной шкалы, то в детском возрасте менее 50 % отличий в когнитивных способностях определяется генетикой (фактор а2), в то время как у взрослых эта доля увеличивается до 80 %.

Фактор влияния среды на всех членов семьи имеет у взрослых людей почти что нулевое значение, а остаточная доля отличий определяется индивидуальными влияниями окружающей среды. Эти результаты позволяют предполагать, что в целом у любого индивидуума есть определенный потолок развития когнитивных способностей. Однако здесь необходимо отметить, что гениальность какого-либо человека как феномен вряд ли связана с высоким достигнутым им «потолком». Значительное влияние, как мы увидим далее, в формирование интеллекта вносят внешние факторы с2 и е2 на этапе взросления, и они могут не позволить достичь того самого потолка даже при наличии располагающего к этому генетического фактора.

Интересными с точки зрения поведенческой генетики исследованиями являются анализы наследственности когнитивных способностей в зависимости от индивидуальных и факторов окружения в семье. Под этими факторами часто понимают материальную обеспеченность человека или общества в целом и популяционную принадлежность, однако популяционная принадлежность здесь сильно смещена в сторону богатства или бедности популяции как нации какой-либо страны.

Эффект Скарра-Роу, например, описывает как раз тот факт, что больший материальный достаток в семье или нации в целом влечет к значительному увеличению доли наследственности (эффекта а2) в формировании когнитивных способностей индивидуума, в то время как меньший материальный достаток позволяет негативным факторам окружения снизить влияние генетики и существенно ограничить возможности индивидуума к реализации.

Этническая принадлежность имеет более спорный эффект в отношении наследственности когнитивных способностей. Множество исследований показывают как наличие связи, так и ее отсутствие. В целом генетический эффект незначительно отличается между расами, однако непосредственно разница когнитивных особенностей между представителями различных рас явно выражена и значительна. Зачастую это можно объяснить как раз эффектом Скарра-Роу, однако некоторые исследования показывают обратный эффект, что говорит о недостаточной точности и корректности исследований, либо об отсутствии эффекта Скарра-Роу как такового. В любом случае, возможности саморазвития и доступ к ресурсами, позволяющим улучшить когнитивные способности ребенка, безоговорочно необходимы при взрослении индивидуума.

Жаворонки и совы – это в генах?

У многих организмов, населяющих Землю, наблюдается цикличность биологических процессов. Обычно цикл близок по времени к периоду вращения нашей планеты вокруг своей оси, то есть приблизительно равен 24 часам. Такие циклы ученые называют циркадными, что в переводе с латинского языка означает «около дня». Эта внутренняя циркадная ритмичность позволяет организму предсказывать внешнюю среду, в том числе время восхода и захода солнца, а также предвидеть лучшее время для сна, пробуждения, приема пищи и активности.

Как работает циркадный ритм, связанный с режимом сон – бодрствование?

Циркадными ритмами управляют внутренние часы, расположенные в супрахиазматическом ядре гипоталамуса в головном мозге. Они следят за тем, чтобы процессы в организме происходили в положенное им время. Как и любые часы для сохранения точности их периодически нужно подстраивать. Для настройки часы используют внешние стимулы, главным из которых является свет, поэтому циркадные ритмы привязаны к циклу дня и ночи. В популяции существует некоторый разброс, связанный с тем, как циркадная система согласуется с типичными днем и ночью, что приводит к различным циркадным предпочтениям, называемым хронотипами. Хронотип – это склонность человека спать в определенное время суток. На основе этого упрощенно выделяют три хронотипа: ранний (те самые жаворонки), промежуточный (их иногда называют голубями) и поздний (совы).

Нобелевская премия

И вот мы наконец подошли к вопросам: что это за внутренние часы, как люди узнали об их существовании и как они связаны с генетикой?

На самом деле о существовании внутренних часов, которые предопределяют процессы, происходящие в организме в течение суток, догадывались давно. Уже более двухсот лет назад француз Жан-Жак де Меран, наблюдая за мимозой, заметил, что она меняет положение своих листьев в течение суток и, что удивительно, растение продолжало это делать даже при длительном нахождении в темноте. Это наблюдение в корне противоречило гипотезе о том, что ритмами полностью управляют факторы внешней среды.

Однако до современных представлений Мерану, конечно, было далеко. Ведь в те времена генетики как науки даже не существовало. Кардинально новая эра в понимании внутренних часов началась с того, что ученые выяснили: у плодовых мушек дрозофил есть period, ген, связанный с продолжительностью циркадных ритмов.

Гораздо позже это ген был выделен, а его продукт, названный PER, изучен. Оказалось, что он при непосредственном участии еще нескольких белковых компонентов и является теми самыми клеточными часами, контролирующими циркадные ритмы у дрозофилы. За это открытие в 2017 году трое американских ученых получили Нобелевскую премию по физиологии и медицине.

У людей

У человека процесс немного более сложен. Как мы уже говорили выше, основным регулятором является область головного мозга в гипоталамусе. Как только изменяется ритм освещенности, активность системы PER в этом участке мозга меняется. А далее мозг регулирует циркадные ритмы в остальных участках организма за счет управления выделением гормона мелатонина.

Что будет, если нарушать ритм сон – бодрствование

Думаю, многим знакомы неприятные симптомы после длительного перелета, сопровождающегося сменой часовых поясов. Это так называемый джетлаг – явление, вызванное расхождением внутренних часов человека с природными часами в месте прибытия. Джетлаг может вызвать нарушения сна, аппетита, терморегуляции.

Однако существует и другой джетлаг – социальный. Социальный джетлаг вызван привычкой иметь два разных режима сна. Когда мы сокращаем сон в течение рабочей недели, мы накапливаем дефицит сна, а в выходные решаем «отоспаться». За выходные циркадные ритмы возвращаются к их естественной установке, но дальше неумолимо наступает понедельник и все закручивается по новой. Для многих эта «двойная жизнь» приводит к симптомам, которые очень напоминают симптомы смены часовых поясов.

Существует ли генетическая склонность к полноте?

В современном мире проблема ожирения вышла на первый план – образ жизни многих людей предполагает низкую физическую активность и повышенное потребление высококалорийных продуктов. Однако не все люди, живущие в таких условиях, будут страдать ожирением, и не все люди, страдающие ожирением, будут иметь одинаковое распределение жира в организме или испытывать одинаковые проблемы со здоровьем. Это происходит во многом от того, что в развитии ожирения важна и генетическая компонента.

В редких случаях ожирение бывает наследственным и вызывается специфическим вариантом одного гена (моногенное ожирение) или возникает в результате другого заболевания (синдром Прадера-Вилли, синдром Барде-Бидля). Однако в большинстве случаев ожирение является результатом сложных взаимодействий между генетикой и факторами окружающей среды (многофакторное ожирение).

Моногенное ожирение

Известно несколько генов, связанных с развитием моногенного ожирения. Расскажем о некоторых из них.

LEP

Ген LEP кодирует гормон лептин. Лептин вырабатывается после еды и помогает организму понять, что он уже сыт и больше есть не нужно. Этот гормон – один из регуляторов голода и насыщения. Врожденный дефицит лептина – редкое состояние, которое характеризуется быстрым увеличением веса после рождения, приводящим к тяжелому раннему ожирению, вызванному тем, что человек склонен к сильному перееданию из-за того, что организм после еды не получает сигнал к формированию насыщения.

LEPR

Мутации в LEPR, который кодирует рецептор к лептину, могут вызывать состояние, сходное с дефицитом лептина. Но механизм немного другой: лептин после еды вырабатывается, но клетки к нему не чувствительны и, как следствие, опять не наступает формирование чувства насыщения.

POMC

Дефицит белка РОМС приводит к нарушению выработки α-меланоцитстимулирующего гормона. Из-за роли этого гормона в регуляции аппетита и пигментации классическим проявлением является рыжий цвет волос и тяжелое ожирение.

MC4R

Рецепторы меланокортина (MC4R) в большом количестве содержатся в области мозга, участвующей в регуляции аппетита. Исследования на грызунах показывают, что связывание MC4R с α-меланоцитстимулирующим гормоном подавляет аппетит. Мутации в данном гене этот механизм нарушают, и человек не ощущает сытости, что ведет к перееданию.

Многофакторное ожирение

Определение того, какие гены, варианты или механизмы связаны с многофакторным ожирением, – нетривиальная задача. Наиболее изучен локус FTO, который был выявлен более десяти лет назад и содержит шесть генов. Но даже несмотря на его значимую связь с ожирением, конкретные механизмы, с помощью которых FTO влияет на массу тела, полностью не установлены. Исследования на мышах показали, что FTO играет большую роль в усвоении клеткой питательных веществ. Если пытаться объяснить проще, то FTO можно сравнить с переключателем в головном мозге с голода на насыщение, и если он работает плохо, то страдает формирование насыщения, что ведет к перееданию и набору веса. Помимо гена FTO, было выявлено и несколько других локусов, связанных с ожирением. Например, были обнаружены варианты около гена TMEM18. Дефицит белка, кодируемого этим геном, у мышей приводит к увеличению массы тела из-за повышенного потребления пищи.

Также были обнаружены локусы около генов CADM1, NEGR1 и в гене CADM2.

Эти локусы и их взаимодействие активно изучаются, однако пока нельзя сказать, что мы знаем достаточно о вкладе генетики в многофакторное ожирение.

Можно ли бороться, если есть генетическая склонность?

Когда заболевание вызвано одной мутацией и вклад окружающей среды ограничен, как в случае моногенного ожирения, генетический тест может помочь в правильной диагностике причины ожирения у пациентов. Вариантом лечения ожирения с учетом генотипа является введение рекомбинантного человеческого лептина пациентам с его дефицитом из-за мутаций в гене LEP. Хотя врожденный дефицит лептина встречается исключительно редко, заместительная лептиновая терапия оказалась чрезвычайно полезной для этих пациентов за счет значительного снижения потребления пищи, массы тела и жировой массы и нормализации эндокринной функции.

Вторым средством лечения ожирения, основанным на генотипе, является сетмеланотид – селективный агонист MC4R, который недавно был одобрен FDA для лечения редких состояний моногенного ожирения, включая дефицит LEPR, PCSK1 и POMC.

Что касается многофакторного ожирения, то здесь на первый план выходит изменение образа жизни. Генетические тесты здесь не дадут волшебного рецепта похудения. Однако много компаний все еще дают такие манящие, но пустые обещания.

Если человек придерживается сбалансированного питания, не имеет проблем пищевого поведения и получает достаточную физическую нагрузку, вероятнее всего, что он никогда не столкнется с проблемой ожирения, даже имея генетическую склонность. В частности, по результатам исследований повышенная физическая активность и здоровое питание могут ослабить эффект FTO на 30–40 %.

Как генетика решает, что мы можем есть, а что нет?

Аллергия и непереносимость – в чем разница?

Аллергия

Аллергия возникает, когда иммунная система реагирует на чужеродное вещество-аллерген, которое не вызывает реакции у большинства людей.

К наиболее распространенным аллергенам относятся:

• пыльца трав и деревьев;

• пылевые клещи;

• эпителии животных – крошечные чешуйки кожи или волос;

• укусы насекомых;

• лекарства;

• латекс;

• бытовая химия;

• пища.

Как видите, организм готов подбросить нам сюрпризы в любой области, однако в этой главе мы затронем только последний пункт из списка и поговорим о еде.

Дело в том, что для борьбы с чужеродными веществами или организмами иммунная система вырабатывает вещества, известные как антитела. Когда у вас аллергия, иммунная система вырабатывает антитела, которые идентифицируют безвредное для многих вещество как опасное и тут же бросаются в атаку. Если говорить о пищевой аллергии, то итогом могут стать покалывания во рту, сыпь, отеки губ, языка, лица, горла, а также самый страшный симптом – анафилактический шок.

На несколько видов пищевых продуктов приходится до 90 % аллергий. К таким продуктам относятся яйца, рыба и морепродукты, молоко, арахис и орехи, соя, пшеница.

Аллергическая реакция обычно возникает не с первого раза. Сначала организм знакомится с аллергеном, после чего уже начинает готовиться к «боевым действиям», чтобы в следующий раз встретить врага во всеоружии. Когда организм «подготовится», симптомы после приема продукта-аллергена будут проявляться очень быстро, при этом количество съеденного аллергена может быть очень маленьким.

Пищевая непереносимость

Пищевая непереносимость возникает, когда есть проблемы с перевариванием определенных продуктов. Непереносимость лактозы, например, является следствием дефицита фермента лактазы, который расщепляет лактозу (молочный сахар).

К наиболее частым симптомам непереносимости можно отнести боль и вздутие живота, метеоризм, диарею, сыпь и зуд. Некоторые симптомы могут встречаться и при аллергической реакции, что часто дает повод путать аллергию и непереносимость. Однако есть существенные отличия:

• симптомы непереносимости проявляются постепенно, часто через несколько часов после употребления пищи;

• симптомы обычно возникают в результате употребления значительного количества продукта;

• при непереносимости не задействуется иммунная система, и эта непереносимость не опасна для жизни.

Глютен

Прочитав раздел про непереносимость пищевых продуктов, многие могли бы возразить: «А как же глютен? Ведь целиакия опасна». Да, целиакия действительно опасна. Однако и называть ее непереносимостью глютена неверно, так как при ее развитии задействуются иммунные механизмы. Непереносимость глютена может существовать отдельно от целиакии, в этом случае возникают симптомы, характерные для пищевых непереносимостей, а ЖКТ не повреждается. Также неверно называть целиакию аллергией на пшеницу.

Целиакия

Целиакия – это аутоиммунное заболевание, при котором организм, реагируя на поступающий в организм глютен (белок, содержащийся в пшенице и некоторых других злаках), атакует собственный тонкий кишечник, повреждая его поверхность. Так как в тонком кишечнике всасываются питательные вещества, его повреждение приводит к различным последствиям, связанным с дефицитом питательных веществ в целом и витаминов в частности. «Кишечные» симптомы, такие как вздутие, метеоризм, диарея и запоры, – тоже присутствуют.

Генетика

А теперь давайте посмотрим, как генетические механизмы влияют на описанные выше состояния. Рассмотрим аллергию на арахис, непереносимость лактозы и целиакию.

Аллергии

Ученые активно изучают вклад генетики в развитие аллергических реакций. Несмотря на то, что нет какого-то конкретного «гена аллергии», влияние генетики на данные

состояния считается значительным. Так, благодаря полногеномному поиску ассоциаций были найдены связи некоторых генетических вариантов с аллергией на яйца, молоко и некоторыми другими. К примеру, варианты в генах IL4 и HLA-DQB1 связаны с предрасположенностью к аллергии на арахис. HLA-DQB1 отвечает за функционирование белка, вовлеченного в развитие иммунных реакций. При его участии лимфоциты распознают чужеродные фрагменты. Ген IL4 кодирует белок, способствующий активации клеток иммунной системы и усиливающий выработку иммуноглобулинов класса E (вид антител).

Непереносимость лактозы

Непереносимость лактозы является интересной современной проблемой хотя бы потому, что изначально организм и не собирался ее переносить, так как человеку в древности нужно было усваивать только один вид молока – грудное. Поэтому лактоза хорошо вырабатывалась в младенчестве, а с возрастом ее количество снижалось, приводя к непереносимости, о которой многие люди и не могли узнать.

Позже человек одомашнил молочных животных – коров, овец, коз. С этим исследователи связывают возникновение переносимости лактозы. То есть было бы вернее думать, что переносимость лактозы – это что-то вроде суперспособности, в то время как непереносимость – обычное состояние человека. Однако распространенность молока и молочных продуктов делает непереносимость проблемой, с которой сталкивается около 65 % населения. Непереносимость лактозы во взрослом возрасте вызывается постепенным снижением активности гена LCT, кодирующего лактозу. Ген LCT контролируется последовательностью, расположенной в гене MCM6. Некоторые люди унаследовали изменения в этой последовательности, которые приводят к устойчивой выработке лактозы в тонкой кишке и способности переваривать лактозу на протяжении всей жизни.

Недостаточность лактозы также может быть вторичной – вызванной проблемами с тонкой кишкой, и врожденной – это генетическое заболевание, при котором лактоза не усваивается даже в младенческом возрасте.

Целиакия

Риск развития целиакии наиболее сильно связан с вариантами генов HLA-DQA1 и HLA-DQB1. Эти гены кодируют белок, который в составе рецептора помогает распознавать чужеродные белки (при обнаружении иммунной системой чужеродных белков, она их атакует). Изменения в генах способны приводить к изменению формы рецептора, и тогда совместимость глютена с этим белком повышается, что может спровоцировать неадекватный иммунный ответ. Эта неправильная активация иммунной системы вызывает воспаление, которое повреждает ткань кишечника и приводит к симптомам целиакии.

Почти все люди с целиакией имеют определенные варианты генов HLA-DQA1 и HLA-DQB1, однако далеко не у всех людей с подобными вариантами генов развивается целиакия. Это означает, что на предрасположенность к развитию целиакии могут влиять и другие факторы.