Мутация и ее виды. Генные мутации. Молекулярные механизмы мутагенеза. Классификация генных мутаций. Значимость генных мутаций для жизнедеятельности организма. Почему возникают мутации

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.

Мутационная изменчивость. Классификация мутаций. Мутация в половых и соматических клетках. Понятие о хромосомных и генных болезнях.

Мутация - это стойкое изменение генотипа, происходящее под влиянием внешней или внутренней среды.

Мутагенез - процесс возникновения мутаций.

Классификация мутаций:

1. По способу возникновения

Различают спонтанные и индуцированные мутации.

Спонтанные происходят в природе крайне редко с частотой 1-100 на миллион экземпляров данного гена. В настоящие время очевидно, что спонтанный мутационный процесс зависит как от внутренних, так и от внешних факторов, которые называют мутационным давлением среды.

Индуцированные мутации возникают при воздействии на человека мутагенами

• Факторами, вызывающими мутации. Мутагены же бывают трех видов:
• Физические (радиация, электро - магнитное излучение, давление, температура и т. д.);
• Химические (цитостатики, спирты, фенолы и т. д.);
• Биологические (бактерии и вирусы).

2. По отношению к зачатковому пути или по способности наследоваться при половом размножении

Существуют соматические и генеративные мутации. Генеративные мутации возникают в репродуктивных тканях и поэтому не всегда выявляются. Для того, чтобы выявилась генеративная мутация, необходимо, чтобы мутантная гамета учавствовала в оплодотворении.

Соматические мутации . Происходят в соматических клетках, не передаются потомкам при половом размножении.

Мутации в соматических клетках, которые передаются только потомкам этих клеток; не выходят за пределы данного организма. Соматические мутации, для примера, могут стать причиной появления злокачественных новообразований (в основе лежит повреждение ДНК).

Генеративные - возникают в половых клетках, передаются потомкам.

3. По адаптивному значению

Выделяют положительные, отрицательные и нейтральные мутации. Эта классификация связана с оценкой жизнеспособности образовавшегося мутанта.

4. По изменению генотипа

Мутации бывают генные, хромосомные и геномные.

5. По локализации в клетке

Мутации делятся на ядерные и цитоплазматические. Плазматические мутации возникают в результате мутаций в плазмогенах, находящихся в митохондриях. Полагают, что именно они приводят к мужскому бесплодию.

6. По проявления в гетерозиготе

Доминантные, рецессивные.

Хромосомные болезни - это крупная группа патологических наследственных состояний. Причиной хромосомных болезней является изменение структуры хромосом или изменение их количества.

Генные болезни - это крупная группа заболеваний, которые возникают как итог повреждения ДНК на уровне гена.

В рамках формальной классификации различают:

Геномные мутации – изменение количества хромосом;
хромосомные мутации – перестройка структуры отдельных хромосом;
генные мутации – и/или последовательности составных частей генов (нуклеотидов) в структуре ДНК, последствием которых становится изменение количества и качества соответствующих белковых продуктов.

Генные мутации происходят путем замещения, делеции (потери), транслокации (перемещения), дупликации (удвоения), инверсии (изменения) нуклеотидов в пределах отдельных генов. В том случае, когда речь идет о трансформациях в пределах одного нуклеотида, употребляют термин – точковая мутация.

Подобные трансформации нуклеотидов становятся причиной появления трех мутантных кодов:

С измененным смыслом (миссенс-мутации), когда в полипептиде, кодируемым данным геном, происходит замещение одной аминокислоты на другую;
с неизмененным смыслом (нейтральные мутации) – замена нуклеотидов не сопровождается заменой аминокислот и не оказывает заметного влияния на структуру или функцию соответствующего белка;
бессмысленных (нонсенс-мутации), которые могут стать причиной обрыва полипептидной цепи и обладают наибольшим повреждающим действием.

Мутации в различных частях гена

Если рассматривать ген с позиции структурно-функциональной организации, то происходящие в нем выпадения, вставки, замены и перемещения нуклеотидов можно условно разделить на две группы:

1. мутации в регуляторных областях гена (в промоторной части и в сайте полиаденилирования), которые вызывают количественные изменения соответствующих продуктов и проявляются клинически в зависимости от предельного уровня белков, но их функция еще сохраняется;

2. мутации в кодирующих областях гена:
в экзонах – становятся причиной преждевременного окончания белкового синтеза;
в интронах – могут генерировать новые сайты сплайсинга, которые, в итоге, заменяют исходные (нормальные);
в сайтах сплайсинга (в зоне стыка экзонов и интронов) – приводят к трансляции бессмысленных белков.

Для устранения последствий такого рода повреждений существуют специальные репарационные механизмы. Суть которых в удалении ошибочного участка ДНК, и тогда на этом месте восстанавливается исходный. Только в том случае, если репарационный механизм не сработал или не справился с повреждением, возникает мутация.

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.

Перечисленные типы мутаций могут происходить как в половых, так и соматических клетках. В последнем случае они могут быть переданы следующему поколению организмов только при вегетативном размножении.

В независимости от вида мутаций большинство из них вредны и удаляются из популяции в процессе естественного отбора. Однако бывают нейтральные или даже полезные мутации, повышающие жизнеспособность организма. Кроме того, изменения генов, вредные и нейтральные в определенных условиях среды, в других становятся полезными.

Также мутации делят на спонтанные и индуцированные. Первые возникают редко и случайно. Вторые - под действием мутагенов: химических веществ, различных излучений, биологических объектов, например, вирусов.

Генные мутации

Генные мутации затрагивают изменение одного гена. В свою очередь выделяют их различные виды:

• Замещение одной комплементарной нуклеотидной пары другой. Например, А-Т замещается на Г-Ц. По-другому такие генные мутации называют точечными.
• Вставка или выпадение комплементарной пары нуклеотидов, возможно нескольких, что ведет к сдвигу рамки считывания при транскрипции.
• Инверсия, т. е. переворот на 180°, небольшого участка молекулы ДНК , затрагивающая только один ген.

Основными источниками генных мутаций служат ошибки в процессах репликации, репарации, при кроссинговере. Они могут возникать спонтанно или под действием различных химических веществ.

В результате генных мутаций изменяется последовательность нуклеотидов генов, в которых они происходят. Это значит, что при трансляции таких генов изменится последовательность аминокислот в белке. Если произошло лишь замещение одного нуклеотида на другой, то в белке на месте одной аминокислоты может стоять другая. Однако из-за вырожденности генетического кода измененный кодон может кодировать такую же аминокислоту, что и исходный. В этом случае мутация не имеет последствий.

Сдвиг рамки считывания – более опасный вид генных мутаций, так как приводит к изменениям существенной части молекулы пептида или его синтез вообще обессмысливается.

Именно генные мутации дают множество аллелей одного и того же гена. Большинство генных мутаций сохраняется в рецессивном состоянии. Если ген мутирует и при этом остается доминантным, то велика вероятность гибели потомства и, следовательно, исчезновения возникшего изменения гена, так как большинство мутаций вредны.

Более подробно о генных мутациях можно прочитать .

Хромосомные мутации

Хромосомные мутации возникают в результате перестройки , когда затрагиваются области, включающие множество генов. Такие перестройки генотипа более опасны, чем генные, и нередко приводят к запуску механизмов самоуничтожения в клетке, т. к. делиться она уже не может.

При конъюгации и других процессах части хромосом могут утрачиваться, удваиваться и переворачиваться, происходить обмен участками между негомологичными хромосомами.

Хромосомные мутации обычно возникают из-за разрывов хроматид, после чего они соединяются уже по-другому.

Геномные мутации

Геномные мутации затрагивают не отдельные гены или части хромосомы, а весь геном клетки, в результате чего меняется количество хромосом. Данный вид мутаций возникает в следствие ошибок при расхождении хромосом в процессе мейоза.

Изменение количества хромосом в половой клетке может быть кратным (2n, 3n и т. д. вместо n) или некратным (например, n + 1, n + 2). Кратное изменение называют полиплоидей , некратное - анеуплоидией .

Полиплоидия широко распространена в мире растений, хотя есть и животные, которые в процессе эволюции возникли именно путем кратного увеличения количества хромосом.

Анеуплоидия обычно приводит к гибели или снижению жизнеспособности организма, тогда как полиплоидия к увеличению размеров клеток и органов.

Цитоплазматические мутации

ДНК содержится не только в ядре, но также в митохондриях и хлоропластах. ДНК цитоплазматических структур также может мутировать и передаваться следующему поколению клеток и организмов.

В случае половых клеток обычно цитоплазматические мутации передаются по женской линии, так как яйцеклетка крупнее сперматозоидов и включает множество органоидов.