MedGen розширена

збільшення кількості амінокислот). Відмічено також зростання кількості тринуклеотидних повторів ЦАГ в екзоні гена, який кодує рецептор до андрогенів у чоловіків з безплідністю (ген локалізований у довгому плечі Х-хромосоми — Хq11.2-12).

Хвороби експансії тринуклеотидних повторів мають низку спільних ознак:

1.Для них характерний феномен антиципації, сенс якого полягає в наростанні тяжкості симптомів захворювання і/або в більш ранній маніфестації в подальших поколіннях. Це обумовлено збільшенням кількості повторів при передачі генів.

2.При одних захворюваннях кількість триплетів збільшується при овогенезі (синдром ламкої Х-хромосоми, міотонічна дистрофія), при інших — при сперматогенезі (хорея Гентінгтона). Відповідно для одних захворювань може спостерігатися материнський ефект (більш ранній початок

ізначна тяжкість захворювання, якщо ген успадковується від матері — синдром фрагільної Х-хро- мосоми), а для інших — батьківський (хорея Гентінгтона). При мейозі може відбуватися як збільшення кількості триплетів, так і їх зменшення (практично до норми).

Деякі спадкові захворювання зумовлені експансією складніших за своєю структурою повторюваних ділянок ДНК, що складаються з десятків нуклеотидів. Серед них можна назвати спадкову форму пріонних хвороб (хвороба Крейтцфельдта — Якоба), яка інколи може бути спричинена збільшенням кількості копій трансльованого повтору гена пріонного білка на хромосомі (20р12-pter). У нормі екзон гена має 5 повторів, а при хворобі може бути до 9 додаткових повторів.

2.2.4.ФЕНОТИПІЧНИЙ ЕФЕКТ ГЕННИХ МУТАЦІЙ. ГЕНЕТИЧНИЙ І КЛІНІЧНИЙ ПОЛІМОРФІЗМ МОНОГЕННИХ ЗАХВОРЮВАНЬ

Як зазначалося раніше, різні зміни в нуклеотидній послідовності транскрибованих ділянок ДНК можуть по-різному виявлятися у фенотипі. Частина з них не чинить ніякого впливу на структуру і функцію відповідного білка (мовчазні мутації). Інші приводять до зміни будови білка, або до припинення його синтезу, або до порушення швидкості синтезу білка (схема 2.2).

За фенотипічним ефектом такі мутації можна поділити на три класи:

Синтез аномального білка

Брак або надлишок Зміна будови ДНК нормального білка

Припинення синтезу білка

Схема 2.2. Фенотипічний ефект генних мутацій

—мутації, що призводять до інгібування процесів транскрипції або трансляції, порушення нормальної структури і функцій білків і ведуть до повної втрати функції (loss-of-function-мутації);

—мутації, що супроводжуються кількісною зміною білка, — такі зміни частіше виникають при мутації в регуляторних ділянках;

—мутації, які змінюють властивості білка таким чином, що вони справляють ушкоджуючу дію на життєздатність клітин (gain-of-function-мутації).

Мутації можуть торкатися структурних, транспортних, ембріональних білків, ферментів. Від цього залежить фенотипічний ефект мутації. Генні мутації можуть призвести до загибелі організму (летальний ефект), розвитку моногенного захворювання або залишатися прихованими до певного моменту (вплив лікарських препаратів або інших ксенобіотиків).

У гені, відповідальному за моногенне захворювання, можуть відбуватися різні мутації (міссенс, нонсенс, зі зсувом рамки зчитування тощо). Тому ступінь зміни будови білка і його функцій можуть варіювати у різних хворих. Це є однією з причин генетичного поліморфізму моногенних захворювань, який, у свою чергу, зумовлює клінічний поліморфізм моногенних захворювань у популяції.

Іноді різні мутації одного і того ж гена настільки по-різному змінюють структуру і функцію білка, що це спричинює цілком різні з клінічної точки зору захворювання. Наприклад, різні мутації в гені рецептора до андрогенів, розташованому в локусі Хq11.2-12, призводять до трьох принципово різних форм патології:

1.Спінально-бульбарна аміотрофія Кеннеді (хвороба Кеннеді) зумовлена експансією тринуклеотидних повторів ЦАГ у першому екзоні гена.

Унормі кількість триплетів становить 9–36, а у хворих — від 38 до 72. Це призводить до збільшення довжини поліглутамінової ділянки білка. Мутантний білок набуває цитотоксичних властивостей і сприяє формуванню патологічних внутрішньоядерних включень. При захворюванні провідними є симптоми ураження ЦНС. Функція андрогенного рецептора знижується помірно.

2.У чоловіків з азооспермією та олігоспермією відмічено помірне збільшення кількості тринуклеотидних повторів у цьому ж екзоні.

3.Синдром тестикулярної фемінізації спричинений точковими мутаціями гена. Провідним симптомом є порушення функції рецептора до андрогенів. Клінічно синдром виявляється порушенням розвитку ембріонів з каріотипом XY (при чоловічому каріотипі формується жіночий фенотип).

Інший приклад: різні мутації в гені рецептора тирозинкінази (RET) призводять до чотирьох різних захворювань, таких як сімейна медулярна карцинома щитоподібної залози, хвороба Гіршпрунга, множинна ендокринна неоплазія типу 2А (МЕN-2А) і типу 2В (МЕN-2В).

Різні мутації одного і того ж гена, що призводять до різних захворювань, називаються алельними серіями (по суті, це множинні алелі). Нині відомо більше 100 таких хвороб.

2.2.5. ЧАСТОТА ГЕННИХ МУТАЦІЙ

Сукупність мутацій, які щойно виникли, створюють у популяції мутаційний тягар. Якщо мутації не змінюють життєздатність і плідність індивіда, то вони можуть передаватися з покоління в покоління за законами Менделя. Обумовлений ними генетичний тягар називається сегрегаційним тягарем. Деякі рецесивні гени можуть у гетерозиготному стані давати переваги своїм носіям. Це сприяє накопиченню таких генів у популяції. Наприклад, у Середземноморських країнах часто зустрічається ген серпоподібно-клітинної анемії, тому що гетерозиготи за цим геном не хворіють на малярію. Гетерозиготи за геном муковісцидозу, можливо, легше переносили холеру, що дозволило цьому гену накопичитися на Півдні України.

Домінантні мутації, що знижують плідність або володіють летальною дією, взагалі не можуть успадковуватися. Вони кожного разу виникають знову.

Середня частота мутацій різних генів коливається від 10–5 до 10–6 на одну гамету за одне покоління (тобто від 1 мутації на 105 гамет до 1 — на 106 гамет). Проте ця величина може варіювати від 10–4 для високомутабельних генів до 10–11 для найстійкіших. Приклади частот мутацій деяких генів, що спричинюють захворювання, наведено в табл. 2.2.

Як видно із зазначеної таблиці, частота мутацій одного гена невелика. Проте людина має велику кількість генів у геномі (близько 30 000 генів). Якщо прийняти середню частоту мутацій 10-5, то середню кількість генних мутацій можна оцінити таким чином: (30×103 генів) × (10-5 мутацій на ген) = 30 мутацій на 100 гамет, або 1 мутація на 3 гамети.

Таблиця 2.2. Частоти мутацій деяких генів

людини (за Ф. Фогель, А. Мотульски)

Примітка. АД — автосомно-домінантний тип успадкування; ХР — рецесивний зчеплений з Х-хромосо- мою.

A B C D E F G H F G H K L хромосома з дуплікацією FGH A B C D E F G H F G H K L

Рис. 2.2. Механізм формування хромосом з делецією і дуплікацією внаслідок нерівного кросинговеру:

а — схема кросинговеру в нормі; б — нерівний кросинговер — утворення хромосом з делецією і дуплікацією

Рис. 2.4. Кільцева хромосома у метафазній пластинці (відмічена стрілкою)

Розриви з утворенням «липких» кінців

Рис. 2.5. Механізм формування кільцевої хромосоми

Утворення ацентричного фрагмента (без центромери), який потім втрачається в процесі мітозу

З’єднання «липких» кінців хромосоми і утворення кільцевої хромосоми

чається реципрокна транслокація, що залучає довгі плечі 11-ї та 22-ї хромосом. У носіїв збалансованих реципрокних транслокацій часто бувають спонтанні аборти або народжуються діти з множинними вродженими вадами розвитку внаслідок утворення гамет з незбалансованими мутаціями. Генетичний ризик у носіїв таких транслокацій коливається від 1 до 10 %;

б) нереципрокні транслокації (транспозиції) — переміщення ділянки хромосоми або всередині тієї ж хромосоми (рис. 2.8, б), або в іншу хромосому без взаємного обміну;

в) особливий вид транслокацій — робертсонівська транслокація (або центричне злиття).

Спостерігаються між будь-якими двома акроцентричними хромосомами з групи D (13, 14 і 15-та пари) і G (21-ша і 22-га пари). При центрич-

ному злитті дві гомологічні або негомологічні хромосоми втрачають короткі плечі й одну центромеру, довгі плечі з’єднуються (рис. 2.9). Замість двох хромосом утворюється одна, що містить генетичний матеріал довгих плечей двох хромосом. Загальна кількість хромосом у носіїв збалансованої робертсонівської транслокації — 45. У коротких плечах всіх десяти хромосом груп D і G знаходяться однакові гени, що кодують рРНК. Кожна клітина має велику кількість (до 105) копій цих генів. Втрата коротких плечей двох хромосом не приводить до істотних змін фенотипу, оскільки втрата генів компенсується роботою таких же генів решти восьми акроцентричних хромосом.

Таким чином, носії робертсонівських транслокацій здорові, але у них підвищена частота спонтанних абортів і високий ризик народження дітей

Рис. 2.8. Механізм формування транслокацій:

а — реципрокна транслокація; б — нереципрокна транслокація

A B C D E F G H

б

із хромосомними хворобами. Частота робертсонівських транслокацій у популяції становить

1:1000.

Прикладом може бути злиття довгих плечей 14-ї та 21-ї хромосом (14q21q). Носій такої збалансованої транслокації має тільки 45 хромосом і нормальний фенотип (рис. 2.10). Людина з нормальним каріотипом має дві хромосоми з 14-ї пари і дві — з 21-ї (14,14,21,21). Гамети в нормі мають одну хромосому 14 і одну 21 (14,21). У носія збалансованої транслокації замість чотирьох хромо-

сом буде три (14,14q21q,21).

Носії теоретично утворюють 6 типів гамет (табл. 2.3) з неоднаковою вірогідністю утворення.

Іноді один із батьків є носієм збалансованої транслокації, при якій спостерігається центричне злиття двох гомологічних хромосом групи D або G. Утакихлюдейутворюєтьсядватипигамет. Наприклад, при транслокації 21q21q утворюються гамети:

1)21q21q;

2)0 — тобто гамета без хромосоми 21.

Після запліднення нормальною гаметою утворюється два типи зигот: 1) 21,21q21q — транслокаційна форма синдрому Дауна; 2) 21,0 — моно-

-

локація хромосом 14 і 21 (носій має 3 хромосоми: нормальну 14-ту, нормальну 21-шу і хромосому, яка об’єднує довгі плечі 14-ї і 21-ї хромосом)

сомія 21-ї хромосоми, летальна мутація. Вірогідність народження хворої дитини становить

100 %.

Делеції та дуплікації змінюють кількість генів у організмі (часткова моносомія або трисомія). Інверсії, транслокації, транспозиції змінюють розташування генів у хромосомах.

7.Центричне розділення — явище, зворотне центричному злиттю. Одна хромосома ділиться на дві, при цьому повинна утворитися нова центромера. Інакше хромосома без центромери втрачається при поділі клітин.

8.Дицентричні хромосоми (рис. 2.11) містять дві центромери. Дві дочірні хроматиди втрачають теломери й об’єднуються в одну хромосому (рис. 2.12). При мітозі та мейозі порушується розходження таких хромосом, виникають розриви.

9.Маркерна хромосома — це додаткова хромосома (вірніше, фрагмент якої-небудь хромосоми з центромерою). Зазвичай має вигляд дуже короткої акроцентричної хромосоми, рідше — кільцевої або іншої. Якщо маркерна хромосома містить тільки гетерохроматин, то фенотип не змінюється. Якщо ж вона містить еухроматин (екс-

Рис. 2.12. Механізм формування дицентричної хромосоми

пресовані гени), то це поєднано з розвитком хромосомної хвороби (аналогічно дуплікації якої-не- будь ділянки хромосоми).

Значення хромосомних мутацій в еволюції

Хромосомні мутації відіграють важливу роль в еволюції. В процесі еволюції відбувається активна перебудова хромосомного набору за допомогою інверсій, робертсонівських транслокацій та інших мутацій. Чим далі один від одного відстоять організми, тим більше відрізняються їхні хромосомні набори.

Наприклад, у процесі формування людини від мавп відбулася принаймні одна робертсонівська перебудова. У людини 23 пари хромосом, а у великих людиноподібних мавп — 24. Два плеча великої другої хромосоми людини відповідають двом різним хромосомам мавп (це хромосоми 13 і 14 горили та орангутанга). Хромосоми 4, 5, 12 і 17 людини і шимпанзе відрізняються між собою перицентричними інверсіями.

2.3.2. ГЕНОМНІ МУТАЦІЇ

Геномні мутації — це зміна кількості хромосом. Розрізняють два види геномних мутацій: поліплоїдію та гетероплоїдію (анеуплоїдію).

«Липкі» кінці хромосом зливаються, в результаті утворюється дицентрична хромосома

Втрата теломерних кінців

2.3.2.1. Поліплоїдія

Поліплоїдія — це збільшення кількості хромосом на величину, кратну гаплоїдному набору (3n, 4n, ...). У людини описана триплоїдія (3n=69 хромосом) і тетраплоїдія (4n=92 хромосоми).

Можливі причини формування поліплоїдії

1.Поліплоїдія може бути наслідком нерозходження всіх хромосом при мейозі в одного з батьків. У результаті утворюється диплоїдна статева клітина (2n). Після запліднення нормальною гаметою сформується триплоїд (3n).

2.Запліднення яйцеклітини (рис. 2.13) двома сперматозоїдами (диспермія).

3.Можливе також злиття диплоїдної зиготи з напрямлюючим тільцем, що спричинює формування триплоїдної зиготи.

4.Може спостерігатися соматична мутація — нерозходження всіх хромосом при поділі клітин ембріона (порушення мітозу). Це призводить до появи тетраплоїда (4n) — повного або мозаїчної форми.

Триплоїдія (рис. 2.14) є частою причиною спонтанних абортів. У новонароджених це надзвичайно рідкісне явище. Більшість триплоїдів гине незабаром після народження.

б

Триплоїди, що мають два хромосомні набори батька й один хромосомний набір матері, як правило, формують міхуровий занос. Це ембріон, у якого формуються позазародкові органи (хоріон, плацента, амніон), а ембріобласт практично не розвивається. Міхурові заноси абортуються. Можливе формування злоякісної пухлини хоріона — хоріокарциноми. В рідкісних випадках ембріобласт формується і вагітність закінчується народженням нежиттєздатного триплоїда з множинними вродженими вадами розвитку. В таких випадках характерне збільшення маси плаценти і кістозне переродження ворсин хоріона.

У триплоїдів, що мають два хромосомні набори матері й один хромосомний набір батька, розвивається переважно ембріобласт. Розвиток позазародкових органів порушений. Тому такі триплоїди рано абортуються.

На прикладі триплоїдів спостерігається різна функціональна активність батьківського і материнського геномів у ембріональному періоді розвитку. Таке явище дістало назву геномного імпринтингу. В цілому, слід зазначити, що для нормального ембріонального розвитку людини абсолютно необхідні геном матері та геном батька. Партеногенетичний розвиток людини (та інших ссавців) неможливий.

Тетраплоїдія (4n) — надзвичайно рідкісне явище у людини. В основному виявлено в матеріалах спонтанних абортів.

2.3.2.2. Гетероплоїдія (анеуплоїдія)

Це збільшення або зменшення кількості хромосом на 1, 2 або більше. Види гетероплоїдії — моносомія, нулісомія, полісомії (три-, тетра-, пентасомії):

а) моносомія — відсутність однієї хромосоми

(2n-1);

б) нулісомія — відсутність однієї пари хромо-

сом (2n-2);

в) трисомія — одна зайва хромосома (2n+1); г) тетрасомія — дві зайві хромосоми (2n+2); д) пентасомія — три зайві хромосоми (2n+3).

Причини формування гетероплоїдій

1. Найважливішим механізмом формування цієї патології є нерозходження хромосом при мітозі або мейозі. Хромосоми, які в нормі повинні розділитися під час клітинного поділу, залишаються з’єднаними разом і в анафазі відходять до одного полюса. Це може статися в ході мітотичного поділу, але частіше спостерігається під час мейозу. У людини акроцентричні хромосоми мають тенденцію частіше залучатися в нерозходження. На кожну гамету з однією додатковою хромосомою припадає інша, без однієї хромосоми. Після запліднення гаметою з нормальним набором хромосом зигота виявляється або трисомною (із зайвою хромосомою), або моносомною (не вистачає однієї хромосоми). Нижче наведено приклади нерозходження хромосом різних пар.