Добавил:
asman00000@mail.ru Работаю на МРТ, учусь на стоматолога,делитесь со мной файлами в ТГ ozzii05 Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Тейлор, Грин, Стаут 3 том [2013].pdf
Скачиваний:
0
Добавлен:
05.09.2026
Размер:
19 Мб
Скачать
240 Глава 25
лекулярных биологов, имеющих международное признание, собралась в Калифорнии и решила, что до тех пор пока риск не будет оценен точно, на исследования в области генной инженерии следует наложить мораторий. Это был выдаю щийся пример ограничения научного прогресса, на котором настаивало не правительство, а само научное сообщество. Работа с онкогенными ви русами была приостановлена. В 1976 г. в США и Великобритании были сформированы специ альные комитеты, призванные выработать меры безопасности. Только после того как соответст вующие правила были приняты, исследования онкогенных вирусов было разрешено продол жить. Но и по сей день проводятся тщательные проверки безопасности применяемых процедур. Продолжаются дебаты о том, насколько строги ми должны быть правила и инструкции. Число сторонников ужесточения таких мер растет и в Европе, и в США.
В 1980х годах наблюдался взрыв интереса к генной инженерии. Промышленные компании начали вкладывать миллиарды долларов не в те оретическую молекулярную биологию, а в реше ние прикладных задач. Родилась новая индуст рия — биотехнология. В данной главе и в гл. 12 рассматриваются некоторые примеры примене ния биотехнологии в сельском хозяйстве, меди цине, промышленности, а также при переработ ке отходов; в конце данной главы обсуждаются такие важные аспекты биотехнологии, как ген ная терапия и геномная дактилоскопия.
25.6.1. Безопасность человека
Первым разрешенным к продаже пищевым про дуктом, содержащим рекомбинантную ДНК, были трансгенные томаты (разд. 25.4.6). На этом примере мы рассмотрим вопросы, касающиеся безопасности трансгенных пищевых продуктов.
Одна из главных проблем безопасности свя зана с векторами, которые используются для трансформации клеток растений. Они содержат гены устойчивости к антибиотикам, чаще всего к канамицину. Эти гены оказываются в геноме трансформированного растения вместе с нуж ным геном (рис. 25.1). Трансгенные томаты со держат именно такой ген. Беспокойство вызыва ет тот факт, что после того, как томат съеден, ген устойчивости к канамицину может попасть в ге ном бактерии E. coli, обитающей в кишечнике человека. Поскольку бактерии выводятся из ор
ганизма вместе с фекалиями, ген может распро страниться в окружающей среде и передаться другим болезнетворным бактериям, которые, попав в организм человека, окажутся устойчи выми к антибиотикам. На самом деле ген томата вместе со всей остальной ДНК будет скорее все го переварен в желудке, но даже если этого не произойдет, вероятность того, что ген пройдет через серию организмов, чрезвычайно мала. Кроме того, ген устойчивости к канамицину, к сожалению, уже распространен в окружающей среде. Тем не менее исследователи продолжают искать способы удаления маркерных генов после трансформации.
В 1996 г. Европейский Союз дал разрешение на ввоз из США генетически модифицирован ной кукурузы. Кукуруза содержит бактериаль ный ген, повышающий ее устойчивость к вреди телям и болезням, а кроме того, ген устойчиво сти к антибиотику ампициллину. Защитники природы выступают против внедрения такой ку курузы и угрожают акциями протеста.
Общественность крайне обеспокоена появ лением продуктов, полученных с помощью генной инженерии, между тем компании, вло жившие миллионы фунтов стерлингов в иссле дования и разработку таких продуктов, очень заинтересованы в их безопасности. Например, компания PPL, которая производит противоэм физемный препарат ААТ, привозит всех овец для экспериментов из Новой Зеландии, чтобы быть уверенными, что они не являются носите лями болезни, напоминающей коровье бешен ство. Трансгенным козам, которых компания «Genzyme Transgenics» использует для производ ства моноклональных антител, дают корм без пе стицидов и гербицидов. Кроме того, в их рацион запрещено вводить какиелибо белки или жиры животного происхождения, чтобы исключить любую возможность переноса болезни от других животных человеку. Таким образом, эти продук ты, возможно, даже безопаснее многих традици онных видов пищи.
25.6.2. Безопасность окружающей среды
В разд. 25.4.3 рассматривалась возможность со здания сельскохозяйственных растений, устой чивых к фитопатогенным вирусам. Поскольку в этом случае в качестве вектора для переноса нужных генов используют вирус табачной моза ики (ВТМ), не исключено, что в ходе экспери
Прикладная генетика 241
ментов в белковую оболочку ВТМ упакуется ДНК фитопатогенного вируса. Такой вирус мо жет заразить все растения, которые инфициру ются ВТМ. Чтобы застраховать себя от подобных инцидентов, при создании устойчивых форм растений необходимо проводить широкие испы тания в естественных условиях.
Как Северная Америка, так и Европа вырабо тали правила, регламентирующие высвобож дение в окружающую среду генетически моди фицированных организмов (ГМО). Каждая странаучастник ЕЭС имеет свои собственные контролирующие органы. Все случаи использо вания ГМО обсуждаются в печати. Например, широкая полемика развернулась вокруг приме нения созданных методом генной инженерии «iceminus»бактерий. Исходная бактерия обита ет на многих сельскохозяйственных растениях и делает их чувствительными к заморозкам, так как белок, который она выделяет, способствует образованию кристаллов льда на растениях. С помощью генной инженерии были получены так называемые «iceminus»бактерии, у которых был удален ген, кодирующий этот белок. Цель состояла в том, чтобы разбрызгивая суспензию таких бактерий на растения, например на земля нику, сделать их более устойчивыми к замороз кам. Развернулись горячие дебаты об опасности высвобождения ГМО в окружающую среду, тем не менее разрешение на применение модифици рованных бактерий было получено. После этого случая правила сделали более четкими и менее ограничительными.
Первое разрешение на широкое использо вание ГМО в Великобритании было выдано Департаментом охраны окружающей среды в 1994 г. Организм, который был получен бельгий ской компанией «Plant Genetic Systems» (PGS), представлял собой новый сорт масличного рап са, несущего ген устойчивости к гербициду Basta (разд. 25.4.4). К тому времени в Великобритании было проведено более 60, а в Северной Амери ке — более 1000 мелкомасштабных полевых испытаний этого трансгенного растения. По мнению фирмыразработчика опасность от та кого рапса для окружающей среды минимальна. Проблема, однако, состоит в том, что за предела ми поля, на котором он посеян, трансгенный рапс превращается в опасный сорняк, от которо го невозможно избавиться с помощью гербицида Basta. Кроме того, он может перекрестно опы лять родственные растения, например дикую
горчицу, и таким образом передавать устойчи вость к гербициду диким растениям.
Другая проблема состоит в том, что создание устойчивых к гербицидам растений может при вести, по мнению некоторых ученых, к необхо димости использовать все большие количества гербицидов, в частности гербицида Basta, хотя заинтересованные компании утверждают, что напротив, расход гербицидов уменьшится, по скольку они будут более эффективны.
Повидимому, таким же образом трансген ные растения могут передавать сорнякам устой чивость к болезням, засухе и другим стрессовым факторам; образовавшиеся при этом «суперсор няки» очень быстро заполняют сельскохозяйст венные угодья. Серьезную угрозу окружающей среде может представлять и рыба, полученная с помощью генной инженерии, например гигант ский лосось, упомянутый в разд. 25.5.3. Его содержат в отгороженных водоемах, однако из вестно, что птицы, охотясь на мальков, могут ро нять их и в открытом море. К каким последстви ям это приведет, не нарушится ли баланс в диких популяциях лосося, неизвестно. Несмотря на существующие опасения, промышленное про изводство ГМО во многих странах наращивает ся. Пока никаких заметных вредных воздейст вий на окружающую среду зафиксировано не было.
25.6.3. Животные и этика
Люди часто полагают, что в силу своего разума имеют право переделывать другие организмы ради собственного блага. Однако в последние годы такая антропоцентристская точка зрения стала многими пересматриваться. Важным мо тивом создания модифицированных животных является коммерческая выгода, но рассчитана ли биологическая «конструкция» животных на то, чтобы противостоять дополнительным стрессам, вызываемым повышенной продук цией молока, мяса, яиц и других продуктов, неизвестно. Неизвестно также, чем может обер нуться встраивание генов человека в геном ла бораторных животных — методика широко ис пользуемая ныне для изучения молекулярных механизмов многих болезней. Несмотря на все перечисленные опасения, получение генетиче ски модифицированных животных для нужд сельского хозяйства, фармакологии и медици ны — это реалии нашей жизни, а сами транс
242 Глава 25
генные животные — несомненно самые ухо женные в мире.
25.6.4. Патентование
В 1992 г. одна американская биотехнологическая компания пыталась запатентовать полученные ими с помощью генной инженерии новые сорта хлопка и сои. При этом фермеры должны были бы каждый год платить отчисления владельцу патента за то, что используют эти культуры. Не смотря на то, что патентование было разрешено, эти патенты были оспорены международным со обществом. В 1991 г. Национальный институт здоровья США пытался запатентовать геном человека, однако после многочисленных протес тов от разных стран заявка была отозвана. Тем не менее в США после определения последователь ности нуклеотидов был запатентован ген чело века, ответственный за рак молочной железы (BRCA1), и делаются попытки запатентовать второй такой ген (BRCA2).
Некоторые европейские компании пытаются отнять у фермеров права на потомство от транс генных животных. Европарламент и националь ные правительства должны сбалансировать инте ресы фермеров, производителей и потребителей.
25.6.5. Страхование
В 1997 г. в Великобритании была созвана комис сия по этическим проблемам генетических ма нипуляций. На повестке дня был вопрос о стра ховых компаниях. Должны ли такие компании в своей деятельности ориентироваться на резуль таты генетических тестов. Следует ли им отказы вать в страховании или повышать страховые взносы людям, для которых высока вероятность смерти от определенной болезни, например от рака легких или болезни сердца? Страховые ком пании утверждают, что им следует иметь доступ к результатам любых генетических тестов, кото рые проводятся с человеком, страхующим свою жизнь.
25.6.6. Клонирование
Клонирование овцы Долли в 1997 г. было неиз бежным следствием прогресса, достигнутого в генетике и биотехнологии (разд. 21.1.4). Теперь появилась возможность создания множества идентичных копий животных, обладающих нуж
ными признаками. Одна из этических проблем состоит в том, что этот метод может быть приме нен и к людям, хотя в настоящее время такие ра боты запрещены.

25.7. Генетика человека

25.7.1. Сфера генетики человека
Примерно 1% всех живых новорожденных со ставляют дети, у которых выявляют какоени будь генетическое нарушение (в Великобрита нии это около 40 новорожденных ежедневно). Высокий процент детской смертности обуслов лен именно такими нарушениями. Примерно каждый из 20 детей, поступающих в больницы в Великобритании, имеет наследственную пато логию и у одного из 10 человек раньше или позже разовьется заболевание, которое было унаследо вано. Кроме того, определенные гены повышают вероятность некоторых заболеваний во взрос лом возрасте, другими словами, обусловливают предрасположенность (например, к ишемиче ской болезни сердца, раку молочной железы или диабету). Поскольку мутация возможна в каж дом гене, а у человека примерно 100 000 генов, теоретически возможны тысячи генетических заболеваний. Зарегистрировано около 4000 забо леваний, которые обусловлены нарушением в одномединственном гене, однако с появлением новейших генетических методов это число быст ро увеличивается. Для 600 из этих болезней изве стны биохимические нарушения. Не исключено, что каждый из нас является носителем 4–8 раз личных наследственных заболеваний, от кото рых мы сами не страдаем, но они могут передать ся нашим детям. Некоторые мутации являются летальными, другие обусловливают те или иные отклонения. Есть мутации,которые не влияют на жизнеспособность их носителей, однако есть и такие, в результате которых организм приобре тает как преимущества, так и недостатки, напри мер мутация, обусловливающая серповиднокле точную анемию (об этой болезни речь будет идти позже).
До недавних пор генетические болезни считались неизлечимыми, однако в настоящее время ситуация меняется; лечение некоторых наследственных патологий становится возмож ным; эту тему мы обсудим в разд. 25.7.11. По мере накопления знаний о наследственных бо лезнях человека увеличивается потребность в консультировании. Специалистыгенетики дол
Прикладная генетика 243
жны помочь людям осмыслить заключения вра ча. Подробнее на генетическом консультирова нии мы остановимся в разд. 25.7.9 и 25.7.10.
однако есть и другие, имеющие большое прак тическое значение. Два из них — генетическая дактилоскопия и генетическая совместимость при пересадке органов — будут рассмотрены ниже (разд. 25.7.12 и 25.7.13). На рубеже XX и
25.1. Приведите по одному аргументу экономического и социального плана в поддержку изучения наследственных болезней.
XXI столетий ученым удалось расшифровать полную нуклеотидную последовательность ДНК человека, однако локализация всех генов на 46 хромосомах еще не установлена. Во всем мире в рамках проекта «Геном человека» груп пы исследователей решают эту сложнейшую задачу.
Изучение наследственных болезней — одно
из важнейших направлений генетики человека
Таблица 25.3. Некоторые наиболее распространенные наследственные заболевания
Генетическое Нарушена Тип Характер Основные Нарушение Частота заболевание/ хромосома мутации наследования симптомы нарушение
Генные мутации
клеточная ане
Замена11Серповидно
мия
Кодоминантное (иногда описыва ется как рецес сивное) аутосом ное
По мере углубления наших знаний о геноме
человека, возникают проблемы, которые долж
1
Анемия и нару шение кровооб ращения
Аномальная молекула ге моглобина
1 на 1600 сре ди черного населения
урия
(болезнь) Гентингтона
7Муковисцидоз
4Хорея
В 70% случаев делеция трех оснований
Замена12Фенилкетон
Недавно откры тый новый тип мутаций — нор мальный ген имеет 10–34 по второв ЦАГ на конце, а мутант ный ген имеет 42–100 повторов ЦАГ
ЗаменаХГемофилия
Рецессивное ау тосомное
Рецессивное ау тосомное
Доминантное аутосомное
Рецессивное сцепленное с полом
Необычайно гу стой секрет в легких, печени, поджелудочной железе
Мозг не развива ется нормально
Постепенное раз рушение ткани мозга, начинаю щееся обычно в среднем возрасте
Кровь не сверты вается
Нарушение ме ханизма тран спорта ионов хлора в мемб ранах эпители альных клеток
ность фенил аланингидр оксилазы
Подавлен ме таболизм кле ток мозга
структура фактора VIII или IX
1 на 1800 сре ди белого на селения
1 на 18 000Недостаточ
от 1 на 10 000 до 1 на 20 000
1 на 7 000Нарушена
244 Глава 25
Таблица 25.3. Продолжение
Генетическое Нарушена Тип Характер Основные Нарушение Частота заболевание/ хромосома наследования симптомы нарушение
Хромосомные аберрации
21Синдром
Дауна
Синдром Клайнфельтера
Синдром Тернера
1
Аутосомная мутация — мутация, затрагивающая неполовую хромосому (аутосому). Моносомия — нехватка одной хромосомы (2n – 1). Трисомия — присутствие дополнительной хромосомы (2n + 1). Моносомия и трисомия — варианты анеуплоидии, где полный набор хромосом не является кратным гаплоидному набору.
Поло вые
Поло вые
ны обсуждаться обществом в целом, а не только генетиками и молекулярными биологами. Вы, может быть, уже читали о генах «интеллигентно сти» и «преступности», или генах, ответственных за гомосексуальное поведение. Некоторые из этих проблем, относящихся к генетическому скринингу, генной терапии и генетической дак тилоскопии, будут обсуждаться в этой главе. Чтобы разобраться в данном материале, вам по надобится знание основных законов генетики, природы гена и хромосомных мутаций. В табл.
Дополнитель ная хромосома 21 (трисомия)
Дополнитель ная Ххромосо ма у мужчин (трисомия)
Отсутствие Х хромосомы у женщин (моно сомия)
цатилетнего афроамериканца, который посту пил в больницу с жалобами на лихорадку, голо вную боль, слабость, головокружение и кашель. Лимфатические узлы пациента были увеличены, сердце имело аномально большие размеры, а мо ча свидетельствовала о заболевании почек. Од нако наиболее удивительными были результаты анализа крови. Эритроциты пациента под мик роскопом имели вместо круглой серповидную форму (рис. 25.20). Содержание гемоглобина со ставляло примерно половину нормы; другими
Пониженный интеллект, ха рактерные чер ты лица
мужчина
щина
1 на 750
1 на 500Женоподобный
1 на 2 500Бесплодная жен
25.3 содержатся сведения о наиболее распрост раненных наследственных заболеваниях, кото рые мы будем рассматривать в последующих раз делах.
25.7.2. Серповидноклеточная анемия
Это заболевание имеет моногенную природу, т. е. обусловлено однойединственной мутацией в гене. Серповидноклеточная анемия — яркий пример роли естественного отбора в регуляции частоты гена в популяции.
В 1904 г. молодой врач из Чикаго по имени
Джеймс Херрик (James Herric) обследовал двад
Рис. 25.20. Серповидные эритроциты.
Прикладная генетика 245
словами, юноша страдал от анемии. Через четы ре недели пациента выписали, однако Херрик опубликовал описание этого случая лишь 6 лет спустя. Вскоре после этого в печати появилось множество сообщений о пациентах с аналогич ными симптомами и началось исследование причины их недомогания.
Выяснилось, что болезнь (ее назвали серпо видноклеточной анемией) чаще встречается среди афроамериканцев, имеет генетическую природу, а ген, вызывающий ее, наследуется, повидимо му, рецессивно. Человек заболевает только в том случае, если несет 2 копии мутантного гена, одна из которых унаследована им от матери, другая — от отца; иными словами, заболевший всегда является гомозиготным по этому гену. Если в ге номе присутствует только одна копия гена сер повидноклеточности, то ее обладателя называют гетерозиготным носителем. Подсчитано, что ежегодно во всем мире от серповидноклеточной анемии умирает около 100 000 человек. Болезнь особенно распространена в Африке, Пакистане и Индии.
Симптомы
Основные признаки заболевания — анемия, а также изменение формы эритроцитов (серпо видность) при низких концентрациях кисло рода. Серповидные эритроциты, скапливаясь в капиллярах и мелких сосудах, препятствуют нормальному току крови и, следовательно, не способны в должной мере обеспечить клет ки кислородом. В результате может наблю даться целый спектр вторичных симптомов (рис. 25.21). Особенно поражаются почки и сус тавы. Закупорка кровеносных сосудов вызывает сильные боли в руках, ногах, спине и желудке. Суставы теряют подвижность, становятся бо лезненными, руки и ноги отекают. Больные чрезвычайно подвержены инфекциям и часто погибают именно от них.
Дети с серповидноклеточной анемией обыч но чувствуют себя хорошо и ведут относительно нормальный образ жизни, хотя время от времени могут испытывать сильные боли и слабость, свя занную с анемией.
Причина
глобин больных серповидноклеточной анемией (HbS) отличается от гемоглобина нормальных здоровых людей (HbA). С помощью электро фореза — метода, который позволяет разделять белки по их суммарному заряду — было уста новлено, что при рН 6,9 суммарный заряд HbS является положительным, тогда как для HbA он отрицателен. Таким образом, впервые было по казано, что болезнь вызывается дефектной моле кулой гемоглобина. В 1956 г. Ингрэм показал, что различие между нормальным и аномальным гемоглобином определяется одной аминокисло той, а затем были установлены полные амино кислотные последовательности HbA и HbS. Гемоглобин состоит из четырех полипептидных цепей (рис. 3.36): двух Dцепей и двух Eцепей длиной соответственно 141 и 146 аминокислот ных остатков. Нарушение происходит в шестой аминокислоте Eцепи. В нормальном гемоглоби не на этом месте должна быть глутаминовая кис лота. Однако в HbS она заменена на валин. С по мощью кода для обозначения аминокислот (табл. 23.4) это можно изобразить следующим образом:
HbA Вал—Гис—Лей—Тре—Про—Гл у —Глу—Лиз—
HbS Вал—Гис—Лей—Тре—Про—Вал—Глу—Лиз— Амино
кислоты: 1 2 3 4 5 6 7 8
Глутаминовая кислота несет отрицательный заряд и является полярной, тогда как валин является неполярным и гидрофобным. Наличие валина делает ненасыщенный кислородом ге моглобин менее растворимым. Поэтому, когда HbS теряет свой кислород, молекула выводится из раствора и кристаллизуется в виде жестких стержнеобразных волокон. При этом изменяется форма эритроцитов, которая в норме представ ляет собой плоский круглый диск. Причиной, вызывающей замену аминокислоты, является мутация в ДНК, кодирующей эту аминокислоту. Обратившись к табл. 23.4, вы можете понять, ка ким образом возникает это изменение. В мРНК возможными кодонами для этих двух аминокис лот являются следующие:
Глу: ГАА ГАГ
Вал: ГУУ ГУЦ ГУА ГУГ
В 1949 г. группа исследователей, возглавляемая Лайнусом Полингом, обнаружила, что гемо
Следовательно, комплементарные триплет ные кодоны в ДНК таковы:
Рис. 25.21. Некоторые из возможных эффектов серповидноклеточной анемии.
Глу: ЦТТ ЦТЦ Вал: ЦАА ЦАГ ЦАТ ЦАЦ
Для того чтобы запись изменилась с Глу на Вал, нужно во второй позиции триплета заме нить Т (тимин) на А (аденин). Такая мутация на зывается заменой основания. В настоящее время мы знаем, что в гене Eглобина кодон ЦТЦ заме нен на ЦАЦ, и что этот ген находится на хромо соме 11.
У гетерозиготных особей примерно половина молекул представлена HbS и половина — HbA, т. е. аллели HbA и HbS кодоминантны. У таких людей болезнь обычно не проявляется, за иск лючением ситуаций, когда концентрация кисло рода очень сильно снижена, например при подъеме на большую высоту.
Из рис. 25.22 видно, что если оба родителя являются гетерозиготными носителями серпо видноклеточной анемии, то вероятность пора жения их детей составляет 1/4. Фенотип уста навливают с помощью анализа крови. Если в семье были случаи заболевания, то потенци альным родителям следует посоветовать сде лать анализ крови, прежде чем решиться на рождение ребенка. В настоящее время доступна и пренатальная диагностика. Ее проводят либо с помощью гибридизации, используя в качестве зонда ген HbS, либо с помощью рестрикцион ного анализа. Клетки плода получают путем амниоцентеза или биопсии ворсинок хориона (разд. 25.7.9).
В истории с изучением серповидноклеточ ной анемии есть неожиданный поворот. Гене тикам показалось странным, что мутация, при носящая очевидный вред ее обладателю, столь широко распространена в популяции. Для объ яснения этого факта была высказана гипотеза, согласно которой данная мутация в некоторых условиях может создавать носителю определен ные преимущества. И такое преимущество действительно было выявлено. На рис. 25.23 представлены карты распространенности сер повидноклеточной анемии и малярии. Ареалы совпадают довольно точно; там, где чаще встре чается малярия, более распространен и мутант ный ген. В некоторых районах Африки его частота достигает 40% (40% HbS, 60% HbA в по пуляции). В тех районах, где распространена малярия, она является главной причиной смер тности, между тем носители поврежденных ге нов гораздо менее чувствительны к малярии
Прикладная генетика 247
Рис. 25.22. Генетическая диаграмма, на которой изо бражены возможные генотипы и фенотипы детей двух родителей, гетерозиготных по гену серповидно клеточности.
Рис. 25.23. Распределение гена серповидноклеточной анемии (А) и малярии в Африке, на Среднем Востоке, в Индии и на юге Европы (Б).
248 Глава 25
(малярийный паразит размножается только внутри нормальных эритроцитов). Несмотря на то, что гомозиготные больные серповиднокле точной анемией часто умирают, не достигнув репродуктивного возраста, гетерозиготные носители имеют селективное преимущество над неносителями и поэтому имеют больше шансов выжить и передать свои гены следующему поколению. Итоговая частота гена в популяции варьирует в зависимости от заболеваемости ма лярией. Такое явление называется сбалансиро ванным полиморфизмом (разд. 25.7.5).
25.7.3. Муковисцидоз
Муковисцидоз — генетическое заболевание, наиболее распространенное среди жителей се верной части Европы и белых американцев. Ген, ответственный за заболевание, локализует ся в аутосоме (не сцеплен с полом) и наследуется рецессивно. В названных выше популяциях каж дый из 20–25 человек является носителем, а каж дый из 2000 — заболевшим. Среди африканцев и азиатов заболевание встречается реже, чем в 1 случае на 100 000 новорожденных. Муковис цидоз представляет собой особый интерес не только изза его широкой распространенности, но и потому, что это одно из первых наследст венных заболеваний, которое пытались лечить (разд. 25.7.11). Как и в случае серповидноклеточ ной анемии, широкая распространенность му ковисцидоза указывает на то, что носители при определенных условиях имеют преимущество над людьми с нормальным генотипом. Пока не понятно, в чем заключается это преимущество; возможно, оно определяет повышенную устой чивость к холере — болезни, которая вплоть до конца XIX столетия была основным убийцей в Европе.
Причина
Причиной заболевания является рецессивная мутация в гене, локализованном на хромосоме 7. Ген кодирует белок из 1480 аминокислот, распо ложенный в мембране эпителиальных клеток. С помощью этого белка ионы хлора проходят внутрь эпителиальных клеток и выходят из них. У больных муковисцидозом этот канал не функ ционирует. Поскольку ген рецессивен, больные являются гомозиготами и несут две копии по врежденного гена.
Ген, ответственный за муковисцидоз, был клонирован в 1989 г. Благодаря этому удалось выяснить природу мутации и усовершенство вать метод выявления носителей (разд. 25.7.9). В настоящее время стала доступной и прена тальная диагностика. Установлено, что в Цент ральной и Западной Европе причиной заболе вания в 70% случаев служит делеция трех пар оснований, приводящая к потере кодона 508 в мРНК. В результате в позиции 508 белка отсутствует аминокислота фенилаланин (F). Поэтому мутация называется 'F508 (' — грече ская буква дельта, обозначающая делецию). В том же самом гене было обнаружено более 400 других мутаций, которые тоже вызывают муковисцидоз, однако более чем в 15% случаев болезнь возникает в результате только пяти из них. Есть мутации, обнаруженные лишь у одного пациента.
Симптомы
Одна из функций эпителиальных клеток — обра зование слизистого секрета. У больных муковис цидозом слизь аномально густая, поскольку на рушен нормальный отток ионов хлора из клетки. Ионы хлора заряжены отрицательно, и чтобы сбалансировать возникающий в клетке отрица тельный заряд, в нее входит больше ионов на трия. Это в свою очередь препятствует выходу воды из клетки. При заболевании больше всего поражаются легкие, поджелудочная железа и пе чень. Густая слизь препятствует доступу воздуха в легкие, а кроме того, закупоривает протоки, по которым секрет поджелудочной железы и желчь из печени поступают в кишечник. Следствием этого являются повторяющиеся легочные ин фекции, а также трудности с пищеварением из за недостаточного поступления панкреатиче ских ферментов и плохого всасывания пищи. Больные мужчины почти всегда бесплодны, у женщин фертильность тоже часто нарушена. Другой характерный симптом — повышенная соленость пота, обусловленная высокой концен трацией ионов натрия в клетках больных. Неда ром в старинном изречении говорится: «Горе ре бенку, чей лоб при поцелуе окажется соленым, он обречен умереть молодым». В 95% случаев смерть наступает в результате легочных ослож нений. В результате применения современных методов лечения средняя продолжительность жизни больных муковисцидозом повысилась
Прикладная генетика 249
с 1 года до 20—30 лет, однако почти половина больных умирает до 20 лет.
Лечение
Лечение в основном направлено на предотвра щение осложнений со стороны легких. Обычно оно включает лечебную физкультуру, вибраци онный массаж и стимуляцию кашля, т. е. те про цедуры, которые способствуют выведению слизи из легких (рис. 25.24). Для улучшения переваривания пищи рекомендуют прием фер ментных препаратов во время еды, а для того чтобы бороться с инфекцией, назначают анти
Рис. 25.24. Пациент с муковисцидозом, принимающий физиотерапевтические процедуры.
биотики. В отдельных случаях используют пере садку сердца и легких. Для разрушения ДНК по гибших лейкоцитов, увеличивающих вязкость слизи, довольно успешным оказалось примене ние в виде аэрозоля фермента — ДНКазы чело века. Однако наиболее радикальной является генная терапия (разд. 25.7.11).
25.7.4. Фенилкетонурия
Фенилкетонурией заболевает примерно один из 10 000 новорожденных белых, а каждый из 80 та ких младенцев является носителем. У предста
вителей других рас это заболевание встречается реже.
Причина
Причиной фенилкетонурии, как и муковисци доза служит рецессивная аутосомная мутация. Это очень тяжелое заболевание, однако ранняя диагностика и лечение могут предотвратить его разрушительное действие на здоровье человека. У больных фенилкетонурией аминокислота фенилаланин не превращается в другую амино кислоту — тирозин:
Фенилаланингидроксилаза
Фенилаланин Тирозин
У здоровых людей в клетках печени присутст вует фермент фенилаланингидроксилаза, одна ко у больных фенилкетонурией этого фермента нет. Ген, кодирующий его, находится на хромо соме 12. В результате мутации этого гена в орга низме больного накапливается фенилаланин. Избыток фенилаланина оказывает губительное действие на мозг человека и его умственное раз витие. Новорожденные с фенилкетонурией вы глядят вполне нормальными, так как в период внутриутробного развития избыток фенилала нина проходит через плаценту и утилизируется в печени матери. Если лечения не проводить с младенческого возраста, уже в первые годы жизни патология становится заметной. Наибо лее серьезный симптом — сильное отставание в умственном развитии. У пациентов, не подвер гающихся лечению, коэффициент умственного развития (IQ) может быть меньше 20. До того как были разработаны методы лечения, более 1% пациентов психиатрических клиник составляли именно больные фенилкетонурией. Они редко доживали до 30 лет. Помимо умственной отста лости среди других симптомов болезни отме чены:
1) гиперактивность у детей;
2) неустойчивая походка;
3) более светлые волосы, кожа и глаза, чем у здоровых родственников (в отсутствие тирозина не синтезируется коричневый пигмент кожи — меланин);
4) кожные изменения, напоминающие мла денческую экзему;
5) эпилептические припадки.