Этиология и патогенез генных болезней

Генные болезни- это разнородная по клиническому проявлению группа заболеваний, обусловленных мутациями на генном уровне.

Основой для объединения их в одну группу являются этиологическая генетическая характеристика и соответственно закономерности наследования в семьях и популяциях. Поскольку мутации в индивидуальных генах - этиологический фактор генных болезней, то закономерности их наследования соответствуют менделевским правилам расщепления в потомстве, т.е. формальная генетика генных наследственных болезней ничем не отличается от «поведения» в семьях любых менделирующих признаков. Необходимо, однако, сразу сделать пояснения в отношении содержания понятий генных мутаций и менделирующей наследственности у человека.

Во-первых, согласно многочисленным исследованиям разных наследственных болезней и генома человека, в целом можно говорить о многообразии видов мутаций в одном и том же гене, которые являются причиной наследственных болезней. У человека описаны следующие виды генных мутаций, обусловливающие наследственные болезни: миссенс, нонсенс, сдвиг рамки считывания, делеции, вставки (инсерции), нарушения сплайсинга, увеличение числа (экспансия) тринуклеотидных повторов. Любой из этих видов мутаций может вести к наследственным болезням. Даже одна и та же генная болезнь может быть обусловлена разными мутациями.

Во-вторых, современная генетика, принимая в полной мере менделизм, делает некоторые «поправки»: условность понятий о доминантности и рецессивности, неоднородность проявления ал-

леля, унаследованного от отца или матери, - импринтинг, сложный характер взаимодействия генов, гонадный мозаицизм и т.д. Более того, установлено, что мутации в разных частях одного гена ведут к разным болезням. Например, мутации в разных частях гена «RET-онкоген» ведут к четырем клинически разным наследственным болезням: двум формам множественной эндокринной неоплазии (ZA) и (ZB), семейной медуллярной тиреоидной карциноме, семейной болезни Гиршпрунга.

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

Существует несколько уровней регуляции синтеза белков: претранскрипционный, транскрипционный, трансляционный. Можно предположить, 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 мономорфными. 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.).

В группу генных болезней входятаутосомные болезни (доминантные и рецессивные) и сцепленные с полом (доминантные и рецессивные).

При доминантных аутосомных заболеванияхпатологический ген находится в аутосоме и проявляет себя даже в гетерозиготном состоянии.

Особенности передачи доминантных аутосомных заболеваний следующие:

1. Лица мужского и женского пола поражаются в равной степени.

2. Передача патологического признака возможна от любого из родителей.

3. Частота индивидуального поражения среди потомков больного, как правило, составляет 50%.

4. Встречаются в каждом поколении (при условии 100% пенетрантности).

Аутосомно-доминантно наследуются: короткопалость, брахидактилия, многопалость, множественного полипоз кишечника, врожденный птоз век, ахондроплазия (рис. 5-4), врожденная куриная слепота (не поддающаяся лечению витамином А), болезнь Марфана (портрет Линкольна, арахнодактилия - паучьи пальцы, подвывих хрусталика и др.), хорея Гентингтона (проявляется в 35-40 лет, имеет 2 основных синдрома: хорея - гиперкинетические подергивания туловища, лица, шаркающая походка, симптом нарушения речи из-за подергивания языка и нёба; деменция - слабоумие) и др. Экспрессивность при хорее Гентингтона может варьировать от нистагма (толчкообразные движения глаз вертикально, в стороны, вращательно) до полной деменции (слабоумия), что свидетельствует о клиническом полиморфизме наследственных заболеваний.

Аутосомные рецессивныегенные болезни проявляются только в гомозиготном состоянии, патологический ген находится в аутосоме.

Особенности передачи рецессивных аутосомных заболеваний таковы:

1. Лица мужского и женского пола поражаются в равной степени.

2. Как правило, родители больного фенотипически здоровы, являются гетерозиготами, носителями патологического гена.

3. При этом риск рождения больного ребенка - 25%.

4. Если болен один из родителей, дети обычно здоровы.

5. Нередко родители больного ребенка являются родственниками (выше вероятность быть носителями одного и того же рецессивного гена).

Аутосомно-рецессивно наследуются энзимопатии - наследственные дефекты обмена углеводов (пример - галактоземия), липидов (пример - сфинголипидозы), аминокислот (примеры - фенилкетонурия, альбинизм); витаминов, эритроцитарных ферментов, дефекты биосинтеза гормонов, коллагеновые болезни. Аутосомно-рецессивно наследуется муковисцидоз - заболевание, характеризующееся образованием в железах густого секрета, который закупоривает железистые протоки, в результате формируются кисты. Выделяют легочную и кишечную форму муковисцидоза.

Например, в гене муковисцидоза описано свыше 900 вызывающих болезнь мутаций следующих типов: делеции, миссенс, нонсенс, сдвиг рамки считывания, нарушения сплайсинга. Более 400 патологических мутаций известно для гена фенилкетонурии (миссенс, нонсенс, делеции, нарушения сплайсинга). Аутосомно-рецессивно наследуется болезнь Вильсона-Коновалова (гепатоцеребральная дистрофия). При этом заболевании увеличивается накопление меди в печени, головном мозгу, роговице глаз, что приводит к развитию цирроза печени, артритов, катаракт, неврологических нарушений, гемолитической анемии. В крови при этом наблюдается гипокупремия.

Особенности передачи Х-сцепленных доминантных болезней:

1. Поражаются и мужчины, и женщины. Больных женщин в 2 раза больше, чем больных мужчин.

2. Все дочери больного отца будут больными, сыновья здоровы.

3. Если мать гомозиготна по данному признаку, то все потомство будет больным, если гетерозиготна - больными будут 50% детей (сыновей и дочерей).

4. В среднем гетерозиготные женщины болеют менее тяжело, чем гемизиготные мужчины.

Примеры заболеваний, которые наследуются Х-сцепленно доминантно: дефект зубной эмали, аномалия волосяных фолликулов (фолликулярный гиперкератоз, приводит к полной или частичной утрате ресниц, бровей, волос головы, тяжелые формы развиваются только у мужчин) и др. Х-сцепленно доминантно наследуется гипофосфатемический рахит - нарушается реабсорбция фосфатов канальцами почек; у мальчиков наблюдаются гипофосфатемия, карликовость, рахит, у девочек - только гипофосфатемия.

Особенности передачи Х-сцепленных рецессивных болезней:

1. Передача патологического гена происходит от отца дочери, все дочери больного отца - фенотипически здоровые носители.

2. Женщина-носитель передаст патологический ген детям с вероятностью 50%.

3. Больной мужчина может получить патологический ген только от матери.

4. Женщина-носитель может получить патологический ген как от матери, так и от отца.

5. Женщины болеют редко. Рождение больной дочери возможно только в случае брака гемизиготного отца и гетерозиготной матери, происходит гомозиготирование - заболевание протекает

тяжело, часть плодов абортируется, часть новорожденных погибает на первом году жизни.

6. У гомозиготной же больной матери будут больными только сыновья, дочери будут носителями (в случае отсутствия патологического гена у отца).

Примеры Х-сцепленных рецессивных болезней: гемофилия А, гемофилия В; дальтонизм, сцепленный с полом ихтиоз, агаммаглобулинемия - болезнь Бруттона, недостаток глюкозо- 6-фосфатдегидрогеназы (Г-6-ФДГ), синдром Леша-Нихана - редкая аномалия метаболизма пуринов, связанная с недостаточностью фермента гипоксантин-гуанин-фосфорибозилтрансферазы, характеризуется тяжелой гиперурикемией, неврологическими расстройствами, идиотией, неукротимым стремлением к самоповреждениям - откусыванию пальцевых фаланг, кончика языка. Х-сцепленно рецессивно наследуется болезнь Менкеса (болезнь «курчавых волос») - нарушение метаболизма меди, проявляется тяжелыми поражениями ЦНС.

Особенностями передачи Y-сцепленных признаковявляется то, что признак передается от отца всем мальчикам. На Y-хромосоме локализован ряд генов, детерминирующий развитие семенников, отвечающих за сперматогенез, контролирующий интенсивность роста тела, конечностей и зубов, определяющий оволосение ушной раковины. Естественно, патологические мутации, затрагивающие формирование семенников и сперматогенез, наследоваться не могут, потому что такие индивиды стерильны. В последнее время установлено, что на Y-хромосоме расположен ген SRY, ответственный за дифференцировку пола. При генотипе XY в случае нарушения гена SRY может развиться женский фенотип. Транслокация гена SRY на Х-хромосому может привести к рождению мужчины с кариотипом ХХ. Для полного развития мужского фенотипа достаточно наличия в геноме только гена SRY, а не целой Y-хромосомы.

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.

Первичные эффекты любых (ядерных и митохондриальных) мутантных аллелей могут проявляться в четырех вариантах: 1) количественно избыточном синтезе полипептидной цепи (белка); 2) синтезе аномальной по первичной структуре полипептидной цепи (белка); 3) отсутствии синтеза полипептидной цепи (белка); 4) количественно недостаточном 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.

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 перенагруженности эритроцитов гемоглобином и соответственно железом. Увеличивается свертываемость крови, развивается гемосидероз паренхиматозных органов.

При другом варианте патологического эффекта мутантного гена вырабатывается аномальный белок.За этим следуют функциональные нарушения в системе, работу которой в физиологических условиях обеспечивает белок с нормальной структурой. Нарушения эти первоначально развертываются на молекулярном уровне. Примером такого варианта патогенеза болезни может быть серповидно-клеточная анемия. Замена гидрофильной глутаминовой кислоты на гидрофобный валин в структуре глобина изменяет функциональные свойства гемоглобина (пониженная растворимость, повышенная полимеризация). Он не может выполнять кислородакцепторную функцию и кристаллизуется при недостатке кислорода. В результате эритроциты приобретают 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 в крови накапливается фенилаланин, поскольку из-за отсутствия фенилаланингидроксилазы печени он не

превращается в тирозин. Могут использоваться другие (обходные) пути обмена, часто также с патологическим исходом. В результате отсутствия первичного продукта гена может задерживаться какойлибо 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, атаксиятелеангиэктазия).

Четвертый вариант первичного патологического эффекта мутантного аллеля - это недостаточность выработки нормального первичного продукта.Примерами являются гипокаталаземия (низкий уровень каталазы в крови, сопровождающийся рецидивирующими инфекциями, изъязвлением десен и слизистой оболочки полости рта) и β-талассемия (дефицит синтеза β-цепей глобина, обусловливающий нестабильность молекулы гемоглобина, укорочение жизни эритроцитов и развитие гемолитической анемии).

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 врожденным порокам развития (полидактилия, синдромы Холт- Орама, Нунена, Лоуренса-Муна, Меккеля, Робертса). Начальное звено врожденного порока развития связано с нарушением дифференцировки 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 необходимая для дальнейшего правильного развития органа дифференцировка клеток не последует. 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 регулируе-

мой 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 принимает удар от первичного патологического эффекта гена на себя». Точкой приложения являются отдельные структуры клетки, различные при разных болезнях (лизосомы, пероксисомы, мембраны).

Патогенез на клеточном уровне развертывается при болезнях накопленияв связи с нарушением ферментативной активности в лизосомах. Так, накопление в клетках гликозоаминогликанов (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 лизосомах (рис. 5-5, см. цв. вклейку). Нарушение распада гликозоамингликанов связано с дефектами в группе специфических ферментов, осуществляющих весь цикл деградации.

Другим примером болезней накопления могут быть гликогенозы. В клетках печени, почек, мышц и др. накапливаются полимеры гликогена, которые не подвергаются деградации даже тогда, когда организму необходима глюкоза в крови. Например, при гликогенозе I типа наследственный дефект фермента глюкозо-6- фосфатазы приводит к накоплению гликогена в печени и почках, глюкоза в кровь не поступает.

Другие внутриклеточные структуры - пероксисомы- также могут являться точкой приложения первичного действия мутантного гена. В этих случаях развиваются так называемые пероксисомные болезни. К этой группе относятся синдром Цельвегера, ризомелическая точечная остеохондродисплазия, болезнь Рефсума, акаталазия и др.

Мембраныклеток 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 D-резистентного рахита (аутосомнодоминантное заболевание) обусловлена дефектом рецепторов 1,25-

дигидроксихолекальциферолла. Патологические мутации (табл. 5-2) в гене рецептора липопротеинов низкой плотности (ЛПНП) вызывают дефекты клеточного рецептора. Эффект любой мутации - нарушение гомеостаза липидного обмена.

Таблица 5-2.Эффекты мутаций в гене рецептора ЛПНП на генный продукт

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

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

Органный уровень патогенезанаследственных 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 экстрапирамидной системе мозга при гепато-лентикулярной дегенерации (болезнь Вильсона) является первичным процессом, а гемосидероз паренхиматозных органов при первичном гемохроматозе или талассемии развивается вторично вследствие усиленного распада эритроцитов. При алкаптонурии 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 оксидазы гомогентизиновой кислоты). Это медленно ведет (примерно к 40 годам) к порокам сердца и тугоподвижности суставов.

В организме в целомвзаимосвязь 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 (генымодификаторы) и условий среды. Патогенез любой наследственной болезни у разных индивидов, хотя и сходен по первичным механизмам и этапам, формируется строго индивидуально.