Результаты оценки частот мутаций

Оценки, полученные в популяционных исследованиях. Оценки частот мутаций приведены в табл. 5.8. Основной критерий, которым мы руководствовались, включая данные в эту таблицу,-достаточная достоверность определения числа случаев, особенно спорадических, наследственной болезни. Относительно некоторых конкретных болезней следует сделать ряд замечаний, которые могут оказаться полезными.

Ахондроплазия (10080) - довольно хорошо диагностируемая наследственная болезнь, характеризующаяся укорочением конечностей, седловидной переносицей, специфическими изменениями позвонков и иногда внутренней гидроцефалией. Репродуктивные функции таких больных значительно снижены; поэтому большинство всех известных случаев ахондроплазии являются спорадическими и обусловлены новыми мутациями. При вычислении приведенных оценок не учитывались данные о по крайней мере двух внешне похожих болезнях, приводящих к смерти вскоре после рождения: ахондрогенезе (20060, 20061, 20070) и летальной карликовости (27367). Прогресс в нозологической систематике остеодисплазий, имеющих множество различных подтипов, которые можно спутать с классической ахондроплазией, порождает сомнения в правильности старых оценок частот мутаций, основанных на

 

164 5 Мутации

Рис. 5.11. Аниридия. При этой болезни радужная оболочка полностью отсутствует (Courtesy of Dr. W. Jager.)

данных об этой болезни. Генетическая гетерогенность создает общую проблему, возникающую при получении большинства оценок частот возникновения мутаций. Если при более детальном исследовании окажется, что данная болезнь представлена более чем одной генетической формой, то частоту мутаций следует считать комбинированной оценкой для совокупности этих генетических форм

Учитывая имеющуюся в настоящее время возможность разграничения различных типов ахондроплазии с помощью клинических и рентгенологических критериев, большой интерес представили бы результаты пересмотра специалистами частот возникновения мутаций в случае этой болезни и для некоторых ее доминантных генокопий. Вместе с тем следует отметить, что три имеющиеся на сегодняшний день оценки, полученные из данных об ахондроплазии, удивительно близки по величине.

При аниридии (рис. 5 11 и 5.12) (10620) отсутствует радужная оболочка глаз. Кроме того, больные могут иметь такие дефекты зрения, как нистагм, различные формы катаракты или глаукому. Две приведенные здесь оценки, основанные на ре-

 

(брак-скан)

 

Рис. 5.12. Родословная с мутацией de novo, приведшей к аниридии [1560].

 

 

5 Мутации 165

Рис. 5.13. Ребенок с акроцефалосиндактилией (синдромом Аперта). Обратите внимание на синдактилию и деформацию головы.

 

ствующих костей (рис. 5.13) Во многих случаях отмечалось наличие других, дополнительных врожденных пороков развития и повышенная вероятность ранней смерти. В тех редких случаях, когда больные имели детей, по крайней мере три раза наблюдалась передача синдрома. Вывод о том, что синдром Аперта обусловлен доминантной мутацией, основан на этих фактах и на данных, свидетельствующих об очень сильном эффекте отцовского возраста (раздел 5.1.3.3) [1394; 1591а, 1689].

Несовершенный остеогенез (16620) сопровождается, помимо повышенной ломкости костей, такими симптомами, как голубые склеры и прогрессирующая нейросенсорная глухота. Крайне изменчивая экспрессивность соответствующих генов делает ненадежной любую оценку частоты возникновения мутаций. Генетическая гетерогенность и особенно существование рецессивных типов привносят дополнительные трудности.

Туберозный склероз (19110)-одна из первых наследственных болезней, для которых были получены оценки частот возникновения мутаций [1471] Однако это заболевание не принадлежит к числу наиболее подходящих для расчета таких оценок, поскольку экспрессия соответствующих генов довольно изменчива.

Нейрофиброматоз (16220) также проявляет довольно изменчивую экспрессивность. Первая из приведенных здесь оценок частот возникновения мутаций основана на результатах очень обстоятельного эпидемиологического исследования, проведенного в Мичигане [1426]. Эта частота оценивалась с применением как прямого, так и непрямого методов. Оценка, приведенная в табл. 5.8 (1 х 10^–4), - наивысшая из всех известных на сегодняшний день для наследственных болезней человека. Тем не менее мы не располагаем какими-либо убедительными доказательствами генетической гетерогенности нейрофиброматоза, если не считать данных о семьях с невриномой слухового нерва («центральным нейрофиброматозом»). Оценка, полученная позднее в Советском Союзе [1617], несколько лучше согласуется с другими оценками частот мутаций. Однако в данной работе определение частоты случаев болезни основано на материалах обследования 16-летних допризывников. В этом возрасте симптомы заболевания выражены слабо и их можно не заметить.

При полипозе кишечника (17510) возникают проблемы, связанные с генетической гетерогенностью этого заболевания, так как есть по крайней мере еще один синдром, включающий множественные полипы толстой кишки (синдром Гарднера).

В случае синдрома Марфана (15470) ситуация усложнилась в результате обнаружения гомоцистинурии (23620) - аутосомно-рецессивного заболевания, сходного с синдромом Марфана.

166 5. Мутации

Из данных о поликистозе почек (17390) получены наиболее высокие из известных на сегодняшний день (после оценок для нейрофиброматоза) частоты возникновения мутаций.

Оценка, полученная для множественных экзостозов (диафизарной аклазии) (13370), основана на данных о семи спорадических случаях, обнаруженных в относительно небольшой популяции. На пенетрантность, по-видимому, влияют гены-модификаторы, сцепленные с полом (см. разд. 3.1.7); приведенная оценка частоты мутаций не может быть очень точной.

В случае синдрома Хиппеля—Линдау (19330) оценка частоты мутаций основана на результатах исследования, проведенного Рёрборном и двумя его аспирантами [1407; 1587]. Хотя сами результаты еще не опубликованы, из сформулированных выводов ясно, что мы должны различать здесь по крайней мере три заболевания: отдельные унилатеральные ангиомы сетчатки, имеющие ненаследственный характер; отдельные ангиомы мозжечка также ненаследственной природы и аутосомно-доминантный синдром, обычно включающий билатеральный ангиоматоз сетчатки, гемангиомы мозжечка и другие опухоли внутренних органов (почек и т. д.). К сожалению, приведенная оценка частоты мутаций основана на данных о всего лишь трех больных, родители которых не имеют этого заболевания. Тем не менее результаты данного популяционного исследования, по-видимому, довольно достоверны. Эта частота - самая низкая из известных на сегодня частот возникновения мутаций, полученных для классических доминантных болезней, диагностируемых по специфическим фенотипам.

Х-сцепленные рецессивные болезни. В случае гемофилии (30670; 30690) оценки частот мутаций для разных популяций довольно хорошо согласуются друг с другом. Первые из таких оценок (для Дании и Швейцарии) были основаны на объединенных данных о гемофилии А и гемофилии В; позднее эти две нозологические формы стали рассматривать по отдельности. Частота возникновения мутаций в случае гемофилии А примерно на порядок выше частоты мутаций в случае гемофилии В. Это заболевание представляет большой интерес для генетики, так как биохимический анализ гемофилии А и В дал информацию относительно биологического механизма процесса мутирования [1509; 1594]. По этой причине гемофилия - единственная из всех наследственных болезней, в случае которой при оценке частоты мутаций проводился анализ на уровне ДНК (см. разд. 2.3.3.7) и белков-ферментов.

Для мышечной дистрофии Дюшенна (31020) известно по крайней мере 11 оценок частот мутаций, полученных из данных о разных популяциях. Как и в случае ретинобластомы, проблемы, связанные с идентификацией заболевания, преодолеваются довольно легко. Диагноз может быть поставлен без особых затруднений [1221]. Применение непрямого метода в данном случае, очевидно, вполне обосновано. Больные никогда не имеют детей. Следовательно, против этой мутации действует очень сильный отбор. По порядку величины все десять оценок удивительно хорошо согласуются друг с другом

Оценка для пигментного дерматоза (синдрома Блоха—Сульцбергера) (30830) основана на гипотезе, предложенной Ленцем [759] (см. раздел 3.1.4), согласно которой этот синдром имеет сцепленный с полом доминантный тип наследования, а гемизиготное состояние у мужчин летально. Такой тип наследования должен приводить к сильному отбору против соответствующей мутации.

Оценка для ротопальцелицевого дизостоза (31120) также основана на генетической гипотезе о летальности гемизигот и доминантности соответствующих генов у женщин; она базируется на данных о нескольких спорадических случаях [674].

Точность двух последних оценок частоты мутаций относительно невелика, так как они получены на основе обобщения небольшого числа случаев.

Насколько репрезентативны рассматриваемые мутации в отношении частоты возникновения мутаций в геноме человека? Все оценки частот возникновения мутаций, приведенные в табл. 5.8, - имеют порядок от 10^–4 до 10^–6. На первый взгляд обсуждаемые материалы свидетельствуют в пользу предположения об их репрезентативности. Однако такой вывод был бы ошибочным. Заболевания, перечисленные в табл. 5.8, выбраны на основании их пригодности для получения соответствующих оценок. Пригодность, в свою очередь, определяется легкостью распознавания данной болезни, а также, в большой степени ее частотой в популяции. Во всех проводившихся до сих пор эпидемиологических исследованиях наследственных заболеваний, численность изучавшихся популяционных групп не превышала 10 миллионов. Чтобы выявить нуж-

5. Мутации 167

 

ное число больных, достаточное для получения вполне приемлемой оценки частоты возникновения мутаций в популяциях такого размера, необходимо использовать данные о довольно распространенных патологиях.

Этот аспект рассматриваемой проблемы обстоятельно изучался Стевенсоном и Керром [1651] на болезнях, связанных с Х-хромосомой. По их мнению, данные о частотах нозологических форм и темпах мутирования можно разделить на три категории.

1. В случае немногочисленных распространенных наследственных болезней были проведены соответствующие целенаправленные исследования. Полученные оценки частот возникновения мутаций относительно достоверны.

2. Для получения оценок, касающихся редких наследственных патологий, эти авторы провели регистрацию всех сцепленных с Х-хромосомой дефектов у 875 000 новорожденных мальчиков. 3. В случае очень редких наследственных заболеваний единственный способ оценить частоту вызывающих их мутацийпроанализировать имеющиеся в литературе данные о больных и их семьях. Стевенсон и Керр [1651] провели исследование 49 редких наследственных патологий. В их числе - системы полиморфных признаков, частота которых, как очевидно, не зависит от равновесия между мутациями и отбором (цветовая слепота, группа крови Xg, варианты G6PD). Представление о примерном порядке величин частот мутаций, оценка которых основана на данных об этих 49 болезнях, дает рис. 5.14. Авторы не считают свои результаты точными, однако они приводят убедительные доказательства в пользу правдоподобия этих оценок.

Существует лишь одна наследственная патология - мышечная дистрофия Дюшен-

 

Рис. 5.14.Сравнение относительно точно известных мутационных частот, обусловливающих некоторые аутосомно-доминантные и Х-сцепленные заболевания (табл. 5 10), с Х-сцепленными мутациями, для которых известен лишь порядок величин мутационных частот Обратите внимание, что для второй группы связанных с Х-хромосомой болезней частоты мутаций гораздо ниже [1651].

168 5. Мутации

 

на,-для которой частота мутаций выше 5 х 10^–5. Для 24 болезней оценка частоты мутаций ниже 1 х 10^–7, а для других 11 она заключена в интервале между 1 х 10^–7 и 1 х 10^–6. Такое распределение сильно затрудняет расчет соответствующей средней, в особенности из-за того, что данный список болезней отнюдь не полон. К нему надо добавить большое число других, преимущественно очень редких патологий, связанных с Х-хромосомой. Вероятность обнаружения определенной наследственной болезни, очевидно, увеличивается вместе с ее частотой.

Результаты этих авторов можно принять в качестве первого приближения. По их мнению для мутаций в локусах Х-хромосомы, приводящих к наблюдаемым фенотипическим отклонениям, средняя частота мутаций на гамету на поколение равна 4 х 10^–6.

Поскольку распределение частот мутаций, по-видимому, очень сильно смещено к низким частотам, может оказаться полезным использование медианного значения, полученного из этих данных. (Медианой распределения называют величину, которая делит площадь под кривой плотности распределения пополам.) Известные генетикипопуляционисты Кавалли-Сфорца и Бодмер [36], основываясь на тех же данных, рассчитали, что медианная частота мутаций равна 1,5 х 10^–7. Это свидетельствует о том, что для многих признаков частоты мутаций действительно очень низки. Хотя относительно аутосомно-доминантных мутаций каких-либо конкретных данных не получено, можно предположить, что они возникают с той же частотой. Отражают ли эти частоты мутаций общую мутабильность всех генных локусов? Из сказанного выше вовсе не следует, что в обсуждаемых работах охарактеризована общая мутабильность различных генных локусов. Полученные оценки основаны только на тех мутациях, которые приводят к видимым изменениям фенотипов.

Мутации других типов не поддаются анализу. К ним относятся:

1) мутации, обусловливающие такие замены аминокислот в определенной полипептидной цепи, которые не имеют заметного влияния на биологические функции этой цепи. На основании наших знаний об известных полипептидах, особенно о молекуле гемоглобина, можно заключить, что к этой группе принадлежат многие, вероятно даже, большинство мутаций;

2) летальные мутации, вызывающие гибель зигот в период эмбрионального развития;

3) большинство мутаций, затрагивающих нетранскрибируемые участки ДНК, если только нет реальной возможности применить на популяционном уровне подходящие методы анализа ДНК.

Причины больших различий между оценками частот мутаций, полученными из данных по фенотипам, могут быть разными. Проще всего предположить, что получение в ряде случаев относительно высоких частот мутаций объясняется повышенным уровнем генетической гетерогенности соответствующих заболеваний. Вторая возможная причина состоит в том, что многочисленные мутации, происходящие в одном гене, могут приводить к одинаковому мутантному фенотипу, тогда как в случае ряда других локусов для возникновения определенного фенотипа требуются весьма специфические изменения, а большинство мутаций или легальны, или дают совершенно иные фенотипы [1571]. В-третьих, возможны истинные различия частот мутаций, обусловленные разницей по числу нуклеотидов в генах или по вероятности мутаций на нуклеотид. Проблему общей мутабильности какого-либо гена нельзя решить, проводя анализ на фенотипическом уровне (см. раздел 3.6); для этого нужны исследования на уровне ДНК. Необходимо идентифицировать не только определенный ген, но и конкретный мутационный сайт. К этому вопросу мы вернемся в разд. 5.1.3.1.

Какие условия необходимы для изучения частот мутаций у человека, выявляемых по доминантным или Х-сцепленным фенотипам? Для получения оценки частот мутаций по данным о какой-либо наследственной болезни, надо провести очень обстоятельное предварительное исследование. В относительно большой популяции с макси-

5. Мутации 169

 

мально возможной полнотой должны выявляться все лица, подозреваемые на наличие данного заболевания, причем особое внимание следует уделять «спорадическим» случаям. Выявленные таким образом больные и их семьи должны проходить индивидуальный осмотр у опытных специалистов для постановки диагноза и исключения случаев сходных заболеваний, имеющих иную генетическую основу. Подобное обследование требует больших затрат времени и труда многих людей и редко, если вообще когда-нибудь, предпринимается с единственной целью определить частоту мутаций. Таким образом, этот вопрос удобно изучать в ходе комплексных эпидемиологических исследований, посвященных, например, генетической классификации неохарактеризованной группы болезней, анализу репродуктивной способности пробандов или разработке системы регистрации, создающей основу для генетического консультирования или популяционного мониторинга. Большинство оценок частот мутаций, приведенных в табл. 5.8, получены в исследованиях по клинической популяционной генетике, проводившихся в 1940-х и 1950-х годах.

Деятельность центров, внесших основной вклад в сбор таких данных, описана в разд. 3.1.8. В настоящее время не существует ни одного центра, специализирующегося на генетико-эпидемиологических исследованиях этого типа. По нашему мнению, наиболее правдоподобное объяснение свертывания популяционных исследований дает социология науки. Наступивший в конце 1950-х-начале 1960-х г. расцвет биохимической генетики, цитогенетики, генетики соматических клеток и иммуногенетики открыл совершенно новые перспективы для генетического анализа человеческих индивидов. Исследователи получили в свое распоряжение методы и концепции молекулярной биологии. Вполне понятно, что многие научные работники соблазнились этими новыми возможностями и отказались от проведения очень трудоемких и не очень убедительных работ по выявлению и изучению соответствующих больных в больших популяциях. Эта тенденция усилилась в результате своеобразного развития ряда разделов популяционной генетики человека, превратившихся в сильно формализованные, понятные лишь посвященным области знания. Они кажутся настолько далекими от биологии, что большинству исследователей, занимающихся биологическими и медицинскими вопросами, их значение для углубления понимания общих биологических проблем представляется сомнительным.

Такое развитие популяционной генетики человека также привело к определенным социальным последствиям. Во многих странах были организованы кафедры, отделы и исследовательские группы, занимающиеся медицинской генетикой, однако их целью были не эпидемиологические исследования, а лабораторные, с применением генетических, биохимических и других современных методов. Это с неизбежностью приводит к тому, что усилия вновь приходящих талантливых сотрудников направляются в то же самое русло, усугубляя наметившийся крен. А между тем такие проблемы, как определение числа случаев наследственного заболевания, частоты мутаций, генетической гетерогенности и разграничение наследственных и ненаследственных форм болезней, далеки от своего решения. Учитывая все увеличивающееся загрязнение окружающей среды потенциально мутагенными химическими и физическими агентами (см. разд. 5.2), знания о мутационном процессе у человека на всех уровнях организации становятся более необходимыми, чем когда-либо прежде. Хотя многие генетики нередко выступают на тему о мутациях перед широкой общественностью, их высказывания основаны все на том же ограниченном наборе старых данных. Подробная информация о генетической гетерогенности и умение ставить диагноз по фенотипу особенно нужны в настоящее время: этого требуют возрастающие запросы генетического консультирования, а также необходимость улучшить генетическое прогнозирование.

Что можно предпринять для корректировки такого однобокого развития нашей науки? Средством исправления сложившегося положения, очевидно, не могут служить барьеры на пути внедрения новой методологии или отказ от нее в пользу

170 5 Мутации

 

популяционных подходов. Научный прогресс зависит от квалификации исследовательских кадров, а квалифицированные научные работники не согласятся проводить исследования, которые им неинтересны. Кроме того, проводившиеся ранее исследования, несмотря на некоторые достоинства, имели бесспорно слабые места, что снижает их эффективность и заставляет нас отказаться от простого повторения. Пришло время планировать такие работы, в которых объединены два подхода: анализ на молекулярном или хромосомном уровне и анализ на популяционном уровне. Мы можем изучать, например в случае синдрома Леша—Найхана, мутации разного типа, возникающие в отдельных клетках, культивируемых in vitro (см. разд. 5.1.5). Разве не интересно сравнить спектр этих мутаций со спектром мутаций, полученным из данных обстоятельного популяционного исследования? Аналогичные сравнительные исследования возможны в случае гемофилии, а также других наследственных болезней, встречающихся с относительно высокой частотой. Они помогли бы не только генетикам-популяционистам в их попытках найти более адекватные объяснения процессам, наблюдаемым в популяциях, но также биохимикам и цитогенетикам в их стремлении углубить свое понимание некоторых явлений, обнаруженных in vitro. И последнее, очень важное обстоятельство: такие исследования могли бы оказать громадную помощь в социальной поддержке и генетическом консультировании больных и их семей.

Частоты возникновения мутаций в случае редких вариантов ферментов. Частоты редких вариантов ферментов будут обсуждаться в разд. 6.1.2. Учитывая, что на данный момент никаких новых мутаций, приводящих к появлению таких вариантов у людей, не подвергавшихся воздействию мутагенных агентов, не обнаружено, знание этих частот позволяет рассчитать верхний предел скорости мутирования; он оказался равным μ = 2,24 х 10^–5 на ген на поколение [1788]. Эта оценка свидетельствует, что частоты возникновения мутаций в соответствующих генах не выше частот мутаций в случае доминантных и Х-сцепленных болезней. Это не исключает возможности, что на самом деле они значительно ниже; для выяснения этого вопроса необходимо собрать дополнительные данные.