Разработка концепций, предложенных Гальтоном и Менделем, приблизила нас к пониманию механизма действия генов. Обсуждение близнецового метода выявило не только его возможности, но и ограничения, связанные с тем, что в этом случае анализ основан на сравнении фенотипов без изучения действия отдельных генов. Близнецовый метод по существу сводится к измерению и количественному сравнению варьирующих признаков у близких родственников. Важно помнить, что оценки наследуемости только указывают на присущую данной популяции генетическую изменчивость, но не позволяют делать выводы о ее причинах. Подобного рода оценки ставят вопросы, но ответа на них не дают.
Напротив, подход Менделя оказался плодотворным для выяснения того, какие генетические факторы и каким образом определяют конкретный фенотип. Шаг за шагом исследователи шли к разрешению этой загадки (разд. 3.6).
Можно сказать, что первый шаг в этом направлении сделал А. Гэррод. Он разработал концепцию врожденных нарушений метаболизма (разд. 3.6). Позже было показано, что гены определяют структуру белков и многие распространенные наследственные болезни связаны именно с дефектами ферментов. Введение в практику исследований методов анализа белков позволило выявлять изменчивость на уровне аминокислотных последовательностей, а после того как в 1953 г. Уотсон и Крик раскрыли структуру ДНК [1347], и был расшифрован генетический код, стало ясно, что различия в аминокислотных последовательностях объясняются заменами нуклеотидов в ДНК. Механизмы регуляции действия генов у высших организмов до сих пор не установлены, остается также открытым вопрос о том, каким образом активность различных генов регулируется и интегрируется в процессе развития и при функционировании организма как целого. Достаточно подробно разработаны и экспериментально обоснованы модели генной регуляции у бактерий. Оказалось однако, что эти модели гораздо хуже объясняют регуляцию генов у высших организмов. Известно, что эукариоты существенно отличаются от бактерий по сложности организации. Неудивительно поэтому, что сложившиеся в ходе эволюции механизмы, обеспечивающие генную регуляцию про- и эукариот, тоже различны.
Практические аспекты генетики человека. Многие наследственные болезни человека можно удовлетворительно объяснить различиями в действии отдельных генов. Другую группу явлений, так называемые мультифакториальные заболевания, тоже в какой-то степени можно понять в рамках действия отдельных генов (разд. 3.7). Еще один большой класс составляют синдромы, обусловленные численными или структурными хромосомными аберрациями. Их объяснить в терминах действия отдельных генов невозможно. Понять механизм этой группы заболеваний - наиболее сложная проблема генетики человека.
Изучение нормальных вариантов и аномалий, развитие которых контролируется отдельными генами, очень полезно для всестороннего анализа нормальных функций. С другой стороны, раскрытие механизма взаимосвязи генотипа и фенотипа при синдромах, обусловленных хромосомными аберрациями, позволит углубить наши представления о генетической регуляции нормального эмбрионального развития. Как уже упоминалось в разд.3.6.1, гене-
6 4. Действие генов
Таблица 4.1.Этиология и патогенез наследственных заболеваний по данным биохимических и молекулярно-биологических исследований (по [203] с изменениями) | ||
Уровень анализа | Тип нарушения | Пример |
Нарушения структуры ДНК | 1. Делеции | α-Талассемия, гемоглобины Лепоре, гемофилия (разд. 4.3.4.) |
2. Единичные нуклеотидные замены | Серповидноклеточная анемия (разд. 4.3.2) | |
3. Мутации, нарушающие сплайсинг | Некоторые виды β-талассемии (разд. 4.3.4) | |
4. Нонсенс-мутации | Некоторые виды β-талассемии (разд. 4.3.4, 4.3.5) | |
5. Мутации сдвига рамки считывания | Гемоглобин Уэйна (разд. 4.3.3) | |
6. Дупликации генов | Гемоглобин Грэди (разд. 4.3) | |
7. Регуляторные мутации (см. разд. 5.1.4) | Некоторые виды Р-талассемии | |
Нарушение функции ферментов | 1. Полное отсутствие активности | |
а) белок обнаруживается иммунологически | Некоторые варианты синдрома Леша—Найхана (разд. 4.2.2.6) | |
б) белок иммунологически не обнаруживается | Большинство вариантов синдрома Леша—Найхана, варианты гомоцистинурии (разд. 4.2.2.9) | |
2. Уменьшение активности | ||
а) уменьшено сродство к субстратам | Недостаточность по G6PD (Фрайбург) (разд. 4.2.2.2) | |
б) уменьшено сродство к кофакторам | Гомоцистинурия (пиридоксин-зависимый тип) (разд. 4.2.2.9) | |
в) нестабильные структуры | Некоторые варианты недостаточности по G6PD (разд. 4.2.2.2) | |
3. Увеличение активности | Вариант G6PD Гектона (разд. 4.2.2.2) | |
4. Нарушение белка, активирующего фермент | Вариант АВ ганглиозидоза GM2 [203] | |
5. Уменьшение количества кофакторов | Пиридоксин(витамин В6)- зависимость (разд. 5.2.2.5) | |
Нарушения функции неферментных белков | ||
1. Нарушение посттрансляционной модификации | Недостаточность α-1-антитрипсина, вариант ZZ (разд. 3.7.4) | |
2. Усиление способности к агрегации | Серповидноклеточная анемия (разд. 4.3.2) | |
3. Нарушение связывания с рецептором | Семейная гиперхолестеринемия (разд. 4.6.4); тестикулярная феминизация (разд. 4.7.5) | |
Нарушение функций клеток и органов | ||
1. Изменение метаболических путей | ||
а) накопление токсичного предшественника (катаболический путь) | Фенилкетонурия (разд. 4.2.2.7), мукополисахаридозы и другие лизосомные болезни (разд. 4.2.2.3) | |
б) недостаток продукта (анаболический путь) | Различные виды гипотиреоза с образованием зоба (разд. 4.2.2.7) | |
в) избыток продукта (анаболический путь) | Редкая форма подагры |
4. Действие генов 7
Продолжение табл. 4.1 | ||
Уровень анализа | Тип нарушения | Пример |
2. Нарушение регуляции путей биосинтеза по типу обратной связи | ||
а) избыток конечного продукта вследствие уменьшения количества регулятора | Острая перемежающаяся порфирия (разд. 4.6.3), семейная гиперхолестеринемия (разд. 4.6.4) | |
3. Нарушения функции мембран | ||
а) недостаточность трансмембранного транспорта | Цистинурия (см. [203], глава 80), наследственный сфероцитоз (разд. 4.6.5) | |
б) недостаточность рецептор-опосредованного эндоцитоза | Семейная гиперхолестеринемия, рецептор-негативный и рецептор-дефектный варианты (разд. 4.6.4) | |
в) недостаточность образования вторичных мессенджеров | Псевдогипопаратиреоз (см. [203], гл. 69) | |
4. Ненормальная внутриклеточная компартментализация | ||
а) накопление непроцессированного белка | Недостаточность по α-1-антитрипсину, вариант ZZ (разд. 3.7.4) | |
б) ненормальная локализация белка | I-клеточная болезнь (разд. 4.2.2.3), семейная гиперхолестеринемия (вариант с нарушением интернализации (разд. 4.6.4) | |
5. Нарушение клеточной организации тканей | ||
а) изменение формы клеток | Серповидноклеточная анемия (разд. 4.3.2), наследственный сфероцитоз (разд. 4.6.5) | |
б) изменение структуры органелл | Синдром неподвижности ресничек, в частности синдром Картагенера (см. [203], гл. 91) | |
в) изменение внеклеточного матрикса | Буллезный эпидермолиз типа Пасини (разд. 4.6.7), недостаточность лизилгидроксилаз (синдром Элерса—Данлоса, тип VI) |
тический анализ можно проводить на разных уровнях. Для изучения наследственных дефектов использовали методы биохимии и молекулярной биологии. Подобные исследования помогли установить биологические механизмы, действующие на трех разных уровнях: на собственно генном (на уровне последовательности нуклеотидов), на уровне белкового продукта гена и отчасти на качественном фенотипическом уровне. В ходе этих исследований выявлены разнообразные функциональные нарушения и, кроме того, получено много фактов,
расширяющих наше представление о норме. В табл. 4.1 приводятся типы генетических дефектов и примеры наследственных заболеваний, при которых эти дефекты изучались. Некоторые заболевания [например, гемоглобинопатии (30670) и гемофилии (30690)] изучены на всех трех уровнях. Однако в большинстве других случаев механизмы, лежащие в основе патологических состояний, удалось установить только на уровне белкового продукта гена (второй уровень) или на уровне нарушения функции клетки или органа (третий уровень).
8 4. Действие генов
Дальнейшее изложение будет главным образом посвящено анализу действия гена на уровне белкового продукта, что позволяет идентифицировать нарушения на уровне транскрипции ДНК. Мы обсудим различные механизмы доминантного действия генов и вопросы генной регуляции. На всех уровнях будут рассмотрены области практического применения и теоретические аспекты медицинской диагностики.