МУТАГЕНЕЗ. ГЕНЕТИЧЕСКИ ОБУСЛОВЛЕННЫЕ ЗАБОЛЕВАНИЯ

Существует огромное количество описанных наследственных (врожденных) заболеваний человека. К концу XX в. врачам было известно более 6 тыс. наследственных аномалий у человека. С каждым годом число их только увеличивается. С одной стороны, это обусловлено прогрессом биологии и медицины. С другой — постоянным увеличением неблагоприятных воздействий окружающей среды, которые способны нарушить наследственную информацию. В первую очередь, это радиация и химическое загрязнение. Так, уже давно известно о мутагенных свойствах тяжелых металлов. Установлена способность солей алюминия, кадмия, ртути, теллура, свинца вызывать отклонения от норм у потомства людей или животных.

Изучением факторов окружающей среды, способных вызвать нарушения наследственности организмов (мутации), занимается токсикогенетика. Такие факторы называют мутагенами, или генотоксикантами. Мутагены характеризуются способностью повышать частоту возникновения мутаций по сравнению со спонтанными мутациями, а также способностью вызывать определенные типы мутаций.

Мутагены разделяют на три группы:

• 1) физические мутагены — ионизирующая радиация, ультрафиолетовое излучение, электромагнитные поля, слишком высокие и слишком низкие температуры;
• 2) химические мутагены — перекиси, тяжелые металлы, хлорированные углеводороды, азотистая кислота и ее производные, ПАУ идр.;
• 3) биологические мутагены — вирусы, противовирусные вакцины, чужеродные ДНК и РНК, токсины, выделяемые эндопаразитами (гельминтами, простейшими).

Сейчас известно несколько сотен тысяч мутагенов. Они присутствуют во многих веществах, которые широко используются человеком: красках для волос, порошках для копировальных машин, в красном вине, в жареных мясе и рыбе, в сигаретном дыме.

Мутагены оказывают влияние на человека в случае как прямого, так и косвенного воздействия (через пищевые цепи, так как химические вещества накапливаются и сохраняются в тканях растений, животных, рыб). Микроорганизмы, вызывающие заболевания человека, под действием мутагенов могут видоизменяться.

Мутационный процесс (мутагенез) — процесс образования скачкообразных наследуемых изменений генетического материала (количества или структуры ДНК).

Рис. 3.3

Основные факторы, вызывающие изменения в естественном мутационном процессе, и последствия этих изменений

В молекулах ДНК записана информация о строении всех белков организма человека, и, как известно, участок ДНК с информацией об одном конкретном белке называется геном.

Существуют два типа мутаций (рис. 3.3).

• 1. Соматические мутации (от грел, soma — тело), происходящие в соматических клетках (клетках тела), проявляются у людей, непосредственно подвергающихся генотоксическим воздействиям, увеличивают риск возникновения онкологических заболеваний (канцерогенез), снижают уровень иммунной защиты, уменьшают продолжительность жизни.
• 2. Гаметические мутации (от греч. gametes — супруг), возникающие в половых клетках, проявляются у потомства и создают угрозу для здоровья будущих поколений, увеличивая генетический груз популяции. Сюда же можно отнести нарушения внутриутробного развития при воздействии на организм женщин, что приводит к возникновению врожденных уродств плода — тератогенезу.

Вероятность возникновения наследственных аномалий у человека примерно 1/1000, это означает, что каждый человек является носителем нескольких наследственных дефектов. Весь вопрос только в том, что они собой представляют и насколько сильно влияют на самочувствие и работоспособность. Не все мутации вызывают патологии, некоторые из них не влияют на жизнеспособность организмов, а обеспечивают внутривидовое различие по комплексу признаков, включающих у человека, например, цвет глаз, волос и т. д. Однако многие мутации влияют на нормальный ход развития индивидуума, в результате чего на разных этапах жизни человека (при рождении, в детстве, в зрелые годы) проявляются врожденные дефекты.

По времени возникновения мутации разделяют на «свежие», возникшие в половых клетках родителей мутанта, и унаследованные, т. е. возникшие в предыдущих поколениях, например «габсбурская губа», прослеживающаяся, судя по фамильным портретам представителей этой королевской династии, на протяжении столетий.

В ядрах клеток живых организмов находятся хромосомы (от греч. chroma — цвет, окраска и soma — тело), содержащие свернутые спирали ДНК. Молекулы ДНК содержат информацию об аминокислотном составе белков и состоят из нуклеотидов — азотистых оснований аденина, тимина, гуанина и цитозина. Свое название они получили от латинского слова nucleus — ядро, поскольку молекулы ДНК находятся в ядрах клеток. В соматических клетках человека 46 хромосом, а в половых клетках — половина этого набора — 23 хромосомы.

По характеру повреждения генетического материала мутации разделяют на:

• ? генные, или точковые — затрагивающие один или несколько нуклеотидов в структуре ДНК;
• ? хромосомные — изменяющие структуру хромосом;
• ? геномные — изменяющие число хромосом.

Замена или потеря даже одной-единственной буквы в «тексте» ДНК способна привести к серьезным последствиям. В результате одна аминокислота в белке может быть заменена другой. Структура белка станет немного иной и, как следствие, изменится его функция, работоспособность. Такие минимальные изменения в ДНК называются генными, или толковыми, мутациями. Точками в ДНК служат определенные сочетания букв — нуклеотидов. Именно они позволяют понять, где в ДНК заканчивается информация об одном белке и начинаются сведения о другом. Бывает, что в результате точечных мутаций такая «точка» появляется в пределах одного гена. В этом случае синтез данного белка прекращается и вместо длинной полноценной белковой цепочки получается что-то вроде ее «огрызка».

В результате мутаций из ДНК могут пропадать небольшие «кусочки». Такие мутации называются делециями (лат. deletio — уничтожение). Добавление лишнего «кусочка» называется инсерцией (англ, to insert — вставить). Если какая-то часть ДНК удваивается, такое изменение называют дубликацией (лат. dublicatio — удвоение). Иногда «кусочек» ДНК меняет свое положение, т. е. вырезается из одного места, а затем вставляется в другое. Такую мутацию называют транслокацией (лат. trans — через и locus — место). Отрезок ДНК может перевернуться на 180 градусов и в таком виде быть встроенным на свое место. Такая мутация называется инверсией (лат. inversio — перестановка).

Таким образом, все мутации, происходящие с отдельными генами, называются генными, как и врожденные заболевания, которые такими мутациями вызываются. Обнаружить генные мутации, разглядывая окрашенные хромосомы под микроскопом, не удается (слишком малы эти молекулярные изменения).

Генные мутации снижают приспособленность индивидуумов (гемофилия, порок сердца), но некоторые вполне совместимы с полноценной жизнью и репродукцией (альбинизм, карликовость, заячья губа, волчья пасть, шестипалость). Именно они вызывают наследственные заболевания, которых сейчас известно около 6 тыс. (астма, диабет, подагра, эпилепсия).

Мутация в генах приводит к изменению кровеносной системы (гемофилия), костной и мышечной систем (карликовость, шестипалость и косолапость, волчья пасть и заячья губа, синдром Марфана, мышечная дистрофия), кожи (ихтиозы, кератозы, псориаз, альбинизм), органов зрения (косоглазие, астигматизм, катаракта, дальтонизм), обмена веществ (диабет) и другим многочисленным заболеваниям.

Гемофилия (от греч. haima — кровь и phileo — любить) — болезнь несвертываемости крови. Болезнь передается в семьях по женской линии. Дефектный ген находится в одной из двух женских Х-хромосом. Больные гемофилией имеют различные отклонения. Этот ген представляет собой огромную молекулу, состоящую из 2332 аминокислот. Повреждений у гена как минимум семь. Из них четыре представляют собой точечные мутации, т. е. повреждения единичных нуклеотидов, которые ведут к замене всего одной аминокислоты в белке. Оставшиеся три нарушения представляют собой делении — потери небольших участков гена.

Этим людям угрожают не только внешние кровотечения, но и внутренние кровоизлияния. При этом вытекающая из поврежденных сосудов кровь может распространяться вдоль мышц. Из-за этого окружающие их ткани нередко разбухают. Кровь, попавшая в суставные сумки, надолго лишает сустав подвижности. Хрящ суставов начинает разрушаться, становится губчатым, рыхлым, а кости ломкими.

Карликовость. Карликовым считается рост ниже 130 см (у мужчин) и 120 см (у женщин). Рост костей происходит в результате деятельности клеток-остеоцитов (греч. osteo — кость и cytos — клетка). На интенсивность работы остео- цитов влияет гормон роста — соматотропин (soma — тело, tropos — способ). Он представляет собой белок, состоящий из 191 аминокислоты и вырабатываемый в одной из главных желез внутренней секреции — гипофизе.

Чаще всего карликовость объясняется различными нарушениями в гене, кодирующим гормон роста. Обычно это делеции, т. е. утраты части ДНК, которые наследуются. Возможны также точечные мутации в гене соматотро- пина, приводящие к обрыву синтезируемого белка, что влияет на его биологическую активность. Другая распространенная причина врожденной карликовости — дефекты в гене рецептора соматотропина (синдром Ларон). Сам гормон вырабатывается нормально, но клетки не в состоянии его воспринять. Люди, у которых соматотропный гормон вырабатывается в избытке, страдают акромегалией (от греч. асгоп — конечность, megalos — большой). У них увеличены кисти рук, стопы, нижняя челюсть, нос и даже язык. Лицо расширено за счет разрастания связочных узлов нижней челюсти под скулами. Мышечная масса также растет. Гормон роста укрепляет соединительную ткань, кости, хрящи, что приводит к увеличению силы. Избыточный рост конечностей называют макромелией (греч. macros — большой и melos — конечность).

Чаще, однако, происходит недоразвитие конечностей или возникают различные дефекты развития пальцев. В крайних случаях рождаются дети, у которых отсутствует одна или несколько конечностей. Такой порок развития называется эктомелией. Иногда отсутствует конечный отдел конечности (гемимелия) и ее средняя часть (фокомелия). Эти тяжелые пороки чаще всего являются следствием сбоев в процессе внутриутробного развития, которые могут возникать в результате действия различных токсичных веществ на организм матери в процессе беременности. Известный пример — последствия действия лекарства тали- домида, которое во второй половине XX в. американским женщинам рекомендовали применять для снятия симптомов токсикоза во время беременности. Позже выяснилось, что талидомид приводит к врожденным уродствам плода, чаще всего влияя именно на конечности ребенка.

Волчья пасть и заячья губа — расщелины губы и нёба — являются одними из самых распространенных врожденных дефектов у детей. Они возникают у зародыша в первые два месяца беременности, когда формируются челюстно-лицевые органы. Причина возникновения данной аномалии до сих пор изучена недостаточно. Специалисты связывают это заболевание с курением женщины во время беременности. Вероятность рождения ребенка с расщелинами губы и неба у курившей во время беременности женщины зависит от количества выкуриваемых сигарет. Например, если беременная выкуривает в день от одной до 10 сигарет, то риск возникновения врожденных дефектов челюстно-лицевой области у рожденного ею ребенка на 30% выше, чем у некурящей женщины. Если же количество выкуриваемых ежедневно сигарет выше 21, то такая вероятность увеличивается до 70%.

Дефект некоторых генов, влияющих на образование и развитие соединительной ткани у человека, иногда приводит к непропорциональному гигантизму. У страдающих этой болезнью людей очень длинные руки и ноги при относительно коротком туловище. Такая аномалия называется синдромом Марфана, который считают полулетальным, поскольку он связан с пороками сердца. Синдром вызван наследственным нарушением развития соединительной ткани и характеризуется поражением опорно-двигательного аппарата, глаз и внутренних органов. Другое название этой аномалии — арахнодактилия (грея, dactyl — палец и arachna — паук). Нередко люди с арахнодактилией умирают от аневризмы аорты, которая не выдерживает давления выбрасываемой в нее крови. Тем не менее некоторые люди, у которых этот синдром проявляется в мягкой форме, доживают до зрелых лет. Синдром Марфана встречается редко, вероятность его появления 1/50 000. У людей с синдромом Марфана повышено содержание адреналина в крови, который постоянно подстегивает их нервную систему и делает невероятными трудоголиками.

Наиболее распространенным наследственным нервно- мышечным заболеванием человека является мышечная дистрофия Дюшенна. Причиной дистрофии этого типа являются мутации в одном гене, который хранит информацию о строении белка, названного дистрофином. Ген ди- строфина является самым большим из известных генов человека и составляет почти 0,1% всей его ДНК. Он находится в Х-хромосоме. В результате наследование дистрофии Дюшенна связано с полом. Страдают от этого недуга в основном мальчики. Мышцы постепенно замещаются фиброзной и жировой тканью.

Реже встречаются другие формы миодистрофии (греч. myos — мышца). Например, миодистрофия Беккера. Причина ее та же — дефект белка дистрофина, однако, в отличие от миодистрофии Дюшенна, этот белок все же продолжает работать, хотя и хуже, чем в норме.

Альбинизм связан с нарушением нормальной пигментации кожи. Темный пигмент меланин, который придает белой коже телесный оттенок и продукция которого возрастает под воздействием солнечных лучей, образуется в клетках человека и животных из аминокислоты фенилаланина. За синтез меланина отвечают несколько ферментов. Поэтому к альбинизму могут приводить дефекты в разных генах, кодирующих эти ферменты. Этим объясняются редкие случаи рождения нормальных детей у родителей альбиносов.

Меланины не просто защищают кожу от опасного ультрафиолетового излучения путем поглощения энергии солнечных лучей и превращения ее в тепло. Они ограждают клетки от влияния свободных радикалов и молекулярного кислорода. Поэтому их можно рассматривать как естественные антимутагены.

Повреждения генов могут приводить к нарушению обмена веществ и вызывать наследственные заболевания: гиперхолистеринемию, диабет и др.

Гиперхолистеринемия (греч. hyper — сверх, chole — желчь, stereos — твердый) — нарушения метаболизма, которые вызывают стойкое и очень высокое содержание холестерина в крови. Существует по меньшей мере пять мутаций в гене рецептора холестерина, которые могут полностью приводить этот рецептор в негодность. У людей с наследственной гиперхолистеринемией холестерин поглощается клетками менее интенсивно, и поэтому с возрастом у них неизбежно развивается ишемическая болезнь сердца и атеросклероз.

Диабет (греч. dia — через, сквозь) в переводе означает «протекающий». Выпитая больными вода буквально протекает через их тело без всякой пользы, они страдают от постоянной жажды и обильного отделения мочи. В моче больных присутствует сахар, поэтому в медицине используют еще одно понятие — глюкозоурия (грея, dlykys — сахар, uron — моча), что означает сахарное мочеизнурение. Концентрация глюкозы в кровяном русле регулируется с помощью гормона инсулина, который вырабатывается специальными клетками поджелудочной железы — островками Лангерганса. Эти клетки похожи на островок, каждый из которых состоит примерно из 3 тыс. клеток. Инсулин был первым гормоном, для которого была четко установлена его белковая природа и расшифрована последовательность составляющих его аминокислот. Кодирующий инсулин ген находится у человека в 11-й хромосоме.

Рассмотренные болезни составляют лишь небольшую часть от общего количества наследственных заболеваний, связанных с генными, или толковыми, мутациями.

Процессы, происходящие с отдельными отрезками ДНК, могут происходить и с отдельными хромосомами. Хромосомы теряют одни свои кусочки (делеция) и обретают новые (инсерция). Две негомологичные хромосомы могут поменяться двумя участками (транслокация). Инверсии тоже случаются. Подобные мутации называются хромосомными аберрациями. Недуги, которые вызывают такие изменения, называются хромосомными заболеваниями. К ним относятся и врожденные болезни, вызванные добавочными хромосомами. Существуют также сбои на уровне всего генома — геномные мутации.

Гаплоидный (грея, haplos — одиночный) набор хромосом человека состоит из 23 различных хромосом. Двойной набор хромосом называется диплоидным (грея, diplos — двойной). Число хромосом диплоидного набора человека равно 46 (два гаплоидных набора). Ядра подавляющего большинства клеток человека содержат именно 46 хромосом; при этом один гаплоидный набор составляют хромосомы, полученные от матери, а другой — хромосомы, полученные от отца. Поэтому все хромосомы диплоидного набора можно расположить парами — пара № 1, пара № 2 и т. д.

Геномные и хромосомные мутации либо несовместимы с жизнью (их носители погибают в раннем детстве), либо приводят к аномалиям физического и умственного развития. Например, синдром Дауна, синдромы Патау и Эдвардса, синдром кошачьего крика, синдром Шершевского — Тернера, синдром Клайнфельтера и др.

Синдром Дауна встречается с частотой 1 на 700-900 новорожденных, если возраст матери не превышает 30-35 лет и гораздо чаще при превышении этого возраста. Эта болезнь обусловлена наличием третьей хромосомы в 21-й паре хромосом и связана с искажением физических способностей человека и умственной отсталостью.

В каждой клетке тела людей с синдромом Дауна можно обнаружить не 46, а 47 хромосом. Гены, ответственные за возникновение синдрома Дауна, находятся на определенном участке 21-й хромосомы. Во-первых, это ген, кодирующий белок а-кристаллин, входящий в состав хрусталика. Известно, что при синдроме Дауна часто возникают катаракты. Во-вторых, это ген, кодирующий один из белков мозга (Р-амилоид). Этот белок обнаружен в больших количествах в мозге при болезни Альцгеймера, которая вызывает старческое слабоумие. В мозге больных синдромом Дауна такого белка тоже много, и, вероятно, с этим связана их умственная неполноценность. В-третьих, среди генов 21-й хромосомы у больных обнаружен онкоген, который вызывает лейкемию (рак крови). У больных синдромом Дауна это смертельно опасное заболевание возникает в 20-50 раз чаще, чем в среднем в обществе. Также на участке 21-й хромосомы находится ген, кодирующий фермент (супероксиддисмутазу), который борется в организме человека со свободными радикалами, содержащими атомы кислорода. Нарушения в работе этого гена (и, как следствие, сбои в работе фермента) приводят к ускорению процессов старения. Лишь четверть больных с синдромом Дауна доживает до 50 лет.

Синдром Патау вызван трисомией (греч. tri — три, soma — тело) по 13-й хромосоме, т. е. наличием 3-й хромосомы в 13-й паре хромосом. Характерный признак синдрома — пороки развития головного мозга и черепа. Лоб у младенцев обычно скошенный, окружность черепа меньше нормы, переносица запавшая. При синдроме Патау до года доживают лишь 5% младенцев.

Синдром Эдвардса вызван трисомией по 18-й хромосоме. Лишняя хромосома № 18 приводит к порокам развития лицевой части черепа, сердца, костной системы и половых органнов. Больные этим синдромом дети с трудом принимают пищу из-за скошенного подбородка, неразвитых челюстей и маленького рта. Лишь половина новорожденных доживают до двухмесячного возраста, до 90% младенцев с трисомией-18 погибают в течение первого года жизни. Все новорожденные с синдромом Эдвардса демонстрируют глубокую степень дебильности.

Синдром кошачьего крика вызван нехваткой (делеци- ей) части хромосомы № 5, которую дети могут получить от одного из родителей. Для детей с этим синдромом обычно характерна задержка умственного и физического развития, иногда в очень тяжелой форме.

Синдром Шершевского — Тернера связан с отсутствием одной из хромосом диплоидного набора — моносомией (грея, mono — один). В большинстве случаев зародыши с такой аномалией нежизнеспособны. Единственный случай, когда на свет может появиться жизнеспособный ребенок не с 46, а 45 хромосомами — отсутствие одной из двух Х-хромосом (или одного из фрагментов Х-хромосо- мы). Такие новорожденные выглядят как девочки, однако их половые признаки недоразвиты. Для синдрома характерны различные пороки, включая различные пороки сердца, а также низкий рост и «антимонголоидный» разрез глаз (внутренние углы глаз ниже наружных). Рост взрослых людей с таким синдромом редко превышает 135 см. К деторождению женщины с таким синдромом не способны.

Синдром Клайнфельтера встречается у мужчин и обусловлен наличием добавочной Х-хромосомы. В результате набор половых хромосом — XXY. Отклонения от нормы у обладателей такого набора проявляются в период полового созревания. Они имеют евнухоидный тип строения тела: узкие плечи и грудная клетка, широкий таз, слабо развитая мускулатура, увеличенные грудные железы и т. д. По наследству этот синдром не передается вследствие стерильности его носителей. Интеллект нередко при этом не страдает, хотя в некоторых случаях наблюдается задержка умственного развития, достигающая порой дебильности.

Почти всегда умственная отсталость выявляется у больных с хромосомным набором XXXY или даже с XXXXY. Внешне таких людей идентифицируют как мужчин, однако они стерильны и обладают евнухоидной внешностью.

Синдром Морриса является результатом нарушения гена, кодирующего клеточный рецептор тестостерона. Этот мужской половой гормон организмом вырабатывается, но клетками тела не воспринимается. Несмотря на то что все клетки эмбриона обладают X и Y половыми хромосомами, они реагируют только на женские половые гормоны, что заставляет эмбрион развиваться в женскую сторону. В результате рождается существо, обладающее мужским набором хромосом, внешне воспринимаемое как девочка. Страдающие этим синдромом девушки обладают мужской силой, активностью, выносливостью и легко попадают в сборные и атлетические команды. По статистике, около 1% всех выдающихся спортсменок по своей природе не являются женщинами. В настоящее время такие спортсменки дисквалифицируются. Синдром Морриса не передается по наследству, поскольку страдающие им люди бесплодны.

Причиной врожденных мутаций может быть и возраст родителей (особенно матери). Генетики считают, что есть три главные причины частоты наследственных аномалий в человеческих популяциях. Первая — загрязнение окружающей среды и попадание в организм человека мутагенов вместе с пищей, водой и некоторыми медикаментами. Вторая — усиление межэтнических репродуктивных контактов. Третья — снижение интенсивности естественного отбора, что во многом определяется успехами медицины (повышение жизнеспособности новорожденных, включая недоношенных детей).

Следствием этого является насыщение популяции болезнями и увеличение ее генетического груза.

По данным ВОЗ, реальный генетический груз современной человеческой популяции составляет около 7%. Он проявляется в поражении хромосомными болезнями

(в основе которых лежат геномные и хромосомные мута- ции)0,5-1,0% новорожденных; рождении детей (0,5-1,0%) с аномалиями, вызванными мутациями в генах; появлении (необязательно к моменту рождения) у 2,5% детей пороков развития (пороки сердца, заячья губа, волчья пасть, вывих бедра и др.); проявлении наследуемых психических заболеваний (шизофрения, маниакально-депрессивный синдром) или умственной отсталости у 2% людей; в провоцировании хронических и дегенеративных заболеваний (сахарный диабет, эпилепсия, некоторые формы патологии щитовидной железы, обмена веществ).

Исследования мутационных процессов у людей, проживающих в экологически неблагополучных районах, основаны на учете хромосомных и генных мутаций, поражающих человека во время внутриутробного развития (их проявление — спонтанные аборты) и приводящих к появлению новорожденных с врожденными пороками. Результаты исследований показывают, что растущее загрязнение и действие мутагенов среды в отдельных, экологически неблагополучных регионах ведет к постепенному разрушению генофонда человека, а сохранение современного уровня загрязнения окружающей среды чревато угрозой его существованию на Земле уже через 10-20 лет.

К факторам, снижающим действие мутагенов, относятся мутагенная адаптация, десмутагены и антимутагены.

Мутагенная адаптация проявляется при увеличении дозы мутагенов. Число мутаций в клетках при этом увеличивается только до определенного предела. Частота мутаций далее не следует за величиной дозы, а может даже снижаться, поскольку клетки адаптируются к действию мутагенов. Хотя малые дозы мутагенов и вызывают мутации, однако их воздействие приводит к защите наследственного аппарата от более серьезных последствий, вызываемых большими дозами.

Десмутагены — факторы, которые ослабляют влияние мутагенов на их пути к клеткам. Это ослабление происходит в результате химических реакций, например с витаминами С, D или мочевой кислотой. Благодаря этому действие химических мутагенов имеет свои пороговые значения.

Антимутагены — факторы, снимающие эффект мутагена в клетке. К ним относятся витамины С, Е, интерфе- роны, экстракты из некоторых растений (капусты, зеленого перца, чеснока, лука). Они повышают в организме человека активность ферментов, залечивающих повреждения ДНК.