Коллаген, основной белок соединительной ткани, представляет собой фибриллярный белок, основная форма которого, так называемый тропоколлаген - самособирающаяся спираль, образованная тремя α-цепями (в настоящее время описано более 25 вариантов этой цепи). Известно более 19 форм или типов коллагена, отличающихся по первичной структуре полипептидных цепей, функциям и локализации. Наиболее распространенными являются первые три типа коллагена, составляющие до 95% всего коллагена организма. Типы коллагена принято обозначать римскими цифрами I, II, III, IV и т.д. Их гены записываются арабскими цифрами, например: COL1 (ген коллагена I типа); к этому символу приписывается буква А (обозначает α-цепь) и арабская цифра (обозначает вид α-цепи), например: COL1A1 и COL1A2 (α1- и α2-цепи коллагена I типа).
Хотя гены коллагенов всех типов имеются в каждой клетке всех тканей и органов, коллагены разных типов по-разному представлены в разных тканях, что отражает в них дифференциальную активность разных генов коллагена.
Это означает, что в одних тканях более активны одни гены коллагенов, а в других - другие. Так, коллаген I типа (гены COL1A1 и COL1A2) наиболее представлен в коже, сухожилиях, кости, роговице, плаценте, артериях, печени и дентине; коллаген II типа (ген COL2A1) - в хряще, межпозвонковых дисках, стекловидном теле и роговице; коллаген III типа (ген COL3A1) - в артериях, матке, коже плода и строме паренхиматозных органов; коллаген IV типа (гены COL4A1-COL4A6) - в базальных мембранах; коллаген V типа (гены COL5A1-COL5A3) - в коже, роговице, кости, хрящах, межпозвонковых дисках и плаценте; коллаген VI типа (гены COL6A1-COL6A3) - в хрящах, кровеносных сосудах, связках, коже, матке, легких и почках и т.д. Такая представленность разных форм коллагена и соответственно разная активность его генов во многом объясняют разнообразие клинических форм синдрома Элерса-Данло и причину генетической гетерогенности этого синдрома. По классификации Villefranche (1997) выделяют шесть основных типов синдрома:
Классический тип (EDS I и EDS II);
. гипермобильный тип (EDS III);
. сосудистый тип (EDS IV);
. кифосколиотический тип (EDS VI);
. артрохолазический тип (EDS VIIA и VIIB);
. дерматоспараксический тип (EDS VIIC).
При EDS I наиболее заметны изменения кожи и гипермобильность суставов, как крупных, так и мелких, нередко наблюдаются скелетные деформации и другие ортопедические изменения.
В 50% случаев бывают преждевременные роды. Разрывы аорты или кишечника редки. Для EDS II характерны те же признаки, что и для EDS I, но выраженные в меньшей степени.
Генетический анализ EDS I показал, что эта клиническая форма является генетически гетерогенной. Установлено, что EDS I может быть обусловлен мутациями в гене COL5A1, картированном на хромосоме 9q34, или в гене COL5A2, картированном на хромосоме 2q31. Вероятно, что мутации в других генах также могут обусловить проявления EDS I. Напомним, что коллаген V типа наиболее представлен в коже, роговице, кости, хрящах, межпозвонковых дисках и плаценте, и поэтому мутации в генах коллагена V типа объясняют основные клинические проявления EDS I.
Синдром EDS II обусловлен мутациями в тех же генах, что и при EDS I. Возможно, что более легкие клинические проявления при EDS II обусловлены вторым типом генетической гетерогенности - так называемой аллельной гетерогенностью. В данной ситуации разные мутации в одном и том же гене могут обусловить разные клинические проявления заболевания или даже возникновение клинически иного заболевания.
EDS IV называют сосудистым типом из-за нередко возникающих разрывов крупных артерий и кишечника. В то же время поражения кожи и суставов при этом типе синдрома менее выражены. В частности, гипермобильность может наблюдаться только для межфаланговых суставов. Кожа, хотя и не так растяжима, как при EDS I и II, но очень ранима, и при заживлении образуются типичные «папиросные» рубцы. Причиной EDS IV, как правило, являются мутации в гене COL3A1, который обнаруживает высокую активность в артериях, матке, коже плода и строме паренхиматозных органов, т.е. в этом случае, как и при EDS I и II, поражается та ткань или орган, где мутантный ген обнаруживает высокую активность.
Выделяют две формы синдрома Элерса-Данло VII типа - А и В. Клинически эти формы плохо различимы, и основная симптоматика касается суставов. У больных с данным типом синдрома часто наблюдаются двусторонний врожденный вывих бедра, подвывихи в других крупных суставах. В то же время изменения кожи выражены незначительно.
Причиной этих двух форм синдрома служат мутации в генах COL1A1 и COL1A2 соответственно. Мутации, вызывающие этот синдром, изменяют сайт в α1- и α2-цепях коллагена I типа, который расщепляется протеазой. В результате тип I проколлагена не может превратиться в коллаген. Наиболее драматичным эффектом действия этих двух генов являются изменения в хрящевых поверхностях суставов, но спектр клинических проявлений этого синдрома значительно шире и может включать паховую грыжу, умеренную гиперрастяжимость кожи, скелетные изменения, в частности сколиоз и деформацию грудной клетки, низкий рост и другие симптомы.
Проблемы межлокусной генетической гетерогенности можно рассмотреть и на примере несовершенного остеогенеза (НО), ряд форм которого, как и при синдроме Элерса-Данло, связаны с мутациями в генах коллагена.
Несовершенного остеогенеза I типа наследуется аутосомно-доминантно. Рост больных страдает незначительно. У взрослых возникает либо нейросенсорная, либо проводящая тугоухость, наблюдается пролапс митрального клапана. Переломы длинных трубчатых костей впервые возникают, когда ребенок начинает ходить, число их варьирует. После наступления половой зрелости частота переломов уменьшается, но затем вновь возрастает у пожилых. Кожа тонкая, легко ранимая. Склеры голубые. Мутации обнаруживаются обычно в гене α1-цепи коллагена I типа (COL1A1).
Несовершенного остеогенеза IIa типа также наследуется аутосомно-доминантно. Клинические его проявления значительно более тяжелые, чем I типа: наблюдаются водянка плода, многочисленные врожденные переломы, сердечная и легочная недостаточность, дети рождаются с низкой массой тела, рост резко снижен, склеры голубые, кожа тонкая, ранимая, нос клювовидный. Обычно дети с этим синдромом погибают до года. В то же время несовершенный остеогенез IIa типа может быть обусловлен мутациями в гене α1-цепи коллагена I типа (COL1A1), т.е. как и НО I типа. Однако стоит отметить, что при НО IIa типа нередко мутации находят в гене α2-цепи коллагена I типа.
Несовершенный остеогенез IV типа наследуется аутосомно-доминантно. По клиническим проявлениям это более легкая форма, чем предыдущая. Она характеризуется тем, что рост больных ниже 5 перцентилей, нередко развивается отосклероз и наблюдается тугоухость, число переломов варьирует, хотя они могут возникать и внутриутробно, после наступления половой зрелости их частота снижается, голубые склеры наблюдаются редко. Несовершенный дентиногенез характерен также не для всех больных. Мутации обнаруживаются в генах COL1A1 и COL1A2.
Итак, с генетической точки зрения все клинические формы НО можно расценивать как одну нозологическую форму, поскольку их причиной являются одни и те же мутантные гены. Ситуация с этими генами коллагена (COL1A1 и COL1A2) в действительности выглядит еще более сложной, если обратить внимание на то, что две формы синдрома Элерса-Данло VII типа - А и В - также обусловлены мутациями в генах COL1A1 и COL1A2. Природа генетической гетерогенности НО отлична от той, что продемонстрирована для синдрома Элерса-Данло. При НО разные мутации в одних и тех же генах дают разные клинические фенотипы (аллельная генетическая гетерогенность).
Рассмотрим еще несколько состояний, которые можно отнести к наследственным коллагенопатиям. Это позволит нам еще раз подтвердить положение о том, что патология проявляется в тех органах и тканях, где соответствующие гены проявляют высокую активность. Различают несколько форм синдрома Альпорта, прежде всего по типу наследования. Наиболее частой является Х-сцепленная рецессивная форма, следующая за ней по частоте - аутосомнодоминантная и наиболее редкая - рецессивная форма синдрома. Для Х-сцепленной формы, кроме проявлений наследственного нефрита (микроскопическая гематурия, протеинурия, цилиндрурия, лейкоцитурия), характерны также нейросенсорная тугоухость, иногда поражение глаз (лентиконус, сферофакия, врожденная катаракта), тромбоцитопения и аномалия Хегглина, ихтиоз, гипопаратиреоз, диффузный лейомиоматоз. Заболевание обусловлено мутациями в гене α5-цепи коллагена IV типа (COL4A5). Гены этого типа коллагена проявляются в базальной мембране почечных канальцев и с этой точки зрения другие плейотропные (множественные) эффекты мутантного гена не вполне понятны, в частности поражение органа слуха и глаз, а также ихтиоз.
Термин «плейотропные эффекты гена» был использован впервые. Следует напомнить, что различают два типа плейотропных эффектов гена. Один из них называется первичной плейотропией и обусловлен тем, что ген независимо действует в разных тканях. Поскольку в клетках этих тканей наборы активных генов могут быть разными, то и проявления исследуемого гена также могут быть разными, так как его продукты взаимодействуют с продуктами разных генов. Вторичная плейотропия объясняется патологическим процессом, который инициируется мутантным геном и представляет собой цепь взаимосвязанных патофизиологических событий. Плейотропия является, таким образом, одним из фундаментальных особенностей действия генов.
Рассмотренные ранее коллагенопатии, такие как синдром Элерса-Данло и НО, демонстрируют практически для каждой отдельной нозологической формы плейотропные проявления действия мутантных генов. В большинстве случаев плейотропное действие генов при этих двух наследственных заболеваниях может быть отнесено к первичной плейотропии, связанной с независимым проявлением генов в разных тканях, но деформации скелета, как и сами переломы длинных трубчатых костей, и даже тугоухость можно рассматривать как проявление вторичной плейотропии. Сходным образом в случае синдрома Альпорта поражение почек является первичным событием, а развивающаяся гематурия, протеинурия, гипертония и некоторые другие симптомы - проявлением вторичной плейотропии.
Для доминантной формы синдрома Альпорта также характерны нефрит, нефротический синдром, проявляющийся гематурией, гипофосфатемией, нефрокальцинозом, протеинурией и азотемией, и, как при Х-сцепленной форме, поражения органа слуха (нейросенсорная тугоухость) и глаз (лентиконус, передняя полярная катаракта, миопия). Доминантная форма синдрома обусловлена мутациями в гене α3-цепей коллагена IV типа. То, что в обеих формах синдрома кроме почек поражается и глаз, и ухо, однозначно свидетельствует об участии коллагена IV типа в поддержании структур этих органов. Рецессивная форма синдрома Альпорта также проявляется нефритом, симптомом которого является гематурия. Кроме того, у больных с этой формой наблюдается тугоухость. Рецессивный синдром Альпорта обусловлен гомозиготностью или компаунд-гетерозиготностью (напоминаем: это означает, что родители больного несут разные мутации в одном гене) по мутациям в генах α3- или α4-коллагена IV типа. Оба гена расположены в хромосоме 2q.
Еще одна форма наследственных коллагенопатий - это синдром Стиклера. Стиклер описал этот синдром, практикуя в клинике Мейо, на основе анализа большой родословной как аутосомно-доминантное состояние, включающее прогрессирующую миопию, которая начинается на первом десятилетии жизни и часто ведет к отслойке сетчатки и слепоте. У больных обнаруживаются также преждевременные дегенеративные изменения в суставах и ряд других клинических признаков. К ним, в частности, относятся марфаноподобный внешний вид, нейросен
Сорная тугоухость, лицевые аномалии, расщелина нёба. Скелетные аномалии при данном синдроме в целом можно характеризовать как умеренную спондилоэпифизарную дисплазию. Синдром Стиклера I типа обусловлен мутациями в α1-цепи коллагена II типа (COLIIA1). Во многих отношениях сходная клиническая картина найдена при синдроме Стиклера II типа, при котором мутации найдены в гене α1-цепи коллагена XI типа (COLXIA1).
Мутации в этом же гене являются также причиной синдрома Маршалла, который по ряду признаков сходен с синдромом Стиклера (в частности, по гипоплазии средней части лица, миопии, нейросенсорной тугоухости), однако по ряду признаков можно четко выделить самостоятельный синдром. К таким признакам относятся низкий рост, утолщение костей черепа, отсутствие фронтальных синусов, короткий нос, толстые губы, ряд скелетных деформаций. Синдром Стиклера III типа отличается от двух предыдущих форм синдрома отсутствием глазной симптоматики. Он обусловлен мутациями в гене α2 полипептидной цепи коллагена XI типа (COLXIA2).
Мы уже коснулись проблемы аллельной генетической гетерогенности, при которой мутации в одном гене могут приводить к проявлению настолько разных фенотипов, что они клинически выделяются в отдельные нозологические формы с характерной для них клиникой (синдром Элерса-Данло VII типа, НО и различные его формы).
Может быть, одним из самых ярких примеров аллельной генетической гетерогенности являются наследственные ламинопатии. Ламины представляют собой структурные белки, которые являются компонентами ядерной ламины, представляющей собой белковую сеть, которая выстилает внутреннюю оболочку ядра клетки. Эта оболочка определяет форму ядра и его размеры. Ламины относятся к классу промежуточных филаментов.
В клетках млекопитающих описаны три типа ламинов - А, В и С. Ген ламинов А/С (LMNA) картирован на хромосоме 1 (1q21.2). Его кодирующая часть занимает 24 тысяч пар нуклеотидов и состоит из 12 экзонов. Альтернативный сплайсинг в 10-м экзоне обусловливает образование двух типов мРНК, которые кодируют преламин А и ламин С. Ламины играют важную роль в поддержании взимодействия межу ядром и цитоскелетом клетки и, по-видимому, во многих других клеточных процессах, включая дифференцировку. Мутации в гене ламина А/С обусловливают возникновение разнообразной наследственной патологии (установлено, что они являются причиной, по крайней мере, десяти наследственных синдромов). Наследственные болезни, обусловленные мутациями в гене ламина А/С, могут быть классифицированы на четыре основных типа: болезни поперечнополосатой мускулатуры и сердечной мышцы, сидромы липодистрофий, периферические нейропатии и синдромы преждевременного старения. К первой группе относятся мышечная дистрофия Эмери-Дрейфуса, поясно-конечностная мышечная дистрофия типа 1В, врожденная мышечная дистрофия, дилатационная кардиомиопатия и синдромы наследственных дефектов сердечной проводимости.
Синдром липодистрофии включает частичную липодистрофию 2-го типа, при которой наблюдается региональная липодистрофия с прогрессирующей дегенерацией адипоцитов, резистентность к инсулину и сахарный диабет, признаки мышечной дистрофии. Мутации в гене ламина А/С в некоторых случаях обусловливают невральную амиотрофию (болезнь Шарко-Мари-Тута, тип 2В1). Синдромы преждевременного старения, обусловленные мутациями в гене ламина А/С, прежде всего представлены аутосомно-доминантным синдромом прогерии Гетчинсона-Гилфорда. Этот синдром проявляется рано в виде развития гипоплазии средней части лица, постнатальной задержкой роста, отсутствием подкожного жирового слоя, ранней ИБС, инфарктами миокарда и некоторыми другими признаками. Нередко мутации в этом гене находят и при синдроме Вернера, еще одном из синдромов прогерии, и при других прогероидных синдромах.
Мутации в гене ламина приводят также к возникновению рестриктивной дерматопатии, рецессивного летального синдрома, проявляющегося внутриутробной задержкой роста, пороками сердца, гипоплазией легких, кифосколиозом, контрактурами суставов, ригидной кожей и ее эрозиями, гипоплазией надпочечников, особенным лицом и рядом других клинических симптомов. Корреляционный анализ показал, что существует заметная связь между фенотипом и местом гена, где произошла мутация. Иными словами, если ген работает во многих тканях, то разные домены белка, который он кодирует, имеют в этих тканях разную функциональную значимость. Это заключение имеет отношение к объяснению природы аллельной генетической гетерогенности в целом.
Рассмотренные наследственные болезни представляют собой замечательный пример особенностей проявления генов, кодирующих структурные белки, которые заключаются в том, что гены характеризуются определенным местом и временем, когда они действуют. Что касается времени действия гена, то это важная характеристика действия мутантного гена, которая учитывается в медико-генетическом консультировании при расчете риска повторного возникновения или проявления возраст зависимого заболевания.
Самым серьезным препятствием при изучении сцепления является генетическая гетерогенность, связанная с тем фактом, что мутации в разных локусах приводят к одному фенотипу. Классические примеры генетической гетерогенности для низших организмов - прерывание автономного биохимического пути на любой из его стадий и потеря или нарушение гетеромультимерного белкового комплекса вследствие мутаций в структурном гене любой из его субъединиц. Несложно представить и другие возможные причины гетерогенности. Ими могут быть мутации регуляторных генов или посттрансляционные модификации. Хотя у низших организмов генетическая гетерогенность фенотипов является правилом, это не приводит к серьезным осложнениям, поскольку генетик всегда может поставить комплементационное скрещивание для проверки аллельности мутаций.
Феномен генетической гетерогенности у человека изучен в меньшей степени, однако нет оснований полагать, что в данном случае он более редок. К примеру, выяснилось, что наследственная метгемоглобинемия, которая ранее рассматривалась в клиническом отношении как однородная, может быть вызвана мутациями как альфа-, так и бета-цепей гемоглобина или даже мутациями NADH-дегидрогеназы. Эллиптоцитоз и болезнь Шарко-Мари-Туса оказались гетерогенными, поскольку в обоих случаях тесное сцепление, наблюдаемое в одних больших родословных, полностью отсутствовало в других. Сходная картина обнаружена и при изучении наследования маниакально-депрессивного психоза в большой родословной религиозной общины амишей, в которой было выявлено сцепление этого заболевания с одним из сегментов хромосомы Пр. В других больших родословных подобное сцепление не было обнаружено. По-видимому, пигментная ксеродерма и синдром Луи-Бар генетически гетерогенны, поскольку опыты in vitro на клеточных экстрактах выявили соответственно девять и пять групп комплементации. Некоторые браки дают возможность исследовать комплементацию и у человека. Так, семьи, в которых оба родителя страдают альбинизмом, а все их дети - здоровые, демонстрируют генетическую гетерогенность альбинизма, на что ранее указывали фенотипические различия и популяционная генетика. Сходные данные предполагают гетерогенную природу врожденной глухоты.
Гетерогенность - это настоящий кошмар для генетика, поскольку в разных семьях можно найти свидетельства как в пользу сцепления, так и против него. Даже небольшая степень гетерогенности может сказаться на стандартном лод-балле, приводя к отрицательным значениям, даже если маркер тесно сцеплен с одним из локусов, контролирующих признак.
Возможное разрешение затруднений, вызванных гетерогенностью, состоит в следующем.
1. Дифференциация клинических форм заболевания. Наилучший способ преодолеть генетическую гетерогенность - это выявить клинический признак, по которому различные генетические формы четко отличаются: исследование одного гетерогенного нарушения сводится тогда к изучению двух или более гомогенных нарушений. Так, к примеру, клинические фенотипы были использованы для выявления двух форм нейрофиброматоза, которые по данным недавних исследований картируются в различных локусах.
К сожалению, пока нет единого правила, позволяющего безошибочно дифференцировать различные формы генетического заболевания. Клиническая картина заболевания может значительно варьировать вследствие как минимум трех причин:
а) единичная мутация в единственном локусе может экспрессироваться различным образом под влиянием несцепленного генетического локуса, выполняющего роль модификатора окружающей среды или в силу простой случайности;
б) различные мутации в одном локусе могут нарушить одну и ту же биохимическую функцию, но по-разному или с разной степенью, как это имеет место в случае мышечной дистрофии Бекера, которая вызвана менее тяжелыми по своему проявлению аллелями гена мышечной дистрофии Дюшенна;
в) заболевание может быть вызвано мутациями в нескольких разных локусах.
Такие явления носят соответственно названия: эффект фона, аллельная гетерогенность, генетическая гетерогенность.
Другими словами, болезнь может быть клинически гетерогенна, даже если она не является гетерогенной генетически, обратное утверждение тоже верно. Для того чтобы рассматривать клинические различия как полезный генетический инструмент, необходимо показать сначала, что все члены данной семьи попадают в один фенотипический подкласс. К примеру, естественным кандидатом для анализа на дифференциацию генетической картины психического нарушения был бы признак восприимчивости к определенному лекарству. К сожалению, лишь немногие исследователи изучали склонность больных индивидов из одной семьи сходным образом реагировать на лекарства.
Дифференциация фенотипов - ключевой момент в медицинской генетике. Однако следует также полагаться на интуицию, ведь нельзя с уверенностью утверждать, что картина заболевания полностью ясна.
2. Изучение отдельной большой родословной. Другой подход, позволяющий избежать осложнений, вызванных генетической гетерогенностью, - это работа с отдельной родословной, достаточно большой для проведения анализа сцепления. К примеру, Гузелла проанализировал одну обширную родословную из Венесуэлы, в которой сегрегировала хорея Гентингтона. Хотя дальнейшие исследования сцепления показали, что люди, страдающие этой болезнью, составляют генетически гомогенную группу, этот факт все же нельзя было заранее предсказать. При исследовании большой родословной в религиозной общине амишей Эгланд продемонстрировал расщепление по наследуемой форме I маниакально-депрессивного психоза. Кроме того, обнаружено сцепление с ПДРФ-маркером на хромосоме Пр. Анализ нескольких других больших родословных не выявил сцепления с этим районом и доказал таким образом наличие гетерогенности.
В подходе, использующем большие родословные, существуют некоторые недостатки:
а) для большинства доминантных и почти для всех рецессивных заболеваний просто невозможно найти достаточно большой родословной;
б) попытка «расширить» родословную путем выявления как можно большего количества больных может на самом деле привнести гетерогенность в случаях широко распространенных мультификаториальных заболеваний, таких, как маниакально-депрессивный психоз, ишемическая болезнь сердца и др. При сборке таких родословных из большой смешанной популяции, каковой является население США, возникает вероятность того, что в разных частях одной и той же родословной будут сегрегировать аллели или локусы, ответственные за разные заболевания. С позиций анализа сцепления такая внутрисемейная гетерогенность еще хуже, чем гетерогенность межсемейная;
в) даже если подход, основанный на анализе больших родословных, увенчается успехом, сделанный вывод нельзя переносить на общую популяцию.
Чтобы выяснить, имеют ли полученные данные общее значение, необходимы дальнейшие интенсивные исследования на многих других семьях. Действительно, сцепление между маниакально-депрессивным психозом и маркерами на хромосоме lip, выявленное в большой родословной амишей, надо доказать на примере других родословных. Предположительно это может быть очень редкая форма МДП. Несмотря на эти ограничения, подход с использованием больших родословных может быть достаточно полезным, особенно для относительно редких заболеваний.
3. Изучение отдельного географического района. Аналогичный подход, позволяющий избежать эффекта генетической гетерогенности, заключается в проведении исследований в изолированной общине. Заболевания, которые в смешанной популяции, такой, как США, являются гетерогенными, в изолированной группе скорее всего будут обусловлены уникальной мутацией.
4. Симультанный скрининг генома с использованием малых семей. Доступность полной карты сцепления ПДРФ человеческого генома делает возможным выявить сцепление, даже если в изучаемой популяции сегрегирует более чем один локус. Этот недавно разработанный метод, известный как симультанный скрининг, подводит к естественному обобщению стандартного метода картирования сцепления.
После приготовления препаратов ДНК отобранных семей проводится анализ ПДРФ-маркеров, охватывающих весь геном. Если для всех семей один и тот же фрагмент генома окажется тесно сцепленным с исследуемым заболеванием, картирование на этом будет закончено. Если сцепление не будет обнаружено ни с одним из фрагментов генома, следует проверять все пары фрагментов с целью найти такую их пару А и В, для которой в каждой семье наблюдается тесное сцепление признака либо с фрагментом А, либо с фрагментом В. Если болезнь связана с мутациями в одном из двух локусов, то правильным образом выбранная пара будет обладать указанным свойством.
Для вычисления лод-баллов по любой из пар фрагментов А и В необходимо подсчитать: 1) вероятность появления заболевания для случая, когда оно обусловлено мутациями как по локусу из фрагмента А, так и по локусу из фрагмента В и 2) вероятность появления заболевания в случае, когда оба фрагмента А и В не сцеплены с заболеванием. Смысл состоит в том, что легче выявить пару участков, по которым идет расщепление во всех семьях, чем выделить единичный участок, объясняющий сегрегацию только в половине семей.
Важная проблема - это выбор удовлетворительного порога для принятия наличия сцепления. Так как рассматривается много различных гипотез, вероятность того, что a priori каждая данная гипотеза верна, уменьшается, поэтому обычный порог 3,0 должен быть увеличен в случаях, когда анализируют одновременно два интервала. Ландер и Ботштейн рассмотрели этот математический вопрос и подсчитали количество семей, необходимое для выявления сцепления с доминантным или рецессивным гетерогенным признаком для семей, различных по величине. Основная идея сделанного ими вывода: необходимо отбирать семьи с количеством больных в одном поколении не меньше трех, а в случае с доминантным признаком также и с одним больным родителем.
Метод симультанного скрининга может быть использован не только для поиска локусов, как в приведенном выше примере, но и для проверки ранее установленных другими методами локусов-кандидатов, с той лишь разницей, что для группы порог требуется меньший, чем для начального выявления единичного локуса. Для некоторых гетерогенных заболеваний сцепление с различными локусэми может быть первоначально установлено традиционным анализом на сцепление, проводимым в больших родословных. Чтобы решить вопрос о достаточности только этих локусов для объяснения ситуации с данным заболеванием, необходимо, используя метод симультанного скрининга, исследовать малые семьи для достижения суммарного лод-балла, равного 3,0.
Заметим, что, хотя генетическая гетерогенность может свести на нет усилия традиционного анализа сцепления, она не выявляется даже сегрегационным анализом: сколько бы разных локусов ни участвовало в проявлении рецессивного признака, в каждой семье ожидаемое менделевское расщепление равно 3:1.
С проблемой гетерогенности тесно связано явление фенокопий. О фенокопии говорят, когда негенетическая причина сказывается на проявлении фенотипа, характерного для наследственного заболевания. К примеру, гомозиготность по мутантному аллелю гена i-антитрипсина часто вызывает легочную эмфизему, но более частой причиной такого фенотипа в общей популяции является курение.
Фенокопии сказываются на анализе сцепления таким же образом, как и гетерогенность: наряду с семьями, в которых выявляется сцепление с маркером, обнаруживаются семьи, в которых расщепление затрагивает разные локусы. В случае независимости возникновения фенокопии в общей популяции можно повысить генетическую информативность семей, введя требование о большем количестве содержащихся в них больных индивидов. Так, генетическая этиология более вероятна для семьи, где пять близких родственников болеют раком молочной железы, нежели для семьи, где больных всего двое. Однако этот аргумент теряет значение, если фенокопии появляются в семейных кластерах, к примеру, вследствие сходных условий проживания. В этом случае необходимо попытаться собрать однородную выборку семей, в которых сегрегирует генетическая ферма этого заболевания, и анализировать ее на основе стратегии, описанной выше для генетической гетерогенности. Если предполагаются и генетическая гетерогенность, и фенокопии, симультанный скрининг может быть модифицирован с учетом коррекции на долю «несцепленных» семей.
В любом случае слишком большая доля фенокопии в выборке значительно затруднит всякую попытку найти сцепление.
Определенный аномальный фенотип может быть обусловлен не одним, а несколькими генотипами. Генетическая гетерогенность - распространенный и важный феномен. В клинике представление о генетической гетерогенности имеет существенное значение для диагностики, лечения и медицинского консультирования. Выяснение механизмов гетерогенности заболевания необходимо и для понимания возможных путей модификации генома человека. Гетерогенность устанавливают с помощью трех подходов - клинического, биохимического и генетического (табл. 305-1).
Клинические признаки. Без биохимических или генетических данных часто невозможно решить, определяются ли небольшие различия клинических проявлений какого-либо метаболического нарушения у разных лиц разными мутациями или одной и той же мутацией, но модифицированной под влиянием других генов и факторов окружающей среды. Однако сведения, полученные с помощью биохимических подходов, могут подкреплять клиническое впечатление о гетерогенности. Например, при ювенильной болезни Гоше начала заболевания следует ожидать в более раннем возрасте, а летального исхода - скорее, чем при взрослой форме болезни, так как в первом случае мутантная глюкоцереброзидаза обладает меньшей каталитической активностью, чем во втором (см. гл. 316). Понятно, что когда активность глюкоцереброзидазы составляет всего 3 % от нормы, содержание глюкоцереброзидов в тканях будет увеличиваться быстрее, чем если активность фермента составляет 15 % от нормы. Сходным образом причина отсутствия помутнения роговицы при болезни Гунтера и ее помутнение при фенотипически сходной болезни Гурлер почти наверняка заключается в различии ферментных нарушений при этих заболеваниях: недостаточность идуронатсульфатазы при болезни Гунтера и недостаточности a-L-идуронидазы при болезни Гурлер.
Таблица 305-1.- Критерии генетической гетерогенности
1. Клинические
Возраст начала
Специфические особенности
2. Биохимические
Компоненты крови, мочи и спинномозговой жидкости
Активность ферментов
Характеристика белков
Гибридизация ДНК-РНК или ДНК-ДНК
3. Генетические
Вероятность комплементации
Способ наследования
Проявления у гетерозигот
Анализ сцепления
Комплементация в смешанной культуре клеток или в гетерокарионах
Биохимические подходы. Чаще всего первым указанием на гетерогенность заболевания служат результаты химических и биохимических исследований. Эти исследования различаются по задачам и сложности: от идентификации отдельных соединений в крови, моче или спинномозговой жидкости до проведения молекулярной гибридизации. Можно привести примеры нарушений, гетерогенность которых показана с помощью каждого из четырех видов биохимических исследований, приведенных в табл. 305-1. Так, синдром кетозной гипергликемии, характеризующийся эпизодическим кетоацидозом, непереносимостью белка и гипергликемией, как свидетельствуют результаты химических анализов крови и мочи, оказался присущим нескольким нарушениям обмена органических кислот: a-метилацетоуксусной ацидемии, пропионовой ацидемии и метилмалоновой ацидемии. У больных из разных семей с врожденной несфероцитарной гемолитической анемией была определена недостаточность различных гликолитических ферментов в эритроцитах. Гетерогенность G M2 -ганглиозидозов оставалась неизвестной до тех пор, пока лизосомные гексозаминидазы не были разделены на изоферменты А и В и не удалось порознь определить их активность у больных с болезнями Тея-Сакса и Сандхоффа. Другой подход связан с непосредственным исследованием генов, а не их продуктов. Результаты экспериментов по молекулярной гибридизации ДНК и РНК доказали существование двух крупных видов b-талассемии: b°, которая характеризуется явным отсутствием мРНК b-глобина, и b + , для которой характерны, хотя и сниженные, но все же определенные уровни b-глобиновой мРНК. По мере увеличения количества доступных зондов к генам человека из все большего и большего числа локусов можно ожидать бурного использования метода гибридизации ДНК-ДНК как способа выявления гетерогенности. Эти методы уже продемонстрировали свою полезность для доказательства гетерогенности a- и b-талассемий, синдрома Леша-Найхана, фенилкетонурии и недостаточности орнитинтранскарбамилазы.
Генетические подходы. Для выявления гетерогенности важны и генетические методы (см. табл. 305-1). Одно из наиболее ранних и убедительных доказательств гетерогенности было получено при обследовании супружеской пары. Оба супруга страдали нервной глухотой, наследуемой по аутосомно-рецессивному типу. Ни один из их детей не страдал глухотой, что определенно свидетельствует о различии и, по-видимому, неаллельности тех мутаций, которые вызывали глухоту у родителей. В ряде случаев о гетерогенности свидетельствовал разный способ наследования фенотипически сходных (или идентичных) нарушений. Например, болезни Гунтера и Гурлер были разделены на том основании, что первая наследовалась как сцепленный с Х-хромосомой признак, а вторая - как аутосомный рецессивный. Подобно этому в настоящее время известны по крайней мере три формы спастической диплегии: одна наследуется как аутосомный доминантный, вторая - как аутосомный рецессивный, а третья - как сцепленный с Х-хромосомой признак. В нескольких случаях гетерогенность была впервые установлена по рецессивному фенотипу у облигатных гетерозигот. Например, о гетерогенности цистинурии свидетельствовал тот факт, что все облигатные гетерозиготы, члены одной семьи, экскретировали увеличенное количество цистина и лизина, тогда как анализ мочи облигатных гетерозигот, членов других семей, не обнаруживал отклонений от нормы. Четвертым генетическим способом обнаружения гетерогенности служит анализ сцепления. Эти исследования позволили разделить наследственный эллиптоцитоз на две формы, одна из которых тесно сцеплена с Rh-локусом группы крови, а другая - не сцеплена. Наконец, гетерогенность устанавливают с помощью комплементационного анализа. Общая стратегия этих исследований проста. Фибробласты двух больных культивируют в одной и той же емкости или объединяют в гетерокарионы. Если аномальный фенотип, свойственный обеим клеточным линиям, сохраняется в культуре, то считается, что у того и другого больного дефект идентичен. Если же в смешанной культуре происходит коррекция, то дефекты в исходных линиях должны быть разными. Этот подход был использован для выявления гетерогенности широкого спектра нарушений, включая мукополисахаридозы, См2-ганглиозидозы, метилмалоновые ацидемии, пропионовые ацидемии, пигмент^ ную ксеродерму и экскрецию увеличенного количества кетокислот с разветвленной цепью. Теоретически положительные результаты комплементационных тестов могли бы обусловливаться любым из двух механизмов: межгенной комплементацией, в которой участвуют два разных локуса, или межаллельной комплементацией, при которой две разные мутации в одном и том же локусе оказываются взаимно корригирующими. В большинстве случаев при положительном тесте на комплементацию имеет место, вероятно, межгенный механизм.
Компаунд-гетерозиготы. Некоторые лица с этим метаболическим нарушением представляют собой компаунд-гетеро-, а не истинные гомозиготы. Компаунд-гетерозиготами называют лиц, получивших разные, а не идентичные мутантные аллели определенного локуса от каждого родителя. Первыми идентифицированными компаунд-гетерозиготами были лица с болезнью гемоглобина SC. Они наследуют ген гемоглобина S от одного из родителей и ген гемоглобина С от другого. Эти больные обладают двойной дозой мутации по синтезу b-глобиновой цепи, и поэтому у них не образуются нормальные b-цепи. Клинически и химически они отличаются от истинных SS- или СС-гомозигот. Компаунд-гетерозиготы выявлены также среди больных с цистинурией, иминоглицинурией, недостаточностью галактозо-1-фосфатуридилтрансферазы, L-идуронидазы, метилмалонил-КоА-мутазы и цистатионинсинтетазы. У некоторых, но не у всех компаунд-гетерозигот тяжесть состояния не уступает таковой у истинных гомозигот, что зависит от природы наследуемых мутантных аллелей.
Генетическая гетерогенность – устойчивое изменение генетического состава популяции, возникающее в результате естественного отбора -направляющего фактора эволюции. Генетическая гетерогенность связана с возникновением мутаций и комбинированием наследственных факторов родителей при скрещивании. Наследственная гетерогенность является характерным свойством популяции и первой важнейшей предпосылкой действия естественного отбора.
Методом электрофореза исследовано у 126 рачков Euphausia superba 36 локусов кодирующих некоторые ферменты. Выявлено: - отсутствие изменчивости = у 15 локусов - 3 -4 аллеля – у 21 локуса. В целом 58% локусов – гетерозиготны и имели по 2 аллеля и более. Каждая особь имела приблизительно 5, 8% гетерозиготных локусов. Средний уровень гетерозиготности. Растения – 17% Беспозвоночные – 13, 4% Позвоночные – 6, 6% Человек – 6, 7%
Наследственный полиморфизм – это наличие в популяции нескольких равновесно сосуществующих генотипов в концентрации, превышающей по наиболее редкой форме 1%. Его основа - генные мутации и комбинативная изменчивость. Он поддерживается естественным отбором.
По эволюционной значимости различают: - адаптационный или переходный наследственный полиморфизм. В различных закономерно изменяющихся условиях жизни отбор благоприятствует разным генотипам. Например, Двухточечные божьи коровки хорошо размножаются в виде черных форм, которые в вбольшинстве уходят на зимовку, однако к весне сохраняются красные формы, холодоусточивые, в отличие от чёрных.
балансированный или гетерозиготный наследственный полиморфизм. Отбираются не гомозиготы по доминантному или рецессивному аллелю, а гетерозиготы. - Например, в опытах с Drosophila Melanogaster получили рецессивных гомозигот с черным телом. Добились повышения их количества в популяции, но через несколько поколений их количество уменьшилось до 10%. Они – менее жизнеспособны, чем «дикие» серые гетерозиготы. -
Биологическое значение генетического полиморфизма 1. Разнообразная в отношении генетического материала популяция может осваивать новые экологические ниши. 2. В генофонде накапливается «резерв наследственной изменчивости» , который может реализоваться в изменяющихся условиях среды.
Генетический полиморфизм человеческих популяций 1. В разных климатических поясах проживают люди с разным цветом кожи, волос, глаз. 2. Известно более 200 вариантов Hb. Высокая частота в некоторых районах планеты аллелей. C, S, D, E – пример балансированного генетического полиморфизма. Hb. C-Западная Африка, Hb. D- Индия, Hb. E-Юго. Восточная Азия, Hb. S-тропическая Африка. 3. > 70 вариантов фермента глюкозо – 6 – фосфат- дегидрогеназы (он участвует в гликолизе С 6 H 12 О 6 в эритроцитах). 4. Не менее 30% генов, контролирующих синтез ферментов, имеют несколько аллелей.
Все многообразие белков, которые отражают разнообразие аллелей в генофонде людей, можно разделить на 2 группы: 1. варианты, частота которых менее 1% повсеместно (причина – генные мутации). Это, например, варианты мутаций гемоглобина, приводящие к так называемым талассемиям. 2. варианты, встречающиеся часто в отдельных популяциях (такие вариатнты показывают зависимость от возбудителей болезней): - Африка – Hbs, Hbc, Hb. E, Hb. D. (очаги малярии гетерозиготы типа Hb. AHbs болеют малярией в 13 раз реже, чем люди с нормальным генотипом – пример балансированного полиморфизма). - Азия – понижение част. встречаемости J° и повышение JB , т. к. J 0 J 0 - let от чумы. Австралия, Полинезия – чумы не было – повышение J 0 J 0.
1. Частота заболеваемости оспой, тяжесть течения и let выше у людей JAJA(II гр) и JAJB(IV гр), чем у J 0 J 0(I гр) и JB JB (III гр). 2. Для людей с группой крови Jo. Jo вероятность заболеть раком желудка, ревматизмом и желчно-каменной болезнью на 20% ниже, чем с группой крови JAJA. 3. Трудно лечится туберкулез у людей с группой J 0 J 0 (I гр), чем с JAJ? (II). 4. У североамериканских индейцев преобладает 1 гр. кр. , т. к. индейцы с др. гр. кр. гибли от сифилиса, который завезли европейцы.
Генетический груз в человеческих популяциях. Это – количество неблагоприятных аллелей в генотипе каждого человека. Оно эквивалентно, действию 3 -5 рецессивных аллелей летальных в гомозиготном состоянии. Имеются следующие статистические данные: - приблизительно 15% зачатых организмов погибает до рождения. - приблизительно 3% при рождении. - приблизительно 2% в раннем постнатальном периоде. - приблизительно 3% не доживают до репродуктивного периода. - 20% людей не вступают в брак. - 10% браков бездетны.
Влияние на эволюцию человека продуктов питания. 1. Наличие в геноме гена лактазы и мутация в его регуляторной части позволили людям питаться молоком. В настоящее время 70% взрослых европейцев усваивают молоко, тогда как в некоторых районах Африки и Азии – только 30%.
