4.2.2.7. Фенилкетонурия: пример успешного лечения метаболического заболевания [182; 203]

Метаболическая олигофрения. Фенилкетонурия (ФКУ) (26160) была впервые описана в 1934 г. Фёллингом [1080] у умственно отсталых больных со специфическим «мышиным» запахом. Название этой болезни в 1935 г. дал Пенроуз [1262]. В настоящее время фенилкетонурия - один из наиболее известных примеров врожденных дефектов метаболизма у человека; различным ее аспектам посвящен ряд обзоров [203; 1290; 1287]. Здесь мы обсудим только три основные проблемы: лечение диетой с низким содержанием фенилаланина как первый случай успешного исправления генетического дефекта фермента; генетическую гетерогенность, обнаруженную при массовом обследовании новорожденных, а также проблемы, связанные с выявлением гетерозигот и их возможными фенотипическими аномалиями.

Дефект фермента при ФКУ. L-фенилаланин принадлежит к числу незаменимых аминокислот. Однако только часть L-фенилаланина, поступающего в клетку, может быть использована для белкового синтеза; основная фракция окисляется прежде всего до тирозина и-в значительно меньшей степени - до других соединений, главным образом до фенилпировиноградной кислоты. Парагидроксилирование фенилаланина с образованием тирозина осуществляется в ходе сложной реакции. Гидроксилаза состоит из двух белковых компонентов, один из которых лабилен и обнаруживается только в печени (и, возможно, с меньшей активностью в почках), другой стабилен и присутствует во многих других тканях. Этот стабильный компонент содержит птеридин в качестве кофактора.

Было показано, что ФКУ обусловлена полным отсутствием печеночной фенилаланин—4-гидроксилазы (рис. 4.23) (Юденфред и Купер, 1952 [1331]; Джервис, 1953, [1144]). При этом поражается лабильный компонент ферментной системы. Проведенный позже анализ ферментов при биопсии

Рис. 4.23. Генетический дефект при фенилкетонурии: введение с пищей 5 г d-L-фенилаланина приводит к увеличению концентрации тирозина в сыворотке здорового человека, тогда как в сыворотке больного фенилкетонурией этого не происходит. (По Harris, 1959.)

печени показал наличие остаточной активности (до 6% от нормальной) примерно в половине случаев классической ФКУ. Другие типы гиперфенилаланинемии, для которых характерен более высокий уровень активности фермента, будут обсуждены ниже. Гидроксилазная реакция - один из этапов метаболизма фенилаланина и тирозина, для которого известны различные генетические дефекты, блокирующие метаболизм на различных стадиях (рис. 4.24). Ген, контролирующий эту реакцию, локализован в 12-й хромосоме [1363а].

Диетическое лечение ФКУ. Фенотипические нарушения, возникающие в результате генетического блока метаболизма, могут быть вызваны либо отсутствием метаболита, который синтезируется в результате нормальной реакции, либо накоплением метаболита, который в норме перерабатывается в такой реакции. Примером нарушения первого типа могут служить альбинизм и кретинизм с образованием зоба (рис. 4.24). Скоро выяснилось, что при ФКУ нарушения вряд ли могут быть вызваны недостатком тирозина: обычно тирозин присутствует в пище в достаточных количествах. С другой стороны, появление многочисленных метаболитов, которые обнаруживаются в моче больных ФКУ наряду с возрастанием уровня фенилаланина

50 4 Действие генов

Рис. 4.24. Наследственные нарушения метаболических путей некоторых ароматических аминокислот. Диаграмма несколько упрощена. В ней указаны генетические дефекты, вызывающие фенилкетонурию, альбинизм, алкаптонурию, тирозиноз и три типа наследственного кретинизма.

в сыворотке, указывает на использование дополнительных путей снижения избыточного количества фенилаланина. Возникло предположение, что уменьшение потребления фенилаланина может оказаться эффективным методом лечения. Впервые попытка такого лечения была предпринята в 1953 г. Бикелем и др. [1004]:

«Исходя из предположения, что избыточное количество фенилаланина или, возможно, каких-либо продуктов его расщепления вызывает задержку умственного развития, мы решили держать двухлетнюю девочку, больную фенилкетонурией, на диете с пониженным содержанием фенилаланина. Она была умственно отсталой, не могла стоять, ходить, разговаривать, не проявляла интереса к пище, была равнодушна к своему окружению, непрерывно плакала, постанывала или била себя по голове. Пищу для этого ребенка готовили специально, поскольку для достаточного снижения уровня фенилаланина весь содержащийся в продуктах азот пришлось заменить (кислотным) гидролизатом казеина... Для удаления фенилаланина и тирозина его обрабатывали активированным углем, промытым кислотой. Затем добавляли соответствующие количества тирозина, триптофана и цистина.»

Лечение ребенка начали в стационаре, что позволило вести тщательное наблюдение. После четырехнедельной диеты, полностью исключающей фенилаланин, серьезных клинических изменений, кроме потери веса, отмечено не было. Уровень этой аминокислоты в плазме и моче снизился до нормального, уменьшилось выделение фенилпировиноградной кислоты, а железохлористая реакция, служащая для определения количества фенилпировиноградной кислоты в моче, стала отрицательной (рис. 4.25).

Впоследствии, вероятно, в результате распада тканей возникла общая аминокислотурия. Поэтому в пищу стали добавлять фенилаланин (в диету включили молоко); потребления 0,3-0,5 г оказалось вполне достаточно для нормальной прибавки веса и улучшения биохимических показателей.

4 Действие генов 51

Рис. 4.25. Исследование метаболизма ребенка, больного фенилкетонурией, сразу после лечения с помощью диеты, лишенной фенилаланина. Содержание фенилаланина в сыворотке и моче быстро снизилось до нормального уровня. Добавление в пищу 4 г фенилаланина в день приводило к быстрому возрастанию содержания фенилаланина (Bickel, 1954, Exp Med. Surg, 12, 114-118).

При дальнейшем амбулаторном лечении на протяжении нескольких следующих месяцев показатели умственного развития девочки улучшились: она научилась ползать, глаза ее стали ярче, волосы темнее, она не плакала и не била себя по голове.

Чтобы ответить на вопрос, не было ли наблюдавшееся улучшение случайным, в пищу стали добавлять 4 г фенилаланина в день. Вскоре мать сообщила о явном ухудшении в состоянии ребенка. При госпитализации у девочки были вновь обнаружены биохимические и клинические изменения (рис. 4.25). Этот случай продемонстрировал благотворное действие диеты с низким содержанием фенилаланина на больных ФКУ. В той же статье авторы писали, что «... проводятся дальнейшие контрольные испытания, причем особое внимание уделяется очень маленьким детям, которым можно помочь в большей степени, чем остальным категориям больных.»

Успех диетического лечения был подтвержден другими группами исследователей. Некоторые сомнения связаны с тем, что, с одной стороны, какая-то часть больных ФКУ, не подвергавшихся никакому лечению, имела нормальное умственное развитие, с другой стороны, иногда лечение не помогало. Несмотря на указанные противоречия, в настоящее время твердо установлено, что диета приводит к существенному улучшению развития больных ФКУ. Важно, однако, выполнять два условия.

1. Для предотвращения повреждений мозга необходимо начинать лечение буквально с первых недель жизни.

2. Необходимо тщательно следить за

52 4. Действие генов

Рис. 426. Клетки штамма Bacillus subtilis, нуждающиеся в фенилаланине, инкубируют на поверхности агара. Рост можно наблюдать только тогда, когда в тестируемой пробе крови повышен уровень фенилаланина. В этом случае вокруг капли крови заметен бактериальный рост. Диаметр зоны роста прямо пропорционален концентрации фениланина в крови. А. Точки со стандартными концентрациями фенилаланина, которые возрастают слева направо. Б. Пробы крови здоровых людей. В. Образцы крови с повышенным содержанием фенилаланина (от 6 до 12 мг%).

метаболическим статусом ребенка, в особенности за уровнем фенилаланина.

Лечение не обязательно проводить в течение всей жизни, поскольку мозг взрослого человека, судя по всему, устойчив к аномальным концентрациям метаболитов, характерным для ФКУ.

У многих женщин, излеченных от ФКУ, родились дети. И хотя эти дети были гетерозиготами, примерно у 90% из них наблюдались признаки выраженной умственной отсталости [1196]. Следовательно, внутриматочная гиперфенилаланинемия вредна для развития плода. Чтобы предотвратить это осложнение, для всех больных ФКУ необходимо с самого начала беременности соблюдение тщательно контролируемой диеты с низким содержанием фенилаланина. Подобные проблемы могут возникать и для других врожденных излечимых нарушений метаболизма.

Генетическая гетерогенность ФКУ. Возможность успешного лечения этого заболевания в раннем детстве, до появления клинических симптомов, привела к мысли о необходимости обследования новорожденных. В большинстве высокоразвитых западных стран такое обследование уже проводится. Установлено, что частота ФКУ варьирует от 1:6000 до 1:20 000. Метод обследования должен быть простым и недорогим. Как правило, для этого используется так называемый тест Гатри, основанный на том, что бактерии, нуждающиеся в фенилаланине, растут на капле крови только в том случае, если она содержит фенилаланин в достаточно высокой концентрации [1116] (рис. 4.26). Таким образом, только кровь младенцев с высоким уровнем фенилаланина сможет обеспечить рост этих бактерий.

Вскоре после того, как началось систематическое обследование новорожденных, Стало ясно, что не каждый ребенок, имеющий необычно высокий уровень фенилаланина в крови, болен ФКУ. У многих была острая гиперфенилаланинемия, не приводящая к возникновению клинических симптомов. У другой группы детей высокий

4 Действие генов 53

уровень фенилаланина в крови поддерживался очень недолго и спонтанно нормализовался. Обнаружился полный спектр биохимической и генетической гетерогенности. Неизвестно, сколько существует типов мутаций с различным фенотипическим проявлением. Однако нет причин a priori предполагать, что вариабельность в данном случае будет меньше, чем для глюкозо-6-фосфат—дегидрогеназы (см. 4.2.2.2). Обнаружено, что при редко встречающемся варианте дефектна не фенилаланин— 4-гидроксилаза, а дигидроптеридинредуктаза - фермент, необходимый для поддержания активности гидроксилазы.

Многие из обнаруживаемых фенотипов могут возникать в результате сложной гетерозиготности по мутациям с различными молекулярными характеристиками. С практической точки зрения важно отметить, что остаточная активность гидроксилазы, составляющая 10% нормальной, обеспечивает нормальное соматическое и умственное развитие без специальной диеты.

Чтобы знать возможные фенотипические последствия двойной гетерозиготности по различным вариантам фенилаланингидроксилазы, необходимо изучение фермента у отдельных гетерозигот. Для глюкозо-6-фосфат—дегидрогеназы этот вопрос решить сравнительно просто, так как она содержится в эритроцитах и для анализа достаточно взять у человека кровь. Совсем иная ситуация с фенилаланингидроксилазой. Её можно обнаружить только в клетках печени, поэтому для анализа этого фермента необходим материал биопсии. Но данная процедура не безопасна и обычно не используется в исследовательских целях. Возможно в будущем удастся «включать» ген, ответственный за фенилкетонурию в фибробластах или лимфоцитах, тогда необходимые для изучения фермента массовые обследования (скрининг) станут реальными.

Программы скрининга позволили получить важную информацию об общей частоте генов ФКУ и других гиперфенилаланинемий в человеческих популяциях (разд. 6.1). В настоящее время разрабатываются программы, предназначенные для выявления ряда других метаболических заболеваний, для которых терапевтическое лечение является перспективным.