Благодаря значительному объему (3,2 млрд п.н.) человеческого генома и сниженному в силу социальности людей давлению естественного отбора, утратившего относительно популяций людей функцию видообразования, в гено(аллело)фонде человечества за тысячелетия его существования вследствие постоянно происходящего мутационного процесса накоплено большое количество разнообразных (мутантных) аллелей многих генов. Это стало причиной формирования у людей разных вариантов фенотипических признаков и свойств на структурном, функциональном, биохимическом (метаболическом) и поведенческом уровне. Действительно, основу индивидуальных различий по многим белкам составляют изменения соответствующих генов. Анализ аминокислотного состава вариантов белков человеческого организма, интенсивности их синтеза и функциональной активности дает ценные сведения об организации и экспрессии (реализации биоинформации) генетического материала людей.
Наглядным примером действия универсальных молекулярно-генетических и клеточных механизмов наследственности и изменчивости у человека может служить гемоглобин - специфический белок эритроцитов, играющий ключевую роль в транспорте О2 и легко выделяемый для проведения исследований. Масштабы изменчивости гемоглобина поражают. На настоящее время известно около 400 вариантов белка. Одни из этих вариантов закономерно образуются в организме на определенных стадиях онтогенеза, являясь необходимой предпосылкой здоровья, тогда как другие связаны с развитием определенных патологических состояний. При этом в ряде случаев известен тот позитивный момент, который «оплачивается» неблагоприятными последствиями сохранения «проблемных» аллелей в гено(аллело)фондах некоторых популяций людей (серповидноклеточная анемия и тропическая малярия, см. здесь же, ниже).
Функционально полноценный гемоглобин представляет собой гетеробелковый комплекс - тетрамер. У взрослого человека он представлен четырьмя полипептидными глобиновымим молекулами (двумя а и двумя в), соединенными с железосодержащим элементом гемом. Оба полипептида существуют в организме в виде нескольких вариантов, образование которых контролируют разные, но близкие нуклеотидные последовательности ДНК. Так, полипептиды а- (141 аминокислотный остаток) и β- (146 аминокислотных остатков) глобинов различаются по десяти аминокислотным остаткам. Гены, контролирующие синтез обоих полипептидов, характеризуются кластерной организацией. Кластер а-глобиновых генов располагается на коротком плече хромосомы 16, а β-глобиновых - на коротком плече хромосомы 11. Два варианта полипептида β фетального гемоглобина (гемоглобин плода, HbF) yG и уА различаются одним аминокислотным остатком - в 136-м положении находится либо глицин, либо аланин. Различные члены кластеров а- и β-генов за исключением так называемых псевдогенов (нуклеотидные последовательности, которые вследствие накопления в них точечных мутаций, не подхваченных естественным отбором, утратили биоинформационную функцию и не экспрессируются; псевдогены имеются в обоих кластерах), будучи необходимыми для нормального онтогенеза и жизнедеятельности, транскрибируются и транслируются в клетках различного типа, находящихся в разных органах (стенка желточного мешка, печень, красный костный мозг), в разные периоды индивидуального развития, образуя гемоглобины эмбриона, плода и родившегося человека (см. также п. 4.3.3.2).
Из многочисленных мутаций генов глобинов большинство редки (обычно не более 1% мутантных аллелей в аллелофонде популяции) и лишь немногие из них встречаются, особенно в некоторых человеческих популяциях, относительно часто, например HbS (Средиземноморье и жаркий влажный пояс Африки, доля гетерозигот HbA/HbS - 10-30%), HbC (Западная Африка, порядка 10% гетерозигот HbA/HbC), HbD (северо-запад полуострова Индостан, до 5% гетерозигот HbA/HbD), HbE (Таиланд, не менее 10% гетерозигот HbA/HbE). Большая часть вариантов гемоглобина различается единичными аминокислотными заменами, причиной которых являются генные мутации, связанные с заменой нуклеотидов (изменением азотистых оснований) в нуклеотидных последовательностях членов а- или β-глобиновых генных семейств.
Замены аминокислот, нарушающие спиральную структуру полипептидов, нередко фенотипически проявляются в неустойчивости гемоглобина-тетрамера. Замена аминокислот в участках, которыми а- и β-полипептиды контактируют друг с другом, влияют на сродство гемоглобина к кислороду. Нарушения функций гемоглобина, обусловленные отмеченными изменениями структуры а- и β-глобиновых генов, ведут к заболеваниям, которые принято делить на четыре группы.
• Гемолитические анемии. Проявляются в распаде эритроцитов в связи с неустойчивостью гемоглобина. Известно порядка 100 вариантов нестабильных гемоглобинов с мутациями в гене β-глобина.
• Метгемоглобинемии. Обусловлены ускоренным окислением двухвалентного железа до трехвалентного с образованием метгемоглобина (гемоглобина М). Известны пять точечных мутаций генов а- и β-глобинов, фенотипически проявляющиеся в развитии указанного патологического состояния.
• Эритроцитоз. Заключается в образовании большего, чем обычно, количества эритроцитов, что обусловлено повышенным сродством гемоглобина к кислороду, который с трудом высвобождается в тканях. Известно порядка тридцати таких мутаций.
• Серповидноклеточная анемия. К указанному патологическому состоянию чаще всего ведет замена в эритроцитах HbA на HbS. В условиях гипоксии HbS склонен к кристаллизации, что приводит к изменению формы эритроцитов на серповидную, а фенотипически проявляется многообразием симптомов (см. рис. 4.3), важнейшее место среди которых занимает анемия.
Заболевания крови первых трех групп наследуются по доминантному типу, в связи с чем отклонения в здоровье наблюдаются не только у гомозигот, но и у гетерозигот по мутантному аллелю. В обычных условиях наследование серповидноклеточной анемии происходит по рецессивному типу. В условиях выраженной гипоксии, например, при нахождении человека на высоте свыше 3000 м над уровнем моря анемия развивается у гетерозигот HbA/HbS (кодоминирование). Накопление в гено(аллело) фондах некоторых популяций людей аллелей серповидноклеточности эритроцитов - HbS, HbC, HbD, HbE (см. здесь же, выше) связано с тем, что гетерозиготы по названным аллелям обеспечивают выживание соответствующих популяций в регионах Земли, где распространены возбудители тропической малярии и ряда других тяжелых паразитарных болезней.
Описанные выше мутантные формы гемоглобина, как уже отмечалось, возникают вследствие изменений структуры генов по типу замены азотистых оснований (нуклеотидов). Мутации иного характера приводят к появлению аллелей глобинов, обусловливающих другие виды патологии красной крови. В частности, нарушение процесса рекомбинации между аллельными генами в виде неравного кроссинговера дает изменение числа нуклеотидов в них, что приводит к сдвигу «рамки считывания». Нередким результатом таких мутаций бывает подавление образования соответствующего полипептида гемоглобина, приводящее к развитию патологических состояний, известных как талассемии. Так, делеция одного нуклеотида в 139-м триплете гена а- глобина (всего 141 триплет) вызывает сдвиг «рамки считывания» и, как следствие, «прочтение» 142-го кодона и далее, в результате чего мутантный а-полипептид становится длиннее на 5 аминокислотных остатков. Присутствие таких а-полипептидов характеризует один из редких вариантов - гемоглобин Vayne. Если делеция случается ближе к 5'-концу генов а-, β- или у- глобинов, синтез соответствующего полипептида может блокироваться, вследствие чего развиваются различные клинические формы а-, β- и у-талассемии.
Некоторые мутантные варианты гемоглобинов образуются вследствие дупликаций определенных участков глобиновых генов. Гемоглобин Grandy, например, отличается дупликацией аминокислотных остатков, занимающих в а-глобине 116-118 положение. β-Глобин мутантного гемоглобина Cranston имеет длину не 146, а 158 аминокислотных остатков, что является результатом дупликации нуклеотидной последовательности АГ после 144-го триплета, сдвига «рамки считывания» и, как следствие, «прочтения» кодона-терминатора.
Различные по своему конкретному выражению (нуклеотидные замены, делеции, дупликации) изменения структуры глобиновых генов приводят к аминокислотным заменам в соответствующих полипептидах, к укорочению или удлинению последних или же к прекращению их синтеза. Они могут быть причиной развития заболеваний, объединяемых в семейство гемоглобинопатии.
Из сказанного по поводу гемоглобина следует, что образование тетрагетеробелкового комплекса, определяющего выполнение эритроцитами их главной функции, находится под генетическим контролем. При этом формирование тетрамера требует скоординированной экспрессии двух неаллельных генов - а- и β-глобиновых. Генетический контроль распространяется также на небелковый элемент гемоглобина - гем, представляющий собой комплекс порфиринового кольца и двухвалентного железа. В первую очередь речь здесь идет о генах, контролирующих синтез гема, в частности, в эритроцитах. Мутации этих генов (локусы 10q25.2-q26.3, 18q21.3) фенотипически проявляются в различных клинических формах эритропоэтической порфирии (симптомы - фотосенсибилизация, светочувствительный дерматит, желтуха, гепато-спленомегалия, покраснение зубов, полиневропатии, задержка физического и психического развития).
Среди генных наследственных болезней человека ферменто(энзимо) патиям, развивающимся вследствие мутаций генов, контролирующих образование белков-ферментов, принадлежит заметное место. Так, нарушение структуры соответствующего гена приводит к функциональной недостаточности организма по ферменту фенилаланингидроксилазы (см. также п. 5.2.2.8). В такой ситуации аминокислота фенилаланин не превращается в аминокислоту тирозин (рис. 5.1) и накапливается в крови (до 0,5-0,6 г/л вместо обычных 0,03-0,04 г/л). Избыток фенилаланина и некоторых продуктов его обмена оказывает токсическое действие на мозг ребенка, что приводит к задержке умственного развития. Одновременно нарушается образование пигмента меланина (слабая пигментация радужной оболочки глаз, волос). Повышенная концентрация фенилаланина, подавляя активность некоторых ферментных систем организма, может привести к развитию судорожного синдрома.
Рис. 5.1. Сокращенная схема обмена аминокислоты фенилаланина: А - фермент фенилаланингидроксилаза, наследственный дефект которого приводит к развитию фенилкетонурии
Описанный симптомокомплекс характеризует наследственное заболевание фенилкетонурию.
Генотипические изменения (мутации генов, контролирующих распад определенных веществ) составляют важное патогенетическое звено некоторых болезней накопления, например лизосомных (различные формы мукополисахаридозов - синдром Гурлера, синдром Хантера; сфинголипидозов - болезнь Нимана-Пика, болезнь Тея-Сакса).
Наследственные дефекты в виде генных мутаций - причина многих болезней обмена веществ , В зависимости от специфических фено-типических проявлений выделяют болезни углеводного (галактоземия , непереносимость фруктозы , дисахаридов), жирового (семейная гиперхолистеринемия, болезнь острова Танжер) метаболизма, обмена транспортных белков (цистинурия, цистиноз), аминокислот (фенилкетонурия, см. здесь же, выше) и органических кислот (метилма-лоновая ацидемия, пропионовая ацидемия), пуринов и пиримидинов (болезнь Леша-Найана, недостаточность пуриннуклеозидфосфорилазы, наследственная оротовая ацидурия), металлов (меди - болезнь Вильсона-Коновалова, цинка - наследственный энтеропатический акродерматит ).