Молекулярные основы генных и мультифакториальных заболеваний человека.

Моногенные болезни могут быть обусловлены тремя факторами:

1)различными мутациями одного и того же гена;

2)мутациями разных генов;

3)влиянием генов-модификаторов.

Число метаболических процессов на клеточном и межклеточном уровнях ограничено. Их нормальное становление, реакции адаптации и гомеостаза контролируется не одним, а многими десятками и сотнями различных генов - так называемыми генными сетями. Действительно, в силу многих причин, проявляющихся на уровне функционирующего генома, каждое моногенное заболевание может оказаться весьма гетерогенным.

Современные представления о решении проблем идентификации генов моногенных заболеваний, а также наиболее частых заболеваний мультифакториальной природы рассматриваются на молекулярном уровне.

Генные болезни разделяются в соответствии с тремя основными типами наследования: 1.аутосомно-доминантным;

2.аутосомно-рецессивным;

3.сцепленным с полом(доминантные и рецессивные).

Начало патогенеза любой генной болезни связано с первичным эффектом мутантного аллеля. Принципиально звенья патогенеза генных болезней можно представить следующим образом: мутантный аллель – патологический первичный продукт, цепь последующих биохимических процессов – клетки – органы – организм.

Патогенез генных болезней не заканчивается на молекулярном уровне даже в первичных звеньях, следующим звеном является клетка. У развитых организмов специальные клетки сохраняются для целей размножения. Это линии половых клеток. Клетки, которые образуют остальные части тела, называются соматическими клетками.

У соматических клеток нет будущего. Они умирают вместе с телом. Только линии половых клеток передают свои гены следующему поколению. Жизнь - это наследственная болезнь, передающаяся половым путем. Моногенные болезни - результат точечных мутаций.

Гемофилия A — сцепленное с полом заболевание, вызываемое мутациями в гене фактора VIII свертывания крови. Ген F8C — один из наиболее крупных генов человека; содержит 26 экзонов размером от 69 до 3105 нуклеотидов. В необычно протяженном (32,4 т.п.н.) интроне 22 гена F8C локализовано еще два других структурных гена — F8A и F8B, которые экспрессируются во всех тканях. Протяженные инверсии интрона 22 захватывают экзоны с 1 по 22 и полностью блокируют функцию гена. Причиной инверсии в этой области гена является гомологичная рекомбинация между идентичными последовательностями F8A и другими копиями этого же гена, находящихся на расстоянии 500 тысяч полинуклеотидов.

  Мутации в гене F8C возникают в сперматогенезе в три — пять раз чаще, чем в оогенезе.

Это означает, что в 80% —86% спорадических случаях дочери являются носителями мутаций, возникших в зародышевых клетках их отцов.

Около 14% матерей, не являющихся носителями мутации, могут быть соматическими или гонадными мозаиками. Вероятность повторного рождения больного ребенка у них также повышена. Подавляющее большинство мутаций, приводящих к гемофилии А, являются точечными. Характерным для мутаций гена F8C является положение, когда каждая семья высокого риска гемофилии А имеет свою собственную мутацию.

Гемофилия В — сцепленное с полом заболевание, вызванное наследственным дефектом фактора IX – свертывания крови. Фактор IX относится к гликопротеинам, состоит из 415 аминокислотных остатков и синтезируется в виде молекулы- предшественника клетками печени. Роль IХ фактора в активации Х фактора свертывания крови обусловлена взаимодействием с ионами кальция, фосфолипидами мембраны и фактором VIII. 18Ген F9 характеризуется сравнительно небольшими размерами (около 34000 п.н.) кодирует мРНК размером 1383 п.н. Ген клонирован и полностью секвенирован. Для гена F9 характерна высокая частота спонтанных мутаций: 4,1 х 106 за поколение. Как и при гемофилии А, мутации значительно чаще возникают в сперматогенезе, чем в оогенезе.

Мутации разных генов, влияние генов–модификаторов. При исследовании наследственных патологий необходимо учитывать влияние дополнительных генетических факторов. Именно от модификаторов зависят в значительной мере такие показатели как пенетрантность и экспрессивность. В этом отношении наиболее изучен ген CFTR, В районе (19q13) CFTR находится ген, существенно модифицирующий проявление мутации в данном гене, которые приводят к тяжелому заболеванию – муковисцидозу. Продукт гена CFTR – мембранный белок, регулирующий трансмембранный транспорт ионов хлора в эпителиальных клетках. При его мутации транспорт ионов хлора нарушается. В гене CFTR идентифицировано 1000 различных мутаций:

1) нонсенс-мутации (G542X)

2) мутации сдвига рамки считывания (3905insT)

3) мутации сплайсинга (621GT)

4) нарушение процессинга (созревания белка)(delF508, S549T, N1303K)

5) нарушение функции самого белка CFTR (G551D; G551S; G1244E; S1255E)

Муковисцидоз (МВ) – это самое распространенное генетическое заболевание, которое передается только по наследству и проявляется в младенчестве. В ХХ веке 32% детей доживали до 18-летнего возраста. При современной и своевременной диагностике и правильном лечении их жизнь можно продлить до 30-40 лет и дольше.

Фенилкетонурия (ФКУ) – одно из наиболее частых аутосомно-рецессивных заболеваний, обусловленных наследственным дефектом гена РАН, контролирующего синтез печеночного фермента фенилаланин-4-гидроксилазы. В результате дефекта фермента нарушается процесс превращения фенилаланина в тирозин. Вместо тирозина образуется токсическая фенил-пировиноградная кислот а, которая выделяется с мочой. Наиболее распространенный тип мутаций – однонуклеотидные замены (миссенс, нонсенс и мутации в сайтах сплайсинга).

Отмечается неравномерный характер внутригенной локализации мутаций. Наибольшее число миссенс- мутаций встречается в центральной части гена РАН: в экзонах 7, 9 и 12. Токсическое действие высоких концентраций фенилаланина, а также продуктов его превращений лежит в первую очередь в основе развития болезни. Это ведет к нарушению последующих звеньев биохимической цепи реакций, в ходе которых образуются такие необходимые для жизнедеятельности соединения, как адреналин, меланин, норадреналин. Частота заболевания в России колеблется в пределах 1 на 8000 – 10000. Ген РАН транскрибируется в гепатоцитах с образованием мРНК размером 2,4 т.п.н.

Болезни, связанные с крупными перестройками или делециями генов

Миодистрофия Дюшенна-Беккера - сцепленная с полом мышечная дистрофия; выделяют две клинические формы: тяжелую - миодистрофию Дюшенна (МД) и гораздо более мягкую –миодистрофию Беккера (МБ). Ген миодистрофии Дюшенна (DMD) — один из самых крупных известных генов человека (2200 т.п.н.), кодирует белок дистрофин, входящий в состав сарколеммы мышечного волокна. У 60% больных мальчиков в гене DMD обнаруживаются протяженные делеции, захватывающие от одного до нескольких соседних экзонов.

Адреногенитальный синдром (АГС) - распространенное аутосомно-рецессивное заболевание. Его ген CYP21B картирован на коротком плече хромосомы 6 (6р21.3). В данном локусе располагается два гена активный CYP21B и псевдоген CYP21A. CYP21A неактивен вследствие делеции в 3 экзоне, инсерции со сдвигом рамки считывания в 7 экзоне, и нонсенс мутации в 8 экзоне. При АГС может происходить конверсия гена, перемещение фрагмента активного гена на псевдоген. В результате функции активного гена нарушаются. Частота заболевания составляет 1: 5000 - 10000 новорожденных. Болезни, обусловленные экспансией повторов ДНК. За этой группой заболеваний исторически закрепилось название болезней «экспансии»:хорея Гентингтона; синдром ломкой Х-хромосомы тип 2; болезнь Кеннеди.

Причина синдрома Кеннеди — специфическая мутация гена андрогенового рецептора (AR, Хq13). Сначала появляется медленно нарастающая мышечная слабость в проксимальных отделах рук, уменьшение движений в них, тремор пальцев рук. Через 10–20 лет постепенно возникают слабость жевательных и мимических мышц, затруднения при глотании, нарушения речи, могут развиться контрактуры в суставах рук. Часто беспокоят эндокринно-обменные изменения — гинекомастия, понижение потенции, атрофия яичек, диабет.

Результаты фундаментальных исследований в области генов-кандитатов широко распространенных болезней человека для практикующего врача важны. Они позволяют предсказать болезнь у пока здорового человека (предиктивное генетическое тестирование) или даже у будущего ребенка (пренатальная диагностика), проводить эфективное лечение, включая генотерапию, предупреждать манифестацию болезни, зная тонкие механизмы взаимодействия в системе «генотип—среда».

 Группа болезней, в возникновении которых играет роль и генетическая предрасположенность и факторы внешней среды, называются мультифакториальными заболеваниями. Они представляют собой наиболее обширную группу наследственной патологии: сердечно-сосудистые, нервные, психические, детские, кожные, глазные и другие заболевания. Все они обусловлены многими генами и их сложным взаимодействием с факторами среды. Гены-кандидаты сердечно-сосудистых заболевани

Кардиомиопатии — группа болезней сердца, в изучении которых успехи геномных исследований не менее впечатляющи. Наиболее полно изучена семейная гипертрофическая кардиомиопатия (FHCM). Картирование области сцепления с FHCM на хромосоме 14 было осуществлено в 1989 г.,а через год была установлена конкретная мутация гена тяжелой цепи β-миозина (МУН7),приводящая к болезни. В настоящее время картировано восемь ядерных генов, мутации которых приводят к развитию FHCM. Все они кодируют белки, формирующие саркомеры, поэтому эту патологию иногда называют «болезнями саркомера». Cреди этих «главных генов», отвечающих за развитие FHCM, найдено 85 различных мутаций. Большинство из них миссенс-мутации, но есть мутации образования раннего стоп-кодона, что приводит к синтезу укороченного мутантного белка.

Эссенциальная гипертензия (ЭГ) по мнению многих исследователей носит мультифакториальный характер, но в настоящее время известно не все гены-кандидаты ЭГ. В последнее время особое внимание привлекает ген NOS (ген синтазы окиси азота), продукт которого определяет уровень окиси азота в стенке кровеносных сосудов. Ген эндотелиальной синтазы окиси азота (NOS3) отвечает за предрасположенность к ишемической болезни сердца и способствует тяге к курению кроме того обнаружена тесная связь развития гипертензии с комбинацией 2 признаков: низкого веса при рождении и большого размера плаценты.

Атеросклероз. Сложность механизмов атеросклкероза и его развития являются существенным препятствием к выяснению генетических основ развития этой «эпидемии века».Существует гипотеза, согласно которой ген, отвечающий за предрасположенность к атеросклерозу располагается в районе гена (19р13.2-р13.12). Атеросклероз «ходит» за гипертонией как тень за человеком, а не редко две эти формы патологии вместе сочетаются с ожирением и сахарным диабетом. Современные геномные исследования показывают, что эти болезни часто ассоциированы с одними и теми же генами-кандидатами: генами-ангиотензинконвертирующего фермента (АСЕ1), эндотелиальной синтазы окиси азота (NOS3), ангиотензиногена (AGT), фактора свёртывания крови (F13B). 50 Гены-кандидаты бронхолегочных заболеваний В результате геномных исследований установлены конкретные гены, лежащие в основе причин и механизмов развития некоторых болезней этой группы. Общее число генов, вовлеченных в развитие и функционирование бронхолегочной системы, составляет около 2000. Важно отметить, что гетерозиготные носители мутантных генов бронхолегочных заболеваний могут быть фенотипически здоровы. Но при воздействии определенных экологических и социальных факторов проявляют большую склонность к патологии.

Бронхиальная астма (БА) – хроническое воспалительное заболевание дыхательных путей. Молекулярные и клеточные механизмы развития атопической астмы изучены довольно подробно. Аллергены, попадая с потоком воздуха в дыхательные пути, взаимодействуют с дендритными клетками слизистой бронхов.Относительная важность генов, генов- модификаторов и эффектов окружающей среды в развитии БА варьирует в зависимости от этнической принадлежности человека.

ТУБЕРКУЛЁЗ - Это заболевание является проблемой мирового масштаба. По данным ВОЗ, одна треть населения мира инфицирована Mycobacterium tuberculosis. В 1998 г. было зарегистрировано 8 млн новых случаев клинического туберкулеза и 1,9 млн смертей от заболевания. Ожидается, что к 2015 г. в мире будет около 1 млрд вновь инфицированных, более 200 млн заболевших, а 70 млн — умрет от туберкулеза.В настоящее время стало понятно, что развитие инфекции tuberculosis обусловлено сложным взаимодействием между биологическими свойствами самого инфекционного агента, средовыми факторами и физиологической индивидуальностью человека.

Молекулярные основы предрасположенности к туберкулезу пока изучены недостаточно. Но получены доказательства связи туберкулёза с полиморфизмом гена рецептора к витамину D (VDR). Полиморфизм генов, кодирующий интерлейкин-1β (IL1B) и его рецепторного антагониста (IL1RA), который ассоциирован с туберкулёзом. Ведутся исследования генов-кандидатов предрасположенности к туберкулёзу (NOS2, TLR, NAT2, GST и др.)Важным является изучение функционального полиморфизма генов-кандидатов туберкулёза в популяциях различного этнического состава. У жителей Камбоджи была показана ассоциация аллеля HLA-DQB1*0503 II с заболеванием. Частота заболеваемостью туберкулезом у европиоидов, африканцев и австралийских аборигенов напрямую зависит от трех точечных замен в гене (МBL), ответственного за синтез белка, связывающего маннозу. Факты, накопленные к настоящему времени медицинской генетикой, показывают многообразие соотносительной роли наследственности и среды в развитии разных видов патологии. Поэтому будущим врачам так необходимы знания различных факторов и механизмов возникновения заболеваний, для того, чтобы можно было осуществлять своевременную диагностику и профилактику наследственных болезней.