Мутации,вызывающие наследственные болез­ни, могут затрагивать структурные, транспорт­ные, эмбриональные белки, ферменты.

Существует несколько уровней регуляции син­теза белков: претранскрипционный, транскрип­ционный, трансляционный. Можно предполо-

жить, что на всех этих этапах, осуществляемых соответствующими ферментативными реакция­ми, могут возникать наследственные аномалии. Если принять, что у человека примерно 80 тыс. генов, а каждый ген может мутировать и обуслов­ливать другое строение белка, то, казалось бы, должно быть не меньшее число наследственных болезней. Более того, по современным данным, в каждом гене может возникать до нескольких сотен вариантов мутаций (разные типы в раз­ных участках гена). На самом деле более чем для 50% белков изменения генетической приро­ды (первичная структура) приводят к гибели клетки и мутация не реализуется в наследствен­ную болезнь. Такие белки называются мономорф-ными. Они обеспечивают основные функции клетки, консервативно сохраняя стабильность видовой организации клетки. Так или иначе, но число генных болезней действительно большое. В настоящее время оно исчисляется тысячами (около 4, 5 тыс.).

При рассмотрении генных болезней как менде­лирующих форм принимается, что речь идет о так называемых полных формах, т.е. формах, обусловленных гаметическими (в зародышевых клетках) мутациями. Это могут быть новые или унаследованные из предыдущих поколений му­тации. Следовательно, в этих случаях патологи­ческие гены присутствуют во всех клетках орга­низма. Однако теоретически можно себе пред­ставить вероятность появления и мозаичных форм, а не только полных, подобно тому как это уже хорошо известно для хромосомных болез­ней. Любые мутации, в том числе и генные, мо­гут возникать на ранних стадиях дробления зи­готы в одной из клеток, и тогда индивид будет мозаичен по данному гену. В одних клетках у него будет функционировать нормальный аллель, в других - мутантный или патологический. Если эта мутация доминантная, то она проявится в соответствующих клетках и приведет к разви­тию болезни, очевидно менее тяжелой. Если воз­никшая мутация в одной из клеток на ранних стадиях развития зародыша рецессивная, то ее эффект проявится только у гомозиготы. Вероят­ность появления двух новых рецессивных мута­ций в одном и том же локусе гомологичных хро­мосом в одной клетке с двумя нормальными ал­лелями чрезвычайно мала.

Проблема мозаичных форм генных болез­ней и с генетической, и с клинической точки

Часть I. ОБЩАЯ НОЗОЛОГИЯ

.

Рис. 23. Родословная семьи с 3 случаями ахондроп-лазии в одном поколении

зрения исследована недостаточно. Частота воз­никновения мозаичных форм не может быть высокой, поэтому выявлять их трудно. Совре­менные молекулярно-генетические методы позво­ляют диагностировать мозаицизм на клеточном или тканевом уровне. Обнаружена уже мозаич­ная форма, легкая по течению, миопатии Дю-шенна (больной умер в возрасте 22 лет).

С мозаичными формами генных болезней не следует путать мозаицизм гонад. Мозаицизм гонад является частным случаем органного мо-заицизма, возникающего на более поздних ста­диях эмбрионального развития в процессе орга­ногенеза. Наличие его у клинически здорового индивида по какому-либо локусу может обусло­вить несколько случаев рождения больных де­тей полной формой наследственной болезни. На рис.23 приведена родословная одной французс­кой семьи с тремя случаями ахондроплазии из четырех детей при здоровых родителях.

Ахондроплазия (рис.24) определенно являет­ся аутосомно-доминантным заболеванием с пол­ной пенетрантностью. Клиническая и рентгено­логическая диагностика этого заболевания (в частности, в упомянутой выше семье) не вызы­вает сомнений. Объяснить семейные случаи в данной родословной можно гонадным мозаициз-мом у отца, поскольку больные дети родились в двух его браках. Возможно еще одно объясне­ние подобных случаев - за счет премутации в одном из аллелей этого гена у родителя, которая реализуется в мутацию при прохождении через мейоз. Однако в гене ахондроплазии премутант-ных состояний пока не обнаружено.

Современными молекулярно-генетическими исследованиями показано, что родительский мозаицизм (в том числе гонадный) ответствен не менее чем за 5-15% случаев доминантных бо­лезней. Мозаицизм у здоровых родителей убе­дительно доказан при рождении больных детей по соответствующим генам с несовершенным ос-

теогенезом, синдромом Элерса-Данлоса (тип IV), гемофилии (фактор VIII и IX).

Как отмечалось выше, в последние годы об­наружен ряд новых закономерностей наследова­ния признаков (нормальных и патологических), не соответствующих менделевским. К ним отно­сятся: геномный импринтинг и экспансия трип-летных повторов.

Геномный импринтинг представляет собой механизм, с помощью которого различается ак­тивность гомологичных генов (или участков хро­мосом) у индивида в зависимости от их роди­тельского происхождения. У диплоидных орга­низмов обычно экспрессируются оба аллеля ка­кого-то локуса. В участках генома, подвержен­ных импринтингу, экспрессируется только один аллель - отцовский или материнский, т.е. на­блюдается моноаллельная экспрессия имприн-

Глава 4 / РОЛЬ НАСЛЕДСТВЕННОСТИ, КОНСТИТУЦИИ И ВОЗРАСТА В ПАТОЛОГИИ

S Зла] Лг S32

тированных генов. Так, известно, что в прокси­мальном участке хромосомы 15 имеются близко сцепленные, но противоположно импринтирован-ные локусы, отвечающие за возникновение двух фенотипически разных синдромов - Прадера-Вил-ли и Энгельмана. Для синдрома Прадера-Вил-ли, фенотипически проявляющегося умственной отсталостью, мышечной гипотонией, выражен­ным ожирением, гипогонадизмом, низким рос­том и акромикрией, установлен кандидатный ген, ответственный за синтез полипептида N малого ядерного рибонуклеопротеина (SNRPN). Этот ген активно экспрессируется исключитель­но на отцовской хромосоме 15. Кандидатным геном синдрома Энгельмана (синоним - синд­ром «счастливой куклы»), характеризующегося неадекватной счастливой улыбкой и глубокой умственной отсталостью с резкими кукольными судорожными движениями, является убиквитин - белковый лигазный ген (ИВЕЗА) Е6-АР, кото­рый экспрессируется главным образом на мате­ринской хромосоме 15.

В начале 90-х годов у человека был обнару­жен новый тип мутаций, который до сих пор не зарегистрирован ни у одного вида млекопитаю­щих. Он получил название - динамические му­тации или мутации экспансии. Суть мутации заключается в нарастании (экспансии) числа триплетных повторов, расположенных в регуля-торной или в кодирующей части генов. К наибо­лее известным тринуклеотидным повторам, экс­пансия которых, т.е. увеличение их числа в кон­кретном участке по сравнению с нормой, приво­дит к наследственной патологии, относятся по­вторы CGG (цитозин - гуанин - гуанин) и CAG (цитозин - аденин - гуанин). Увеличение числа повторов данных триплетов от 5-40 в норме до 90-200 приводит к развитию ряда тяжелых не­врологических болезней (миотоническая дистро­фия, атаксия Фридрейха, синдром ломкой Х-хро-мосомы и др.). Число повторов в норме и при болезнях неодинаково.

Утверждение, что весь генетический матери­ал человека находится в составе хромосом, не совсем верно, поскольку есть одно исключение - митохондриальный геном. Митохондриальная ДНК (мтДНК) представляет собой небольшую кольцевидную молекулу длиной 16569 пар ос­нований. В отличие от ДНК ядерного генома она не связана с белками, имеет очень высокую «плотность генов» ввиду отсутствия интронов,

содержит 13 генов, кодирующих белки (3 субъ­единицы цитохром-с-оксидазы, 6 компонентов АТФазы и др.), 22 гена транспортных РНК и 2 гена рибосомальных РНК. На рис. 25 представ­лена схема структуры мтДНК и приведены при­меры митохондриальных болезней, которые яв­ляются следствием мутации мт-генов. Эти болез­ни передаются только по материнской линии.

Первичные эффекты любых (ядерных и ми­тохондриальных) мутантных аллелей могут про­являться в четырех вариантах: 1) отсутствии синтеза полипептидной цепи (белка); 2) синтезе аномальной по первичной структуре поли­пептидной цепи (белка); 3) количественно недо­статочном синтезе полипептидной цепи (белка); 4) количественно избыточном синтезе полипеп­тидной цепи (белка). На основе первичного эф­фекта мутантного аллеля (при каждой болезни он всегда один и тот же) уже развертывается весь сложнейший патогенез генной болезни, прояв­ляющийся в разнообразных фенотипических эффектах или клинической картине заболевания.

Результатом действия патологической мута­ции в онтогенезе (фенотипический эффект) мо­жет быть прежде всего летальность на ранних стадиях развития зародыша - до имплантации. Механизмы такой летальности еще не выясне­ны, но наличие ее у человека не вызывает со­мнений. Проявляется это в виде несостоявшего­ся зачатия (имплантации) у фертильных жен­щин при нормальной половой жизни. У моло­дых женщин зачатие наступает в среднем через 3 месяца регулярной половой жизни без контра­цепции. Из несостоявшихся зачатий примерно половина обусловлена гибелью зиготы по гене­тическим причинам (генные, хромосомные и ге­номные мутации). Если развитие эмбриона с патологической генной мутацией не останови­лось на ранних стадиях, то фенотипические эф­фекты в зависимости от вовлеченного гена и ха­рактера мутации формируются в виде трех ва­риантов: дисморфогенеза (врожденных пороков развития), нарушенного обмена веществ, смешан­ных эффектов (дисморфогенез и аномальный обмен веществ).

Эффекты патологических мутаций начинают реализовываться в разные периоды онтогенеза: от внутриутробного до пожилого возраста. Боль­шая часть патологических мутаций проявляет­ся внутриутробно (до 25% от общего количества наследственной патологии) и в допубертатном

J4

Часть I. ОБЩАЯ НОЗОЛОГИЯ

возрасте (45%). Еще 20% проявляется в пубер­татном и юношеском возрасте и лишь 10% моно­генных болезней развивается позже 20 лет.

Важно подчеркнуть, что к одинаковой кли­нической картине заболевания могут привести нарушения мутации разных генов. Такие слу­чаи называется генокопиями. Наряду с этим, хотя и редко, могут встречаться фенокопии ген­ных болезней. Это те случаи, при которых по­вреждающие внешние факторы, действующие, как правило, внутриутробно, вызывают болезнь, сходную по клинической картине с наследствен­ной. Противоположное состояние, когда при мутантном генотипе индивида в результате сре-довых воздействий (лекарства, диета и т.п.) бо­лезнь не развивается, называют нормокопиро-ванием. Понятия о гено- и фенокопиях помога­ют врачу поставить правильный диагноз, а так­же более точно определить возможность возник­новения заболевания и вероятность рождения больного ребенка. Понимание принципов нормо-копирования дает врачу возможность вторичной профилактики наследственных болезней, а в каждом конкретном случае предупредить разви­тие болезни у ребенка, унаследовавшего патоло­гический ген.

Патогенез генных болезнейсвязан с пер­вичным эффектом мутантного аллеля. Поэтому принципиальные позиции патогенеза генных болезнейможно представить следующим обра­зом: мутантный аллель -► патологический пер­вичный продукт (качественно или количествен­но) -> цепь последующих биохимических про­цессов -> клетки -» органы -> организм.

Это и есть главная общая закономерность раз­вития генных болезней при всем их многообра­зии. В зависимости от того, какой продукт кон­тролируется конкретным геном и каков харак­тер нарушения его при мутации, соответствую­щим образом развертывается патогенез болезни на молекулярном уровне.

Если в результате мутации вырабатывается избыточное количество белка, то весь патоге­нез болезни в целом будет обусловлен именно гиперпродукцией генной активности. Так, при первичном гемохроматозе синтезируется избы­точное количество глобина, что приводит к пе-ренагруженности эритроцитов гемоглобином и, соответственно, железом. Увеличивается свер­тываемость крови, развивается гемосидероз па­ренхиматозных органов.

При другом варианте патологического эффекта

D СОН К ATPase6

Рис. 25. Структура митохондриально-

го генома и примеры митохондриаль-

ных болезней:

ADPD - болезнь Альцгеймера/болезнь

Паркинсона;

DEAF - нейросенсорная потеря слуха;

LHON - наследственная нейроофталь-

мопатия Лебера;

LDYT - LHON и дистония;

MELAS - митохондриальная миопа-

тия, энцефалопатия, молочнокислый

ацидоз и приступы судорог;

MERRF - миоклональная эпилепсия в

сочетании с необычно красными

мышечными волокнами;

NARP - нейропатия, атаксия и пиг­ментный ретинит;

РЕМ - летальная прогрессирующая

энцефаломиопатия

Глава 4 / РОЛЬ НАСЛЕДСТВЕННОСТИ, КОНСТИТУЦИИ И ВОЗРАСТА В ПАТОЛОГИИ

мутантного гена вырабатывается аномальный белок. За этим следуют фукциональные нару­шения в системе, которую в норме обеспечивает нормальный белок. Нарушения эти первоначаль­но развертываются на молекулярном уровне. Примером такого варианта патогенеза болезни может быть серповидно-клеточная анемия. За­мена гидрофильной глютаминовой кислоты на гидрофобный валин в структуре глобина изме­няет функциональные свойства гемоглобина (по­ниженная растворимость, повышенная полиме­ризация). Он не может выполнять кислород-ак­цепторную функцию и кристаллизуется при не­достатке кислорода. Эритроциты приобретают поэтому серповидную форму (отсюда и название болезни), склеиваются и тромбируют капилля­ры и т.п.

Третий вариант патологического эффекта му­тантного аллеля - отсутствие выработки пер­вичного продукта. Это выражается в накопле­нии токсических продуктов-предшественников. Например, при фенилкетонурии накапливается в крови фенилаланин, поскольку он из-за отсут­ствия фенилаланингидроксилазы печени не пре­вращается в тирозин. Могут использоваться дру­гие (обходные) пути обмена, часто также с пато­логическим исходом. В результате отсутствия первичного продукта гена может задерживаться какой-либо важный процесс, постоянно осуществляющийся в организме. Так, мутации генов, детерминирующих ферменты репарации ДНК, делают невозможным восстановление по­стоянно возникающих нарушений в структуре ДНК, что приводит к развитию злокачественных новообразований (пигментная ксеродерма, атак-сия-телеангиэктазия).

Известен и четвертый вариант первичного патологического эффекта мутантного аллеля - это выработка уменьшенного количества нормаль­ного первичного продукта (талассемия, аката-лаземия). Патогенез таких заболеваний отлича­ется большой вариабельностью, поскольку на­ряду с нормальным путем обмена веществ будут функционировать и патологические варианты.

Выше были описаны общие закономерности патогенеза генных болезней на молекулярном уровне на примерах нарушения обмена веществ. Тот же самый принцип патогенеза (мутантный аллель - патологический первичный продукт) действует и для генов морфогенетического кон­троля, мутации в которых приводят к врожден-

ным порокам развития (полидактилия, синдро­мы Холт-Орама, Нунена, Лоуренса-Муна, Мек-келя, Робертса). Начальное звено врожденного порока развития связано с нарушением диффе-ренцировки клеток. Запрограммированная в ге­номе дифференцировка клеток, а затем и орга­ногенез осуществляются путем смены активации и выключения определенных генов в строго ог­раниченных временных (по отношению к онто­генезу) промежутках. Если первичный продукт морфогенетического гена аномальный, то не пос­ледует необходимая для дальнейшего правиль­ного развития органа дифференцировка клеток. Естественно, что морфогенетических генов мно­го, действуют они в разные периоды онтогенеза. Соответственно, мутации в них будут приводить к специфическим врожденным порокам разви­тия.

Патогенез генных болезней не заканчивается на молекулярном уровне даже в его первичных звеньях. Для многих болезней основным звеном патогенеза является клеточный уровень. При этом речь идет не только о биологической акси­оме: во всех генетических процессах клетка яв­ляется дискретной самостоятельно регулируемой единицей и в ней осуществляются все процессы реализации генетической информации (транс­крипция, трансляция, синтез белка). Клеточный уровень патогенеза генных болезней означает, что в определенных типах клеток разыгрывают­ся основные патологические процессы, ха­рактерные для конкретной нозологической фор­мы. Клетка как бы «не выпускает из себя» пато­логические явления, а берет удар от первичного патологического эффекта гена на себя. Точкой приложения являются отдельные структуры клетки, разные при разных болезнях (лизосо-мы, пероксисомы, мембраны).

Патогенез на клеточном уровне развертыва­ется при болезнях накопления в связи с нару­шением ферментативной активности в лизосо-мах. Так, накопление в клетках гликозоами-ногликанов (мукополисахаридов), а в последую­щем и в основном межклеточном веществе при­водит к развитию тяжелой группы заболеваний

- мукополисахаридозов. Причиной избыточного содержания полимеров - гликозоамингликанов

- является отсутствие их деградации в лизосо-мах (рис.26, вклейка). Нарушение распада гликозоамингликанов связано с дефектами в группе специфических ферментов, осуществля­ющих весь цикл деградации.

Часть I. ОБЩАЯ НОЗОЛОГИЯ

Эффекты мутаций в гене рецептора ЛНП на генный продукт

Таблица 13

Другим примером болезней накопления мо­гут быть гликогенозы. В клетках печени и мышц накапливаются полимеры гликогена, которые не подвергаются деградации даже тогда, когда орга­низму необходима глюкоза в крови. Принципи­ально патогенез гликогенозов такой же, как и мукополисахаридозов. В клетках печени и мышц отсутствует определенный фермент (их уже из­вестно много), который участвует в цикле рас­щепления гликогена до глюкозы.

Другие внутриклеточные структуры - перок-сисомы - также могут являться точкой прило­жения первичного действия мутантного гена. В этих случаях развиваются так называемые перок-сисомные болезни. К этой группе относятся син­дром Цельвегера, ризомелическая точечная ос-теохондродисплазия, болезнь Рефсума, акатала-зия и др.

Мембраны клеток также могут быть ключе­выми элементами патогенеза генных болезней. Так, нарушение синтеза рецепторов андрогенов приводит при хромосомном наборе ХУ к разви­тию женского фенотипа, наличию семенников в брюшной полости и повышенному уровню анд­рогенов (синдром тестикулярной феминизации). Клиника витамин Д-резистентного рахита (ауто-сомно-доминантное заболевание) обусловлена дефектом рецепторов 1, 25-дигидроксихолекаль-циферолла. Патологические мутации в гене ре­цептора липопротеидов низкой плотности вызы­вает пять видов дефектов клеточного рецептора. Эффект любой мутации - нарушение гомеостаза холестеринового обмена (табл. 13).

При муковисцидозе (синоним - кистозный фиброз) нарушается регуляция транспорта хло­ридов через мембраны эпителиальных клеток, которая в норме осуществляется белком - продук-

том гена, названным «кистофиброзным транс­мембранным регулятором» (сокращенно CFTR). Одни мутации в гене CFTR ведут к снижению синтеза белка CFTR из-за незавершенности процессинга РНК, другие - к качественным из­менениям мембранных хлоридных каналов. Одна первичная биохимическая аномалия (нарушение транспорта хлоридов) ведет к мультиорганному патологическому процессу (прогрессирующее поражение дыхательных путей, хронические синуситы, недостаточность экзогенной секретор­ной функции поджелудочной железы, стериль­ность у мужчин).

Клеточный уровень патогенеза генных болез­ней может проявляться не только в конкретных органеллах, но и в виде нарушения скоордини­рованное™ функций интерфазного периода клет­ки и размножения. Так, мутации, затрагиваю­щие области онкогенов, ведут к снятию контро­ля размножения клеток (репрессия антионкоге­нов) и, соответственно, к злокачественному рос­ту (наследственные раки толстого кишечника, ретинобл астома).

Клетка может быть главным звеном при реа­лизации молекулярного уровня патогенеза. Так, прекращение синтеза мышечного белка дистро-фина при мутациях в этом гене приводит к пос­тепенной деградации мышечных клеток. Это и является основным звеном патогенеза тяжелой наследственной болезни - миопатии Дюшенна.

Органный уровень патогенеза наследствен­ных болезней, безусловно, является производ­ным от молекулярного и клеточного. При раз­личных болезнях мишенью патологического про­цесса служат разные органы, иногда в результа­те первичных процессов, иногда - вторичных. Так, отложение меди в печени и в экстра-

Глава 4 / РОЛЬ НАСЛЕДСТВЕННОСТИ, КОНСТИТУЦИИ И ВОЗРАСТА В ПАТОЛОГИИ

пирамидной системе мозга при гепато-лентику-лярной дегенерации (болезнь Вильсона) являет­ся первичным процессом, а гемосидероз парен­химатозных органов при первичном гемохрома-тозе или талассемии развивается вторично вслед­ствие усиленного распада эритроцитов. При ал-каптонурии отложения гомогентизиновой кис­лоты в хрящах суставных поверхностей и кла­панах сердца являются вторичным процессом, обусловленным высокой концентрацией гомоген­тизиновой кислоты в крови (она не превращает­ся в малеилацетоуксусную кислоту в результате мутационно обусловленного отсутствия оксида-зы гомогентизиновой кислоты). Это медленно ведет (примерно к 40 годам) к порокам сердца и тугоподвижности суставов.

В организме в целом взаимосвязь патогене­тических процессов проявляется сочетанно на молекулярном, клеточном и органном уровнях. Патологический процесс, индуцированный первичным эффектом мутантного аллеля, при­обретает целостность с закономерными межин­дивидуальными вариациями. Тяжесть и скорость развития болезни при прочих равных условиях (пол ребенка, одинаковый характер мутации) зависят от генотипа организма (гены-модифика­торы) и условий среды. Патогенез любой на­следственной болезни у разных индивидов, хотя и сходен по первичным механизмам и этапам, формируется строго индивидуально.

4.1.8. Этиология и патогенез

хромосомных болезней