Не так все просто

Каждый из нас генетически несовершенен. По мере разработки все новых и новых генетических тестов у каждого человека можно обнаружить мутацию, предрасполагающую к тому или иному заболеванию.

Ф. Коллинс, директор Международной программы «Геном человека»

Возможно, в будущем доклиническая и даже пренатальная диагностика наследственной патологии превратится в рутинную процедуру. Пока же генетики изучают молекулярные основы моногенных болезней и исследуют генетические факторы риска распространенных заболеваний.

Дефект гена

Сколько генов содержится в отдельно взятом ядерном геноме яйцеклетки или сперматозоида? Может, тысяч восемьдесят. Может, и больше. Но не намного — тысяч, эдак, на десять или, максимум, на двадцать. Точнее пока сказать нельзя — еще не все гены идентифицированы.

Если же говорить об идентифицированных генах, то среди них, вопреки ожиданиям, только 17% кодируют ферменты клеточного метаболизма. 12% идентифицированных генов человека кодируют большую группу белков, участвующих во внутриклеточной передаче сигналов. За экспрессию генов и регуляцию ее различных стадий отвечают 22% генов, добрая половина которых приходится на структурные гены так называемых транс-действующих факторов. (Иными словами, регуляторных белков — активаторов и супрессоров. Именно они — активаторы и супрессоры — и контролируют транскрипцию структурных генов белков, которые в ходе развития и дифференцировки, формируют специфические фенотипы клеток и тканей.)

Бывает, что, получив в наследство от родителей один-единственный дефектный структурный ген или одну-единственную транс-генную мутацию, ребенок рождается больным. Классическая генетика подобные болезни называет моногенными, ибо наследуются они в полном соответствии с законами Менделя.

Многие из моногенных заболеваний можно распознать либо по отсутствию, либо по частичному дефициту того или иного белка без каких-либо структурных и функциональных аномалий.

Нередко такие наследственные дефициты обусловлены дефектами экспрессии структурных генов. Возникают нарушения экспрессии по разным причинам. Иногда — из-за делеций различной протяженности (проще говоря, из-за утраты части гена). Иногда — из-за нонсенс-мутаций, превращающих смысловые, т. е. кодирующие какую-нибудь аминокислоту, последовательности нуклеотидов в бессмысленные. Иногда — из-за появления или выпадения одного или нескольких нуклеотидов, число которых не кратно трем. А порой и из-за мутаций, нарушающих структуру экспрессионных сигналов.

Но случается — и довольно часто — что дефициты белков связаны с мутациями, локализованными в структурных генах белков-реуляторов транскрипции, белков системы образования активной мРНК из РНК — первичного транскрипта гена или белков-ферментов, катализирующих созревание белков и их внутриклеточный транспорт после синтеза на рибосомах. Мутации такого рода принято называть транс-действующими.

Для некоторых транс-действующих мутаций удалось идентифицировать структуру мутантных аллелей и выяснить их связь с клиническим синдромом или специфическими дефицитами индивидуальных белков. Пример тому — мутации генов-регуляторов транскрипции, вызывающие множественные нарушения при формировании органов и систем в эмбриогенезе и гепатолентикулярная дегенерация, известная еще как болезнь Вилсона-Коновалова.

Одно из проявлений болезни Вилсона-Коновалова — выраженный дефицит медь-транспортного белка церулоплазмина. То, что первичный дефект при этой патологии локализован не в гене церулоплазмина, как того можно было ожидать, а в гене, кодирующем мембранный белок со свойствами медь-транспортной АТФазы,— факт установленный. Остается выяснить связь между генными мутациями с количественным дефицитом церулоплазмина и клиническим симптомокомплексом.

С транс-действующими мутациями связаны и дефициты белков-ферментов внутриклеточных органелл — лизосом и пероксисом. Находятся эти мутации, скорее всего, в генах трех групп:

• либо в группе генов, кодирующих морфогенетические белки органелл, необходимые для формирования органелл и внутриклеточного транспорта ферментов в эти органеллы,
• либо в группе генов, кодирующих белки-активаторы лизосомальных ферментов,
• либо в группе структурных генов ферментов, участвующих в реакции модификации, столь необходимой для некоторых ферментов (например, групповой дефицит лизосомальных сульфатаз обусловлен недостаточностью фермента, без которого невозможна модификация специфического остатка цистеина в активных центрах сульфатаз).

Что скрыто в имени твоем?

Представление о «генах предрасположенности» появилось недавно, в ходе выполнения масштабной программы по изучению генных основ индивидуальной чувствительности человека к неблагоприятным факторам окружающей среды. По сути своей «гены предрасположенности» есть не что иное, как мутантные аллели. Они совместимы с рождением и постнатальной жизнью, но при определенных условиях могут содействовать развитию того или иного заболевания. Болезни, в которых повинны и генетические, и экзогенные факторы носят название мультифакториальных. Сами же «гены предрасположенности» в зависимости от природы провоцирующего фактора подразделяются на «гены внешней среды» и «гены-триггеры».

Попадая в организм, любое чужеродное вещество — от промышленного яда до лекарства — с помощью ферментов семейства цитохромов Р450 или микросомальных эпоксид-оксидаз (mEPOX) вначале активируется, образуя короткоживущие промежуточные электрофильные метаболиты с генотоксическими свойствами. При участии ферментов семейств глутатионтрансфераз (GSTM), УДФ-глюкуронсульфотрансфераз (UDF) и N-ацетилтрансфераз (NAT) эти промежуточные метаболиты превращаются в водорастворимые нетоксические продукты и выводятся из организма.

Такова общая схема «обезвреживания» ксенобиотиков.

Однако при изучении популяционных и этнических особенностей системы детоксикации выяснилось, что с изменением условий проживания, питания и образа жизни населения могут меняться и гены, кодирующие ферменты детоксикации. Следствием такой мутации нередко становится изменение активности того или иного фермента. Но это еще не все.

Как обнаружилось, чаще всего функционально неполноценные аллели* встречаются при заболеваниях, в этиологии которых важную роль играют экзогенные факторы. Поэтому гены с такими аллелями и принято причислять к «генам предрасположенности» или, точнее говоря, к «генам внешней среды».

*аллели - различные формы одного и того же гена, расположенные в одинаковых участках гомологичных (т. е. парных) хромосом

Один из таких генов — ген глутатион-S-трансферазы.

По имеющимся данным, нормальный аллель этого гена имеют более половины россиян. Остальные 40% населения гомозиготны** по нуль-аллелю, вследствие чего глутатион-S-трансфераза у них просто не вырабатывается. Особенно часто неполноценный аллель встречается у больных раком легких, хроническим обструктивным бронхитом и раком мочевого пузыря. Не исключено, что ген глутатион-S-трансферазы играет не последнюю роль в этиологии и патогенезе эндометриоза — мультифакториального заболевания, поражающего каждую десятую женщину белой расы. По крайней мере во Франции и Северо-Западном регионе России: во Франции нулевой аллель гена глутатион-S-трансферазы обнаружен у 80% больных эндометриозом, в России — у 56% (при том, что в обеих странах его распространенность незначительно превышает 40%). Заметно чаще в этих же популяциях у больных эндометриозом встречается и медленная форма гена N-ацетилтрансферазы. Причем гомозиготность по нулевому аллелю глутатион-S-трансферазы равно, как и гомозиготность по медленному аллелю N-ацетилтрансферазы, делает больных невосприимчивыми к иммуномодулирующей терапии.

**гомозигота - клетка или организм, в наследственном наборе которого гомологичные хромосомы несут одну и ту же форму данного гена

Тот же ген N-ацетилтрансферазы может способствовать возникновению рака молочной железы, но при одном условии: если женщина курит. У курильщиц, гомозиготных по медленному аллелю этого гена, риск рака молочной железы возрастает почти в 20 раз. Курящим женщинам из группы быстрых «ацетиляторов» эта опасность не грозит.

Не самое благоприятное влияние на здоровье могут оказывать и патологические аллели эпоксид-гидролазы. К примеру, среди 6% россиян, гомозиготных по аномальной «медленной» форме микросомальной эпоксид-гидролазы и проявляющих повышенную чувствительность к табачному дыму, различным оксидантам и соединениям с усиленной продукцией свободных радикалов, гораздо чаще, чем в среднем по популяции, встречаются больные с эмфиземой и обструктивными легочными пневмониями. У больных муковисцидозом — тяжелым наследственным заболеванием, обусловленным мутациями в гене хлорных каналов эпителиальных клеток, присутствие «медленного» аллеля микросомальной эпоксид-гидролазы значительно увеличивает вероятность особенно тяжелых легочных нарушений. К тому же наличие очень медленного аллеля этого гена способствует более раннему проявлению нарушений функции легких при муковисцидозе. Однако в отличие от россиян у французов, страдающих муковисцидозом, аналогичный эффект дают совершенно иные гены — функционально неполноценные аллели глутатион-S-трансферазы и N-ацетилтрансферазы. Так что маркеры для прогнозирования течения муковисцидоза в России и Франции различаются.

Что касается «генов-триггеров», к которым причисляются мутантные аллели структурных генов и генов-регуляторов, обеспечивающих клеточный гомеостаз, то за последние десятилетия появилось немало доказательств их непосредственного участия в возникновении мультифакториальных болезней.

Примером «гена-триггера» может служить ген рецептора витамина D3.

Около 16% представителей белой расы гомозиготны по функционально неполноценному аллелю этого гена, и именно их особенно часто поражает остеопороз, который, как известно, существенно увеличивает вероятность переломов.

Геном-триггером является и ген адренорецепторов.

Продукт этого гена, взаимодействуя с тестостероном и дегидротестостероном, участвует в делении клеток предстательной железы. Сам же ген адренорецепторов имеет одну очень важную особенность: у разных индивидов длина тринуклеотидного повтора, кодирующего глутаминовую кислоту, меняется в широких пределах. У россиян, в частности, длина повторов колеблется от 8 до 31 триплета. Причем с уменьшением числа повторов активность транскрипции гена возрастает. Для мужчин это чревато высокой вероятностью развития рака предстательной железы.

И еще два примера «генов-триггеров». Это мутантные аллели фактора V свертывания крови, резко увеличивающие риск тромбозов, и точечная мутация гена метилентетрагидрофоларедуктазы, способная привести к выраженной гипергомоцистеинемии. Такая патология, в свою очередь, обнаруживает положительную корреляцию с атеросклерозом и, самое удивительное, с возникновением внутриутробных дефектов невральной трубки в виде расщелины спинного мозга и мозговой грыжи.

Естественно, этими мутациями дело не ограничивается: число известных «генов-триггеров» мультифакториальных заболеваний уже достигло полусотни. Ничего удивительного в этом нет. Ведь мутации структурных генов — явление довольно распространенное. Но, к счастью, не все они имеют негативные последствия для здоровья. Некоторые из них даже полезны. Свидетельство тому — гетерозиготные мутации гена хлорных каналов эпителиальных клеток (CFTR) и глобиновых генов. Если в гомозиготном состоянии эти мутации провоцируют развитие тяжелейших заболеваний — муковисцидоза и среповидно-клеточной анемии, то гетерозиготные мутации глобиновых генов служат надежной защитой от малярии, а гетерозигнотные мутации CFTR делают человека более устойчивым к воздействию холерного токсина.

Еще один, пожалуй, самый любопытный случай полезных мутаций имеет отношение к СПИДу.

Как выяснилось несколько лет назад, поразительная устойчивость некоторых людей к вирусу иммунодефицита связана с довольно крупной делецией в гене, кодирующем белок — корецептор макрофаготропных штаммов вируса.

У гомозигот отсутствие этого белка полностью исключает проникновение патогенного вируса в клетки. У гетерозигот — только затрудняет. Правда, очень значительно.

Небезынтересно, что частота встречаемости нулевого аллеля белка-корецептора — величина вариабельная: по данным российских исследователей, носителями нулевого аллеля являются 25% русских и татар, 15% узбеков и до 10% казахов, азербайджанцев, уйгурцев и тувинцев. Крайне редко нулевой аллель встречается у грузин. Так что именно для этой популяции вирус иммунодефицита наиболее опасен.

Естественная защита

Молекулярные генетики утверждают: при любых формах наследственной патологии — и моногенной, и мультифакториальной — детальное понимание связи генотипа с его биохимическими и клиническими проявлениями невозможно без учета влияния дополнительных внутригенных и внегенных факторов.

О доскональном знании всех возможных механизмов воздействия дополнительных факторов говорить не приходится. Хотя доказательства этого феномена уже существуют.

Одно из них удалось получить при исследовании молекулярных основ наследственного дефицита полноразмерного аполипротеина В — белкового компонента липопротеидных частиц плазмы крови.

Теоретически наличие нулевого аллеля гена апоВ полностью исключает возможность экспрессии этого гена. На практике же выяснилось, что экспрессия гена частично восстанавливается. Связано частичное восстановление с транскрипционной ошибкой — формированием в дефектном гене тракта из восьми остатков аденина. Правда, белка при этом продуцируется мало, до 10% от нормы.

Но транскрипционная супрессия — не единственный способ «подавления» мутантных аллелей. По меньшей мере, есть еще один. В подобных случаях супрессия происходит на уровне зрелой РНК.

Пример тому — недостаточность основного ингибитора протеолитических ферментов альфа-1-антитрипсина (АТ), обусловленная гипосекреторным Z-аллелем гена АТ. Клинически дефицит антитрипсина проявляется либо постепенным развитием эмфиземы легких вследствие неконтролируемого разрушения эластичных волокон легочных альвеол, обусловленного недостаточностью циркулирующего антитрипсина, либо неспецифическими гепатитом и циррозом печени, вызванными накоплением антитрипсина в печени и реактивным воспалением. Во втором случае ребенок обычно погибает в первые годы жизни. Обычно, но не всегда. Как только в гене антитрипсина возникает дополнительная точечная мутация, блокирующая образование матричной РНК и снижающая ее концентрацию в гепатоцитах, внутриклеточное накопление антитрипсина уменьшается, и клинические проявления гепатита и цирроза не наблюдаются.

Дефицит энергии

Наследственные метаболические болезни, обусловленные недостаточностью важнейшей функции митохондрий — окислительного фосфорилирования — получили название митохондриальных болезней.

Долгое время к этой категории относили исключительно нервно-мышечные болезни. Удивляться здесь нечему, если вспомнить, что наибольшую потребность в энергии, вырабатываемой митохондриями с помощью ферментов дыхательной цепи, испытывают именно центральная нервная система и скелетные мышцы.

В последнее десятилетие традиционный взгляд на митохондриальные болезни изменился. Во многом благодаря новым данным о структуре и функции митохондриального генома. Вот некоторые из них.

В каждой клетке человека содержится несколько сотен митохондрий со своей собственной кольцевой хромосомой, состоящей из двух комплементарных нитей ДНК. Помимо некоторых структурных белков, двух видов рибосомальной и двадцати двух видов транспортной РНК эта хромосома кодирует тринадцать полипептидов, входящих в состав ферментов, ответственных за синтез АТФ. Остальные структурные белки и семьдесят полипептидов, предназначенных для I-V комплекса дыхательной цепи, кодируются ядерными генами. Синтезируются эти полипептиды на рибосомах эндоплазматической сети и по ее каналам транспортируются к месту сборки, т. е. в митохондрии, где и функционируют. Словом, митохондрии представляют собой результат объединенных усилий двух геномов и двух аппаратов транскрипции и трансляции. В равной мере это относится и к некоторым ферментам дыхательной цепи: одни полипептиды, входящие в их состав, кодируются митохондриальным геномом, другие — ядерным.

О вкладе мутаций ядерных генов в этиологию митохондриальных болезней практически ничего не известно. Зато сведений о мутациях митохондриального генома и связанных с ними клинико-биохимических проявлений накоплено немало. И благодаря этому роль митохондриальных болезней в детской неврологии и неонатологии, впрочем, как и в гериатрии, стала намного понятнее. Хотя точная клиническая диагностика нарушений окислительного фосфорилирования невозможна по причине выраженной генетической гетерогенности, клинического полиморфизма и семейного полиморфизма, связанных с неравномерным тканевым распределением нормальной и мутантной митохондриальной ДНК. Даже в тех случаях, когда имеются описания относительно устойчивых симптомокомплексов, обусловленных мутациями митохондриальной ДНК, дифферециальный диагноз можно поставить только с привлечением биохимических методов и методов ДНК-диагностики. Проиллюстрировать это можно на примере трех больных, наблюдавшихся в медико-генетическом центре РАМН.

Все больные родились в семьях с неотягощенным анамнезом.

У двух больных клиническое обследование выявило мышечную гипотонию, атаксию, спастичность, задержку развития, расстройства дыхательного ритма, атрофию зрительных нервов, офтальмоплегию и нистагм. При томографическом исследовании головного и спинного мозга у них были обнаружены множественные симметричные комплексы пониженной плотности в таламусе, стволе, базальных ганглиях, мозжечке и спинном мозге. Аутопсия выявила демиелинизацию, некроз, разрежение нейронов и пролиферацию капилляров в базальных ганглиях, стволе, мозжечке и коре головного мозга. Помимо этого у больных отмечались изменения со стороны внутренних органов — сердца, печени, поджелудочной железы и почек. Немаловажно и то, что возраст манифестации, тяжесть течения и тип течения заболевания у больных различались.

Судя по клинической симптоматике и данным томографии, оба пациента страдали болезнью Лея. Но болезнь Лея является синдромальным диагнозом и встречается при наследственных заболеваниях различной этиологии — дефиците пируваткарбоксилазы, расстройствах окислительного фосфорилирования, болезни «кленового сиропа» и недостаточности пируватдегидрогеназного комплекса, обусловленного мутациями структурных генов его различных компонентов. Кроме того, она может возникать при экзогенных состояниях — алкогольной фетопатии и тиаминовой недостаточности. Провести дифференциальную диагностику этих клинически схожих заболеваний можно с помощью биохимических маркеров. Точнее говоря, по соотношению лактат/пируват и 3-гидроксибутират/ацетоацетат в крови.

Какой же именно формой болезни Лея страдали больные? Ответить на этот вопрос было сложно. Ситуация была не совсем понятна. С одной стороны, психоневрологическая симптоматика, характерная для манифестации подострой некротизирующей энцефаломиелопатии Лея при органических ацидуриях и аминоацидопатиях и обусловленная очагами некроза в стволе мозга, базальных ганглиях, таламусе, мозжечке и спинном мозге. С другой — изменения со стороны внутренних органов и тяжелая мышечная гипотония, характерные для манифестации синдрома при расстройствах окислительного фосфорилирования. Дилемму удалось разрешить, определив в крови соотношения лактат/пируват и 3-гидроксибутират/ацетоацетат: поведение биохимических маркеров свидетельствовало о расстройстве окислительного фосфорилирования, что и было подтверждено при определении активности комплексов дыхательной цепи.

Поскольку ДНК-анализ биологического материала этих больных не проводился, исследователям ничего не оставалось, как объяснить наблюдаемый клинический полиморфизм болезни Лея генетической гетерогенностью. В частности, различиями мутаций, ответственных за повреждение функции комплекса IV.

У третьего пациента заболевание проявлялось миопатией, офтальмоплегией, атипичной пигментной ретинопатией в сочетании с нарушениями сердечной проводимости. При морфологическом исследовании биоптата мышц были обнаружены миофибоиллы с «рваными красными краями» и участки локализации аномальных митохондрий. На уровне биохимических показателей болезнь проявлялась лактат-ацидозом и низкой активностью различных комплексов дыхательной цепи.

Все это в совокупности указывало на синдром Кернса-Сейра, ассоциированный с дефектом митохондриального генома.

По литературным данным примерно у 80% больных с синдромом Кернса-Сейра в митохондриальном геноме обнаруживаются делеции, которые спонтанно возникают либо в ооцитах матери, либо в соматических клетках плода в период эмбриогенеза. Где именно возникла делеция у обследованного больного установить, естественно, не удалось. Но ДНК-анализ подтвердил ее присутствие в митохондриальном геноме.

Где родился, там и пригодился

Можно ли для прогнозирования возникновения наследственных болезней использовать генетические маркеры?

Можно, считает профессор кафедры генетики Харьковского национального университета, специалист в области популяционной генетики Любовь Алексеевна Атраментова. Но крайне осторожно — только в той популяции, где эти гены обнаружены. И в подтверждение своих слов приводит данные отечественных исследователей о том, что в разных регионах Украины печально известная фенилкетонурия обусловлена различными генными мутациями. Причем мутаций таких не просто много, а очень много — несколько сотен.

Вообще же, по наблюдениям Любови Атраментовой, число наследственных заболеваний неуклонно растет.

Как ни странно, виновата в этом и медицина, нарушившая естественный отбор. Когда врачи научились лечить неизлечимые ранее наследственные болезни, численность носителей патологических мутаций в каждом последующем поколении стала возрастать. Не последнюю роль в росте заболеваемости играют стрессы и экологическая обстановка.

Риск наследственной патологии увеличивают близкородственные браки. Но удивительно не это.

Вопреки бытующему в народе мнению о пользе смешанных браков, дети, рожденные от родителей из разных эколого-климатических зон (так называемые «генетические мигранты») особенно подвержены мультифакториальным заболеваниям. С точки зрения профессора Атраментовой, ничего удивительного здесь нет. Генотип, полученный в наследство от родителей, адаптирован к совершенно иным условиям и потому чрезвычайно уязвим. Так что поговорка «где родился, там и пригодился», родилась не случайно.