Rodzaje mutacji genetycznych. Mutacje w genach. Przez manifestację w heterozygocie

Mutacje na poziomie genów to molekularne zmiany strukturalne w DNA, które nie są widoczne w mikroskopie świetlnym. Należą do nich wszelkie transformacje kwasu dezoksyrybonukleinowego, niezależnie od ich wpływu na żywotność i lokalizację. Niektóre typy mutacji genów nie mają wpływu na funkcję lub strukturę odpowiedniego polipeptydu (białka). Jednak większość tych przemian prowokuje syntezę wadliwego związku, który utracił zdolność do wykonywania swoich zadań. Następnie rozważymy bardziej szczegółowo mutacje genowe i chromosomalne.

Charakterystyka przekształceń

Najczęstsze patologie wywołujące mutacje ludzkich genów to nerwiakowłókniakowatość, zespół nadnerczowo-płciowy, mukowiscydoza i fenyloketonurię. Lista ta może również obejmować hemochromatozę, miopatię Duchenne'a-Beckera i inne. To nie wszystkie przykłady mutacji genów. Ich objawem klinicznym są zazwyczaj zaburzenia metaboliczne (proces metaboliczny). Mutacje genów mogą obejmować:

• Podstawienie w kodonie zasadowym. Zjawisko to nazywa się mutacją zmiany sensu. W tym przypadku nukleotyd zostaje zastąpiony w części kodującej, co z kolei prowadzi do zmiany aminokwasu w białku.
• Zmiana kodonu w taki sposób, że odczytywanie informacji zostaje zawieszone. Proces ten nazywa się mutacją nonsensowną. W tym przypadku, gdy nukleotyd zostaje zastąpiony, tworzy się kodon stop i translacja zostaje zakończona.
• Zaburzenia czytania, przesunięcie ramki. Proces ten nazywany jest „przesuwaniem ramek”. Kiedy DNA ulega zmianie molekularnej, podczas translacji łańcucha polipeptydowego ulegają transformacji trojaczki.

Klasyfikacja

W zależności od rodzaju transformacji molekularnej istnieją następujące mutacje genów:

• Powielanie. W tym przypadku następuje powtarzająca się duplikacja lub podwojenie fragmentu DNA od 1 nukleotydu do genów.
• Usunięcie. W tym przypadku następuje utrata fragmentu DNA z nukleotydu do genu.
• Inwersja. W tym przypadku odnotowuje się obrót o 180 stopni. odcinek DNA. Jego rozmiar może wynosić albo dwa nukleotydy, albo cały fragment składający się z kilku genów.
• Wprowadzenie. W tym przypadku wstawiane są odcinki DNA od nukleotydu do genu.

Za zmiany punktowe uważa się przemiany molekularne obejmujące od 1 do kilku jednostek.

Cechy charakterystyczne

Mutacje genowe mają wiele cech. Przede wszystkim należy zwrócić uwagę na ich zdolność do dziedziczenia. Ponadto mutacje mogą powodować transformację informacji genetycznej. Część zmian można zaliczyć do tzw. neutralnych. Takie mutacje genów nie powodują żadnych zaburzeń w fenotypie. Zatem ze względu na wrodzoną budowę kodu ten sam aminokwas może być kodowany przez dwie trójki różniące się tylko 1 zasadą. Jednocześnie określony gen może mutować (przekształcać się) w kilka różnych stanów. To tego rodzaju zmiany wywołują większość dziedzicznych patologii. Jeśli podamy przykłady mutacji genów, możemy przejść do grup krwi. Zatem element kontrolujący ich układ AB0 ma trzy allele: B, A i 0. Ich kombinacja określa grupy krwi. Należący do układu AB0, uważany jest za klasyczny przejaw transformacji normalnych cech u człowieka.

Transformacje genomowe

Przekształcenia te mają swoją własną klasyfikację. Do kategorii mutacji genomowych zalicza się zmiany w ploidii strukturalnie niezmienionych chromosomów oraz aneuploidię. Przekształcenia takie wyznaczane są specjalnymi metodami. Aneuploidia to zmiana (wzrost – trisomia, spadek – monosomia) liczby chromosomów zestawu diploidalnego, która nie jest wielokrotnością liczby haploidalnej. Kiedy liczba wzrasta o wielokrotność, mówimy o poliploidii. Te i większość aneuploidii u ludzi uważa się za zmiany śmiertelne. Do najczęstszych mutacji genomowych należą:

• Monosomia. W tym przypadku obecny jest tylko jeden z 2 homologicznych chromosomów. Na tle takiej transformacji zdrowy rozwój embrionalny nie jest możliwy dla żadnego z autosomów. Jedyną rzeczą zgodną z życiem jest monosomia na chromosomie X. Wywołuje zespół Shereshevsky'ego-Turnera.
• Trisomia. W tym przypadku w kariotypie wykrywane są trzy elementy homologiczne. Przykłady takich mutacji genowych: zespół Downa, zespół Edwardsa, zespół Pataua.

Czynnik prowokujący

Za przyczynę rozwoju aneuploidii uważa się brak dysjunkcji chromosomów w procesie podziału komórki na tle tworzenia się komórek rozrodczych lub utraty elementów w wyniku opóźnienia anafazy, natomiast w przypadku przemieszczania się w kierunku bieguna może nastąpić połączenie homologiczne pozostają w tyle za niehomologicznym. Pojęcie „nondysjunkcji” wskazuje na brak rozdziału chromatyd lub chromosomów w mitozie lub mejozie. Zaburzenie to może prowadzić do mozaikowatości. W tym przypadku jedna linia komórkowa będzie normalna, a druga będzie monosomiczna.

Nondysjunkcja w mejozie

Zjawisko to uważane jest za najczęstsze. Chromosomy, które normalnie powinny dzielić się podczas mejozy, pozostają połączone. W anafazie przemieszczają się do jednego bieguna komórkowego. W rezultacie powstają 2 gamety. Jeden z nich ma dodatkowy chromosom, a drugiemu brakuje jakiegoś elementu. W procesie zapłodnienia normalnej komórki dodatkowym ogniwem rozwija się trisomia, a w gametach z brakującym składnikiem rozwija się monosomia. Kiedy powstaje monosomiczna zygota dla jakiegoś elementu autosomalnego, rozwój zatrzymuje się na początkowych etapach.

Mutacje chromosomowe

Transformacje te reprezentują zmiany strukturalne elementów. Zazwyczaj są one wizualizowane za pomocą mikroskopu świetlnego. Mutacje chromosomowe zazwyczaj obejmują dziesiątki do setek genów. Prowokuje to zmiany w normalnym zestawie diploidalnym. Zazwyczaj takie aberracje nie powodują transformacji sekwencji w DNA. Jednakże, gdy zmienia się liczba kopii genów, rozwija się nierównowaga genetyczna z powodu braku lub nadmiaru materiału. Istnieją dwie szerokie kategorie tych transformacji. W szczególności wyróżnia się mutacje wewnątrz- i międzychromosomalne.

Wpływ środowiska

Ludzie ewoluowali jako grupy izolowanych populacji. Żyli dość długo w tych samych warunkach środowiskowych. Mówimy w szczególności o naturze żywienia, cechach klimatycznych i geograficznych, tradycjach kulturowych, patogenach itp. Wszystko to doprowadziło do konsolidacji kombinacji alleli specyficznych dla każdej populacji, które były najbardziej odpowiednie dla warunków życia. Jednak w związku z intensywną ekspansją obszaru, migracjami i przesiedleniami zaczęły pojawiać się sytuacje, w których przydatne kombinacje pewnych genów występujących w jednym środowisku w innym przestały zapewniać normalne funkcjonowanie szeregu układów organizmu. Pod tym względem część dziedzicznej zmienności jest spowodowana niekorzystnym kompleksem elementów niepatologicznych. Zatem przyczyną mutacji genów w tym przypadku są zmiany w środowisku zewnętrznym i warunkach życia. To z kolei stało się podstawą rozwoju wielu chorób dziedzicznych.

Naturalna selekcja

Z biegiem czasu ewolucja miała miejsce w bardziej specyficznych gatunkach. Przyczyniło się to również do wzrostu różnorodności przodków. W ten sposób zachowano te znaki, które mogły zniknąć u zwierząt, i odwrotnie, to, co pozostało u zwierząt, zostało zmiecione. W wyniku doboru naturalnego ludzie nabyli także niepożądane cechy, które były bezpośrednio związane z chorobami. Na przykład w trakcie rozwoju człowieka pojawiły się geny, które mogą określać wrażliwość na toksynę polio lub błonicy. Stając się Homo sapiens, gatunek ludzki w pewnym sensie „zapłacił za swoją inteligencję” kumulacją patologicznych przemian. Zapis ten uznawany jest za podstawę jednej z podstawowych koncepcji doktryny mutacji genowych.

Mutacje genowe to zmiany w strukturze jednego genu. Jest to zmiana w sekwencji nukleotydów: delecja, insercja, substytucja itp. Na przykład zastąpienie a przez t. Przyczyny - naruszenia podczas podwajania DNA (replikacji)

Mutacje genowe to zmiany molekularne w strukturze DNA, które nie są widoczne w mikroskopie świetlnym. Mutacje genowe obejmują wszelkie zmiany w strukturze molekularnej DNA, niezależnie od ich lokalizacji i wpływu na żywotność. Niektóre mutacje nie mają wpływu na strukturę lub funkcję odpowiedniego białka. Kolejna (duża) część mutacji genów prowadzi do syntezy wadliwego białka, które nie jest w stanie pełnić swojej nieodłącznej funkcji. To mutacje genów determinują rozwój większości dziedzicznych form patologii.

Do najczęstszych chorób monogenowych u człowieka zalicza się: mukowiscydozę, hemochromatozę, zespół nadnerczowo-płciowy, fenyloketonurię, nerwiakowłókniakowatość, miopatie Duchenne’a-Beckera i szereg innych chorób. Klinicznie objawiają się jako oznaki zaburzeń metabolicznych (metabolizmu) w organizmie. Mutacja może być:

1) przy zastępowaniu zasady w kodonie jest to tzw mutacja zmiany sensu(z angielskiego mis - fałszywy, niepoprawny + łac. sensus - znaczenie) - zastąpienie nukleotydu w części kodującej genu, prowadzące do zastąpienia aminokwasu w polipeptydzie;

2) przy takiej zmianie kodonów, która doprowadzi do zaprzestania odczytywania informacji, jest to tzw bezsensowna mutacja(z łac. non - no + sensus - znaczenie) - zastąpienie nukleotydu w części kodującej genu prowadzi do powstania kodonu terminatora (kodon stop) i zaprzestania translacji;

3) naruszenie odczytu informacji, przesunięcie ramki odczytu, tzw przesunięcie ramki(z angielskiego ramka - ramka + przesunięcie: - przesunięcie, ruch), gdy zmiany molekularne w DNA prowadzą do zmian w trójkach podczas translacji łańcucha polipeptydowego.

Znane są również inne typy mutacji genowych. W zależności od rodzaju zmian molekularnych wyróżnia się:

dział(z łac. deletio - zniszczenie), gdy utracony zostaje segment DNA o wielkości od jednego nukleotydu do genu;

duplikacje(z łac. duplicatio – podwojenie), tj. duplikacja lub reduplikacja segmentu DNA z jednego nukleotydu do całych genów;

inwersje(od łac. inversio – przewrócenie), tj. obrót o 180° segmentu DNA o wielkości od dwóch nukleotydów do fragmentu zawierającego kilka genów;

wstawki(od łac. Insertio - załącznik), tj. insercja fragmentów DNA o wielkości od jednego nukleotydu do całego genu.

Zmiany molekularne dotyczące jednego do kilku nukleotydów uważa się za mutację punktową.

Podstawową i charakterystyczną cechą mutacji genu jest to, że 1) prowadzi ona do zmiany informacji genetycznej, 2) może być przekazywana z pokolenia na pokolenie.

Pewną część mutacji genowych można zaliczyć do mutacji neutralnych, gdyż nie prowadzą one do zmian fenotypowych. Przykładowo, ze względu na degenerację kodu genetycznego, ten sam aminokwas może być kodowany przez dwie trójki różniące się tylko jedną zasadą. Z drugiej strony ten sam gen może zmienić się (mutować) w kilka różnych stanów.

Na przykład gen kontrolujący grupę krwi układu AB0. ma trzy allele: 0, A i B, których kombinacja określa 4 grupy krwi. Grupa krwi ABO jest klasycznym przykładem zmienności genetycznej normalnych cech ludzkich.

To mutacje genów determinują rozwój większości dziedzicznych form patologii. Choroby wywołane takimi mutacjami nazywane są chorobami genetycznymi, czyli monogenowymi, czyli takimi, których rozwój uwarunkowany jest mutacją jednego genu.

Mutacje genomowe i chromosomalne

Przyczyną chorób chromosomalnych są mutacje genomowe i chromosomalne. Mutacje genomowe obejmują aneuploidie i zmiany w ploidii strukturalnie niezmienionych chromosomów. Wykrywane metodami cytogenetycznymi.

Aneuploidia- zmiana (zmniejszenie - monosomia, wzrost - trisomia) liczby chromosomów w zestawie diploidalnym, a nie wielokrotność zestawu haploidalnego (2n + 1, 2n - 1 itd.).

Poliploidia- wzrost liczby zestawów chromosomów, wielokrotności zestawu haploidalnego (3n, 4n, 5n itd.).

U ludzi poliploidia, podobnie jak większość aneuploidii, jest mutacjami śmiertelnymi.

Do najczęstszych mutacji genomowych należą:

trisomia- obecność trzech homologicznych chromosomów w kariotypie (np. na 21. parze w zespole Downa, na 18. parze w zespole Edwardsa, na 13. parze w zespole Patau; na chromosomach płciowych: XXX, XXY, XYY);

monosomia- obecność tylko jednego z dwóch homologicznych chromosomów. W przypadku monosomii któregokolwiek z autosomów normalny rozwój zarodka jest niemożliwy. Jedyna monosomia u człowieka zgodna z życiem, monosomia na chromosomie X, prowadzi do zespołu Shereshevsky’ego-Turnera (45, X0).

Przyczyną aneuploidii jest brak rozłączenia chromosomów podczas podziału komórki podczas tworzenia komórek rozrodczych lub utrata chromosomów w wyniku opóźnienia anafazowego, gdy podczas przemieszczania się do bieguna jeden z chromosomów homologicznych może pozostawać w tyle za wszystkimi innymi chromosomami niehomologicznymi. Termin „nondysjunkcja” oznacza brak rozdziału chromosomów lub chromatyd w mejozie lub mitozie. Utrata chromosomów może prowadzić do mozaikowatości, w której występuje uploidalny(normalna) linia komórkowa i druga monosomiczny.

Nondysjunkcja chromosomów najczęściej występuje podczas mejozy. Chromosomy, które normalnie dzieliłyby się podczas mejozy, pozostają ze sobą połączone i przemieszczają się do jednego bieguna komórki podczas anafazy. W ten sposób powstają dwie gamety, z których jedna ma dodatkowy chromosom, a druga nie ma tego chromosomu. Kiedy gameta z normalnym zestawem chromosomów zostanie zapłodniona przez gametę z dodatkowym chromosomem, następuje trisomia (tj. w komórce znajdują się trzy homologiczne chromosomy); gdy zapłodniona zostanie gameta bez jednego chromosomu, powstaje zygota z monosomią. Jeśli na jakimkolwiek chromosomie autosomalnym (niepłciowym) utworzy się zygota monosomalna, rozwój organizmu zatrzymuje się na najwcześniejszych etapach rozwoju.

Mutacje chromosomowe- Są to zmiany strukturalne w poszczególnych chromosomach, zwykle widoczne pod mikroskopem świetlnym. Mutacja chromosomalna obejmuje dużą liczbę (od kilkudziesięciu do kilkuset) genów, co prowadzi do zmiany normalnego zestawu diploidalnego. Chociaż aberracje chromosomowe na ogół nie zmieniają sekwencji DNA określonych genów, zmiany w liczbie kopii genów w genomie prowadzą do braku równowagi genetycznej z powodu braku lub nadmiaru materiału genetycznego. Istnieją dwie duże grupy mutacji chromosomowych: wewnątrzchromosomalne i międzychromosomalne.

Mutacje wewnątrzchromosomalne to aberracje w obrębie jednego chromosomu. Obejmują one:

—usunięcia(z łac. deletio - zniszczenie) - utrata jednej z sekcji chromosomu, wewnętrznej lub końcowej. Może to powodować zaburzenia embriogenezy i powstawanie wielu anomalii rozwojowych (np. podział w rejonie krótkiego ramienia 5. chromosomu, oznaczonego jako 5p-, prowadzi do niedorozwoju krtani, wad serca i upośledzenia umysłowego). Ten zespół objawów znany jest jako zespół „krzyku kota”, ponieważ u chorych dzieci z powodu nieprawidłowości w krtani płacz przypomina miauczenie kota;

—inwersje(z łaciny inversio - inwersja). W wyniku dwóch punktów przerwania chromosomu powstały fragment zostaje wstawiony na swoje pierwotne miejsce po obrocie o 180°. W rezultacie zakłócony zostaje jedynie porządek genów;

— duplikacje(z łac. duplikacja - podwojenie) - podwojenie (lub zwielokrotnienie) dowolnej części chromosomu (na przykład trisomia na jednym z krótkich ramion 9. chromosomu powoduje wiele wad, w tym małogłowie, opóźniony rozwój fizyczny, psychiczny i intelektualny).

Wzory najczęstszych aberracji chromosomowych:
Podział: 1 - terminal; 2 - śródmiąższowe. Inwersje: 1 - perycentryczne (z wychwytywaniem centromeru); 2 - paracentryczny (w obrębie jednego ramienia chromosomu)

Mutacje międzychromosomalne lub mutacje rearanżacyjne- wymiana fragmentów pomiędzy chromosomami niehomologicznymi. Takie mutacje nazywane są translokacjami (od łacińskiego tgans – dla, poprzez + locus – miejsce). Ten:

Translokacja wzajemna, gdy dwa chromosomy wymieniają swoje fragmenty;

Translokacja niewzajemna, gdy fragment jednego chromosomu jest transportowany do drugiego;

- fuzja „centryczna” (translokacja Robertsona) - połączenie dwóch chromosomów akrocentrycznych w rejonie ich centromerów z utratą krótkich ramion.

Kiedy chromatydy przebijają się poprzecznie przez centromery, chromatydy „siostrzane” stają się „lustrzanymi” ramionami dwóch różnych chromosomów zawierających te same zestawy genów. Takie chromosomy nazywane są izochromosomami. Zarówno aberracje i izochromosomy wewnątrzchromosomalne (delecje, inwersje i duplikacje), jak i międzychromosomalne (translokacje) są powiązane z fizycznymi zmianami w strukturze chromosomów, w tym z przerwami mechanicznymi.

Dziedziczna patologia wynikająca z dziedzicznej zmienności

Obecność wspólnych cech gatunkowych pozwala nam zjednoczyć wszystkich ludzi na ziemi w jeden gatunek, Homo sapiens. Niemniej jednak łatwo jednym spojrzeniem rozpoznajemy twarz znanej nam osoby w tłumie obcych osób. Skrajna różnorodność ludzi – zarówno w obrębie grup (na przykład różnorodność w obrębie grupy etnicznej), jak i pomiędzy grupami – wynika z różnic genetycznych. Obecnie uważa się, że wszelkie zróżnicowanie wewnątrzgatunkowe wynika z różnych genotypów powstałych i utrzymywanych w wyniku doboru naturalnego.

Wiadomo, że haploidalny genom człowieka zawiera 3,3x10 9 par reszt nukleotydowych, co teoretycznie pozwala na obecność aż 6-10 milionów genów. Jednocześnie współczesne dane badawcze wskazują, że ludzki genom zawiera około 30-40 tysięcy genów. Około jedna trzecia wszystkich genów ma więcej niż jeden allel, to znaczy jest polimorficzna.

Koncepcja dziedzicznego polimorfizmu została sformułowana przez E. Forda w 1940 r. w celu wyjaśnienia istnienia w populacji dwóch lub więcej odrębnych form, gdy częstości występowania najrzadszej z nich nie można wyjaśnić samymi zdarzeniami mutacyjnymi. Ponieważ mutacja genu jest zjawiskiem rzadkim (1x10 6), częstość występowania zmutowanego allelu, przekraczającą 1%, można wytłumaczyć jedynie jego stopniową akumulacją w populacji ze względu na selektywną przewagę nosicieli tej mutacji.

Wielość segregujących loci, mnogość alleli w każdym z nich, wraz ze zjawiskiem rekombinacji, tworzy niewyczerpaną różnorodność genetyczną człowieka. Obliczenia pokazują, że w całej historii ludzkości nie było, nie ma i nie będzie miało miejsca w dającej się przewidzieć przyszłości powtórzenie genetyczne, tj. Każdy narodzony człowiek jest wyjątkowym zjawiskiem we Wszechświecie. Wyjątkowość budowy genetycznej w dużej mierze determinuje cechy rozwoju choroby u każdej indywidualnej osoby.

Ludzkość ewoluowała jako grupy izolowanych populacji żyjących przez długi czas w tych samych warunkach środowiskowych, włączając w to cechy klimatyczne i geograficzne, wzorce żywieniowe, patogeny, tradycje kulturowe itp. Doprowadziło to do konsolidacji w populacji kombinacji prawidłowych alleli, specyficznych dla każdego z nich, najbardziej adekwatnych do warunków środowiskowych. W wyniku stopniowej ekspansji siedliska, intensywnych migracji i przesiedleń ludów powstają sytuacje, w których kombinacje określonych normalnych genów, przydatnych w pewnych warunkach, nie zapewniają optymalnego funkcjonowania niektórych układów organizmu w innych warunkach. Prowadzi to do tego, że część zmienności dziedzicznej, spowodowanej niekorzystną kombinacją niepatologicznych genów ludzkich, staje się podstawą rozwoju tzw. chorób o dziedzicznej predyspozycji.

Ponadto u człowieka jako istoty społecznej dobór naturalny przebiegał z biegiem czasu w coraz bardziej specyficznych formach, co także poszerzało różnorodność dziedziczną. To, co zwierzęta mogły wyrzucić, zostało zachowane lub odwrotnie, to, co zwierzęta zatrzymały, zostało utracone. Zatem pełne zaspokojenie zapotrzebowania na witaminę C doprowadziło w procesie ewolucji do utraty genu oksydazy L-gulonodaktonowej, który katalizuje syntezę kwasu askorbinowego. W procesie ewolucji ludzkość nabyła także niepożądane cechy, które są bezpośrednio związane z patologią. Na przykład w procesie ewolucji ludzie nabyli geny określające wrażliwość na toksynę błonicy lub wirusa polio.

Zatem u człowieka, jak u każdego innego gatunku biologicznego, nie ma ostrej granicy pomiędzy zmiennością dziedziczną prowadzącą do normalnych zmian cech a zmiennością dziedziczną powodującą występowanie chorób dziedzicznych. Człowiek, stając się biologicznym gatunkiem Homo sapiens, zdawał się płacić za „rozsądek” swojego gatunku kumulacją patologicznych mutacji. Stanowisko to leży u podstaw jednej z głównych koncepcji genetyki medycznej dotyczącej ewolucyjnej akumulacji mutacji patologicznych w populacjach ludzkich.

Dziedziczna zmienność populacji ludzkich, zarówno utrzymywana, jak i zmniejszana przez dobór naturalny, tworzy tzw. ładunek genetyczny.

Niektóre mutacje patologiczne mogą utrzymywać się i rozprzestrzeniać w populacjach przez historycznie długi czas, powodując tzw. obciążenie genetyczne segregacyjne; inne mutacje patologiczne powstają w każdym pokoleniu w wyniku nowych zmian w strukturze dziedzicznej, tworząc ładunek mutacyjny.

Negatywny wpływ obciążenia genetycznego objawia się zwiększoną śmiertelnością (śmierć gamet, zygot, zarodków i dzieci), zmniejszoną płodnością (ograniczona reprodukcja potomstwa), zmniejszoną oczekiwaną długością życia, dezadaptacją społeczną i niepełnosprawnością, a także powoduje zwiększone zapotrzebowanie na opiekę medyczną .

Angielski genetyk J. Hoddane jako pierwszy zwrócił uwagę badaczy na istnienie ładunku genetycznego, choć samo określenie zaproponował G. Meller już pod koniec lat 40. XX wieku. Znaczenie pojęcia „ładunek genetyczny” wiąże się z dużym stopniem zmienności genetycznej niezbędnym gatunkowi biologicznemu, aby mógł przystosować się do zmieniających się warunków środowiskowych.

Mutacje genowe zachodzą na poziomie molekularnym i zwykle wpływają na jeden lub więcej nukleotydów w obrębie pojedynczego genu. Ten typ mutacji można podzielić na dwie duże grupy. Pierwszy z nich powoduje przesunięcie ramki odczytu. Druga grupa obejmuje mutacje genów związane z podstawieniami par zasad. Te ostatnie stanowią nie więcej niż 20% mutacji spontanicznych, pozostałe 80% mutacji powstaje w wyniku różnych delecji i insercji.

Mutacje zmiany ramki odczytu oznaczają insercje lub delecje jednej lub większej liczby par nukleotydów. W zależności od miejsca naruszenia zmienia się jedna lub inna liczba kodonów. W związku z tym w białku mogą pojawić się dodatkowe aminokwasy lub ich sekwencja może ulec zmianie. Większość mutacji tego typu występuje w cząsteczkach DNA składających się z identycznych zasad.

Rodzaje wymiany bazy Wania :

Przejścia polegają na zastąpieniu jednej puryn zasadą purynową lub jednej pirymidyny zasadą pirymidynową

Transwersje, w którym zasada purynowa jest zmieniana na zasadę pirymidynową i odwrotnie.

Znaczenie mutacji genów dla żywotności organizmu jest różne. Różne zmiany w sekwencji nukleotydów DNA objawiają się w różny sposób w fenotypie. Niektóre „ciche mutacje” nie mają wpływu na strukturę ani funkcję białka. Przykładem takiej mutacji jest podstawienie nukleotydu, które nie prowadzi do podstawienia aminokwasów.

Przez znaczenie funkcjonalne identyfikuje się mutacje genów:

prowadząc do całkowitej utraty funkcji;

w wyniku czego zachodzą zmiany ilościowe w mRNA i pierwotnych produktach białkowych;

dominująco-negatywny, zmieniający właściwości cząsteczek białka w taki sposób, że mają one szkodliwy wpływ na funkcjonowanie komórek.

Najbardziej szkodliwe skutki wywołują tzw nie mutacje sensowe , związane z pojawieniem się kodonów terminatorowych, które zatrzymują syntezę białek. Co więcej, im bliżej 5" końca genu (początku transkrypcji) znajdują się mutacje, tym krótsze będą cząsteczki białka. Delecje lub insercje (insercje), które nie są wielokrotnościami trzech nukleotydów i dlatego powodują przesunięcie ramki odczytu, może również prowadzić do przedwczesnego zakończenia syntezy białek lub do powstania białka nonsensownego, które szybko ulega degradacji.

Mutacje zmiany sensu związane z zastąpieniem nukleotydów w części kodującej genu. Fenotypowo objawia się substytucją aminokwasu w białku. W zależności od charakteru aminokwasów i znaczenia funkcjonalnego uszkodzonego obszaru obserwuje się całkowitą lub częściową utratę aktywności funkcjonalnej białka.

Mutacje splicingowe wpływają na miejsca na styku eksonów i intronów i towarzyszy im albo wycięcie eksonu i utworzenie usuniętego białka, albo wycięcie regionu intronowego i translacja bezsensownie zmienionego białka. Z reguły takie mutacje powodują ciężką chorobę.

Mutacje regulacyjne związane z zaburzeniem ilościowym w regionach regulacyjnych genu. Nie prowadzą do zmian w strukturze i funkcji białek. Fenotypowa manifestacja takich mutacji zależy od progowego poziomu stężenia białka, przy którym jego funkcja jest nadal zachowana.

Mutacje dynamiczne lub mutacje ekspansja reprezentują patologiczny wzrost liczby powtórzeń trinukleotydów zlokalizowanych w częściach kodujących i regulatorowych genu. Wiele sekwencji trinukleotydowych charakteryzuje się wysokim poziomem zmienności populacji. Naruszenie fenotypu następuje po przekroczeniu pewnego krytycznego poziomu liczby powtórzeń.

Mutacje chromosomowe

Ten typ mutacji łączy nieprawidłowości chromosomalne związane ze zmianami w strukturze chromosomów (aberracje chromosomowe).

Aberracje chromosomowe można klasyfikować przy użyciu różnych podejść. W zależności od tego, w którym momencie cyklu komórkowego – przed czy po replikacji chromosomów, nastąpiły rearanżacje – wyróżnia się aberracje chromosomalny I chromatyda typy. Aberracje typu chromosomalnego występują na etapie presyntetycznym - fazie G 1, kiedy chromosom jest reprezentowany przez strukturę jednoniciową. Aberracje typu chromatydowego powstają po replikacji chromosomu w fazach S i G 2 i wpływają na strukturę jednej z chromatyd. W rezultacie chromosom na etapie metafazy zawiera jedną zmienioną i jedną normalną chromatydę.

Jeżeli przegrupowanie nastąpiło po replikacji i dotyczyło obu chromatyd, izochromatyda aberracja. Morfologicznie jest nie do odróżnienia od aberracji typu chromosomalnego, choć z pochodzenia należą one do typu chromatydowego. Wśród aberracji typu chromosomowego i chromatydowego znajdują się prosty I giełda aberracje. Opierają się na naruszeniach jednego lub więcej chromosomów. Proste aberracje – fragmenty (delecje) – powstają w wyniku prostego pęknięcia chromosomu. W każdym przypadku powstają 2 rodzaje fragmentów - centryczny i acentryczny. Istnieją delecje lub fragmenty końcowe (końcowe) i śródmiąższowe (środkowe części chromosomów).

Aberracje giełdowe są bardzo zróżnicowane. Polegają one na wymianie odcinków chromosomów (lub chromatyd) pomiędzy różnymi chromosomami (wymiana międzychromosomalna) lub w obrębie jednego chromosomu (wymiana wewnątrzchromosomalna) podczas redystrybucji materiału genetycznego. Przegrupowania wymiany są dwojakiego rodzaju: symetryczne i asymetryczne. Asymetryczne wymiany prowadzą do powstawania policentrycznych chromosomów i acentrycznych fragmentów. W przypadku wymian symetrycznych fragmenty acentryczne łączą się z fragmentami centralnymi, w wyniku czego chromosomy biorące udział w aberracji wymiany pozostają monocentryczne.

Wymiany wewnątrzchromosomalne mogą zachodzić zarówno w obrębie jednego chromosomu (wymiana wewnątrzramienia), jak i pomiędzy obydwoma ramionami chromosomu (wymiana między ramionami). Ponadto wymiany mogą być proste lub złożone, gdy w proces zaangażowanych jest kilka chromosomów. W rezultacie mogą powstać niezwykłe i dość złożone konfiguracje chromosomów. Może mieć miejsce dowolna wymiana (symetryczna i asymetryczna, międzychromosomalna i wewnątrzchromosomalna). kompletny (wzajemny nie m) Lub niekompletny (niewzajemny nie m) . Przy całkowitej wymianie wszystkie uszkodzone obszary są połączone, a przy niepełnej wymianie niektóre z nich mogą pozostać z otwartym uszkodzonym obszarem.

Mutacje genomowe

Mutacje genomowe zmieniają liczbę chromosomów. Takie zmiany zwykle występują, gdy rozmieszczenie chromosomów pomiędzy komórkami potomnymi zostaje zakłócone.

Istnieją dwa główne typy mutacji genomowych:

Poliploidia i monoploidalność.

Aneuploidia.

Na poliploidia liczba zestawów niehomologicznych chromosomów w kariotypie różni się od dwóch (Zn; 4n itd.). Jest to wynikiem zaburzeń cyklu mitotycznego, gdy następuje duplikacja chromosomu bez późniejszego podziału jądra i komórki. Jedną z przyczyn tego zjawiska może być endomitoza, w wyniku której aparat achromatyczny w komórce zostaje zablokowany, a błona jądrowa zostaje zachowana przez cały cykl mitotyczny. Rodzajem endomitozy jest endoreduplikacja – reduplikacja chromosomów zachodząca poza podziałem komórkowym. Podczas endoreduplikacji powtarzane są dwa kolejne S okresy cyklu mitotycznego. W efekcie w kolejnej mitozie będzie obserwowany podwójny (tetraploidalny) zestaw chromosomów. Takie mutacje najczęściej prowadzą do śmierci płodu w trakcie embriogenezy. Triploidię stwierdza się w 4%, a tetraploidię w około 1% wszystkich poronień. Osoby z takimi kariotypami charakteryzują się licznymi wadami rozwojowymi, w tym asymetryczną budową ciała, otępieniem i hermafrodytyzmem. Zarodki tetraploidalne umierają we wczesnych stadiach ciąży, natomiast zarodki z komórkami triploidalnymi czasami przeżywają, ale tylko wtedy, gdy jednocześnie zawierają komórki o prawidłowym kariotypie i komórkach triploidalnych. Zespół triploidalny (69, XXY) został po raz pierwszy odkryty u ludzi w latach 60. XX wieku. XX wiek W literaturze opisano około 60 przypadków triploidii u dzieci. Ich maksymalna długość życia wynosiła 7 dni.

Aneuploidia - wielokrotne haploidalne zmniejszenie lub zwiększenie liczby chromosomów (2n+1; 2n+2; 2n-1, itd.) - występuje w wyniku nieprawidłowego zachowania się chromosomów homologicznych w mejozie lub chromatyd siostrzanych w mitozie.

Jeśli chromosomy nie rozdzielą się na jednym z etapów gametogenezy, w komórkach rozrodczych mogą pojawić się dodatkowe chromosomy. W rezultacie, po późniejszej fuzji z normalnymi haploidalnymi gametami, zygoty 2n +1 - lub trisomia na którymkolwiek z chromosomów. Jeśli w gamecie jest o jeden chromosom mniej, wówczas podczas kolejnego zapłodnienia powstaje zygota 2 n - 1 lub monosomiczny jeden z chromosomów. Nondysjunkcja może wpływać na więcej niż jedną parę chromosomów, prowadząc do trisomii lub monosomii na kilku chromosomach. Często dodatkowe chromosomy powodują depresję rozwojową lub śmierć osoby będącej ich nosicielem.

T E M A nr 6 Rodzaje dziedziczenia u ludzi

Postacie mendlowskie

Wszystkie organizmy eukariotyczne charakteryzują się ogólnymi wzorami dziedziczenia cech odkrytymi przez G. Mendla. Aby je studiować, należy pamiętać podstawowe terminy i pojęcia stosowane w genetyce. Głównym postulatem Mendla, który udowodnił w swoich słynnych eksperymentach na groszku ogrodowym, jest to, że o każdej cesze decyduje para dziedzicznych skłonności, zwanych później genami allelicznym. Wraz z rozwojem chromosomalnej teorii dziedziczności stało się jasne, że geny alleliczne znajdują się w tych samych loci chromosomów homologicznych i kodują tę samą cechę. Para genów allelicznych może być taka sama (AA) lub (aa), następnie mówią, że dany osobnik jest homozygotą pod względem tej cechy. Jeżeli geny alleliczne w parze są różne (Aa), wówczas dany osobnik jest heterozygotą pod względem tej cechy. Zbiór genów danego organizmu nazywa się genotypem. To prawda, że ​​genotyp jest często rozumiany jako jedna lub więcej par genów allelicznych odpowiedzialnych za tę samą cechę. Zespół cech danego organizmu nazywany jest fenotypem, fenotyp powstaje w wyniku interakcji genotypu ze środowiskiem zewnętrznym.

G. Mendel wprowadził pojęcia genów dominujących i recesywnych. Nazwał allel określający fenotyp dominującej heterozygoty. Na przykład gen A u heterozygoty Aa . Drugi allel, który nie objawia się w stanie heterozygotycznym, nazwał recesywnym. W naszym przypadku jest to gen a.

Podstawowe wzorce dziedziczenia cech według Mendla (prawo jednorodności mieszańców pierwszej generacji, podział na klasy fenotypowe mieszańców drugiej generacji oraz niezależna kombinacja genów) realizowane są dzięki istnieniu prawa czystości gamet. Istotą tego ostatniego jest to, że para genów allelicznych określa jeden lub kolejny znak: a) nigdy się nie miesza; b) w procesie gametogenezy rozdziela się na różne gamety, to znaczy w każdej z nich trafia jeden gen z pary alleli. Cytologicznie zapewnia to mejoza: geny alleliczne leżą na homologicznych chromosomach, które w anafazie mejozy rozchodzą się do różnych biegunów i trafiają do różnych gamet.

Genetyka człowieka opiera się na ogólnych zasadach wywodzących się początkowo z badań na roślinach i zwierzętach. Podobnie jak oni, ludzie mają mendla, tj. cechy dziedziczone zgodnie z prawami ustalonymi przez G. Mendla. Człowieka, podobnie jak inne eukarionty, charakteryzują wszystkie rodzaje dziedziczenia: autosomalny dominujący, autosomalny recesywny, dziedziczenie cech związanych z chromosomami płciowymi oraz poprzez interakcję genów nieallelicznych. G. Mendel opracował także główną metodę genetyki - hybrydologię. Polega na krzyżowaniu osobników tego samego gatunku o alternatywnych cechach i analizie ilościowej powstałych klas fenotypowych. Oczywiście tej metody nie można zastosować w genetyce człowieka.

Pierwszy opis autosomalny dominujący Dziedziczenie anomalii u ludzi zostało podane w 1905 roku przez Farabiego. Rodowód sporządzono dla rodziny o krótkich palcach (brachydaktylia). Pacjenci mają skrócone i częściowo zmniejszone paliczki palców rąk i nóg, ponadto na skutek skrócenia kończyn charakteryzują się niskim wzrostem. Cecha jest przekazywana z jednego rodzica na około połowę dzieci, niezależnie od płci. Analiza rodowodów innych rodzin wskazuje, że brachydaktylia nie występuje u potomstwa rodziców niebędących nosicielami tego genu. Ponieważ cecha nie może istnieć w formie ukrytej, dlatego jest dominująca. A jej przejawy, niezależnie od płci, pozwalają stwierdzić, że nie jest ona związana z płcią. Na podstawie powyższego można stwierdzić, że brachydaktylia jest uwarunkowana genem zlokalizowanym w autosomach i jest patologią dominującą.

Zastosowanie metody genealogicznej umożliwiło identyfikację dominujących, niezwiązanych z płcią cech człowieka. Są to ciemny kolor oczu, kręcone włosy, grzbiet nosa z garbem, prosty nos (czubek nosa wygląda na prosty), dołek w brodzie, wczesne łysienie u mężczyzn, praworęczność, umiejętność skręcania język w rurkę, biały lok nad czołem, „warga habsburska” - im dolna szczęka jest wąska, wystająca do przodu, dolna warga opada, a usta są w połowie otwarte. Niektóre objawy patologiczne danej osoby są również dziedziczone zgodnie z typem autosomalnym dominującym: polidaktylia lub polidaktylia (gdy na dłoni lub stopie znajduje się od 6 do 9 palców), syndaktylia (połączenie tkanek miękkich lub kostnych paliczków dwóch lub więcej palce), brachydaktylia (niedorozwój dalszych paliczków palców, prowadzący do powstania palców o krótkich palcach), arachnodaktylia (bardzo wydłużone palce „pajęcze”, jeden z objawów zespołu Marfana), niektóre formy krótkowzroczności. Większość nosicieli nieprawidłowości autosomalnej dominującej to heterozygoty. Czasami zdarza się, że dwóch nosicieli tej samej dominującej anomalii pobiera się i rodzi dzieci. Wtedy jedna czwarta z nich będzie homozygotyczna pod względem zmutowanego allelu dominującego (AA) . Wiele przypadków z praktyki medycznej wskazuje, że homozygoty pod względem dominujących anomalii są dotknięte poważniej niż heterozygoty. Na przykład w małżeństwie dwóch nosicieli brachydaktylii urodziło się dziecko, które nie tylko nie miało palców u rąk i nóg, ale także miało liczne deformacje szkieletu. Zmarł w wieku jednego roku. Inne dziecko w tej rodzinie było heterozygotą i miało typowe objawy brachydaktylii.

Autosomalny recesywny Cechy mendlowskie u ludzi są determinowane przez geny zlokalizowane w autosomach i mogą pojawić się u potomstwa z małżeństwa dwóch heterozygot, dwóch homozygot recesywnych lub heterozygoty i homozygoty recesywnej. Z badań wynika, że ​​większość małżeństw, u których potomstwa obserwuje się choroby recesywne, zawierana jest pomiędzy fenotypowo prawidłowymi heterozygotami (Aa x Aa) . Potomstwo z takiego małżeństwa ma genotypy AA, Aa i ach zostanie zaprezentowany w stosunku 1:2:1, a ryzyko, że dziecko zostanie dotknięte, wynosi 25%. Zgodnie z typem autosomalnym recesywnym, miękkimi, prostymi włosami, zadartym nosem, jasnymi oczami, cienką skórą i ujemną pierwszą grupą krwi Rh, dziedziczonych jest wiele chorób metabolicznych: fenyloketonuria, galaktozemia, histydynimia itp., A także xeroderma pigmentosum.

Xeroderma pigmentosum, jedna z chorób recesywnych, stosunkowo niedawno zainteresowała biologów molekularnych. Patologia ta jest spowodowana niezdolnością komórek skóry pacjenta do naprawy uszkodzeń DNA spowodowanych promieniowaniem ultrafioletowym. W efekcie rozwija się stan zapalny skóry, zwłaszcza twarzy, a następnie jej zanik. W końcu rozwija się rak skóry, który nieleczony prowadzi do śmierci. U pacjentów z rzadką chorobą recesywną stopień pokrewieństwa między rodzicami jest zwykle znacznie wyższy niż średnia w populacji. Z reguły rodzice dziedziczą ten gen od wspólnego przodka i są heterozygotami. Zdecydowana większość pacjentów z chorobami autosomalnymi recesywnymi to dzieci dwóch heterozygot.

Oprócz dziedziczenia autosomalnego dominującego i autosomalnego recesywnego, u ludzi wykrywa się również niepełną dominację , kodominacja i naddominacja.

Niepełna dominacja związany z pośrednią manifestacją cechy w heterozygotycznym stanie alleli (Aa) . Na przykład o dużym nosie decydują dwa allele AA, mały nos - allele aa, normalny nos średniej wielkości - Aa . W zależności od rodzaju niepełnej dominacji osoba dziedziczy wysunięcie warg oraz wielkość ust i oczu, odległość między oczami.

Kodominacja- jest to interakcja genów allelicznych, w której dwa geny dominujące znajdują się w stanie heterozygotycznym i współpracują jednocześnie, to znaczy każdy allel określa swoją własną cechę. Najwygodniej jest rozważyć kodominację na przykładzie dziedziczenia grup krwi.

Grupy krwi układu AB0 wyznaczają trzy allele: A, B i 0. Ponadto allele A i B są dominujące, a allel 0 jest recesywny. Połączenie parami tych trzech alleli w genotypie daje cztery grupy krwi. Geny alleliczne określające grupy krwi znajdują się w dziewiątej parze ludzkich chromosomów i są odpowiednio oznaczone: I A, I b i I°. Pierwszą grupę krwi określa obecność w genotypie dwóch recesywnych alleli I° I°. Fenotypowo objawia się to obecnością przeciwciał alfa i beta w surowicy krwi. Drugą grupę krwi można określić na podstawie dwóch dominujących alleli I A I A, jeśli dana osoba jest homozygotą, lub alleli I A I°, jeśli jest heterozygotą. Fenotypowo druga grupa krwi objawia się obecnością antygenów grupy A na powierzchni czerwonych krwinek oraz obecnością przeciwciał beta w surowicy krwi. Trzecia grupa jest określona przez funkcjonowanie allelu B. I w tym przypadku genotyp może być heterozygotyczny (I w I°) lub homozygotyczny (I w I w). Fenotypowo u osób z trzecią grupą krwi antygeny B wykrywane są na powierzchni erytrocytów, a frakcje białkowe krwi zawierają przeciwciała alfa. Osoby z czwartą grupą krwi łączą w swoim genotypie dwa dominujące allele AB (I A I b) i oba działają: na powierzchni erytrocytów znajdują się oba antygeny (A i B), a surowica krwi nie zawiera alfa i beta, aby uniknąć aglutynacja odpowiednich białek surowicy. Zatem osoby z czwartą grupą krwi są przykładem kodominacji, ponieważ mają dwa dominujące geny alleliczne działające jednocześnie.

Zjawisko nadmierna dominacja ze względu na fakt, że w niektórych przypadkach geny dominujące są bardziej widoczne w stanie heterozygotycznym niż w stanie homozygotycznym. Koncepcja ta koreluje z efektem heterozji i wiąże się z tak złożonymi cechami, jak żywotność, ogólna długość życia itp.

Zatem u ludzi, podobnie jak u innych eukariontów, znane są wszystkie rodzaje interakcji genów allelicznych i duża liczba cech mendlowskich determinowanych przez te interakcje. Korzystając z mendlowskich praw dziedziczenia, można obliczyć prawdopodobieństwo posiadania dzieci o określonych cechach modelowania.

Najwygodniejszym podejściem metodologicznym do analizy dziedziczenia cech w kilku pokoleniach jest metoda genealogiczna, oparta na konstrukcji rodowodów.

Interakcja genów

Do tej pory rozważaliśmy tylko cechy kontrolowane monogenicznie. Jednakże na fenotypową ekspresję jednego genu zwykle wpływają inne geny. Często cechy powstają przy udziale kilku genów, których interakcja znajduje odzwierciedlenie w fenotypie.

Przykładem złożonej interakcji genów są wzorce dziedziczenia układu czynników Rh: Rh plus (Rh +) i Rh minus (Rh-). W 1939 roku podczas badania surowicy krwi kobiety, która urodziła martwy płód i która miała w przeszłości transfuzję z grupą krwi męża zgodną z ABO, odkryto specjalne przeciwciała, podobne do tych uzyskiwanych podczas immunizacji zwierząt doświadczalnych rezusem. erytrocyty małpy. Przeciwciała wykryte u pacjentki nazwano przeciwciałami Rh, a grupę krwi Rh-ujemną. O grupie krwi Rh dodatniej decyduje obecność na powierzchni czerwonych krwinek specjalnej grupy antygenów kodowanych przez geny strukturalne niosące informację o polipeptydach błonowych. Geny determinujące czynnik Rh zlokalizowane są w pierwszej parze ludzkich chromosomów. Grupa krwi Rh dodatnia jest dominująca, grupa krwi Rh ujemna jest recesywna. Osoby Rh-dodatnie mogą być heterozygotyczne (Rh + /Rh-) lub homozygotyczne (Rh + /Rh +). Rh ujemny - tylko homozygotyczny (Rh-/Rh-).

Później okazało się, że antygeny i przeciwciała czynnika Rh mają złożoną strukturę i składają się z trzech składników. Konwencjonalnie antygeny Rh oznaczane są literami alfabetu łacińskiego C, D, E. Na podstawie analizy danych genetycznych dotyczących dziedziczenia czynnika Rh w rodzinach i populacjach postawiono hipotezę, że każdy składnik czynnika Rh jest określone przez jego gen, że geny te są połączone razem w jeden locus i mają wspólnego operatora lub promotora, który reguluje ich ekspresję ilościową. Ponieważ antygeny są oznaczone literami C, D, E, te same małe litery oznaczają geny odpowiedzialne za syntezę odpowiedniego składnika.

Badania genetyczne w rodzinach wskazują na możliwość krzyżowania się trzech genów w locus czynnika Rh u heterozygot. Badania populacyjne wykazały różnorodność fenotypów: CDE, CDe, cDE, cDe, CdE, Cde, cdE, cde. Interakcje między genami determinującymi czynnik Rh są złożone. Wydaje się, że głównym czynnikiem determinującym antygen Rh jest antygen D. Jest on znacznie bardziej immunogenny niż antygeny C i E. U osób z genotypem d/d stwierdza się ujemny czynnik Rh, dodatni u osób z DD i genotypy D /d. U heterozygot CDe/Cde i Cde/cDe z kombinacją genów Cde w locus Rh następuje zmiana ekspresji czynnika D, w wyniku czego powstaje fenotyp Du ze słabą reakcją w odpowiedzi na wprowadzenie antygenów Rh-dodatnich . W konsekwencji pracę genów w locus Rh można regulować ilościowo, a fenotypowa manifestacja czynnika Rh u osób Rh-dodatnich może być różna: większa lub mniejsza.

Niezgodność czynnika Rh płodu i matki może spowodować rozwój patologii u płodu lub samoistne poronienie we wczesnych stadiach ciąży. Za pomocą specjalnych czułych metod udało się wykazać, że podczas porodu do krwi matki może przedostać się około 1 ml krwi płodu. Jeśli matka jest Rh ujemna, a płód jest Rh dodatni, to po pierwszym porodzie matka zostanie uczulona na antygeny Rh dodatnie. Podczas kolejnych ciąż z płodem niezgodnym z Rh miano przeciwciał anty-Rh we krwi może gwałtownie wzrosnąć, a pod wpływem ich destrukcyjnego działania u płodu rozwija się charakterystyczny obraz kliniczny patologii hemolitycznej, wyrażający się niedokrwistością, żółtaczką lub obrzęk.

W genetyce klasycznej najczęściej badane są trzy rodzaje interakcji genów nieallelicznych: epistaza, komplementarność i polimeryzacja. Determinują wiele odziedziczonych cech danej osoby.

Epistaza- jest to rodzaj interakcji genów nieallelicznych, w którym jedna para genów allelicznych tłumi działanie drugiej pary. Wyróżnia się epistazę dominującą i recesywną. Epistaza dominująca objawia się tym, że allel dominujący u homozygoty (AA) lub heterozygotyczny (Aa) stan tłumi manifestację innej pary alleli. W epistazie recesywnej gen hamujący jest w stanie homozygotycznym recesywnym (aa) nie pozwala na manifestację epistatycznego genu. Gen tłumiący nazywany jest supresorem lub inhibitorem, a gen tłumiony nazywany jest hipostatycznym. Ten typ interakcji jest najbardziej typowy dla genów zaangażowanych w regulację ontogenezy i układu odpornościowego człowieka.

Przykładem epistazy recesywnej u ludzi jest „zjawisko bombajskie”. W Indiach opisano rodzinę, w której rodzice mieli drugą (A0) i pierwszą (00) grupę krwi, a ich dzieci czwartą (AB) i pierwszą (00). Aby dziecko w takiej rodzinie miało grupę krwi AB, matka musi mieć grupę krwi B, ale nie 0. Później odkryto, że w układzie grup krwi AB0 występują recesywne geny modyfikujące, które w stanie homozygotycznym, hamują ekspresję antygenów na powierzchni czerwonych krwinek. Przykładowo osoba z trzecią grupą krwi powinna mieć antygen grupy B na powierzchni erytrocytów, ale gen supresorowy epistatyczny w stanie homozygotycznym recesywnym (h/h) tłumi działanie genu B, tak że odpowiednie antygeny nie powstają, a fenotypowo manifestuje się grupa krwi 0. Locus genu supresorowego nie jest powiązany z locus AB0. Geny supresorowe są dziedziczone niezależnie od genów determinujących grupy krwi ABO. Zjawisko Bombaju występuje z częstotliwością 1 na 13 000 wśród Hindusów mówiących po maharati, mieszkających w pobliżu Bombaju. Występuje również powszechnie w odosobnieniu na wyspie Reunion. Najwyraźniej objaw jest określony przez naruszenie jednego z enzymów biorących udział w syntezie antygenu.

Komplementarność- jest to rodzaj interakcji, w którym za cechę odpowiada kilka genów nieallelicznych, a różne kombinacje alleli dominujących i recesywnych w ich parach zmieniają fenotypową manifestację cechy. Jednak we wszystkich przypadkach, gdy geny znajdują się w różnych parach chromosomów, podziały opierają się na prawach cyfrowych ustanowionych przez Mendla.

Zatem, aby osoba mogła mieć normalny słuch, konieczna jest skoordynowana aktywność kilku par genów, z których każdy może być reprezentowany przez allele dominujące lub recesywne. Prawidłowy słuch rozwija się tylko wtedy, gdy każdy z tych genów ma co najmniej jeden dominujący allel w diploidalnym zestawie chromosomów. Jeśli co najmniej jedna para alleli jest reprezentowana przez homozygotę recesywną, wówczas dana osoba będzie głucha. Wyjaśnijmy to na prostym przykładzie. Załóżmy, że o prawidłowym słuchu decyduje para genów. W tym przypadku osoby z prawidłowym słuchem mają genotypy AABB, AABb, AaBB, AaBb. O głuchocie dziedzicznej decydują genotypy: aabb, Aabb, AAbb, aaBb, aaBB . Korzystając z praw Mendla dla krzyżowania dihybrydowego, łatwo obliczyć, że niesłyszący rodzice (aaBB x AAbb) mogą mieć dzieci z prawidłowym słuchem (AaBb), a rodzice normalnie słyszący z odpowiednią kombinacją genotypów AaBb x AaBb z dużym prawdopodobieństwem (ponad 40%) – dzieci głuche.

Polimeryzm- uwarunkowanie określonej cechy przez kilka par genów nieallelicznych, które mają ten sam efekt. Takie geny nazywane są genami polimerowymi. Jeżeli liczba dominujących alleli wpływa na stopień ekspresji cechy, polimer nazywa się kumulacyjnym. Im bardziej dominujące allele, tym intensywniej wyraża się cecha. W zależności od rodzaju polimeryzacji kumulacyjnej dziedziczone są zwykle cechy, które można wyrazić ilościowo: kolor skóry, kolor włosów, wzrost.

Za kolor ludzkiej skóry i włosów, a także kolor tęczówki oczu odpowiada pigment melanina. Tworząc kolor powłoki, chroni organizm przed działaniem promieni ultrafioletowych. Istnieją dwa rodzaje melanin: eumelanina (czarna i ciemnobrązowa) i feumelanina (żółta i czerwona). Melanina jest syntetyzowana w komórkach z aminokwasu tyrozyny w kilku etapach. Regulacja syntezy zachodzi na wiele sposobów i zależy w szczególności od szybkości podziału komórki. Kiedy mitoza komórkowa przyspiesza, u nasady włosa tworzy się feumelanina, a gdy mitoza zwalnia, powstaje eumelanina. Opisano niektóre formy złośliwego zwyrodnienia komórek nabłonka skóry, któremu towarzyszy nagromadzenie melaniny (czerniak).

Wszystkie kolory włosów, z wyjątkiem rudego, tworzą ciągłą serię od ciemnej do jasnej (odpowiadającej spadkowi stężenia melaniny) i są dziedziczone poligenicznie w zależności od rodzaju kumulującego się polimeru. Uważa się, że różnice te wynikają z czysto ilościowych zmian w zawartości eumelaniny. Kolor rudych włosów zależy od obecności feumelaniny. Kolor włosów zwykle zmienia się wraz z wiekiem i stabilizuje się wraz z początkiem okresu dojrzewania.

Kolor tęczówki zależy od kilku czynników. Z jednej strony zależy to od obecności granulek melaniny, a z drugiej od charakteru odbicia światła. Kolory czarno-brązowe są spowodowane licznymi komórkami pigmentowymi w przedniej warstwie tęczówki. W jasnych oczach zawartość pigmentu jest znacznie mniejsza. Przewaga koloru niebieskiego w świetle odbitym od przedniej warstwy tęczówki, która nie zawiera pigmentu, tłumaczy się efektem optycznym. Różna zawartość pigmentu determinuje całą gamę koloru oczu.

Pigmentacja ludzkiej skóry jest również dziedziczona przez rodzaj kumulującego się polimeru. Na podstawie badań genetycznych rodzin, których członkowie charakteryzują się różnym natężeniem pigmentacji skóry, przyjmuje się, że o kolorze skóry człowieka decydują trzy lub cztery pary genów.

Uznanie zasady interakcji genów sugeruje, że wszystkie geny są w jakiś sposób ze sobą powiązane w swoim działaniu. Jeśli jeden gen wpływa na funkcjonowanie innych genów, może wpływać na manifestację nie tylko jednej, ale także kilku cech. To wielokrotne działanie genu nazywa się plejotropia. Najbardziej uderzającym przykładem plejotropowego działania genu u ludzi jest zespół Marfana, wspomniana już patologia autosomalna dominująca. Arachnodaktylia (palce pająka) jest jednym z objawów zespołu Marfana. Inne objawy obejmują wysoki wzrost spowodowany nadmiernym wydłużeniem kończyn, nadmierną ruchomość stawów prowadzącą do krótkowzroczności, podwichnięcia soczewki i tętniaków aorty. Zespół ten występuje z równą częstością u mężczyzn i kobiet. Podstawą tych objawów jest defekt w rozwoju tkanki łącznej, który pojawia się we wczesnych stadiach ontogenezy i prowadzi do licznych manifestacji fenotypowych.

Wiele dziedzicznych patologii ma działanie plejotropowe. Geny zapewniają określone etapy metabolizmu. Produkty reakcji metabolicznych z kolei regulują i ewentualnie kontrolują inne reakcje metaboliczne. Zatem zaburzenia metaboliczne na jednym etapie będą miały wpływ na kolejne etapy, tak że zakłócenie ekspresji jednego genu będzie miało wpływ na kilka elementarnych cech.

Dziedziczność i środowisko

O fenotypowym przejawie cechy decydują geny odpowiedzialne za tę cechę, interakcja determinant z innymi genami oraz warunki środowiskowe. W konsekwencji stopień fenotypowej ekspresji cechy deterministycznej ( wyrazistość) może się zmienić: wzmocnić lub osłabić. Dla wielu cech dominujących charakterystyczne jest to, że gen objawia się u wszystkich heterozygot, ale w różnym stopniu. Wiele dominujących chorób wykazuje znaczną zmienność osobniczą zarówno pod względem wieku wystąpienia, jak i nasilenia objawów, zarówno w obrębie tej samej rodziny, jak i pomiędzy rodzinami.

W niektórych przypadkach cecha może w ogóle nie wyrażać się fenotypowo, pomimo z góry określonego genotypu. Częstotliwość manifestacji fenotypowej danego genu wśród jego nosicieli nazywa się penetracja i jest wyrażany w procentach. Penetracja jest pełna, jeśli cecha objawia się u wszystkich nosicieli danego genu (100%), a niepełna, jeśli cecha objawia się tylko u niektórych nosicieli. W przypadku niepełnej penetracji zdarza się, że w trakcie przekazywania cechy pomijane jest jedno pokolenie, choć osobnik jej pozbawiony, sądząc po rodowodzie, powinien być heterozygotą. Penetracja jest pojęciem statystycznym. Oszacowanie jego wartości często zależy od zastosowanych metod badawczych.

Genetyka seksu

Spośród 46 chromosomów (23 par) w ludzkim kariotypie 22 pary są takie same u mężczyzn i kobiet (autosomy), a jedna para, zwana parą płci, różni się u różnych płci: u kobiet - XX, u mężczyzn - XY. Chromosomy płciowe są obecne w każdej komórce somatycznej człowieka. Kiedy podczas mejozy powstają gamety, homologiczne chromosomy płciowe rozdzielają się na różne komórki płciowe. W rezultacie każde jajo, oprócz 22 autosomów, niesie jeden chromosom płciowy X. Wszystkie plemniki mają również haploidalny zestaw chromosomów, z których 22 to autosomy, a jeden to chromosom płciowy. Połowa plemnika zawiera chromosom X, druga połowa zawiera chromosom Y.

Ponieważ chromosomy płci żeńskiej są identyczne, a wszystkie jaja niosą chromosom X, płeć żeńską u ludzi nazywa się homogametyczną. Płeć męska, ze względu na różnicę w chromosomach płciowych (X lub Y) w plemniku, nazywana jest heterogametyczną.

Płeć człowieka określa się w momencie zapłodnienia. Kobieta ma jeden rodzaj gamet - X, mężczyzna - dwa rodzaje gamet: X i Y i zgodnie z prawami mejozy powstają one w równych proporcjach. Podczas zapłodnienia zestawy chromosomów gamet łączą się. Przypomnijmy, że zygota zawiera 22 pary autosomów i jedną parę chromosomów płciowych. Jeśli komórka jajowa zostanie zapłodniona przez plemnik z chromosomem X, wówczas zygota będzie miała parę chromosomów płciowych XX i rozwinie się w dziewczynkę. Jeśli zapłodnienie nastąpiło przez plemnik z chromosomem Y, wówczas zestaw chromosomów płciowych w zygocie to XY. Z takiej zygoty powstanie męskie ciało. Zatem o płci nienarodzonego dziecka decyduje mężczyzna, który jest heterogametyczny pod względem chromosomów płciowych. Według statystyk stosunek płci w chwili urodzenia wynosi około 1:1.

Chromosomalne określenie płci nie jest jedynym poziomem zróżnicowania płciowego. Główną rolę w tym procesie u człowieka odgrywa regulacja hormonalna, która zachodzi za pomocą hormonów płciowych syntetyzowanych przez gonady.

Tworzenie się ludzkich narządów płciowych rozpoczyna się w pięciotygodniowym zarodku. Pierwotne komórki układu rozrodczego migrują do podstaw gonad z woreczka żółtkowego, które, namnażając się przez mitozę, różnicują się w gonię i stają się prekursorami gamet. U zarodków obu płci migracja przebiega jednakowo. Jeśli w komórkach zawiązków gonad obecny jest chromosom Y, wówczas zaczynają się rozwijać jądra, a początek różnicowania wiąże się z funkcjonowaniem regionu euchromatycznego chromosomu Y. Jeśli nie ma chromosomu Y, rozwijają się jajniki, co odpowiada typowi żeńskiemu.

Mężczyzna jest z natury biseksualny. Podstawy układu rozrodczego są takie same u zarodków obu płci. Jeśli aktywność chromosomu Y zostanie stłumiona, podstawy narządów płciowych rozwijają się zgodnie z typem żeńskim. W przypadku całkowitego braku wszystkich elementów formacji płci męskiej powstają żeńskie narządy płciowe.

Rodzaj drugorzędnych cech płciowych zależy od zróżnicowania gonad. Narządy rozrodcze powstają z kanałów Müllera i Wolffa. U kobiet przewody Müllera rozwijają się w jajowody i macicę, a przewody Wolffa zanikają. U mężczyzn kanały Wolffa przekształcają się w przewody nasienne i pęcherzyki nasienne. Pod wpływem gonadotropiny kosmówkowej matki komórki Leydiga zlokalizowane w jądrach embrionalnych syntetyzują hormony steroidowe (testosteron), które biorą udział w regulacji rozwoju jednostki według typu męskiego. Jednocześnie w jądrach komórek Sertoliego syntetyzowany jest hormon, który hamuje różnicowanie przewodów Müllera. Normalny samiec rozwija się tylko wtedy, gdy wszystkie hormony działające na podstawy zewnętrznych i wewnętrznych narządów płciowych zostaną „uruchomione” w określonym czasie i miejscu.

Obecnie opisano około 20 różnych defektów genów, które przy prawidłowym kariotypie (XY) na chromosomach płciowych prowadzą do zaburzenia różnicowania zewnętrznych i wewnętrznych cech płciowych (hermafrodytyzm). Mutacje te są związane z naruszeniem: a) syntezy hormonów płciowych; b) podatność receptora na nie; c) praca enzymów biorących udział w syntezie czynników regulacyjnych itp.

Dziedziczenie cech sprzężonych z płcią

Chromosomy X i Y są homologiczne, ponieważ mają wspólne regiony homologiczne, w których zlokalizowane są geny alleliczne. Jednak pomimo homologii poszczególnych loci, chromosomy te różnią się morfologią. Rzeczywiście, oprócz wspólnych obszarów, niosą ze sobą duży zestaw różnych genów. Chromosom X zawiera geny, które nie znajdują się na chromosomie Y, a pewna liczba genów z chromosomu Y jest nieobecna na chromosomie X. Zatem u mężczyzn niektóre geny na chromosomach płci nie mają drugiego allelu na chromosomie homologicznym. W tym przypadku cecha jest determinowana nie przez parę genów allelicznych, jak to ma miejsce w przypadku zwykłej cechy mendlowskiej, ale tylko przez jeden allel. Ten stan genu nazywa się hemizygotycznym, a cechy, których rozwój jest spowodowany pojedynczym allelem zlokalizowanym w jednym z alternatywnych chromosomów płciowych, nazywane są sprzężonymi z płcią. Rozwija się głównie u jednej z dwóch płci i jest dziedziczona inaczej u mężczyzn i kobiet.

Cechy powiązane z chromosomem X mogą być recesywne lub dominujące. Do recesywnych zalicza się hemofilię, ślepotę barw (niezdolność do rozróżnienia czerwieni i zieleni), zanik nerwu wzrokowego i miopatię Duchenne’a. Dominuje krzywica, której nie można leczyć witaminą D, oraz ciemne szkliwo zębów.

Rozważmy dziedziczenie powiązane z chromosomem X na przykładzie recesywnego genu hemofilii. U mężczyzny gen hemofilii, zlokalizowany na chromosomie X, nie ma allelu na chromosomie Y, to znaczy jest w stanie hemizygotycznym. Dlatego pomimo tego, że cecha jest recesywna, u mężczyzn objawia się:

N- normalnego genu krzepnięcia krwi

h - gen hemofilii;

X h Y - mężczyzna chory na hemofilię;

X N Y – mężczyzna jest zdrowy.

U kobiet cecha jest określana przez parę genów allelicznych na chromosomach płci XX, dlatego hemofilia może objawiać się jedynie w stanie homozygotycznym:

X N X N - kobieta jest zdrowa.

X N X h – kobieta heterozygotyczna, nosicielka genu hemofilii, zdrowa,

X h X h jest kobietą chorą na hemofilię.

Prawa przenoszenia cech powiązanych z chromosomami X zostały po raz pierwszy zbadane przez T. Morgana.

Oprócz cech sprzężonych z X mężczyźni mają cechy sprzężone z Y. Nazywa się ich holandrykami. Geny je determinujące zlokalizowane są w tych obszarach chromosomów Y, które nie mają analogów w chromosomach X. Cechy holandryczne są również determinowane tylko przez jeden allel, a ponieważ ich geny znajdują się tylko na chromosomie Y, są wykrywane u mężczyzn i przekazywane z ojca na syna, a raczej na wszystkich synów. Objawy holandryczne obejmują: owłosione uszy, błony między palcami, rybią łuskę (skóra ma głębokie prążki i przypomina rybie łuski).

Homologiczne regiony chromosomów X i Y zawierają geny alleliczne, które z równym prawdopodobieństwem występują u mężczyzn i kobiet.

Objawy, które identyfikują, obejmują ogólną ślepotę barw (brak widzenia kolorów) i xeroderma pigmentosum. Obie te cechy są recesywne. Cechy związane z genami allelicznymi zlokalizowanymi na chromosomach X i Y są dziedziczone zgodnie z klasycznymi prawami Mendla.

Dziedziczenie ograniczone i kontrolowane przez płeć

Cechy ludzkie, których dziedziczenie jest w jakiś sposób powiązane z płcią, dzielą się na kilka kategorii.

Jedną z kategorii jest znaki, ogograniczone ze względu na płeć. O ich rozwoju determinują geny zlokalizowane w autosomach obu płci, ale manifestują się tylko u jednej płci. Na przykład geny określające szerokość miednicy kobiety zlokalizowane są w autosomach, dziedziczonych zarówno od ojca, jak i matki, ale występują tylko u kobiet. To samo dotyczy wieku dojrzewania u dziewcząt. Do cech męskich ograniczonych ze względu na płeć zalicza się ilość i rozmieszczenie owłosienia na ciele.

Inna kategoria obejmuje rozpoznanyki kontrolowane płcią lub zależne od płci. O rozwoju cech somatycznych determinują geny zlokalizowane w autosomach, manifestują się one u mężczyzn i kobiet, ale w różny sposób. Na przykład u mężczyzn wczesną cechą dominującą jest łysienie, które objawia się zarówno u dominujących homozygot (Aa), jak i heterozygot (Aa). U kobiet cecha ta jest recesywna, pojawia się tylko u homozygot recesywnych (aa) . Dlatego łysych mężczyzn jest znacznie więcej niż kobiet. Innym przykładem jest dna moczanowa, której penetracja jest większa u mężczyzn: 80% w porównaniu z 12% u kobiet. Oznacza to, że mężczyźni częściej cierpią na dnę moczanową. O wyrazistości cech kontrolowanych przez płeć decydują hormony płciowe. Na przykład rodzaj głosu śpiewającego (bas, baryton, tenor, sopran, mezzosopran i alt) jest kontrolowany przez konstytucję płciową. Począwszy od okresu dojrzewania, na tę cechę wpływają hormony płciowe.

Sprzężenie genów i mapy chromosomów

Chromosomowa teoria dziedziczności została sformułowana i udowodniona eksperymentalnie przez T. Morgana i jego współpracowników. Zgodnie z tą teorią geny zlokalizowane są na chromosomach i są na nich ułożone liniowo. Geny zlokalizowane na tym samym chromosomie nazywane są połączonymi; są dziedziczone razem i tworzą grupę łączącą. Liczba grup łączących odpowiada liczbie par homologicznych chromosomów. Ludzie mają 46 chromosomów: 22 pary autosomów i jedną parę chromosomów płciowych (XX lub XY), dlatego kobiety mają 23 grupy połączeń, a mężczyźni 24, ponieważ męskie chromosomy płciowe (XY) nie są ze sobą całkowicie homologiczne. Każdy z męskich chromosomów płciowych posiada geny charakterystyczne tylko dla chromosomu X i tylko dla chromosomu Y, które odpowiadają grupom łączącym chromosomów X i Y.

Geny znajdujące się na tym samym chromosomie i tworzące grupę łączącą nie są ze sobą absolutnie powiązane. W zygotenie, profazie pierwszego podziału mejotycznego, homologiczne chromosomy łączą się ze sobą, tworząc biwalenty, następnie w pachytenie następuje krzyżowanie-wymiana regionów pomiędzy chromatydami homologicznych chromosomów. Przejście jest procesem obowiązkowym. Występuje w każdej parze homologicznych chromosomów. Im dalej od siebie znajdują się geny na chromosomie, tym częściej dochodzi między nimi do krzyżowania. Dzięki temu procesowi zwiększa się różnorodność kombinacji genów w gametach. Na przykład para homologicznych chromosomów zawiera połączone geny AB i ab. W profazie mejozy chromosomy homologiczne łączą się i tworzą dwuwartościowy: AB ab

Jeśli nie nastąpi krzyżowanie genów A i B, to w wyniku mejozy powstają dwa typy niekrzyżowych gamet: AB i ab. Jeżeli nastąpi krzyżowanie, wówczas otrzymane zostaną gamety krzyżowe: Ab i B, czyli grupy połączeń ulegną zmianie. Im bardziej odległe są od siebie geny A i B, tym większe prawdopodobieństwo powstania i odpowiednio wzrasta liczba krzyżujących się gamet.

Jeśli geny na dużym chromosomie znajdują się w wystarczającej odległości od siebie i w mejozie zachodzą między nimi liczne krzyżowania, wówczas mogą być dziedziczone niezależnie.

Odkrycie crossover pozwoliło T. Morganowi i pracownikom jego szkoły opracować zasadę konstruowania map genetycznych chromosomów w pierwszych dwóch dekadach XX wieku. Wykorzystali zjawisko powiązania do określenia lokalizacji genów znajdujących się na tym samym chromosomie i do stworzenia map genów muszki owocowej Drosophila melanogaster. Na mapach genetycznych geny rozmieszczone są liniowo, jeden po drugim, w określonej odległości. Odległość między genami określa się w procentach krzyżowania lub w morganidach (1% krzyżowania jest równy jednemu morganidowi).

Do skonstruowania map genetycznych u roślin i zwierząt przeprowadza się analizę krzyżówek, w której wystarczy po prostu obliczyć procent osobników powstałych w wyniku krzyżowania i skonstruować mapę genetyczną w oparciu o trzy połączone geny. U ludzi analiza powiązań genowych metodami klasycznymi jest niemożliwa, ponieważ niemożliwe są eksperymentalne małżeństwa. Dlatego do badania grup powiązań i mapowania ludzkich chromosomów stosuje się inne metody, przede wszystkim genealogiczne, oparte na analizie rodowodów.

T E M A nr 7 Dziedziczne choroby człowieka

Problematyka zdrowia człowieka i genetyka są ze sobą ściśle powiązane. Genetycy próbują odpowiedzieć na pytanie, dlaczego niektórzy ludzie są podatni na różne choroby, a inni zachowują zdrowie w tych, a nawet gorszych warunkach. Wynika to głównie z dziedziczności każdego człowieka, tj. właściwości jego genów zawartych w chromosomach.

W ostatnich latach nastąpił szybki rozwój genetyki człowieka i genetyki medycznej. Tłumaczy się to wieloma przyczynami, a przede wszystkim gwałtownym wzrostem udziału patologii dziedzicznych w strukturze zachorowalności i umieralności populacji. Statystyki pokazują, że na 1000 noworodków u 35-40 rozpoznaje się różne rodzaje chorób dziedzicznych, a w śmiertelności dzieci poniżej 5 roku życia choroby chromosomalne stanowią 2-3%, choroby genetyczne - 8-10%, wieloczynnikowe choroby - 35-40%. Co roku w naszym kraju rodzi się 180 tysięcy dzieci z chorobami dziedzicznymi. Ponad połowa z nich ma wady wrodzone, około 35 tys. - choroby chromosomowe i ponad 35 tys. - choroby genowe. Należy zauważyć, że liczba chorób dziedzicznych u ludzi rośnie z roku na rok i obserwuje się nowe formy patologii dziedzicznych. W 1956 r. znanych było 700 postaci chorób dziedzicznych, a do 1986 r. liczba ta wzrosła do 2000. W 1992 r. liczba znanych chorób i cech dziedzicznych wzrosła do 5710.

Wszystkie choroby dziedziczne dzielą się na trzy grupy:

Genetyczne (monogeniczne – patologia opiera się na jednej parze genów allelicznych)

Chromosomalny

Choroby z predyspozycją dziedziczną (wieloczynnikową).

Choroby genowe człowieka

Choroby genetyczne to duża grupa chorób, które wynikają z uszkodzeń DNA na poziomie genów.

Ogólna częstość występowania chorób genowych w populacji wynosi 1-2%. Konwencjonalnie częstość chorób genowych uważa się za wysoką, jeśli występuje z częstością 1 przypadku na 10 000 noworodków, średnio - 1 na 10 000–40 000, a następnie niską.

Monogeniczne formy chorób genowych są dziedziczone zgodnie z prawami G. Mendla. W zależności od rodzaju dziedziczenia dzieli się je na autosomalne dominujące, autosomalne recesywne i powiązane z chromosomami X lub Y.

Większość patologii genów jest spowodowana mutacjami w genach strukturalnych, które spełniają swoją funkcję poprzez syntezę polipeptydów - białek. Każda mutacja genu prowadzi do zmiany struktury lub ilości białka.

Początek jakiejkolwiek choroby genowej jest związany z pierwotnym działaniem zmutowanego allelu. Podstawowy schemat chorób genowych obejmuje szereg linków:

zmutowany allel;

zmodyfikowany produkt podstawowy;

łańcuch kolejnych procesów biochemicznych komórki;

1. organizm.

W wyniku mutacji genu na poziomie molekularnym możliwe są następujące opcje:

synteza nieprawidłowego białka;

wytwarzanie nadmiernej ilości produktu genu;

brak produkcji produktu pierwotnego;

produkcję zmniejszonej ilości normalnego produktu pierwotnego.

Nie kończąc się na poziomie molekularnym w pierwotnych ogniwach, patogeneza chorób genowych trwa nadal na poziomie komórkowym. W różnych chorobach punktem zastosowania działania zmutowanego genu mogą być albo pojedyncze struktury komórkowe – lizosomy, błony, mitochondria, czy narządy ludzkie. Objawy kliniczne chorób genowych, nasilenie i szybkość ich rozwoju zależą od cech genotypu organizmu (geny modyfikujące, dawka genu, czas działania zmutowanego genu, homo- i heterozygotyczność itp.), wieku pacjenta, środowiska warunki (odżywianie, chłodzenie, stres, przepracowanie) i inne czynniki.

Cechą chorób genetycznych (jak w ogóle wszystkich chorób dziedzicznych) jest ich niejednorodność. Oznacza to, że ten sam fenotypowy objaw choroby może być spowodowany mutacjami w różnych genach lub różnymi mutacjami w obrębie tego samego genu.

Do chorób genetycznych u człowieka zalicza się wiele chorób metabolicznych. Mogą być związane z zaburzeniami metabolizmu węglowodanów, lipidów, steroidów, puryn i pirymidyn, bilirubiny, metali itp. Nie ma jeszcze jednolitej klasyfikacji dziedzicznych chorób metabolicznych. Grupa naukowa WHO zaproponowała następującą klasyfikację:

1) choroby metabolizmu aminokwasów (fenyloketonuria, alkaptonuria itp.);

dziedziczne zaburzenia metabolizmu węglowodanów (galugozemia, glikogen

choroba itp.);

choroby związane z zaburzeniami gospodarki lipidowej (choroba Niemanna)

Picka, choroba Gauchera itp.);

dziedziczne zaburzenia metabolizmu steroidów;

dziedziczne choroby metabolizmu puryn i pirymidyn (dna moczanowa,

zespół Lescha-Nayana itp.);

6) choroby metaboliczne tkanki łącznej (choroba Marfana,

mukopolisacharydoza itp.);

7) dziedziczne zaburzenia hemu i porfiryny (hemoglobinopatie itp.);

choroby związane z zaburzeniami metabolizmu czerwonych krwinek (hemolityczne

anemia itp.);

dziedziczne zaburzenia metabolizmu bilirubiny;

dziedziczne choroby metabolizmu metali (choroba Konovalowa-Wilsona).

dziedziczne zespoły złego wchłaniania w przewodzie pokarmowym

układu pokarmowego (mukowiscydoza, nietolerancja laktozy itp.).

Rozważmy najczęstsze i obecnie najczęściej badane genetycznie choroby genowe.

Przyczyny mutacji

Mutacje dzielą się na spontaniczny I wywołany. Spontaniczne mutacje zachodzą samoistnie przez całe życie organizmu w normalnych warunkach środowiskowych z częstotliwością około jednego nukleotydu na pokolenie komórki.

Mutacje indukowane to dziedziczne zmiany w genomie, które powstają w wyniku pewnych efektów mutagennych w sztucznych (eksperymentalnych) warunkach lub pod niekorzystnym wpływem środowiska.

Mutacje pojawiają się stale podczas procesów zachodzących w żywej komórce. Głównymi procesami prowadzącymi do wystąpienia mutacji są replikacja DNA, zaburzenia naprawy DNA i rekombinacja genetyczna.

Związek mutacji z replikacją DNA

Wiele spontanicznych zmian chemicznych w nukleotydach skutkuje mutacjami zachodzącymi podczas replikacji. Przykładowo, w wyniku deaminacji przeciwnej cytozyny, uracyl może zostać włączony do łańcucha DNA (zamiast kanonicznej pary C-G powstaje para U-G). Podczas replikacji DNA naprzeciwko uracylu, adenina zostaje włączona do nowego łańcucha, powstaje para U-A, a podczas kolejnej replikacji zostaje zastąpiona parą T-A, czyli następuje przejście (punktowe zastąpienie pirymidyny inną pirymidyną lub puryna z inną puryną).

Związek pomiędzy mutacjami i rekombinacją DNA

Spośród procesów związanych z rekombinacją, nierówne krzyżowanie najczęściej prowadzi do mutacji. Zwykle występuje w przypadkach, gdy na chromosomie znajduje się kilka zduplikowanych kopii oryginalnego genu, które zachowały podobną sekwencję nukleotydów. W wyniku nierównego krzyżowania dochodzi do duplikacji w jednym z rekombinowanych chromosomów, a delecji w drugim.

Związek mutacji z naprawą DNA

Spontaniczne uszkodzenia DNA są zjawiskiem dość powszechnym i występują w każdej komórce. Aby wyeliminować skutki takich uszkodzeń, istnieją specjalne mechanizmy naprawcze (na przykład wycina się błędny odcinek DNA i w tym miejscu przywracany jest pierwotny). Mutacje występują tylko wtedy, gdy mechanizm naprawczy z jakiegoś powodu nie działa lub nie radzi sobie z eliminacją uszkodzeń. Mutacje zachodzące w genach kodujących białka odpowiedzialne za naprawę mogą prowadzić do wielokrotnego wzrostu (efekt mutatora) lub zmniejszenia (efekt antymutatora) częstotliwości mutacji innych genów. Zatem mutacje w genach wielu enzymów układu naprawy przez wycięcie prowadzą do gwałtownego wzrostu częstości mutacji somatycznych u ludzi, a to z kolei prowadzi do rozwoju xeroderma pigmentosum i nowotworów złośliwych powłoki.

Mutageny

Istnieją czynniki, które mogą znacznie zwiększyć częstotliwość mutacji - czynniki mutagenne. Obejmują one:

• mutageny chemiczne – substancje wywołujące mutacje,
• mutageny fizyczne – promieniowanie jonizujące, w tym naturalne promieniowanie tła, promieniowanie ultrafioletowe, wysoka temperatura itp.,
• mutageny biologiczne - na przykład retrowirusy, retrotranspozony.

Klasyfikacje mutacji

Istnieje kilka klasyfikacji mutacji w oparciu o różne kryteria. Möller zaproponował podział mutacji ze względu na charakter zmiany w funkcjonowaniu genu hipomorficzny(zmienione allele działają w tym samym kierunku co allele typu dzikiego; syntetyzowana jest tylko mniejsza ilość produktu białkowego), amorficzny(mutacja wygląda jak całkowita utrata funkcji genu, np. biały u Drosophila), antymorficzny(cecha mutanta zmienia się, np. kolor ziarna kukurydzy zmienia się z fioletowego na brązowy) i neomorficzny.

Współczesna literatura edukacyjna stosuje także bardziej formalną klasyfikację opartą na charakterze zmian w strukturze poszczególnych genów, chromosomów i genomu jako całości. W ramach tej klasyfikacji wyróżnia się następujące typy mutacji:

• genomowy;
• chromosomalny;
• genetyczny.

Konsekwencje mutacji dla komórek i organizmów

Mutacje upośledzające aktywność komórkową w organizmie wielokomórkowym często prowadzą do zniszczenia komórek (w szczególności programowanej śmierci komórki – apoptozy). Jeżeli wewnątrz- i zewnątrzkomórkowe mechanizmy ochronne nie rozpoznają mutacji i komórka ulegnie podziałowi, wówczas zmutowany gen zostanie przekazany wszystkim potomkom komórki, co najczęściej prowadzi do tego, że wszystkie te komórki zaczynają inaczej funkcjonować.

Ponadto częstotliwość mutacji różnych genów i różnych regionów w obrębie jednego genu jest naturalnie zróżnicowana. Wiadomo też, że organizmy wyższe wykorzystują w mechanizmach odporności „ukierunkowane” (czyli występujące w określonych odcinkach DNA) mutacje. Za ich pomocą powstają różnorodne klony limfocytów, wśród których w rezultacie zawsze znajdują się komórki zdolne do udzielenia odpowiedzi immunologicznej na nową, nieznaną organizmowi chorobę. Odpowiednie limfocyty poddawane są pozytywnej selekcji, w wyniku której powstaje pamięć immunologiczna. (Prace Jurija Czajkowskiego mówią także o innych rodzajach mutacji ukierunkowanych.)

Amelina Svetlana Sergeevna – profesor wydziału genetyki i genetyki laboratoryjnej, doktor nauk medycznych. Lekarz genetyk o najwyższej kategorii kwalifikacji

Degtereva Elena Valentinovna - asystentka wydziału genetyki i genetyki laboratoryjnej, genetyk pierwszej kategorii

Redaktor strony: Kutenko Władimir Siergiejewicz

MUTACJE GENÓW I CHOROBY DZIEDZICZNE

Niedawno opublikowany katalog anomalii dziedzicznych obejmuje ponad tysiąc różnych zespołów klinicznych, z których każdy można wytłumaczyć działaniem pojedynczego zmienionego genu. Nieprawidłowości te różnią się znacznie pod względem wyglądu i nasilenia. Niektóre z nich są wykrywane u noworodków lub we wczesnym dzieciństwie; inne pojawiają się tylko u dorosłych – w średnim i starszym wieku. Niektórzy postępują stale i prowadzą do śmierci; w innych odnotowuje się jedynie niewielkie zakłócenia. Tak naprawdę choroby dziedziczne mogą w większym lub mniejszym stopniu wpływać na każdy narząd lub tkankę. Zatem ta szeroka gama zaburzeń dotyka zasadniczo wszystkich dziedzin medycyny. Sądząc po tempie, w jakim rośnie lista anomalii dziedzicznych w literaturze medycznej, prawdopodobne jest, że wkrótce poznamy wiele zupełnie nowych chorób z tej grupy.

Zazwyczaj takie choroby są klasyfikowane w zależności od tego, czy są dziedziczone w sposób dominujący czy recesywny, a także w zależności od lokalizacji tego nieprawidłowego genu w jednym lub drugim z 22 autosomów lub w chromosomach płci (X i Y); w tym drugim przypadku mówią o anomaliach sprzężonych z płcią. Spośród obecnie znanych chorób dziedzicznych ponad połowę można sklasyfikować jako autosomalne dominujące, a około 40% jako autosomalne recesywne. Pozostała część (około 8%) to głównie choroby recesywne sprzężone z chromosomem X. Do chwili obecnej nie zidentyfikowano ani jednego przypadku stanu patologicznego, który można by przypisać nieprawidłowemu genie zlokalizowanemu na chromosomie Y.

Ważną cechą tak zwanych chorób autosomalnych dominujących jest to, że prawie wszyscy pacjenci z oczywistymi objawami klinicznymi są heterozygotami. W genomie takich heterozygot znajduje się jedna dawka nieprawidłowego genu, którą otrzymały od jednego z rodziców i jedna dawka jego normalnego allelu, otrzymana od drugiego rodzica. Ponieważ większość nieprawidłowych genów powodujących takie dominujące choroby jest rzadka, homozygoty zwykle nie są wykrywane. Należy się jednak spodziewać, że w stanie homozygotycznym objawy patologiczne powinny być znacznie wyraźniejsze niż u chorych heterozygot, a śmierć we wczesnym dzieciństwie jest bardzo prawdopodobna.

W przypadku chorób autosomalnych recesywnych osoby z objawami są często homozygotami i noszą dwie dawki zmienionego genu, po jednej od każdego z rodziców. Heterozygoty niosące jedną dawkę nieprawidłowego genu i jedną dawkę normalnego allelu wydają się być całkiem zdrowe w normalnych warunkach. Jednakże zdarzają się przypadki, gdy w określonym locus genetycznym możliwe są dwa lub więcej różnych nieprawidłowych genów, co powoduje nierówne zaburzenia recesywne w stanie homozygotycznym. U heterozygot pod względem dwóch z tych alleli zwykle rozwijają się zaburzenia podobne do charakterystycznych dla. dwa odpowiadające sobie stany homozygotyczne, a jeśli te ostatnie różnią się między sobą objawami lub ciężkością choroby, wówczas taka „podwójna” heterozygota zwykle wykazuje objawy pośrednie. Dobrze znanym przykładem tego rodzaju jest anemię sierpowatą w połączeniu z hemoglobiną C.

W tak zwanych chorobach recesywnych sprzężonych z chromosomem X stan patologiczny objawia się klinicznie głównie u mężczyzn, mimo że mają oni tylko jeden chromosom X. U kobiet, które posiadają dwa chromosomy X, choroba ujawni się dopiero wtedy, gdy na oba chromosomy X. chromosomy. Jeśli, jak to często bywa, zmieniony gen powodujący chorobę jest rzadki, u kobiet może ona w ogóle na nią nie zachorować.

1. PATOLOGIA MOLEKULARNA CHORÓB DZIEDZICZNYCH

Jeżeli ogólna teoria, zgodnie z którą geny działają poprzez kierowanie syntezą białek, jest w swoich głównych założeniach słuszna, to dla każdej z rozpatrywanych chorób w zasadzie można prześledzić powiązanie charakterystycznej kombinacji objawy kliniczne z pewnym defektem enzymu lub innego białka spowodowanym mutacją pojedynczego genu. Pełny opis patogenezy choroby należałoby zacząć od zmiany sekwencji zasad DNA spowodowanej daną mutacją; ponadto musi odzwierciedlać, w jaki sposób zmiana ta wypaczyła syntezę określonego białka, jakie są wtórne konsekwencje biochemiczne tego zaburzenia i wreszcie, w jaki sposób te ostatnie powodują obserwowane objawy patologiczne.

W przypadku zdecydowanej większości chorób dziedzicznych taki pełny opis nie jest jeszcze możliwy. Charakterystyczne objawy danej choroby, które obserwujemy, często powstają w wyniku bardzo złożonego łańcucha zdarzeń obejmujących interakcję organizacji biochemicznej i fizjologicznej na różnych poziomach. Obecnie jedynie stosunkowo niewielka liczba chorób została zbadana w takim stopniu, że możliwe jest prześledzenie szczegółów przynajmniej niektórych etapów tego ciągu przyczyn i skutków.

Jak dotąd nie udało się ustalić pierwotnych zaburzeń genetycznych w przypadku jakiejkolwiek choroby poprzez bezpośrednie badanie sekwencji zasad nieprawidłowego genu. Ponieważ jednak gen ten definiuje zmienione białko, które można wyizolować i możliwe jest określenie, jakie jest naruszenie jego struktury, często można wyciągnąć wnioski na temat natury zmian DNA, które leżą u jego podstaw. Przykłady tego rodzaju omówione są w opisie różnych hemoglobinopatii. Na przykład w niedokrwistości sierpowatokrwinkowej wszystkie zmiany patologiczne i objawy kliniczne można wytłumaczyć syntezą nieprawidłowej hemoglobiny, w której cząsteczce w łańcuchu β zamiast kwasu glutaminowego na szóstej pozycji znajduje się walina. Ponieważ normalny łańcuch β składa się ze 146 aminokwasów, a każdy aminokwas jest kodowany przez sekwencję trzech zasad w DNA, możemy stwierdzić, że gen definiujący ten łańcuch polipeptydowy jest odcinkiem DNA o długości 438 nukleotydów i że mutacja powodujący allel sierpowatokrwinkowy występuje w szóstej trójce tej sekwencji (podstawy nr 16, 17, 18). Ponadto, biorąc pod uwagę wiedzę na temat kodu genetycznego i ogólną naturę mutacji powodujących zmiany w pojedynczych aminokwasach, możemy dojść do logicznego wniosku, że w tej trójce zasada nr 17 została zmieniona (adenina zamiast tyminy w jednym z dwóch komplementarne nici DNA).

Podobnie możliwe było wyciągnięcie wniosków dotyczących lokalizacji pierwotnej zmiany w genie w innych hemoglobinopatiach. W większości tych przypadków w białku następuje podstawienie pojedynczego aminokwasu i, podobnie jak w przypadku anemii sierpowatej, mutację można zwykle przypisać zmianie określonej zasady. Jednakże w niektórych przypadkach zidentyfikowano inne defekty białkowe, z charakteru których można było wnioskować, że mutacyjna zmiana w strukturze genu powinna być zupełnie inna. Na przykład w hemoglobinach Lepore nieprawidłowy łańcuch polipeptydowy w swojej pierwszej części jest identyczny z sekwencją aminokwasów pierwszej połowy łańcucha δ normalnej hemoglobiny A2, a następnie ma sekwencję charakterystyczną dla końcowej części normalnej β -łańcuch hemoglobiny A. Najłatwiej wyjaśnić tę anomalię zakładając, że sekwencja nukleotydowa stanowiąca końcową część 6-niciowego genu i początkową część sąsiedniego locus nici β została utracona. Ponieważ zmieniony łańcuch polipeptydowy zdefiniowany przez nowy gen zawiera 146 aminokwasów, czyli tyle samo, co normalny łańcuch β lub δ, możemy stwierdzić, że pierwotne zaburzenie genetyczne polegało na delecji (podziale) segmentu DNA o długości co najmniej 438 długości nukleotydów. Inne nieprawidłowe hemoglobiny, charakteryzujące się utratą części sekwencji polipeptydowej, to Hb-Freiburg i Hb-Gan-Hill. W pierwszym brakuje 1 aminokwasu w łańcuchu β, a w ostatnim brakuje sekwencji 5 aminokwasów, co wskazuje na podział na 15 zasad.

Zatem nieprawidłowe geny wywołujące chorobę mogą być wynikiem różnych mutacji. O charakterze zdarzenia (lub zdarzeń), które może spowodować wymianę jednej bazy.; niewiele wiadomo. Jeśli chodzi o usunięcia, mogą one prawdopodobnie powstać na co najmniej dwa sposoby. Jednym z nich jest nierówne krzyżowanie się chromosomów homologicznych na skutek ich nieprawidłowej koniugacji podczas mejozy. Najprawdopodobniej jest to właśnie mechanizm delecji, który spowodował pojawienie się hemoglobin Lepore i prawdopodobnie innych znanych hemoglobin z utratą części cząsteczki. Prawdopodobieństwo nierównego krzyżowania jest szczególnie wysokie, jeśli w wyniku wcześniejszej duplikacji materiału genetycznego dwie podobne części sekwencji DNA sąsiadują ze sobą na tym samym chromosomie. Im dłuższe regiony homologiczne, tym bardziej prawdopodobne jest nieprawidłowe koniugowanie. Można zatem założyć, że w niektórych genach ryzyko wystąpienia tego typu mutacji jest większe niż w innych. Innym sposobem wystąpienia delecji jest przypadkowe rozbicie dwóch chromosomów (lub chromatyd), występujące mniej więcej jednocześnie i któremu towarzyszy nieprawidłowe ponowne zjednoczenie, w wyniku czego wypada segment pośredni, jeśli pęknięcie nastąpi w tym samym chromosomie; jeśli w różnych chromosomach wystąpią pęknięcia, nastąpi translokacja materiału genetycznego z jednego chromosomu na drugi, czemu towarzyszy utrata jego części.

Dane uzyskane z badań struktury nieprawidłowych hemoglobin pokazują, że zarówno mutacje związane z zastąpieniem jednej zasady, jak i mutacje spowodowane delecją mogą prowadzić do patologii; To samo prawdopodobnie odnosi się do innych białek, w szczególności enzymów. Nie jest jednak możliwa ocena względnej roli różnych typów mutacji jako przyczyn wielu znanych obecnie chorób dziedzicznych. Wszystkie dostępne dane uzyskano z badania przypadków, w których nieprawidłowe białko można wyizolować i scharakteryzować strukturalnie. Możliwe jest jednak, że takie przypadki stanowią jedynie bardzo małą i w dodatku nietypową część chorób dziedzicznych w ogóle.Nawet w przypadku niektórych hemoglobinopatii (np. talasemii) badanie struktury białek samo w sobie nie pozwala jeszcze na jednoznaczne wnioski należy poczynić odnośnie natury zmiany mutacyjnej w DNA.Wydaje się, że w tych przypadkach, w celu lepszego zrozumienia natury mutacji, należy przeprowadzić bardziej szczegółowe badania zaburzeń w mechanizmach syntezy białek, a także badania strukturalne na poziomie Poziom RNA jest niezbędny.

W przypadkach, gdy możliwe jest zidentyfikowanie konkretnego nieprawidłowego białka, analiza jego właściwości fizykochemicznych stanowi ważny etap w wyjaśnieniu patogenezy tej choroby. Na przykład w przypadku anemii sierpowatokrwinkowej niezwykle ważny jest gwałtowny spadek rozpuszczalności hemoglobiny w stanie zredukowanym. Uważa się, że jest to spowodowane zmianą bardzo małej części powierzchni cząsteczki białka w wyniku zastąpienia hydrofilowej reszty kwasu glutaminowego hydrofobową resztą waliny. Poniższe jest niesamowite. Znanych jest wiele innych podstawień aminokwasów w różnych częściach cząsteczki hemoglobiny, ale ostra zmiana w jej rozpuszczalności podczas anemii sierpowatokrwinkowej jest charakterystyczna dla tej podstawienia. Ta zmiana rozpuszczalności powoduje zmiany morfologiczne w krwinkach czerwonych umieszczonych w warunkach niskiego ciśnienia parcjalnego tlenu – tzw. zjawisko sierpowate. In vivo takie samo odkształcenie czerwonych krwinek zachodzi w żylnej części układu krążenia, zwłaszcza w małych żyłach i naczyniach włosowatych, co prowadzi do wzrostu lepkości krwi. To z kolei może powodować miejscową zakrzepicę i uszkodzenie tkanek. Ponadto zdeformowane krwinki czerwone znacznie łatwiej ulegają zniszczeniu, co prowadzi do przewlekłej anemii i powoduje inne zmiany patologiczne. Tak więc, chociaż wiele szczegółów pozostaje niejasnych, można przewidzieć główną sekwencję zdarzeń powodujących zespół kliniczny niedokrwistości sierpowatokrwinkowej. Początkowa zmiana mutacyjna dotyczy tylko bardzo małej części DNA danego genu, ale jej konsekwencje pogłębiają się, najpierw przez niewielką zmianę w drobnej strukturze hemoglobiny, w wyniku czego zmniejsza się jej rozpuszczalność, a następnie przez wpływ tego faktu na krążące czerwone krwinki, skutkujący złożonym zespołem zmian patologicznych.

Jedną z właściwości fizycznych białka, na którą może znacząco wpłynąć najmniejsza modyfikacja struktury, jest stabilność. Jeśli stabilność nieprawidłowego białka jest znacznie niższa niż normalnego białka, szybkość jego denaturacji in vivo powinna dramatycznie wzrosnąć, a wynikająca z tego utrata aktywności funkcjonalnej może mieć poważne konsekwencje. Na przykład wykazano, że niektóre dziedziczne postaci ciężkiej przewlekłej niedokrwistości są związane z obecnością zmienionych wariantów hemoglobiny, które są przeważnie niestabilne. Takie niestabilne hemoglobiny ulegają denaturacji w erytrocytach znacznie szybciej niż zwykła hemoglobina i to jest oczywiście główną przyczyną różnych zjawisk patologicznych obserwowanych w takich przypadkach. Niektóre nieprawidłowe enzymy, takie jak śródziemnomorski wariant dehydrogenazy glukozo-6-fosforanowej, również charakteryzują się zmniejszoną stabilnością, a wtórne nieprawidłowości biochemiczne i kliniczne obserwowane u ich nośników mogą ponownie w dużej mierze zależeć od tej okoliczności. Jest prawdopodobne, że wiele innych chorób dziedzicznych ma podobne przyczyny.

Najwyraźniej jakakolwiek zmiana w pierwszorzędowej strukturze białka, prowadząca do znacznego zakłócenia jego normalnej trójwymiarowej konformacji, może prowadzić do zmniejszenia stabilności. W przypadkach, gdy następuje podstawienie pojedynczego aminokwasu, stopień takiego efektu będzie zależał od właściwości chemicznych i wielkości zastępowanej reszty aminokwasowej, jak również od miejsca podstawienia. Co więcej, różnorodne podstawienia zachodzące w różnych częściach cząsteczki białka mogą, jak się okazuje, prowadzić do zasadniczo takich samych konsekwencji dotyczących stabilności danego białka i tym samym powodować te same procesy patologiczne. W konsekwencji różne mutacje mogą powodować grupę specyficznych zaburzeń, które jednak pod każdym względem, z wyjątkiem pierwotnej struktury nieprawidłowego białka, będą nie do odróżnienia od siebie. Można także zauważyć, że różne drobne delecje w genie, powodujące utratę jednego lub większej liczby aminokwasów i w konsekwencji skrócenie łańcucha polipeptydowego, mogą w każdym przypadku powodować istotne naruszenie struktury trójwymiarowej, wyrażone ostrym zmniejszenie stabilności odpowiedniego białka. Większe delecje, powodujące dalsze skracanie polipeptydu, często mogą skutkować całkowitym brakiem białka. Podobne efekty możliwe są także w wyniku mutacji polegających na zastąpieniu jednej zasady, prowadzących do przekształcenia tripletu kodującego dany aminokwas w zakończenie łańcucha tripletu kodującego.

Podczas badania właściwości nieprawidłowego białka enzymatycznego niewątpliwie interesujące jest zbadanie kinetyki odpowiedniej reakcji enzymatycznej. Przykładowo ważnym czynnikiem rozwoju choroby może być zmiana powinowactwa białka enzymatycznego do substratu lub koenzymu, co będzie miało wpływ na kinetykę. Przykładem tego rodzaju jest zmiana kinetyki syntetazy argininobursztynianowej z cytrulinemią, „nietypową” formą cholinoesterazy surowicy wrażliwej na suksametonium i wariantem dehydrogenazy glukozo-6-fosforanowej Gd-Oklahoma, która powoduje szczególną postać przewlekłej choroby niedokrwistość hemolityczna. We wszystkich tych przypadkach okazało się, że stałe Michaelisa (Kt) z podłożem znacznie przekraczają wartości normalne, co najwyraźniej wystarcza do wyjaśnienia zjawisk patologicznych charakterystycznych dla tych chorób.

Można się spodziewać, że wiele podstawień pojedynczych aminokwasów w białku enzymatycznym będzie w taki czy inny sposób wpływać na jego parametry kinetyczne, powodując zmiany albo w konformacji, albo w strukturze chemicznej centrum aktywnego. Te same podstawienia mogą również prowadzić do zmian w innych właściwościach chemicznych białka enzymatycznego, takich jak jego stabilność. Oczywiste jest, że ocena względnej roli tych zmian może być ważna dla wyjaśnienia patologii konkretnej choroby. W związku z tym interesujące jest rozważenie wariantu Gd-śródziemnomorskiej dehydrogenazy glukozo-6-fosforanowej. Chociaż zmiany strukturalne tego nieprawidłowego białka enzymatycznego nie są jeszcze szczegółowo znane, zidentyfikowano pewne znaczące różnice we właściwościach tego nieprawidłowego enzymu. Jest znacznie mniej stabilny, ma niższe stałe Michaelisa zarówno dla substratu (glukozo-6-fosforanu), jak i koenzymu (NADP), a ponadto efektywniej wykorzystuje analog substratu 2-deoksyglukozo-6-fosforan. Zaburzenie kliniczne związane z tym nieprawidłowym enzymem, fawizm, jest prawie na pewno spowodowane bardzo niskim poziomem aktywności enzymu w zmienionych erytrocytach, a ta ostatnia okoliczność zależy głównie od wyraźnej niestabilności białka enzymatycznego. Zmieniona kinetyka prawdopodobnie odgrywa jedynie niewielką rolę lub nie ma żadnego znaczenia w rozwoju tej patologii, zwłaszcza że zmniejszone stałe Michaelisa dla substratu i koenzymu należy wiązać ze zwiększoną aktywnością.

Różne mutacje mogą prowadzić do niedoboru określonego enzymu, powodując albo syntezę nieprawidłowego białka enzymatycznego o zmienionej kinetyce lub stabilności, albo zmniejszenie szybkości syntezy białka enzymatycznego, albo całkowite zaprzestanie syntezy. W przypadku wielu chorób dziedzicznych możliwa była nawet dokładna identyfikacja enzymu, którego niedobór odgrywa kluczową rolę w rozwoju patologii, chociaż w większości przypadków prawdziwe molekularne podłoże nieprawidłowości enzymu pozostaje niejasne. Choroby te są zwykle klasyfikowane jako „wrodzone zaburzenia metaboliczne”, ale w zasadzie każda choroba dziedziczna powinna być klasyfikowana jako taka. Jednak ze względów historycznych podział ten pozostał. Różne przykłady takich chorób omówiono powyżej.

Znany jest inny nietypowy typ zaburzenia biochemicznego, który charakteryzuje się nienormalnie wysoką zawartością pewnych substancji w płynach ustrojowych lub komórkach przy względnym niedoborze innych substancji. Rodzaj tych zmian zależy od funkcji enzymu w prawidłowym metabolizmie oraz od jego lokalizacji w tkankach. Ich stopień, a w pewnym stopniu także rozmieszczenie, zależy od tego, jak bardzo zmniejszona jest aktywność enzymatyczna. W niektórych chorobach może nie być żadnej aktywności, podczas gdy w innych jest ona jedynie ograniczona w większym lub mniejszym stopniu.

Obraz kliniczny obserwowany w przypadku tych zaburzeń metabolicznych jest prawdopodobnie wtórnym skutkiem zaburzeń biochemicznych spowodowanych niedoborem określonego enzymu. Jednakże charakter związków przyczynowych w takich przypadkach jest często trudny do ustalenia. Weźmy na przykład fenyloketonurię. Choroba ta została dobrze zbadana i wiele obecnie wiadomo na temat natury zaburzeń metabolicznych i zmian w stężeniu wielu metabolitów fenyloketonurii, jednak nadal nie da się w zadowalający sposób wyjaśnić, dlaczego najbardziej charakterystycznym objawem tej choroby jest ciężki przebieg upośledzenie umysłowe. Oczywiście to zaburzenie biochemiczne w jakiś sposób uszkadza neurony rozwijającego się mózgu. Jednak istota tego procesu nadal nie jest jasna.

Być może warto powtórzyć, jak nieoczekiwany jest często związek między zespołami klinicznymi a nieprawidłowościami biochemicznymi; które leżą u ich podstaw. Dobrym przykładem takiej sytuacji jest choroba zwana homocystynurią. Zespół kliniczny tego zaburzenia metabolicznego jest bardzo złożony, a wśród charakterystycznych objawów występują tak różne objawy, jak upośledzenie umysłowe, ektopia soczewki, skłonność do zakrzepicy tętniczej i żylnej oraz nieprawidłowości w rozwoju kości. Systematyczne badania dużej grupy pacjentów z upośledzeniem umysłowym (oznaczono zawartość aminokwasów w moczu) wykazały charakterystyczny wzrost poziomu homocystyny ​​w moczu. Odkrycie to doprowadziło do odkrycia ciężkiego zaburzenia metabolizmu metioniny spowodowanego niedoborem enzymu syntetazy cystationinowej (dehydrogenazy L-serydowej). Pomimo faktu, że szlak metaboliczny przemiany metioniny do cystyny ​​był szczegółowo badany jeszcze przed odkryciem homocystynurii, biochemicy nie byliby w stanie przewidzieć, że zakłócenie tego szlaku metabolicznego może spowodować zespół objawów patologicznych obserwowanych u tę chorobę. Choć nie ma wątpliwości, że występowanie tych objawów klinicznych jest w jakiś sposób powiązane z pierwotnym niedoborem syntetazy cystationinowej, wciąż nie wiemy, jaki jest w tym przypadku konkretny związek przyczynowy.

Innym przykładem jest choroba Pompego. Od dawna ustalono, że w tej chorobie następuje postępująca akumulacja glikogenu w różnych tkankach, szczególnie w mięśniu sercowym. Jednak pomimo faktu, że główne szlaki syntezy i rozkładu glikogenu zostały najwyraźniej poznane i zbadano związane z nimi enzymy, istota procesów chemicznych leżących u podstaw choroby Pompego pozostała niejasna. Odkrycie, że przyczyną tej choroby jest specyficzny niedobór α-(1,4)-glukozydazy, która normalnie występuje wraz z innymi hydrolazami w organellach wewnątrzkomórkowych zwanych lizosomami, było całkowitym zaskoczeniem, ponieważ nikt wcześniej nie przypuszczał, że enzym ten odgrywa znaczącą rolę w każdej znaczącej roli w rozkładzie glikogenu.

Korzystając z tych przykładów, jesteśmy przekonani, że nadal istnieje wiele takich chorób dziedzicznych, w przypadku których enzymy (lub inne białka), których niedobór jest przyczyną, ani nawet miejsce metabolizmu, z którym te enzymy są związane, są całkowicie nieznane. Klucz do tych wszystkich problemów kryje się prawdopodobnie we wszystkich objawach choroby, jednak w większości przypadków nie wiemy, jak go znaleźć i jak dotąd nikt nie był w stanie na tej podstawie zrozumieć, w jakich układach biochemicznych należy badać. każdy konkretny przypadek.

1. II. DOMINACJA I RECESYJNOŚĆ

W miarę coraz głębszego wnikania w patologię molekularną danej choroby dowiadujemy się coraz więcej o naturze jej dziedziczenia, a co za tym idzie, dlaczego powinna ona występować przeważnie w stanie heterozygotycznym, czyli być dziedziczona w sposób dominujący, lub objawiają się jedynie w stanie homozygotycznym i dlatego należą do chorób recesywnych.

Zilustrujemy to na przykładzie anemii sierpowatokrwinkowej, która jest dziedziczona w sposób recesywny. Zaburzenia kliniczne charakterystyczne dla tej choroby wynikają z faktu, że hemoglobina znajdująca się w czerwonych krwinkach jest wyjątkowo słabo rozpuszczalna przy utracie tlenu; W rezultacie in vivo następuje charakterystyczna deformacja czerwonych krwinek (sierp) w tych częściach krwiobiegu, w których spada ciśnienie tlenu. U heterozygot pod względem genu anemii sierpowatokrwinkowej około 65% hemoglobiny występującej w czerwonych krwinkach ma zwykle postać normalną, a tylko około 35% stanowi postać zmienioną. Jednocześnie całkowita ilość hemoglobiny na komórkę pozostaje prawie normalna. Mieszanina obu form hemoglobiny ma na ogół zmniejszoną rozpuszczalność w porównaniu z normalną hemoglobiną, a sierp czerwonych krwinek można łatwo wykazać in vitro poprzez wystarczające obniżenie ciśnienia tlenu. Jednakże wymagany stopień redukcji prężności tlenu w tych warunkach przekracza ten, który normalnie występuje in vivo, dlatego też u heterozygot zwykle nie występują niekorzystne skutki, więc są one na ogół całkiem zdrowe.

Implikuje to jedną ważną okoliczność, a mianowicie terminy „dominujący” i „recesywny”, ogólnie rzecz biorąc, mają znaczenie tylko w odniesieniu do określonej cechy lub fenotypu. Anemia sierpowatokrwinkowa jest dziedziczona jako cecha recesywna; jednakże samo zjawisko anemii sierpowatej, tj. charakterystyczna deformacja erytrocytów przy odpowiednim leczeniu in vitro, jest dziedziczona jako cecha dominująca, ponieważ występuje zarówno u heterozygot, jak i homozygot pod względem nieprawidłowego genu.

Porównajmy teraz „recesywną” niedokrwistość sierpowatokrwinkową z dominująco dziedzicznymi postaciami przewlekłej anemii spowodowanej przez tak zwane niestabilne hemoglobiny. W przypadku tych niedokrwistości w erytrocytach heterozygot syntetyzowana jest zarówno niestabilna, jak i normalna hemoglobina. Jednakże ze względu na szybką denaturację formy niestabilnej, w trakcie dojrzewania erytrocytów zmniejsza się jej ilość, a co za tym idzie i całkowita ilość hemoglobiny w stanie funkcjonalnie aktywnym. Rezultatem jest przewlekła anemia, którą dodatkowo komplikuje wytrącanie się zdenaturowanej nieprawidłowej hemoglobiny, co przyspiesza niszczenie czerwonych krwinek i ich usuwanie z krwiobiegu. Zatem, w przeciwieństwie do tego, co obserwuje się u heterozygot pod względem genu sierpowatokrwinkowego, normalna hemoglobina syntetyzowana przez takie heterozygoty nie jest w stanie zrekompensować niekorzystnego wpływu nieprawidłowej formy hemoglobiny na czerwone krwinki. Geny determinujące różne warianty niestabilnej hemoglobiny są niezwykle rzadkie, dlatego nie zaobserwowano odpowiadających im homozygot. Móc; można jednak przewidzieć, że w stanie homozygotycznym geny te powinny powodować niezwykle ciężkie postacie anemii, której często towarzyszy śmierć we wczesnym dzieciństwie.

To, czy dana choroba spowodowana niedoborem danego enzymu jest dziedziczona w sposób recesywny czy dominujący, może w dużej mierze zależeć od średniego poziomu aktywności enzymu u homozygot pod względem prawidłowego allelu, a w szczególności od prawidłowego poziomu jego nadmiar w porównaniu do minimalnego poziomu wymaganego do utrzymania funkcji. W stanie heterozygotycznym poziom danego enzymu jest zwykle pośredni między normalnym a poziomem obserwowanym u homozygot pod względem podobnego genu. W skrajnych przypadkach, gdy nieprawidłowy gen powoduje całkowitą utratę aktywności enzymatycznej, heterozygoty zwykle wykazują około połowę średniej aktywności charakterystycznej dla homozygot pod względem genu prawidłowego. Jeśli, jak to zwykle bywa, poziom aktywności normalnego allelu u homozygot jest średnio wielokrotnie większy niż minimum wymagane do prawidłowego funkcjonowania metabolicznego, wówczas zmniejszona aktywność obserwowana u heterozygot również wydaje się nieco nadmierna i nie nie powodować negatywnych skutków. Nieprawidłowości kliniczne pojawią się zatem tylko u homozygot pod względem nieprawidłowego genu, u których aktywność prawdopodobnie będzie tak zmniejszona, że ​​będzie niewystarczająca do utrzymania prawidłowego funkcjonowania. W rzeczywistości większość zidentyfikowanych do tej pory tzw. wrodzonych błędów metabolizmu jest dziedziczona w sposób represyjny i można stwierdzić, że normalnie poziom odpowiednich enzymów jest znacznie wyższy od poziomu krytycznego (tj. minimalnego niezbędnego poziomu aby utrzymać normalne funkcjonowanie). Istnieje zatem niejako znaczny „margines bezpieczeństwa”.

Dominujący typ dziedziczenia chorób spowodowanych niedoborem enzymu występuje najprawdopodobniej w przypadkach, gdy enzym ten ogranicza tempo szlaku metabolicznego, w którym bierze udział: poziom aktywności takich enzymów jest zazwyczaj bliski minimum wymaganego do utrzymania prawidłowego funkcjonować.

III. HETEROGENIZNOŚĆ CHORÓB DZIEDZICZNYCH

Bardzo często okazywało się, że zespół, który początkowo był uważany za samodzielną jednostkę nozologiczną spowodowaną jednym nieprawidłowym genem, tak naprawdę to nic innego jak cała grupa różnych chorób, które powstają w wyniku różnych mutacji i każda ma swoją specyficzną patogenezę. . Stopień heterogeniczności genetycznej, jaki można wykryć w przypadku chorób, które na pierwszy rzut oka wydają się monoetiologiczne, może być dość znaczny i wydaje się, że nie ma wątpliwości, że taka heterogeniczność jest zjawiskiem powszechnym.

Nie jest zaskakujący fakt, że kilka zupełnie różnych nieprawidłowych genów często ma bardzo podobne lub nawet identyczne objawy kliniczne. Utrata funkcji jednego lub drugiego enzymu biorącego udział w tym samym szlaku metabolicznym lub enzymów, które są ze sobą powiązane w złożonych związkach fizjologicznych, może w naturalny sposób dawać takie same lub bardzo podobne wyniki końcowe na poziomie klinicznym. Zatem wiele nieprawidłowych genów, wpływających na różne enzymy, może prowadzić do bardzo podobnych konsekwencji klinicznych. Ponadto spadek aktywności danego enzymu lub innego białka może być spowodowany zmianą w strukturze różnych łańcuchów polipeptydowych kodowanych przez różne loci genów lub może być wynikiem mutacji w dowolnym locus specyficznie związanym z regulacją szybkość syntezy danego białka. Wreszcie, w tym samym locus mogą wystąpić różne mutacje i chociaż zmieniają one strukturę odpowiedniego łańcucha polipeptydowego na różne sposoby, w każdym przypadku zmiany te mogą prowadzić do utraty określonej funkcji, a zatem do bardzo podobnych objawów klinicznych. Zatem ten sam obraz kliniczny może w rzeczywistości wynikać z mutacji w kilku różnych loci lub w jednym locus.

Wrodzona methemoglobinemia jest dobrze zbadanym przypadkiem ilustrującym tę sytuację. Charakterystyczną manifestacją kliniczną tego rzadkiego zespołu jest ciężka sinica, wynikająca z faktu, że znaczna część żelaza w hemoglobinie w erytrocytach i krwi krążącej jest w stanie trójwartościowym i nie jest w stanie przenosić tlenu. Methemoglobinemia pojawia się przy urodzeniu lub we wczesnym dzieciństwie i utrzymuje się przez całe życie bez znaczących wahań. U większości osób dotkniętych chorobą nie występują żadne poważne objawy kliniczne, chociaż czasami ta anomalia wiąże się z pewnym stopniem upośledzenia umysłowego. Wrodzoną methemoglobinemię należy różnicować z innymi przyczynami przewlekłej sinicy, takimi jak wrodzone wady serca, które jednak zwykle można łatwo wykryć w badaniu klinicznym.

Już pierwsze badania tej choroby wykazały, że na poziomie genetycznym anomalia występuje w dwóch postaciach. W niektórych przypadkach wydaje się, że zaburzenie to jest dziedziczone w sposób autosomalny recesywny, a w innych w sposób autosomalny dominujący. W postaci recesywnej wykryto specyficzny, poważny niedobór reduktazy methemoglobiny w erytrocytach. U osób dotkniętych chorobą aktywność tego enzymu była bardzo niska i często ledwo wykrywalna. U ich rodziców, dzieci i innych krewnych, których można uznać za heterozygotycznych pod względem odpowiedniego genu, poziom aktywności tego enzymu był częściowo obniżony, ale stopień zahamowania aktywności najwyraźniej nie był wystarczający, aby doprowadzić do ciężkiej methemoglobinemii lub sinicy. Dane z badań elektroforetycznych resztkowej aktywności enzymatycznej u niektórych pacjentów wskazują, że przynajmniej w niektórych przypadkach przyczyną niedoboru enzymu może być zmiana w strukturze białka enzymatycznego, a zmiana ta nie jest taka sama u pacjentów z różnych rodzin. Zatem w locus (lub loci) genu kodującego reduktazę methemoglobiny prawdopodobnie istnieje kilka różnych nieprawidłowych alleli, które mogą powodować tę chorobę.

W formie dominującej aktywność reduktazy methemoglobiny nie odbiega od normy. W większości tych przypadków sama struktura hemoglobiny okazuje się zmieniona i zidentyfikowano szereg różnych odchyleń od normy. Każdy z nich związany jest z zastąpieniem jednego konkretnego aminokwasu, zachodzącym w obszarze cząsteczki, w którym do łańcucha polipeptydowego przyłączona jest grupa hemowa. W tym przypadku może to mieć wpływ zarówno na łańcuchy α, jak i β, które oczywiście są kodowane przez różne loci genów. Ustalono, że w przypadku mutacji w łańcuchu a sinicę obserwuje się od momentu urodzenia, ponieważ łańcuch a jest zawarty zarówno w hemoglobinie embrionalnej (α 2 γ 2), jak i dorosłej (α 2 β 2), podczas gdy u mutantów β sinica pojawia się kilka tygodni po urodzeniu, kiedy dominuje hemoglobina u dorosłych.

Zatem wrodzony zespół methemoglobinemii może być spowodowany mutacjami w co najmniej trzech różnych loci genów. Jeden z nich określa strukturę reduktazy methemoglobiny, pozostałe kodują łańcuchy α i β hemoglobiny, a w każdym z tych loci może znajdować się kilka różnych nieprawidłowych alleli powodujących ten zespół. Istnieją doniesienia o innej postaci wrodzonej methemoglobinemii, która jest dziedziczona najwyraźniej jako choroba autosomalna dominująca, ale nie jest związana z żadnymi zmianami ani w hemoglobinie, ani w reduktazie methemoglobiny, dlatego to samo zaburzenie kliniczne może być również spowodowane mutacjami w genach inne loci genów oprócz trzech wymienionych.

Wrodzona methemoglobinemia jest niezwykle rzadką chorobą; w większości populacji występuje nie częściej niż u jednego na kilkaset tysięcy noworodków. Jednakże zidentyfikowano już co najmniej 8 różnych nieprawidłowych genów powodujących tę chorobę, a zespoły wywoływane przez każdy z nich są trudne, jeśli nie niemożliwe, do rozróżnienia na podstawie samych objawów klinicznych. Można przypuszczać, że ten sam stopień heterogeniczności genetycznej zostanie stwierdzony w przypadku wielu innych chorób dziedzicznych, które obecnie są opisywane jedynie klinicznie lub co najwyżej na poziomie wtórnych zaburzeń biochemicznych lub fizjologicznych spowodowanych nieprawidłowością odpowiedniego enzymu lub innego białka .

Weźmy na przykład fenyloketonurię. Charakterystyczne zmiany biochemiczne obserwowane w tej chorobie we krwi, płynie mózgowo-rdzeniowym i moczu można wytłumaczyć faktem, że z powodu niedoboru enzymu 4-hydroksylazy fenyloalaniny nie zachodzi prawidłowa przemiana metaboliczna fenyloalaniny do tyrozyny. Choroba jest dziedziczona w sposób autosomalny recesywny i powszechnie uważano, że wszyscy pacjenci są homozygotami pod względem tego samego nieprawidłowego genu. Tak naprawdę jednak istnieje wiele różnych nieprawidłowych genów, które na różne sposoby mogą prowadzić do utraty aktywności danego enzymu. Jeśli tak jest, to wśród pacjentów mogą występować homozygoty dla jednego lub drugiego z tych genów, a także heterozygoty dla dwóch z nich. Ponadto choroba może być spowodowana mutacjami w dwóch lub większej liczbie różnych loci genów. Obecnie zbyt mało wiadomo na temat struktury tego białka enzymatycznego i regulacji szybkości jego syntezy, aby próbować ocenić, na ile prawdopodobne jest takie założenie. Nie są również znane żadne markery powiązań, które mogłyby pomóc w ustaleniu, czy choroba ta może być faktycznie spowodowana przez geny zlokalizowane w różnych loci.

Różne mutacje powodujące niedobór danego enzymu mogą oczywiście różnić się stopniem upośledzenia, jakie powodują, a zatem i stopniem nasilenia jego objawów klinicznych. Niektóre mutacje mogą prowadzić do całkowitej utraty funkcjonalnie aktywnego enzymu, a mutanty, u których nastąpiło to z różnych powodów, często mogą być dotknięte „identyczną” chorobą. Jednakże w przypadkach, gdy aktywność enzymatyczna zanika niecałkowicie, stopień niedoboru u różnych mutantów może się znacznie różnić. Dopóki nie zostaną zidentyfikowane różnice molekularne i genetyczne leżące u podstaw różnych przypadków tej choroby, może się wydawać, że mamy do czynienia z pojedynczą chorobą dziedziczną, najwyraźniej spowodowaną przez specyficzny nieprawidłowy gen, którego objawy kliniczne i nasilenie są bardzo zróżnicowane. Jest niemal pewne, że wiele powszechnie obserwowanych wariantów klinicznych choroby, uznawanych za jednostkę nozologiczną, wynika z tej wspólnej przyczyny.

Przykładem takiej sytuacji, gdy wahania aktywności funkcjonalnej danego enzymu i objawy kliniczne są spowodowane różnymi mutacjami uszkadzającymi dane białko enzymu, jest przypadek dehydrogenazy glukozo-6-fosforanowej, dla której znanych jest wiele wariantów. Odkryto prawie 30 wariantów tego białka enzymatycznego. Różnią się ruchliwością elektroforetyczną, stałymi Michaelisa, stabilnością termiczną i optymalnym pH. Wydaje się, że wszystkie są zdeterminowane przez serię alleli, z których każdy powoduje określoną zmianę strukturalną. Ponieważ allele te zlokalizowane są w locus zlokalizowanym na chromosomie X, u mężczyzn możliwe jest badanie wpływu każdego z tych alleli oddzielnie na poziom aktywności enzymatycznej. Większość tych badań przeprowadzono na czerwonych krwinkach; Stwierdzono, że komórki zawierające różne warianty enzymu różnią się istotnie średnią aktywnością G-6-PD. W niektórych przypadkach wykrywane są jedynie ślady aktywności, w innych mniej dramatyczny, ale mimo to wyraźnie wyraźny spadek aktywności enzymatycznej. Istnieją również warianty enzymu, które tylko nieznacznie różnią się średnią aktywnością od normalnego enzymu. Te różnice w poziomach aktywności mogą często wynikać z różnic w stabilności białek enzymatycznych. Jednakże w niektórych przypadkach ważną rolę mogą odgrywać zmiany właściwości kinetycznych lub innych właściwości enzymu.

W niektórych przypadkach stopień niedoboru enzymów i zaburzenia metabolizmu czerwonych krwinek są na tyle poważne, że powodują stan przewlekłej niedokrwistości hemolitycznej (z powodu przedwczesnego niszczenia czerwonych krwinek). W innych przypadkach dotknięte osoby są zwykle zdrowe, ale mają tendencję do rozwijania objawów hemolizy pod wpływem czynników nieszkodliwych dla innych osób. Na przykład nosiciele wariantu allelu Gd Mediterranean są wrażliwi na niektóre substancje zawarte w bobiku, a nosiciele allelu Gd A, który jest powszechny wśród osób rasy czarnej, są wrażliwi na prymachinę i niektóre leki sulfonamidowe. Istnieją także inne warianty G6PD, które nie wydają się być powiązane z rozwojem jakiejkolwiek patologii; ogólnie rzecz biorąc, stopień niedoboru enzymatycznego, który jest bardzo zróżnicowany, w pewnym stopniu koreluje z nasileniem konsekwencji klinicznych.

Ten sam rodzaj zależności wykazuje się w odniesieniu do zaburzeń innych enzymów. Szczególnie interesującym przykładem jest hipoksantyna: fosforybozylotransferaza guaninowa, enzym zwykle związany z powstawaniem kwasu moczowego. Lesh i Nyhan opisali złożony i bardzo ciężki zespół neurologiczny u dzieci, który charakteryzuje się upośledzeniem umysłowym, porażeniem spastycznym pochodzenia ośrodkowego, choreoatetozą i specyficznym zaburzeniem zachowania objawiającym się ukąszeniami podczas tortur. Stwierdzono, że schorzenie to wiąże się z hiperurykemią wynikającą ze zwiększonego wytwarzania kwasu moczowego, czemu w niektórych przypadkach towarzyszą kamienie moczanowe w drogach moczowych i objawy dny moczanowej. Okazało się, że przyczyną tej choroby jest całkowity brak aktywności hipoksantyny: fosforybozylotransferazy guaninowej; niedobór jest spowodowany prawidłowym genem zlokalizowanym na chromosomie X.

Ponieważ enzym ten bierze udział w tworzeniu kwasu moczowego, badano go dalej u dorosłych pacjentów z typowym obrazem klinicznym ostrego dnawego zapalenia stawów lub kamicy nerkowej, a także u osób z hiperurykemią wynikającą ze zwiększonego wytwarzania kwasu moczowego. U tych pacjentów w kilku przypadkach stwierdzono niedobór tego enzymu, choć nie tak wyraźny jak w zespole Lescha-Nyhana. Jest oczywiste, że występuje kilka zupełnie różnych typów nieprawidłowości prowadzących do hiperurykemii, ale w tej samej rodzinie wszystkie dotknięte osoby wykazują tę samą nieprawidłowość. Zatem w jednej rodzinie aktywność enzymatyczna u chorych osobników, jak wynika z oznaczeń (oznaczenia przeprowadzono na erytrocytach, jako substratach zastosowano hipoksaktynę i guaninę), wynosiła tylko około 1% wartości prawidłowej, a białko enzymatyczne było znacznie wyższe. termolabilny niż normalny enzym. W innej rodzinie pacjenci również wykazali znacząco obniżoną aktywność enzymatyczną, jednak jej spadek w przypadku stosowania guaniny jako substratu był znacznie bardziej wyraźny niż w przypadku hipoksantyny; wskazuje to na zmieniony charakter specyficzności substratowej. Ponadto w tym przypadku enzym. okazał się mniej termolabilny niż normalnie.

Wszystko to wskazuje, że w różnych rodzinach występują różne nieprawidłowe geny, z których każda kontroluje tworzenie strukturalnie odmiennej formy, białka enzymatycznego, o nieprawidłowych właściwościach. Każdy z nich prowadzi oczywiście do wyraźnego niedoboru enzymów, objawiającego się wzmożonym wytwarzaniem kwasu moczowego, któremu towarzyszy hiperurykemia, a objawy kliniczne (dna moczanowa i kamienie nerkowe) są w różnych przypadkach bardzo podobne. Obraz kliniczny różni się jednak znacznie od zespołu Lescha-Nyhana, który wydaje się wynikać z całkowitego lub prawie całkowitego braku enzymu i towarzyszy mu ciężkie upośledzenie neurologiczne pojawiające się w dzieciństwie.

Podsumowując, należy zauważyć, co następuje. Różnice w objawach niektórych chorób dziedzicznych u poszczególnych osób mogą zależeć nie tylko od tego, że są one spowodowane różnymi zmutowanymi genami, które determinują charakterystyczną zmianę enzymu lub innego białka będącego główną przyczyną choroby; zależą one również od charakterystyki całej struktury genetycznej nosiciela tego nieprawidłowego genu. Ponieważ w wielu loci genów mogą występować różne normalne allele, jest prawdopodobne, że żadne dwie osoby, z wyjątkiem bliźniąt jednojajowych, nie będą miały dokładnie takiego samego „pochodzenia genetycznego”. Te różnice w „pochodzeniu genetycznym” z pewnością mogą wpływać na objawy konkretnego zaburzenia, od od zależy od nich wiele warunków biochemicznych i środowisko fizjologiczne, w którym powinien być realizowany działalność tego nieprawidłowy gen. Niektóre kombinacje genów w nienaruszonym stanie loci mogą osłabić patologię manifestacje, podczas gdy inni wręcz przeciwnie, - wzmocnić je. Ale bo te różne kombinacje genów są często praktyczne nie prowadzą do widoczne różnice między jednostkami, a nie mieć to nieprawidłowy gen, ustalenie mechanizmu, przez które wpływają na ekspresję nieprawidłowego genu, sprawa jest niezwykle trudna.

Konieczne jest rozróżnienie między zmiennością wynikającą z loci innych niż to, w którym zlokalizowany jest nieprawidłowy gen, a zmiennością wynikającą z obecności różnych „normalnych” alleli w tym samym locus. Drugie źródło zmienności jest oczywiście możliwe tylko wtedy, gdy pacjenci są heterozygotami (tj. z chorobami „dominującymi”). Ustalono, że w tym samym locus genu może występować kilka różnych alleli, w różny sposób wpływając na funkcje i niekoniecznie powodując jawną chorobę. Czasami dwa lub więcej z tych alleli jest stosunkowo powszechnych, tak że dany nieprawidłowy gen może występować w heterozygotycznej kombinacji z jednym lub drugim z tych różnych „normalnych” alleli. Może; wpływają na manifestację objawów chorobowych. Efekt ten jest często nazywany modyfikacją alleliczną. Określa fakt, że między rodzeństwem podobieństwo w objawach określonej postaci choroby jest większe niż między rodzicami i dziećmi.

1. IV. DZIEDZICZNE I ŚRODOWISKO

Charakterystyczne cechy jednostki zależą nie tylko od zestawu jego genów, a co za tym idzie od zestawu enzymów i innych białek, które powstają w jego organizmie, ale także od środowiska, w którym się rozwija i żyje. Relacje pomiędzy tym, co Francis Galton nazywa „naturą” a „wychowaniem”, są często bardzo złożone i trudne do interpretacji. Jednakże jesteśmy bezwarunkowo pewni co do znaczenia tych zależności przy ustalaniu kryteriów tego, co dokładnie należy uznać za choroby dziedziczne. Rozważmy to zagadnienie na przykładzie kilku chorób, w przypadku których zidentyfikowano dziedziczną anomalię na poziomie enzymatycznym i mniej więcej wyjaśniono czynniki środowiskowe wpływające na jej manifestację.

Przede wszystkim należy wspomnieć o galaktozemii. Choroba ta wyraża się niezdolnością do metabolizowania galaktozy monosacharydowej z powodu genetycznie uwarunkowanego niedoboru enzymu urydylotransferazy galaktozo-1-fosforanowej. Galaktoza zawarta w laktozie disacharydowej jest głównym węglowodanowym składnikiem mleka, dlatego też niemowlęta otrzymują ją zazwyczaj w dużych ilościach. W przypadku braku tej transferazy metabolizm galaktozy zostaje zakłócony. Wzrasta zawartość galaktozy we krwi, w komórkach gromadzi się galaktozo-1-fosforan; wszystko to powoduje poważne objawy kliniczne. Rozwój dziecka jest zaburzony, powoli przybiera na wadze, często obserwuje się uszkodzenia wątroby i mózgu, rozwija się zaćma. Jeśli jednak dziecko otrzyma pokarm niezawierający galaktozy, ale pod innymi względami pełnowartościowy, wówczas następuje szybka poprawa. W praktyce, jeśli diagnoza zostanie postawiona odpowiednio wcześnie, zanim nastąpią nieodwracalne zmiany, dziecko może dorastać normalnie i zdrowo.

Dlatego też galaktozemię można w pewnym sensie uznać za wrodzoną utratę zdolności do właściwej reakcji na jeden z normalnych czynników środowiskowych, czyli laktozę zawartą w mleku. Dzięki odpowiednim zmianom w środowisku można zapobiec naruszeniom. Chociaż danemu osobnikowi nadal będzie brakować enzymu w nowych warunkach środowiskowych, nie będzie to miało konsekwencji klinicznych. Pozostanie podatny na chorobę, ale nie będzie ona objawiać się klinicznie.

Dziedziczna nietolerancja fruktozy dodatkowo ilustruje to zjawisko. W tym przypadku mówimy o niedoborze aldolazy wątrobowej (aldolazy B), która jest niezbędna do prawidłowego metabolizmu fruktozy. Spożycie fruktozy lub sacharozy w pożywieniu powoduje poważne objawy. Jeśli fruktoza zostanie wykluczona z diety, nie będzie szkodliwego efektu. W przeciwieństwie do galaktozy, fruktoza nie jest niezbędnym składnikiem normalnej diety niemowląt. W rezultacie objawy i nasilenie tej choroby są bardzo zróżnicowane. Wydaje się, że istotnym czynnikiem w tym przypadku jest moment zaprzestania karmienia piersią. Jeśli dziecko zostanie wcześnie przeniesione na sztuczne karmienie, w którym otrzymuje sacharozę, jego stan szybko się pogarsza. Jeżeli charakter naruszenia nie zostanie rozpoznany, mogą nastąpić nieodwracalne zmiany. Jeśli jednak dziecko będzie karmione piersią przez kilka miesięcy, często zaczyna odrzucać jedzenie, które mu szkodzi; w tym momencie jest znacznie bardziej prawdopodobne, że anomalia zostanie rozpoznana. Ponadto u takich dzieci zwykle rozwija się niechęć do cukru, słodyczy i owoców i w ten sposób się chronią. Oczywiste jest więc, że nasilenie objawów chorób dziedzicznych może w dużej mierze zależeć od całkowicie przypadkowych i pozornie niezwiązanych ze sobą czynników środowiskowych. W tym przypadku czynnikiem jest czas odsadzenia. Nawiasem mówiąc, ten przykład pokazuje również, że preferencja dla tego czy innego pokarmu może być bezpośrednią konsekwencją nieprawidłowości enzymatycznej.

Zależność dziedziczności od czynników środowiskowych ukazuje się nam szczególnie wyraźnie na przykładzie fawizmu. Ten. choroba objawiająca się ciężką przerywaną niedokrwistością hemolityczną, której ataki są wywoływane spożyciem bobu (Vicia faba), jest znana od dawna. Fawizm jest szczególnie powszechny na Bliskim Wschodzie i w niektórych częściach południowej Europy, czyli na obszarach, gdzie fasola jest powszechnym produktem spożywczym. Jednak nie u wszystkich ludzi jedzących fasolę rozwija się fawizm. Występuje wyłącznie u osób z genetycznie uwarunkowanym niedoborem G6PD, zwykle spowodowanym obecnością wariantu Gd-śródziemnomorskiego. Zatem, aby choroba się objawiła, osobnik musi być nosicielem odpowiedniego genu i jeść fasolę. Zatem zarówno czynniki genetyczne, jak i środowiskowe są ważne dla rozwoju choroby. W rzeczywistości sytuacja jest jeszcze bardziej złożona, ponieważ nie u wszystkich osób z tym specyficznym niedoborem enzymu, które jedzą fasolę fava, rozwinie się choroba krwi, a u osób, które to robią, choroba może nie mieć takiego samego nasilenia. Przyczyny tego nie są do końca jasne, ale wiele wskazuje na to, że może to być spowodowane dodatkowymi czynnikami genetycznymi, a także różnicami w ilości spożywanej fasoli i formie, w jakiej jest ona przyjmowana w pożywieniu.

Nie ma wątpliwości, że galaktozemia jest chorobą dziedziczną, objawia się bowiem u wszystkich osób o odpowiedniej budowie genetycznej. Czynnik środowiskowy, na który są wrażliwi, jest obecny wszędzie. To samo dotyczy w zasadzie dziedzicznej nietolerancji fruktozy, jednak w tym przypadku czynnik środowiskowy jest nieco bardziej zmienny, co pociąga za sobą różnice w nasileniu objawów klinicznych choroby. Fawizmu nie można jednak uważać za chorobę wywołaną wyłącznie czynnikiem dziedzicznym lub wyłącznie środowiskowym i niewykluczone, że dotyczy to także wielu innych chorób spotykanych w praktyce klinicznej.

W praktyce o tym, czy dana choroba jest dziedziczna, czy spowodowana czynnikami środowiskowymi, należy decydować w zależności od względnej częstości występowania predyspozycji dziedzicznych i prowokujących czynników środowiskowych. Jeśli dziedziczna predyspozycja jest stosunkowo rzadka, a prowokujący czynnik środowiskowy jest powszechny, jeśli nie wszędzie (jak w przypadku galaktozemii), wówczas chorobę tę należy sklasyfikować jako dziedziczną. Jeśli wręcz przeciwnie, istnieje predyspozycja genetyczna. stosunkowo powszechne, a niekorzystne warunki środowiskowe występują rzadko, to najwyraźniej za najważniejszą przyczynę należy uznać czynniki środowiskowe.

Weźmy na przykład szkorbut. Według naszej wiedzy ludzie i inne naczelne nie są w stanie syntetyzować kwasu L-askorbinowego (witaminy C). W rezultacie, jeśli z tego czy innego powodu ich pożywienie nie zawiera wystarczającej ilości tej witaminy, rozwija się u nich szkorbut. Nie zdarza się to u większości innych ssaków, ponieważ wydaje się, że są one w stanie samodzielnie syntetyzować kwas L-askorbinowy z D-glukozy:

D-glukoza → lakton kwasu D-glukuronowego → lakton kwasu L-gulonowego →

Kwas L-askorbinowy.

Najwyraźniej u ludzi i innych naczelnych podczas ewolucji utracono niezbędny gen, a wraz z nim enzym zdolny do przekształcania laktonu kwasu L-gulonowego w kwas L-askorbinowy. Zatem szkorbut słusznie uważa się za chorobę wywołaną niekorzystnym czynnikiem środowiskowym, jakim jest brak witaminy C w pożywieniu. Jednak z równą podstawą można argumentować, że jest to spowodowane wrodzonym zaburzeniem metabolicznym wspólnym dla całej ludzkości.

Oczywiście w niektórych przypadkach dziedziczna predyspozycja do tej choroby może być stosunkowo rzadka, a występowanie pewnych czynników środowiskowych wywołujących tę chorobę może być niskie. W takiej sytuacji choroba musi być także rzadka i bardzo nierównomiernie rozłożona, a wyniki badań rodzinnych nie muszą koniecznie wykazywać, że w jej wystąpieniu rolę odgrywają czynniki dziedziczne. Prostym modelem tego typu sytuacji jest wystąpienie zaburzenia zwanego wrażliwością na suksametonium. Około jeden na 2000 przypadków jest bardzo wrażliwy na suksametonium, często stosowany jako środek zwiotczający mięśnie podczas operacji. Ta wrażliwość wynika albo z syntezy nietypowej formy cholinoesterazy w surowicy, która jest znacznie mniej skuteczna w niszczeniu tego leku niż zwykły enzym, albo z całkowitego braku syntezy tego enzymu. W obu przypadkach porażenie mięśni i związane z nim zatrzymanie oddechu spowodowane przez ten lek są zbyt długie. Jeśli jednak dotknięte osoby nie są narażone na tak niezwykły i ogólnie sztuczny czynnik środowiskowy, jak suksametonium, wówczas najwyraźniej są całkiem zdrowe. Aby zatem doszło do odchylenia klinicznego od normy, konieczne jest w tym przypadku połączenie rzadkiej dziedzicznej predyspozycji i nietypowych warunków środowiskowych. Nic więc dziwnego, że często nie można rozpoznać rodzinnego charakteru tej anomalii.

Jeśli porównamy całe spektrum chorób i anomalii u ludzi, to na jednym krańcu znajdą się choroby takie jak anemia sierpowatokrwinkowa, fenyloketonurię, hemofilia, dystrofia mięśniowa itp., które uważamy za dziedziczne, ponieważ rozwijają się u wszystkich nosicieli odpowiednie geny. Na drugim biegunie znajdą się choroby wywołane przede wszystkim czynnikami środowiskowymi: np. ciężkie infekcje, takie jak dżuma, wąglik, dur brzuszny itp., czyli takie, które z reguły dotykają każdego, kto zetknie się z prowokującymi czynnikami chorobowymi. Istnieje jednak wiele chorób, często dość powszechnych, w rozwoju których istotne wydają się zarówno czynniki dziedziczne, jak i środowiskowe. Typowymi przykładami takich chorób są schizofrenia, cukrzyca i choroba wrzodowa. Wszystkie te choroby charakteryzują się predyspozycją dziedziczną, ale jednocześnie jasne jest, że choroba rozwija się tylko u części osób predysponowanych genetycznie. Jednak we wszystkich takich przypadkach nie znamy natury pierwotnych efektów odpowiednich genów. Ponadto nie jesteśmy w stanie jasno zdefiniować warunków środowiskowych, które prowadzą do wystąpienia choroby u niektórych osób, w przeciwieństwie do innych, które są również genetycznie predysponowane do tej choroby.

Zaburzenia kliniczne faktycznie rozwijają się tylko u niewielkiej części populacji (sektor zacieniony), czyli u tych osób, u których predyspozycja genetyczna łączy się z narażeniem na niekorzystne warunki środowiskowe.

Praktyczne znaczenie takiego sformułowania pytania polega na tym, że po odkryciu sposobów identyfikacji (przy użyciu metod genetycznych) w danej populacji osób predysponowanych do określonej choroby pomaga ono w dalszym odkrywaniu kluczowych czynników środowiskowych. Zasadniczo należy dowiedzieć się, w jakich warunkach środowiskowych realizowana jest predyspozycja genetyczna. Jeśli zostanie to stwierdzone, warunki środowiskowe można odpowiednio dostosować, zanim u osób predysponowanych rozwiną się zaburzenia kliniczne.

Oczywiście w przypadku różnych chorób odsetek osób predysponowanych genetycznie w populacji może być różny – bardzo mały lub odwrotnie duży, a część populacji narażona na niekorzystne warunki środowiskowe może również różnić się wielkością. Co więcej, możliwe jest, że inny rodzaj predyspozycji wynika z odmiennego działania kilku osób. Ponieważ jednak skutki takich genów nie są takie same, stopień predyspozycji będzie się różnić. Dlatego w rzeczywistości wszystkie linie nie powinny być tak wyraźne.

Jednak proste podejście zilustrowane na poniższym schemacie jest bardzo przydatne przy rozważaniu problemów pojawiających się w związku ze stanami patologicznymi, szczególnie tymi częściej spotykanymi. Dochodzimy do niezwykłego paradoksu. Okazuje się, że badanie genetyki wielu chorób może doprowadzić do opracowania metod ich zapobiegania lub leczenia, które polegają wyłącznie na zmianach środowiskowych. Jest całkiem możliwe, że jednym z najważniejszych społecznych i medycznych aspektów zastosowania badań genetycznych będzie regulacja warunków środowiskowych, ponieważ im dokładniej scharakteryzujemy budowę genetyczną jednostki, tym jaśniejsze stanie się dla nas, w jaki sposób zmienić warunki środowiskowe tak, aby odpowiadały jego potrzebom.