Между аллельными генами существуют взаимодействия следующих типов:
-полное доминирование;
-неполное доминирование;
-кодоминирование;
-сверхдоминирование;
-межаллельная комплементация.
При взаимодействии аллельных генов по типу полного доминирования гомозиготы и гетерозиготы по фенотипу не отличаются, так как белок – фермент доминантного гена полностью подавляет действие белка - фермента рецессивного гена. У человека известно более 583 признаков, которые наследуются по типу полного доминирования: аутосомно-доминантный тип: габсбургская губа (нижняя челюсть узкая, выступающая вперед, нижняя губа отвислая и полуоткрытый рот), толстые губы, ахондроплазия, хорея Гентингтона, различные аномалии конечностей (брахидактилия, синдактилия, полидактилия, арахнодактилия), полипоз толстой кишки, слияние нижних молочных резцов, нормальная пигментация кожи, глаз, волос, близорукость, нормальное зрение, катаракта, нормальный слух, нормальное усвоение глюкозы, нормальная свертываемость крови и другие. По аутосомно-рецессивному типу у человека наследуются более 466 признаков: волосы мягкие, прямые, кожа тонкая, альбинизм, алкаптонурия, амавротическая семейная идиотия, болезнь Вильсона, слепота, тонкие губы, нормальное число пальцев, нормальная длина пальцев, отсутствие веснушек, врожденная глухота, нормальный рост, сахарный диабет.
Рецессивный ген может появиться в результате мутации и измененный участок ДНК либо не кодирует белок, либо кодирует белок, лишенный активности, что приводит к нарушению экспрессии рецессивного гена. У особи, гомозиготной по рецессивному аллелю, соответствующий белок не образуется, поэтому обычная экспрессия данного признака невозможна. В ряде случаев рецессивный ген не влияет на жизнеспособность и плодовитость (альбинизм, глухота), но если белок необходим для жизни данного организма, то мутантный ген является в том случае летальным.
Доминантные летальные аллели существуют в генофондах популяций многих видов, но в большинстве случаев они элиминируются, так как вызывают гибель имеющего его организма. Рецессивные летальные гены не проявляются у гетерозиготного организма, вследствие чего они могут передаваться следующим поколениям и довольно широко распространяться в популяциях.
Свойством неполного доминирования обладает ряд генов, вызывающих наследственные аномалии и болезни человека. Их наследование отличается от моногенного и полигенного наследования нормальных и патологических признаков, так как гетерозиготные особи имеют свой фенотип. При взаимодействии генов по типу неполного доминирования гомозиготы и гетерозиготные формы различаются по фенотипу, так как в этом случае белок – фермент доминантного гена неполностью подавляет белок – фермент рецессивного гена, т.е один ген из пары аллелей не обеспечивает образование белкового продукта в достаточном количестве для нормального проявления признака. Соотношение генотипов и фенотипов в потомстве совпадает 1:2:1.
Такие распространенные в популяции человека заболевания как акаталазия, атаксия Фридрейха, цистинурия, анофтальмия, талассемия, серповидно-клеточная анемия, семейная гиперхолестеринемия наследуются по типу неполного доминирования. При серповидно-клеточной анемии у гомозигот развивается тяжелая форма анемии, и они погибают в раннем детском возрасте. Это объясняется присутствием в эритроцитах аномального гемоглобина, обусловленного тем, что под контролем мутантного гена синтезируется полипептидная цепь, в которой в результате замены в кодоне ГУА урацила на аденин синтезируется цепь молекулы глобина с глютамином, заменившим валин. Замена одной аминокислоты оказывается достаточной, чтобы изменить функциональные свойства НЬ (пониженная растворимость, повышенная полимеризация). Такой аномальный белок плохо связывает кислород. Эритроциты приобретают серповидную форму, склеиваются, тромбируют капилляры и т.д. Синтезируется аномальный белок.
При выработке уменьшенного количества нормального первичного продукта у человека наследуется β- талассемия, акаталазия. Характер таких заболеваний отличается большой вариабельностью. При акаталазии (стоматит рецидивирующий) у гомозигот (аа) в тканях и крови отсутствует фермент каталаза, а у гетерозигот активность ее снижена. Каталаза разрушает перекись водорода, образующуюся в процессе обмена микробной флоры слизистой ротовой полости.
Кодоминирование как вид межаллельного взаимодействия имеет место при наследовании IV группы крови. Гены, отвечающие за группы крови – i , IA, IВ занимают идентичные локусы в пределах гомологичных хромосом, а так как в зиготе могут присутствовать два аллеля из трех, возможно несколько комбинаций, детерминирующих четыре фенотипа – I, II, III и IV группы крови. При этом лица с 4-ой группой крови имеют только один генотип - IAIВ (гетерозигота с двумя доминантными генами). Эритроциты таких индивидуумов имеют оба поверхностных антигена –А и В и взаимодействие этих белков дает новый фенотип. Среди населения стран Европы IV группа крови встречается в 3% случаев.
Сверхдоминирование заключается в том, что доминантный аллель в гетерозиготном состоянии иногда имеет более сильное проявление, нежели в гомозиготном.
Межаллельная комплементация. Комплементировать могут не только разные гены, но и разные аллели одного и того же гена. Такая межаллельная комплементация встречается тогда, когда мутации гена различным образом изменяют порядок аминокислот в кодируемой им полипептидной цепи, что по-разному искажает её вторичную и третичную структуру, но приводит к фенотипически тождественному результату, например, к потери активности фермента, в состав мультимерных молекул которого эта цепь входит в качестве субъединицы. У гетерозигот, сочетающих в себе разные аллели такого гена, происходит взаимная нормализация пространственной конфигурации измененных полипептидных цепей: не затронутые мутацией участки каждой цепи исправляют конфигурацию поврежденных участков другой цепи. Поэтому молекула, собранная из двух по-разному измененных полипетидных цепей, может обладать полной или частичной ферментативной активностью.
Дефекты цветоощущения на красный и зеленый встречаются в популяции довольно часто. Чувствительность к красному и зеленому цвету определяется двумя разными пигментами. Они содержатся в колбочках сетчатки, при чем каждая колбочка содержит только один тип пигмента. При протанопии и дейтеранопии полностью отсутствует один из этих двух пигментов, а при промежуточных типах цветоаномалий – изменяются спектры поглощения света.
В двух семьях нормальные девочки имеют родителей с разными Х-сцепленными аномалиями ( p и d) цветового зрения. Из анализа родословных известно, что имеются два набора аллелей, один для протанопии, а другой для дейтеранопии – гены цветоаномалии. Родословные демонстрируют генетическую независимость этих дефектов цветоощущения, однако, некоторые наблюдения свидетельствуют о наличии редких мутаций, не обнаруживающих полной комплементации. Согласно последним результатам молекулярной генетики, гены протанопии и дейтеранопии произошли от одного гена путем дупликации, последующих мутаций, неравного кроссинговера или генной конверсии.
Все три дочери имеют нормальное цветовое зрение, хотя они унаследовали соответствующие гены от каждого из родителей. Здесь имеет место комплементация мутаций, в результате чего двойные гетерозиготы нормально различают цвета. Тот факт, что в обоих браках матери гомозиготны, вытекает из Х-сцепленного типа наследования дефектов цветового зрения. Только гомозиготные женщины страдают дальтонизмом.
Генетическая гетерогенность моногенных заболеваний обусловлена следующими факторами:
1. различными мутациями одного и того же гена. Наиболее обстоятельно этот вопрос изучен в отношении гена СFTR, мутация которого приводит к тяжелому наследственному заболеванию – муковисцидозу. В этом гене идентифирировано около 1000 различных мутаций. Заболевание характеризуется нарушением функций легких, всех экзокринных желез, особенно поджелудочной железы, кишечника. Продукт гена – мембранный белок, регулирующий трансмембранный транспорт ионов хлора и натрия в эпителиальных клетках. Заболевание аутосомно-рецессивное.
2. мутациями разных генов. Один и тот же биохимический фенотип может быть результатом мутации в разных генах. Так, болезнь Альцгеймера (старческое слабоумие), характеризующиеся отложением специфического амилоидного белка в мозге может быть результатом мутации в гене амилоида (Ad), либо в генах Ps-1 и Ps-2. Талассемические синдромы вызываются различными мутациями в альфа- или бета-глобиновых генах. Синдром Эллерса-Данлоса – мутациями по крайней мере 7 различных коллагеновых генов как аутосомной так и X-сцепленной локализации.
3. влиянием генов-модификаторов. При исследовании наследственных патологий необходимо учитывать влияние дополнительных генетических факторов, модифицирующих биохимические проявления мутантного аллеля. При всех моногенных болезнях имеются гены- модификаторы, от которых зависят пенетрантность и экспрессивность. Отмечается четкая ассоциация некоторых аллелей генов DQA1 локуса HLA с тяжестью муковисцидоза и хронических респираторных заболеваний легких.
Косвенные или прямые свидетельства наличия генов-модификаторов имеются практически при всех моногенных болезнях. Более того, в свете современной геномики оправдано утверждениие некоторых авторов о том, что как таковые моногенные болезни просто не существуют, в силу того, что экспрессия любого гена и, соответственно, действие любого генного продукта зависит и находится во взаимодействии с другими генами и их продуктами. Именно от модификаторов зависят в значительной мере такие показатели генной активности, как пенетрантность и экспрессивность. Влияние генов-модификаторов на тяжесть течения заболевания детально исследована при муковисцидозе.
Наиболее частым вариантом спонтанных мутаций является однонуклеотидные замены (SNP), встречающиеся каждые 300-400 пар оснований. Точную локализацию определенного SNP на геномной карте устанавливается путем амплификации содержащего соответствующий сайт SNP фрагмента ДНК при помощи полимеразной цепной реакции с последующей обработкой специальными ферментами – эндонуклеазами. Данный фермент будет или не будет разрезать ДНК в месте локализации SNP. Нередко, однако, очень тяжелые мутации практически полностью выключающие отдельные гены, т.е. блокирующие их экспрессию, в популяции встречаются чаще. Так, известно, что почти половина населения белой расы не имеет одного из ферментов детоксикации ксенобиотиков – глютатион-S-трансферазы в результате наличия протяженной делеции в соотвтетсвующем гене. Вместе с тем, частоты мутаций, приводящих даже к наиболее распространненым наследственным заболеваниям, сравнительно невелики и обычно ниже одного процента. Например, популяционные частоты мутаций, ответственных за такие частые генные болезни как гемофилия А, миодистрофия Дюшенна или фенилкетонурия, значительно ниже 1 на 2-5 тысяч индивидуумов. Наряду с этим, 10-20% всех представителей белой расы западной Европы являются гетерозиготными носителями мутаций гена муковисцидоза, и прежде всего мутаций ΔF508, на долю которой приходится почти 60-79% всех мутаций гена CFTR у больных муковисцидозом северной Европы и России.
Принципы классификации генов наследственных болезней.
Мутационные повреждения каждого гена уникальны, что связано с особенностями первичной структуры ДНК каждого гена. Мутации многих из них приводят к различным наследственным заболеваниям. Более половины картированных генов клонированы и описаны методами молекулярного анализа. Используя методы ДНК-диагностики условно наследственные болезни можно подразделить на следующие основные группы:
1. Болезни, вызванные точечными мутациями, равномерно распределенными по всей первичной последовательности гена. Мутации на уровне нуклеотидов в виде их замен, делеций, дупликаций, инсерций одного или нескольких нуклеотидов – наиболее обширная группа. Например: семейный рак молочной железы и яичников – картированы и идентифицированы два гена – онкосупрессора BRCA-1(17q) и BRCA-2(13q). Врожденный поликистоз почек – аутосомно-доминантный тип заболевания - мутация в гене RKD-1(16p 13.3) (нонсенс, мелкие делеции, инсерции). Фенилкетонурия – аутосомно-рецессивный тип наследования, дефект гена РАН (однонуклеотидная замена – миссенс, нонсенс и мутации в сайтах сплайсинга). К этой группе заболеваний относятся муковисцидоз, ахондроплазия, рецессивная форма глухоты. Болезни, обусловленные преимущественно протяженными делециями - миодистрофия Дюшенна-Беккера – сцепленная с полом мышечная дистрофия. Ген миодистрофии Дюшенна (DMD) – один из самых крупных известных генов человека, кодирует белок дистрофин, входящей в состав сарколеммы мышечного волокна. У 60% больных мальчиков в этом гене обнаруживаются делеции.
2. Болезни экспансии. Молекулярные механизмы болезней экспансий зависят от числа и состава нуклеотидов, образующих повторяющиеся единицы и расположения повторов относительно кодирующих участков генома. В связи с этим выделяют болезни экспансии кодирующих и некодирующих повторов.
Болезни экспансии некодирующих повторов обусловлены значительным увеличением длины повторяющихся последовательностей и сопровождаются множественной дисфункцией или дегенерацией различных тканей. Например: синдром Мартина-Белл (синдром ломкой Х-хромосомы). Причина заболевания – увеличение числа триплетных повторов в гене FMRI; нарушается транскрипция, приводящая к дефициту соответствующих белков. Заболевание широко распространено в популяции (1:2000 – 1:5000 всех живорожденных) и является самой частой формой умственной отсталости после болезни Дауна. Впервые этот тип мутации (экспансия тринуклеотидных повторов) обнаружен в 1991 году при молекулярном анализе синдрома X-сцепленной умственной отсталости. К этой группе заболеваний относится атаксия Фридрейха (аутосомно-рецессивный типа наследования – внутриинтронный повтор GAA в гене Х25); миотоническая дистрофия (аутосомно-доминантное заболевание) - мутации 19q13 и 3q21; спиноцеребеллярная атаксия – прогрессирующая атаксия с атрофией мозжечка и оживленными рефлексами, прогрессирующая эпилепсия (аутосомно-рецесивное заболевание) – мутация гена GSTB.
Болезни экспансии кодирующих повторов. Экспансия CAG-повторов, расположенных в кодирующих областях генов человека и кодирующих полиглутаминовые тракты, отмечены при 9 нейродегенеративных заболеваниях – хорее Гентингтона, мышечной атрофии, атаксий и других.
Таким образом, молекулярную основу болезней экспансии составляет рост числа коротких нуклеотидных повторов, приводящих к нарушению функции гена, или появлению необычного белкового продукта, обладающего токсическим действием. Таких болезней насчитывается около 20 (миотоническая дистрофия, атаксия Фридриха, эпилепсия) и встречается только у человека. Все болезни экспансии обладают общими свойствами:
1) повторяющаяся группа нуклеотидов всегда присутствует в норме в соотвтетствующих генах и полиморфна по числу копий;
2) характерен доминантный тип наследования;
3) заболевание начинается только по достижении определенного числа копий;
4) существует прямая корреляция между числом повторов и тяжестью заболевания;
5) нарастание тяжести клинических проявлений заболевания в последующих поколениях;
6) доказано существование четкого сцепления мутантного аллеля с определенной хромосомой.
ДНК-диагностика моногенных болезней в России
Впервые молекулярная диагностика в России была проведена в 1989 году в семьях с муковисцидозом и гемофилией А. В течение последующих лет была налажена ДНК-диагностика для таких частых наследственных заболеваний, как миодистрофия Дюшенна, фенилкетонурия, синдром ломкой Х-хромосомы, миотоническая дистрофия, хорея Гентингтона, андрогенитальный синдром и других патологий. На сегодняшний день в стране диагностируется около 30 различных моногенных болезней и наследственных синдромов. В настоящее время в России возможна диагностика практически всех основных, т.е. наиболее частых и тяжелых наследственных болезней. Принципиально возможно диагностика некоторых редких заболеваний, для которых уже известен мутантный ген и ясна молекулярная стратегия диагностики. Молекулярная диагностика в России проводится в 4 федеральных медико-генетических центрах в Москве, Санкт-Петербурге, Томске, Уфимском научном центре, Новосибирском областном клинико-диагностическом центре. Успехами в этом направлении в значительной мере обязаны государственной программе «Геном человека», начатой в 1991 году по инициативе академика А.А. Баева.