Трем группам американских ученых, независимо друг от друга, удалось впервые установить связь между мутациями в определенных генах и вероятностью развития у ребенка расстройств аутистического спектра, сообщает The New York Times. Кроме того, исследователи нашли научное подтверждение ранее выявленной прямой зависимости между возрастом родителей, в особенности отцов, и риском развития аутизма у потомства.

Все три группы сосредоточились на редко встречающейся группе генетических мутаций, названной "de novo". Эти мутации не наследуются, а возникают в процессе зачатия. В качестве генетического материала были взяты образцы крови членов семей, в которых родители не являлись аутистами, а у детей развились различные расстройства аутистического спектра.

Первая группа ученых под руководством Мэтью Стэйта (Matthew W. State), профессора генетики и детской психиатрии из Йэльского университета, чья работа опубликована 4 апреля в журнале Nature, проанализировала наличие мутаций "de novo" у 200 человек с диагнозом "аутизм", чьи родители, братья и сестры не являлись аутистами. В результате были обнаружены два ребенка с одинаковой мутацией в одном и том же гене, при этом их не связывало больше ничего, кроме диагноза.

"Это как при игре дартс дважды попасть дротиком в одну и ту же точку на мишени. Вероятность того, что обнаруженная мутация связана с аутизмом - 99,9999 процентов", - цитирует издание профессора Стэйта.

Команда под руководством Ивэна Эйхлера (Evan E. Eichler), профессора генетики из университета штата Вашингтон, исследуя образцы крови 209 семей, в которых есть дети-аутисты, обнаружила такую же мутацию в том же самом гене у одного ребенка. Кроме того, были выявлены двое детей-аутистов из разных семей, у которых оказались идентичные между собой мутации "de novo", но в других генах. Таких совпадений у испытуемых - не аутистов замечено не было.

Третья группа исследователей, которую возглавлял профессор Марк Дэли (Mark J. Daly) из Гарвардского университета, обнаружила у детей-аутистов несколько случаев мутаций типа "de novo" в тех же трех генах. Хотя бы одна мутация такого типа присутствует в генотипе любого человека, но, полагает Дэли, у аутистов, в среднем, их значительно больше.

Все три группы исследователей также подтвердили и ранее замеченную связь между возрастом родителей и аутизмом у ребенка. Чем старше родители, в первую очередь отец, тем выше риск появления мутаций "de novo". Проанализировав 51 мутацию, команда под руководством профессора Эйхлера выяснила, что в мужской ДНК такого рода повреждения встречаются в четыре раза чаще, чем в женской. И тем чаще, если возраст мужчины превышает 35 лет. Таким образом, предполагают ученые, именно поврежденный отцовский генетический материал, получаемый потомством при зачатии, является источником тех мутаций, которые влекут за собой развитие аутистических расстройств.

Ученые согласны в том, что поиск путей предотвращения такого развития событий будет долгим, исследование генетической природы аутизма только начинается. В частности, команды Эйхлера и Дэли нашли свидетельства того, что гены, в которых обнаружены мутации "de novo", задействованы в одних и тех же биологических процессах. "Но это лишь верхушка верхушки айсберга, - считает профессор Эйхлер. - Главное, что все мы сошлись на том, с чего надо начать".

ГЛАВА 5 ИЗМЕНЧИВОСТЬ ОРГАНИЗМА

ГЛАВА 5 ИЗМЕНЧИВОСТЬ ОРГАНИЗМА

Общие данные

Изменчивость организма есть изменчивость его генома, обусловливающая генотипические и фенотипические различия человека и вызывающая эволюционное разнообразие его генотипов и фенотипов (см. главы 2 и 3).

Внутриутробное развитие зародыша, эмбриона, плода, дальнейшее постнатальное развитие организма человека (младенчество, детство, отрочество, юность, взрослая жизнь, старение и смерть) осуществляются в соответствии с генетической программой онтогенеза, сформировавшейся при слиянии материнского и отцовского геномов (см. главы 2 и 12).

В ходе онтогенеза геном организма индивида и закодированная в нем информация подвергаются непрерывным преобразованиям под действием факторов окружающей среды. Возникшие в геноме изменения могут передаваться из поколения в поколение, обусловливая изменчивость признаков и фенотипа организма у потомков.

В начале XX в. немецкий зоолог В. Хэкер выделил направление генетики, посвященное изучению связей и взаимоотношений между генотипами и фенотипами и анализу их изменчивости, и назвал его феногенетикой.

В настоящее время феногенетики выделяют два класса изменчивости: ненаследственную (или модификационную), которая не передается из поколения в поколение, и наследственную, которая передается из поколения в поколение.

В свою очередь, наследственная изменчивость также бывает двух классов: комбинативная (рекомбинационная) и мутационная. Изменчивость первого класса определяют три механизма: случайные встречи гамет при оплодотворении; кроссинговер, или мейотическая рекомбинация (обмен равными участками между гомологичными хромосомами в профазе первого деления мейоза); независимое расхождение гомологичных хромосом к полюсам деления при образовании дочерних клеток в ходе митоза и мейоза. Изменчивость второго

класса обусловлена точковыми, хромосомными и геномными мутациями (см. ниже).

Последовательно рассмотрим различные классы и типы изменчивости организма на разных этапах его индивидуального развития.

Изменчивость при оплодотворении гамет и начало функционирования генома зародившегося организма

Материнский и отцовский геномы не могут функционировать отдельно друг от друга.

Только двух родительских генома, объединившиеся в зиготе, обеспечивают зарождение молекулярной жизни, появление нового качественного состояния - одного из свойств биологической материи.

На рис. 23 отражены результаты взаимодействия двух родительских геномов при оплодотворении гамет.

Согласно формуле оплодотворения: зигота = яйцеклетка + сперматозоид, начало развития зиготы - это момент формирования двойного (диплоидного) при встрече двух гаплоидных наборов родительских гамет. Именно тогда зарождается молекулярная жизнь и запускается цепь последовательных реакций на основе сначала экспрессии генов генотипа зиготы, а затем генотипов появившихся из нее дочерних соматических клеток. Отдельные гены и группы генов в составе генотипов всех клеток организма начинают «включаться» и «выключаться» в ходе реализации генетической программы онтогенеза.

Ведущая роль в происходящих событиях принадлежит яйцеклетке, имеющей в ядре и цитоплазме все необходимые для зарожде-

Рис. 23. Результаты взаимодействия двух родительских геномов при оплодотворении гамет (рисунки по www.bio.1september.ru; www.bio.fizteh.ru; www. vetfac.nsau.edu.ru соответственно)

ния и продолжения жизни структурные и функциональные компоненты ядра и цитоплазмы (суть биологического матриархата). Сперматозоид же содержит ДНК и не содержит компонентов цитоплазмы. Проникнув в яйцеклетку, ДНК сперматозоида вступает в контакт с ее ДНК, и тем самым в зиготе «включается» функционирующий в течение всей жизни организма главный молекулярный механизм: ДНК-ДНК взаимодействие двух родительских геномов. Строго говоря, активизируется генотип, представленный примерно равными частями нуклеотидных последовательностей ДНК материнского и отцовского происхождения (без учета мтДНК цитоплазмы). Упростим сказанное: начало молекулярной жизни в зиготе - нарушение постоянства внутренней среды яйцеклетки (ее гомеостаза), а вся последующая молекулярная жизнь многоклеточного организма - стремление восстановить подверженный действию факторов среды гомеостаз или баланс между двумя противоположными состояниями: стабильностью с одной стороны и изменчивостью с другой. Таковы причинно-следственные связи, определяющие возникновение и непрерывность молекулярной жизни организма в ходе онтогенеза.

Теперь обратим внимание на результаты и значение изменчивости генома организма как продукта эволюции. Сначала рассмотрим вопрос об уникальности генотипа зиготы или клетки-родоначальницы всех клеток, тканей, органов и систем организма.

Само оплодотворение происходит случайно: одну женскую гамету оплодотворяет только одна мужская гамета из 200-300 млн сперматозоидов, содержащихся в эякуляте мужчины. Очевидно, что каждую яйцеклетку и каждый сперматозоид отличают друг от друга многие генотипические и фенотипические признаки: наличие измененных или неизмененных по составу и комбинациям генов (результаты комбинативной изменчивости), разные сиквенсы нуклеотидных последовательностей ДНК, разные размеры, форма, функциональная активность (подвижность), зрелость гамет и др. Именно эти отличия позволяют говорить об уникальности генома любой гаметы и, следовательно, генотипа зиготы и всего организма: случайность оплодотворения гамет обеспечивает появление на свет генетически уникального организма индивида.

Иными словами, молекулярная жизнь человека (как и жизнь биологического существа вообще) - «дар судьбы» или, если угодно, «божественный дар», ибо вместо данного индивида с одинаковой

вероятностью могли родиться генетически иные - его родные братья и сестры.

Теперь продолжим наши рассуждения о балансе между стабильностью и изменчивостью наследственного материала. В широком смысле, поддержание такого баланса - это одновременное сохранение и изменение (преобразование) стабильности наследственного материала под действием внутренних (гомеостаз) и внешних средовых факторов (норма реакции). Гомеостаз зависит от генотипа, обусловленного слиянием двух геномов (см. рис. 23). Норма реакции определяется взаимодействием генотипа с факторами окружающей среды.

Норма и диапазон реакции

Специфический способ реакции организма в ответ на действие факторов окружающей среды называется нормой реакции. Именно гены и генотип ответственны за развитие и диапазон модификаций отдельных признаков и фенотипа всего организма. Вместе с тем, в фенотипе реализуются далеко не все возможности генотипа, т.е. фенотип - частный (для индивида) случай реализации генотипа в конкретных условиях окружающей среды. Поэтому, например, между монозиготными близнецами, имеющими полностью идентичные генотипы (100% общих генов), выявляются заметные фенотипические различия, если близнецы растут в разных условиях окружающей среды.

Норма реакции бывает узкой или широкой. В первом случае стабильность отдельного признака (фенотипа) сохраняется практически вне зависимости от влияния окружающей среды. Примерами генов с узкой нормой реакции или непластичных генов служат гены, кодирующие синтез антигенов групп крови, окраску глаз, курчавость волос и др. Их действие одинаково при любых (совместимых с жизнью) внешних условиях. Во втором случае стабильность отдельного признака (фенотипа) изменяется в зависимости от влияния окружающей среды. Пример генов с широкой нормой реакции или пластичных генов - гены, контролирующие количество эритроцитов крови (разное у лиц, поднимающихся в гору, и лиц, спускающихся с горы). Другой пример широкой нормы реакции - изменение окраски кожных покровов (загар), связанный с интенсивностью и временем воздействия на организм ультрафиолетового облучения.

Говоря о диапазоне реакции, следует иметь в виду фенотипические различия, проявляющиеся у индивида (его генотипа) в зависимости от

«обедненных» или «обогащенных» условий окружающей среды, в которых находится организм. Согласно определению И.И. Шмальгаузена (1946), «наследуются не признаки, как таковые, а норма их реакции на изменения условий существования организмов».

Таким образом, норма и диапазон реакции - это пределы генотипической и фенотипической изменчивости организма при изменении условий окружающей среды.

Следует также отметить, что из внутренних факторов, оказывающих влияние на фенотипическое проявление генов и генотипа, определенное значение имеют пол и возраст индивида.

Внешние и внутренние факторы, определяющие развитие признаков и фенотипов, входят в указанные в главе три группы основных факторов, среди которых гены и генотип, механизмы межмолекулярных (ДНК-ДНКовых) и межгенных взаимодействий между родительскими геномами и факторы окружающей среды.

Безусловно, основой приспособления организма к условиям окружающей среды (основой онтогенеза) является его генотип. В частности, индивиды с генотипами, не обеспечивающими подавление отрицательного действия патологических генов и факторов среды, оставляют меньше потомков, чем те индивиды, у которых нежелательные эффекты подавляются.

Вероятно, что в генотипы более жизнеспособных организмов включены специальные гены (гены-модификаторы), подавляющие действие «вредных» генов таким образом, что вместо них доминантными становятся аллели нормального типа.

НЕНАСЛЕДСТВЕННАЯ ИЗМЕНЧИВОСТЬ

Говоря о ненаследственной изменчивости генетического материала, снова рассмотрим пример широкой нормы реакции - изменение окраски кожных покровов под действием ультрафиолетового излучения. «Загар» ведь не передается из поколения в поколение, т.е. не наследуется, хотя в его возникновении участвуют пластичные гены.

Точно так же не наследуются результаты травм, рубцовые изменения тканей и слизистых оболочек при ожоговой болезни, обморожениях, отравлениях и многие другие признаки, вызванные действием исключительно факторов среды. Вместе с тем, следует подчеркнуть: ненаследственные изменения или модификации связаны с наслед-

ственными свойствами данного организма, ибо образуются на фоне конкретного генотипа в конкретных условиях окружающей среды.

Наследственная комбинативная изменчивость

Как сказано в начале главы, кроме механизма случайных встреч гамет при оплодотворении, комбинативная изменчивость включает механизмы кроссинговера в первом делении мейоза и независимого расхождения хромосом к полюсам деления при образовании дочерних клеток в ходе митоза и мейоза (см. главу 9).

Кроссинговер в первом делении мейоза

За счет механизма кроссинговера сцепление генов с хромосомой регулярно нарушается в профазе первого деления мейоза в результате перемешивания между собой (обмена) генов отцовского и материнского происхождения (рис. 24).

В начале XX в. при открытии кроссинговера Т.Х. Морган и его ученики предположили: кроссинговер между двумя генами может происходить не только в одной, но и в двух, трех (соответственно двойной и тройной кроссинговер) и большем количестве точек. Отмечалось подавление кроссинговера в участках, непосредственно примыкающих к точкам обмена; такое подавление назвали интерференцией.

В конечном итоге подсчитали: на один мужской мейоз приходится от 39 до 64 хиазм или рекомбинаций, а на один женский мейоз - до 100 хиазм.

Рис. 24. Схема кроссинговера в первом делении мейоза (по Шевченко В.А. и соавт., 2004):

a - сестринские хроматиды гомологичных хромосом до начала мейоза; б - они же во время пахитены (видна их спирализация); в - они же во время диплотены и диакинеза (стрелки указывают на места кроссинговера-хиазмы, или участки обмена)

В результате сделали вывод: сцепление генов с хромосомами постоянно нарушается в ходе кроссинговера.

Факторы, влияющие на кроссинговер

Кроссинговер - один из регулярных генетических процессов в организме, контролируемый многими генами как непосредственно, так и через физиологическое состояние клеток в ходе мейоза и даже митоза.

К факторам, влияющим на кроссинговер, относятся:

Гомо- и гетерогаметный пол (речь идет о митотическом кроссинговере у самцов и самок таких эукариот, как дрозофила и тутовый шелкопряд); так, у дрозофилы кроссинговер протекает нормально; у тутового шелкопряда - либо тоже нормально, либо отсутствует; у человека следует обратить внимание на смешанный («третий») пол и конкретно на роль кроссинговера при аномалиях развития пола при мужском и женском гермафродитизме (см. главу 16);

Структура хроматина; на частоту кроссинговера в разных участках хромосом влияет распределение гетерохроматиновых (прицентромерные и теломерные участки) и эухроматиновых районов; в частности, в прицентромерных и теломерных участках частота кроссинговера снижена, и расстояние между генами, определяемое по частоте кроссинговера, может не соответствовать фактическому;

Функциональное состояние организма; по мере увеличения возраста меняется степень спирализации хромосом и скорость клеточного деления;

Генотип; в его составе выделены гены, увеличивающие или уменьшающие частоту кроссинговера; «запиратели» последнего - хромосомные перестройки (инверсии и транслокации), затрудняющие нормальную конъюгацию хромосом в зиготене;

Экзогенные факторы: воздействие температуры, ионизирующей радиации и концентрированных растворов солей, химические мутагены, лекарства и гормоны, как правило, повышающие частоту кроссинговера.

По частоте мейотического и митотического кроссинговера и СХО порой судят о мутагенном действии лекарств, канцерогенов, антибиотиков и других химических соединений.

Неравный кроссинговер

В редких случаях в ходе кроссинговера наблюдаются разрывы в несимметричных точках сестринских хроматид, и они обменива-

ются между собой неравными участками - это неравный кроссинговер.

Вместе с тем, описаны случаи, когда в ходе митоза наблюдается митотическая конъюгация (неправильное спаривание) гомологичных хромосом и рекомбинация происходит между несестринскими хроматидами. Такое явление получило название генной конверсии.

Значение данного механизма трудно переоценить. Например, в результате неправильного спаривания гомологичных хромосом по фланкирующим повторам может произойти удвоение (дупликация) или утрата (делеция) участка хромосомы, содержащего ген РМР22, что обусловит развитие наследственной аутосомно-доминантной моторно-сенсорной нейропатии Шарко-Мари-Тус.

Неравный кроссинговер - один из механизмов возникновения мутаций. Например, периферический белок миелин кодируется геном РМР22, расположенным в хромосоме 17 и имеющим длину около 1,5 млн н.п. Этот ген фланкируется двумя гомологичными повторами длиной около 30 тыс. н.п. (повторы расположены на флангах гена).

Особенно много мутаций в результате неравного кроссинговера происходит в псевдогенах. Тогда либо фрагмент одного аллеля переносится в другой аллель, либо фрагмент псевдогена - в ген. Например, подобная мутация отмечается при переносе последовательности псевдогена в ген 21-гидроксилазы (CYP21B) при адреногенитальном синдроме или врожденной гиперплазии коры надпочечников (см. главы 14 и 22).

Кроме того, за счет рекомбинаций в ходе неравного кроссинговера могут образовываться множественные аллельные формы генов, кодирующих антигены HLA класса I.

Независимое расхождение гомологических хромосом к полюсам деления при образовании дочерних клеток в ходе митоза и мейоза

Благодаря процессу репликации, предшествующему митозу соматической клетки, общее количество нуклеотидных последовательностей ДНК увеличивается вдвое. Формирование одной пары гомологичных хромосом происходит из двух отцовских и двух материнских хромосом. При распределении этих четырех хромосом в две дочерние клетки каждая из клеток получит одну отцовскую и одну материнскую хромосомы (для каждой пары хромосомного набора), однако какую именно из двух, первую или вторую, неизвестно. Имеет место

случайный характер распределения гомологичных хромосом. Легко подсчитать: за счет различных комбинаций 23 пар хромосом общее количество дочерних клеток составит 2 23 , или более 8 млн (8 χ 10 6) вариантов комбинаций хромосом и расположенных на них генов. Следовательно, при случайном характере распределения хромосом в дочерние клетки каждая из них будет иметь свой уникальный кариотип и генотип (свой вариант комбинации хромосом и сцепленных с ними генов соответственно). Следует отметить и возможность патологического варианта распределения хромосом в дочерние клетки. Например, попадание в одну из двух дочерних клеток только одной (отцовской или материнской по происхождению) Х-хромосомы приведет к моносомии (синдром Шерешевского-Тернера, кариотип 45, ХО), попадание трех одинаковых аутосом приведет к трисомии (синдромы Дауна, 47,XY,+21; Патау, 47,ХХ,+13 и Эдвадса, 47,ХХ,+18; см. также главу 2).

Как отмечено в главе 5, в одну дочернюю клетку могут одновременно попасть две отцовские или две материнские по происхождению хромосомы - это однородительская изодисомия по конкретной паре хромосом: синдромы Сильвера-Рассела (две материнские хромосомы 7), Беквитта-Видемана (две отцовские хромосомы 11), Ангельмана (две отцовские хромосомы 15), Прадера-Вилли (две материнские хромосомы 15). В целом объем нарушений распределения хромосом достигает 1% всех хромосомных нарушений у человека. Эти нарушения имеют большое эволюционное значение, ибо создают популяционное разнообразие кариотипов, генотипов и фенотипов человека. Причем каждый патологический вариант является уникальным продуктом эволюции.

В результате второго мейотического деления образуются 4 дочерние клетки. В каждую из них отойдет по одной либо материнской, либо отцовской хромосоме из всех 23 хромосом.

Чтобы избежать возможных ошибок в наших дальнейших расчетах, примем за правило: в результате второго мейотического деления также образуется 8 млн вариантов мужских гамет и 8 млн вариантов женских гамет. Тогда ответ на вопрос, каков общий объем вариантов комбинаций хромосом и расположенных на них генов при встрече двух гамет, следующий: 2 46 или 64 χ 10 12 , т.е. 64 триллиона.

Образование такого (теоретически возможного) количества генотипов при встрече двух гамет наглядно объясняет смысл гетерогенности генотипов.

Значение комбинативной изменчивости

Комбинативная изменчивость важна не только для гетерогенности и уникальности наследственного материала, но и для восстановления (репарации) стабильности молекулы ДНК при повреждении ее обеих нитей. Примером служит образование одноцепочечной бреши ДНК напротив нерепарированного повреждения. Появившаяся брешь не может быть безошибочно исправлена без привлечения к репарации нормальной нити ДНК.

Мутационная изменчивость

Наряду с уникальностью и гетерогенностью генотипов и фенотипов в результате комбинативной изменчивости огромный вклад в вариабельность генома и фенома человека вносит наследственная мутационная изменчивость и обусловленная ею генетическая гетерогенность.

Вариации нуклеотидных последовательностей ДНК чисто условно можно разделить на мутации и генетический полиморфизм (см. главу 2). Вместе с тем, если гетерогенность генотипов - это постоянные (нормальные) характеристики вариабельности генома, то мутационная изменчивость - это, как правило, его патология.

В пользу патологической вариабельности генома свидетельствуют, например, неравный кроссинговер, неправильное расхождение хромосом к полюсам деления при образовании дочерних клеток, наличие генетических компаундов и аллельных серий. Иными словами, наследственная комбинативная и мутационная изменчивость проявляется у человека значительным генотипическим и фенотипическим разнообразием.

Уточним терминологию и рассмотрим общие вопросы теории мутаций.

ОБЩИЕ ВОПРОСЫ ТЕОРИИ МУТАЦИЙ

Мутация есть изменение структурной организации, количества и/или функционирования наследственного материала и синтезируемых им белков. Это понятие впервые предложил Гуго де Фриз

в 1901-1903 гг. в своей работе «Мутационная теория», где описал основные свойства мутаций. Они:

Возникают внезапно;

Передаются из поколения в поколение;

Наследуются по доминантному типу (проявляются у гетерозигот и гомозигот) и рецессивному типу (проявляются у гомозигот);

Не имеют направленности («мутирует» любой локус, вызывая незначительные изменения или затрагивая жизненно важные признаки);

По фенотипическому проявлению бывают вредными (большинство мутаций), полезными (крайне редко) или безразличными;

Возникают в соматических и половых клетках.

Кроме того, одни и те же мутации могут возникнуть повторно.

Мутационный процесс или мутагенез, есть непрерывно идущий процесс формирования мутаций под действием мутагенов - факторов среды, повреждающих наследственный материал.

Впервые теория непрерывно идущего мутагенеза предложена в 1889 г. русским ученым из Петербургского университета С.И. Коржинским в его книге «Гетерогенезис и эволюция».

Как принято считать в настоящее время, мутации способны проявиться спонтанно, без видимых внешних причин, но под влиянием внутренних условий в клетке и организме - это спонтанные мутации или спонтанный мутагенез.

Мутации, вызванные искусственно путем воздействия внешних факторов физической, химической или биологической природы, - это индуцированные мутации, или индуцированный мутагенез.

Наиболее часто встречающиеся мутации называются мажорными мутациями (например, мутации в генах миодистрофии Дюшенна- Беккера, муковисцидоза, серповидноклеточной анемии, фенилкетонурии и др.). Сейчас созданы коммерческие наборы, позволяющие выявлять в автоматическом режиме наиболее важные из них.

Вновь возникшие мутации называются новыми мутациями или мутациями de novo. Например, к ним относятся мутации, лежащие в основе ряда аутосомно-доминантных болезней, таких, как ахондроплазия (10% случаев заболевания - семейные формы), нейрофиброматоз Реклингаузена I типа (50-70% - семейные формы), болезнь Альцгеймера, хорея Гентингтона.

Мутации от нормального состояния гена (признака) к патологическому состоянию называются прямыми.

Мутации от патологического состояния гена (признака) к нормальному состоянию называются обратными или реверсиями.

Впервые способность к реверсии установлена в 1935 г. Н.В. Тимофеевым-Рессовским.

Последующие мутации в гене, подавляющие первичный мутантный фенотип, называются супрессорными. Супрессия может быть внутригенной (восстанавливает функциональную активность белка; аминокислота не соответствует исходной, т.е. истинной обратимости нет) и внегенной (изменяется структура тРНК, в результате чего мутантная тРНК включает в полипептид другую аминокислоту вместо кодируемой дефектным триплетом).

Мутации в соматических клетках называются соматическими мутациями. Они формируют патологические клеточные клоны (совокупность патологических клеток) и в случае одновременного присутствия в организме нормальных и патологических клеток приводят к клеточному мозаицизму (например, при наследственной остеодистрофии Олбрайта экспрессивность заболевания зависит от количества аномальных клеток).

Соматические мутации могут быть как семейными, так и спорадическими (несемейными). Они лежат в основе развития злокачественных новообразований и процессов преждевременного старения.

Ранее считалось аксиомой, что соматические мутации не наследуются. В последние же годы была доказана передача из поколения в поколение наследственной предрасположенности 90% мультифакториальных форм и 10% моногенных форм рака, проявляющихся мутациями в соматических клетках.

Мутации в половых клетках называются герминативными мутациями. Считается, что они встречаются реже соматических мутаций, лежат в основе всех наследственных и некоторых врожденных болезней, передаются из поколения в поколение и также могут быть семейными и спорадическими. Наиболее изученная область общего мутагенеза - физический и, в частности, радиационный мутагенез. Любые источники ионизирующей радиации пагубны для здоровья человека, они, как правило, оказывают мощное мутагенное, тератогенное и канцерогенное воздействие. Мутагенный эффект однократной дозы облучения гораздо выше, чем при хроническом облучении; доза облучения в 10 рад удваивает частоту мутаций у человека. Доказано: ионизирующее излучение способно вызвать мутации, приводящие

к наследственным (врожденным) и онкологическим болезням, а ультрафиолетовое - индуцировать ошибки репликации ДНК.

Большую опасность представляет химический мутагенез. В мире существует около 7 млн химических соединений. В народном хозяйстве, на производстве и в быту постоянно применяются примерно 50-60 тыс. химических веществ. Ежегодно внедряются в практику около одной тысячи новых соединений. Из них 10% в состоянии индуцировать мутации. Таковы гербициды и пестициды (доля мутагенов среди них достигает 50%), а также ряд лекарственных препаратов (некоторые антибиотики, синтетические гормоны, цитостатики и др.).

Существует еще биологический мутагенез. К биологическим мутагенам относятся: чужеродные белки вакцин и сывороток, вирусы (ветряная оспа, коревая краснуха, полиомиелит, простой герпес, СПИД, энцефалит) и ДНК, экзогенные факторы (неполноценное белковое питание), соединения гистамина и его производные, стероидные гормоны (эндогенные факторы). Усиливают действие внешних мутагенов комутагены (токсины).

В истории генетики немало примеров значения связей между генами и признаками. Один из них - классификация мутаций в зависимости от их фенотипического эффекта.

Классификация мутаций в зависимости от их фенотипического эффекта

Такую классификацию мутаций впервые предложил в 1932 г. Г. Мёллер. Согласно классификации были выделены:

Аморфные мутации. Это состояние, при котором признак, контролируемый патологическим аллелем, не проявляется, так как патологический аллель не активен по сравнению с нормальным аллелем. К таким мутациям относятся ген альбинизма (11q14.1) и около 3000 аутосомно-рецессивных заболеваний;

Антиморфные мутации. В этом случае значение признака, контролируемого патологическим аллелем, противоположно значению признака, контролируемого нормальным аллелем. К таким мутациям относятся гены около 5-6 тыс. аутосомно-доминантных заболеваний;

Гиперморфные мутации. В случае такой мутации признак, контролируемый патологическим аллелем, выражен сильнее признака, контролируемого нормальным аллелем. Пример - гете-

розиготные носители генов болезней нестабильности генома (см. главу 10). Их число составляет около 3% населения Земли (почти 195 млн человек), а количество самих заболеваний достигает 100 нозологий. Среди этих заболеваний: анемия Фанкони, атаксиятелеангиэктазия, пигментная ксеродерма, синдром Блума, прогероидные синдромы, многие формы рака и др. При этом частота рака у гетерозиготных носителей генов этих заболеваний в 3-5 раз выше, чем в норме, а у самих больных (гомозигот по этим генам) частота рака в десятки раз выше, чем в норме.

Гипоморфные мутации. Это состояние, при котором проявление признака, контролируемого патологическим аллелем, ослаблено по сравнению с признаком, контролируемым нормальным аллелем. К таким мутациям относятся мутации генов синтеза пигментов (1q31; 6p21.2; 7p15-q13; 8q12.1; 17p13.3; 17q25; 19q13; Xp21.2; Xp21.3; Xp22), а также более 3000 форм аутосомно-рецессивных заболеваний.

Неоморфные мутации. О такой мутации говорят, когда признак, контролируемый патологическим аллелем, будет иного (нового) качества по сравнению с признаком, контролируемым нормальным аллелем. Пример: синтез новых иммуноглобулинов в ответ на проникновение в организм чужеродных антигенов.

Говоря о непреходящем значении классификации Г. Мёллера, следует отметить, что спустя 60 лет после ее публикации фенотипические эффекты точковых мутаций были разделены на разные классы в зависимости от оказываемого ими воздействия на структуру белкового продукта гена и/или уровень его экспрессии.

В частности, нобелевский лауреат Виктор Маккьюсик (1992) выделил мутации, изменяющие последовательность аминокислот в белке. Оказалось, что именно они отвечают за проявление 50-60% случаев моногенных болезней, а остальные мутации (40-50% случаев) приходятся на долю мутаций, затрагивающих экспрессию генов.

Изменение аминокислотного состава белка проявляется в патологическом фенотипе, например, в случаях метгемоглобинемии или серповидноклеточной анемии, обусловленной мутациями бетаглобинового гена. В свою очередь, были выделены мутации, затрагивающие нормальную экспрессию гена. Они приводят к изменению количества генного продукта и проявляются фенотипами, связанными с недостаточностью того или иного белка, например,

в случаях гемолитической анемии, обусловленной мутациями генов, локализованных на аутосомах: 9q34.3 (дефицит аденилаткиназы); 12p13.1 (дефицит триозофосфатизомеразы); 21q22.2 (дефицит фосфофруктокиназы).

Классификация мутаций В. Маккьюсика (1992) - это, безусловно, новое поколение классификаций. Вместе с тем, накануне ее публикации широкое признание получила классификация мутаций в зависимости от уровня организации наследственного материала.

Классификация мутаций в зависимости от уровня организации наследственного материала

Классификация включает следующее.

Точковые мутации (нарушение структуры гена в разных его точках).

Строго говоря, к точковым мутациям относятся изменения нуклеотидов (оснований) одного гена, ведущие к изменению количества и качества синтезируемых ими белковых продуктов. Изменения оснований - это их замены, вставки, перемещения или выпадения, которые можно объяснить мутациями в регуляторных областях генов (промотор, сайт полиаденилирования), а также в кодирующих и некодирующих областях генов (экзоны и интроны, сайты сплайсинга). Замены оснований ведут к появлению трех типов мутантных кодонов: миссенс-мутации, нейтральные мутации и нонсенс-мутации.

Точковые мутации наследуются как простые менделевские признаки. Они часто встречаются: 1 случай на 200-2000 рождений - это первичный гемохроматоз, неполипозный рак толстой кишки, синдром Мартина-Белл и муковисцидоз.

Точковые мутации, встречающиеся крайне редко (1:1 500 000), - это тяжелый комбинированный иммунодефицит (ТКИД) в результате дефицита аденозиндезаминазы. Иногда точковые мутации формируются не при воздействии мутагенов, а как ошибки репликации ДНК. При этом их частота не превышает 1:10 5 -1:10 10 , так как они исправляются с помощью репарационных систем клетки почти на

Структурные мутации или аберрации хромосом (нарушают структуру хромосом и приводят к формированию новых групп сцепления генов). Это делеции (утраты), дупликации (удвоения), транслокации (перемещения), инверсии (поворот на 180°) или инсерции (вставки) наследственного материала. Такие мутации характерны для сомати-

ческих клеток (включая стволовые клетки). Их частота составляет 1 на 1700 клеточных делений.

Известен ряд синдромов, обусловленных структурными мутациями. Наиболее известные примеры: синдром «кошачьего крика» (кариотип: 46,ХХ,5р-), синдром Вольфа-Хиршхорна (46,ХХ, 4р-), транслокационная форма синдрома Дауна (кариотип: 47, ХУ, t (14;21)).

Другой пример - это лейкемии. При них происходит нарушение экспрессии гена в результате так называемого разделения (транслокация между структурной частью гена и его промоторной областью), и, следовательно, нарушается синтез белка.

Геномные (численные) мутации - нарушение числа хромосом или их частей (ведут к появлению новых геномов или их частей путем добавления или утраты целых хромосом или их частей). Происхождение этих мутаций обусловлено нерасхождением хромосом в митозе или мейозе.

В первом случае - это анеуплоиды, тетраплоиды с неразделенной цитоплазмой, полиплоиды, имеющие по 6, 8, 10 пар хромосом и более.

Во втором случае - это неразделение парных хромосом, участвующих в формировании гамет (моносомии, трисомии) или оплодотворение одной яйцеклетки двумя сперматозоидами (диспермия или триплоидный зародыш).

Их типичные примеры уже не раз приводились - это синдром Шерешевского-Тернера (45,ХО), синдром Клайнфельтера (47,ХХУ), регулярная трисомия при синдроме Дауна (47,ХХ, +21).

Крупнейшая генетическая лаборатория США Reprogenetics, в соавторстве с ведущими учеными из Китая, ряда Нью-Йоркских институтов и медицинских центов, специализирующиеся в области ПГД, опубликовали результаты новых исследований, в которых утверждается, что мутации могут быть обнаружены в эмбрионах после экстракорпорального оплодотворения (ЭКО).

Для проведения исследования достаточно небольшой (щадящей) биопсии, всего около 10 клеток эмбрионов, при этом большинство новых (De Novo) мутаций, которые вызывают непропорционально высокий процент генетических заболеваний, могут быть обнаружены с помощью ПГД. Уникальность метода заключается в разработке нового оригинального процесса скрининга расширенного целого генома.

Новые (De Novo) мутации происходят только в половых клетках и у эмбрионов после оплодотворения. Как правило, эти мутации не присутствуют в крови родителей и даже всеобъемлющий скрининг родителей-носителей не сможет их выявить. Стандартный ПГД не может обнаружить эти мутации, потому что тесты недостаточно чувствительны или акцентированы только на очень узких специфических участках генома.

"Эти результаты являются важным шагом в развитии скрининга целого генома, направленного на поиск самых здоровых эмбрионов при проведении ПГД", говорит Сантьяго Мане (Santiago Munné), доктор философии, основатель и директор Reprogenetics и основатель Recombine. "Этот новый подход может обнаружить почти все изменения генома, и тем самым устранить необходимость дальнейшего генетического тестирования во время беременности или после рождения, обеспечивая при этом выбор самого здорового эмбриона для передачи будущей матери."

Также научно подтверждено, что новый метод снижает в 100 раз частоту ошибок (по сравнению с предыдущими методами).

"Замечательно, что новые (De Novo) мутации могут быть обнаружены с такой высокой чувствительностью и исключительно низким уровнем ошибок, используя малое число эмбриональных клеток," говорит Брок Питерс, доктор философии и ведущий ученый в проведенном исследовании. "Разработанный метод эффективен не только с медицинской точки зрения, но и с экономической и мы с нетерпением ждем продолжения наших научно-исследовательских работ в этой области."

Новые мутации могут привести к серьезным врожденным расстройствам мозга, таким как аутизм, эпилептические энцефалопатии, шизофрения и другие. Так как эти мутации являются уникальными для конкретного сперматозоида и яйцеклетки, которые участвуют в создании эмбриона, генетический анализ родителей не в состоянии их обнаружить.

"До пяти процентов новорожденных страдают от заболеваний, вызванных генетическим дефектом," говорит Алан Беркли, доктор медицинских наук, профессор, директор департамента акушерства и гинекологии Университета Нью-Йорка Fertility Center. "Наш подход всеобъемлющий и направлен на выявление абсолютно здоровых эмбрионов. Это может значительно облегчить некоторые факторы эмоционального и физического стресса ЭКО, особенно для пар, подверженных риску передачи генетических нарушений."

Статья переведена специально дял программы Школа ЭКО, по материалам

Различают следующие типы мутаций:

а) геномные мутации, приводящие к изменению числа хромосом. Геномные мутации часто возникают у растений. При этом может происходить умножение целых наборов хромосом (полиплоидия) или же увеличение (трисомия) или уменьшение (моносомия) числа отдельных хромосом;

б) хромосомные мутации (см. разд. 2.2), при которых нарушается структура хромосом, а их число в клетке остается неизменным. Хромосомные мутации можно обнаружить при микроскопическом исследовании.

в) генные мутации, не приводящие к выявляемым с помощью микроскопа изменениям хромосом; эти мутации можно обнаружить только путем генетического анализа фенотипических изменений (см. разд. 3.6).

Изучение мутаций у человека на уровне белков и ДНК (особенно мутаций гемоглобиновых генов) внесло большой вклад в понимание их молекулярной природы. Результаты этих исследований и результаты анализа структуры хромосом высоко разрешающими методами дифференциального окрашивания привели к размыванию грани между хромосомными и генными мутациями. Мы знаем теперь, что делеции и инсерции возможны и на молекулярном уровне и что неравный кроссинговер может изменять микроструктуру . Методы дифференциальной окраски позволили выявлять под микроскопом прежде неразличимые хромосомные перестройки. Следует помнить, что изменения хромосом, обнаруживаемые при дифференциальном окрашивании, отличаются на несколько порядков

5 Мутации 143

от таких изменений, как делеции структурных генов. Поэтому разграничение структурных хромосомных аберраций и генных мутаций полезно для практических целей.

Клетки, в которых возникают мутации. Кроме типа генетического повреждения, чрезвычайно важна его локализация. Мутации могут происходить и в половых, и в соматических клетках. Те из них, которые возникают в половых клетках, передаются индивидам следующего поколения и, как правило, обнаруживаются во всех клетках потомков, ставших их носителями. Соматические мутации можно обнаружить только в потомстве соответствующей мутантной клетки, что приводит к «мозаичности» особи. Фенотипические последствия будут проявляться только в том случае, если эти мутации препятствуют осуществлению специфических функций, свойственных данным мутантным клеткам.

Частоты мутаций. Один из параметров, наиболее часто используемых при изучении мутационного процесса,- частота возникновения мутаций (или скорость мутирования). Применительно к человеку она определяется как вероятность осуществления мутационного события за время жизни одного поколения. Как правило, при этом имеют в виду частоту мутаций в оплодотворенных яйцеклетках. Вопрос о частотах мутаций в соматических клетках обсуждается в разд. 5 1.6.

Для сравнения количества de novo мутаций для каждого из случаев проводили параллельное секвенирование экзомов испытуемого и его родителей (трио). Особенно много (по отношению к контрольной группе) у больных ВПС несинонимичных замен было обнаружено в генах, вовлеченных в метилирование, деметилирование и распознавание метилирования лизина 4 гистона 3, а также отвечающих за убиквитинилирование H2BK120, которое необходимо доя метилирования H3K4. Особенность этих генов состоит в том, что каждая из мутаций в них ведет к нарушению экспрессии сразу нескольких генов, играющих важную роль в развитии организма.

Интересным представляется то, что по результатам аналогичного исследования, проведенного на больных аутизмом, гены, участвующие в распознавании метилирования H3K4 (СHD7, CHD8 и другие), также попали в список кандидатов. В работе перечисляются мутации, общие для обоих заболеваний (аутизма и ВПС), и никогда ранее не обнаруженные в норме. Авторы предполагают, что по подобному механизму могут развиваться и другие наследственные заболевания.

Источник
Nature. 2013 May 12. De novo mutations in histone-modifying genes in congenital heart disease. Zaidi S, Choi M, Wakimoto H, Ma L, Jiang J, Overton JD, Romano-Adesman A, Bjornson RD, Breitbart RE, Brown KK, Carriero NJ, Cheung YH, Deanfield J, Depalma S, Fakhro KA, Glessner J, Hakonarson H, Italia MJ, Kaltman JR, Kaski J, Kim R, Kline JK, Lee T, Leipzig J, Lopez A, Mane SM, Mitchell LE, Newburger JW, Parfenov M, Pe"er I, Porter G, Roberts AE, Sachidanandam R, Sanders SJ, Seiden HS, State MW, Subramanian S, Tikhonova IR, Wang W, Warburton D, White PS, Williams IA, Zhao H, Seidman JG, Brueckner M, Chung WK, Gelb BD, Goldmuntz E, Seidman CE, Lifton RP.

Подпись к рисунку
De novo мутации в метаболических путях H3K4 и H3K27. На рисунке перечислены гены, мутации в которых вляют на метилирование, деметилирование и узнавание гистоновых модификаций. Гены, несущие мутации типа сдвига рамки считывания и в сайтах сплайсинга, отмечены красным; гены, несущие несинонимичные замены, показаны синим. Обозначение SMAD (2) означает, что данная мутация была обнаружена сразу у двух пациентов. Гены, продукты которых работают в комплексе, обведены в прямоугольник.