4.2.2.10. Необнаруженные дефекты ферментов
Сколько ферментов у человека и какие дефекты ферментов известны? Некоторые метаболические пути пока еще не выяснены. Поэтому никто не знает точного числа ферментов у человека. Согласно приблизительным оценкам, оно достигает по меньшей мере 10 000. Примерно для 200 ферментов, или для 2%, известны дефекты. Как быть с остальными 98%?
Во-первых, очевидно, что имеется большое количество наследственных заболеваний, которые, судя по всему, вызваны именно дефектами ферментов, но это пока не подтверждено с помощью соответствующих методик. Большинство аутосомнорецессивных заболеваний, перечисленных в каталоге Мак-Кьюсика, могут принадлежать к этой группе [133].
Какие дефекты ферментов неизвестны! Рис. 4.32 иллюстрирует нашу попытку сравнить основную группу метаболических путей [120], для которой известны многие дефекты ферментов, с другими группами, для которых известны лишь отдельные нарушения. Хорошо изучены дефекты ферментов:
а) катаболических путей углеводов (например, нарушения гликолиза при наследственной гемолитической анемии);
б) катаболических путей некоторых аминокислот (например, фенилкетонурия);
в) катаболических путей деградации строительного материала клеток и внутриклеточного материала в лизосомах (или, например, мукополисахаридозы);
г) катаболических путей детоксификации и выделения внутренних метаболитов (например, аргининемия);
д) некоторые конечные реакции на вспомогательных ответвлениях пути метаболизма нуклеиновых кислот (например, недостаточность по гипоксантин-гуанин—фосфорибозилтрансферазе);
е) анаболических путей синтеза биомолекул, необходимых для специальных регуляторных функций (например, дефекты образования тиреоидных гормонов);
ж) некоторых путей трансмембранного транспорта (например, цистинурия);
з) некоторых ферментов репарации ДНК (например, пигментная ксеродерма; разд. 5.1.6.3);
и) некоторых метаболических путей, связанных с потреблением и утилизацией предшественников коферментов (например, рахит, резистентный к витамину D).
Мы практически ничего не знаем о дефектах:
а) ферментов, связанных с процессами митоза и мейоза;
б) ферментов, необходимых для синтеза ДНК или РНК, за исключением нескольких ферментов, участвующих в репарации;
68 4 Действие генов
|
Рис. 4.32. Основные катаболические (темные стрелки) и анаболические (светлые стрелки) пути Большинство дефектов ферментов у человека, за исключением некоторых дефектов синтеза белка сыворотки, затрагивают катаболические пути [120] |
в) ферментов, участвующих в биосинтезе белков;
г) систем запасания энергии, в особенности системы цитохромов;
д) ферментов, участвующих в синтезе веществ, используемых как нейромедиаторы в центральной и периферической нервных системах;
е) анаболических путей синтеза многих аминокислот, жиров и липидов;
ж) анаболических ферментов синтеза компонентов тканей, таких как сфинголипиды, муколипиды и мукополисахариды;
з) цикла трикарбоновых кислот, ферменты которого выполняют как катаболические, так и анаболические функции.
Короче говоря, наши знания ферментных дефектов у человека не только не полны, но и крайне односторонни. Чаще всего такие нарушения затрагивают собственные, так называемые «домашние» функции клетки. При этом для большинства главных анаболических функций никаких дефектов ферментов до сих пор не найдено Картина выглядит более полной для катаболических путей и для биосинтеза некоторых специализированных молекул, таких как гормоны.
Почему нам так мало известно о дефектах ферментов, участвующих в основных процессах образования структуры клеток? Действительно, почему? Отчасти это объясняется методическими трудностями. Легко получить клетки крови, но не печени и тем более мозга. Проблема доступности материала актуальна и для анализа генетического полиморфизма Большинство известных в настоящее время примеров полиморфизма касается именно различных компонентов крови. Если бы нашим органом мышления и чувств была кровь, а не мозг, наше невежество в области генетики поведения было бы давно преодолено (разд 6 2)
И все-таки вряд ли односторонность знаний в этой области можно полностью объяснить методическими трудностями
4. Действие генов 69
Скорее всего нарушения ферментов, которые участвуют в построении главных структур клетки, приводят к летальным эффектам. Например, трудно представить себе, что можно жить почти при полном отсутствии активности ДНК-полимеразы. Ведь такое нарушение вызвало бы снижение скорости или полное подавление репликации ДНК, а следовательно, и деления клетки. Это верно также для цикла трикарбоновых кислот или для синтеза жизненно важных метаболитов.
В большинстве случаев для сохранения нормальной функции достаточно 50% нормальной активности фермента. Об этом свидетельствуют данные, полученные для гетерозигот с ферментативными нарушениями. Для выявления таких гетерозигот необходимы крупномасштабные популяционные исследования. Следует учесть, однако, что для многих ферментов характерна выраженная межиндивидуальная вариабельность активности, которая затрудняет, а иногда просто сводит на нет попытки обнаружения гетерозигот. Эта вариабельность и в особенности тот факт, что 50%-ная активность у гетерозигот обеспечивает выживание в обычных условиях, показывают, что метаболизм обладает замечательным запасом прочности, позволяющим организму противостоять отклонениям. Важно и то, что многие функции в организме обеспечиваются различными метаболическими путями. Поэтому некоторые мутации, даже в гомозиготном состоянии, могут не приводить к врожденным нарушениям [820].
Вывод о том, что рецессивные летальные мутации, действующие на основные метаболические пути, возможны, имеет для популяционной генетики большое значение. Более того, нет никаких причин полагать, что мутации по таким генам, более редки, чем мутации, которые приводят к известным ферментативным дефектам. Логично предположить, что все такие мутации возникают. Иногда они оказываются в гомозиготном состоянии, что обусловливает гибель зиготы. Можно было бы ожидать, что в условиях, которые вообще способствуют возникновению гомозигот, т.е. при близкородственных браках, число выкидышей должно возрастать (разд. 6.3.1). Однако это предположение не подтверждается экспериментально. Возможно, большинство таких зигот погибает на столь ранней стадии развития, что это проходит незамеченным.
4.2.2.11. Некоторые общие выводы по анализу ферментативных нарушений у человека
Обнаружение дефектов ферментов. Анализ ферментативных нарушений у человека позволяет сделать несколько выводов. Чтобы дефект фермента можно было обнаружить, он должен проявляться в клетках крови или в культуре фибробластов. Более того, этот дефект должен приводить к четким клиническим симптомам или к изменениям, выявляемым при обычном обследовании (например, выделение необычных метаболитов с мочой). Врожденное нарушение с неспецифическими симптомами, которое не сопровождается легко регистрируемыми биохимическими отклонениями, не может быть обнаружено.
Значение ферментативных дефектов для прояснения метаболических путей. Не сложно обнаружить ферментативное нарушение, если уже известен тот метаболический путь, в котором этот фермент принимает участие. В некоторых случаях, наоборот, анализ ферментативных дефектов проливает свет на неизвестный еще метаболический путь, который трудно исследовать другим способом. Ярким примером могут служить мукополисахаридозы.
Характеристика мутаций, обусловливающих ферментативные нарушения у человека. Известно, что во многих случаях дефектные ферменты у человека сохраняют некоторую остаточную активность. Как правило, мутантный белок бывает изменен качественно. Например, он может превратиться в перекрестно-реагирующий материал (ПРМ), могут измениться его кинетические и другие характеристики. Эти данные свидетельствуют о том, что изменения белков происходят в результате мутаций в структурных генах, поскольку регуляторные мутации приводили бы только к коли-
70 4 Действие генов
чественным изменениям ферментной активности. Внутри каждого генного локуса существует высокая степень генетической гетерогенности, которая дополняет гетерогенность локусов, контролирующих один и тот же метаболический путь.
Тип наследования: гетерозиготы. Дефекты ферментов, как правило, наследуются рецессивно. Гены, детерминирующие эти нарушения, могут быть сцеплены с аутосомами или в некоторых случаях с Х-хромосомой. Активность ферментов у здоровых гетерозигот-носителей обычно вдвое меньше средней для популяции. Отсюда следует, что организм человека может прекрасно функционировать при наличии фермента, работающего в «полсилы». Этот факт указывает на существующие в принципе значительные возможности регуляции метаболических путей. Однако, если метаболический путь перегружен веществом, для утилизации которого требуется дефектный фермент, способность организма перерабатывать избыточный метаболит может быть снижена по сравнению с гомозиготами. Есть данные, свидетельствующие о том, что подобные нарушения не безразличны и для гетерозигот. Возможно, именно онипричина большей предрасположенности гетерозигот к обычным соматическим и психическим заболеваниям. В настоящее время систематические широкомасштабные обследования гетерозигот по рецессивным генам, особенно в среднем и пожилом возрасте, почти не проводятся. Причина состоит в том, что с врожденными дефектами обычно имеют дело педиатры или медицинские генетики с педиатрическим образованием, т.е. специалисты, не заинтересованные в эпидемиологических или популяционных исследованиях. С другой стороны, популяционные генетики, как правило, не вникают в биохимические тонкости.
Тот факт, что почти все дефекты ферментов наследуются как рецессивные признаки, неизбежно заставляет задуматься о биохимической основе доминантных нарушений. Мы обсудим эту проблему в разд. 4.6. Теперь же перейдем к изложению данных о строении и генетике гемоглобинов. Именно эти данные помогли ответить на многие вопросы, связанные с дефектами ферментов, и в какой-то степени прояснили возможные механизмы менделевской доминантности.