2. Механизмы аутосомной доминантности

В предыдущих главах мы рассмотрели, что «делает» ген и как нарушается его функция в случае возникновения мута­ций. Однако молекулярные механизмы действия гена или на­рушения его функции, которые могут быть описаны как утрата функции либо усиление функции, не могут объяснить явление доминантности. Это связано с тем, что мы рассмат­ривали функцию гена как такового, а доминантность и ре­цессивность являются результатом взаимодействия как ми­нимум разных аллелей одного гена.

Уже долгое время существует представление о том, что аутосомно-рецессивные заболевания обусловлены недоста­точностью ферментов, а аутосомно-доминантные — недоста­точностью структурных белков.

Действительно, многие рецессивные заболевания обуслов­лены недостаточностью ферментов. Из этого следует, что нормальные аллели генов многих ферментов являются доми­нантными и их продукты, обеспечивающие 50 % нормальной ферментативной активности, достаточны для обеспечения нормального функционирования клеток организма (такие ал­лели называют гаплодостаточными). Рецессивные аллели та­ких генов можно характеризовать как аллели с потерей функ­ции. Это становится очевидным для гомозигот по рецессив­ным аллелям генов многих ферментов человека: фермента­тивная активность при многих наследственных болезнях об­мена веществ не превышает 10 %.

Теперь, однако, известно, что не только недостаточность ферментов, обусловливающая наследственные болезни обме­на веществ, наследуется аутосомно-рецессивно. При таком частом аутосомно-рецессивном наследственном заболевании, как муковисцидоз (мы его уже рассматривали в связи с моле­кулярными механизмами мутаций), нарушается функция белка хлорного канала, при спинальных амиотрофиях, кото­рые также наследуются аутосомно-рецессивно, меняется бе­лок гемин, блокирующий апоптоз, при (3-талассемии, частом аутосомно-рецессивном заболевании во многих регионах мира, нарушаются синтез (3-цепей глобина и последующая сборка гемоглобина взрослых, представляющего собой муль­тимер, состоящий из двух а- и двух (3-цепей глобина. Можно привести еще много примеров, когда рецессивно наследуют­ся наследственные заболевания, при которых мутации проис­ходят в генах, контролирующих синтез неферментных бел­ков. Однако известны мутации в генах, контролирующих синтез ферментов, что вызывает аутосомно-доминантные за­болевания. Так происходит, в частности, при 5 формах на­следственной доминантной порфирии, обусловленных дефек­тами 5 разных ферментов. Для одной из форм порфирии — острой перемежающейся порфирии — показано, что доми­нантный эффект является результатом недостаточного инги­бирования синтетазы 5-аминолевуленовой кислоты гемом, образование которого нарушено из-за мутационного дефекта порфобилиногендезаминазы (собственно мутантного белка). Таким образом, доминантный эффект как бы вторичен по отношению к мутационно измененному гену порфобилино­гендезаминазы.

Доминантность нередко возникает, когда мутантная поли- пептидная цепь должна вступить во взаимодействие с норма­льной полипептидной цепью, синтез которой контролируется нормальным аллелем того же гена, или полипептидными це­пями, синтез которых контролируется другими генами при образовании молекулы зрелого мультимерного белка. В резу­льтате все или какая-то часть молекул оказываются дефект­ными, что и создает эффект доминантности. Ярким приме­ром доминантных заболеваний такого рода являются различ­ные формы несовершенного остеогенеза. Большинство слу­чаев несовершенного остеогенеза обусловлены дефектом коллагена I типа, молекула которого состоит их трех субъеди­ниц. Две из них, обозначаемые как npoal(I), кодируются ге­ном, расположенным на хромосоме 17. Третья цепь — проа2(1) — кодируется геном, расположенным на хромосоме 7. Три цепи проколлагена I типа ассоциируют друг с другом, образуя сложную трехспиральную молекулу белка. Мутации в генах любой из цепей коллагена I типа будут приводить к на­рушению образования зрелой молекулы коллагена и фиб­рилл, построенных из этого белка. Подобного рода мутации называют доминантно негативными.

Следует заметить, что при доминантных заболеваниях, ко­торые обычно бывают проявлением гетерозиготного носите- льства мутантного гена, нормальный аллель продолжает обеспечивать синтез 50 % нормальных полипептидных цепей, но этого недостаточно для обеспечения нормальной функции зрелой белковой молекулы. Поэтому такие нормальные алле­ли называют гаплонедостатонными.

6. НАСЛЕДОВАНИЕ, СЦЕПЛЕННОЕ С ХРОМОСОМОЙ X

Число известных Л^г-сцепленных заболеваний, конечно, ме­ньше, чем доминантных или рецессивных, гены которых «раз­бросаны» по 22 аутосомам. Тем не менее известно около 300 генов, локализованных в хромосоме X, вызывающих наследст­венные болезни (гены, локализованные в хромосоме X, назы­вают Л'-сцепленными). К ним относятся гены гемофилии А, миопатии Дюшенна, ЛГ-сцепленного ихтиоза, пигментной ди­строфии сетчатки, ангидротической формы эктодермальной дисплазии, синдрома ломкой хромосомы X с умственной от­сталостью, гидроцефалии, синдромов Коффина — Лоури, Пейна, Опитца, одной из форм мукополисахаридоза, Х-сцеп- ленной невральной амиотрофии, недостаточности глюко- зо-6-фосфатдегидрогеназы и многих других заболеваний.

Прежде чем мы перейдем к изложению материала о насле­довании, сцепленного с хромосомами X и У, и особенностях родословных при этих типах наследования, напомним, что у человека пол гетерогаметен. Женщины имеют во всех клетках две хромосомы X, а мужчины — одну X и одну Y хромосомы. Хромосома Y не гомологична хромосоме X, в ней содержится небольшое число генов. Мужчины являются гемизиготами по хромосоме X и всем содержащимся в ней генам. Наследова­ние половых хромосом происходит как наследование прос­тых менделевских признаков (табл. 5.5; это уже привычная решетка Пеннета).

		Гаметы	матери
		*1	*2
Гаметы отца	X	ХхХ	х2х
	Y	Х\ у	Х2 Y

Из табл. 5.5 видно, что при случайном объединении гамет должно образовываться равное количество зигот женского и мужского пола.

Поведение генов, которые расположены в половых хромо­сомах, строго соответствует поведению самих хромосом. Если мутантный ген находится в одной из хромосом X матери (на­пример, в хромосоме Х\)> то эту хромосому X получат 50 % сыновей и 50 % дочерей матери-носительницы. Если ген «от­вечает» за рецессивное заболевание, то сама мать должна быть здорова, так как у нее есть вторая нормальная хромосо­ма Х₉ но оно разовьется у той половины сыновей, которые получили хромосому Х\ с мутантным геном, поскольку хро­мосома Y не гомологична хромосоме 1,ив ней просто не со­держится пар абсолютному большинству генов хромосомы X. У дочерей, получивших от матери измененную хромосому, заболевание также не разовьется, так как они получат норма­льную вторую хромосому X от отца. Таким образом, если мать является носительницей ^-сцепленного рецессивного гена, риск быть больным у ее сыновей составит или 50 %, а у ее дочерей — 0 %. В то же время риск быть гетерозигот­ными носительницами у дочерей равен 50 %.

Для рецессивных X-сцепленных заболеваний характерно, как это следует из изложенного, что поражаться ими будут мужчины, родственники друг другу по материнской линии. Это могут быть двоюродные братья, матери которых родные сестры, или дяди и племянники больного по материнской линии и т.д. (рис. 5.5).

В том случае, если отец все-таки болен, все его сыновья будут здоровы, а все дочери — облигатными гетерозиготными носительницами Х-сцепленного гена. Такая ситуация бывает в том случае, когда Х-сцепленное рецессивное заболевание не очень резко снижает приспособленность больного. При­мером подобного заболевания является Х-сцепленный рецес­сивный ихтиоз или цветовая слепота к красному цвету, на­следующаяся ЛГ-сцепленно.

Однако любые Л^г-сцепленные рецессивные заболевания существенно чаще поражают мужчин, женщины болеют крайне редко. Это понятно, так как чтобы заболела женщи-

Рис. 5.5. vY-сцепленное рецес сивное наследование.

н а, должен болеть ее отец, а мать должна быть гетерозиготой по мутантному гену.

Для А'-сцепленных рецессивных заболеваний, как и для аутосомно-доминантных заболеваний, свойственно возник­новение некоторых случаев в результате вновь возникших мутаций. Однако в отличие от аутосомно-доминантных забо­леваний, когда при летальности такого заболевания на ран­них этапах онтогенеза все его случаи объясняются вновь воз­никшими мутациями, при А-сцепленных рецессивных забо­леваниях такого не бывает, поскольку у женщин, гетерози­готных носительниц летального ^-сцепленного рецессивного гена, этот ген не проявляется, так как имеется его нормаль­ная копия во второй хромосоме X. Еще в 1935 г. В.С.Холдейн показал, что при летальности А-сцепленного рецессивного заболевания около 30 % больных «появляются» в результате вновь возникших мутаций при условии одинаковой частоты мутирования в женских и мужских половых клетках. Теперь, однако, показано, что по крайней мере большая часть му­таций в хромосоме X возникает во время сперматогенеза. В этом случае доля вновь появившихся мутаций, обусловли­вающих Х-сцепленное рецессивное летальное заболевание (например, миопатия Дюшенна), будет существенно меньше. Эта проблема чрезвычайно важна для медико-генетического консультирования, когда необходимо решить, является ли мать больного ребенка с А-сцепленным рецессивным леталь­ным заболеванием гетерозиготной носительницей мутантно­го гена или это случай вновь возникшей мутации. В первом случае риск заболевания у ее следующего сына будет равен 50 %, а во втором — 0 %.

А-сцепленных доминантных заболеваний немного. При­мером таких заболеваний являются витамин /)-резистентный гипофосфатемический рахит, при котором нарушается ре­зорбция фосфатов в почечных канальцах и как следствие из­меняется оссификация длинных трубчатых костей и происхо­дит их искривление, что особенно характерно для нижних конечностей. Еще одно А-сцепленное доминантное заболева­ние — incontinentia pigmenti, проявляющееся нарушением

пигментации кожи, а также глазной и неврологической пато­логией и аномалиями зубов. Особенность этого заболевания в том, что все гемизиготные мужчины, носители мутантного гена, поражаются настолько сильно, что погибают внутри­утробно. В результате только женщины, больные этим забо­леванием, попадают в поле зрения врачей, и возникает необ­ходимость отличать А^г-сцепленное доминантное наследование от аутосомно-доминантного наследования заболевания, огра­ниченного полом, такого, например, как рак молочной желе­зы, обусловленный мутацией в гене BRCA1.

Если мутантный ген «отвечает» за А^г-сцепленное доми­нантное заболевание, то будут больны 50 % дочерей и 50 % сыновей больной матери, т.е., как и при аутосомно-доми- нантном заболевании, риск заболеть будет одинаковым для детей обоего пола — ^х/₂, или 50 %. В этом случае родословная не позволяет различить эти два типа наследования. Заподо­зрить по родословной А^г-сцепленное доминантное заболева­ние позволяет родословная, в которой болен отец. Так как отец передает свою хромосому X всем дочерям, то при доста­точно большом числе больных девочек и также большом чис­ле здоровых мальчиков в семье предположение об ЛГ-сцеплен- ном доминантном заболевании, наследующемся в этой семье, может быть разумным.

1. Инактивация хромосомы X

Наличие у мужчин только одной хромосомы А", а у жен­щин двух хромосом X ставило вопрос, почему все физиологи­ческие и биохимические признаки у обоих полов проявляют­ся примерно одинаково, хотя некоторые гены, которые конт­ролируют эти признаки, должны быть локализованы в хромо­соме X и, следовательно, должны образовывать у женщин продукта в 2 раза больше, чем у мужчин.

Цитологически уже давно было установлено, что хромосо­ма X в соматических клетках женщин выглядит в виде плот­ного гетерохроматинового тельца (тельце Барра). Сначала ду­мали, что это гетерохроматиновые районы обеих хромосом X. Однако позднее было доказано, что X-хроматин образует то­лько одна хромосома X. Это позволяло предположить, что данная хромосома неактивна. В 1961 г. М.ФЛайон предполо­жила, что в разных клетках у женщины может быть неактив­на либо материнская, либо отцовская хромосома X. Инакти­вация хромосом X должна происходить достаточно рано при развитии плода, когда в эмбрионе женского пола зачатки разных органов представлены относительно небольшим чис­лом клеток, поэтому в результате примерно 50 % клеток име­ют активную отцовскую, а другие 50 % — материнскую хро-

Соматические клехки

Рис. 5.6. Случайная инактивация хромосомы X.

мосому X (рис. 5.6). М.Ф.Лайон также предположила, что случайная инактивация хромосомы X должна вести к мозаич­ному проявлению генов, локализованных в хромосоме X и находящихся в гетерозиготном состоянии, в том числе по ге­нам, вызывающим наследственные заболевания. Это предпо­ложение было подтверждено как самой М.Ф.Лайон, так и другими исследователями, в том числе на генах ангидротиче- ской эктодермальной дисплазии, когда участки потеющей кожи перемежались с участками с отсутствием потовых же­лез, генах недостаточности глкжозо-6-фосфатдегидрогеназы, цветовой слепоты красно-зеленого типа и генах других сцеп­ленных X заболеваний. Позднее было показано, что некото­рые гены, особенно расположенные в теломерных концах хромосомы X, избегают инактивации. Среди этих генов дово­льно много таких, которые гомологичны генам хромосомы Y. Избегает инактивации также целый ряд других генов хромо­сомы X. ■

Частично удалось расшифровать механизм инактивации. Она начинается из определенного участка длинного плеча хромосомы X, в котором локализован центр инактивации хромосомы X. Один из генов этого центра — XIST\ мРНК, транскрибируемая с этого гена, остается в ядре и как бы по­крывает хромосому X, по-видимому, инициируя таким обра­зом начало инактивации. Во время инактивации происходит метилирование СрG-островков, расположенных в 5’-области генов, что свидетельствует об их репрессировании. Инакти­вация хромосомы X оказывается стабильным состоянием и сохраняется в ряду клеточных поколений. В то же время она, вероятно, не затрагивает клетки зародышевого пути или в них происходит реактивация хромосомы X, так что в зрелых яйцеклетках содержатся только активные хромосомы X.

Удивительно то, что нормальная инактивация хромосомы X, т.е. когда по 50 % клеток несет соответственно либо отцов­скую, либо материнскую хромосому, обычно не приводит к каким-либо клиническим проявлениям большинства генов наследственных заболеваний, локализованных в хромосоме X, несмотря на то что их эффекты проявляются в мозаичной «манере», о чем уже было сказано. Из этого следует, что фе­нотипическая коррекция наследственных заболеваний воз­можна, когда только часть клеток поражаемого органа или ткани будет иметь нормальный генотип и соответственно фе­нотип.

Иногда, однако, инактивация хромосомы X происходит не случайно, и активной оказывается хромосома X, несущая му­тантный ген. В этом случае у гетерозиготной женщины могут наблюдаться проявления заболевания, например миопатии Дюшенна или гемофилии (манифестирующая гетерозигота). Как правило, эти проявления заболевания бывают весьма умеренными, поскольку у таких женщин обязательно сохра­няется некоторое количество клеток с нормальной хромосо­мой X. Инактивация одной из хромосом X в соматических клетках женщин служит для компенсации дозы гена(ов), так как она позволяет уровнять количество продуктов Х-сцеплен- ных генов у мужчин и женщин. Это подтверждается тем, что при некоторых хромосомных болезнях, когда число хромосом Xв клетках может возрасти до 4—5, активной остается только одна хромосома X, а остальные инактивируются и обнаружи­ваются в виде телец Барра.

2. Синдром ломкой хромосомы X

Этот синдром получил свое название благодаря цитогене­тическим исследованиям, проведенным у мальчиков с умст­венной отсталостью. В клетках некоторых пациентов, культи­вировавшихся на среде с недостатком фолатов, наблюдались разрывы или пробелы у конца длинного плеча хромосомы X. В настоящее время известно, что, во-первых, такой фено­мен — ломкость хромосомы X наблюдается далеко не всегда, когда есть мутации в соответствующих генах, а во-вторых, он выявляется при наличии мутаций в любом из трех рядом рас­положенных генов — FRAXA, FRAXE и FRAXF.

Мы хотим изложить сведения о синдроме ломкой хромо­сомы X в этой главе, поскольку его наследование отличается от менделевского. Кроме того, синдром представляет собой пример динамической мутации, последнего типа мутаций, о которых шла речь в главе 4.

Клинические проявления синдрома не очень специфичны. Основным симптомом является умственная отсталость, кото­рая у некоторых больных бывает выражена весьма умеренно. Большинство больных страдают дефицитом внимания, у не­которых наблюдают проявления аутизма. У больных старше­го возраста описывают удлиненное лицо, выступающий лоб, большие оттопыренные уши и макроорхизм.

Изучение распространенности синдрома с прямым генети­ческим тестированием мутаций в гене FMRJ, который и обу­словливает синдром, дает оценку от 16:100 ООО до 25:100 ООО мужчин; распространенность у женщин примерно в 2 раза меньше. Необычайно высока распространенность женщин с премутацией в гене FMR1 — примерно 1:300.

До недавнего времени было крайне трудно объяснить ха­рактер наследования синдрома, кодюрый проявлялся как у мужчин, так и у женщин, хотя у женщин реже и клинические симптомы у них выражены слабее. Все трудности в объясне­нии особенностей наследования этого синдрома удалось раз­решить после того, как ген заболевания FMR1 выделили и клонировали.

Сиквенс гена показал, что в его нетранслируемой 5’-обла­сти содержится повтор ЦГГ, который у нормальных индиви­дуумов представлен 6—50 копиями. У больных с синдромом ломкой хромосомы X число копий повтора составляет 230 и более. Такое число называют полной мутацией. Полная мута­ция возникает не сразу. Сначала появляется «премутация» с числом повторов 50—230. Эта премутация может стать пол­ной мутацией только во время созревания женских половых клеток, но не мужских. Поэтому мужчины с премутацией мо­гут только передать ее своим дочерям. Мужчины и женщины с премутацией клинически здоровы. У женщин, носительниц премутации, во время мейоза могут происходить неожидан­ное увеличение числа повторов и превращение премутации в полную мутацию. Такое превращение тем более вероятно, чем больше повторов содержит премутация. Увеличение чис­ла повторов в премутации также возникает во время созрева­ния ооцитов у женщин-носительниц премутации с неболь­шим числом повторов. Полная мутация блокирует транс­крипцию мРНК с гена FMR1, а повторы ЦГГ в гене оказыва­ются метилированными. Все мужчины с полной мутацией обладают фенотипом, описанным несколькими строчками выше. У женщин с полной мутацией умственная отсталость наблюдается только в 50 % случаев, вероятно, в связи с эф­фектом лайонизации. Описан мозаицизм по числу повторов у лиц с полной мутацией, но остается неясным, есть ли связь между мозаицизмом и степенью проявления синдрома. Кро­ме того, описаны мужчины с полной мутацией, но не мети­лированными повторами гена FMR1, у которых не было ум­ственной отсталости. В качестве заключения к этому разделу приведем значения риска рождения детей с полной мутацией у матерей с премутацией (табл. 5.6).

Таблица 5.6. Риск рождения больного ребенка с полной мута­цией в гене FMR1 у матерей с премутацией

Число повторов ЦГГ в материнской премутации	Приблизительный риск, %
	иметь больного сына	иметь больную дочь
56-59	7	3,5
60-69	10	5
70-79	29	15
80-89	36	18
90-99	47	24
> 100	50	25

Примечание. Таблица несколько видоизменена из: Jack Таг- leton, Robert A. Saul Fragile X Syndrome (FRAXA, Martin-Bell Synd­rome, Fragile X Mental Retardation, Marker X Syndrome) (http://www. geneclinics.org/).