Мутация гена что. Типы мутаций. Виды генных мутаций

Мутации на генном уровне являются молекулярными, не видимыми в световом микроскопе структурными изменениями ДНК. К ним относят любые трансформации дезоксирибонуклеиновой кислоты, вне зависимости от их влияния на жизнеспособность и локализации. Некоторые виды генных мутаций не оказывают никакого воздействия на функции и структуру соответствующего полипептида (белка). Однако большая часть таких трансформаций провоцирует синтез дефектного соединения, утратившего способность выполнять свои задачи. Далее рассмотрим генные и хромосомные мутации более подробно.

Характеристика трансформаций

Наиболее распространенными патологиями, которые провоцируют генные мутации человека, являются нейрофиброматоз, адрено-генитальный синдром, муковисцидоз, фенилкетонурия. В этот список можно также включить гемохроматоз, миопатии Дюшенна-Беккера и прочие. Это далеко не все примеры генных мутаций. Их клиническими признаками выступают обычно нарушения метаболизма (обменного процесса). Генные мутации могут состоять в:

• Замене в кодоне основания. Такое явление именуют миссенс-мутацией. При этом в кодирующей части происходит замена нуклеотида, что, в свою очередь, приводит к смене аминокислоты в белке.
• Изменении кодона таким образом, что приостанавливается считывание информации. Этот процесс называют нонсенсмутацией. При замене нуклеотида в данном случае происходит формирование стоп-кодона и прекращение трансляции.
• Нарушении считывания, сдвиге рамки. Этот процесс именуют "фреймшифтом". При молекулярном изменении ДНК трансформируются триплеты в ходе трансляции полипептидной цепочки.

Классификация

В соответствии с типом молекулярной трансформации существуют следующие генные мутации:

• Дупликация. В этом случае происходит повторное дублирование либо удвоение фрагмента ДНК от 1 нуклеотида до генов.
• Делеция. В этом случае имеет место утрата фрагмента ДНК от нуклеотида до гена.
• Инверсия. В этом случае отмечается поворот на 180 град. участка ДНК. Его размер может быть как в два нуклеотида, так и в целый фрагмент, состоящий из нескольких генов.
• Инсерция. В этом случае происходит вставка участков ДНК от нуклеотида до гена.

Молекулярные трансформации, захватывающие от 1 до нескольких звеньев, рассматриваются как точечные изменения.

Отличительные черты

Генные мутации имеют ряд особенностей. В первую очередь следует отметить их способность переходить по наследству. Кроме того, мутации могут спровоцировать трансформацию генетических сведений. Некоторые из изменений могут быть отнесены к так называемым нейтральным. Такие генные мутации не провоцируют каких-либо нарушений в фенотипе. Так, благодаря врожденности кода одна и та же аминокислота может кодироваться двумя триплетами, имеющими отличия только по 1 основанию. Вместе с тем определенный ген может мутировать (трансформироваться) в несколько разных состояний. Именно такого рода изменения провоцируют большую часть наследственных патологий. Если приводить примеры генных мутаций, то можно обратиться к группам крови. Так, у элемента, контролирующего их системы АВ0, присутствует три аллеля: В, А и 0. Их сочетание определяют группы крови. Относящаяся к системе АВ0 считается классическим проявлением трансформации нормальных признаков у людей.

Геномные трансформации

Эти трансформации имеют свою классификацию. В категорию геномных мутаций относят изменения в плоидности не измененных структурно хромосом и анеуплоидии. Такие трансформации определяются специальными методами. Анеуплоидия представляет собой изменение (увеличение - трисомию, уменьшение - моносомию) количества хромосом диплоидного набора, некратное гаплоидному. При кратном увеличении числа говорят о полиплоидии. Они и большая часть анеуплоидий у людей считаются летальными изменениями. Среди наиболее распространенных геномных мутаций выделяют:

• Моносомию. В этом случае присутствует только одна из 2 гомологичных хромосом. На фоне такой трансформации здоровое эмбриональное развитие невозможно по любой из аутосом. В качестве единственной совместимой с жизнью выступает моносомия по хромосоме Х. Она провоцирует синдром Шерешевского-Тернера.
• Трисомия. В данном случае в кариотипе выявляется три гомологичных элемента. Примеры таких генных мутаций: синдромы Дауна, Эдвардса, Патау.

Провоцирующий фактор

Причиной, по которой развивается анеуплоидия, считается нерасхождение хромосом в процессе клеточного деления на фоне формирования половых клеток либо утрата элементов вследствие анафазного отставания, в то время как при движении к полюсу гомологичное звено может отстать от негомологичного. Понятие "нерасхождение" указывает на отсутствие разделения хроматид либо хромосом в митозе либо мейозе. Это нарушение может привести к мозаицизму. В этом случае одна клеточная линия будет нормальной, а другая - моносомной.

Нерасхождение при мейозе

Такое явление считается наиболее частым. Те хромосомы, которые должны в норме делиться при мейозе, остаются соединенными. В анафазе они отходят к одному клеточному полюсу. В результате формируется 2 гаметы. В одной из них присутствует добавочная хромосома, а в другой не достает элемента. В процессе оплодотворения нормальной клетки с лишним звеном развивается трисомия, гаметы с недостающим компонентом - моносомия. При формировании моносомной зиготы по какому-нибудь аутосомному элементу развитие прекращается на начальных этапах.

Хромосомные мутации

Эти трансформации представляют собой структурные изменения элементов. Как правило, они визуализируются в световой микроскоп. В хромосомные мутации обычно вовлекается от десятков до сотен генов. Это провоцирует изменения в нормальном диплоидном наборе. Как правило, такие аберрации не вызывают трансформации последовательности в ДНК. Однако при изменении количества генных копий развивается генетический дисбаланс из-за недостатка либо переизбытка материала. Существует две большие категории данных трансформаций. В частности, выделяют внутри- и межхромосомные мутации.

Влияние среды

Люди эволюционировали в качестве групп изолированных популяций. Они достаточно долго проживали в одинаковых условиях среды. Речь, в частности, идет о характере питания, климатогеографических характеристиках, культурных традициях, возбудителях патологий и прочем. Все это привело к закреплению специфических для каждой популяции сочетаний аллелей, являвшихся наиболее соответствующими для условий проживания. Однако вследствие интенсивного расширения ареала, миграций, переселения стали возникать ситуации, когда бывшие в одной среде полезные сочетания определенных генов в другой перестали обеспечивать нормальное функционирование ряда систем организма. В связи с этим часть наследственной изменчивости обуславливается неблагоприятным комплексом непатологических элементов. Таким образом, в качестве причины генных мутаций в данном случае выступают изменения внешней среды, условий проживания. Это, в свою очередь, стало основой для развития ряда наследственных заболеваний.

Естественный отбор

С течением времени эволюция протекала в более специфичных видах. Это также способствовало расширению наследственного разнообразия. Так, сохранялись те признаки, которые могли исчезать у животных, и наоборот, отметалось то, что оставалось у зверей. В ходе естественного отбора люди приобретали также и нежелательные признаки, которые имели прямое отношение к болезням. К примеру, у человека в процессе развития появились гены, способные определять чувствительность к полиомиелиту либо дифтерийному токсину. Став Homo sapiens, биологический вид людей в некотором роде "заплатил за свою разумность" накоплением и патологических трансформаций. Данное положение считается основой одной из базовых концепций учения о генных мутациях.

Различают генные мутации , затрагивающие лишь один или несколько нуклеотидов в пределах одного гена, и хромосомные мутации , приводящие к изменению числа хромосом в клетке либо числа или последовательности генов в хромосоме. Рассмотрим сначала генные мутации.

Генные, или точечные мутации возникают, когда последовательность оснований в ДНК гена несколько изменяется и потомству передается новая, искаженная нуклеотидная последовательность. Существуют два основных класса генных мутаций: 1)замены пар оснований , когда одна или несколько нуклеотидных пар в ДНК заменяются другими; 2) мутации со сдвигом рамки считывания , обусловленные вставкой (инсерция) или делецией одного или нескольких нуклеотидов.

Мутации, затрагивающие лишь одну пару оснований и приводящие к ее замене на другую, удвоению или делеции (отсутствию одного нуклеотида ДНК) называют точковыми мутациями.

Замены оснований возникают следующими путями:

1. Замена одного пурина на другой или одного пиримидина на другой – транзиции. Возможны 4 типа транзиций: A↔G, T↔C.

2. Замена пурина на пиримидин и наоборот. Такие замены называют трасверсиями. Он могут быть восьми типов: A↔T, G↔C, A↔C , G↔T.

Тип замены оснований зависит от особенностей мутагенного воздействия и от того, какая последовательность нуклеотидов окружает изменяющееся основание.

В научной литературе спонтанные мутации рассматриваются как побочные продукты нормальных процессов клеточной физиологии. В этой связи необходимо вспомнить концепцию Р. фон Борстела: “мутации возникают в результате ошибок трех «Р»: репликации, репарации, рекомбинации”.

Мутации замены оснований приводит к появлению двух типов мутантных кодонов в мРНК – с измененным смыслом (миссенс) и бессмысленного (нонсенс).

Замены пар оснований в нуклеотидной последовательности структурного гена часто приводят к изменению последовательности аминокислот в белке, кодируемом этим геном. Так возникает миссенс-мутации. Однако это происходит не всегда в силу избыточности генетического кода. По таблице генетического кода (табл. № стр. 25 ) можно определить, что триплет AUA в мРНК кодирует аминокислоту изолейцин. Замена одного основания в первом, втором или третьем положениях кодона может дать девять новых кодонов, два из которых по-прежнему определяют изолейцин, тогда как семь остальных кодируют в совокупности шесть новых аминокислот (рис.).

Рисунок. Точечные мутации.

Из таблицы генетического кода видно, что замены оснований во втором положении триплета всегда приводят к изменению кодируемой аминокислоты (или к образованию сигнала терминации), замены первого нуклеотида триплета почти всегда дают тот же эффект (исключения составляют лишь замены UUA или UUG на GUA или GUG и наоборот, поскольку все эти триплеты кодируют литцин, а также замены AGA и AGG на CGA или CGG и наоборот, так как все эти триплеты кодируют аргинин). Однако замена третьего нуклеотида триплета часто не вызывает изменения его смысла, поскольку большая часть избыточности генетического кода относится именно к третьему основанию триплета. Триплеты, кодирующие одну и ту же аминокислоту, называется синонимами.

Следовательно, так как код вырожденный, не всякая мутация в кодоне приводит к замене аминокислоты (нейтральная мутация). Не всякая замена аминокислоты отразится на функциональной активности белка. Поэтому в обоих случаях ситуация останется не выявленной. Это объясняет, почему частоты мутаций в данном гене и встречаемость мутантов по нему могут не совпадать. Хотя в ряде случаев миссенс-мутация может иметь серьезные последствия для организма (например, появление гемоглобина S при серповидноклеточной анемии у человека). Гемоглобин S – вариант нормального гемоглобина А, состоящий из двух идентичных a-цепей и двух идентичных b-цепей. Лица, гомозиготные по мутантному аллелю, кодирующему синтез аномальной b-цепи, страдают тяжелой формой гемолитической анемии. В условиях недостатка кислорода гемоглобин S образует кристаллоподобные сцепления, нарушающие морфологию эритроцитов. Они удлиняются, принимая серповидную форму, аномальные клетки могут закупорить мелкие сосуды и прекратить доступ кислорода к тканям. Сравнение аминокислотных последовательностей b-цепей гемоглобинов А и S показало, что различие между ними определяется заменой только одной аминокислоты.

По характеру влияния на активность ферментов различают несколько типов миссенс-мутаций: растекающиеся (ликовые), снижающие уровень синтеза или образования менее активных ферментов; с нормальной активностью в одних условиях и слабоактивные в других (условно летальные мутации) и др.

К типу «нонсенс» относятся мутации, приводящие к замене пар оснований, при которой кодон, определяющий аминокислоту, превращается в один из нонсенс кодонов, не транслирующихся на рибосомах. Появление такого кодона не в конце структурного гена, а внутри него, приводит к преждевременной терминации трансляции, т.е. к обрыву полипептидной цепи и сопровождается полным выключением функции фермента.

Такие замены переводят триплет, кодирующий ту или иную аминокислоту, в триплет-терминатор, и наоборот (например, мутация, вызывающая в мРНК изменение триплета UAU, кодирующего тирозин, - в триплет UAA, который служит терминирующим сигналом). Замены такого типа приводят к образованию белковых молекул с более короткими полипептидными цепями, поскольку после терминирующего сигнала считывание (трансляция) нуклеотидной последовательности прекращается.

Мутации со сдвигом рамки считывания (фреймшифт) обусловлены вставками или выпадениями одного или нескольких нуклеотидов, и часто сильно изменяют последовательность аминокислот в транслируемом белке.

Рисунок. Мутации со сдвигом рамки считывания вследствие утраты нуклеотида (А -) и включения (вставки) нуклеотида (G +).

Вставка или делеция одного или нескольких оснований (их число не должно быть кратно трем) сдвигает «рамку считывания» нуклеотидной последовательности, начиная от точки, где произошла вставка или делеция, и до конца молекулы (рис.).

Если в каком-то месте нуклеотидной последовательности возникла вставка одной нуклеотидной пары, а в другом месте – делеция одной пары, то исходная рамка считывания, а значит, и правильная последовательность аминокислот восстанавливается после этой второй мутации.

Мутация может касаться как структурных, так и регуляторных генов. Структурные изменения ДНК заключаются в разрыве одной или нескольких цепей, образовании диметров, появлении поперечных сшивок.

Различают спонтанную и индуцированную мутацию. Генные мутации могут возникать спонтанно вследствие молекулярных процессов, как связанных, так и не связанных с репликацией ДНК. Индуцированная мутация возникает под влиянием факторов внешней среды.

Мутагенные факторы (мутагены) – различной природы факторы, естественное наличие или искусственное применение которых вызывает появление мутаций.

Естественный мутагенез основан на действии автомутагенов (мутагенных факторов, возникающих в организме в процессе обмена веществ и способных вызывать генные и хромосомные мутации), генов-мутаторов и ряда природных факторов, включая экстремальные внешние условия. Однако частота спонтанного мутирования низка.

Мутагены, способные вызывать индуцированные мутации, делятся на физические, химические и биологические. Физические мутагены включают различные излучения, температуру, ультразвук и механические воздействия. Среди них лидирующее положение занимают ионизирующее и ультрафиолетовые излучения. К ионизирующему излучению относятся электромагнитные (рентгеновские, гамма-лучи) и корпускулярные радиоактивные излучения (электроны или b-частицы; протоны или a-частицы, нейтроны).

Действие ионизирующего излучения основано на образовании ионов в облученной ткани (первичное действие) и тепловом возбуждении молекул этой ткани (вторичное действие), вследствие чего пораженные молекулы претерпевают химические изменения, влекущие за собой генетические последствия. Ультрафиолетовые лучи производят только возбуждение молекул; проникающая способность их невелика и они являются причинами мутации лишь в соматических клетках. Если мутация произошла в соматической клетке, то последствия связаны лишь с судьбой данного организма. С его гибелью исчезают следы произошедшей мутации. Ионизирующие излучения способны вызывать мутации в половых клетках (гаметах). Если мутация произошла в гамете и яйцеклетка оплодотворилась, то последствия мутации сказываются на судьбе потомства. Таким образом, облучение способно изменить наследственность гамет и вызвать мутации в такой минимальной дозе радиации, которая не вызывает гибель или лучевое поражение организма. Потомство облученного при этом находится под угрозой развития наследственной болезни.

Установлено, что ионизирующие излучения индуцируют мутации рандомизированно как по отдельным хромосомам, так и по их длине. Инфракрасное излучение само по себе не способно вызывать повреждение генетического аппарата клеток, но в сочетании с ионизирующим усиливает мутагенный эффект.

Химические мутагены чаще повреждают гетерохроматиновые участки хромосом и в зависимости от принципа действия разграничиваются на пять групп: 1) цитостатические препараты, особенно ингибиторы азотистых оснований нуклеиновых кислот (теобромин, теофиллин и др.); 2) аналоги азотистых (пуриновых, пиримидиновых) оснований, включающиеся вместо них в нуклеиновые кислоты; 3) алкилирующие соединения (азотистый иприт, фенол, формальдегид); 4) окислители, восстановители и свободные радикалы; 5) акридиновые красители.

Наибольшей мутабильностью обладают алкилирующие соединения: этиленилены, диэтилсульфат, 1,4 бисдиазоацетилбутан, этилметансульфонат, N-нитрозоалкилмочевина и ряд других.

К биологическим мутагенам относятся вирусы, поражающие как соматические, так и половые клетки (вирусы краснухи, цитомегалин, гепатита В). Например, у женщин, перенесших краснуху или вирусный гепатит, наблюдаются спонтанные аборты, причем в клетках плода отличаются многочисленные хромосомные аберрации. У потомства таких женщин чаще встречаются хромосомные болезни.

Чувствительность клеток к мутагенам неодинакова в разных фазах клеточного цикла. Ионизирующие излучения наиболее эффективны при действии на стадии G 2 –фазы, а большинство химических мутагенов - G 1 -S-фазы.

Мутагенное воздействие, достигнув мишени, вызывает первичное повреждение: одно- и двунитевые разрывы ДНК; перекрестные сшивки ДНК – ДНК и ДНК – белок, алкилирование оснований и сахарофосфатного остова молекулы ДНК, образование пиримидиновых димеров.

Генные мутации оказывают на организм самое различное воздействие: от едва заметного и пренебрежимо малого до летального. Замены пар оснований, не приводящие к изменению аминокислотной последовательности кодируемого белка, если и влияют, то лишь незначительно на способность организма нормально функционировать и размножаться. Мутации, при которых изменяются одна или даже несколько аминокислот, также могут либо совсем не оказывать на организм никакого видимого вредного влияния, либо воздействовать на него лишь в слабой степени, если эти замены не затрагивают основных биологических функций кодируемого белка. Однако последствия замены одной – единственной аминокислоты могут быть очень существенными, если эта аминокислота входит в состав активного центра фермента или каким-либо иным образом влияет на биологически важные функции кодируемого белка (рис.).

Рисунок. Первые семь аминокислот в b - цепи гемоглобина человека. b - цепь состоит из 146 аминокислот. Замена глутаминовой кислоты валином в шестом положении ответственна за тяжелое наследственное заболевание – серповидноклеточную анемию.

Вред, причиняемый организму мутациями, часто зависит от конкретных внешних условий. Например, у людей при гомозиготности по одной из рецессивных мутаций возникает тяжелая болезнь фенилкетонурия (ФКУ) однако лица, гомозиготные по этой мутации, могут, тем не менее, нормально существовать на диете, при которой исключен фенилаланин, поскольку все проявления этой болезни связаны с неспособностью организма усваивать данную аминокислоту.

Антимутагенез. Репарация ДНК.

Не все первичные повреждения реализуются в мутации, этот процесс многоступенчатый и главное событие в нем – репарация ДНК.

Следствием ошибок репарации или ее отсутствия является «закрепление» мутации. Нужно помнить, что подавляющее большинство мутаций не имеет последствий для организма по той причине, что только 5 % всех генов функционируют в организме на данном этапе онтогенеза, остальные находятся в репрессивном состоянии и не транскрибируются.

Различают три основные возможности формирования предмутационных повреждений ДНК и возникновения мутаций:

1. мутаген может включиться в ДНК вместо нормального основания (например, 2-аминопурин, являющийся аналогом аденина, встраиваясь в ДНК, спаривается с тимином или цитозином, что приводит к возникновению транзиций типа AG ® GC и GC ® AT).

2. мутаген может сам не встраиваться в ДНК, но так модифицировать основания, что в ходе последующей репликации произойдет их ошибочное спаривание.

3. мутаген может, повредит одно или несколько оснований, затрудняя или делая невозможным их спаривание с обычным основанием.

Репарация – самовосстановление первичной структуры ДНК, следующее после нарушения ее физическими и химическими мутагенами.

Все известные в настоящее время способы репарации ДНК обеспечиваются постоянно действующими или индуцируемыми ферментами, удаляющими повреждения, возникшие в одной из цепей ДНК. Некоторые способы могут не вполне точно восстанавливать исходную последовательность оснований в ДНК, вследствие чего возникают мутации.

Возможность репарации ДНК была обнаружена в 1949 году, когда три автора – А. Кёльнер, Р. Дюльбенко и И. Ф. Ковалев – независимо друг от друга установили, что освещение видимым светом (с длиной волны свыше 400 нм) актиномицетов, бактериофага и парамеций восстанавливает их жизнеспособность после УФ – облучения в летальных дозах. Это явление названо фотореактивацией. Оно происходит вследствие активации фотореактивирующего фермента, расщепляющего димеры пиримидинов и восстанавливающего первичную структуру ДНК.

Основные механизмы репарации ДНК и ферменты, обеспечивающие этот процесс, были раскрыты к концу 70-х годов.

Для клеток млекопитающих и человека выявлено много типов репарации, которые осуществляются на разных стадиях клеточного цикла. Они отличаются, друг от друга не только по времени протекания, но и эффективностью. Если невозможна прямая реактивация, то работают механизмы эксцизионной репарации. Эксцизионная (темновая) репарация, протекающая в пресинтетической стадии (G 1) клеточного цикла, обладает высокой эффективностью. Она осуществляется путем «вырезания» эндонуклеазами поврежденных участков ДНК (димеров пиримидинов) и и последующего восстановления образующейся бреши с помощью ферментов ДНК - полимериз I и II - новыми нуклеотидами комплементарно к непораженной нити этой же молекулы ДНК. Практически все повреждения молекулы ДНК при этом могут полностью репарироваться без образования мутаций.

Если молекула ДНК с димерами реплицируется, против каждого из ее димеров образуется брешь. Последующий обмен между сестринскими полинуклеотидными цепями может восстанавливать первичную структуру молекулы ДНК. Такой тип репарации ДНК называется рекомбинационной (пострепликационной) репарацией.

Эта репарация осуществляется в тех случаях, когда повреждения в цепях ДНК по тем или иным причинам не были устранены до начала репликации. Последствия таких повреждений могут быть сведены к минимуму благодаря этому типу репарации. Иногда при нарушении пострепликативной репарации в противоположность эксцизионной возникают ошибки и как следствие образуются мутации. Например, один из типов пигментной ксеродермы у людей (XP VAR) связан с блоком пострепликативной репарации. Высокую частоту хромосомных аберраций, наблюдающихся в случае рецессивной болезни у человека – синдрома Блума , также объясняют нарушением рекомбинационной репарации.

Мутация может касаться генов контролирующих ферменты репарации ДНК. В таких случаях повышается чувствительность организма к лучевым и другим мутагенным воздействиям. Злокачественный рост, преждевременное старение, коллагенозы имеют в патогенезе именно такие механизмы.

Известны мутантные формы эукариот с ослабленным неплановым синтезом ДНК и поэтому с повышенной чувствительностью к УФ излучению и другим мутагенным факторам. Некоторые люди, гомозиготные по мутантному гену пигментной ксеродермы (xeroderma pigmentosum) , проявляют повышенную чувствительность к солнечному свету, склонны к аномальной пигментации кожи и к заболеванию кожным раком. Известно несколько разных генетических форм этой болезни, и, по крайней мере, некоторые из них объясняются неспособностью клеток к вырезанию тимидиновых димеров. Например, пигментная ксеродерма I (XPI) сопровождается чувствительностью клеток больных людей к действию УФ излучения в связи с их дефектностью по УФ – эндонуклеазе – ферменту, который первым распознает тимидиновые димеры и некоторые другие повреждения.

Репарация всегда осуществляется в первом после воздействия цикле. Наряду с антимутационным механизмом репарации обнаружены вещества, предупреждающие или снижающие действие мутагенов, а также уровень естественного мутирования. Такие вещества называются антимутагенами . Постоянно присутствующие в организме естественные антимутагены входят в единую буферную систему, удерживающую частоту спонтанного мутирования на естественном для вида уровне. Обнаружено, что антимутагенный эффект имеют: фермент каталаза, хлорофилл, пироксидаза капусты, витамины А и С (при одновременном употреблении обеспечивают устойчивость организма к действию γ-облучения), витамин Е, интерферон.

Вещества, снижающие генетическое и физиологическое действие радиации, называют радиопротекторами. Например, ультрафиолетовое облучение сразу после облучения лучами Рентгена снижает радиогенетическое действие последних. Действие ряда химических радиопротекторов (цистеамина, стрептомицина и др.) объясняется миграцией на их молекулы части энергии, поглощенной хромосомами во время облучения, вследствие чего частота мутаций понижается. Действие гипосульфита и некоторых других веществ основано на химическом связывании кислорода клетки и создании, таким образом, условий гипоксии, ведущих к снижению радиогенетического эффекта. Такое явление называется кислородным эффектом.

Кислородный эффект – изменение частоты индуцируемых радиацией (за исключением α-лучей и нейтронов) мутаций с изменением концентрации кислорода в среде. Он универсален, наблюдается при облучении растений, бактерий, животных. При полном отсутствии кислорода (аноксия) в среде радиоустойчивость клеток повышается в 2 – 3 раза. Сенсибилизирующий эффект кислорода возрастает до концентрации его в 21 %, характерной для атмосферы. Последующее повышение концентрации кислорода уже не увеличивает радиогенетического эффекта облучения.

Амелина Светлана Сергеевна - профессор кафедры по курсу генетики и лабораторной генетики, доктор медицинских наук. Врач генетик высшей квалификационной категории

Дегтерева Елена Валентиновна - ассистент кафедры по курсу генетики и лабораторной генетики, врач-генетик первой категории

Редактор страницы: Кутенко Владимир Сергеевич

ГЕННЫЕ МУТАЦИИ И НАСЛЕДСТВЕННЫЕ БОЛЕЗНИ

Недавно опубликованный каталог наследственных аномалий включает более тысячи различных клинических синдромов, каждый из которых может быть объяснен действием одного изме­ненного гена. Эти аномалии широко варьируют по своим про­явлениям и степени тяжести. Некоторые из них выявляются у новорожденных или в раннем детстве; другие проявляются только у взрослых - в среднем и пожилом возрасте. Некоторые неуклонно прогрессируют и ведут к летальному исходу; при дру­гих отмечаются лишь незначительные нарушения. Фактически наследственные заболевания могут поражать в большей или мень­шей степени любой орган или ткань. Таким образом, все это множество разнообразных расстройств затрагивает по существу все отрасли медицины. Судя по темпам, с которыми пополняется список наследственных аномалий в медицинской литературе, ве­роятно, нам вскоре предстоит познакомиться со многими со­вершенно новыми заболеваниями этой группы.

Обычно такие заболевания классифицируют в зависимости от того, наследуются ли они по доминантному или рецессивному типу, а также в зависимости от локализации данного аномаль­ного гена в той или иной из 22 аутосом или же в половых хромосо­мах (X и Y); в последнем случае говорят о сцепленных с полом аномалиях. Среди наследственных заболеваний, известных в на­стоящее время, более половины могут быть отнесены к аутосомным доминантным и около 40% - к аутосомным рецессивным. Остальные (около 8%)-это главным образом рецессивные за­болевания, сцепленные с Х-хромосомой. До настоящего времени не установлено ни одного случая патологического состояния, которое можно было бы приписать аномальному гену, локализованному в У-хромосоме.

Важная особенность так называемых аутосомных доминант­ных заболеваний - то, что практически все больные с явными клиническими симптомами гетерозиготны. В геноме таких гете­розигот присутствует одна доза аномального гена, который они получили от одного из родителей, и одна доза его нормального аллеля, полученного от другого родителя. Вследствие того, что большинство аномальных генов, вызывающих такие доминантные заболевания, встречается редко, гомозиготы, как правило, не обнаруживаются. Следует, однако, ожидать, что в гомозиготном состоянии патологические проявления должны быть выражены значительно более резко, чем у пораженных гетерозигот, и весьма вероятен летальный исход в раннем детстве.

В случаях аутосомных рецессивных заболеваний индивидуумы с клиническими проявлениями часто гомозиготны и несут две до­зы измененного гена, полученные по одной от каждого из родите­лей. Гетерозиготы, несущие одну дозу аномального гена и одну - нормального аллеля, в обычных условиях, по-видимому, вполне здоровы. Однако бывают случаи, когда в определенном генетиче­ском локусе возможны два или более различных аномальных гена, дающих неодинаковые рецессивные нарушения в гомо­зиготном состоянии. У гетерозигот по двум таким аллелям обычно возникают нарушения, сходные с теми, которые характерны для. двух соответствующих гомозиготных состояний, и если последние отличаются друг от друга по симптоматике или тяжести заболе­вания, то у такой «двойной» гетерозиготы обычно отмечаются промежуточные проявления. Хорошо известный пример такого ро­да - серповидноклеточность в сочетании с гемоглобином С.

При так называемых Х-сцепленных рецессивных заболеваниях патологическое состояние проявляется клинически главным образом у мужчин, хотя у них имеется только одна Х-хромосома У женщин, имеющих две Х-хромосомы, заболевание проявится лишь в том случае, если аномальный ген присутствует в обеих Х-хромосомах. Если, как это часто бывает, измененный ген, вы­зывающий такое заболевание, встречается редко, то у женщин оно может вообще никогда не проявляться.

1. МОЛЕКУЛЯРНАЯ ПАТОЛОГИЯ НАСЛЕДСТВЕННЫХ БОЛЕЗНЕЙ

Если общая теория, согласно которой гены проявляют свое действие, направляя синтез белков, в основных своих положениях верна, то для каждого из рассматриваемых заболеваний в принци­пе возможно проследить связь характерного сочетания клинических симптомов с определенным дефектом фермента или другого белка, вызываемым единичной генной мутацией. Полное описание патогенеза болезни должно было бы начинаться с изменения последовательности оснований ДНК, вызванного данной мута­цией; далее, в нем должно быть отражено то, как это изменение извратило синтез определенного белка, каковы вторичные биохимические последствия этого извращения и, наконец, каким образом эти последние вызывают наблюдаемые патологические симптомы.

Для подавляющего большинства наследственных болезней та­кое полное описание пока неосуществимо. Характерные проявле­ния того или иного заболевания, которые мы наблюдаем, часто возникают как следствие весьма сложной цепи событий, пред­полагающих взаимодействие биохимической и физиологической организации на разных уровнях. В настоящее время лишь отно­сительно небольшое число заболеваний изучено до такой степени, что удается проследить детали хотя бы некоторых этапов в этом ряду причин и следствий.

Пока ни для одной болезни не удалось установить первичные генетические нарушения, непосредственно изучая последователь­ность, оснований аномального гена. Однако поскольку этот ген определяет измененный белок, который можно выделить, причем удается установить, в чем состоит нарушение в его структуре, нередко оказывается возможным сделать заключение о природе изменений ДНК, лежащих в его основе. Примеры такого рода рассмотрены при описании различных гемоглобинопатий. Так, например, при серповидноклеточной болезни все патологи­ческие сдвиги и клинические проявления можно объяснить синте­зом аномального гемоглобина, в молекуле которого в β-цепи вместо глутаминовой кислоты в шестом положении находится валин. Поскольку нормальная β-цепь состоит из 146 аминокислот, а каждая аминокислота кодируется последовательностью из трех оснований в ДНК, мы можем заключить, что ген, определяющий эту полипептидную цепь, представляет собой участок ДНК дли­ной в 438 нуклеотидов и что мутация, вызвавшая появление аллеля серповидноклеточности, произошла в шестом триплете этой последовательности (основания № 16, 17, 18). Далее, учитывая то, что известно о генетическом коде и об общей природе мута­ций, вызывающих единичные замены аминокислот, мы можем прийти к вполне логичному выводу, что в этом триплете измене­но основание № 17 (аденин вместо тимина в одной из двух комплементарных цепей ДНК).

Аналогичным образом удалось сделать выводы относительно локализации первичного изменения в гене при других гемоглоби­нопатиях. В большинстве таких случаев имеет место единичное аминокислотное замещение в белке, и так же, как и при серповидно­клеточности, мутацию обычно можно приписать изменению опре­деленного основания. Однако в некоторых случаях были выявле­ны другие дефекты белков, по характеру которых можно было заключить, что мутационное изменение в структуре гена должно быть совсем иным. Так, например, в гемоглобинах Лепоре аномальная полипептидная цепь в первой своей части идентична аминокислотной последовательности первой половины δ-цепи нормального гемоглобина А 2 , а далее имеет последовательность, характерную для концевой части нормаль­ной β-цепи гемоглобина А. Проще всего объяснить эту аномалию предположив, что последовательность нуклеотидов, составляю­щая конечную часть гена 6-цепи и начальную часть прилегаю­щего локуса β-цепи, оказалась утерянной. Поскольку измененная полипептидная цепь, определяемая новым геном, содержит 146 аминокислот, так же, как нормальная β- или δ-цепь, мы можем сделать заключение, что первичное генетическое нарушение со­стояло в выпадении (делении) участка ДНК длиной по крайней мере в 438 нуклеотидов. Другие аномальные гемоглобины, ха­рактеризующиеся выпадением части полипептидной последова­тельности,- Hb-Фрейбург и Hb-Ган-Хилл. В первом из них отсутствует 1 аминокислота в β-цепи, а в последнем выпа­ла последовательность из 5 аминокислот, что указывает на де­лению 15 оснований.

Таким образом, аномальные гены, вызывающие заболевание, могут быть результатом разных мутаций. О природе события (или событий), которое может вызывать замену одного основания.; известно очень мало. Что касается делеций, то они могут, ве­роятно, возникать по крайней мере двумя путями. Один из них - неравный кроссинговер между гомологичными хромосомами вследствие неправильной их конъюгации во время мейоза. Скорее всего именно таков механизм делеций, обусловивших появление гемоглобинов Лепоре, а возможно и некоторых других известных гемоглобинов с выпадением участка молекулы. Вероятность не­равного кроссинговера особенно велика, если в результате пред­шествующей дупликации генетического материала два сходных участка последовательности ДНК прилегают друг к другу в одной и той же хромосоме. Чем протяженнее гомологичные участки, тем более вероятна аберрантная конъюгация. Таким образом, можно полагать, что для некоторых генов вероятность мутаций такого типа больше, чем для других. Еще один путь возникновения делеций заключается в случайном разрыве двух хромосом (или хроматид), происходящем более или менее одно­временно и сопровождающемся неправильным воссоединением, вследствие чего промежуточный сегмент выпадает, если разрыв произошел в одной и той же хромосоме; если же разрывы проис­ходят в разных хромосомах, то произойдет транслокация генетического материала из одной хромосомы в другую, сопровождае­мая выпадением некоторой его части.

Данные, полученные при исследованиях структуры аномальных гемоглобинов, показывают, что к патологии могут приводить как мутации, связанные с заменой одного основания, так и му­тации, обусловленные делецией; вероятно, так же обстоит дело с другими белками, в частности с ферментами. Однако оценить относительную роль различных типов мутаций в качестве причин многочисленных наследственных заболеваний, известных в на­стоящее время, не представляется возможным. Все имеющиеся данные получены при изучении таких случаев, когда аномальный белок удается изолировать и охарактеризовать в структурном от­ношении. Однако возможно, что такие случаи составляют лишь очень незначительную и притом нетипичную часть наследственных (заболеваний в целом. Даже для некоторых гемоглобинопатий (например, талассемии) исследование структуры белка само по себе не позволяет еще сделать определенных заключений относи­тельно природы мутационного изменения в ДНК. Видимо, в этих случаях для того, чтобы лучше понять характер мутаций, необхо­димо более глубокое изучение нарушений в механизмах белково­го синтеза, а также структурные исследования на уровне РНК.

В тех случаях, когда удается идентифицировать специфиче­ский аномальный белок, анализ его физико-химических свойств представляет важный этап выяснения патогенеза данного забо­левания. Так, например, при серповидноклеточности крайне важным оказывается резкое снижение растворимости гемоглоби­на в восстановленном состоянии. Как полагают, оно обусловлено изменением очень небольшой части поверхности белковой моле­кулы вследствие замены гидрофильного остатка глутаминовой кислоты на гидрофобный остаток валина. Поразительно следующее. Известно много других аминокислотных замещений в различных частях молекулы гемоглобина, однако резкое измене­ние его растворимости при серповидноклеточности уникально именно для данного замещения. Это изменение растворимости служит причиной морфологических изменений эритроцитов, поме­щенных в условия низкого парциального давления кислорода, - так называемый феномен серповидноклеточности. In vivo такая же деформация эритроцитов происходит в венозной части крове­носной системы, в частности в мелких венах и венозных капилля­рах, что приводит к повышению вязкости крови. Это в свою оче­редь может вызвать локализованный тромбоз и повреждение тка­ни. Кроме того, деформированные эритроциты значительно легче разрушаются, что приводит к хронической анемии и вызывает другие патологические изменения. Таким образом, хотя многие частности все еще остаются неясными, можно представить себе главную последовательность событий, вызывающих клинический синдром серповидноклеточной анемии. Первоначальное мутационное изменение затрагивает лишь очень небольшой участок ДНК дан­ного, гена, однако последствия его далее усиливаются сначала небольшим изменением тонкой структуры гемоглобина, в результате которого снижается его растворимость, а затем влиянием этого факта на циркулирующие эритроциты, вследствие чего возникает сложный комплекс патологических изменений.

Одно из физических свойств белка, на которое может существенно повлиять самая незначительная модификация структуры, - стабильность. Если стабильность аномального белка значительно ниже по сравнению с нормальным белком, то скорость его денатурации in vivo должна резко возрасти, а вызываемая этим потеря функциональной активности может иметь серьезные послед­ствия. Так, например, было показано, что некоторые наследствен­ные формы тяжелой хронической анемии связаны с присутствием измененных вариантов гемоглобина, отличающихся по преимуще­ству нестабильностью. Такие нестабильные гемогло­бины гораздо быстрее денатурируют в эритроцитах, чем нормаль­ный гемоглобин, и именно это, очевидно, является главной причи­ной наблюдаемых в таких случаях различных патологических явлений. Некоторые аномальные ферменты, например ва­риант глюкозо-6-фосфат - дегидрогеназы Gd-Средиземноморский, также отличаются пониженной устойчивостью, и вторичные биохимические и клинические нарушения, наблю­даемые у его носителей, опять-таки могут в значительной мере зависеть от этого обстоятельства. Вероятно, многие другие на­следственные нарушения имеют в своей основе аналогичные при­чины.

По-видимому, любое изменение первичной структуры белка, приводящее к существенному нарушению его нормальной трех­мерной конформации, может привести к снижению стабильности. В тех случаях, когда происходит единичное аминокислотное заме­щение, степень такого эффекта будет зависеть от химических свойств и размеров замещаемого аминокислотного остатка, а так­же от места замещения. При этом самые различные замещения, происходящие в разных участках белковой молекулы, могут, как выяснилось, привести в основном к одним и тем же последст­виям в отношении стабильности данного белка и таким образом вызвать одинаковые патологические процессы. Следовательно, разные мутации могут вызвать группу определенных расстройств, которые, однако, во всех отношениях кроме первичной структуры аномального белка будут неотличимы одна от другой. Можно также отметить, что различные небольшие делеции в гене, вызы­вающие выпадение одной или нескольких аминокислот и, следо­вательно, укорочение полипептидной цепи, могут обусловить в каждом случае значительное нарушение трехмерной структуры, выражающееся в резком снижении стабильности соответствующе- ш белка. Делеции большего размера, вызывая еще большее уко­рочение полипептида, часто могут привести к тому, что данный белок вообще будет отсутствовать. Аналогичные эффекты воз­можны и в результате мутаций, заключающихся в замене одного основания, приводящей к превращению триплета, кодирующего ту или иную аминокислоту, в триплет, кодирующий терминацию цепи.

При изучении свойств аномального ферментного белка не­сомненный интерес представляет исследование кинетики соответ­ствующей ферментативной реакции. Так, например, важным фактором в развитии заболевания может быть изменение в сродстве ферментного белка к субстрату или к коферменту, что отразится на кинетике. Примером такого рода служит изменение кинетики аргининосукцинатсинтетазы при цитруллинемии, «атипичной» формы сывороточной холинэстеразы при чувстви­тельности к суксаметонию и варианта Gd-Оклахома глюкозо-6-фосфат - дегидрогеназы, вызывающего особую форму хронической гемолитической анемии. Во Всех этих случаях оказалось, что константы Михаэлиса (К т) с субстратом значительно превышают нормальные значения, и этого, по-видимому, достаточно для того, чтобы объяснить патологические явления, характерные для данных заболеваний.

Можно ожидать, что многие единичные аминокислотные за­мещения в ферментном белке так или иначе отразятся на его кинетических параметрах, вызывая изменения либо в конформа­ции, либо в химической структуре активного центра. Такие же замещения могут привести также к изменению других химических свойств ферментного белка, например его стабильности. Со­вершенно очевидно, что оценка относительной роли этих измене­ний может оказаться важной для выяснения патологии того или иного заболевания. Интересно в связи с этим рассмотреть ва­риант Gd-Средиземноморский глюкозо-6-фосфат - дегидрогена­зы. Хотя структурные изменения в этом аномальном ферментном белке в деталях еще не известны, выяснены, однако, некоторые существенные отличия в его свойствах от нормального фермента. Он значительно менее стабилен, константы Михаэлиса как для субстрата (глюкозо-6-фосфата), так и для кофермента (НАДФ) у него ниже и, кроме того, он более эффективно использует ана­лог субстрата 2-дезоксиглюкозо-6-фосфат. Клиническое наруше­ние, связанное с этим аномальным ферментом, - фавизм - почти наверняка обусловлено очень низким уровнем активности фер­мента в измененных эритроцитах, а это последнее обстоятельство зависит главным образом от выраженной нестойкости фермент­ного белка. Измененная же кинетика играет, вероятно, лишь вто­ростепенную роль или не имеет никакого значения в развитии данной патологии, тем более, что пониженные константы Михаэли­са для субстрата и кофермента должны быть связаны с повы­шенной активностью.

Разные мутации могут привести к недостаточности того или иного определенного фермента, вызывая либо синтез аномального ферментного белка с измененной кинетикой или стабильностью, либо понижение скорости синтеза ферментного белка, либо прекращение синтеза вообще. Для многих наследственных забо­леваний удалось даже точно установить фермент, недостаточ­ность которого играет центральную роль в развитии патологий, хотя в большинстве случаев истинная молекулярная основа ферментной аномалии остается неясной. Эти заболевания относят обычно к категории «врожденных нарушений обмена», однако в принципе к ним следует относить любую наследственную болезнь. Однако по причинам исторического порядка такое разде­ление сохранилось. Различные примеры таких заболеваний рассматривались выше.

Известен еще один, необычный вид биохимических нарушений, для которых характерно аномально высокое содержание некоторых веществ в жидкостях организма или клетках при относитель­ной недостаточности других веществ. То, каковы эти изменения, зависит от функции данного фермента в нормальном обмене ве­ществ и от его локализации в тканях. Степень же их, а в какой-то мере и их распределение зависят от того, насколько понижена ферментативная активность. При некоторых заболеваниях актив­ность может вовсе отсутствовать, тогда как при других она только в большей или меньшей степени снижена.

Клиническая картина, наблюдаемая при этих метаболических аномалиях, вероятно, представляет собой вторичный результат нарушения биохимических процессов, обусловленного недостаточностью определенного фермента. Однако существо причинных взаимоотношений в таких случаях часто бывает трудно выяснить. Приведем в качестве примера фенилкетонурию. Это заболевание хорошо изучено, и в настоящее время удалось многое выяснить относительно характера метаболических нарушений и изменения концентраций ряда метаболитов при фенилкетонурии, однако до сих пор невозможно удовлетворительно объяснить, почему наиболее характерным симптомом этого заболевания является резко выраженная умственная отсталость. Очевидно, при данном биохимическом нарушении каким-то образом повреждаются нейроны развивающегося мозга. Однако суть этого процесса все еще не ясна.

Пожалуй, следует еще раз затронуть вопрос о том, насколько неожиданной часто бывает связь между клиническими синдромами и биохимическими нарушениями; которые лежат в их основе. Хорошим примером подобной ситуации служит заболевание, из­вестное под названием гомоцистинурии. Клинический синдром при этом нарушении обмена очень сложен, и в числе характерных симптомов отмечаются такие весьма различные проявления, как умственная отсталость, эктопия хруста­лика, склонность к артериальным и венозным тромбозам и ано­малии развития костей. При систематическом обследовании большой группы больных с умственной отсталостью (определялось содержание в моче аминокислот) было обнаружено харак­терное повышение уровня гомоцистина в моче. Это открытие при­вело к обнаружению выраженного нарушения обмена метионина, обусловленного недостаточностью фермента цистатионинсинтетазы (L-сериидегидрогеназы). Несмотря на то что метаболический путь превращения метионина в цистин был подробно изучен еще до открытия гомоцистинурии, биохимики вряд ли смогли бы предсказать, что нарушение этого метаболического пути может вызвать тот комплекс патологических проявлений, который наблюдается при этом заболевании. Хотя почти не вызывает сомнений, что возникновение этих клинических симптомов каким-то образом связано с первичной недостаточностью цистатионинсинтетазы, мы все же не знаем, какова в данном случае конкретная причинная связь.

Другой пример - болезнь Помпе. Уже давно было выяснено, что при этом заболевании происходит прогрессирующее накопление гликогена в разных тканях, особенно в миокарде. Однако, несмотря на то что основные пути синтеза и распада Гликогена были, по-видимому, установлены и были изучены свя­занные с ними ферменты, существо химических процессов, ле­жащих в основе болезни Помпе, оставалось неясным. Открытие того, что это заболевание обусловлено специфической недостаточ­ностью α-(1,4)-глюкозидазы, присутствующей в норме вместе с другими гидролазами во внутриклеточных органеллах, назы­ваемых лизосомами, оказалось совершенной неожиданностью, поскольку, прежде никто не думал, что этот фермент играет сколько-нибудь существенную роль в распаде гликогена.

На этих примерах мы убеждаемся в том, что имеется еще очень много таких наследственных нарушений, для которых со­вершенно неизвестны ферменты (или другие белки), недостаточ­ностью которых они вызваны, или даже участок обмена, с кото­рым связаны эти ферменты. Ключ ко всем этим проблемам, ве­роятно, содержится во всей симптоматике заболевания, однако в большинстве случаев мы не умеем его находить, и до сих пор еще никому не удавалось на этой основе понять, какие именно био­химические системы следует изучать в каждом конкретном случае.

1. II. ДОМИНАНТНОСТЬ И РЕЦЕССИВНОСТЬ

По мере все более глубокого проникновения в молекулярную патологию того или иного заболевания мы все больше узнаем и о характере его наследованния и, следовательно, о том, почему оно должно встречаться преимущественно в гетерозиготном со­стоянии, т. е. наследоваться по доминантному типу, или же проявляться только в гомозиготном состоянии и таким образом относиться к рецессивным болезням.

Иллюстрируем сказанное на примере серповидноклеточной болезни, наследуемой по рецессивному типу. Клинические нару­шения, характерные для этого заболевания, обусловлены тем, что гемоглобин, находящийся в эритроцитах, чрезвычайно плохо раст­ворим, когда он теряет кислород; в результате происходит ха­рактерная деформация эритроцитов (серповидность) in vivo в тех частях кровяного русла, где давление кислорода понижено. У гетерозигот по гену серповидноклеточности около 65% гемогло­бина, находящегося в эритроцитах, обычно приходится на нормаль­ную его форму, и всего около 35% - на измененную. При этом общее количество гемоглобина на клетку остается почти нормаль­ным. Смесь обеих форм гемоглобина в целом обладает понижен­ной растворимостью по сравнению с нормальным гемоглобином, и серповидноклеточность эритроцитов можно легко продемонстри­ровать in vitro, понизив в достаточной степени напряжение кисло­рода. Однако необходимая степень снижения напряжения кисло­рода в этих условиях превышает ту, которая в норме имеет место in vivo, и потому неблагоприятные последствия у гетерозигот обычно не встречаются, так что они в общем вполне здоровы.

Отсюда следует одно важное обстоятельство, а именно, термины «доминантный» и «рецессивный», вообще говоря, имеют смысл только в отношении определенного признака или фенотипа. Серповидноклеточная болезнь наследуется как рецессивный признак; однако сам феномен серповидноклеточности, т. е. ха­рактерная деформация эритроцитов при соответствующей обра­ботке in vitro, наследуется как доминантный признак, поскольку он встречается как у гетерозигот, так и у гомозигот по аномаль­ному гену.

Теперь сравним «рецессивную» серповидноклеточную болезнь с наследуемыми по доминантному типу формами хронической анемии, обусловленными так называемыми нестабильными гемоглобинами. При этих анемиях в эритроцитах гетерозигот синтезируется как нестабильный, так и нормальный гемоглобин. Однако из-за быстрой денатурации нестабильной формы количество ее, а следовательно, и общее количество гемоглобина, находящегося в функционально активном состоянии, в процессе созревания эритроцитов снижается. В результате возникает хроническая анемия, которая далее осложняется в связи с осаждением дена­турированного аномального гемоглобина, что способствует уско­ренному разрушению эритроцитов и удалению их из кровотока. Таким образом, в противоположность тому, что наблюдается у гетерозигот по гену серповидноклеточности, нормальный гемо­глобин, синтезируемый такими гетерозиготами, не способен компенсировать неблагоприятное воздействие аномальной формы гемоглобина на эритроциты. Гены, определяющие различные варианты нестабильного гемоглобина, встречаются чрезвычайно редко, поэтому соответствующие гомозиготы не наблюдались. Можно; однако, предвидеть, что в гомозиготном состоянии эти гены должны вызывать крайне тяжелые формы анемии, часто сопровождающиеся смертельным исходом в раннем детстве.

Вопрос о том, наследуется ли данное заболевание, вызываемое недостаточностью какого-либо определенного фермента, по рецессивному или доминантному типу, может в значительной мере зависеть от среднего уровня активности данного фермента у гомозигот по нормальному аллелю и в особенности от того, каков в норме его избыток по сравнению с минимальным уровнем, необходимым для поддержания функции. В гетерозиготном состоянии уровень определенного фермента обычно является промежуточным между нормальным и тем, который отмечается у гомозигот по аналогичному гену. В крайних случаях, когда аномальный ген вызывает полное исчезновение ферментативной активности, у гетерозигот обычно обнаруживается примерно половина средней активности, характерной для гомозигот по нор­мальному гену. Если, как это, по-видимому, обычно бывает, уро­вень активности у гомозигот по нормальному аллелю в среднем во много раз превышает минимум, необходимый для нормаль­ной метаболической функции, то пониженная активность, отме­чаемая у гетерозигот, также оказывается до некоторой степени избыточной и не вызывает неблагоприятных последствий. Клиниче­ские нарушения проявятся поэтому только у гомозигот по аномальному гену, у которых активность, вероятно, снижена настолько, что оказывается недостаточной для поддержания нормальной функции. В действительности, большинство так называемых врожденных нарушений обмена, выявленных до настоящего вре­мени, наследуется по репрессивному типу, и можно сделать вывод, что в норме уровень соответствующих ферментов значительно пре­вышает критический (т. е. минимальный уровень, необходимый для поддержания нормальной функции). Таким образом, имеется как бы значительный «запас прочности».

Доминантный тип наследования заболеваний, обусловленных ферментной недостаточностью, наиболее вероятен в тех случаях, когда данный фермент лимитирует скорость метаболического пу­ти, в котором он принимает участие: уровень активности таких ферментов в норме вообще близок к минимуму, необходимому для поддержания нормальной функции.

III. ГЕТЕРОГЕННОСТЬ НАСЛЕДСТВЕННЫХ БОЛЕЗНЕН

Очень часто оказывалось, что синдром, который первоначаль­но считали самостоятельной нозологической единицей, обуслов­ленной одним аномальным геном, на самом деле есть не что иное, как целая группа разных заболеваний, возникающих как следствие различных мутаций и имеющих каждое свой особый патогенез. Степень генетической гетерогенности, которая может выявиться для заболеваний, на первый взгляд кажущихся моноэтиологическими, может быть весьма значительной, и, по-види­мому, не остается сомнений, что такая гетерогенность представля­ет собой широко распространенное явление.

То обстоятельство, что несколько совершенно различных ано­мальных генов часто имеют весьма сходное или даже идентичное клиническое проявление, неудивительно. Утрата функции того или иного из ферментов, участвующих в одном и том же метаболическом пути, или же таких ферментов, Которые связаны друг с другом в сложных физиологических взаимоотношениях, естественно, может дать одинаковые или весьма сходные конечные результаты на клиническом уровне. Таким образом, самые разные аномаль­ные гены, влияя на различные ферменты, могут привести к весь­ма сходным клиническим последствиям. Далее, уменьшение актив­ности данного ферментного или другого белка может быть вызвано изменением структуры различных полипептидных цепей, коди­руемых разными генными локусами, или же может быть следст­вием мутации в каком-либо локусе, специфически связанном с регуляцией скорости синтеза данного белка. Наконец, разные мутации могут происходить в одном и том же локусе, и хотя они по-разному изменяют структуру соответствующей поли- пептидной цепи, в каждом случае эти изменения могут привести к утрате определенной функции и, следовательно, к весьма сход­ным клиническим проявлениям. Таким образом, одна и та же кли­ническая картина в действительности может быть обусловлена мутациями в нескольких различных локусах или же в одном локусе.

Врожденная метгемоглобинемия представляет собой хорошо изученный случай, иллюстрирующий подобную си­туацию. Характерное клиническое проявление этого редкого син­дрома - резкий цианоз, обусловленный тем, что значительная часть железа гемоглобина в эритроцитах и циркулирующей кро­ви находится в трехвалентном состоянии и неспособна переносить кислород. Метгемоглобинемия проявляется при рождении или в самом раннем детстве и остается на протяжении всей жизни без существенных колебаний. У большинства пораженных не отме­чается никаких тяжелых клинических проявлений, хотя иногда эта аномалия бывает связана с некоторой степенью умственной отсталости. Врожденную метгемоглобинемию следует отличать от других причин хронического цианоза, таких, например, как врож­денные пороки сердца, что, однако, обычно легко удается при клиническом обследовании.

Уже первые исследования этого заболевания показали, что на генетическом уровне аномалия встречается в двух формах. В некоторых случаях это нарушение наследуется, по-видимому, по аутосомно-рецессивному, а в других - по аутосомно-доминантному типу. При рецессивной форме была обнаружена специ­фическая сильно выраженная недостаточность метгемоглобинредуктазы эритроцитов. У пораженных индивидуумов актив­ность этого фермента была очень низкой, а часто ее едва удава­лось определить. У их родителей, детей и других родственников, которых можно было считать гетерозиготными по соответствую­щему гену, уровень активности этого фермента был частично снижен, однако степень подавления активности, очевидно, была недостаточной для того, чтобы привести к выраженной метгемоглобинемии или цианозу. Данные электрофоретического исследования остаточной ферментативной активности у некото­рых больных указывают на то, что по крайней мере в некоторых случаях причиной ферментной недостаточности может быть из­менение структуры ферментного белка, причем это изменение не­одинаково у больных из разных семей. Таким образом, в генном локусе (или локусах), кодирующем метгемоглобинредуктазу, вероятно, может встречаться несколько различных ано­мальных аллелей, способных вызывать это заболевание.

При доминантной форме активность метгемоглобинредуктазы не отличается от нормы. В большинстве таких случаев оказы­вается измененной структура самого гемоглобина, причем выявлен целый ряд различных отклонений от нормы. Каждое из них связано с заменой одной определенной аминокислоты, проис­ходящей в той области молекулы, где к полипептидной цепи при­соединена группа гема. При этом могут быть затронуты как α-, так и β-цепи, которые, конечно, кодируются разными генными локусами. Установлено, что в случаях мутаций по a-цепи цианоз отмечается с момента рождения, поскольку a-цепь содержится как в эмбриональном (α 2 γ 2), так и во взрослом (α 2 β 2) гемоглоби­нах, тогда как у мутантов по β-цепи цианоз появляется через не­сколько недель после рождения, когда взрослый гемоглобин стано­вится преобладающим.

Таким образом, синдром врожденной метгемоглобинемии мо­жет быть обусловлен мутациями по крайней мере в трех различ­ных генных локусах. Один из них определяет структуру метгемоглобинредуктазы, тогда как другие кодируют α- и β-цепи ге­моглобина, причем в каждом из этих локусов, очевидно, может присутствовать несколько различных аномальных аллелей, вызывающих этот синдром. Имеется сообщение еще об одной форме врожденной метгемоглобинемии, которая наследуется, по-видимо­му, как аутосомно-доминантное заболевание, но не связана с какими-либо изменениями ни в гемоглобине, ни в метгемоглобинредуктазе, следовательно, такое же клиническое нарушение может быть вызвано также мутациями в других генных локусах помимо трех названных.

Врожденная метгемоглобинемия - чрезвычайно редкое заболе­вание; в большинстве популяций она встречается не чаще, чем у одного из нескольких сот тысяч новорожденных. Однако уже выявлено не менее 8 различных аномальных генов, вызывающих это заболевание, причем синдромы, которые каждый из них вызы­вает, трудно, а то и невозможно различить только по клиниче­ским проявлениям. Можно полагать, что такая же степень гене­тической гетерогенности будет обнаружена для многих других наследственных заболеваний, которые в настоящее время описаны только клинически или, самое большее, на уровне вторичных биохимический или физиологических нарушений, обусловленных аномалией соответствующего ферментного или иного белка.

Рассмотрим, к примеру, фенилкетонурию. Характерные биохи­мические изменения, наблюдаемые в крови, спинномозговой жид­кости и моче при этом заболевании, можно объяснить тем, что из-за недостаточности фермента фенилаланин - 4-гидроксилазы нормальное метаболическое превращение фенилаланина в тиро­зин не происходит. Это заболевание наследуется как аутосомно-рецессивное, и обычно полагали, что все больные являются гомозиготами по одному и тому же аномальному гену. Однако на самом деле возможен целый ряд различных аномаль­ных генов, которые могут неодинаковыми путями привести к утра те активности данного фермента. Если это так, то среди больных могут встречаться гомозиготы по тому или иному из этих генов, а также гетерозиготы по двум из них. Кроме того, причиной этого заболевания могут быть мутации в двух или более различных генных локусах. В настоящее время о структуре этого ферментного белка и о регуляции скорости его синтеза известно еще слишком мало, чтобы попытаться оценить, насколько правдоподобно такое предположение. Неизвестны также какие-либо, маркеры сцепления, которые могли бы помочь выяснить, действительно ли это заболевание могут вызвать гены, находящиеся в разных локусах.

Различные мутации, обусловливающие недостаточность дан­ного фермента, безусловно, могут различаться по степени нарушения, которое они вызывают, и, следовательно, по тяжести его клинических проявлений. Некоторые мутации могут приводить к полной утрате функционально активного фермента, и мутанты, у которых это по разным причинам произошло, часто могут ока­заться пораженными «одинаковой» болезнью. Однако в тех слу­чаях, когда ферментативная активность исчезает неполностью, степень недостаточности у разных мутантов может колебаться в широких пределах. И до тех пор, пока не будут выявлены молекулярные и генетические различия, лежащие в основе разных случаев заболевания, может казаться, что мы имеем дело с одной наследственной болезнью, вызываемой, по всей видимости, определенным аномальным геном, клинические проявления и тяжесть которой отличаются высокой степенью вариабельности. Почти наверное многие обычно наблюдаемые клинические варианты болезни, рассматриваемой как нозологическая единица, обуслов­лены этой общей причиной.

Примером такой ситуации, когда колебания функциональной активности того или иного фермента и клинических проявлений обусловлены различными мутациями, повреждающими данный ферментный белок, может служить случай глюкозо-6-фосфат - дегидрогеназы, для которой известно множество вариантов. Обнаружено почти 30 вариантных форм этого ферментного белка. Они различаются между собой по электрофоре­тической подвижности, константам Михаэлиса, термостабильности и оптимумам pH. По-видимому, все они определяются серией аллелей, каждый из которых вызывает определенное структурное изменение. Поскольку эти аллели находятся в локусе, располо­женном в Х-хромосоме, у мужчин удается изучать влияние каж­дого из этих аллелей в отдельности на уровень ферментативной активности. Большинство таких исследований было проведено на эритроцитах; обнаружено, что клетки, содержащие неодинаковые варианты фермента, существенно различаются по средней актив­ности Г-6-ФД. В некоторых случаях обнаруживаются лишь сле­ды активности, в других отмечается не столь резкое, но тем не менее четко выраженное снижение ферментативной активности. Встречаются также варианты фермента, лишь незначительно отличающиеся по средней активности от нормального фермента. Эти различия в уровне активности часто могут быть обусловлены неодинаковой стабильностью ферментных белков. Однако в неко­торых случаях важную роль может играть изменение в кинетиче­ских или других свойствах фермента.

В некоторых случаях степень недостаточности фермента и на­рушения обмена эритроцитов выражены достаточно сильно для того, чтобы вызвать состояние хронической гемолитической ане­мии (из-за преждевременного разрушения эритроцитов). В дру­гих случаях пораженные индивидуумы в обычных условиях здо­ровы, однако у них наблюдается склонность к развитию симпто­мов гемолиза под влиянием агентов, безвредных для других индивидуумов. Так, например, носители вариантного аллеля Gd Mediterranean чувствительны к некоторым веществам, со­держащимся в конских бобах, а носители аллеля Gd A- широко распространенного среди негров, чувствительны к примахину и некоторым сульфамидным препаратам. Имеются также другие варианты Г-6-ФД, которые, по-видимому, не связаны с развитием какой бы то ни было патологии; вообще же степень ферментативной недостаточности, которая варьирует в широких пределах, в какой-то мере коррелирует с тяжестью клинических последст­вий.

Такого же рода взаимоотношения показаны и в отношении нарушений других ферментов. Особенно интересен пример гипоксантин: гуанин - фосфорибозилтрансферазы - фермента, в норме связанного с образованием мочевой кислоты. Леш и Нихан описали сложный и очень тяжелый невроло­гический синдром у детей, который характеризуется умственной отсталостью, спастическими параличами центрального происхождения, хореоатетозом и своеобразным нарушением поведения, проявляющимся в самоистязающих укусах. Было обнаружено, что это состояние связано с гиперурикемией вследствие повышенного образования мочевой кислоты, что в некоторых случаях сопровождается появлением уратных камней в мочевых путях и симптомами подагры. Оказалось, что это заболевание вызвано полным отсутствием активности гипоксантин: гуанин - фосфорибозилтрансферазы; недостаточность обусловлена а нормальным геном, локализованным в Х-хромосоме.

Поскольку этот фермент участвует в образовании мочевой кислоты, он в дальнейшем был исследован у взрослых больных с типичной клинической картиной острого подагрического артри­та или почечнокаменной болезни, а также у индивидуумов с гиперурикемией, обусловленной повышенным образованием мочевой кислоты. У таких больных в нескольких случаях была обнаружена недостаточность этого фермента, хотя и не столь резко выраженная, как при синдроме Леша - Нихана. Ясно, что встречается несколько совершенно различных типов аномалий, ведущих к гиперурикемии, однако в одной и той же семье у всех пораженных выявляется одна и та же аномалия. Так, в одной семье ферментативная активность у пораженных индивиду­умов, согласно определениям (определения проводились на эрит­роцитах, в качестве субстрата использовали гипоксацтин и гуа­нин), составляла всего около 1% нормальной величины, а фер­ментный белок был значительно более термолабилен, чем нор­мальный фермент. В другой семье у больных также отмечалась значительно пониженная ферментативная активность, однако ее снижение при использовании гуанина в ка­честве субстрата было значительно сильнее выражено, чем с гипоксантином; это указывает на измененный характер субстратной специфичности. Помимо этого фермент в данном случае. ока­зался менее термолабильным, чем в норме.

Все это указывает на то, что в разных семьях встречаются различные аномальные гены, каждый из которых контролирует образование структурно отличной формы, ферментного белка, обладающей аномальными свойствами. Каждая из них, очевидно, приводит к резко выраженной ферментной недостаточности, проявляющейся в повышенном образовании мочевой кислоты, что сопровождается гиперурикемией, причем клинические прояв­ления (подагра и почечнокаменная болезнь) в разных случаях весьма сходны между собой. Тем не менее клиническая картина резко отличается от синдрома Леша - Нихана, который, по-види­мому, возникает как следствие полного или почти полного отсутствия фермента и сопровождается тяжелым неврологическим рас­стройством, проявляющимся в детстве.

В заключение следует отметить следующее. Различия в про­явлении определенных наследственных болезней у отдельных лиц могут зависеть не только от того, что они вызваны разными му­тантными генами, определяющими характерное изменение фер­мента или другого белка, которое и служит главной причиной заболевания; они зависят еще от особенностей всей генетической конституции носителя данного аномального гена. Поскольку во многих генных локусах могут присутствовать разные нормальные аллели, нельзя, вероятно, найти двух индивиду­умов, за исключением монозиготных близнецов, в точности одина­ковых по своему «генетическому фону». Эти различия «генетиче­ского фона», безусловно, могут влиять на проявления того или иного расстройства, поскольку от них зависят многие условия биохимической и физиологической среды, в которой должна реализоваться активность данного аномального гена. Некоторые комбинации генов в непораженных локусах могут ослабить па­тологические проявления, тогда как другие, напротив, - усилить их. Но поскольку эти разнообразные комбинации генов часто практически не приводят к видимым различиям между индивиду­умами, не имеющими данного аномального гена, определить ме­ханизм, посредством которого они влияют на проявление аномального гена, дело крайне трудное.

Необходимо отличать изменчивость, зависящую от других локусов, помимо того, в котором находится данный аномальный ген, и изменчивость, обусловленную присутствием различных «нормальных» аллелей в том же самом локусе. Второй источник изменчивости, разумеется, возможен только в том случае, если больные являются гетерозиготами (т. е. при «доминантных» бо­лезнях). Было установлено, что в одном и том же генном локусе могут встречаться несколько различных аллелей, по-разному влияющих на функцию и не обязательно вызывающих явное за­болевание. Иногда два или более из этих аллелей распростране­ны относительно широко, так что рассматриваемый аномальный ген может находиться в гетерозиготной комбинации с тем или иным из этих различных «нормальных» аллелей. Это может; повлиять на проявление симптомов заболевания. Такой эффект нередко называют аллельной модификацией. Он и определяет то обстоятельство, что между сибсами сходство в проявлении опреде­ленной формы заболевания бывает большим, чем между родите­лями и детьми.

1. IV. НАСЛЕДСТВЕННОСТЬ И СРЕДА

Характерные черты индивидуума зависят не только от набора его генов, и, следовательно, от набора ферментов и других бел­ков, которые образуются в его организме, но и от среды, в кото­рой он развивается и живет. Взаимосвязи между тем, что Френ­сис Гальтон называет «природой» (nature) и «прокормом» (nurture­), часто очень сложны и с трудом поддаются интерпретации. Однако нам безоговорочно ясна важность этих взаимосвязей в определении критериев того, что именно следует считать наследственными заболеваниями. Рассмотрим этот вопрос на при­мере нескольких болезней, для которых наследственная аномалия выявлена на уровне фермента и более или менее выяснены факто­ры среды, влияющие на ее проявление.

Прежде всего следует упомянуть о галактоземии. Это заболевание выражается в неспособности усваивать моносахарид галактозу из-за генетически обусловленной недоста­точности фермента галактозо-1-фосфат уридилтрансферазы. Галактоза в составе дисахарида лактозы служит главным угле­видным компонентом молока, и поэтому обычно грудные дети получают ее в больших количествах. В отсутствие названной трансферазы обмен галактозы нарушается. Содержание галактозы в крови повышается, в клетках накапливается галактозо-1-фосфат; все это вызывает тяжелые клинические симптомы. Разви­тие ребенка нарушается, он медленно прибавляет в весе, нередко Наблюдаются поражения печени и мозга, развиваются ката­ракты. Если, однако, ребенку давать пищу, не содержащую га­лактозы, но полноценную в других отношениях, то наступает быстрое улучшение. На практике, если диагноз поставлен доста­точно рано, до того как наступили необратимые изменения, то ребенок может расти нормальным и здоровым.

Поэтому галактоземию можно в некотором смысле рассматри­вать как врожденную утрату способности соответствующим обра­зом реагировать на один из нормальных факторов среды, а имен­но на лактозу, содержащуюся в молоке. При соответствующем изменении среды нарушение может быть предотвращено. Хотя у данного индивидуума фермент по-прежнему будет отсутство­вать при новых условиях среды, это не будет иметь клинических последствий. Он останется предрасположенным к данной болезни, но клинически она не проявится.

Наследственная непереносимость фруктозы еще раз иллюстрирует это явление. В данном случае речь идет о недостаточности альдолазы печени (альдолаза В), необходимой для нормального обмена фруктозы. Прием с пищей фруктозы или сахарозы вызывает тяжелые симптомы. Если же фруктозу исклю­чить из рациона, то повреждающего действия не будет. В отли­чие от галактозы фруктоза не является обязательной составной частью нормальной пищи грудных детей. Вследствие этого проявления и тяжесть этой болезни колеблются в более широких пределах. По-видимому, важный фактор при этом - момент прекращения кормления грудью. Если ребенка рано переводят на искусственное вскармливание, при котором он получает сахаро­зу, то его состояние быстро ухудшается. Если природа нарушения не распознана, то дело может дойти до необратимых изменений. Если, однако, ребенка продолжают кормить грудью в течение нескольких месяцев, то часто он начинает потом сам отвергать пищу, которая ему вредит; в это время уже гораздо больше вероятность того, что аномалия будет распознана. Помимо этого, у таких детей обычно развивается отвращение к сахару, сла­достям и фруктам, и таким образом они сами оберегают себя. Итак, ясно, что тяжесть проявлений наследственных заболеваний может в значительной мере зависеть от совершенно случайных и, по-видимому, не связанных между собой факторов среды. В данном случае таким фактором является время отнятия от груди. Кстати, на этом примере видно также, что предпочтение той или иной пищи может быть прямым следствием ферментной аномалии.

Особенно ярко зависимость наследственности от факторов среды предстает перед нами на примере фавизма. Это. заболевание, выражающееся в тяжелой интермиттирующей гемолитической анемии, приступы которой провоцируются приемом с Пищей конских бобов (Vicia faba), известно уже давно. Фавизм особенно распространен на Ближнем Востоке и в некоторых районах южной Европы, т. е. в тех областях, где бобы являются обычным пищевым продуктом. Однако, фавизм развивается далеко не у всех людей, которые едят бобы. Он возникает лишь у людей с гене­тически детермированной недостаточностью Г-6-ФД, обычно обу­словленной присутствием варианта Gd-Средиземноморский. Та­ким образом, для того, чтобы болезнь проявилась, нужно, чтобы данный индивидуум был носителем соответствующего гена и при­нимал в пищу бобы. Итак, для развития заболевания существенны как генетический фактор, так и фактор среды. В действитель­ными дело обстоит даже еще сложнее, поскольку не у всех индивидуумов с этой специфической ферментной недостаточ­ностью, которые едят конские бобы, развивается болезнь крови, а у тех, у кого она возникает, тяжесть болезни может быть неоди­наковой. Причины этого не вполне ясны, но имеются некоторые указания на то, что дело здесь, возможно, в действии каких-то дополнительных генетических факторов, а также в различиях в количестве съедаемых бобов и в том, в каком виде они прини­маются в пищу.

Не вызывает никаких сомнений, что галактоземия является наследственным заболеванием, поскольку она проявляется у всех индивидуумов с соответствующей генетической конституцией. Фактор среды, к которому они чувствительны, присутствует повсеместно. То же по существу справедливо и для наследствен­ной непереносимости фруктозы, но в этом случае фактор среды несколько более вариабелен, и это влечет за собой различия в степени тяжести клинических проявлений болезни. Однако фавизм нельзя рассматривать как болезнь, вызываемую только наследственным фактором или только фактором среды, и возможно, что это относится также ко многим другим заболеваниям, встре­чающимся в клинической практике.

На практике вопрос о том, относить ли то или иное заболе­вание к наследственным или же к обусловленным факторами сре­ды, приходится решать в зависимости от относительной частоты наследственного предрасположения и провоцирующих факторов среды. Если наследственное, предрасположение встречается относительно редко, а провоцирующий фактор среды распростра­нен достаточно широко, а то и повсеместно (как это имеет место в случае галактоземии), то данное заболевание следует относить к наследственным. Если же, напротив, генетическое предраспо­ложение. относительно обычно, а неблагоприятные условия среды встречаются нечасто, то факторы среды, видимо, приходится счи­тать наиболее важной причиной.

Рассмотрим в качестве примера цингу. Насколько нам извест­но, люди и другие приматы неспособны синтезировать L-аскорбиновую кислоту (витамин С). Следовательно, если по тем или иным причинам в их пище содержится недостаточно этого витамина, то у них развивается цинга. У большинства других млекопитающих этого не происходит, так как они, по-видимому, могут сами синте­зировать L-аскорбиновую кислоту из D-глюкозы:

D-глюкоза → Лактон D-глюкуроновой кислоты → Лактон L-гулоновой кислоты →

L-аскорбиновая кислота.

Очевидно, у человека и других приматов необходимый ген был утерян в ходе эволюции, а с ним и фермент, способный превра­щать лактон L-гулоновой кислоты в L-аскорбиновую кислоту. Таким образом, цинга с достаточным основанием рассматривается как заболевание, вызываемое неблагоприятным фактором среды, а именно недостатком витамина С в пище. Однако с равным основанием можно утверждать, что она обусловлена врожденным нарушением обмена веществ, общим для всего человечества.

В некоторых случаях, конечно, и наследственное предрасполо­жение к данному, заболеванию может быть относительно редким и встречаемость определенных факторов среды, которые провоцирует это заболевание, может быть низкой. При таких обстоятель­ствах заболевание также должно быть редким и распространен­ным весьма неравномерно, а результаты семейных обследований могут вовсе не обязательно показывать, что в его возникновении какую-то роль играют наследственные факторы. Простой моделью ситуации такого рода является встречаемость нарушения, извест­ного как чувствительность к суксаметонию. Приблизительно в одном случае из 2000 отмечается высокая чувствительность к суксаметонию, часто применяемому в качестве мышечного ре­лаксанта при хирургических операциях. Такая чувствительность обусловлена либо синтезом атипичной формы сывороточной холинэстеразы, значительно менее эффективно разрушающей этот препарат, чем обычный фермент, либо вообще отсутствием синте­за данного фермента. В обоих случаях вызываемый этим препа­ратом паралич мышц и связанная с ним остановка дыхания ока­зываются слишком продолжительными. Однако если поражен­ные индивидуумы не подвергаются воздействию такого необычно­го и в общем-то искусственного, фактора среды, каким является суксаметоний, то они, по-видимому, вполне здоровы. Таким обра­зом, для того чтобы возникло клиническое отклонение от нормы, в данном случае необходимо сочетание редкого наследственного предрасположения и необычных условий среды. Не удивительно поэтому, что семейный характер этой аномалии часто не удается распознать.

Если сопоставить весь спектр болезней и аномалий у человека, то на одном полюсе окажутся такие заболевания, как серповид­ноклеточная анемия, фенилкетонурия, гемофилия, мышечная дист­рофия и т. п., которые мы рассматриваем как наследственные, поскольку они развиваются у всех носителей соответствующих генов. На другом полюсе будут находиться болезни, обусловлен­ные преимущественно факторами внешней среды: например тяже­лые инфекции, такие, как чума, сибирская язва, тиф и т. п., т. е. такие, которые, как правило, поражают всех, кто сталкивается с провоцирующими заболевание факторами. Однако имеется мно­го заболеваний, часто, достаточно широко распространенных, для развития которых, по-видимому, важны как наследственный фактор, так и фактор среды. Типичными примерами таких забо­леваний служат шизофрения, сахарный диабет и язвенная бо­лезнь. Для всех этих заболеваний характерно наличие наследст­венного предрасположения, но в то же время ясно, что болезнь развивается только у части генетически предрасположенных индивидуумов. Однако во всех подобных случаях нам не известна при­рода первичных эффектов соответствующих генов. Кроме того, мы не в состоянии достаточно четко определить те условия среды, которые приводят к возникновению заболевания у одних инди­видуумов в отличие от других, также генетически предрасполо­женных к нему.

Клинические нарушения в дей­ствительности развиваются только у небольшой части популяции (заштрихованный сектор), т. е. у тех индивидуумов, для которых генетическое предрасположение сочетается с воздействием небла­гоприятных условий среды.

Практическое значение такой постановки вопроса состоит в том, что она помогает, после того как найдены способы выявле­ния (с помощью генетических методов) в данной популяции предрасположенных к тому или иному заболеванию индивидуумов, обнаружить далее критические факторы среды. По существу, сле­дует выяснить, при каких условиях среды реализуется генетиче­ское предрасположение. Если это будет установлено, то можно соответствующим образом изменить условия среды, прежде чем у предрасположенных индивидуумов разовьются клинические нарушения.

Разумеется, для разных заболеваний доля генетически предрас­положенных людей в популяции может быть различной - очень малой или, наоборот, большой, да и часть популяции, подвергающаяся воздействию неблагоприятных условий среды, также может варьировать по величине. Сверх того, не исключено, что или иной вид предрасположения обусловлен несколькими действующими по-разному. Но поскольку эффекты таких генов неодинаковы, то и степень предрасположения будет варьи­ровать. Таким образом, на самом деле все линии должны быть далеко не столь четкими.

При всем том простой подход, который иллюстрирует приво­димая схема, весьма полезен при рассмотрении проблем, возни­кающих в связи с патологическими состояниями, в особенности более распространенными из них. Мы приходим к примечатель­ному парадоксу. Оказывается, что изучение генетики многих болезней может привести к разработке методов их предотвращения или лечения, заключающихся исключительно в изменениях среды. Весьма возможно, что одним из наиболее важных социальных и медицинских аспектов приложения генетических исследований окажется регулирование условий среды, поскольку чем точнее мы можем охарактеризовать генетическую конституцию индивиду­ума, тем яснее нам станет, каким образом следует изменять приспосабливать условия среды соответственно его потребностям.

Виды генных мутаций:

Генные мутации возникаю чаще, чем хромосомные и геномные, но менее значительно меняют структуру ДНК, в основном касаются только химической структуры отдельно взятого гена. Представляют собой замену, удаление или вставку нуклеотида, иногда нескольких. Также к генным мутациям относятся транслокации (перенос), дупликации (повторение), инверсии (переворот на 180°) участков гена, но не хромосомы.

Генные мутации происходят при репликации ДНК, кроссинговере, возможны в остальные периоды клеточного цикла. Механизмы репарации не всегда устраняют мутации и повреждения ДНК. Кроме того сами могут служить источником генных мутаций. Например, при объединении концов разорванной хромосомы часто теряется несколько нуклеотидных пар.

Если системы репарации перестают нормально функционировать, то происходит быстрое накопление мутаций. Если мутации возникают в генах, кодирующих ферменты репарации, то может нарушится работа одного или нескольких его механизмов, в результате чего количество мутаций сильно возрастет. Однако иногда бывает обратный эффект, когда мутация генов ферментов репарации приводит к снижению частоты мутаций других генов.

Помимо первичных мутаций в клетках могут происходить и обратные, восстанавливающие исходный ген.

Большинство генных изменений, как и мутаций двух других видов, вредны. Появление мутаций, обусловливающих полезные признаки для определенных условий среды, происходит редко. Однако именно они делают возможным процесс эволюции.

Генные мутации затрагивают не генотип, а отдельные участки гена, что, в свою очередь, обуславливает появление нового варианта признака, т. е. аллели, а не нового признака как такового. Мутон - это элементарная единица мутационного процесса, способная приводить к появлению нового варианта признака. Зачастую, для этого достаточно изменить одну пару нуклеотидов. С этой точки зрения мутон соответствует одной паре комплементарных нуклеотидов. С другой стороны, не все генные мутации являются мутонами с точки зрения последствий. Если изменение нуклеотидной последовательности не влечет за собой изменения признака, то с функциональной точки зрения мутации не произошло.

Одной паре нуклеотидов соответствует и рекон - элементарная единица рекомбинации. При кроссинговере в случае нарушения рекомбинации происходит неравный обмен участками между конъюгирующими хромосомами. В результате происходит вставка и выпадение нуклеотидных пар, что влечет сдвиг рамки считывания, в дальнейшем нарушение синтеза пептида с необходимыми свойствами. Таким образом для искажения генетической информации достаточно одной лишней или потерянной пары нуклеотидов.

Частота спонтанных генных мутаций находится в пределах от 10 -12 до 10 -9 на каждый нуклеотид ДНК на каждое деление клетки. Для проведения исследований ученые подвергают клетки воздействию химических, физических и биологических мутагенов. Вызванные таким образом мутации, называются индуцированными , их частота выше.

Замена азотистых оснований

Если происходит изменение только одного нуклеотида в ДНК, то такая мутация называется точечной . В случае мутаций по типу замены азотистых оснований одна комплементарная нуклеотидная пара молекулы ДНК заменяется в ряду циклов репликации на другую. Частота подобных происшествий составляет около 20% от общей массы всех генных мутаций.

Примером подобного является дезаминирование цитозина, в результате чего образуется урацил.

В ДНК образуется нуклеотидная пара Г-У, вместо Г-Ц. Если ошибка не будет репарирована ферментом ДНК-гликолазой, то при репликации произойдет следующее. Цепи разойдутся, напротив гуанина будет установлен цитозин, а напротив урацила - аденин. Таким образом, одна из дочерних молекул ДНК будет содержать аномальную пару У-А. При ее последующей репликации в одной из молекул напротив аденина будет установлен тимин. Т. е. в гене произойдет замена пары Г-Ц на А-Т.

Другим примером является дезаминирование метилированного цитозина, в результате которого образуется тимин. В последствии может возникнуть ген с парой Т-А вместо Ц-Г.

Могут быть и обратные замены: пара А-Т при определенных химических реакциях может заменяться на Ц-Г. Например, в процессе репликации к аденину может присоединиться бромурацил, который при следующей репликации присоединяет к себе гуанин. В следующем цикле гуанин свяжется с цитозином. Таким образом в гене пара А-Т заменится на Ц-Г.

Замена одного пиримидина на другой пиримидин или одного пурина на другой пурин называется транзицией . Пиримидинами являются цитозин, тимин, урацил. Пуринами - аденин и гуанин. Замена пурина на пиримидин или пиримидина на пурин называется трансверсией .

Точечная мутация может не привести ни к каким последствиям из-за вырожденности генетического кода, когда несколько кодонов-триплетов кодируют одну и ту же аминокислоту. Т. е. в результате замены одного нуклеотида может образоваться другой кодон, но кодирующий ту же аминокислоту, что и старый. Такая замена нуклеотидов называется синонимической . Их частота около 25% от всех замен нуклеотидов. Если же смысл кодона меняется, он начинает кодировать другую аминокислоту, то замена называется мисенс-мутацией . Их частота около 70%.

В случае мисенс-мутации при трансляции в пептид будет включена не та аминокислота, в результате чего его свойства изменятся. От степени изменения свойств белка зависит степень изменения более сложных признаков организма. Например, при серповидно-клеточной анемии в белке заменена лишь одна аминокислота - глутамин на валин. Если же глутамин заменяется на лизин, то свойства белка меняются не сильно, т. е. обе аминокислоты гидрофильны.

Точечная мутация может быть такой, что на месте кодирующего аминокислоту кодона возникает стоп-кодон (УАГ, УАА, УГА), прерывающий (терминирующий) трансляцию. Это нонсенс-мутации . Иногда бывают и обратные замены, когда на месте стоп-кодона возникает смысловой. При любой подобной генной мутации функциональный белок уже не может быть синтезирован.

Сдвиг рамки считывания

К генным относятся мутации обусловленные сдвигом рамки считывания, когда происходит изменение количества нуклеотидных пар в составе гена. Это может быть как выпадение, так и вставка одной или нескольких нуклеотидных пар в ДНК. Генных мутаций по типу сдвига рамки считывания больше всего. Наиболее часто они возникают в повторяющихся нуклеотидных последовательностях.

Вставка или выпадение нуклеотидных пар может произойти в следствие воздействия определенных химических веществ, которые деформируют двойную спираль ДНК.

Рентгеновское облучение может приводить к выпадению, т. е. делеции, участка с большим количеством пар нуклеотидов.

Вставки нередки при включении в нуклеотидную последовательность так называемых подвижных генетических элементов , которые могут менять свое положение.

К генным мутациям приводит неравный кроссинговер. Чаще всего он происходит в тех участках хромосом, где локализуются несколько копий одного и того же гена. При этом кроссинговер происходит так, что в одной хромосоме возникает делеция участка. Этот участок переносится на гомологичную хромосому, в которой возникает дупликация участка гена.

Если происходит делеция или вставка числа нуклеотидов не кратного трем, то рамка считывания сдвигается, и трансляция генетического кода зачастую обессмысливается. Кроме того, может возникнуть нонсенс-триплет.

Если количество вставленных или выпавших нуклеотидов кратно трем, то, можно сказать, сдвиг рамки считывания не происходит. Однако при трансляции таких генов в пептидную цепь будут включены лишние или утрачены значащие аминокислоты.

Инверсия в пределах гена

Если инверсия участка ДНК происходит внутри одного гена, то такую мутацию относят к генным. Инверсии более крупных участков относятся к хромосомным мутациям.

Инверсия происходит вследствие поворота участка ДНК на 180°. Часто это происходит при образовании петли в молекуле ДНК. При репликации в петле репликация идет в обратном направлении. Далее этот кусок сшивается с остальной нитью ДНК, но оказывается перевернутым наоборот.

Если инверсия случается в смысловом гене, то при синтезе пептида часть его аминокислот будет иметь обратную последовательность, что скажется на свойствах белка.

Наследственная информация клетки записана в виде нуклеотидной последовательности ДНК. Существуют механизмы защиты ДНК от внешних воздействий, чтобы избежать нарушения генетической информации, однако подобные нарушения регулярно происходят, их называют мутациями .

Мутации - изменения, возникшие в генетической информации клетки, эти изменения могут иметь разный масштаб и подразделяются на виды.

Типы мутаций

Геномные мутации - изменения, касающиеся числа целых хромосом в геноме.

Хромосомные мутации - изменения, касающиеся участков внутри одной хромосомы.

Генные мутации - изменения, происходящие внутри одного гена.

В результате геномных мутаций происходит изменение числа хромосом внутри генома. Это связано с нарушением работы веретена деления, таким образом, гомологичные хромосомы не расходятся к разным полюсам клетки.

В результате одна клетка приобретает в два раза больше хромосом, чем положено (рис. 1):

Рис. 1. Геномная мутация

Гаплоидный набор хромосом остается прежним, изменяется только количество комплектов гомологичных хромосом(2n).

В природе такие мутации нередко закрепляются в потомстве, они встречаются чаще всего у растений, а также у грибов и водорослей (рис. 2).

Рис. 2. Высшие растения, грибы, водоросли

Такие организмы называются полиплоидными, полиплоидные растения могут содержать от трех до ста гаплоидных наборов. В отличие от большинства мутаций полиплоидность чаще всего приносит пользу организму, полиплоидные особи крупнее обычных. Многие культурные сорта растений являются полиплоидными (рис. 3).

Рис. 3. Полиплоидные культурные растения

Человек может вызывать полиплоидность искусственно, воздействуя на растения колхицином (рис. 4).

Рис. 4. Колхицин

Колхицин разрушает нити веретена деления и приводит к образованию полиплоидных геномов.

Иногда при делении может происходить нерасхождение в мейозе не всех, а только некоторых хромосом, такие мутации называются анеуплоидными . К примеру, для человека характерна мутация трисомия 21: в этом случае не расходится двадцать первая пара хромосом, в результате ребенок получает не две двадцать первые хромосомы, а три. Это приводит к развитию синдрома Дауна (рис. 5), в результате чего ребенок получается умственно и физически неполноценным и стерильным.

Рис. 5. Синдром Дауна

Разновидностью геномных мутаций является также разделение одной хромосомы на две и слияние двух хромосом в одну.

Хромосомные мутации подразделяются на виды:

- делеция - выпадение участка хромосомы (рис. 6).

Рис. 6. Делеция

- дупликация - удвоение какого-то участка хромосом (рис. 7).

Рис. 7. Дупликация

- инверсия - поворот участка хромосомы на 180 0 , в результате чего в этом участке гены расположены в последовательности, обратной по сравнению с нормой (рис. 8).

Рис. 8. Инверсия

- транслокация - перемещение какого либо участка хромосомы в другое место (рис. 9).

Рис. 9. Транслокация

При делециях и дупликациях изменяется общее количество генетического материала, степень фенотипического проявления этих мутаций зависит от размеров изменяемых участков, а также от того, насколько важные гены попали в эти участки.

При инверсиях и транслокациях изменение количества генетического материала не происходит, изменяется лишь его расположение. Подобные мутации нужны эволюционно, так как мутанты часто уже не могут скрещиваться с исходными особями.

Список литературы

1. Мамонтов С.Г., Захаров В.Б., Агафонова И.Б., Сонин Н.И. Биология, 11 класс. Общая биология. Профильный уровень. - 5-е издание, стереотипное. - Дрофа, 2010.
2. Беляев Д.К. Общая биология. Базовый уровень. - 11 издание, стереотипное. - М.: Просвещение, 2012.
3. Пасечник В.В., Каменский А.А., Криксунов Е.А. Общая биология, 10-11 класс. - М.: Дрофа, 2005.
4. Агафонова И.Б., Захарова Е.Т., Сивоглазов В.И. Биология 10-11 класс. Общая биология. Базовый уровень. - 6-е изд., доп. - Дрофа, 2010.

1. Интернет портал «genetics.prep74.ru» ()
2. Интернет портал «shporiforall.ru» ()
3. Интернет портал «licey.net» ()

Домашнее задание

1. Где чаще всего встречаются геномные мутации?
2. Что такое полиплоидные организмы?
3. На какие виды подразделяются хромосомные мутации?