nasledstvennost

По-поводу мутаций генов-регуляторов нет таких строгих доказательств. У млекопитающих механизм генетической регуляции синтеза белка отличается, очевидно, от такового у микроорганизмов, описанных в 1961 году Jcob et Monod. С точки зрения изучения генных болезней о наличии регуляторных генов и мутаций в них можно говорить лишь предположительно. На сегодня существует только несколько биохимически хорошо изученных генных болезней, которые в настоящее время трудно объяснить как последствия структурных генных мутаций (талассемии, порфирии, болезнь Виллебранда, оротоацидурия).

Существует несколько уровней регуляции синтеза белка: 1) претранскрипционный, 2) трансскрипционный, 3) трансляционный. На всех этих этапах, осуществляемых соответствующими ферментами, могут возникать наследственные аномалии.

Генные мутации могут привести к отсутствию какого-либо фермента (альбинизм, алкаптонурия, фенилкетонурия, синдром Леш-Нихена), транспортного (цистинурия, семейный гипофосфатемический рахит) или рецепторного (семейная гиперхолестеринемия, тестикулярная феминизация) белка.

Мутации, вызывающие наследственные болезни, могут затрагивать любые белки: структурные, транспортные, ферменты. Если принять, что у человека примерно 100000 генов, то это значит, что может быть такое же количество наследственных болезней генной природы, потому что каждый ген может мутироваться и обусловливать другое строение белка. Более того, каждый ген может мутироваться до нескольких десятков и сотен раз (ведь он состоит не менее, чем из 500 нуклеотидов). Каждое звено в цепи биохимических реакций осуществляется каким-либо ферментом и, следовательно, контролируется определенным геном в соответствии с правилом «один ген - один фермент».

Исходя из этого правила, Beadlе et Tatum (1941-1945) попытались обосновать концепцию патогенеза наследственных болезней. Авторы показали, что мутация одного гена приводит к изменению лишь одной первичной биохимической реакции. Так сформировалось представление о том, что каждый ген контролирует биосинтиез, специфичность и функцию только одного определенного фермента. Детали этой концепции позднее были уточнены. В частности, установлено, что продуктами генов могут быть не только ферменты, но и другие белки (гемоглобин, транспортные белки крови, антитела, гормоны белковой природы и т.д.). Установлено, что химическим эквивалентом генетического локуса (или функциональной единицей ДНК) является цистрон, который содержит генетическую информацию об одном из полипептидов, входящих в состав ДНК. Поэтому более правильно говорить о том, что «один цистрон - один полипептид», а развитие наследственных признаков происходит по следующей схеме: ген → фермент → метаболиты → клетки → ткани → органы → организм.

В 1961 году Jacob et Monod была предложена модель регуляции биосинтеза белка, используя основные положения которой, можно объяснить, в какой-то степени возможно появление либо качественно, либо количественно измененного белка, что наблюдается клиницистами в различных вариантах наследственных болезней. Согласно их теории, в клетке имеется несколько видов генов (по их функциональной значимости):

11

1.Структурные гены (с них иРНК считывает информацию), определяющие последовательность аминокислот в полипептидной цепи.

2.Контролирующие гены:

-ген регулятор, отвечающий за синтез белка-репрессора, который контролирует активность оперона,

-ген-оператор, который в зависимости от ситуации «разрешает» иРНК или «не разрешает» считывать информацию со структурного гена.

Белок-репрессор может связываться с определенным участком ДНК и тем самым препятствовать связыванию РНК-синтезирующих ферментов. Репрессор выключает определенный ген или группу смежных генов, поэтому транскрипция закодированной в них информации становится невозможной, а клетка при этом не может синтезировать и соответствующие белки.

Исходя из этой теории, полагают, что мутация структурного гена приводит к формированию качественно нового белка, а мутация контролирующего гена - к количественным изменениям. Например, в основе серповидно-клеточной анемии лежит мутация гена, который отвечает за синтез β-цепи глобина, при этом глютаминовая кислота заменяется на валин, что приводит к образованию качественно нового гемоглобина - HbS

ипоявлению дрепаноцитов (эритроцитов в виде серпа). Наглядными примерами количественных изменений синтезируемого белка являются: большая группа талассемий, агаммаглобулинемия, гемофилия и др.

Отсутствие или низкая активность ферментов ведет к возникновению наследственных болезней обмена веществ - энзимопатий. Схематически общий патогенез энзимопатий можно представить следующим образом. В организме вещество А, последовательно претерпевая изменения, превращается в вещество D. На каждом этапе такого ферментативного превращения осуществляется контроль соответствующими

гемами: А → В → С → D. Варианты возможных энзимопатий, если мутирован γ-ген.

1.Вещество D не образуется, что обусловливает соответствующую патологию. По такому типу нарушения синтеза фермента наследуется, например, альбинизм: мутация гена приводит к дефициту фермента тирозиназы, нарушая превращение тирозина в пигмент меланин - в итоге развивается альбинизм.

2.Вещество D не образуется, а накапливается вещество С в избытке, что приводит к патологическим изменениям в организме. Такой вариант энзимопатий наблюдается при алкаптонурии. Она возникает вследствие нарушения синтеза фермента оксидазы гомогентизиновой кислоты, превращающей гомогентизиновую кислоту в малеилацетоуксусную. Это приводит к накоплению в организме гомогентизиновой кислоты.

3.Вещество D также не образуется, а появляются иные продукты (х, y, z), что сопровождается патологией. Пример энзимопатии такого рода - фенилкетонурия. Недостаток фенилаланингидроксилазы блокирует превращение фенилаланина в тирозин. Образующиеся продукты метаболизма фенилаланина (фенилпируват, фениллактат, фенилацетат и др.) оказывают токсическое влияние на организм, в первую очередь, на нейроны коры головного мозга (развивается олигофрения).

12

При снижении активности уридилтрансферазы (как, например, при галактоземии) происходит накопление в клетках галактозо-1-фосфата, который подавляет ферментативные реакции углеводного обмена с участием фосфорилированных промежуточных продуктов. Это приводит к поражению печени, мозга и другим общим проявлениям. Катаракты, характерные для этого заболевания, образуются за счет высокой концентрации галактозо-1-фосфата в жидкостях организма.

Существует большая группа молекулярных наследственных заболеваний с неизвестным до сих пор первичным генным продуктом (например, муковисцидоз в виде его кишечной и легочной форм). Во всех случаях заболевания характерен густой секрет экзокринных желез, который закупоривает их протоки, в результате чего образуются кисты. Также неясна картина в отношении молекулярных дефектов при многих наследственных заболеваниях костей, нервно-мышечных дистрофиях, пигментном ретините, нейрофиброматозе. Клинические характеристики патогенеза для многих заболеваний довольно хорошо описаны, но они отражают не первично пораженное звено, а только заключительные стадии формирования заболевания.

Частота генных болезней определяется интенсивностью мутационного процесса и давлением отбора, который определяет плодовитость мутантов и гетерозигот. Общая частота генных болезней в популяции в целом равна примерно 1-2%. Частота отдельных форм колеблется от 1:2000-3000 (муковисцидоз) до 1:100000 (гепатолентикулярная дегенерация, атаксия-телеангиэктазия и др.) и реже. Частота генной болезни считается высокой, если встречается 1 больной на 10000 новорожденных и менее, средней - 1: 10000-40000, и далее низкие частоты.

5. Основные методы исследования наследственных заболеваний человека, принципы терапии и профилактики

В отношении человека, как объекта генетических исследований, существует две точки зрения:

1.Одни полагают, что человек является крайне неблагоприятным объектом генетических исследований.

2.Другие, наоборот, находят в человеке много преимуществ.

Почему же человек - неблагоприятный объект для генетических исследований?

♣Невозможность экспериментальных браков, т.е. искусственного создания брака (скрещивания). Нельзя по заранее составленной схеме получить и проанализировать потомство от родителей с известным генотипом. Еще Н.К.Кольцов в 1923 году писал «...

мы не можем заставить Н. Нежданову выйти замуж за Ф. Шаляпина, чтобы посмотреть, каковы у них будут дети». При генетическом анализе человека как бы выпадает основа гибридологического метода - экспериментальное скрещивание. Этот «недостаток» можно преодолеть двумя путями: среди множества человеческих семей исследователь может найти такие, которые соответствуют его схемам исследования; успешно разрабатываемый метод гибридизации соматических клеток позволяет уже в некоторых случаях проводить генетический анализ, используя культуру клеток человека.

♣Ограниченное количество потомков (1-2-3 ребенка) в семье. Даже в государствах с большим приростом населения количество детей в семье не более 3-4, а 10-15 детей -

13

крайне редко. В любом случае размер семьи настолько мал, что не позволяет вести анализ расщепления признаков в потомстве в пределах одной семьи. Однако, зная признак, по которому анализируется потомство, можно подобрать не одну, а необходимое количество семей.

♣Длительность смены поколений. Для смены одного поколения человека нужно в среднем 30 лет, а это значит, что генетик не может наблюдать более 1-2 поколений. Этот недостаток в известной мере устраняется большими популяциями человека, регистрацией признаков в течение длительного времени (на протяжении нескольких поколений).

♣Достаточно большой по количеству набор хромосом (групп сцепления). Он состоит из 23 пар, что затрудняет их генетическое и цитологическое картирование и снижает тем самым возможность генетического анализа.

♣Модификация наследственной изменчивости под влиянием образа жизни, социальных факторов.

♣Организационные недостатки (но они исправимы): плохая сохранность документации, неудовлетворительная регистрация браков, рождаемости, смертности, диагностики наследственных болезней и статистики.

Преимущества человека, как генетического объекта:

1.Хорошая изученность фенотипа человека - анатомическая, физиологическая, иммунологическая, биохимическая, клиническая. Специалисты различного профиля продолжают независимо от интересов генетиков изучать человека, что, несомненно, помогает генетику легко распознавать многие формы наследственных отклонений.

2.Возможность использовать все методы, применяемые в медицине (биохимические, морфологические, иммунологические, электрофизиологические, клинические и др.), которые дают возможность регистрировать признак и выражать его количественно.

Для решения сугубо генетических задач применительно к человеку в настоящее время используют следующие методы:

1. Генеалогический (генеалогия - греч. genealogia; от genea рождение, происхождение, поколение + logos слово, изложение - установление родственных связей между индивидумами в пределах одного поколения или в ряду поколений, или родословная) - метод родословных, т.е. прослеживание болезни (или признака) в семье или роду с указанием типа родственных связей между членами родословной. В медицинской генетике его часто называют клинико-генеалогическим, так как речь идет об изучении патологических признаков в семье с помощью клинических приемов обследования. Он относится к наиболее универсальным методам в генетике человека. Этот метод используется для установления наследственного характера признака, определения типа наследования и пенетрантности гена, при анализе сцепления генов и картирования хромосом, при изучении интенсивности мутационного процесса, при расшифровке механизмов взаимодействия генов, при медико-генетическом консультировании. Суть этого метода сводится к выяснению родственных связей и к прослеживанию признака или болезни среди близких и дальних, прямых и непрямых родственников. Он включает два этапа: составление родословных и генеалогический анализ.

14

Составление родословной начинается с пробанда (лицо, первое попавшее в поле зрения исследователя). Чаще всего это больной или носитель изучаемого признака. Дети одной родительской пары называются сибсами (братья-сестры). Семьей в узком смысле называют родительскую пару и их детей. Обычно родословная собирается по одному или нескольким признакам. Она может быть полной (составление по восходящему, нисходящему и боковым направлениям) и ограниченной. Для наглядности готовят графическое изображение родословной. Грубой ошибкой является искусственное укорочение звеньев родословной в связи с трудностями обследованных родственников II и III степени. Генеалогический анализ позволяет установить генетические закономерности: наследственный характер признака и тип наследования.

Недостатки и ошибки при использовании генеалогического метода могут быть обусловлены неправильной диагностикой болезни (признака) и возможностью неправильного определения отцовства за счет внебрачных связей (от 1-3 до 10%).

2.Близнецовый метод - исследование генетических закономерностей на близнецах. Он был предложен Galton в 1875 г. При использовании этого метода производится сопоставление монозиготных близнецов с дизиготными, партнеров монозиготных пар между собой, данных анализа близнецовой выборки с общей популяцией.

Монозиготными близнецами (однояйцевые, идентичные) называются индивиды, выросшие из одной зиготы, разделившейся на ранних стадиях дробления на 2 части; они обладают идентичными генотипами. Дизиготные близнецы (двуяйцевые, неидентичные) возникают за счет оплодотворения двух яйцеклеток, развивающихся в течение одной беременности. Они имеют в среднем 50% идентичных генов, но отличаются от обычных сибсов значительно большей общностью факторов среды.

Общая частота двойнями равна приблизительно 1%, из которых 1/4-1/3 приходится на рождение монозиготных близнецов. Близнецовый метод применяется для:

- оценки соотносительной роли наследственности и среды в развитии признака; - установления наследственного характера признака и определения пенетрантности

гена;

- оценки действия некоторых внешних факторов: лекарственных препаратов, методов воспитания, обучения.

Этот метод включает 3 этапа: 1) сопоставление близнецовой выборки, 2) установление зиготности, 3) сопоставление пар и групп близнецов по рассматриваемым признакам.

Диагностика основывается на анализе наиболее изученных моногенных полиморфных признаков (эритро- и лейкоцитарные антигены, группы белков сыворотки крови и т.д.). Дизиготные близнецы в отличие от монозиготных отличаются по этим признакам. Если какой-либо качественный признак встречается у обоих близнецов данной пары - это конкордантная пара, а если только у одного из них - это дискордантная пара близнецов.

3.Популяционно-статистический метод основан на использовании наследственных признаков в больших группах населения из одной или нескольких популяций, в одном или нескольких поколениях. Изучаются выборки из конкретных популяций с применением

15

статистической обработки полученного материала. Этот метод используется для изучения:

•частоты генов в популяции, включая частоту наследственных болезней,

•мутационного процесса,

•роли наследственности и среды в возникновении болезней, особенно болезней с наследственным предрасположением,

•роли наследственности и среды в формировании фенотипического полиморфизма по нормальным признакам,

•значения генетических факторов в антропогенезе, в частности в расообразовании. Возможные ошибки этого метода могут быть связаны с недоучетом миграции

населения и с тем, что выбранные группы отличаются по большему число признаков, чем сравниваются.

4.Цитогенетический метод основан на микроскопическом изучении хромосом. Его начали широко использовать в генетике человека только с 20-х годов ХХ века для:

- диагностики хромосомных болезней, - составления карт хромосом, - изучения мутационного процесса,

- решения некоторых эволюционных проблем в генетике человека, - изучения нормального хромосомного полиморфизма в человеческой популяции.

Именно с этим методом связано открытие всех форм хромосомных болезней. С его помощью изучается частота хромосомных и геномных мутаций в зародышевых клетках и частота хромосомных аберраций в соматических клетках. Культуры соматических клеток человека являются хорошими объектами для проверки мутагенности факторов среды (физических, химических, биологических). Цитогенетическими методами изучаются механизмы мутагенеза.

Основные сведения о морфологии хромосом человека получены при их изучении в метафазе митоза и профазе-метафазе мейоза. Для прямого хромосомного анализа можно использовать клетки костного мозга и гонад (семенников), полученные путем биопсии, что ограничивает цитогенетические исследования без культивирования. Поэтому основные цитогенетические работы выполнены на культурах клеток человека, особенно на лимфоцитах периферической крови.

Культивирование лейкоцитов периферической крови в течение 2-3 суток в присутствии фитогемагглютинина (ФГА) позволяет получить большое число метафаз. Кроме лейкоцитов, можно культивировать клетки эпидермиса, амниотической жидкости. «Сортировка» хромосом (во время метафазы) прямо под микроскопом или чаще всего на микрофотографиях позволяет построить кариотип - т.е. упорядоченно расположить хромосомы по их отличительным признакам. В основе идентификации хромосом лежит два признака: общая длина хромосомы и расположение центромера; но он не позволяет индивидуально идентифицировать все хромосомы. Поэтому используются более точные методы: радиоавтографический, окраска хромосом флуорохромами, красителем Гимзы, гибридизация нуклеиновых кислот на цитологических препаратах.

5.Методы генетики соматических клеток. Поскольку соматические клетки содержат весь объем генетической информации, на них можно изучать генетические

16

закономерности целостного организма. Соматические клетки человека характеризуются 5 основными свойствами, позволяющими их использовать в генетических исследованиях:

-быстрое размножение их на питательных средах, что позволяет получать необходимое их количество для анализа,

-они подвергаются клонированию - можно получать генетически идентичное потомство,

-разные клетки могут сливаться, образуя гибридные клоны,

-легко подвергаются селекции на специальных питательных средах,

-хорошо и долго сохраняются при глубоком замораживании.

Культуру соматических клеток человека получают для генетических исследований из материала биопсий или аутопсий (кожа, опухоли, периферическая кровь, костный мозг, ткань эмбрионов, клетки из околоплодной жидкости). В настоящее время чаще используются фибробласты и лимфоидные клетки. В генетике человека используют 4 метода из генетики соматических клеток: простое культивирование, клонирование, гибридизация и селекция.

В настоящее время обосновано 4 подхода в борьбе с наследственными болезнями:

1.Массовое «просеивание» новорожденных на наследственные дефекты обмена веществ.

2.Пренатальная диагностика.

3.Медико-генетическое консультирование.

4.Контроль мутагенной опасности факторов окружающей среды.

1. Массовое «просеивание» новорожденных на наследственные болезни обмена веществ наряду с другими методами является основой профилактики наследственных болезней в популяциях. «Просеивание» (аналог - скрининг) означает предположительное выявление недиагностированной ранее болезни с помощью тестов, обследований или других процедур, дающих быстрый ответ.

Проще говоря, просеивание - это обследование контингентов с целью подразделения их на группы с высокой и низкой вероятностью заболевания. «Просеивают» заболевания, для которых установлена связь между мутантным геном и поврежденной биохимической функцией. Изменения в биохимических параметрах по срокам своего проявления предшествуют возникновению клинических симптомов.

Современные программы массового просеивания предусматривают выявление фенилкетонурии, гипотиреоза, врожденной гипоплазии надпочечников, галактоземию, муковисцидоз, гомоцистинурию, лейциноз, гистидинемию, аминоацидопатии, недостаточность ɑ1-антитрипсина. В практике массового просеивания на наследственные болезни обмена веществ используется кровь (пуповинная, капиллярная, венозная) и сыворотка крови.

Просеивание в зависимости от искомого дефекта проводят среди различного контингента с учетом возраста, национальной и расовой принадлежности. Просеивание на наследственные аминоацидопатии и гипотиреоз необходимо проводить в первые дни жизни, чтобы терапия оказалась эффективной; просеивание на носительство гемоглобинопатии и болезни Тея-Сакса - у лиц, вступающих в брак. Просеивание на гемоглобинопатию целесообразно в популяциях или расовых группах, подвергшихся

17

действию малярийного фактора отбора, а просеивание на носительство болезни Тея-Сакса (в Израиле) - у евреев-ашкенази, у которых мутантный ген встречается в 10 раз чаще, чем в других популяциях.

Например, в программах массового просеивания на фенилуксусную кислоту и другие аминоацидопатии используют три метода: микробиологический по Гатри (на его долю приходится 90%), хроматографический и флюорометрический.

2. Пренатальная диагностика осуществляется с помощью разных методов исследования в I и II триместрах. В ней нуждается 10-15% семей, обращающихся в медико-генетическую консультацию. Показания к проведению пренатальной диагностики:

-пожилой возраст родителей,

-гетерозиготное носительство хромосомной аномалии,

-предыдущее рождение ребенка с болезнью Дауна, врожденными пороками развития или умственной отсталостью,

-Х-сцепленная патология,

-наследственные дефекты метаболизма,

-тератогенные воздействия.

Пренатальная диагностика представляет собой комплексное исследование, основанное на использовании лабораторных и инструментальных методов:

1)ультразвуковое исследование (врожденные пороки развития),

2)фетоскопия используется для взятия образцов крови, кожи или других органов плода (показания - токсоплазмоз, вирусная краснуха, гемофилия, талассемия, осложнения связанные с самопроизвольным прерыванием беременности,

3)фетоамниография использовалась до появления УЗИ для диагностики врожденных пороков развития костной системы, спинномозговых и пупочных грыж и особенно атрезий желудочно-кишечного тракта. Использование контрастных веществ вызывает осложнения, как у беременной, так и у плода,

4)диагностический амниоцентез (в сроки 14-20 недель беременности) - это акушерско-хирургическая процедура, позволяющая получить амниотическую жидкость для последующих лабораторных исследований (в 1-2% случаев после амниоцентеза наблюдается гибель плода). Амниотические клетки используют для культивирования и цитогенетических исследований, для диагностики лизосомных болезней, альфафетопротеина, для диагностики более 60 форм наследственных ферментопатий,

5)диагностическая биопсия хориона (хориоцентез). Оптимальный срок для биопсии

-17-я неделя беременности, а результаты, связанные с культивированием амниотических клеток, могут быть получены спустя 3-5 недель. Используют 3 основных методики получения биоптата хориона: с помощью щипцов, методом эндоцервикальной аспирации и с помощью браши (по типу лабораторного ершика для пробирок). Этот метод используют для диагностики хромосомных и биохимических (молекулярных) нарушений.

3. Медико-генетическое консультирование включает:

- выявление наследственной формы патологии на основании осмотра больного, составления родословной, цитологических, биохимических, кариологических и других методов диагностики наследственных болезней,

18

-определение степени риска появления потомства с наследственными дефектами развития у лиц из семей, отягощенных наследственной патологией, вступающих в брак и желающих иметь детей. В обоснованных случаях рекомендуется воздержаться от заключения брака,

-выявления нарушений в геноме, обменных процессов у плода с помощью методов пренатальной диагностики с возможным дальнейшим прерыванием беременности, если риск рождения больного ребенка достаточно высок. Однако, принятие окончательного решения о прерывании или сохранении беременности остается за супругами,

-искусственное осеменение от генетически здорового донора применимо в тех случаях, когда рождение здорового потомства невозможно из-за доминантного характера наследования патологии.

4. Контроль мутагенной опасности факторов окружающей среды осуществляют генетики, экологи, врачи гигиенического профиля, учитывая естественный фон радиации

иего колебания, дрейф мутаций и т.п.

Принципы лечения наследственных заболеваний:

1.Симптоматическое лечение - хирургическое лечение расщелины верхней губы и твердого неба, сросшихся пальцев, корригирующие линзы при близорукости и др.

2.Патогенетическая терапия - воздействие на те механизмы, которые формируют наследственное заболевание:

- заместительная терапия - восполнение недостающего компонента (введение инсулина при сахарном диабете, свертывающих факторов при гемофилии и т.д.) или удаление части железы при гиперфункции;

- когда повышен синтез тех или иных веществ, то уменьшают их образование путем применения медикаментов, угнетающих их образование;

- диетотерапия - при нарушении расщепления тех или иных веществ (галактозы, фенилаланина) их исключают из диеты;

- медикаментозное лечение направлено на удаление продуктов, избыточно накапливающихся в организме. Например, при поражении печени в ней накапливаются ионы меди, поэтому применяют ионообменные смолы, которые препятствуют всасыванию меди в кишечнике.

3.Генная инженерия - это направление исследований в молекулярной биологии и генетике, конечной целью которого является получение с помощью лабораторных методов организмов с новыми комбинациями наследственных свойств. В основе лежит целенаправленное манипулирование с фрагментами нуклеиновых кислот, т.е. конструируется из различных фрагментов генетического материала нужные фрагменты и вводятся в реципиентный организм.

19