Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Наследственные болезни. Полный справочник
.pdf
из довольно обширного спектра макромолекул, существующих
в каждой клетке каждого живого организма, способна самовоспроизводиться, а значит, передавать в поколениях клеток
или организмов содержащуюся в ней информацию. Способность ДНК к самовоспроизведению обусловлена особенностями ее химической структуры. Молекула ДНК построена из
трех компонентов: сахара, представленного дезоксирибозой,
фосфатных групп и 4 типов азотистых оснований — цитозина
(Ц), тимина (Т), которые еще называют пуринами, аденина (А)
и гуанина (Г). Это — пиримидины.
В 1953 г. Уотсон и Крик опубликовали свою историческую
статью о физической структуре ДНК. Согласно модели Уотсона и Крика, молекула ДНК представляет собой двойную спираль. Каждая спираль обвивается вокруг другой спирали вдоль
общей оси. Цепи этой спирали образуют дезоксирибоза и фосфатные группы. Через определенные промежутки к каждой
цепи крепится азотистое основание, обращенное внутрь спирали. Два основания каждой цепи, расположенные на одном
и том же уровне, соединяются между собой.
Самое замечательное в молекуле ДНК то, что каждое азотистое основание может соединиться только с другим строго
определенным и комплементарным (подходящим только для
него) ему основанием, а именно аденин с тимином, а гуанин
с цитозином.
Это свойство нуклеотидов комплементарно спариваться
обеспечивает основу для точного воспроизведения последовательности нуклеотидов каждой цепи ДНК. Нуклеотидные
цепи ДНК полярны. Полярность определяется тем, как соединяются между собой сахара (дезоксирибозы). Фосфатная
группа, присоединенная к С
(5′-углерод) одного сахара, со-
5
единяется с гидроксильной группой в положении С3 (3′-углерод) следующего сахара с помощью фосфодиэфирной связи.
В результате концевой нуклеотид на одном конце цепи имеет
свободную 5′-, а на другом — свободную 3′-группу. Последовательность нуклеотидных оснований принято записывать
в направлении от 5′- к 3′-концу. Две нити ДНК антипараллельны друг другу, так как идут в противоположных направлениях и 5′-концу одной цепи соответствует 3′-конец другой
цепи и наоборот.
Модель ДНК Уотсона и Крика объяснила к тому времени
хорошо известное правило английского биохимика Чаргаффа,
14
согласно которому в любой молекуле ДНК количество пуринов строго соответствует количеству пиримидинов.
В двойной спирали ДНК пурины (аденин, гуанин) всегда
соединяются с пиримидинами (тимин и цитозин). Между цитозином и гуанином образуется три водородные связи, а между
тимином и аденином — две, поэтому иным способом основания соединиться просто не могут.
Элементарной единицей ДНК является нуклеотид, в состав
которого входит одна дезоксирибоза, одна фосфатная группа
и одно азотистое основание.
Репликация ДНК
Поскольку ДНК является молекулой наследственности,
то для реализации этого качества она должна точно копировать саму себя и таким образом сохранять всю имеющуюся
в исходной молекуле ДНК информацию в виде определенной
последовательности нуклеотидов. Это обеспечивается за счет
особого процесса, предшествующего делению любой клетки организма, который называется репликацией ДНК. Суть
этого процесса заключается в том, что специальный фермент разрывает слабые водородные связи, которые соединяют между собой нуклеотиды двух цепей. В результате цепи
ДНК разъединяются и из каждой цепи «торчат» свободные
азо тистые основания (возникновение так называемой вилки
репликации). Особый фермент ДНК-полимераза начинает
двигаться вдоль свободной цепи ДНК от 5′- к 3′-концу молекулы, помогая присоединиться свободным нуклеотидам,
постоянно синтезируемым в клетке, к 3′-концу вновь синтезируемой цепи ДНК.
В результате репликации образуются две новые, абсолютно
идентичные молекулы ДНК, идентичные также исходной молекуле ДНК до начала ее редупликации.
Можно сказать, несколько упрощая, что феномен точного
удвоения молекулы ДНК, в основе которого лежит комплементарность оснований этой молекулы, составляет молекулярную
основу наследственности.
Скорость репликации ДНК у человека относительно
низкая, и для того чтобы обеспечить репликацию ДНК любой хромосомы человека, требовались бы недели, если бы
репликация начиналась из одной точки. На самом деле в молекуле ДНК любой хромосомы, а каждая хромосома человека содержит только одну молекулу ДНК, имеется множест-
15
во мест инициации репликации (репликонов). От каждого
репликона репликация идет в обоих направлениях до тех
пор, пока соседние репликоны не сливаются. Поэтому репликация ДНК в каждой хромосоме протекает относительно
быстро.
Понятие «генетический код»
Для молекулы наследственности, которой является ДНК,
мало того, что она сама способна самовоспроизводиться, — это
только часть наследственности. ДНК должна каким-то образом кодировать все признаки организма. Большинство признаков любого организма, одноклеточного или многоклеточного,
определяется белками: ферментами, структурными белками,
белками-переносчиками, белками-каналами, белками-рецепторами. Следовательно, ДНК должна каким-то образом кодировать строение белков и непосредственно порядок расположения в них аминокислот.
Аминокислоты соединяются друг с другом с помощью пептидной связи, которая образуется в результате конденсации
аминогруппы (NH
) одной аминокислоты с карбоксильной
2
группой (СООН) другой аминокислоты. Последовательность
аминокислот в полипептидной цепи записывают от аминокислоты со свободной NH2-группой до аминокислоты со свободной СООН-группой.
Ученые установили, что код является триплетным, это
означает, что каждая аминокислота кодируется тройкой нуклеотидов. Действительно, так как для построения белков используется 20 различных аминокислот, код не может быть однонуклеотидным, поскольку существует всего 4 нуклеотида.
Код не может быть также динуклеотидным, так как возможно
всего 16 комбинаций из 2 нуклеотидов. При 3 нуклеотидах число комбинаций возрастает до 64, и этого вполне достаточно,
чтобы кодировать 20 различных аминокислот. Кроме того, из
этого также следует, что генетический код должен быть вырожденным, а именно одна аминокислота может кодироваться более чем одной тройкой нуклеотидов. Еще одним важным
свойством генетического кода является то, что он неперекрывающийся, при этом каждую последовательно новую аминокислоту полипептидной цепи кодирует последовательно новый
триплет ДНК. Генетический код не содержит знаков препинания, и кодирующие триплеты следуют один за другим. Генетический код является универсальным и используется одинаково
16
как прокариотами, так и эукариотами. Кодирующие триплеты
нуклеотидов получили название кодонов.
Наиболее важны первые два нуклеотида каждого кодона.
Третий нуклеотид неспецифичен. Три кодона определяют сигнал прекращения синтеза полипептидной цепи ( терминация
трансляции): УАА, УАГ и УГА. Это означает, что в том месте
информационной РНК (мРНК), где находится любой из этих
кодонов, синтез полипептидной цепи белка прекращается. Кодоны, указывающие на терминацию синтеза полипептидной
цепи, называют стоп-кодонами.
Информационная РНК и процесс транскрипции
Следует объяснить, зачем было так необходимо вводить понятие информационной РНК. Как известно, ДНК содержится
в хромосомах клеток и, следовательно, в ядре, а белок синтезируется в цитоплазме клеток. Для того чтобы информация
о структуре белка, записанная на языке ДНК, попала в цитоплазму клетки, он сначала переписывается (транскрибируется)
на молекулу мРНК.
РНК отличается от ДНК тем, что в цепи РНК остаток сахара представлен рибозой (отсюда ее название), тимин замещен
на урацил, который обладает примерно такой же комплементарностью к аденину, как и тимин.
Для того чтобы произошло списывание последовательно сти
нуклеотидов гена, кодирующих первичную структуру определенной полипептидной цепи белка на мРНК, к цепи ДНК на
некотором расстоянии от гена, к специальной последовательности нуклеотидов, называемых промотором, присоединяется
специальный фермент — РНК-полимераза.
Стартовой точкой транскрипции служит основание ДНК,
соответствующее основанию РНК, которое первым включается в транскрипт. Транскрипция мРНК продолжается до тех
пор, пока РНК-полимеразе II не встретится сигнал терминации (окончания) транскрипции.
Биосинтез полипептидной цепи
В полипептидной цепи происходят расшифровка информации, закодированной с помощью генетического кода, и построение на матрице мРНК полипептидной цепи определенного
белка. В этом процессе участвуют еще два вида РНК — рибосомальная (рРНК) и транспортная (тРНК). Для обоих видов РНК
в геноме имеются многочисленные гены, на матрице которых
эти РНК синтезируются.
17
Образование полипептидной цепи из последовательно доставляемых к мРНК тРНК с соответствующими аминокислотами происходит на рибосомах.
Структура гена у высших организмов достаточно сложная.
В нее входят промотор, содержащий сайт инициации транскрипции, экзоны и интроны. Экзоны содержат кодирующие
последовательности гена, функция интронов остается неизвестной. На границе экзонов и интронов располагается консенсусная последовательность, которая распознается ферментами сплайсинга, т. е. ферментами для вырезания интронов из
первичного транскрипта мРНК. На 3′-конце гена уже в некодирующей части расположен сайт, обеспечивающий добавление 100—200 остатков аденина к мРНК для обеспечения ее
стабильности. Для гена характерна так называемая открытая
рамка считывания, т. е. наличие достаточно длинной последовательности триплетов, кодирующих аминокислоты, не перебиваемые стоп-кодонами или бессмысленными триплетами.
МУТАЦИИ В ГЕНАХ
Если из вышесказанного стало ясно, что делают гены, то
должно быть также ясно, что изменение структуры гена, последовательности нуклеотидов может приводить к изменениям кодируемого этим геном белка. Изменения в структуре гена
называют мутациями. Эти изменения в структуре гена могут
возникать по разным причинам, начиная от случайных ошибок
при удвоении ДНК и кончая действием на ген ионизирующей
радиации или особых химических веществ, которые называют
мутагенами. Первый тип изменений приводит к так называемым спонтанным мутациям, а второй — к индуцированным
мутациям. Мутации в генах могут возникать в половых клетках,
и тогда они будут передаваться в следующее поколение и некоторые из них приведут к развитию наследственного заболевания. Мутации в генах возникают также в соматических клетках.
В этом случае они будут наследоваться только в определенном
клоне клеток, который произошел от мутантной клетки. Известно, что мутации генов соматических клеток в некоторых
случаях могут стать причиной возникновения рака.
18
Типы генных мутаций
Одним из наиболее частых типов мутаций является замещение одной пары азотистых оснований. Такое замещение
может не иметь никаких последствий для структуры полипептидной цепи, кодируемой геном, вследствие вырожденности
генетического кода. Замещение третьего азотистого основания
в триплете почти никогда не будет иметь каких-либо последствий. Подобные мутации называют молчащими заменами.
В то же время однонуклеотидные замены способны вызвать
замещение одной аминокислоты на другую вследствие изменения генетического кода мутировавшего триплета.
Однонуклеотидная замена основания в триплете может превратить его в стоп-кодон. Так как эти кодоны мРНК останавливают трансляцию полипептидной цепи, то синтезированная
полипептидная цепь оказывается укороченной по сравнению
с нормальной цепью. Мутации, вызывающие образование
стоп-кодона, называют нонсенс-мутациями.
В результате нонсенс-мутации, при которой происходит
замена А—Т на Г—Ц в молекуле ДНК, в полипептидной цепи
синтез прекращается на стоп-кодоне.
Однонуклеотидная замена в нормально расположенном
стоп-кодоне, напротив, может сделать его осмысленным,
и тогда мутантная мРНК, а затем и мутантный полипептид
оказываются длиннее нормальных.
Следующий класс молекулярных мутаций — это делеции
(утраты) или инсерции (вставки) нуклеотидов. Когда делетируется или вставляется тройка нуклеотидов, то, если этот
триплет является кодирующим, в составе полипептида либо
исчезает определенная аминокислота, либо появляется новая
аминокислота. Однако если в результате делеции или инсерции вставляется или удаляется число нуклеотидов, не кратное
трем, то меняется или утрачивается смысл для всех остальных, следующих за вставкой или делецией кодонов молекулы
мРНК. Такие мутации называются мутациями сдвига рамки
считывания. Нередко они приводят к образованию стоп-кодона в следующей за инсерцией или делецией последовательности нуклеотидов мРНК.
Генная конверсия — это прямой перенос фрагмента одного
аллеля в другой аллель или фрагмента псевдогена в ген. Так как
в псевдогене имеется множество мутаций, то такой перенос
нарушает структуру нормального гена и может рассматривать-
19
ся как мутация. Для осуществления генной конверсии между
псевдогеном и геном необходимы их спаривание и последующий атипичный кроссинговер, при котором происходят разрывы в нитях ДНК.
Недавно открыт новый и совершенно неожиданный тип
мутаций, который проявляется увеличением числа повторов
(чаще всего тринуклеотидных), но описаны также случаи увеличения числа повторов, состоящих из 5 и даже 12 нуклеотидов,
расположенных как в экзонах генов, так и интронах или даже
нетранслируемых областях генов. Эти мутации называются динамическими или нестабильными. Большинство заболеваний,
обусловленных мутациями, связанными с расширением зоны
повторов, — наследственные неврологические заболевания.
Это хорея Гентингтона, спинальная и бульбарная мышечная
атрофия, спиноцеребеллярные атаксии, миотоническая дистрофия, атаксия Фридрейха.
Механизм расширения зоны повторов до конца не выяснен.
В популяции у здоровых индивидуумов обычно наблюдают некоторую изменчивость по числу нуклеотидных повторов, обнаруженных в различных генах. Число нуклеотидных повторов
наследуется как в поколениях, так и во время деления соматических клеток. Однако после того как число повторов, разное
для разных генов, превысит определенный критический порог,
который также различен для разных генов, они обычно становятся нестабильными и могут увеличиваться в размерах либо
во время мейоза, либо в первых делениях дробления оплодотворенной яйцеклетки.
Эффекты мутации генов
Фенотипический эффект мутаций может выражаться либо
в утрате функции, либо в приобретении новой функции.
Большинство аутосомно-рецессивных заболеваний является следствием утраты функции соответствующим мутантным геном. Это проявляется резким снижением активности ферментов (чаще всего), что может быть обусловлено
уменьшением либо их синтеза, либо их стабильности. В том
случае, когда функция соответствующего белка полностью
отсутст вует, мутацию гена с таким эффектом называют нулевым аллелем. Одна и та же мутация у разных индивидуумов
может проявляться различно вне зависимости от того, на каком уровне оценивают ее эффекты: молекулярном, биохимическом или фенотипическом. Причины этих различий могут
20
заключаться как во влиянии на проявление мутации других
генов, так и внешнесредовых причин, если их понимать достаточно широко.
Среди мутаций с утратой функции принято выделять доминантно негативные мутации. К ним относят такие мутации, которые не только приводят к снижению или утрате функции собственного продукта, но и нарушают функцию соответствующего
нормального аллеля. Наиболее часто проявления доминантно
негативных мутаций обнаруживают в белках, состоящих из двух
и более полипептидных цепей, таких, например, как коллагены.
Естественно было ожидать, что при репликации ДНК, происходящей во время каждого клеточного деления, должно возникать довольно много молекулярных мутаций. Однако этого
на самом деле нет, поскольку в клетках происходит репарация
повреждений ДНК. Известно несколько десятков ферментов,
участвующих в этом процессе. Они распознают измененное
основание, удаляют его, разрезая нить ДНК, и замещают правильным основанием, используя для этого комплементарную
неповрежденную нить ДНК.
Распознавание ферментами репарации измененного основания в цепи ДНК происходит благодаря тому, что нарушается
правильное спаривание измененного нуклеотида с комплементарным основанием второй цепи ДНК. Существуют также механизмы репарации и других видов повреждений ДНК. Считают,
что в норме репарируется более 99% всех вновь возникающих молекулярных мутаций. Если, однако, происходят мутации в генах,
контролирующих синтез ферментов репарации, то частота спонтанных и индуцированных мутаций резко возрастает, и это повышает риск развития различных онкологических заболеваний.
Изменение структуры гена, последовательности нуклеотидов может приводить к изменениям кодируемого этим геном
белка. Изменения в структуре гена называют мутациями. Мутации могут возникать по разным причинам, начиная от случайных ошибок при удвоении ДНК и кончая действием на ген
ионизирующей радиации или особых химических веществ, которые называют мутагенами.
Мутации можно классифицировать в зависимости от характера изменения последовательности нуклеотидов: делеции,
инсерции, замещения и др. или от характера изменений при
биосинтезе белка: миссенс, нонсенс-мутации сдвига рамки
считывания и др.
21
Различают также мутации стабильные и динамические.
Фенотипический эффект мутаций может выражаться либо
в утрате функции, либо в приобретении новой функции.
Большинство вновь возникающих мутаций исправляется
с помощью ферментов репарации ДНК.
Моногенные заболевания
В соматических клетках органов и тканей человека каждый
ген представлен двумя копиями (каждая копия называется аллелем). Общее число генов составляет приблизительно 30 000
(точное число генов в геноме человека пока неизвестно).
Фенотип
На организменном уровне мутантные гены изменяют фенотип особи.
Под фенотипом понимают сумму всех внешних характеристик человека, причем когда мы говорим о внешних характеристиках, то при этом имеем в виду не только действительно
внешние признаки, такие как рост или цвет глаз, но и различные физиологические и биохимические характеристики, которые могут измениться в результате действия генов.
Фенотипические признаки, с которыми имеет дело медицинская генетика, это наследственные болезни и симптомы
наследственных болезней. Совершенно очевидно, что между
симптомами наследственного заболевания, такими, скажем,
как отсутствие ушной раковины, судороги, умственная отсталость, кисты в почках, и изменением одного белка в результате
мутации в каком-то конкретном гене дистанция огромная.
Мутантный белок, являющийся продуктом мутантного
гена, должен каким-то образом взаимодействовать с сотнями
или даже тысячами других белков, кодируемых другими генами, чтобы в конце концов изменился какой-то нормальный
или появился патологический признак. Кроме того, продукты
генов, участвующих в становлении любого фенотипического
признака, могут взаимодействовать с факторами окружающей
среды и модифицироваться под их влиянием. Фенотип в отличие от генотипа может меняться в течение жизни, генотип
при этом остается постоянным. Самое яркое тому свидетельство — наш собственный онтогенез. В течение жизни внешне
мы меняемся, старея, а генотип — нет. За одним и тем же фенотипом могут стоять разные генотипы, и, напротив, при одном
и том же генотипе фенотипы могут различаться. Последнее
утверждение подкрепляется результатами изучения монози-
22
готных близнецов. Их генотипы идентичны, а фенотипически
они могут различаться по массе тела, росту, поведению и другим характеристикам. Вместе с тем, когда мы имеем дело с моногенными наследственными болезнями, мы видим, что обычно действие мутантного гена не скрывается многочисленными
взаимодействиями его патологического продукта с продуктами
других генов или с факторами окружающей среды.
ПРАВИЛА НАСЛЕДОВАНИЯ МЕНДЕЛЯ
Моногенные наследственные болезни также называют менделирующими, потому что они наследуются согласно правилам, которые установил Грегор Мендель в 1865 г.
Основная заслуга Менделя заключается в том, что он на
основе количественной оценки результатов расщепления потомства гибридов гороха по разным качественным признакам
предположил наличие элементарных единиц наследственности, названных генами. В научной литературе к заслугам
Г. Менделя относят также установление ряда правил наследования признаков, часть из которых на самом деле была обнаружена предшественниками Г. Менделя.
Первое правило — правило доминирования. Его суть сводится к тому, что из двух копий каждого гена, которые называются аллелями и содержатся в каждой клетке, одна может
подавлять или маскировать проявление второй копии (аллеля).
Если аллели гена одинаковы, особь с таким генотипом называют гомозиготной, а если они разные — гетерозиготной. Следовательно, доминантный аллель определяет характер признака, даже находясь в гетерозиготном состоянии, а рецессивный
(маскированный) аллель определяет характер признака только
тогда, когда он находится в гомозиготном состоянии. Соответственно все менделирующие наследственные болезни делятся на доминантные и рецессивные. Если у гетерозиготной
особи проявляются оба аллеля, т. е. нет доминирования одного
аллеля над другим, то такие аллели называют кодоминантными. Хорошо известным примером кодоминирования являются
аллели А и В группы крови АВО. У лиц с IV группой крови проявляются антигены как А, так и В.
23
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]