Глава 6 неменделевское наследование наследственных болезней

Известно достаточно большое число наследственных бо­лезней, обусловленных изменением ДНК, которые, однако, не имеют менделевского характера наследования. В этой гла­ве мы рассмотрим митохондриальное наследование и мито­хондриальные болезни, а также импринтинг.

1. МИТОХОНДРИАЛЬНОЕ НАСЛЕДОВАНИЕ

И МИТОХОНДРИАЛЬНЫЕ БОЛЕЗНИ

Митохондрии являются клеточными органеллами. Особен­ности строения митохондрий указывают на их эндосимбио- тическое происхождение. Митохондрии имеют две высоко­специализированные мембраны — наружную и внутреннюю, кольцевую молекулу ДНК, а также собственные системы транскрипции и трансляции. Каждая клетка содержит неско­лько сотен митохондрий. В них осуществляется ряд важных биохимических цепей реакций, из которых особенное значе­ние для энергетического обмена клетки имеет окислительное фосфорилирование. В результате этого процесса образуются молекулы АТФ (аденозинтрифосфат) — основного источника энергии во многих биохимических превращениях. В мито­хондриях также содержатся ферменты, участвующие в био­синтезе пуринов, в цикле трикабоновых кислот, мочевины, окисления пирувата и т.д.

Дыхательная цепь митохондрий состоит из 5 мультифер- ментных комплексов, субъединицы которых кодируются как ядерными, так и митохондриальными генами. В переноске электронов участвуют коэнзим Q10 и цитохром с. Электроны поступают от молекул NAD*H и FAD*H и переносятся по ды­хательной цепи. Высвобождаемая энергия используется для транспорта протонов к внешней мембране митохондрий, а возникающий электрохимический градиент — для синтеза АТФ с помощью комплекса V дыхательной цепи митохонд­рий.

Как уже отмечено, митохондрии имеют собственную ДНК, в каждой митохондрии содержится 10 и более молекул ДНК. Геном митохондриальной ДНК (мтДНК) полностью расшифрован. Он включает 16 569 нуклеотидов, которые об­разуют двунитевую кольцевую молекулу. В митохондриаль­ном геноме есть гены для двух рибосомальных РНК, 22 тРНК и 13 полипептидов, участвующих в реакциях окислительного фосфорилирования (рис. 6.1); мтДНК не содержит интронов.

Рис. 6.1. Митохондриальная ДНК.

На схеме указаны гены мтДНК, точки репликаций тяжелой (Он) и легкой (Ol) цепей, некодирующая петля D.

Митохондриальные белки, вовлеченные в окислительное фосфорилирование, включают компоненты комплекса I (субъединицы NADH-дегидрогеназы: ND1—ND6), комплек­са III (цитохром b), комплекса IV (субъединицы цитохромок- сидазы I, II, III) и комплекса V (субъединицы 6 и 8 митохон­дриальной АТФазы). Все другие гены, кодирующие митохон­дриальные белки (примерно 1100), транскрибируются в ядре, транслируются в цитоплазме, затем импортируются митохон­дриями. Нарушение взаимодействия между митохондриаль-

»

Рис. 6.2. Пример родо­словной с материнским наследованием мито­хондриального заболе­вания.

Больные отцы не передают митохондриальное заболе­вание своим детям. Боль­ные матери могут передать митохондриальное заболе­вание как своим дочерям, так и сыновьям (113, III7).

L-5

Ill 666 о ш • •

1 2 3 А'—Н5 6 7¹—I—'8

1 2 3 4 5

ным и ядерным геномами служит причиной разнообразной митохондриальной патологии.

Поскольку мтДНК содержится в цитоплазме клеток, она наследуется только по материнской линии. В цитоплазме яй­цеклетки есть тысячи митохондрий и, следовательно, десятки тысяч молекул мтДНК. В то же время в сперматозоиде име­ется только несколько молекул мтДНК, которые не попадают в оплодотворяемое яйцо. Поэтому мужчины наследуют мтДНК от своих матерей, но не передают ее своим потомкам. Такой тип наследования называется материнским наследо­ванием, или наследованием по материнской линии. Родослов­ная, демонстрирующая материнское наследование митохон­дриального заболевания, приведена на рис. 6.2.

Обычно все копии мтДНК идентичны, и такое состояние называют гомоплазмией. Иногда, однако, в мтДНК возникают мутации. Вследствие не очень совершенной работы митохонд­риальной ДНК-полимеразы и репаративных систем мутации в мтДНК возникают в 10 раз и более чаще, чем в ядерной ДНК. Появление мутации в одной из молекул мтДНК может приве­сти к возникновению двух популяций мтДНК в клетке, что называют гетероплазией. В результате деления клеток мутант­ная мтДНК попадает в другие клетки, где она продолжает раз­множаться. Этот процесс распространения мутантной, как, впрочем, и нормальной мтДНК, называют репликативной сег­регацией. Доля мутантной мтДНК во время этого процесса мо­жет существенно меняться. Причинами изменения доли му­тантной мтДНК при делении клеток могут быть как селектив­ные преимущества мутантной мтДНК, так и случайные коле­бания в числе молекул мтДНК, попадающих во вновь делящи­еся клетки. При такой сложности механизма наследования мутантной мтДНК вызывает удивление, как часто популяция мутантной мтДНК в яйцеклетке оказывается в состоянии го- моплазмии. Однако даже в том случае, когда в оплодотворен­

ной яйцеклетке находится смесь из мутантных и нормальных молекул мтДНК, вероятность развития митохондриального за­болевания у потомка может быть достаточно высокой. Энерге­тические потребности разных тканей организма, которые удовлетворяются в значительной мере митохондриальной АТФ, различны. Наиболее энергопотребляющей является нервная система. Именно поэтому эта система в первую оче­редь поражается при митохондриальных болезнях.

Классификация митохондриальных болезней базируется на двух принципах: 1) участие мутантного белка в реакциях окис­лительного фосфорилирования; 2) кодируется ли мутантный белок мтДНК или ядерной ДНК.

В класс I входят первичные дефекты окислительного фос­форилирования. Подкласс 1а включает заболевания, возника­ющие в результате мутаций в генах мтДНК, которые кодиру­ют субъединицы белков, участвующих в окислительном фос- форилировании, митохондриальные тРНК и рРНК. В под­классе 1а выделяют три группы в зависимости от природы мутаций: крупные делеции и дупликации мтДНК, точковые мутации и небольшие перестройки в генах, кодирующих бел­ки, и небольшие мутации в генах тРНК и рРНК. Мутации, относящиеся к классу 1а, могут проявиться только в том слу­чае, когда они имеются в 60 % и более мтДНК. Митохондри­альные болезни класса lb обусловлены мутациями в ядерных генах (более 70 %), кодирующих субъединицы белков, кото­рые участвуют в окислительном фосфорилировании.

Митохондриальные болезни класса II вызваны мутациями ядерных генов, продукты которых импортируются митохонд­риями и нарушают транскрипцию, трансляцию или реплика­цию мтДНК, вызывают прямое повреждение мтДНК или ре­парацию таких повреждений, нарушают сборку субъединиц ферментов, участвующих в реакциях окислительного фосфо­рилирования или их импорт митохондриями. В этот же класс попадают те болезни, которые вызываются эндогенными или экзогенными токсинами. Мы рассмотрим те митохондриаль­ные болезни, которые попадают в класс 1а.

К классу I митохондриальных болезней относится атро­фия дисков зрительных нервов Лебера. Заболевание проявляет­ся острой или подострой потерей центрального зрения, обу­словленной атрофией зрительных нервов. Заболевание может начаться как в детском, так и в пожилом возрасте. У некото­рых больных атрофия зрительных нервов сочетается с симп­томами энцефаломиопатии. Атрофия зрительных нервов Ле­бера обусловлена мутациями в генах мтДНК, кодирующих субъединицы комплекса I. Наиболее частая мутация — за­мена Г на А в 11778-м нуклеотиде гена ND4 (Арг340-»Гис). Кроме того, к атрофии Лебера дисков зрительных нервов ве­дут мутации в генах ND1 и ND6.

К этому же классу относится синдром Лея (подострая не- кротизирующая энцефаломиелопатия). Синдром Лея часто ассоциируется с недостаточностью цитохромоксидазы, а так­же с заменой Т на Г в 8933-м положении 6-й субъединицы АТФ-синтазы (Лей56->Арг). Синдром Лея возникает только тогда, когда мутантная мтДНК составляет не менее 90 % всей мтДНК. Если же процент мутантной ДНК оказывается ниже, то проявляется синдром нейропатии, атаксии и пигментного ретинита. Мутации, приводящие к синдрому Лея, выявлены также в флавопротеиновой единице сукцинатдегидрогеназно- го комплекса. Синдром Лея возникает также в случае мута­ций в двух ядерных генах, и тогда он относится к классу II митохондриальных болезней.

Синдром нейропатии, атаксии и пигментной дистрофии сетчатки (NARP) может проявляться как в младенчестве, так и позже, вплоть до 2-го десятилетия жизни. Кроме патоло­гии, вошедшей в название синдрома, у больных могут быть деменция, судороги, мотосенсорная нейропатия, тугоухость. Наиболее частой мутацией при синдроме NARP является за­мена Т-»С в положении 8993 гена АТФазы мтДНК.

Синдром миоклонус-эпилепсии и рваных красных мышечных волокон (MERRF), который проявляется эпилепсией, демен­цией, атаксией и миопатией, возникает в случае мутации в гене тРНК. Синдром может проявляться в детском и взрос­лом возрастах. Кроме указанных симптомов, при синдроме MERRF у больных иногда наблюдают нейросенсорную туго­ухость, деменцию, атрофию зрительных нервов, спастиче­скую диплегию. Обычно при этом синдроме выявляется вы­раженная гетероплазмия, поэтому экспрессивность синдрома резко варьирует.

Еще один синдром, обусловленный точковой заменой в гене тРНК, — это синдром митохондриальной энцефаломиопа- тии и инсультоподобных эпизодов (MELAS). При нем также наблюдается гетероплазмия и как ее следствие экспрессив­ность синдрома довольно сильно варьирует. Основные кли­нические проявления включают энцефаломиопатию, инсуль­топодобные состояния, обычно преходящие, с восстановле­нием функции, судороги, атаксию, миоклонус-эпилепсию, мигренеподобные головные боли.

К митохондриальным заболеваниям, обусловленным деле­ниями или дупликациями, относятся синдром Кернса—Сайра (миопатия, мозжечковые нарушения и сердечная недостаточ­ность), синдром Пирсона (панцитопения, молочно-кислый ацидоз и недостаточность поджелудочной железы), а также хроническая прогрессирующая наружная офтальмоплегия, кото­рая проявляется птозом. Область делеций мтДНК занимает протяженный участок мтДНК от начала репликации тяжелой цепи до начала репликации легкой цепи. Как правило, деле-

ции маркированы короткими прямыми повторами нуклео­тидных последовательностей. Предполагают, что эти повторы и ложное спаривание нитей ДНК в процессе репликации служит причиной возникновения множественных делеций мтДНК.

Нарушением взаимодействия между ядерным и митохонд­риальным геномами объясняют синдром истощения мтДНК, а также синдром множественных делеций мтДНК. Оба эти со­стояния наследуются как аутосомно-доминантные признаки, поэтому причиной, вероятно, являются мутации ядерных ге­нов.

Болезни дыхательной цепи митохондрий, обусловленные мутациями ядерных генов, можно объединить в две груп­пы — митохондриальные миопатии и митохондриальные энце- фаломиопатии. Эти заболевания наследуются как менделев- ские признаки, но обусловлены недостаточностью фермен­тов, входящих в один из комплексов дыхательной цепи мито­хондрий.

2. ГЕНОМНЫЙ ИМПРИНТИНГ И БОЛЕЗНИ ИМПРИНТИНГА

К настоящему времени известны три класса исключений из менделевского правила идентичности гибридов в 1-м по­колении. Первое исключение известно давно, и оно связано с ^-сцепленным наследованием. Второе, только что рассмот­ренное, касается признаков, определяемых генами мтДНК, которые обладают так называемым материнским наследова­нием. В основе этих двух классов отклонений от менделев­ского наследования лежат различия в генетическом вкладе родителей в генотип потомства. При ^-сцепленном наследо­вании потомство может получить от матери только хромосо­му X, в то время как от отца хромосому либо X, либо Y. При митохондриальном наследовании зигота, образующаяся в ре­зультате слияния половых клеток, получает митохондрии и содержащуюся в них мтДНК только через яйцеклетку.

Недавно генетики и эмбриологи описали третье исключе­ние — это геномный импринтинг, когда оба родителя переда­ют потомкам совершенно идентичные гены, но эти гены не­сут специфический отпечаток пола родителей, т.е. отцовские и материнские гены активированы или супрессированы во время гаметогенеза по-разному. Таким образом, в некоторых случаях важно, от кого из родителей унаследован ген.

Термин «импринтинг» (imprint — отпечаток) впервые пред­ложил в 1960 г. X. Кроуз из Колумбийского университета США для описания селективной элиминации отцовских хро­мосом у насекомых. Геномный импринтинг называют эпигене- тинеским явлением, подчеркивая этим, что наследуются изме­нения генной активности, обусловленные родительским про­исхождением хромосом или их фрагментов, а не структурные перестройки генетического материала (мутации). Таким об­разом, в некоторых участках генома, подверженных геномно­му импринтингу, экспрессируется только один отцовский или материнский аллель, т.е. наблюдается моноаллельная эк­спрессия импринтированных генов (генов, которые диффе­ренциально экспрессируются в зависимости от отцовского или материнского происхождения) в отличие от обычной диаллельной. Причем если импринтирован материнский ген, то экспрессируется отцовский аллель и наоборот. Наличие такого способа регуляции работы генов свидетельствует о не­эквивалентном вкладе родителей в функционирование гено­ма потомков, а фенотипические признаки, контролируемые импринтированными локусами, могут появляться в результа­те не только мутаций генов, но и нарушения эпигенетиче­ской программы регуляции генной экспрессии.

Геномный импринтинг занимает особое место среди спе­цифических механизмов регуляции активности генов на ран­них стадиях развития, приводя к различиям в экспрессии го­мологичных материнских и отцовских аллелей. Первоначаль­ный «отпечаток», созданный в половых клетках, служит основанием для дальнейших модификаций в результате взаи­модействий между родительскими геномами и цитоплазмати­ческими факторами яйцеклетки во время формирования про­нуклеуса (автономное существование яйцеклетки и спермато­зоида в зиготе). Последующие эпигенетические модифика­ции могут привести к тому, что изменения в экспрессии ге­нов будут стабильно передаваться в процессе развития кле­точных поколений. Геномный импринтинг, например, может изменять дозу генов, контролирующих рост эмбриона, кле­точную пролиферацию и дифференцировку.

Изучение геномного импринтинга у млекопитающих нача­лось в начале 80-х годов XX в. после опытов на мышах, про­веденных Дж.МакГратом, Д.Солтером и М.Сурани. Авторы разработали изящный микрохирургический метод переноса клеточных ядер мышиных эмбрионов в стадии пронуклеусов и показали, что наследование хромосомных наборов только от одного из родителей приводит к нарушению процесса раз­вития. Оказалось, что отцовский генетический вклад важен для развития плаценты, а материнский вклад необходим для развития тела эмбриона. Далее было показано, что наследо­вание части индивидуальных хромосом или целой хромосомы только от одного из родителей может также приводить к ано­мальному фенотипу.

Примером импринтинга целого генома у человека являет­ся истинный пузырный занос, который возникает при оплодо­творении яйцеклетки, лишенной материнских хромосом, двумя сперматозоидами. Несмотря на наличие полноценного диплоидного набора, ранний эмбриогенез таких зигот проте­кает аномально: ткани собственно эмбриона вообще не фор­мируются, однако бурно разрастается трофобласт. В случае двойного набора материнских хромосом развивается терато­ма — эмбриональная опухоль. Следовательно, у человека, как и у мыши, на ранних стадиях развития геном отца преимуще­ственно обеспечивает развитие провизорных органов, а ге­ном матери — эмбриональных структур. Только материнский или только отцовский геномы не в состоянии обеспечить нормальное развитие эмбриона.

На организменном уровне эффект импринтинга обнару­жен в связи с наличием в хромосомном наборе фрагментов или целых хромосом одного (материнского или отцовского) происхождения — так называемая однородительская дисомия (ОРД), т.е. наблюдается качественный, а не количественный хромосомный дисбаланс. Известны два основных механизма образования ОРД у человека: коррекция трисомии до дисо- мии (гетеродисомия), происходящая в Ьм мейотическом де­лении, и коррекция моносомии до дисомии (изодисомия) — во 2-м мейотическом делении.

Феноменология импринтинга значительно лучше изучена у мыши, чем у человека, и поскольку известна гомология между хромосомами человека и мыши (примерно по 700 ло- кусам), можно использовать данные по импринтингу, полу­ченные на мышах, для целенаправленного поиска имприн­тинга по определенным локусам у человека.

Импринтированные гены и их транскрипты обнаружены на многих хромосомах человека — 1, 5, 6, 7, 11, 13, 15, 19, 20 и X. На хромосоме 7 мыши и хромосомах 7 и 75 человека найдены два больших кластера ортологичных импринтиро- ванных генов, т.е. эволюционно консервативных по статусу импринтинга. Идентифицированы гены с полиморфным им- принтингом, т.е. с сочетанием моноаллельной экспрессии в одних тканях и диаллельной — в других. По-видимому, такая тканеспецифическая эпигенетическая модификация некото­рых генов может быть одним из механизмов, обеспечиваю­щих дифференциальную экспрессию генов клеток разных тканей в ходе развития.

В последние годы интенсивно изучается эффект геномно­го импринтинга в связи с различной патологией у человека. Примеров заболеваний, в основе этиологии которых лежит нарушение функции импринтированных участков генома, довольно много, поэтому можно говорить об особом классе заболеваний человека — «болезнях импринтинга», которых на­считывается уже более 30. Основные из них приведены в табл. 6.1.

Заболевание	Хромосома	Происхождение
Синдром Адамса—Оливера.		Материнское
Болезнь Альцгеймера		Отцовское
Синдром Энжельмена	15	Материнское
Атопия	11	То же
Церебеллярная атаксия		Отцовское
Расщелина губы		То же
Врожденный порок сердца		Материнское
Семейные опухоли клубочков	11	Отцовское
Синдром ломкой хромосомы X	X	Материнское
Синдром Гольденхара		То же
Хорея Гентингтона (ювенильная форма)	4	Отцовское
Идиопатический гипертрофиче­ский субаортальный стеноз		То же
Злокачественная гипертермия	19	Материнское
Миотоническая дистрофия (врожденная)	19	То же
Нарколепсия	6	» »
Дефекты невральной трубки		Отцовское
Нейрофиброматоз 1	17	Материнское
Нейрофиброматоз II	22	То же
Поликистоз почек (два локуса)	16 и ?	Материнское и от­цовское
Поликистоз яичников		Материнское
Синдром Прадера— Вилли	15	Отцовское
Псориаз		То же
Псевдопсевдогипопаратиреоз	20	Материнское
Спиноцеребеллярная атаксия		Отцовское
Туберозный склероз		Материнское
Синдром Видемана—Беквита	11	То же
Билатеральная спорадическая ретинобластома	13	» »
Агенезия почек, аномалии лица	16	» »
Синдром лицевых аномалий, микрокрании, аномалий респи­раторного тракта, гепатомегалии	14	Отцовское
Синдром Сильвера—Рассела	7	Материнское
Синдром умственной отсталос­ти, низкого роста, преждевре­менного полового созревания	14	То же

Наиболее убедительные данные получены при синдроме Прадера—Вилли (СПВ) и синдроме Энжельмена (СЭ), кото­рые, имея существенно разные клинические проявления, в своей основе имеют сходные молекулярно-цитогенетические изменения (табл. 6.2 и 6.3).

Таблица 6.2. Корреляция генотип—фенотип при синдроме Энже­льмена

Симптом	Del 15qll—ql3 (70—75 %)	ОРД (2-3 %)	Мутации «импринтинга» (3-4 %)
Тяжелая умственная отсталость	+	+	+
Отсутствие речи	+	+	+
Атаксия	+	+	+
Судороги	+	+	+
Пароксизмы смеха	+	+	+
Г иперактивность	+	+	+
Аномалии ЭЭГ	+	+	+
Характерное лицо	+	+	+
Гипопигментация	+	+	—

Таблица 6.3. Корреляция генотип—фенотип при синдроме Пра­дера—Вилли

Симптом	Del 15qll-ql3 (70—75 %)	ОРД (20-25 %)	Мутации «импринтинга» (3-4 %)
Мышечная гипотония	+	+	+
Ожирение	+	+	+
Полифагия	+	+	+
Характерное лицо	+	+	+
Умственная отсталость	+	+	+
Гипогонадизм	+	+	+
Акромикрия	+	+	+
Низкий вес при рождении	—	+	—
Низкий рост при рождении	—	+	—
Гипопигментация	+	+	—

Наиболее частой причиной возникновения СПВ и СЭ яв­ляется протяженная (до 4 млн п.н.) делеция критического района 15{qll—qlJ), которую находят у 70—75 % больных с этими синдромами. Делецию при СПВ обнаруживают на от­цовской хромосоме 15, а при СЭ делеция той же области —

А

НОРМА Гены СПВ СЭ

ОДНОРОДИ­

ТЕЛЬСКАЯ

ДИСОМИЯ

ктивный ген Неактивный ген

Гены СПВ СЭ
	—н 1 Мат.
Гены СПВ СЭ
	—1 | — Мат.
	—1 1 — Отц.

"ДЕЛЕЦИЯ

Синдром Синдром

Прадера - Вилли Энжельмена

Рис. 6.3. Механизмы возникновения синдромов Прадера—Вилли и Энжельмена через делецию участка хромосомы 15 или однороди­тельскую дисомию по хромосоме 15.

СПВ — синдром Прадера—Вилли; СЭ — синдром Энжельмена; мат. — ма­теринская хромосома; отц. — отцовская хромосома.

на ее материнском гомологе. Второй причиной возникнове­ния СПВ и СЭ оказалась однородительская дисомия, т.е. на­следование обоих гомологов хромосомы 15 от одного из ро­дителей. С помощью ДНК-маркеров региона делеции путем блотт-гибридизации по Саузерну, а также анализа метилиро­вания было продемонстрировано различное родительское происхождение хромосомы 15: в первом случае отцовское, во втором — материнское. Поскольку этот регион хромосомы 15 идентичен аналогичному региону хромосомы 2 мыши, для которого хорошо известен геномный импринтинг, исследова­ния стали проводить в этом направлении. Оказалось, что ре­гион СПВ активен на отцовской хромосоме (при наличии де­леции на отцовской хромосоме или материнской ОРД отсут­ствуют отцовские гены) и не активен на материнской (рис. 6.3). Из рис. 6.3 видно, что при СПВ не экспрессируются от­цовские гены, а при СЭ — материнские гены. Материнская

ОРД наблюдается в 25 % случаев СПВ, а отцовская ОРД ста­новится причиной возникновения СЭ в 3—5 % случаев.

В последние годы появились сообщения еще об одной причине развития этих синдромов у пациентов, у которых не было найдено ни типичных делеций, ни ОРД, но зато в семь­ях таких больных встречались повторные случаи синдрома. В ходе исследования в проксимальном участке хромосомы 15 были обнаружены противоположно импринтированные ге­ны — кандидаты СПВ и СЭ, соответственно SNRPN и UBE3A, в которых выявили мутации. Ген SNRPN кодирует полипептид N малого ядерного рибонуклеопротеина, актив­но экспрессируется исключительно на отцовской хромосоме 15 и репрессирован на материнском гомологе, т.е. мутации в этом гене вовлечены в патогенез СПВ. Критический регион для СЭ расположен дистальнее (локус D15S10), который экс­прессируется только в материнских хромосомах. Предполага­ют, что мутации при СЭ есть в гене UBE3A, кодирующем убиквитинлигазный белок ЗА. Экспрессия этого белка выяв­лена во всех тканях человека, причем в ряде структур мозга ген UBE3A активен лишь на материнской хромосоме. Дефи­цит материнской копии этого гена в клетках Пуркинье (гру­шевидных невроцитах мозжечка) и нейронах гиппокампа мо­жет, по-видимому, объяснить клиническую картину СЭ (ум­ственная отсталость, атаксия, тремор и др.). Таким образом, в районе хромосомы 15(qll—ql3) имеются близко располо­женные, но противоположно импринтированные локусы, от­вечающие за возникновение этих двух синдромов.

Эта область хромосомы 15 чрезвычайно существенна для нормальной переустановки геномного импринтинга. Она на­звана центром импринтинга (1C). Мутации в данной области приводят к ошибкам импринтинга, т.е. теряется способность стирать отпечаток предшествующего поколения. Так, если в сперматогенезе отца не происходит замены «женского» имп- ринта на «мужской» на его материнской хромосоме, то в сле­дующем поколении возникнет состояние, аналогичное мате­ринской ОРД, которое' будет сопровождаться фенотипом СПВ. Нарушение установления «женского» эпигенотипа на отцовских хромосомах в овогенезе матери приведет к разви­тию СА у потомства.

Повторный риск для трех групп семей при СПВ и СЭ бу­дет существенно различаться. Так, при делециях он будет ниже 1 %, при ОРД риск также низкий, но в этом случае нужно учитывать возраст матери, который может увеличивать риск. При мутациях в центре импринтинга повторный риск будет существенно выше не только для родителей больного, но и ближайших родственников.

Достаточно хорошо изучен в плане импринтинга также синдром Беквита—Видемана (СБВ), имеющий следующие основные признаки: макросомию, макроглоссию, пупочную грыжу, повышенную предрасположенность к опухолям. При нем обнаруживают структурные и функциональные аномалии критического района короткого плеча хромосомы 11. Гены- кандидаты для СБВ (CDKN1C и IGF2) расположены в этом регионе (11р15.5), где находится кластер импринтированных генов. Среди семейных случаев СБВ почти в 40 % выявляют мутации гена CDKN1C, а в спорадических — не более 5 %. В гене, экспрессирующемся с отцовской хромосомы, мута­ции не выявляются, но у больных с этим синдромом найдена диаллельная экспрессия гена, т.е. ген начинает экспрессиро­ваться с материнской хромосомы, либо диаллельная экспрес­сия является результатом отцовской ОРД. Такое явление на­зывают потерей импринтинга, его обнаруживают у 20 % боль­ных СБВ. Кроме того, многие другие гены из кластера генов, расположенных в этом регионе, проявляют эффект имприн­тинга, который может приводить к заболеванию. Суммарно структурную и функциональную патблогию при СБВ можно определить в 85—95 % случаев.

Связь геномного импринтинга с другой наследственной патологией человека на уровне хромосом или отдельных ге­нов также отчетливо прослеживается и в настоящее время широко изучается. Так, например, при хорее Гентингтона и спинно-мозжечковой атаксии I заболевание возникает рань­ше и протекает тяжелее, если унаследованные гены имеют отцовское происхождение. При нейрофиброматозе 1 и 2, миотонической дистрофии, наоборот, заболевание имеет бо­лее раннее начало и тяжелое течение при унаследовании му­тантных генов от матери. Не вызывает сомнения причаст­ность геномного импринтинга к этиологии опухолевого рос­та. Выключение импринтинга, а также потеря гетерозигот- ности или ОРД по хромосомам или их участкам, содержа­щим импринтированные локусы, могут приводить к функ­циональной нуллисомии генов-супрессоров опухолевого ро­ста или к аберрантной экспрессии протоонкогенов, что мо­жет лежать в основе возникновения рака. Кроме того, веро­ятность ОРД повышается не только с возрастом матери, но и у носителей изохромосом, робертсоновских и реципрок- ных транслокаций. Следует иметь в виду, что ОРД (изодисо- мия) может привести к гомозиготизации определенных ре­гионов хромосомы и быть причиной аутосомно-рецессивной патологии. Такие случаи описаны, например, при муковис- цидозе.

В последние годы с помощью молекулярно-генетических методов феномен геномного импринтинга наблюдают и при мультифакториальных заболеваниях. Например, четко выра­женный отцовский импринтинг обнаружен при атопическом дерматите, материнский — при бронхиальной астме и атопии у детей. При инсулинзависимом сахарном диабете выявлена более высокая вероятность отцовского импринтинга. Ген ин­сулина у человека расположен в кластере импринтированных генов 11р15 и гомологичен локусам в мышином геноме, под­верженным импринтингу. Кроме того, обнаружена ОРД от­цовского происхождения у детей с неонатальным сахарным диабетом.

Точные механизмы, лежащие в основе дифференциальной экспрессии материнских и отцовских геномов, пока не изве­стны. Основную роль в этом процессе отводят специфиче­скому метилированию цитозиновых оснований ДНК. Важ­нейшими особенностями метилирования ДНК являются, во-первых, стабильное сохранение в ряду многих поколений клеток, а во-вторых, прямое или косвенное влияние на эксп­рессию генов. Специфическое для пола метилирование неко­торых участков генома устанавливается во время гаметогене- за. Известно, что некоторые повторяющиеся и даже уникаль­ные последовательности ДНК являются недометилированны- ми в яйцеклетках и гиперметилированными в сперматозои­дах. Такие различия между родительскими хромосомами со­храняются и после оплодотворения и стабильно передаются в следующие клеточные поколения. Как правило, активный ген ассоциируется со сниженным метилированием или его отсутствием, а неэкспрессирующий генетический регион — с гиперметилированием. Тканеспецифичное метилирование цитозиновых остатков ДНК осуществляется в ходе гамето- и эмбриогенеза с помощью ДНК-метилтрансфераз.

Значительная доля импринтированных генов (до 15 %) ас­социирует с антисмысловыми транскриптами. Такие транс­крипты представлены обычно антисмысловой РНК, происхо­дящей из интронов некоторых генов, и колинеарной ДНК. Эта антисмысловая РНК не выполняет кодирующих функций и, возможно, является регуляторной. Предполагают, что су­ществуют и другие механизмы, регулирующие дифференциа­льную активность отцовских и материнских генов.

Описывают две модели смены эпигенотипа хромосом в гаме- тогенезе. Согласно первой, переключение эпигенотипа про­исходит только в той из гомологичных хромосом, которая унаследована от родителя противоположного пола, а вторую хромосому модификации не затрагивают. Вторая модель предполагает предварительное устранение («стирание») суще­ствующего эпигенотипа на обеих родительских хромосомах с последующим установлением импринта, соответствующего данному полу. За последние годы в результате многочислен­ных исследований метилирования и функционирования имп­ринтированных генов в клетках зародышевого пути были по­лучены убедительные доказательства в пользу второго пред­положения.

Таким образом, хотя роль метилирования в обеспечении аллельспецифической экспрессии генов несомненна, остается неясным, является ли метилирование первичным эпигенети­ческим сигналом, который «стирается» и устанавливается в га- метогенезе, или представляет собой некий вторичный процесс по отношению к более ранней стадии импринтинга и служит лишь для поддержания ранее установленного импринта.

Хотя в настоящее время не вызывает сомнения, что мети­лирование ДНК является эпигенетической меткой и оно до­статочно хорошо изучено и характерно практически для всех импринтированных генов и локусов, нельзя исключить и другие пока еще неизвестные механизмы. Дальнейшее изу­чение геномного импринтинга (особенно в рамках функцио­нальной геномики) будет иметь существенное значение для понимания тонких механизмов регуляции генной активности в онтогенезе и его связи с патологией человека.

Митохондрии являются клеточными органеллами. В них осуществляется ряд важных биохимических цепей реак­ций, из которых особенное значение для энергетического обмена клетки имеет окислительное фосфорилирование. В результате этого процесса происходит образование мо­лекул АТФ, основного источника энергии во многих био­химических превращениях.

Митохондрии имеют собственную ДНК, и в каждой митохондрии содержится 10 и более молекул ДНК. Геном мтДНК полностью расшифрован. Он включает 16 569 нук­леотидов, которые образуют двунитевую кольцевую моле­кулу. В митохондриальном геноме есть гены для двух ри- босомальных РНК, 22 тРНК и 13 полипептидов, участву­ющих в реакциях окислительного фосфорилирования, мтДНК не содержит интронов.

Поскольку мтДНК содержится в цитоплазме яйцекле­ток, она наследуется только по материнской линии. В ци­топлазме яйцеклетки тысячи митохондрий и, следователь­но, десятки тысяч молекул мтДНК. В то же время в спер­матозоиде имеется только несколько молекул мтДНК, ко­торые не попадают в оплодотворяемое яйцо.

Мутации в мтДНК возникают в 10 раз и более чаще, чем в ядерной ДНК. Если в клетке содержится смесь из нор­мальной и мутантной мтДНК, то это называют гетероплаз- мией, а если только один тип мтДНК — гомоплазмией.

Классификация митохондриальных болезней базирует­ся на двух принципах: 1) участие мутантного белка в реак­циях окислительного фосфорилирования; 2) кодируется ли мутантный белок мтДНК или ядерной ДНК.

Точковые мутации в генах мтДНК, которые кодируют субъединицы белков, участвующих в окислительном фос-

форилировании, митохондриальные тРНК и рРНК вызы­вают такие заболевания, как атрофия зрительных нервов Лебера, синдром нейропатии, атаксии и пигментной дист­рофии сетчатки (NARP), синдром миоклонус-эпилепсии и рваных красных мышечных волокон (MERRF), синдром митохондриальной энцефаломиопатии и инсультоподоб­ных эпизодов (MELAS). К митохондриальным заболева­ниям, обусловленным делециями или дупликациями, от­носятся синдром Кернса—Сайра (миопатия, мозжечковые нарушения и сердечная недостаточность), синдром Пир­сона (панцитопения, молочнокислый ацидоз и недоста­точность поджелудочной железы), а также хроническая прогрессирующая наружная офтальмоплегия, которая проявляется птозом.

Еще одним исключением из менделевских правил на­следования является геномный импринтинг, когда оба ро­дителя передают потомкам совершенно идентичные гены, но эти гены несут специфический отпечаток пола родите­лей, т.е. отцовские и материнские гены активированы или супрессированы по-разному.

Геномный импринтинг — эпигенетическое явление, так как наследуются изменения генной активности, обу­словленные родительским происхождением хромосом или их фрагментов, а не структурные перестройки генетиче­ского материала (мутации).

У человека эффект импринтинга обнаружен в связи с наличием в хромосомном наборе фрагментов или целых хромосом одного (материнского или отцовского) проис­хождения — так называемая однородительская дисомия (ОРД), т.е. наблюдается качественный, но не количест­венный хромосомный дисбаланс. Известны два основных механизма образования ОРД у человека: коррекция трисо- мии до дисомии (гетеродисомия), происходящая в 1-м мейотическом делении, и коррекция моносомии до дисо­мии (изодисомия) — во 2-м мейотическом делении.

Импринтированные гены и их транскрипты обнаруже­ны на многих хромосомах человека — 1, 5, 6, 7, 11, 13, 15, 19, 20 и X.

В последние годы интенсивно изучается эффект геном­ного импринтинга в связи с различной патологией у чело­века. Заболеваний, в основе этиологии которых лежит на­рушение функции импринтированных участков генома («болезни импринтинга»), насчитывается более 30. Наибо­лее изучены синдромы Прадера—Вилли (СПВ) и Энжель- мена (СЭ). Самой частой причиной возникновения СПВ и СЭ является протяженная (до 4 млн п.н.) делеция кри­тического района 15(qll—ql3), которую находят у 70— 75 % больных с этими синдромами.