Трьом групам американських учених, незалежно одна від одної, вдалося вперше встановити зв'язок між мутаціями у певних генах та ймовірністю розвитку у дитини розладів аутистичного спектру, повідомляє The New York Times. Крім того, дослідники знайшли наукове підтвердженняраніше виявленої прямої залежності між віком батьків, особливо батьків, та ризиком розвитку аутизму у потомства.
Всі три групи зосередилися на групі генетичних мутацій, що рідко зустрічається, названої "de novo". Ці мутації не успадковуються, а творяться у процесі зачаття. Як генетичний матеріал були взяті зразки крові членів сімей, в яких батьки не були аутистами, а у дітей розвинулися різні розладиаутистичного спектру.
Перша група вчених під керівництвом Метью Стейта (Matthew W. State), професора генетики та дитячої психіатрії з Йельського університету, чия робота опублікована 4 квітня в журналі Nature, проаналізувала наявність мутацій "de novo" у 200 осіб з діагнозом "аутизм" , брати та сестри не були аутистами. У результаті було виявлено дві дитини з однаковою мутацією в тому самому гені, при цьому їх не пов'язувало більше нічого, крім діагнозу.
"Це як за грі дартсдвічі потрапити дротиком в ту саму точку на мішені. Імовірність того, що виявлена мутація пов'язана з аутизмом – 99,9999 відсотків”, – цитує видання професора Стейта.
Команда під керівництвом Івена Ейхлера (Evan E. Eichler), професора генетики з університету штату Вашингтон, досліджуючи зразки крові 209 сімей, у яких є діти-аутисти, виявила таку ж мутацію у тому самому гені в однієї дитини. Крім того, було виявлено двох дітей-аутистів з різних сімей, у яких виявилися ідентичні між собою мутації "de novo", але в інших генах Таких збігів у випробуваних - не аутистів не було помічено.
Третя група дослідників, яку очолював професор Марк Делі (Mark J. Daly) з Гарвардського університету, виявила у дітей-аутистів кілька випадків мутацій типу "de novo" у тих же трьох генах. Хоча б одна мутація такого типу є в генотипі будь-якої людини, але, вважає Делі, у аутистів, в середньому, їх значно більше.
Усі три групи дослідників також підтвердили і раніше помічений зв'язок між віком батьків та аутизмом у дитини. Чим старші батьки, насамперед батько, тим вищий ризик появи мутацій "de novo". Проаналізувавши 51 мутацію, команда під керівництвом професора Ейхлера з'ясувала, що в чоловічій ДНК такого роду ушкодження зустрічаються вчетверо частіше, ніж у жіночій. І тим частіше, якщо вік чоловіка перевищує 35 років. Таким чином, припускають вчені, саме пошкоджений батьківський генетичний матеріал, що отримується потомством при зачатті, є джерелом тих мутацій, які спричиняють розвиток аутистичних розладів.
Вчені згодні в тому, що пошук шляхів запобігання такому розвитку подій буде тривалим, дослідження генетичної природи аутизму тільки починається. Зокрема, команди Ейхлера та Делі знайшли свідчення того, що гени, в яких виявлено мутації "de novo", задіяні в одних і тих самих біологічних процесах. "Але це лише верхівка верхівки айсберга, – вважає професор Ейхлер. – Головне, що всі ми зійшлися на тому, з чого треба почати".
у F2. Особи з домінантною ознакою можуть бути як гомозиготними (АА),
так і гетерозиготними (Аа) носіями домінантного алелю. Для того, щоб це з'ясувати, необхідно провести аналізуючий схрещування такої особини з рецесивною гомозиготою. Якщо досліджувана особина є домінантною гомозиготою, всі нащадки від цього схрещування матимуть домінантна ознакаі при цьому будуть гетерозиготами (Аа). У другому випадку в потомстві з рівною ймовірністю будуть спостерігатися особи як з домінантною (Аа), так і з рецесивною (аа) ознакою.
Ми вже говорили, що методи гібридологічного аналізу для людини не застосовуються. Визначення типу спадкування може проводитись тільки на основі аналізу родоводів. У деяких випадках аутосомно-
домінантне захворювання присутнє в одного з батьків хворого. При цьому незалежно від статі ймовірність прояву ознаки у потомстві гетерозиготного носія домінантної мутації становить 50%, а
гомозиготного – 100%. Але найчастіше (до 90% випадків) домінантні захворювання є результатом мутації de novo. І тут вони виглядають як спорадичні захворювання.
При аутосомно-рецесивному типі спадкування ознака у гібридів першого покоління буде відсутня, однак у F2 ймовірність народження особин з рецесивною ознакоюскладе 25% незалежно від їхньої статі.
Під час проведення аналізуючого схрещування рецесивний ознака, як і домінантний, спостерігатиметься в половини нащадків. Особи з рецесивною ознакою є гомозиготними носіями рецесивного алелю (аа). Найчастіше вони з'являються в нащадках гетерозиготних батьків, які самі не мають рецесивної ознаки, але є гетерозиготними носіями мутації. Таких батьків називають
облігатними гетерозиготами. Імовірність народження хворої дитини у облігатних гетерозигот за законом Менделя становить 25%. Якщо йдетьсяпро аутосомно-рецесивне захворювання, то батьки хворої дитини, як правило, здорові, але вони можуть мати кількох хворих дітей. Діти з
аутосомно-рецесивним захворюванням часто народжуються у родинних шлюбах, причому ймовірність народження хворої дитини зростає зі збільшенням ступеня спорідненості батьків. Аутосомно-рецесивні мутації можуть накопичуватися в популяції, так як гетерозиготні носії не схильні до тиску відбору. Якщо батьки хворої дитини не перебувають у спорідненості, то найчастіше вони несуть різні мутації в тому самому гені, а
їх хворі діти успадковують кожну з цих мутацій, тобто є
компаунд-гетерозиготами. Аутосомно-рецесивний тип успадкування є характерним для більшості спадкових ферментопатій.
Особливості успадкування ознак, що визначаються генами,
локалізованими в статевих хромосомах, пояснюються тим, що Y-
Хромосоми генів небагато і практично немає гомологів генів X-хромосоми.
В результаті рецесивні алелі більшості генів X-хромосоми виявляються в особин чоловічої статі. Такий стан рецесивного алелю,
коли в нього відсутній гомолог – (а/-), називається гемізиготним.
Зауважимо, що цей термін відноситься не тільки до генів, локалізованих у статевих хромосомах, а й до аутосомних генів у тих випадках, коли область локалізації цього гена в одній із гомологічних хромосом делетована, тобто відсутня.
При Х-зчепленому наслідуванні будуть спостерігатися фенотипічні відмінності у потомстві залежно від напрямку схрещування, тобто залежно від присутності в батьківському поколінні ознаки матері або батька. Якщо ознака домінантна і присутня у гомозиготної матері,
то у F1 всі особини незалежно від статі матимуть цю ознаку, а у F2 спостерігатиметься розщеплення 3:1, при цьому ознака буде відсутня тільки у половини особин чоловічої статі. У потомстві гетерозиготної матері ймовірність народження особин з домінантною ознакою становитиме 50%
незалежно від статі. Якщо ж домінантна ознака у батьківському поколінні буде у батька, то в першому поколінні ця ознака буде
бути тільки у дочок, а в другому – як у дочок, так і у синів із ймовірністю 50%.
При рецесивному зчепленому зі статтю типі спадкування ознака найчастіше виявлятиметься у особин чоловічого типу, і спостерігатиметься передача ознаки від «діда» до «онука». Ніколи не спостерігатиметься передача захворювання від батька до сина, оскільки син не успадковує Х-хромосому батька, вона завжди материнського походження. У більшості випадків особини чоловічої статі з рецесивною зчепленою зі статтю ознакою з ймовірністю 50% з'являтимуться в потомстві гетерозиготних матерів, які не мають цієї ознаки. Всі нащадки першого покоління у батька з рецесивною ознакою не матимуть цієї ознаки, проте половина його дочок нестимуть мутацію в гетерозиготному стані, і ймовірність народження у них особин чоловічої статі з рецесивною ознакою, як ми вже говорили раніше, становитиме 50%. Тип успадкування ознак, що визначаються генами Y-хромосоми, називається голандричним і для нього характерна
передача ознаки від батька сину.
В останні десятиліття накопичилося багато фактів, що свідчать
про наявність великої кількостівідхилень від менделєєвських типів
успадкування. До неменделюючих захворювань із нетрадиційним типом
успадкування, відносяться мітохондріальні хвороби, однобатьківські дисомії та хвороби геномного імпринтингу, а також хвороби експансії,
обумовлені присутністю динамічних мутацій. Мітохондріальний чи цитоплазматичний тип успадкування називають материнським.
Чоловічі статеві клітини, хоч і містять дуже невелику кількість мітохондрій, що забезпечують їхню рухливість, але не передають їхньому потомству. Тому всі мітохондрії плода, незалежно від його статі, мають
хлопчикам, так і дівчаткам. Надалі ми докладніше обговоримо всі типи успадкування з прикладу різних хвороб людини.
Наголосимо ще раз, що розглянуті вище закономірності спадкування справедливі для моногенних ознак. У каталозі генів людини та генетичних хвороб, який протягом кількох останніх десятиліть складався за безпосередньої участі та під керівництвом видатного медичного генетика сучасності Віктора А. МакКьюзіка (McKusick V.A. http://www.ncbi.nlm.nih.gov (OMIM/), представлено опис понад 16000 генів, відповідальних за фенотипові моногенні ознаки. Приблизно для 11000 їх встановлено тип успадкування, картовано понад 8000 генів людини. Біля
4500 генів пов'язані з різними моногенними захворюваннями. Приблизно для 4000 моногенних хвороб встановлено тип спадкування. Кількість аутосомних захворювань перевищує 3500, причому кількість домінантних і рецесивних захворюваньприблизно однаково, хоча домінантних все-таки дещо більше. Більше 300 хвороб успадковується за Х-зчепленим типом,
всього кілька (не більше 10) - по Y-зчепленому і трохи більше 20
захворювань зумовлені мутаціями у мітохондріальних генах.
У деяких випадках жоден з батьків не є носієм мутації, що є у їхньої дитини. Ми вже писали про те, що мутації у певному гені можуть виникнути de novo у період гаметогенезу в одній із статевих клітин батьків. Деякі аутосомно-домінантні захворювання цілком зумовлені мутаціями, що виникли de novo. До них належить ахондроплазія, при якій у більшості хворих виявляється специфічна мутація в гені рецептора 3 фібробластних факторів росту (Fgf). Практично у всіх випадках виникають de novo
заміни однієї з гомологічних амінокислот (проліну) у генах трьох Fgf-
рецепторів, що ідентифікуються у хворих з різними спадковими формами краніосиностозів (неправильним заростанням швів черепа у
дитини). Частоти виникнення цих мутацій на три порядки перевищують норму. Місця виникнення цих специфічних мутацій належать до найбільш мутабільних в геномі людини або, як кажуть, є
«гарячими точками» мутагенезу , причому причини цієї високоспецифічної нестабільності досі невідомі.
Підвищено частоти виникнення мутацій у генах міодистрофії Дюшенна та гемофілії А. Майже у 40-45% хворих із цими Х-зчепленими захворюваннями присутні мутації de novo. При медико-генетичному консультуванні таких хворих дуже важливо визначити, чи успадкував хворий мутацію від своєї гетерозиготної матері, чи вона виникла de novo.
У першому випадку в такій сім'ї при повторних вагітностейнеобхідно проводити певні профілактичні заходи, спрямовані на запобігання народженню хворої дитини. У другому випадку ризик повторного народження хворої дитини в цій сім'ї не перевищує загальнопопуляційного значення, і ця сім'я не потребує профілактичних заходів. Надалі ми обговоримо цю ситуацію докладніше.
У генетичному контролі переважної більшості ознак організму може брати участь більше одного гена. У цьому випадку говорять про
полігенне успадкування. Іноді кількість цих генів може досягати десятків чи навіть сотень. Полігенне наслідування характерне, зокрема,
для кількісних ознак, показники яких можна виміряти, таких як зростання, вага, тривалість життя, багато продуктивних властивостей сільськогосподарських рослин і тварин. Мінливість щодо фенотипічних проявів таких ознак у популяціях відповідає нормальному розподілу- Мал. 12.
Рисунок 12. Приклад нормального розподілу
До класу полігенно успадкованих ознак належать багато поширених хвороб людини - атеросклероз, гіпертензія, цукровий діабет, виразкова хвороба, бронхіальна астмата багато інших мультифакторіальних захворювань. Для вивчення успадкування кількісних та інших полігенних ознак використовують статистичні методи, розроблені першій половині минулого століття Фішером.
Розділ 1.6. Генетика популяцій
Кожен вид організмів характеризується певним рівнем генотипічної мінливості, характер якої різний у різних популяціях. Вивчення генетичного розмаїття популяцій та закономірностей його підтримки є предметом популяційної
генетики. Фундаментом у розвиток цього напряму генетики послужила робота З. З. Четверикова «Про деякі моменти еволюційного процесу з погляду сучасної генетики», що вийшла 1926 року. У ній вперше обговорюються питання підтримки мутацій у природних популяціях,
впливу на цей процес відбору та ізоляції, а також їх значення в еволюції.
У великих популяціях, в яких немає переваги в освіті подружніх пар за спорідненими, національними, релігійними, соціальними або іншими ознаками (такі популяції називаються панміктичними від слова панміксія - випадкове схрещування) співвідношення між частотами алелів і генотипів відповідає закону Харді-Вайнберга вченими у 1908 році. Для моногенних ознак він звучить таким чином: якщо частоти аллелейА іа рівні p і q, тоді частоти гомозигота іаа будуть рівні p2 і q2, а гетерозигота - 2pq
відповідно.
При відборі, спрямованому проти певного генотипного класу, мутаціях або інбридингу, який виникає при близьких родинних шлюбах і в невеликих географічно ізольованих популяціях, так званих генетичних ізолятах, ці співвідношення
порушуються. До генетичної ізольованості можуть призводити як географічні, а й національні, соціальні, релігійні та інші бар'єри. Мутації, що виникають у членів ізольованих замкнутих угруповань, отримують більше широке поширенняу генетичних ізолятах. Це явище називається ефектом засновника. Зміна частот алелів у ряді поколінь може статися через випадкову вибірку особин, що дали початок популяції або її частині. Таке явище називається дрейфом генів. Ефект засновника є однією із форм дрейфу генів. Міграції особин також можуть супроводжуватись дрейфом генів.
Інбридинг сприяє поширенню генетичних ізолятах специфічних мутацій, асоційованих з рідкісними спадковими захворюваннями. Частоти деяких мутацій у таких популяціях можуть зростати порівняно з загальним рівнему кілька, а іноді й у кілька десятків разів. Класичним прикладом, що ілюструє ці положення, є етнічна група євреїв східноєвропейського походження, так звані євреї-ашкеназі. У цій групі в десятки разів підвищено частоту таких рідкісних лізосомних захворювань, як хвороба Гоше,
Тея-Сакса ( амавротична ідіотія), Німана-Піка, муколіпідоз, з
високими частотами зустрічаються торсіонна дистонія, синдром Блума
(одна з генетичних форм нанізму, що поєднується з підвищеною чутливістю до сонячного опромінення, телеангіектазією, порушенням пігментації шкіри та схильністю до злоякісних новоутворень). Причому підвищення частот цих захворювань зазвичай відбувається за рахунок широкого поширення специфічних мутацій у відповідних генах. Ще одним прикладом є аутосомно-домінантна форма хвороби Паркінсона, обумовлена мутаціями в гені лейцинбогатої кінази 2-LRRK2. У європейських хворих із сімейними формами захворювання з частотою 6% зустрічається специфічна мутація в гені LRRK2 (G2019S), у той час як у таких самих хворих, але євреїв-ашкеназі, частота цієї мутації досягає 30-40%.
Широке поширення у цій етнічній групімають певні поліморфні мутації у двох генах, асоційованих з раком молочної залози та яєчників. Навіть таке відоме захворювання, як муковісцидоз, у
євреїв-ашкеназі значною мірою пояснюється присутністю особливої специфічної мутації (W128X). Зазначимо, що в Ізраїлі до комплексного обстеження вагітних входить аналіз гетерозиготного носійства мутацій у деяких із генів, відповідальних за перелічені вище захворювання.
Зовсім інший спектр спадкових захворювань, що зустрічаються з підвищеними частотами, спостерігається у фінів, тобто в іншій ізольованій етнічній групі. Специфічні фінські мутації знайдені принаймні для 30 різних моногенних захворювань.
Частота вродженого нефрозу у фінів сягає 1:8000. Біля
1% корінного населення Фінляндії є гетерозиготними носіями мутації, яка виявляється в гомозиготному стані більш ніж у
90% хворих на діастрофічну дисплазію - одну з форм скелетної дисплазії, що характеризується важким сколіозом, двосторонньою природженою деформацією кистей і стоп, потовщенням вушних раковин,
передчасною кальцифікацією ребрових хрящів, наявністю в
більшості випадків, ущелини твердого неба. З підвищеною частотою серед фінів зустрічаються дві форми спадкової офтальмопатії,
кожна з яких зумовлена специфічною мутацією. Це складчаста атрофія судинної оболонки та сітківки ока, а також плоска рогівка ока ІІ-го типу, при якій спостерігається помутніння рогівки та корнеальної паренхіми, вже в ранньому дитячому віціформуються старечі бляшки диска зорового нерваабо склоподібної платівки,
при цьому рівень гіперметропії досягає або навіть перевищує 10D. З
підвищеними частотами у фінських популяціях зустрічаються інфантильний цероїдний ліпофусциноз, сімейний амілоїдоз, одна з генетичних форм
прогресуючої міоклонічної епілепсії (Унверріхта-Лундборга)
Приклади подібних генетичних ізолятів є одиничними.
У загальному випадкупоширеність різних мутацій у популяціях залежить від двох сил, що діють у різних напрямках, – частоти виникнення мутацій та негативного чи позитивного відбору стосовно їх носіїв. Так наприклад, мутація, що надає негативний ефект на життєздатність у гомозиготному стані, може набути широкого поширення в популяції, якщо в гетерозиготному стані вона дає якісь переваги. Класичним прикладом є мутація в гені β-глобіну, що у гомозиготному стані призводить до серповидно-клітинної анемії. Мутантний гемоглобін має знижену розчинність і підвищену здатність до полімеризації,
внаслідок чого еритроцити хворих набувають серповидної форми. Такі еритроцити втрачають пластичність, закупорюють. дрібні судинита гемолізуються. Потім розвиваються осередки ішемії та інфаркти у внутрішніх органах, спинному та головному мозку. Захворювання часто зустрічається в Центральній Африці, Індії, країнах Середземномор'я,
Близького та Середнього Сходу, у тому числі Азербайджані, Узбекистані та Вірменії. Виявилося, що у тих самих регіонах світу поширений малярійний плазмодій, що викликає тяжке інфекційне захворювання- Малярію.
Гетерозигтні носії мутацій у гені β-глобіну мають підвищену стійкість до малярії. Частоти гетерозиготного носія мутації в гені β-глобіну в цих популяціях досягають 5-8%.
Сукупність перерахованих вище факторів призводить до поліморфізму популяційтобто стійкого співіснування в межах однієї популяції кількох генетичних форм, при цьому різні популяції можуть відрізнятися за рівнями або частотами поліморфізму. Важливою характеристикою особини з певним генотипом є її
пристосованість (W), тобто можливість дожити до репродуктивного вікута залишити потомство. Загальна пристосованість населення
є середньою величиною з пристосувань всіх особин, а її нормоване відхилення від максимально можливого значення– (Wmax –
W)/Wmax – визначає генетичний вантажпопуляції, який є усередненою мірою поширеності популяції мутацій, що знижують пристосованість особин. Він визначає частку загальної популяції гомозиготних і гетерозиготних носіїв мутацій, які мають негативним впливомна життєздатність. Природні популяції рослин та тварин, також як людини, обтяжені різними мутаціями.
Стосовно людини генетичний вантаж визначає поширеність у різних популяціях мутацій, асоційованих з спадковою патологією. Домінантні мутації проявляються постійно,
частина рецесивних мутацій виявляється у рідкісних гомозигот, але основна частка генетичного вантажу подібно до айсберга прихована в генофонді популяції в гетерозиготному стані. На думку видатного російського генетика З. З.
Четверикова мутації у природних популяціях становлять еволюційний резерв образу. Цей напрямок популяційної генетики інтенсивно розвивався в нашій країні в першій половині і середині минулого століття в роботах Г. Меллера, Н. П. Дубініна, а потім Р. Л. Берг, М. Д. Голубовського та ін. Виявилося, що концентрація різних мутацій у популяціях, включаючи ті, що призводять до летального ефекту в гомозиготному стані,
досягає кількох десятків відсотків, причому склад цих мутацій постійно змінюється, і в різні роки широкого поширення набувають різні специфічні мутації.
У Висновок підкреслимо, щопопуляційно-генетичні
дослідження мають першорядне значення щодо
епідеміологічних досліджень з метою правильної організаціїмедико-
генетичного консультування населення та профілактики спадкової патології.
Розділ 1.7. Структура речовини спадковості – ДНК
З діагнозом вродженої вадисерця (ВВС) народжується 0.8% дітей. Оскільки у багатьох випадках захворювання проявляється спорадично, у розвитку даного захворюванняможливо, відіграє роль de novoМутагенез. Zaidi et al., порівнявши кількість de novoмутацій у 362 тяжко хворих на ВВС та 264 контролі, дійшли висновку, що у хворих на ВВС кількість de novoмутацій, що зачіпають структуру білків, що експресуються у процесі розвитку серця, значно більше, ніж у контрольній групі (з показником відношення шансів 7.5)Для порівняння кількості de novoмутацій для кожного з випадків проводили паралельне секвенування екземів випробуваного та його батьків (тріо). Особливо багато (по відношенню до контрольної групи) у хворих на ВВС несинонімічних замін було виявлено в генах, залучених у метилювання, деметилювання та розпізнавання метилювання лізину 4 гістону 3, а також відповідальних за убіквітініллювання H2BK120, яке необхідно доїти метилювання H3K4. Особливість цих генів у тому, кожна з мутацій у яких веде до порушення експресії відразу кількох генів, які грають значної ролі у розвитку організму.
Цікавим видається те, що за результатами аналогічного дослідження, проведеного на хворих на аутизм, гени, що беруть участь у розпізнаванні метилювання H3K4 (СHD7, CHD8 та інші), також потрапили до списку кандидатів. У роботі перераховуються мутації, загальні для обох захворювань (аутизму та ВВС), і ніколи раніше не виявлені в нормі. Автори припускають, що за таким механізмом можуть розвиватися й інші спадкові захворювання.
Джерело
Nature. 2013 May 12. De novo mutations in histone-modifying genes in congenital heart disease. Заіді S, Choi M, Wakimoto H, Ma L, Jiang J, Overton JD, Романо-Adesman A, Bjornson RD, Breitbart RE, Brown KK, Carriero NJ, Cheung YH, Deanfield J, Depalma S, Fakhro KA, Glessner J, Hakonarson H, Italia MJ, Kaltman JR, Kaski J, Kim R, Kline JK, Lee T, Leipzig J, Lopez A, Mane SM, Mitchell LE, Newburger JW, Parfenov M, Pe'er I, Porter G, Roberts AE, Sachidanandam R, Sanders SJ, Seiden HS, State MW, Subramanian S, Tikhonova IR, Wang W, Warburton D, White PS, Williams IA, Zhao H, Seidman JG, Brueckner M, Chung WK, Gelb BD, Goldmuntz E, Seidman CE , Lifton RP.
Підпис до малюнка
De novoмутації у метаболічних шляхах H3K4 та H3K27. На малюнку перераховані гени, мутації в яких впливають на метилювання, деметилювання та впізнавання гістонових модифікацій. Гени, що несуть мутації типу зсуву рамки зчитування та в сайтах сплайсингу, відмічені червоним; гени, що несуть несинонімічні заміни, показані синім. Позначення SMAD (2) означає, що ця мутація була виявлена відразу у двох пацієнтів. Гени, продукти яких працюють у комплексі, обведені у прямокутник.
| Подякували (4): |
Детекція мутації denovo в гені дистрофіну та її значення для медико-генетичного консультування при м'язової дистрофіїДюшенна
(Клінічне спостереження)
Муравльова Е.А., Стародубова А.В, Пишкіна Н.П., Дуйсьонова О.С.
Науковий керівник: д.м.н. доц. Дзвонів О.В.
ГБОУ ВПО Саратовський ДМУ ім. В.І. Розумовського МОЗ РФ
Кафедра неврології ФПК та ППЗ ім. К.М. Третьякова
Введення.М'язова дистрофія Дюшенна (МДД) відноситься до спадкових нервово-м'язових хвороб, що найчастіше зустрічаються. Поширеність її становить 2-5: 100 000 населення, популяційна частота - 1: 3500 новонароджених хлопчиків. Ця форма м'язової дистрофії вперше описана Edward Meryon (1852) і Guillaume Duchenne (1861).
Захворювання характеризується Х-зчепленим рецесивним типом успадкування та важким, прогресуючим перебігом. МДД обумовлена мутацією в гені дистрофіну, локус якого локалізовано на Xp21.2. Близько 30% випадків обумовлені мутаціями de novo, 70% - носієм мутації матір'ю пробанда. Дистрофін відповідає за з'єднання цитоскелета кожного м'язового волокна з основною базальною пластинкою (позаклітинного матриксу) через білковий комплекс, що складається з багатьох субодиниць. Відсутність дистрофіну призводить до проникнення надлишкового кальцію в сарколему ( клітинну мембрану). М'язові волокна піддаються некрозу, відбувається заміщення м'язової тканини жирової, а також сполучної.
Сучасна діагностика МДД заснована на оцінці відповідності проявів хвороби клініко-анамнестичним та лабораторно-інструментальним (креатин-кіназа сироватки крові (ККС), електронейроміографія (ЕНМГ), гістохімічне дослідження м'язового біоптату) критеріям, генеа.
Проведення медико-генетичного консультування нині у багатьох сім'ях дозволяє попередити народження хворої дитини. Пренатальна ДНК діагностика на ранніх термінахвагітності в сім'ях, які мають дитину, яка страждає на МДД, дозволить вибрати подальшу тактику для батьків і, можливо, достроково припинити вагітність у разі наявності захворювання у плода.
У ряді випадків клінічна картина спостерігається у жінок – гетерозиготних носіїв мутантного гена у вигляді збільшення литкових м'язів, помірно вираженою м'язової слабкості, зниження сухожильних та періостальних рефлексів, за даними параклінічних досліджень підвищується рівень ККС. Крім того, класичні клінічні прояви МДД можуть виникати у жінок із синдромом Шерешевського-Тернера (генотип 45 ХО).
Клінічний приклад.У нашій клініці спостерігається хлопчик К., 7 років, який скаржиться на слабкість у м'язах рук і ніг, стомлюваність при тривалій ходьбі. Мама дитини відзначає у нього періодичні падіння, утруднення при підйомі сходами, порушення ходи (на кшталт «качиної»), труднощі при вставанні зі становища сидячи, збільшення литкових м'язів в обсязі.
Раннє розвиток дитини протікало без особливостей. У віці 3-х років оточуючі помітили порушення рухових функційу вигляді появи труднощів при ходьбі сходами, при вставанні, дитина не брала участі в рухливих іграх, стала швидко втомлюватися. Потім змінилася хода на кшталт «качиної». Наростали труднощі при вставанні зі становища сидячи або лежачи: поетапне вставання «драбинкою» з активним використанням рук. Поступово стало помітним збільшення литкових та деяких інших м'язів обсягом.
У неврологічному оглядіпровідною клінічною ознакою є симетричний проксимальний периферичний тетрапарез, більш виражений у ногах (м'язова сила в проксимальних відділах верхніх кінцівок – 3-4 бали, у дистальних – 4 бали, у проксимальних відділах нижніх кінцівок – 2-3 бали, у дистальних – 4 бали) . Хода змінена на кшталт «качиною». Використовує допоміжні («міопатичні») прийоми, наприклад вставання «драбинкою». М'язовий тонусзнижений, контрактур немає. Гіпотрофія м'язів тазового та плечового пояса. «Міопатичні» риси, наприклад, у вигляді широкого міжлопаткового простору. Є псевдогіпертрофія литкових м'язів. Сухожильні та періостальні рефлекси - без достовірної різниці сторін; біципітальні - низькі, триципітальні та карпорадіальні - середньої жвавості, колінні та ахіллові - низькі. На підставі клінічних даних запідозрена МДД.
При дослідженні ККС її рівень становив 5379 од/л, що у 31 раз вище норми (норма - до 171 од/л). За даними ЕНМГ зареєстровані ознаки, характерніші для помірно поточного первинно-м'язового процесу. Таким чином отримані дані підтвердили наявність у пацієнта МДД.
Крім пробанда, оглянуті його батьки і старша рідна сестра. Ні у кого із родичів пробанда клінічних проявівМДД не спостерігалося. Однак у матері помічено деяке збільшення литкових м'язів обсягом. За даними генеалогічного аналізу, пробанд є єдиним хворим у сім'ї. При цьому не можна виключити, що мати дитини та рідна сестра пробанда є гетерозиготними носіями мутантного гена (рис. 1).
Мал. 1 Родовід
У рамках медико-генетичного консультування сім'я К. була обстежена щодо наявності/відсутності делецій і дуплікацій у гені дистрофіну. Молекулярно-генетичний аналіз у лабораторії ДНК-діагностики МГНЦ РАМН виявив у пробанда К. делецію 45 екзонів, що остаточно підтверджує встановлений клінічний діагнозМДД. У матері делеція 45 екзонів, виявлена у сина, не виявлена. У сестри в результаті аналізу делецію 45 екзонів, виявлену у брата, не знайдено. Отже, у досліджуваного мутація, швидше за все, має походження de nоvo, проте вона може бути результатом гермінального мозаїцизму у матері. Відповідно, при мутації de novo ризик народження хворої дитини у матері визначатиметься популяційною частотою даної мутації (1:3500, ‹‹1%), що значно менше, ніж при Х-зчепленому рецесивному типі спадкування (50% хлопчиків). Оскільки неможливо повністю виключити, що мутація може стати результатом гермінального мозаїцизму, при якому успадкування за законами Менделя порушується, рекомендується проведення пренатальної діагностикипри наступній вагітності у матері та сестри пробанда.
Висновок.В даний час лікар має широкий арсенал симптоматичних засобів, що використовуються в лікуванні МДД, однак, незважаючи на досягнення науки, етіологічне лікуванняМДД досі не розроблено, ефективних препаратів для замісного лікування при МДД немає. Згідно з недавніми дослідженнями стовбурових клітин, існують перспективні вектори, які можуть замінити пошкоджені м'язові тканини. Проте, нині, можливе лише симптоматичне лікування, спрямоване поліпшення якості життя хворого. У зв'язку з цим рання діагностикаМДД грає найважливішу рольдля своєчасного проведення медико-генетичного консультування та вибору подальшої тактики планування сім'ї. Для пренатальної ДНК діагностики дослідження за допомогою біопсії хоріону (CVS) можна проводити на 11-14 тижні вагітності, амніоцентез можна використовувати після 15 тижнів, забір крові плода можливий приблизно на 18 тижні. Якщо тестування буде здійснено на ранніх термінах вагітності, можливе дострокове припинення вагітності у разі захворювання у плода. У ряді випадків доцільним є проведення преімплантаційної ДНК діагностики з подальшим екстракорпоральним заплідненням.
Висновки.Для забезпечення раннього виявленнята профілактики МДД необхідно ширше використовувати методи молекулярно-генетичної діагностики; підвищити настороженість практикуючих лікарів щодо цієї патології. При мутації de novo ризик народження хворої дитини у матері визначається частотою популяційної мутації гена дистрофіну. У випадках носійства мутації матір'ю пробанда потрібна пренатальна або перимплантаційна діагностика ДНК з метою планування сім'ї.
ГЛАВА 5 ЗМІННІСТЬ ОРГАНІЗМУ
ГЛАВА 5 ЗМІННІСТЬ ОРГАНІЗМУ
Загальні дані
Мінливість організму є мінливість його геному, що зумовлює генотипічні та фенотипічні відмінності людини та викликає еволюційну різноманітність його генотипів та фенотипів (див. розділи 2 та 3).
Внутрішньоутробний розвиток зародка, ембріона, плода, подальший постнатальний розвиток організму людини (немовля, дитинство, юність, доросле життя, старіння і смерть) здійснюються відповідно до генетичної програми онтогенезу, що сформувалася при злитті материнського та батьківського геномів (див. 12).
У результаті онтогенезу геном організму індивіда і закодована у ньому інформація піддаються безперервним перетворенням під впливом чинників довкілля. Зміни, що виникли в геномі, можуть передаватися з покоління в покоління, зумовлюючи мінливість ознак і фенотипу організму у нащадків.
На початку XX ст. німецький зоолог В. Хекер виділив напрямок генетики, присвячений вивченню зв'язків та взаємовідносин між генотипами та фенотипами та аналізу їх мінливості, і назвав його феногенетикою.
В даний час феногенетики виділяють два класи мінливості: неспадкову (або модифікаційну), яка не передається з покоління в покоління, та спадкову, яка передається з покоління в покоління.
Своєю чергою, спадкова мінливість також буває двох класів: комбінативна (рекомбінаційна) та мутаційна. Мінливість першого класу визначають три механізми: - випадкові зустрічі гамет при заплідненні; кросинговер, або мейотична рекомбінація (обмін рівними ділянками між гомологічними хромосомами в профазі першого поділу мейозу); незалежне розходження гомологічних хромосом до полюсів поділу при утворенні дочірніх клітин під час мітозу та мейозу. Мінливість другого
класу обумовлена точковими, хромосомними та геномними мутаціями (див. нижче).
Послідовно розглянемо різні класи та типи мінливості організму на різних етапахйого індивідуального розвитку.
Мінливість при заплідненні гамет і початок функціонування геному організму, що зародився
Материнський і батьківський геноми що неспроможні функціонувати окремо друг від друга.
Тільки двох батьківських геному, що об'єдналися в зиготі, забезпечують зародження молекулярного життя, поява нового якісного стану - однієї з властивостей біологічної матерії.
На рис. 23 відображено результати взаємодії двох батьківських геномів при заплідненні гамет.
Відповідно до формули запліднення: зигота = яйцеклітина + сперматозоїд, початок розвитку зиготи – це момент формування подвійного (диплоїдного) при зустрічі двох гаплоїдних наборів батьківських гамет. Саме тоді зароджується молекулярне життя і запускається ланцюг послідовних реакцій на основі спочатку експресії генів генотипу зиготи, а потім генотипів дочірніх соматичних клітин, що з'явилися з неї. Окремі гени та групи генів у складі генотипів всіх клітин організму починають «вмикатися» і «вимикатися» в ході реалізації генетичної програми онтогенезу.
Провідна роль у подіях, що відбуваються, належить яйцеклітині, що має в ядрі і цитоплазмі всі необхідні для зародження.
Мал. 23.Результати взаємодії двох батьківських геномів при заплідненні гамет (малюнки по www.bio.1september.ru; www.bio.fizteh.ru; www.
ня та продовження життя структурні та функціональні компоненти ядра та цитоплазми (суть біологічного матріархату).Сперматозоїд містить ДНК і не містить компонентів цитоплазми. Проникнувши в яйцеклітину, ДНК сперматозоїда вступає в контакт з її ДНК, і тим самим у зиготі «включається» головний молекулярний механізм, що функціонує протягом усього життя організму: ДНК-ДНК взаємодія двох батьківських геномів. Строго кажучи, активується генотип, представлений приблизно рівними частинами нуклеотидних послідовностей ДНК материнського та батьківського походження (без урахування мтДНК цитоплазми). Спростимо сказане: початок молекулярного життя в зиготі - порушення сталості внутрішнього середовища яйцеклітини (її гомеостазу), а все наступне молекулярне життя багатоклітинного організму- Прагнення відновити схильний до дії факторів середовища гомеостаз або баланс між двома протилежними станами: стабільністю з одного бокута мінливістю з іншого.Такими є причинно-наслідкові зв'язки, що визначають виникнення та безперервність молекулярного життя організму в ході онтогенезу.
Тепер звернемо увагу на результати та значення мінливості геному організму як продукту еволюції. Спочатку розглянемо питання про унікальність генотипу зиготи або клітини-родоначальниці всіх клітин, тканин, органів та систем організму.
Саме запліднення відбувається випадково: одну жіночу гамету запліднює лише одна чоловіча гамета з 200-300 млн. сперматозоїдів, що містяться в еякуляті чоловіка. Очевидно, що кожну яйцеклітину і кожен сперматозоїд відрізняють один від одного багато генотипічних і фенотипічних ознак: наявність змінених або незмінених за складом і комбінаціями генів (результати комбінативної мінливості), різні сиквенси нуклеотидних послідовностей ДНК, різні розміри, форма, форма, форма зрілість гамет та ін Саме ці відмінності дозволяють говорити про унікальність геному будь-якої гамети і, отже, генотипу зиготи і всього організму: випадковість запліднення гамет забезпечує появу на світ генетично унікального організмуіндивіда.
Іншими словами, молекулярне життя людини (як і життя біологічної істоти взагалі) – «дар долі» або, якщо завгодно, «божественний дар», бо замість даного індивіда з однаковою
ймовірністю могли народитися генетично інші – його рідні брати та сестри.
Тепер продовжимо наші міркування про баланс між стабільністю та мінливістю спадкового матеріалу. У широкому значенні, підтримання такого балансу - це одночасне збереження та зміна (перетворення) стабільності спадкового матеріалу під дією внутрішніх (гомеостаз) та зовнішніх середовищних факторів (норма реакції). Гомеостаз залежить від генотипу, обумовленого злиттям двох геномів (див. рис. 23). Норма реакції визначається взаємодією генотипу з факторами довкілля.
Норма та діапазон реакції
Специфічний спосіб реакції організму у відповідь на дію факторів навколишнього середовища називається нормою реакції.Саме гени та генотип відповідальні за розвиток та діапазон модифікацій окремих ознак та фенотипу всього організму. Разом про те, у фенотипі реалізуються далеко ще не всі можливості генотипу, тобто. фенотип - окремий (для індивіда) випадок реалізації генотипу в конкретних умовах навколишнього середовища. Тому, наприклад, між монозиготними близнюками, мають повністю ідентичні генотипи (100% загальних генів), виявляються помітні фенотипічні відмінності, якщо близнюки зростають у різних умовах довкілля.
Норма реакції буває вузькою чи широкою. У першому випадку стабільність окремої ознаки(фенотипу) зберігається практично незалежно від впливу довкілля. Прикладами генів з вузькою нормою реакції або непластичних генівслужать гени, що кодують синтез антигенів груп крові, забарвлення очей, кучерявість волосся та ін. Їх дія однакова за будь-яких (сумісних з життям) зовнішніх умов. У другому випадку стабільність окремої ознаки (фенотипу) змінюється залежно від впливу довкілля. Приклад генів з широкою нормою реакції або пластичних генів- гени, що контролюють кількість еритроцитів крові (різне у осіб, що піднімаються в гору, та осіб, що спускаються з гори). Інший приклад широкої норми реакції – зміна забарвлення шкірних покривів(загар), пов'язаний з інтенсивністю та часом впливу на організм ультрафіолетового опромінення.
Говорячи про діапазоні реакції,слід мати на увазі фенотипічні відмінності, що виявляються у індивіда (його генотипу) залежно від
"збіднених" або "збагачених" умов навколишнього середовища, в яких знаходиться організм. Відповідно до визначення І.І. Шмальгаузена (1946), «успадковуються не ознаки, як такі, а норма їхньої реакції на зміни умов існування організмів».
Таким чином, норма та діапазон реакції – це межі генотипічної та фенотипічної мінливості організму при зміні умов навколишнього середовища.
Слід також зазначити, що з внутрішніх факторів, що впливають на фенотипний прояв генів та генотипу, певне значення мають стать та вік індивіда.
Зовнішні та внутрішні фактори, що визначають розвиток ознак та фенотипів, входять до зазначених у розділі трьох груп основних факторів, серед яких гени та генотип, механізми міжмолекулярних (ДНК-ДНКових) та міжгенних взаємодій між батьківськими геномами та фактори навколишнього середовища.
Безумовно, основою пристосування організму до умов довкілля (основою онтогенезу) є його генотип. Зокрема, індивіди з генотипами, що не забезпечують пригнічення негативної дії патологічних генів та факторів середовища, залишають менше нащадків, ніж індивіди, у яких небажані ефектипригнічуються.
Ймовірно, що до генотипів більш життєздатних організмів включені спеціальні гени (гени-модифікатори), що пригнічують дію «шкідливих» генів таким чином, що замість них домінантними стають алелі нормального типу.
НЕСПОСІДНА ПОМІННІСТЬ
Говорячи про неуспадкову мінливість генетичного матеріалу, знову розглянемо приклад широкої норми реакції - зміна забарвлення шкірних покривів під дією ультрафіолетового випромінювання. «Загар» не передається з покоління до покоління, тобто. не успадковується, хоча у його виникненні беруть участь пластичні гени.
Так само не успадковуються результати травм, рубцеві зміни тканин і слизових оболонок при опіковій хворобі, обмороженнях, отруєннях та багато інших ознак, викликані дією виключно факторів середовища. Разом з тим, слід підкреслити: неспадкові зміни або модифікації пов'язані зі спадщиною.
ними властивостями даного організму, бо утворюються на тлі конкретного генотипу в конкретних умовах навколишнього середовища.
Спадкова комбінативна мінливість
Як сказано на початку глави, крім механізму випадкових зустрічей гамет при заплідненні, комбінативна мінливість включає механізми кросинговеру в першому поділі мейозу і незалежної розбіжності хромосом до полюсів поділу при утворенні дочірніх клітин під час мітозу та мейозу (див. розділ 9).
Кросинговер у першому поділі мейозу
За рахунок механізму кросинговеразчеплення генів з хромосомою регулярно порушується у профазі першого поділу мейозу внаслідок перемішування між собою (обміну) генів батьківського та материнського походження (рис. 24).
На початку XX ст. при відкритті кросинговера Т.Х. Морган та його учні припустили: кросинговер між двома генами може відбуватися не тільки в одній, а й у двох, трьох (відповідно подвійний і потрійний кросинговер) та більшій кількості точок. Зазначалося придушення кросинговера в ділянках, що безпосередньо примикають до точок обміну; таке придушення назвали інтерференцією.
Зрештою підрахували: на один чоловічий мейоз припадає від 39 до 64 хіазм чи рекомбінацій, а на один жіночий мейоз – до 100 хіазм.
Мал. 24.Схема кросинговера в першому розподілі мейозу (за Шевченком В.А. та співавт., 2004):
a – сестринські хроматиди гомологічних хромосом до початку мейозу; б - вони ж під час пахітени (помітна їх спіралізація); в - вони ж під час диплотени та діакінезу (стрілки вказують на місця кросинговера-хіазми, або ділянки обміну)
У результаті зробили висновок: зчеплення генів із хромосомами постійно порушується в ході кросинговера.
Чинники, що впливають на кросинговер
Кросинговер - один із регулярних генетичних процесів в організмі, контрольований багатьма генами як безпосередньо, так і через фізіологічний стан клітин під час мейозу і навіть мітозу.
До факторів, що впливають на кросинговер, належать:
Гомо- та гетерогаметна підлога (мова йде про мітотичному кросинговеріу самців і самок таких еукаріотів, як дрозофіла і тутовий шовкопряд); так, у дрозофіли кросинговер протікає нормально; у шовкового шовкопряда - або теж нормально, або відсутня; в людини слід звернути увагу до змішаний («третій») підлогу і саме роль кросинговера при аномаліях розвитку статі при чоловічому і жіночому гермафродитизме (див. главу 16);
Структура хроматину; на частоту кросинговера в різних ділянкаххромосом впливає розподіл гетерохроматинових (прицентромірні та тіломерні ділянки) та еухроматинових районів; зокрема, у прицентромірних та тіломірних ділянках частота кросинговера знижена, і відстань між генами, що визначається за частотою кросинговера, може не відповідати фактичному;
функціональний стан організму; у міру збільшення віку змінюється ступінь спіралізації хромосом та швидкість клітинного поділу;
Генотип; у його складі виділені гени, що збільшують або зменшують частоту кросинговера; «замикачі» останнього - хромосомні перебудови (інверсії та транслокації), що ускладнюють нормальну кон'югацію хромосом у зиготені;
Екзогенні фактори: вплив температури, іонізуючої радіації та концентрованих розчинів солей, хімічні мутагени, ліки та гормони, які, як правило, підвищують частоту кросинговера.
За частотою мейотичного та мітотичного кросинговеру та СХО часом судять про мутагенну дію ліків, канцерогенів, антибіотиків та інших хімічних сполук.
Нерівний кросинговер
У поодиноких випадках в ході кросинговеру спостерігаються розриви в несиметричних точках сестринських хроматид, і вони обмінюються.
ються між собою нерівними ділянками - це нерівний кросинговер.
Разом з тим описані випадки, коли в ході мітозу спостерігається мітотична кон'югація (неправильне спарювання) гомологічних хромосом і рекомбінація відбувається між несестринськими хроматидами. Таке явище отримало назву генної конверсії.
Значення цього механізму важко переоцінити. Наприклад, внаслідок неправильного спарювання гомологічних хромосом по фланкуючих повторах може статися подвоєння (дуплікація) або втрата (делеція) ділянки хромосоми, що містить ген РМР22, що зумовить розвиток спадкової аутосомно-домінантної моторно-сенсорної нейропатіїШарко-Марі Тус.
Нерівний кросинговер - один із механізмів виникнення мутацій. Наприклад, периферичний білок мієлін кодується геном РМР22, розташованим у хромосомі 17 і має довжину близько 1,5 млн н.п. Цей ген фланкується двома гомологічними повторами довжиною близько 30 тис. н.п. (Повтори розташовані на флангах гена).
Особливо багато мутацій внаслідок нерівного кросинговеру відбувається у псевдогенах. Тоді або фрагмент одного аллеля переноситься в інший алель, або фрагмент псевдогену - ген. Наприклад, подібна мутація відзначається при перенесенні послідовності псевдогену в ген 21-гідроксилази (CYP21B) при адреногенітальному синдромі або вродженій гіперплазії кори надниркових залоз (див. розділи 14 та 22).
Крім того, за рахунок рекомбінацій у ході нерівного кросинговера можуть утворюватися множинні алельні форми генів, що кодують антигени HLA класу I.
Незалежна розбіжність гомологічних хромосом до полюсів поділу при утворенні дочірніх клітин під час мітозу та мейозу
Завдяки процесу реплікації, що передує мітозу соматичної клітини, загальна кількість нуклеотидних послідовностей ДНК збільшується вдвічі. Формування однієї пари гомологічних хромосом походить з двох батьківських та двох материнських хромосом. При розподілі цих чотирьох хромосом у дві дочірні клітини кожна з клітин отримає одну батьківську та одну материнську хромосоми (для кожної пари хромосомного набору), проте яку саме з двох першу чи другу невідомо. Має місце
випадковий характер розподілу гомологічних хромосом. Легко підрахувати: за рахунок різних комбінацій 23 пар хромосом загальна кількість дочірніх клітин складе 2 23 або більше 8 млн (8 10 6) варіантів комбінацій хромосом і розташованих на них генів. Отже, при випадковому характері розподілу хромосом у дочірні клітини кожна з них матиме свій унікальний каріотип та генотип (свій варіант комбінації хромосом та зчеплених з ними генів відповідно). Слід зазначити можливість патологічного варіанту розподілу хромосом в дочірні клітини. Наприклад, попадання в одну з двох дочірніх клітин тільки однієї (батьківської або материнської за походженням) Х-хромосоми призведе до моносомії (синдром Шерешевського-Тернера, каріотип 45, ХО), попадання трьох однакових аутосом призведе до трисомії (синдроми Дауна, 47,XY , +21; Патау, 47, ХХ, +13 і Едвадса, 47, ХХ, +18; див. також розділ 2).
Як зазначено в главі 5, в одну дочірню клітину можуть одночасно потрапити дві батьківські або дві материнські за походженням хромосоми - це однобатьківська ізодісомія по конкретній парі хромосом: синдроми Сільвера-Рассела (дві материнські хромосоми 7), Беквітта-Відемана1 , Ангельмана (дві батьківські хромосоми 15), Прадера-Віллі (дві материнські хромосоми 15). У цілому нині обсяг порушень розподілу хромосом сягає 1% всіх хромосомних порушень в людини. Ці порушення мають велике еволюційне значення, бо створюють різноманітне популяційне каріотипів, генотипів і фенотипів людини. І кожен патологічний варіант є унікальним продуктом еволюції.
В результаті другого мейотичного поділу утворюються 4 дочірні клітини. У кожну з них відійде по одній або материнській або батьківській хромосомі з усіх 23 хромосом.
Щоб уникнути можливих помилок у наших подальших розрахунках, приймемо за правило: в результаті другого мейотичного поділу також утворюється 8 млн. варіантів чоловічих гамет і 8 млн. варіантів жіночих гамет. Тоді відповідь на питання, який загальний обсяг варіантів комбінацій хромосом і розташованих на них генів при зустрічі двох гамет, наступний: 246 або 64 10 12 , тобто. 64 трильйони.
Утворення такої (теоретично можливої) кількості генотипів під час зустрічі двох гамет наочно пояснює сенс гетерогенності генотипів.
Значення комбінативної мінливості
Комбінативна мінливість важлива не тільки для гетерогенності та унікальності спадкового матеріалу, але й для відновлення (репарації) стабільності молекули ДНК при пошкодженні її обох ниток. Прикладом є утворення одноланцюжкового пролому ДНК навпроти нерепарованого пошкодження. Пролом, що з'явився, не може бути безпомилково виправлена без залучення до репарації нормальної нитки ДНК.
Мутаційна мінливість
Поряд з унікальністю та гетерогенністю генотипів та фенотипів у результаті комбінативної мінливості величезний внесок у варіабельність геному та фенома людини вносить спадкова мутаційна мінливість та обумовлена нею генетична гетерогенність.
Варіації нуклеотидних послідовностей ДНК суто умовно можна поділити на мутації та генетичний поліморфізм (див. розділ 2). Разом з тим, якщо гетерогенність генотипів – це постійні (нормальні) характеристики варіабельності геному, то мутаційна мінливість- це, зазвичай, його патологія.
На користь патологічної варіабельності геному свідчать, наприклад, нерівний кросинговер, неправильне розходження хромосом до полюсів поділу при утворенні дочірніх клітин, наявність генетичних компаундів та алельних серій. Іншими словами, спадкова комбінативна та мутаційна мінливість проявляється у людини значним генотипічним та фенотипічним розмаїттям.
Уточнимо термінологію та розглянемо спільні питаннятеорії мутацій.
ЗАГАЛЬНІ ПИТАННЯ ТЕОРІЇ МУТАЦІЙ
Мутаціяє зміна структурної організації, кількості та/або функціонування спадкового матеріалу та синтезованих ним білків. Це поняття вперше запропонував Гуго де Фріз
у 1901-1903 pp. у своїй роботі "Мутаційна теорія", де описав основні властивості мутацій. Вони:
Виникають раптово;
Передаються з покоління до покоління;
успадковуються за домінантним типом (проявляються у гетерозигот і гомозигот) і рецесивного типу (проявляються у гомозигот);
Не мають спрямованості («мутує» будь-який локус, викликаючи незначні зміни або торкаючись життєво важливих ознак);
за фенотиповому проявубувають шкідливими (більшість мутацій), корисними (вкрай рідко) або байдужими;
Виникають у соматичних та статевих клітинах.
Крім того, ті самі мутації можуть виникнути повторно.
Мутаційний процесабо мутагенез, є процес формування мутацій, що безперервно йде під дією мутагенів - факторів середовища, що ушкоджують спадковий матеріал.
Вперше теорія мутагенезу, що безперервно йдезапропонована 1889 р. російським ученим з Петербурзького університету С.І. Коржинським у його книзі «Гетерогенез та еволюція».
Як прийнято вважати нині, мутації здатні проявитися спонтанно, без видимих зовнішніх причин, але під впливом внутрішніх умов у клітині та організмі - це спонтанні мутації або спонтанний мутагенез.
Мутації, спричинені штучно шляхом впливу зовнішніх факторівфізичної, хімічної чи біологічної природи, - це індуковані мутації, чи індукований мутагенез.
Найбільш часто зустрічаються мутації називаються мажорними мутаціями(наприклад, мутації в генах міодистрофії Дюшенна-Беккера, муковісцидозу, серповидноклітинної анемії, фенілкетонурії та ін.). Наразі створено комерційні набори, що дозволяють виявляти в автоматичному режимі найважливіші з них.
Знову виниклі мутації називаються новими мутаціями або мутаціями de novo.Наприклад, до них відносяться мутації, що лежать в основі ряду аутосомно-домінантних хвороб, таких як ахондроплазія (10% випадків захворювання - сімейні форми), нейрофіброматоз Реклінгаузена I типу (50-70% - сімейні форми), хвороба Альцгеймера, хорея Гентингтона.
Мутації від нормального стану гена (ознака) до патологічного стану прямими.
Мутації від патологічного станугена (ознака) до нормального стану називаються зворотними або реверсіями.
Вперше здатність до реверсії встановлено 1935 р. Н.В. Тимофеєвим-Ресовським.
Наступні мутації у гені, що пригнічують первинний мутантний фенотип, називаються супресорними.Супресія може бути внутрішньогенної(відновлює функціональну активність білка; амінокислота не відповідає вихідній, тобто істинної оборотності немає) та позагенною(змінюється структура тРНК, в результаті чого мутантна тРНК включає поліпептид іншу амінокислоту замість кодованої дефектним триплетом).
Мутації у соматичних клітинах називаються соматичними мутаціями.Вони формують патологічні клітинні клони (сукупність патологічних клітин) і у разі одночасної присутності в організмі нормальних та патологічних клітин призводять до клітинного мозаїцизму (наприклад, при спадковій остеодистрофії Олбрайта експресивність захворювання залежить від кількості аномальних клітин).
Соматичні мутації може бути як сімейними, і спорадичними (несемейними). Вони лежать в основі розвитку злоякісних новоутворень та передчасного старіння.
Раніше вважалося аксіомою, що соматичні мутації не успадковуються. В останні роки було доведено передачу з покоління в покоління спадкової схильності 90% мультифакторіальних форм і 10% моногенних форм раку, що проявляються мутаціями в соматичних клітинах.
Мутації у статевих клітинах називаються гермінативними мутаціями.Вважається, що вони зустрічаються рідше за соматичні мутації, лежать в основі всіх спадкових і деяких вроджених хвороб, передаються з покоління в покоління і можуть бути сімейними і спорадичними. Найбільш вивчена область загального мутагенезу - фізична і, зокрема, радіаційний мутагенез.Будь-які джерела іонізуючої радіації згубні для здоров'я людини, вони, як правило, мають потужний мутагенний, тератогенний і канцерогенний вплив. Мутагенний ефект одноразової дози опромінення набагато вищий, ніж при хронічному опроміненні; доза опромінення 10 рад подвоює частоту мутацій у людини. Доведено: іонізуюче випромінювання здатне викликати мутації, що наводять
до спадкових (вроджених) та онкологічних хвороб, а ультрафіолетове – індукувати помилки реплікації ДНК.
Велику небезпеку становить Хімічний мутагенез.У світі існує близько 7 млн. хімічних сполук. У народному господарстві, на виробництві та у побуті постійно застосовуються приблизно 50-60 тис. хімічних речовин. Щорічно впроваджуються у практику близько тисячі нових сполук. З них 10% можуть індукувати мутації. Такі гербіциди та пестициди (частка мутагенів серед них досягає 50%), а також ряд лікарських препаратів(деякі антибіотики, синтетичні гормони, цитостатики та ін.).
Існує ще Біологічний мутагенез.До біологічних мутагенів належать: чужорідні білки вакцин та сироваток, віруси ( вітряна віспа, корова краснуха, поліомієліт, простий герпес, СНІД, енцефаліт) та ДНК, екзогенні фактори(неповноцінне білкове харчування), сполуки гістаміну та його похідні, стероїдні гормони (ендогенні фактори). Підсилюють дію зовнішніх мутагенів комутагени(Токсини).
В історії генетики чимало прикладів значення зв'язків між генами та ознаками. Один з них - класифікація мутацій залежно від їхнього фенотипного ефекту.
Класифікація мутацій залежно від їхнього фенотипічного ефекту
Таку класифікацію мутацій вперше запропонував 1932 р. Р. Меллер. Відповідно до класифікації було виділено:
Аморфні мутації. Це стан, у якому ознака, контрольований патологічним алелем, не проявляється, оскільки патологічний алель не активний проти нормальним алелем. До таких мутацій відносяться ген альбінізму (11q14.1) та близько 3000 аутосомно-рецесивних захворювань;
Антиморфні мутації. У цьому випадку значення ознаки, контрольованої патологічним алелем, протилежне значенню ознаки, контрольованого нормальним алелем. До таких мутацій належать гени близько 5-6 тис. аутосомно-домінантних захворювань;
Гіперморфні мутації. У разі такої мутації ознака, контрольована патологічним алелем, виражена сильніше за ознаку, контрольовану нормальним алелем. Приклад - Ґете-
розиготні носії генів хвороб нестабільності геному (див. розділ 10). Їхня кількість становить близько 3% населення Землі (майже 195 млн осіб), а кількість самих захворювань досягає 100 нозологій. Серед цих захворювань: анемія Фанконі, атаксіятелеангіектазія, пігментна ксеродерма, синдром Блума, прогероїдні синдроми, багато форм раку та ін. гомозигот за цими генами) частота раку в десятки разів вище, ніж у нормі.
Гіпоморфні мутації. Це стан, у якому прояв ознаки, контрольованого патологічним алелем, ослаблено проти ознакою, контрольованим нормальним алелем. До таких мутацій відносяться мутації генів синтезу пігментів (1q31; 6p21.2; 7p15-q13; 8q12.1; 17p13.3; 17q25; 19q13; Xp21.2; Xp21.3; Xp22) ано більш 3 захворювань.
Неоморфні мутації. Про таку мутацію говорять, коли ознака, контрольована патологічним алелем, буде іншої (нової) якості порівняно з ознакою, контрольованою нормальним алелем. Приклад: синтез нових імуноглобулінів у відповідь проникнення в організм чужорідних антигенів.
Говорячи про неминуще значення класифікації Г. Меллера, слід зазначити, що через 60 років після її публікації фенотипічні ефекти точкових мутацій були розділені на різні класи в залежності від впливу на структуру, що ними чиниться. білкового продуктугена та/або рівень його експресії.
Зокрема, нобелівський лауреатВіктор Макк'юсік (1992) виділив мутації, що змінюють послідовність амінокислот у білку. Виявилося, що саме вони відповідають за прояв 50-60% випадків моногенних хвороб, а решта мутацій (40-50% випадків) припадає на частку мутацій, що зачіпають експресію генів.
Зміна амінокислотного складу білка проявляється у патологічному фенотипі, наприклад, у випадках метгемоглобінемії або серповидноклітинної анемії, обумовленої мутаціями бетаглобінового гена. У свою чергу, були виділені мутації, що стосуються нормальної експресії гена. Вони призводять до зміни кількості генного продукту та виявляються фенотипами, пов'язаними з недостатністю того чи іншого білка, наприклад,
у випадках гемолітичної анемії,обумовленої мутаціями генів, локалізованих на аутосомах: 9q34.3 (дефіцит аденілаткінази); 12p13.1 (дефіцит тріозофосфатізомерази); 21q22.2 (дефіцит фосфофруктокінази).
Класифікація мутацій У. Маккьюсика (1992) - це, безумовно, нове покоління класифікацій. Разом з тим, напередодні її публікації широкого визнання набула класифікація мутацій залежно від рівня організації спадкового матеріалу.
Класифікація мутацій в залежності від рівня організації спадкового матеріалу
Класифікація включає таке.
Точкові мутації(Порушення структури гена в різних його точках).
Строго кажучи, до точкових мутацій відносяться зміни нуклеотидів (підстав) одного гена, що ведуть до зміни кількості та якості білкових продуктів, що синтезуються ними. Зміни підстав - це їх заміни, вставки, переміщення або випадання, які можна пояснити мутаціями в регуляторних областях генів (промотор, сайт поліаденілювання), а також в областях, що кодують і не кодують (екзони та інтрони, сайти сплайсингу). Заміни основ ведуть до появи трьох типів мутантних кодонів: міссенс-мутації, нейтральні мутації та нонсенс-мутації.
Точкові мутації успадковуються як прості менделівські ознаки. Вони часто зустрічаються: 1 випадок на 200-2000 народжень – це первинний гемохроматоз, неполіпозний рак товстої кишки, синдром Мартіна-Белл та муковісцидоз.
Точкові мутації, що зустрічаються вкрай рідко (1:1500000), - це важкий комбінований імунодефіцит (ТКІД) внаслідок дефіциту аденозиндезаміназ. Іноді точкові мутації формуються не за впливу мутагенів, бо як помилки реплікації ДНК. При цьому їх частота не перевищує 1:10 5 -1:10 10 так як вони виправляються за допомогою репараційних систем клітини майже на
Структурні мутаціїабо аберації хромосом (порушують структуру хромосом та призводять до формування нових груп зчеплення генів). Це делеції (втрати), дуплікації (подвоєння), транслокації (переміщення), інверсії (поворот на 180 °) чи інсерції (вставки) спадкового матеріалу. Такі мутації характерні для соматі-
чеських клітин (включаючи стовбурові клітини). Їх частота становить 1 на 1700 клітинних поділів.
Відомий ряд синдромів, зумовлених структурними мутаціями. Найбільш відомі приклади: синдром « котячого крику»(каріотип: 46,ХХ,5р-), синдром Вольфа-Хіршхорна (46,ХХ,4р-), транслокаційна форма синдрому Дауна (каріотип: 47, ХУ, t(14;21)).
Інший приклад – це лейкемії. За них відбувається порушення експресії гена внаслідок так званого поділу (транслокація між структурною частиною гена та його промоторною областю), і, отже, порушується синтез білка.
Геномні(чисельні) мутації- Порушення числа хромосом або їх частин (ведуть до появи нових геномів або їх частин шляхом додавання або втрати цілих хромосом або їх частин). Походження цих мутацій обумовлено нерозбіжністю хромосом у мітозі чи мейозі.
У першому випадку – це анеуплоїди, тетраплоїди з нерозділеною цитоплазмою, поліплоїди, що мають по 6, 8, 10 пар хромосом та більше.
У другому випадку - це нерозподіл парних хромосом, що беруть участь у формуванні гамет (моносомії, трисомії) або запліднення однієї яйцеклітини двома сперматозоїдами (диспермія або триплоїдний зародок).
Їх типові приклади вже неодноразово наводилися - це синдром Шерешевського-Тернера (45, ХО), синдром Клайнфельтера (47, ХХУ), регулярна трисомія при синдромі Дауна (47, ХХ, +21).