Мед. Генетика Горбунова. Учебник для студентов медицинских вузов и слушателей последипломного образования
 Скачать 1.71 Mb.
|
|
Глава 1. 9. Структура и экспрессия генов эукариот По мере развития генетики представления о гене постоянно совершенствовались. Напомним, что впервые термин ген был введен для обозначения дискретных наследственных факторов, существование которых было постулировано Менделем. В процессе развития хромосомной теории наследственности было показано, что гены это хромосомные локусы, которые одновременно являются единицами мутации, рекомбинации и функции. С возникновением молекулярной генетики появилось представление о гене, как единице транскрипции. С этой точки зрения гены – это транскрибируемые участки молекулы ДНК. Какова же их структура? Рисунок 21. Структура генов эукариот Напомним, что многие гены эукариот, включая человека, имеют прерывистую структуру – рис. 21. Кодирующие участки гена - экзоны, соседствуют с протяженными некодирующими участками – интронами, которые вырезаются при процессинге преРНК и, таким образом, не участвуют в трансляции. Некоторые экзоны, локализованные на концах гена, транскрибируются, но также не транслируются. Экзоны относятся к числу смысловых последовательностей, так как в них, в отличие от интронов или каких-то других последовательностей ДНК, нет стоп-кодонов, то есть они составляют открытые рамки считывания . На границах между экзонами и интронами локализованы важные канонические последовательности, так называемые сайты сплайсинга , необходимые для правильного вырезания интронов. Заметим, что открытие мозаичной структуры генов эукариот оказалось совершенно неожиданным и относится к разряду мини-революции в генетике. Термины экзон и интрон были введены Уолтером Гилбертом в 1978 году и сразу были приняты научным сообществом, хотя до сих пор нет удовлетворительных объяснений, зачем нужна прерывистость структуры генов, почему она появляется у высших организмов и какие преимущества она им дает. С другой стороны, очевидно, что эволюционный прогресс эукариот в значительной степени ассоциирован с появлением мозаичных генов. В отличие от белок-кодирующих последовательностей численность и протяженность интронов прямо коррелируют со сложностью организации жизни. У одноклеточных эукариот, таких, например, как дрожжи, интроны занимают от 10 до 20% преРНК, их средняя длина менее 100 нуклеотидов и они распределены с плотностью 1-3 на 1000 нуклеотидов экзонов. В генах высших растений от 2 до 4 интронов, их длина составляет около 250 нуклеотидов и они занимают до 50% пре-РНК. У животных средняя длина интронов увеличивается до 500 пар оснований у дрозофилы или нематоды и до 3400 нуклеотидов у человека, в среднем, их 6-7 на ген, и они занимают более 95% от общей длины первичного РНК-транскрипта. В понятие ген входят также 5’- и 3’-нетранслируемые области. В 5’- нетранслируемой области находится основной регулятор работы гена – промотор . Промотор – это место взаимодействия ДНК с ферментом РНК- полимеразой, осуществляющим комплементарный синтез РНК по матрице ДНК в процессе транскрипции. Промотор определяет правильное начало транскрипции с первого инициирущего ATG-кодона и влияет на ее скорость. Промоторы, обеспечивающие высокую скорость синтеза преРНК, называются сильными, а низкую – слабыми. Есть промоторы, которые для своей работы требуют присутствия какой-то другой молекулы, они называются индуцибильными. Транскрипция заканчивается при достижении определенных терминирующих сигналов. В 3’-нетранслируемой области гена локализованы последовательности, участвующие в регуляции процессинга мРНК и трансляции. Транскрипция и трансляция с образованием конечного продукта (белка или РНК) вместе называются экспрессией или работой гена. Все гены присутствуют в ядрах клеток разных специализированных тканей организма, так как в них содержится одинаковая молекула ДНК. Однако далеко не все гены экспрессируются в разных тканях. Существует определенный набор генов, которые экспрессируются в любых типах клеток. Эти гены, получившие название генов домашнего хозяйства , обеспечивают энергетику, дыхание и другие процессы, без которых клетки жить не могут. Но основная масса генов – это тканеспецифические гены, которые работают только в определенных клетках и на определенных стадиях их развития. Нарушение экспрессии генов, как правило, ассоциировано с развитием патологических процессов, лежащих в основе развития многих наследственных заболеваний. Отклонением от нормы является не только снижение экспрессии какого-то гена или ее полное отсутствие, но и гиперэкспрессия – образование аномально большого количества продукта гена – а также эктопическая экспрессия – работа гена в несвойственном типе клеток или в несвойственный момент онтогенетического развития. Считается, что, в среднем, в специализированных клетках одновременно работают не более 20% всех генов. Процесс дифференцировки непосредственно зависит от набора экспрессирующихся генов. Важную роль в этом играют транскрипционные факторы – регуляторные элементы, способные активировать или репрессировать целую группу других генов, так называемую « генную сеть ». Многие гены транскрипционных факторов экспрессируются в раннем эмбриогенезе и активируют «генные сети», ответственные за морфогенез отдельных органов и тканей, формирование метаболических цепей и тому подобные процессы. Генную сеть составляют также группы генов, полиморфные функционально значимые аллели которых формируют наследственную предрасположенность к мультифакториальной патологии, такой, например, как атеросклероз, язвенная болезнь, бронхиальная астма, рак молочной железы или простаты и др. У высших кроме промотора имеются дополнительные системы регуляции, усиливающие или ослабляющие экспрессию генов и обеспечивающие ее тканаспецифичность. Эти регуляторные последовательности, так называемые энхансеры и сайленсеры , могут находиться как в самом гене, так и на значительном расстоянии от него. Современным интегральным методом оценки молекулярно- генетических параметров различных типов тканей и культивируемых линий клеток, является анализ экспрессионного профиля генов , основанный на биочиповой технологии. Подобная методология позволяет одновременно следить за работой тысяч, а иногда до десятка тысяч генов. В результате могут быть выявлены группы генов, характер экспрессии которых определяет тканеспецифичность – комплекс морфологических, гистологических и функциональных особенностей, специфичных для определенных тканей или клеток. Большинство генов эукариот представлено одной или несколькими копиями. Наряду с этим, некоторые гены повторены в геноме от десятка и более раз, и образуют мультигенные семейства . Эти гены обычно сгруппированы в кластеры в определенных районах одной или нескольких хромосом и часто находятся под общим регуляторным контролем. Примерами мультигенных семейств могут служить гены рибосомальных и транспортных РНК, гены α- и β-глобинов, тубулина, миоглобина, интерферона и многих других. Особое место среди мультигенных семейств занимают супергены – очень большие кластеры из сотен функционально и структурно родственных генов. Классическим примером супергена служит HLA-комплекс, контролирующий главные антигены гистосовместимости. Он занимает район более 6000 тыс. п.о. на коротком плече хромосомы 6 и состоит из серии тесно сцепленных генов, ответственных за синтез множества белков, включающих клеточные поверхностные антигены, молекулы иммунного ответа и некоторые компоненты комплемента. К супергенам относятся три комплекса расположенных на разных хромосомах генов, контролирующих синтез тяжелых и легких цепей иммуноглобулинов. Интересно, что в процессе дифференцировки В-лимфоцитов, продуцирующих иммуноглобулины, происходит структурная перестройка этих семейств. При этом отдельные последовательности ДНК элиминируются, тогда как другие сливаются. В итоге структура генов иммуноглобулинов в зрелых В-лимфоцитах значительно отличается от исходной, то есть той, которая наблюдается в зародышевых клетках. Основными функциями мультигенных семейств является производство большого количества белков или РНК в ограниченный момент времени или обеспечение разнообразного ответа, как в случае HLA-комплексов или генов иммуноглобулинов. Полиморфные аллели этих генов часто являются генетическими факторами риска, предрасполагающими к широкому спектру мультифакториальных заболеваний, таких как сахарный диабет, анкилозирующий и псориатический спондилиты, псориаз, ревматоидный артрит, рассеянный склероз и др. Завершая разговор, необходимо упомянуть, что в кодирующих областях разных генов эукариот наряду с уникальными последовательностями могут присутствовать высоко гомологичные фрагменты нуклеотидных последовательностей. Это значит, что в кодируемых такими генами белках присутствуют гомологичные фрагменты аминокислотных последовательностей, ассоциированные с определенными специализированными функциями. При этом в разных генах (а значит и в разных белках) эти гомологичные фрагменты могут встречаться в различных комбинациях. Примером являются гены коллагенов, являющихся основными компонентами внеклеточного матрикса, на долю которых приходится более 30% общей массы белков млекопитающих. В настоящее время идентифицировано 27 типов коллагенов. Все они состоят из трех равномерно скрученных полипептидных α-цепей, в каждой из которых присутствует специфический коллагеновый домен. На всем протяжении этого домена каждая третья аминокислота является глицином. Этот домен совершенно необходим для правильной организации коллагеновых молекул и фибрилл коллагена. Наследственные дефекты, нарушающие структуру коллагена, приводят к широкому спектру заболеваний, получивших общее название наследственных коллагенопатий. В то же время и в других белках имеются коллагеновые домены, в частности, в сурфактант-ассоциированных белках, дефектная структура которых является причиной развития таких тяжелых бронхолегочных заболеваний, как респираторный дистресс-синдром, врожденный альвеолярный протеиноз или интерстициальный альвеолит. Другие примеры. Молекулы клеточной адгезии относятся к суперсемейству иммуноглобулинов и содержат в различных сочетаниях и количестве тандемно расположенные специфические последовательности, так называемые Ig-подобные повторы. Однако Ig-повторы выполняют функции связывания лигандов и присутствуют в экстраклеточных доменах многих других белков, таких, например, как рецепторы фибробластных факторов роста, протеогликаны, фибулины и др. Во многих белках присутствуют последовательности, впервые идентифицированные в эпидермальном факторе роста – EGF-подобные домены. В частности, самый крупный домен фибриллина, занимающий около 75% всего белка, состоит из 46 EGF-подобных повторов, формирующих последовательности для связывания кальция и осуществления белок-белковых взаимодействий. Напомним, что фибриллин является основным структурным компонентом эластических волокон внеклеточного матрикса, и мутации в гене фибриллина приводят к синдрому Марфана. EGF-подобные повторы присутствуют в рецепторе трансформирующего фактора роста β, тромбоспондинах – Ca2 + - связывающих гликопротеинах внеклеточного матрикса – и во многих других мультидоменных белках. Подчеркнем еще раз, что в разных белках гомологичные домены встречаются в разных комбинациях. Так, в молекуле адгезии нейронов 5 тандемных Ig-повторов сочетаются с 6 повторами, подобными фибронектину. А фибулин – белок, располагающейся на поверхности эластических волокон – содержит 44 тандемных Ig-подобных повторов, 8 EGF-подобных повторов и 6 тромбоспондин-подобных модулей. В фибриллине, наряду с EGF-подобными повторами содержатся мотивы для связывания интегринов и трансформирующих факторов роста. Список подобных примеров может быть значительно расширен. Таким образом, блочная или модульная структура характерна для очень многих белков человека, а значит и для кодирующих эти белки генов. Модульный принцип организации регуляторных и кодирующих последовательностей, общих для всего генома, дает широкие возможности для регуляции ансамблей генов, организованных в иерархические структуры во главе с главным геном-переключателем. При этом соподчиненные гены функционируют в разные периоды развития и могут быть интегрированы в различные «генные сети». Этот же принцип значительно облегчает создание в процессе эволюции новых генетических конструкций. При этом важнейшими эволюционными инструментами являются дупликации, разделения, перемещения и слияния различных фрагментов ДНК с какими-то другими структурными и регуляторными элементами. Такая перетасовка кубиками! В результате этих перестановок может меняться не только структура отдельных генов и мультигенных семейств, но и характер регуляции их экспрессии, что, безусловно, является определяющим в процессе эволюционных преобразований. Глава 1.10.Мутации генов Итак, материальной субстанцией наследственности являются молекулы ДНК и, в частности гены – транскрибируемые фрагменты ДНК, кодирующие белки и разнообразные молекулы РНК (рРНК, тРНК, регуляторные и другие РНК). Изменчивость определяется существованием различных состояний генов или аллелей. При этом нормальная изменчивость связана с присутствием у разных индивидуумов нормальных вариантов гена, а патологическая изменчивость – с наличием множества мутантных аллелей или мутаций. Носители хромосомных аномалий, доминантных мутаций или гомозиготы по рецессивным мутациям называются мутантными особями или мутантами . Мутации называются «легкими» или «тяжелыми» , если они ассоциированы с мягким или тяжелым течением заболевания соответственно. Мы уже говорили о том, что мутации бывают геномными, хромосомными или генными. В общем случае, геномные и хромосомные мутации приводят к тяжелым патологическим состояниям, часто несовместимым с жизнью. К геномным мутациям относятся увеличения полного набора хромосом – полиплоидии , или изменения количества хромосом одной пары – анеуплоидии У человека описано два вида полиплоидий – триплоидии и тетраплоидии – трех- и четырехкратное увеличение числа гаплоидного набора. Подобные аномалии встречаются только у спонтанных абортусов или мертворожденных. Хромосомные мутации, в свою очередь, могут быть числовыми (анеуплоидии) или структурными , то есть затрагивать число хромосом или их структуру. Наиболее частыми числовыми аномалиями являются моносомии – отсутствие одной из гомологичных хромосом и трисомии – существование добавочной третьей копии одной из гомологичных хромосом, причем эта добавочная хромосома может быть как материнского, так и отцовского происхождения. Трисомии найдены не для всех хромосом, и наиболее частыми из них являются синдромы Дауна, Эдвардса и Патау – трисомии по 21, 18 и 13 хромосомам соответственно. Иногда количество добавочных хромосом может быть еще больше, эти аномалии называются полисомиями Моносомии и полисомии описаны, главным образом, для половых хромосом. Другие геномные мутации несовместимы с жизнью и приводят к ранней эмбриональной гибели. Структурные мутации затрагивают не целые хромосомы, а их фрагменты, и чаще они возникают в области гетерохроматина. К структурным перестройкам относятся делеции, инсерции, дупликации, инверсии – соответственно отсутствие, вставка, удвоение или переворот на 180 0 фрагмента одной из хромосом, а также транслокации – перенос фрагмента одной хромосомы на другую – рис. 22. Среди структурных мутаций очень важно различать сбалансированные и несбалансированные хромосомные перестройки. При сбалансированных перестройках не происходит утраты генетического материала, и носители подобных мутаций, как правило, клинически здоровы. Однако в их потомстве велика вероятность рождения ребенка с несбалансированной хромосомной перестройкой, а значит, с хромосомной болезнью. Поэтому для профилактики хромосомных болезней очень важно выявлять среди практически здоровых людей носителей сбалансированных хромосомных перестроек. Об этом более подробно мы будем говорить в дальнейшем. Типичным примером сбалансированных хромосомных перестроек являются реципрокные и робертсоновские транслокации. В первом случае взаимный обмен между участками двух хромосом происходит настолько точно, что весь генетический материал сохраняется, однако меняется расположение генов в хромосомах. В робертсоновских транслокациях участвуют только такие хромосомы, у которых центромеры локализованы на концах, так называемые акроцентрики, и именно в этих местах происходит слияние двух хромосом. В результате этого слияния в кариотипе носителя робертсоновской транслокации присутствует не 46, а 45 хромосом. Несмотря на это они здоровы. Однако у носителей как реципрокных, так и робертсоновских транслокаций повышена частота бесплодия, выкидышей и мертворождений, а также повышена вероятность рождения детей с хромосомными болезнями. Далее речь пойдет об относительно небольших мутациях, локализованных внутри генов. Такие мутации могут быть «легкими» или «тяжелыми» , если они ассоциированы с мягким или тяжелым течением заболевания соответственно. К числу генных или, как еще говорят, точковых мутаций относятся, в частности небольшие структурные перестройки, затрагивающие от одного до несколько нуклеотидов или даже целых экзонов, такие как делеции, инсерции, дупликации и инверсии. Последствия таких внутригенных перестроек зависят от протяженности нарушения, но еще в большей степени от его кратности величине кодона, то есть трем нуклеотидам. Разберем эту ситуацию на примере делеции – рис. 23. Рисунок 22. Нарушения трансляции при делециях, кратных и не кратных трем нуклеотидам Предположим, что величина делеции равна двум нуклеотидом. Это приведет к тому, что, начиная с места локализации этой делеции, формирование кодонов, а значит и их трансляция в аминокислоты, будет проходить неправильно, то есть произойдет сдвиг рамки считывания . При сдвиге рамки считывания очень велика вероятность случайного формирования стоп-кодона, следствием чего будет преждевременное прекращение трансляции. Таким образом, при внутригенных структурных перестройках, не кратных трем нуклеотидам, нарушается синтез белка, очень часто происходит преждевременное прекращение трансляции, образуется укороченный белок, как правило, не защищенный от действия протеолитических ферментов, и возможна полная деградация этого белка в момент синтеза или вскоре после него. Мутации со сдвигом рамки считывания – это очень тяжелый тип нарушений, ассоциированный с серьезными патологическими последствиями. Делеции, кратные величине кодона, не приводят к сдвигу рамки считывания, и реализуются в виде локальных нарушений белка. Поэтому последствия таких мутаций оказываются менее серьезными. Так, например, основным типом нарушений при мышечной дистрофии Дюшенна/Беккера являются протяженные внутригенные делеции, захватывающие один или несколько соседних экзонов. Подобные перестройки встречаются у 65-70% больных. Однако при тяжелой форме миодистрофии Дюшенна делеции, как правило, приводят к сдвигу рамки считывания, и у больных продукт соответствующего гена (белок дистрофин) полностью отсутствует. При гораздо более мягкой форме миодистрофии Беккера делеции чаще всего оказываются кратны трем нуклеотидам, и потому сдвига рамки считывания не происходит. В результате дистрофин у больных синтезируется, хотя его структура, конечно, нарушена. К точковым мутациям относятся замены нуклеотидов, которые могут приводить к различным нарушениям белков, а могут и не иметь таких последствий – рис. 24. Представим себе, что произошла замена нуклеотида, которая в силу вырожденности генетического кода (то есть способности кодировать одну и ту же аминокислоту различными вариантами триплетов) не привела к изменению аминокислоты в соответствующем белке. Это значит, что и на уровне фенотипа никаких изменений не произошло. Такие нейтральные замены относятся к классу нормальных аллелей или полиморфизмов, и они могут с высокими частотами встречаться в разных популяциях. Практически в каждом гене можно найти полиморфные аллели. Поэтому после идентификации у больного замены какого-то нуклеотида в гене, ответственном за определенное наследственное заболевание, на следующем этапе необходимо исследовать, насколько эта замена функциональна, встречается ли и как часто у здоровых членов семьи и в общей популяции. Ответы на эти вопросы позволяют оценить, относится ли эта замена к классу полиморфизмов или мутаций. Рассмотрим другую ситуацию. Произошла замена нуклеотида в кодирующей части гена, в результате которой образовался преждевременный стоп-кодон. Это нонсенс-мутация . Ее последствия сопоставимы с теми, которые происходят при мутациях со сдвигом рамки считывания – преждевременное прекращение синтеза белка и его деградация. В гене миодистрофии Дюшенна/Беккера нонсенс-мутации являются вторым по частоте после делеций типом генетических нарушений. Нонсенс-мутации и небольшие структурные перестройки, сопровождающиеся сдвигом рамки считывания являются основными молекулярно-генетическими нарушениями при синдроме Гурлера – мукополисахаридозе I типа, фукозидозе, аутосомно- рецессивных вариантах синдрома Альпорта (нефропатия в сочетании с дефектами служа), атрофическом буллѐзном эпидермолизе, синдроме Элерса-ДанлоVI и VIICтипов, надклапанном стенозе аорты, ахондрогенезе IB типа, аниридии (гипоплазия либо отсутствие радужки), брахидактилии С, а также при многих других заболеваниях. Однако наиболее широкое распространение имеют миссенс-мутации – такие замены нуклеотидов в кодирующей части гена, которые сопровождаются заменой соответствующей аминокислоты в белке. Миссенс- мутации часто обнаруживаются при различных наследственных ферментопатиях. Их последствия могут быть очень разными, и это зависит от нескольких обстоятельств. Прежде всего, где расположена подобная замена, и насколько функционально значим этот участок белка, произошло ли изменение заряда при изменении аминокислоты, относится эта замена к классу доминантных или рецессивных мутаций? Около 1000 различных миссенс-мутаций идентифицировано в гене муковисцидоза, хотя в европейских и северо-американских популяциях у больных чаще всего обнаруживается специфическая мутация – делеция трех нуклеотидов в 10-ом экзоне гена, сопровождающаяся отсутствием одной аминокислоты – фенилаланина – в 508 положении соответствующего белка (delF508). Мутации, подобные delF508, встречающиеся с высокими частотами в определенных популяциях или этнических группах, называются мажорными Проявление мутации зависит также от того, в каком участке гена произошло нарушение. Мутации, расположенные в регуляторных областях гена, как правило, приводят к количественным нарушениям на уровне белка, но при этом структура самого белка сохраняется нормальной. Поэтому последствия регуляторных мутаций могут быть менее драматичными по сравнению со структурными мутациями. Регуляторные полиморфные замены чаще оказываются ассоциированы не с моногенной, а с мультифакториальной патологией и рассматриваются в качестве генетических факторов риска, предрасполагающих к ее развитию. Примерами могут служить полиморфизмы в промоторных областях генов фибриногена и ингибитора активатора плазминогена, ассоциированные с определенными формами сердечно-сосудистой патологии. Широкое распространение имеют, так называемые, сплайсинговые мутации – мутации, расположенные в сайтах сплайсинга или в интронах с формированием новых сайтов сплайсинга. Такие мутации в зависимости от их локализации могут приводить либо к ошибочному вырезанию экзона, либо к невырезанию интрона. В первом случае в белке будет отсутствовать достаточно протяженный участок, кодируемый ошибочно вырезанным экзоном. Во втором случае при трансляции невырезанного экзона обязательно встретится стоп-кодон, так как интроны не составляют открытых рамок считывания, и последствия будут такими же, как при мутациях со сдвигом рамки считывания. Таким образом, сплайсинговые мутации чаще всего приводят к тяжелым патологическим состояниям, хотя могут встречаться и при относительно легких вариантах заболевания. Синдром Шейе – более мягкая по сравнению с синдромом Гурлера клиническая форма упоминавшегося выше мукополисахаридоза I типа – обусловлен преимущественно сплайсинговыми мутациями, присутствующими в том же гене, что и мутации с преждевременной терминацией синтеза белка, выявляемые у больных синдромом Гурлера. Нарушения сплайсинга являются частым типом мутаций при различных генетических вариантах множественной эпифизарной дисплазии, классических формах синдрома Элерса-Данло I и II типов и синдактилии II типа, синдроме Шварца- Джампеля – скелетной дисплазии, сочетающейся с миотонической миопатией и блефарофимозом, а также при ряде других наследственных заболеваний. Интересно отметить, что сплайсинговые мутации сгруппированы в определенном районе гене фибриллина, ответственного за синдром Марфана, и одна из них относится к числу немногих мутаций, встретившихся у нескольких неродственных больных. Упоминавшаяся выше мажорная мутация, являющаяся причиной развития диастрофической дисплазии более чем у 90% больных в Финляндии, также относится к разряду сплайсинговых. Ранее мы уже упоминали, что при аниридии частыми являются нонсенс-мутации, выявляемые у 50% больных, и небольшие делеции и инсерции, присутствующие в 30% случаев. У остальных больных обнаруживаются сплайсинговые мутации. К новому типу относятся динамические мутации – увеличение (или экспансия) выше допустимого предела числа повторов (чаще всего 3- нуклеотидных), расположенных в функционально значимых областях генов. Наследственные заболевания, обусловленные динамическими мутациями, получили название болезней экспансии . К ним относятся такие моногенные заболевания, как синдром Мартина-Белл (одна из наиболее частых форм олигофрении у мальчиков), миотоническая дистрофия, атаксия Фридрейха и целая серия спиномозжечковых атаксий, хорея Гентингтона, распространенная в Финляндии миоклонус-эпилепсия Унверихта-Лундборга и ряд других заболеваний, о которых более подробно мы будем говорить во второй части учебника. Теперь рассмотрим вопрос о том, почему одни мутации ведут себя, как доминантные, то есть их патологические последствия проявляются уже в гетерозиготном состоянии, тогда как другие относятся к классу рецессивных мутаций. В зависимости от характера нарушения функций кодируемого геном белка мутации делят на группы: (1) мутации, сопровождающиеся полной или частичной потерей функции белка; (2) мутации, эффект которых обусловлен снижением содержания нормального белка, то есть гаплонедостаточностью ; (3) мутации, приводящие к появлению у мутантного белка новой агрессивной патологической функции; (4) мутации, обладающие негативной функцией по отношению к нормальному продукту гена, то есть, такие мутации, при которых мутантный белок подавляет действие нормального. Очевидно, что патологический эффект мутаций первого типа будет проявляться только в гомозиготном состоянии, то есть это рецессивные мутации. Гаплонедостаточность может быть результатом как рецессивных, так и доминантных мутаций. Для фенотипического проявляются мутаций с доминантно-негативным эффектом, входящих в третью и четвертую группы, достаточно их присутствия в гетерозиготном состоянии. Такие мутации относятся к классу доминантных. Взаимоотношения между мутациями и их фенотипическими проявлениями, то есть признаками, достаточно сложные. Широко распространено в живой природе явление, которое получило название генетическая гетерогенность . Оно заключается в том, что мутации в разных генах могут приводить к сходным фенотипам. К такому характеру наследования могут привести разные причины. Чаще всего продукты подобных генов взаимодействуют между собой. Они могут быть (1) участниками единой метаболической цепи, (2) субединицами мультимерных белков, образующих надмолекулярные комплексы, а также (3) могут иметь взаимоперекрывающиеся функции. Клинических примеров генетической гетерогенности очень много. Первый тип взаимоотношений между первичными биохимическими дефектами характерен для различных генетических вариантов спастической параплегии, бокового амиотрофического склероза или полинейропатии Шарко-Мари-Тус. Клинически сходные наследственные коллагенопатии могут быть обусловлены мутациями в генах различных α-цепей, участвующих в образовании коллагена одного и того же типа. Это сходство обусловлено взаимодействием между субединицами мультимерных белков. И, наконец, примерами третьего типа взаимоотношений являются многочисленные клинически сходные генетические варианты краниосиностозов, обусловленные мутациями в генах различных рецепторов фибробластных факторов роста, функции которых в значительной степени перекрываются. С другой стороны разные мутации в одном и том же гене могут приводить к различным фенотипам, составляющим аллельные серии , что и определяет клинический полиморфизм . Существование аллельных серий чаще всего объясняется многофункциональностью белка, лежащего в основе первичного биохимического нарушения. Подобные белки в разных тканях организма могут осуществлять различные функции. Поэтому последствия мутаций, затрагивающих разные активности многофункциональных белков, могут в специфических тканях приводить к различным патологическим процессам. Таким образом, фенотипический полиморфизм аллельных серий объясняется не только тканеспецифическим характером экспрессии гена, но, главным образом, различиями в характере функций, выполняемых одним и тем же белком в разных тканях. Так, различные мутации в гене мажорного хрящевого коллагена могут приводить к 13 клинически различающимся вариантам хондродисплазий, в некоторых случаях сочетающихся с офтальмопатиями, и изолированных офтальмопатий. Разные мутации в гене рецептора 3 фибробластных факторов роста найдены у пациентов с ахондроплазией, гипохондроплазией, танатоформной дисплазией двух типов, платиспондилической летальной скелетной дисплазией, камптодактилией, сочетающаяся с высоким ростом и потерей слуха, а также у больных с четырьмя клиническими вариантами краниосиностозов. Не менее полифункциональным является структурный ядерной белок ламин A/C. Мутации в кодирующем этот белок гене приводят к широкому спектру заболеваний, получивших общее название ламинопатий. Среди них 12 аллельных заболеваний, включая клинически различающиеся варианты дилатационной кардиомиопатии, мышечной дистрофии, (конечностно- поясные и аутосомные миодистрофии с контрактурами Эмери-Дрейфуса), липодистрофии, полинейропатии, мандибулоакральной дисплазии и несколько прогерических синдромов. С формально-генетической точки зрения заболевания, входящие в одну аллельную серию, следует трактовать, не как самостоятельные нозологии, а как клинические вариации одной и той же нозологической формы. С другой стороны, заболевания, обусловленные мутациями в разных генах, являются разными даже в том случае, если их клиническая дифференцировка невозможна. Однако с практической точки зрения нам представляется удобным сохранение клинической классификации заболеваний с указанием их аллельной принадлежности. В некоторых случаях фенотипическое выражение специфической мутации может меняться в зависимости от внешних условий или средового фона . На проявление мутации могут также оказывать влияние состояния каких-то других генов, модифицирующих развитие признаков, так называемых генов-модификаторов . В этом случае говорят о роли генетического фона в формировании признака. Характер взаимодействия между аллелями разных генов существенно отражается на особенностях фенотипа. Наиболее известными типами межгенных взаимодействий являются комплементарность , эпистаз и полимерия . Комплементарность это такой тип взаимодействия между генами, который приводит к образованию нового признака, отсутствующего у родителей. При эпистатическом взаимодействии наблюдается подавление фенотипического проявления одного гена действием другого. При полимерии несколько генов участвуют в формировании одного признака, причем их эффекты примерно одинаковы. Роль полимерии особенно велика при формировании количественных признаков. И средовой, и генетический фон могут влиять как на проявление мутации, то есть ее пенетрантность , так и на степень выраженности признака, то есть его экспрессивность . Большой вклад в исследование этих явлений внесли работы отечественных генетиков, прежде всего Н. В. Тимофеева-Ресовского и Б. Л. Астаурова, а также многих других ученых. Неполная пенетрантность, при которой болезнь развивается лишь у части мутантных индивидуумов, характерна, в частности, для аутосомно- доминантного гипофосфатемического рахита, первичной легочной гипертензии,аритмогенной дисплазии правого желудочка, надклапанного стеноза аорты Эйзенберга и многих других наследственных заболеваний. Варьирующая экспрессивность проявляется различной тяжестью клинических симптомов заболевания. У части больных, принадлежащих одной семье, могут наблюдаться стертые и абортивные формы заболевания, которые могут быть обнаружены лишь с использованием специальных методов обследования, тогда как у других наблюдается развернутая картина заболевания. Например, различные мутации в гене коллагена 7 типа (COL7A1) приводят к девяти нозологически самостоятельным формам дистрофического буллѐзного эпидермолиза, значительно различающимся между собой по дебюту, тяжести течения, прогнозу, локализации патологических очагов, площади поражения, присутствию сопутствующих клинических проявлений в виде дистрофии ногтей и несовершенного дентиногенеза. Каких-либо закономерностей в характере мутаций в гене COL7A1, ассоциированных с различными клиническими вариантами дистрофического буллѐзного эпидермолиза, до сих пор не выявлено. Мутации одного и того же типа могут приводить к очень тяжелым сублетальным формам заболевания (Пасини или Барт-типа), более мягким локализованным вариантам (Коккейна–Турена, претибиальному или чешуйчатому буллѐзному эпидермолизу), самоизлечивающейся неонатальной форме преходящего буллѐзного дермолизиса. и даже к изолированной дистрофии ногтей на пальцах стоп без проявлений буллѐзного эпидермолиза. Более того, в некоторых случаях у больных с различными клиническими вариантами дистрофического буллѐзного эпидермолиза идентифицированы одинаковые мутации в гене COL7A1. Чрезвычайно вариабельны даже в пределах одной семьи клинические проявления полиморфной дистрофии роговицы глаза – редком аутосомно- доминантном заболевании, характеризующеися метаплазией и чрезмерно быстрым ростом эндотелия клеток роговичной оболочки – от тяжѐлых форм с прогредиентным течением, до бессимптомных вариантов. Варьирующая экспрессивность характерна для аутосомно-доминантной несиндромальной гиподантии/олигодантии и многих других наследственных заболеваний. Еще одним примером сложности взаимоотношений между геном и признаком является плейотропия , которая заключается в том, что мутация может приводить к развитию патологических процессов одновременно в нескольких системах, органах и тканях. Полисистемность поражения характерна для очень многих наследственных заболеваний. Какие именно органы и ткани вовлекаются в патологический процесс, зависит, в первую очередь, от характера экспрессии мутантного гена и тканеспецифических функций кодируемого им белка. Далеко не все, а только около 5% генов человека связаны с моногенными заболеваниями. Во-первых, функции некоторых генов настолько важны, что их нарушения в результате возникновения каких-то мутаций несовместимы с жизнью. Чаще всего, такие мутации приводят к ранней эмбриональной летальности. С другой стороны, последствия мутаций в некоторых генах могут быть компенсированы за счет продуктов других генов. Существует немало примеров дублирования определенных функций организма как на генном, так и на белковом уровнях. Для практических целей важно знать, как записываются мутации. Разработана универсальная, стандартная система, рассчитанная как на запись аминокислотных замен в белках, так и на нуклеотидные замены и перестановки в ДНК. В первом случае при миссенс-мутации каждой аминокислоте соответствует одно- или трехбуквенный символ – табл. 4. Слева записывается нормальный вариант аминокислоты, справа – мутантный. Номер в центре соответствует месту замены в полипептидной цепи. Например, запись P252R или Pro252Arg означает замену пролина на аргинин в 252 положении белка. Такая мутация в гене Fgf-рецептора 2 является причиной развития многих наследственных вариантов краниосиностозов, причем, как правило, она возникает de novo. Буквой Х обозначается остановка синтеза при нонсенс-мутациях. Например, R1226X или Arg1226X означает замену аргинина на стоп-сигнал в 1226 кодоне. Это мажорная мутация в гене коллагена 17 типа, идентифицированная у больных атрофическим буллѐзным эпидермолизом из Америки, Германии, Голландии и некоторых других стран. Делеции или инсерции обозначают символами del (или ∆) и ins соответственно с указанием нуклеотидов, если их не более двух, или в противном случае - их числа. Вспомним мажорную мутацию в гене муковисцидоза – delF508. Сплайсинговая мутация обозначается символом IVS. Например, сплайсинговая мутация IVS46+5 G-A в гене фибрилина 1, сопровождающаяся ошибочным вырезанием экзона 51, встретились у 9 неродственных больных синдромом Марфана. Это необычная ситуация, так как в гене фибриллина практически нет мажорных мутаций, и подавляющее большинство из 563 мутаций, представленных в базе данных, уникальны, то есть описаны только у одного больного или в одной семье. Полиморфизмы, связанные с равноценной по функциональной значимости заменой аминокислот, записывают через косую черту. Например, M/V470 означает метионин или валин в положении 470. Таблица 4 Обозначение аминокислот 3-буквенное обозначение Аминокислота 1-буквенное обозначение 3-буквенное обозначение Аминокислота 1-буквенное обозначение Ala Аланин A Leu Лейцин L Arg Аргинин R Lys Лизин K Asn Аспарагин N Met Метионин M Asp Аспарагиновая кислота D Phe Фенилаланин F Cys Цистеин C Pro Пролин P Gln Глутамин Q Ser Серин S Glu Глутаминовая кислота E Thr Треонин T Gly Глицин G Trp Триптофан W His Гистидин Y Tyr Тирозин Y Ile Изолейцин I Val Валин V |