metodNasledPat08

Частота некоторых генных болезней

11

больного (синдром Хартнупа), или по основному симптому (альбинизм,

синдром голубых пеленок).

Когда научились регистрировать основные звенья патогенеза, то появились следующие термины: если обнаруживалось увеличение концентрации ключевого вещества в крови, то к его названию добавляли – емия (галактоземия), если в моче – урия (фруктозурия, фенилкетонурия).

Если основным биохимическим признаком служит накопление соединения в клетках, то в его термине появляется суффикс – оз (тирозиноз, холестериноз, ганглиозидоз). В последние годы стали указывать точное место повреждения – недостаточность аденозиндезаминазы, непереносимость дисахаридов, недостаточность глюкозо-6-фосфат ДГ.

Как известно из менделевской генетики, разные аллели могут проявляться в следующих вариантах: доминантном, рецессивном, кодоминантном. Чаще регистрируются первых два вида. Отсюда, в зависимости от генетического принципа классификации (типа наследования) выделяют несколько групп моногенных болезней.

Аутосомно-доминантные – дефектный ген расположен в одной из 22 пар аутосом, для недуга достаточно унаследовать мутантный аллель одного из родителей (нейрофиброматоз Реклингаузена, гемохроматоз,

ахондроплазия, семейная гиперхолестеринемия, синдромы Марфана,

Элерса-Данло и др.). Для большинства подобных повреждений характерна такая клиника, которая не наносит серьезного ущерба здоровью человека и часто не влияет на его способность иметь потомство (рис. 4).

Рис. 4. Родословная с аутосомно-доминантным типом наследования болезни

(Синдром Марфана).

Характерными признаками данного типа являются:

12

-заболевание передается из поколения в поколение регулярно без пропусков (в родословной прослеживается по вертикали);

-риск рождения больного ребенка (при наличии патологии у одного из родителей) составляет 50%;

-здоровые индивиды имеют здоровых потомков;

-у больного ребенка обязательно болен хотя бы один из родителей;

-от двух больных родителей могут рождаться гомозиготы; болезнь у таких детей протекает тяжелее, чем у гетерозигот;

-оба пола поражаются с одинаковой частотой.

Аутосомно-рецессивные проявляются только у гомозигот. Известно более 1600 подобных болезней (галактоземия, муковисцидоз, болезнь ТеяСакса, фенилкетонурия, адреногенитальный синдром и др.).

Наиболее типичные признаки (рис. 5):

-родители больного здоровы, но аналогичное заболевание регистрируется у родственников (передается в родословной по горизонтали) (в одном поколении);

-если больны оба родителя, то все дети будут поражены;

-у больного родителя рождаются здоровые дети;

-мальчики и девочки заболевают одинаково часто;

-риск рождения больного ребенка составляет 25% (соотношение больных и здоровых 1:4);

-кровнородственные браки увеличивают вероятность рождения больных в семье.

Рис. 5. Родословная с аутосомно-рецессивным типом наследования болезни

(синдром Тея-Сакса).

Х-сцепленные рецессивные – в своей основе имеют дефект гена, локализованного в половой Х-хромосоме (синдром Леша-Найхана,

недостаточность глюкозо-6-фосфатДГ, синдром Барта). Женщина,

унаследовав от одного из родителей патологический аллель, является гетерозиготой, т.е. фенотипически здорова; страдают только мужчины.

Ключевые компоненты данного типа (рис. 6):

13

-заболевание развивается у мужчин по материнской линии;

-у больных мальчиков могут быть больные братья и дяди по матери;

-сыновья никогда не наследуют недуг отца;

-у больного отца все дочери здоровы, но являются гетерозиготными носителями мутантного гена;

-если женщина – гетерозиготный носитель, то половина ее сыновей больны, все дочери здоровы, причем половина из них гетерозиготы.

Рис. 6. Родословная с Х-сцепленным рецессивным типом наследования болезни (гемофилия). Обозначения те же, что и к рис.5.

Х-сцепленные доминантные обусловлены тем, что у женщин две Х- хромосомы, а у мужчин одна. Женщина, унаследовав от одного из родителей патологический аллель, является гетерозиготой, а мужчина - гомозигота.

Рис. 7. Родословная с Х-сцепленным доминантным типом наследования болезни

(витамин Д-резистентный рахит). Обозначения те же, что и к рис.4.

Признаками, характерными для подобной патологии, являются (рис. 7):

-поражаются и мужчины, и женщины, но последних два раза больше;

-у больного обязательно страдает один из родителей;

-у больного отца все дочери больны, а сыновья здоровы;

-у больной матери равновероятно рождение больных и дочерей, и сыновей;

-у здоровых родителей все дети здоровы;

-в среднем женщины болеют менее тяжело, чем мужчины.

У-сцепленный тип наследования. Длительное время полагали, что У- хромосома содержит только гетерохроматиновые участки (без генов). Новейшие исследования позволили обнаружить и локализовать в этой структуре ряд генов, отвечающих за сперматогенез, контролирующих рост тела, конечностей, зубов, определяющих оволосение ушной раковины. Дефектный признак передается всем мальчикам. Естественно, все патологические мутации, затрагивающие сперматогенез наследоваться не могут, т.к. индивиды стерильны.

14

Среди описанных мутантных генов на аутосомно-доминантный характер наследования приходится 2/3, около 25% - на аутосомнорецессивный, 6% дефектных транскриптонов локализованы в Х-хромосоме, 0,8% в У-хромосоме.

Выявлено 59 поврежденных генов в митохондриальной ДНК

(митохондриальный тип наследования) (гл. 2).

Клинический принцип классификации генных болезней основывается на поражении той или иной системы либо органа. Согласно его положениям выделяют генные болезни соединительной ткани (мукополисахаридозы,

болезнь Марфана и др.), ЖКТ (непереносимость дисахаридов, гиповитаминоз В12 из-за нарушения всасывания витамина и др.), почек (витамин Д-резистентный рахит, цистинурия и др.), печени (синдромы Криглера-Найяра, Жильбера и др.) или клеток крови: эритроцитов (недостаточность глюкозо-6-фосфатДГ), лейкоцитов (недостаточность аденозиндезаминазы). Сюда же можно отнести тезаурисмозы (болезни

накопления различных веществ в органоидах клеток).

В связи с нарушением активности лизосомальных ферментов (лизосомные болезни) в клетках или межклеточном веществе накапливаются недеградированные биополимеры: гликозаминогликаны (мукополисахаридозы); а если подобное повреждение локализуется в гепатоцитах или миоцитах, где подавляется активность энзимов, разрушающих гликоген, развиваются гликогенозы.

Другие внутриклеточные структуры – пероксисомы, главная функция которых деградация пероксидов, – также могут являться точкой приложения первичного действия мутантного гена. В этих случаях возникают так называемые пероксисомные болезни. Описано около 30 нозологических форм.

Однако более часто используется классификация, учитывающая характер повреждений первичного звена в метаболизме. По такому принципу различают:

-болезни обмена аминокислот (алкаптонурия, альбинизм, гистидинемия, фенилкетонурия и др.); -болезни обмена углеводов (галактоземия, гликогенозы, фруктоземия и др.);

-болезни обмена липидов (ганглиозидозы, цереброзидозы, сульфатидозы, наследственная гиперхолестеринемия и др.);

-болезни обмена пуринов и пиримидинов (синдром Леша-Найхана,

недостаточность аденозиндезаминазы, оротацидурия и др.);

-болезни обмена порфиринов (порфирии); -болезни обмена билирубина (синдромы Криглера-Найяра, Ротора, Жильбера и др.);

-болезни метаболизма витаминов (витамин Д-резистентный рахит,

пеллагрические поражения при дефиците витамина В6 и др.); -болезни минерального обмена (синдром Менкеса, болезнь ВильсонаКоновалова и др.);

15

-болезни компонентов крови: форменных элементов (гемоглобинозы,

талассемии и др.) или белков плазмы (анальбуминемия).

В последние годы среди причин наследственных болезней стали указывать на отсутствие восстановления нарушенных участков в структуре гена. Как известно, мицеллы ДНК обладают способностью к устранению повреждений нуклеотидной последовательности (репарации). С помощью нуклеаз измененные фрагменты вычленяются (рестрикция), затем соответствующая полимераза достраивает участок цепи, а ДНК-лигаза связывает его с основной нитью. Но появились факты, свидетельствующие о том, что подобные явления в клетках человека могут быть причиной возникновения ряда заболеваний, приводящих к тяжелой инвалидности или гибели. Возник даже термин «болезни репарации». Среди них выделяют три группы:

1) пигментная ксеродермия; у носителей этой патологии под действием обычного солнечного света возникают сначала красные пятна, которые постепенно переходят в незарастающие коросты, часто трансформирующиеся в раковые опухоли. В 1968 году Д. Кливер нашел причину этой коварной болезни – дефекты разных репарирующих систем;

2)синдром ломкости хромосом, или синдромы спонтанной хромосомной нестабильности:

а) синдром Блума, характеризуется светобоязнью, повышенной чувствительностью кожи к УФО;

б) синдром Луи-Барр (гл. 8.4) проявляется нарушением походки, телеангиоэктазиями (локальным и чрезмерным расширением капилляров и мелких сосудов);

в) анемия Фанкони (anaemia Fanconi), наследуется по аутосомнорецессивному типу, симптомы включают низкий рост, микроцефалию, косоглазие, деформацию скелета, глухоту, панцитопению, лейкопению, эритроцитопению, также признаки малокровия: одышку, слабость, бледность, тахикардию (гл.7);

3)болезни преждевременного старения (прогерии): а) синдром Вернера (progeria adultorum, morbus Werner) начинается в подростковом возрасте эндокринными нарушениями (сахарным диабетом, гипогонадизмом), присоединяются трофические язвы, склеродермия, для больных характерны маленькие стопы, кисти, старческий вид; б) синдром Коккейна (syndrome Cockayne) наследуется по аутосомно-рецессивному типу; к 2005 году диагностировано 180 случаев. Причина - дефект гена, кодирующего белок, который участвует в процессе репарации ДНК. Первые симптомы появляются на 2-3-м годах жизни в виде повышения фоточувствительности кожи, позднее присоединяются отставание в росте (карликовость), в массе тела (вплоть до кахексии), нарушения походки, возникают контрактуры в суставах, не пропорционально увеличиваются уши, конечности, стопы, кисти, снижается интеллект, развивается преждевременное старение. Смерть наступает в 20-30 лет от осложнений

атеросклероза (гиперхолестеринемии, накопления ЛПНП).

16

К прогериям принадлежит и еще одна очень редкая наследственная аномалия сенильный нанизм, известный с 1886 года как синдром Хатчинсона-Гилфорда ((syndrome Hutchinson-Gilford). Тип наследования аутосомно-рецессивный. У детей – старческая внешность, редкие седые волосы, тонкая морщинистая кожа, карликовый рост, часто - гипогонадизм, остеопороз, слабость скелетной мускулатуры, но IQ в пределах нормы. Локализация генетического дефекта не установлена. Продолжительность жизни не превышает 20 лет.

В диагностике подобных заболеваний выясняют способность лимфоцитов к репарации или их чувствительность к действию физических мутагенов (УФО, -лучей). Полученные результаты приобретают выраженную актуальность для таких больных, т.к. для них особенно опасны экологически вредные воздействия, неадекватное питание с дефицитом витаминов А, Е, С, обусловливающим недостаточность антиоксидантной защиты. Все это необходимо учитывать при проведении диагностических и лечебных мероприятий (жесткое дозирование рентгеновского облучения, физио- и химиотерапии) лицам, страдающим болезнями репарации.

17

Глава 2 . Генетический аппарат митохондрий, патология

Митохондрии - важнейшие клеточные органоиды, которые присутствуют во всех эукариотических организмах и являются энергетическими станциями клеток. В каждой соматической клетке содержится около 1000 митохондрий, отграниченных двойной мембраной и имеющих собственную генетическую систему.

На долю митохондриальной ДНК (мДНК), которую обозначили 25-ой хромосомой, приходится около 5% от общего количества ДНК клетки. В каждой подобной органелле имеется 5-10 копий полинуклеотида. В первичной структуре двойной нити содержится около 17 тысяч пар нуклеотидов (по некоторым данным она включает 16569 пар мономеров). Вторичная структура – хорошо спирализованное образование. Третичная представляет кольцевой дуплекс, т.е. концы сдвоенной нити сближены и соединены между собой.

Главной особенностью мДНК является отсутствие связанных с ней белков (гистонов и других протеинов), одной из функций которых служит обычно защита от действия различных факторов; отсюда растет опасность повреждения ее мицелл за счет активных форм кислорода, свободных радикалов, концентрация которых в митохондриях намного выше, чем в других органоидах.

Кроме того, митохондриальный геном непрерывен, т.е. не содержит интронов; а так как мейоз отсутствует, нуклеотидная последовательность меняется в поколениях только за счет мутаций. Данная ДНК наследуется по материнскому типу. Доля отцовской ДНК в зиготе составляет от 0 до 4 митохондрий, а число материнских может достигать 2500. К тому же не исключается, что после оплодотворения репликация отцовских полинуклеотидов вообще блокируется.

Исследования генома митохондрий выявили его совершенно уникальные способности. Первое шокирующее сообщение пришло 30 лет назад, когда было обнаружено, что в этих органоидах нередки отклонения от универсального генетического кода. Позже подобные вариации были найдены во многих организмах, например, в митохондриях человека триплет АУА шифрует метионин вместо изолейцина в стандартном коде.

Кодоны АГА, АГГ, несущие в ядрах информацию об аргинине, являются в митохондриях стоп-сигналами, и, наоборот, терминирующий триплет УГА кодирует в органеллах триптофан.

Другой необычной чертой митохондрий является особенность узнавания кодонов тРНК; одна ее молекула способна определить сразу четыре разных триплета. Подобное характерное свойство уменьшает значимость третьего мононуклеотида в кодоне и приводит к тому, что тРНК требуется меньше. Всего 22 подобных соединения достаточно для узнавания всех 64 тринуклеотидов, тогда как для обычных рибосом работает более 30 (в некоторых клетках находят 61 вариант тРНК).

18

Митохондрии животных содержат очень маленькие рибосомы (при центрифугировании коэффициент седиментации едва достигает 55S). При этом большие рибосомные РНК имеют меньшие размеры, а малые – вообще отсутствуют. Не обнаруживаются также некоторые рибосомные белки.

Следует заметить, что в митохондриальной генетической системе содержится запись далеко не всех протеинов и РНК данных органоидов. Их геном кодирует 13 белков, все 22 транспортных РНК, две рибосомные РНК. 60% генов, ответственных за синтез полипептидов, несут информацию о семи субъединицах комплекса, окисляющего НАДН; остальные транскриптоны кодируют две субъединицы цитохромоксидазы, одну – цитохром с–редуктазы. Причем транскрипция различных структур осуществляется с разных нитей, т.е. в отличие от хромосомной ДНК транскрибируются обе. Одна расположенная как бы снаружи (более тяжелая) цепь отвечает за синтез белков, рибосомных и 6 транспортных РНК, а оставшиеся тРНК считываются с более легкой цепи мДНК. Как остроумно заметил один из исследователей, митохондриальный геном человека напоминает университет, в котором все уменьшено до минимальных размеров, но пока еще никто не уволен.

Уже нет сомнений, что митохондрии представляют собой центр контроля апоптоза. Гибель клетки связана с генезом специфического белка – убийцы, который локализован в межмембранном пространстве митохондрии и выходит из нее, когда она не справляется с удалением АФК (Н2О2, супероксид-аниона). Последние индуцируют открывание пор во внешней мембране, что и приводит к выходу этого протеина в цитозоль и включению цепи метаболических реакций, провоцирующих синтез протеаз и нуклеаз, нарушающих клетку.

Патология мДНК

Поскольку митохондрии находятся в центре энергетического обмена клетки, любое нарушение в них может негативно сказаться на функциях организма. Исходя из вышеописанных сведений, логично считать, что мДНК является более ранимой при окислительном стрессе и мутациях, чем ядерный аналог. Частота мутаций первой во много (5-20) раз превышает таковые в хромосомной ДНК. В результате дыхательные комплексы, содержащие субъединицы, кодируемые мутантным полинуклеотидом, функционально неполноценны, что повышает утечку электронов и продукцию АФК, отсюда провоцируется окислительное повреждение митохондрий.

Митохондриальные болезни– это мультисистемные заболевания, причиной которых являются нарушения функций митохондрий, вызванные мутациями в митохондриальной или ядерной ДНК. В последней закодированы сведения о белках комплексов I – III ЭТЦ, о пируватдегидрогеназе, о цитохромоксидазе. Эти патологические состояния из-за множества неспецифических симптомов плохо диагностируются и практически не лечатся. Главные митохондриопатии (табл. 2) включают нейродегенеративные синдромы (болезни Альцгеймера и Паркинсона,

19

morbus Alzheimer, morbus Parkinson), офтальмоплегии (синдром Кернса-

Сейра, syndrome Cairns), аномалии скелетной мускулатуры (синдромы Барта, Лейга, syndrome Bart, syndrome Leigh), несенсорную глухоту и т.д.

Таблица 2

Наиболее распространенные митохондриальные болезни

Нет ни одной отрасли клинической медицины, в которой бы не были описаны те или иные синдромы, связанные с патологией митохондрий: в эндокринологии – сахарный диабет, гипофизарный нанизм; в педиатрии – витамин Д-резистентный рахит, синдром «внезапной смерти младенца», в кардиологии – кардиомиопатии; в дерматологии – пятнистая пигментация кожи; в офтальмологии – ретинопатии и т.д.

У людей с одной и той же мутацией могут проявляться любые разнообразные симптомы от их отсутствия до тяжелых нарушений, а также развиваться самые различные болезни. Подобная разнохарактерность клинических проявлений объясняется присутствием как нормальных, так и мутантных митохондриальных хромосом в разных пропорциях в разнообразных тканях.

Для митохондриальной наследственности характерны следующие признаки. Данные заболевания передаются только по материнской линии, т.к. при слиянии гамет мутантная ДНК попадает в зиготу только из

20