Болезни генома (генетической нестабильности) представлены во всех областях молекулярной медицины. Еще со времен классической генетики наиболее известными из них считаются болезни репарации
ДНК.
В России в 80-90-е годы XX в. болезни репарации ДНК изучались под названием болезней генетической (хромосомной) нестабильности, что соответствовало их ведущему признаку — повышенной ломкости хромосом.
В настоящее время спектр этих болезней значительно расширен. Наряду с классическими болезнями репарации ДНК, такими, как атаксия-телеангиэктазия (АТ), анемия Фанкони (АФ), пигментная ксеродерма (ПК), прогерия Хатчинсона-Гилфорда (ПРХГ), синдром Блума (СБ), к этому классу принадлежат следующие группы заболеваний:
• аутоиммунные заболевания: системная красная волчанка, склеродермия, ревматоидные артриты и др.;
• наследственные ферментопатии: Кнаппа-Комровера, Леша- Найана, Пендреда и др.;
• хромосомные синдромы: Дауна, Клайнфельтера, Патау, Шерешевского-Тернера и Эдвардса; ретинобластома, обусловленная делецией хромосомы 13 (13q14);
• моногенные болезни: атаксия Фридрейха, болезнь Дарье-Уайта, синдромы Гарднера, базально-клеточного невуса, Марфана, Ротмунда-Томсона, Корнелии де Ланге, тестикулярная феминизация, фотодерматоз и др.;
• полигенные болезни: псориаз, системный склероз и др. Генетическая нестабильность проявляется также у практически
здоровых носителей сбалансированных перестроек хромосом, например, при транслокации робертсоновского типа между хромосомами
14 и 21.
Общими клиническими проявлениями болезней генома служат: выраженные неврологические проявления, снижение продолжительности жизни, симптомы преждевременного старения, повышенная частота развития злокачественных опухолей.
В первую очередь рассмотрим примеры классических болезней генома, или болезней репарации ДНК.
Моногенные болезни, связанные с повышенной фоточувствительностью и нарушением эксцизионной репарации ДНК
Наиболее известным заболеванием этого класса является ПК. Ее частота в популяции составляет 1:40-250 тыс. человек. ПК — это первая болезнь репарации ДНК, описанная у человека. Она гетерогенна: имеет 7 групп комплементации — А, В, С, D, E, F и G. В частности,
группа A широко распространена в Японии, где она составляет примерно 20\% от всех больных ПК, и ее связывают с дефектом в системе пострепликативной репарации (ХРта1). Группы комплементации B и C распространены в странах Европы, а группы D, E, F и G — в других странах мира.
Ген ПК группы А локализован в локусе 9q34.1. Его продуктом служит ДНК-связывающий белок, имеющий два мотива типа «цинковые пальцы» (см. главу 8).
Ген ПК группы В картирован в локусе 2q21, его белковым продуктом служит геликаза, входящая в состав TFIIH-фактора транскрипции (см. выше).
Ген ПК группы С картирован на хромосоме 3, он кодирует белок р125. Функция этого белка окончательно не определена, хотя известно, что совместно с белком р58 он участвует в восстановлении репарационной активности.
Ген ПК группы D картирован в локусе 19q13.2-q13.3, его белковый продукт (подобно продукту гена ПК группы В) характеризуется геликазной активностью. Полагают, что оба генных продукта — это две субъединицы одного TFIIH-фактора.
Ген ПК группы F картирован в локусе 16р13.13, он продуцирует эндонуклеазу, надрезающую ДНК с 5′-стороны.
Ген ПК группы G картирован в локусе 13q33 и также продуцирует эндонуклеазу, но надрезающую ДНК уже с противоположной 3 ‘-стороны.
Основными симптомами этой болезни являются: высокая чувствительность к действию УФО, пигментация, сухость, изъязвление и рубцы кожи. У больных развивается рак кожи и слизистых оболочек (меланомы, карциномы).
В каждом втором-третьем случае выражена неврологическая симпоматика (связана с ранней апоптотической гибелью нейронов).
В последние годы установлено, что 3 из 7 групп комплементации ПК (группы В, D и G) могут проявляться как генокопии другой болезни репарации ДНК — синдрома Коккейна (СК), обусловленного дефектами эндонуклеаз системы эксцизионной репарации.
В подобных случаях у больных ПК можно выделить общие с СК клинические признаки, включая повышенную чувствительность к УФО. Поэтому и диагнозы у таких больных обозначаются как ПКВ/ СК, ПKD/СК, ПKG/СК.
Вместе с тем, СК — это второе заболевание (после ПК), описанное как болезнь эксцизионной репарации. Данный синдром проявляется карликовостью (при нормальном уровне гормона роста), кальцификацией костей черепа, атрофией зрительных нервов, глухотой и ускоренным старением. При этом синдроме выявлены две группы комплементации: А и В. Ген СК группы А локализован в локусе 5р12-р14, он кодирует белок, входящий в состав транскрипционного комплекса TFIIH (cм. выше). Ген СК группы В локализован в локусе 10q11.2, он кодирует белок, имеющий общие последовательности нуклеотидов с фактором, контролирующим транскрипцию и репарацию у E. coli, а у человека он, по-видимому, привлекает белки эксцизионной репарации в район остановившейся транскрипции.
Третья болезнь репарации ДНК — это трихотнодистрофия (ТХД). При этом заболевании гиперчувствительность к УФО проявляется примерно у половины больных.
Болезнь сопровождается повышенной ломкостью волос, что связано с уменьшением концентрации в них серосодержащих белков, имеющих дефицит цистеина.
К основному симптомокомплексу относятся: аномалии развития зубов и кожи, ихтиоз, задержка полового развития, физическая и умственная отсталость, предрасположенность к раку кожи.
В ряде случаев установлено соответствие дефекта репарации ДНК при ТХД дефектам репарации, отмеченным при всех группах комплементации ПК, кроме группы В.
Особенно часто такое соответствие характерно для гена ПК группы D. В связи этим было предположено, что ген ПК D полифункционален и его белковый продукт принимает участие в эксцизионной репарации и транскрипции, зависимой от РНК-полимеразы П. Кроме того, в клетках больных с ТХД производятся не две, а четыре субъединицы фактора транскрипции TFIIH.
Четвертое заболевание, связанное с повышенной фоточувствительностью и нарушенной репарацией ДНК, — это синдром Блума (СБ).
Ген СБ, или ген BLM (Bloom-мутация), картирован в локусе 15q26 рядом с протонкогеном fes. Предполагается, что этот ген имеет ДНК-зависимую АТРазную и ДНК-зависимую геликазную активность, причем с первой связано поддержание стабильности хромосом в соматических клетках, а вторая играет ключевую роль в репарации ДНК.
Симптоматика СБ: пропорциональная пре- и постнатальная задержка роста, гиперили гипопигментация кожи, краснота на
лице в виде «бабочки», предрасположенность к опухолям, высокий уровень спонтанных хромосомных аберраций и СХО.
Моногенные болезни, связанные с двухнитевыми разрывами ДНК при полном отсутствии эксцизионной репарации
Единственный пример заболевания, связанного с двухнитевыми разрывами ДНК при полном отсутствии механизмов эксцизионной репарации, — АТ, или синдром Луи-Бар. Болезнь встречается с частотой 1:40-100 тыс. человек, характеризуется мозжечковой атаксией, телеангиэктазиями, иммунодефицитом, высокой ломкостью хромосом и предрасположенностью к злокачественным опухолям (см. главу 5).
В последние три десятилетия был изучен ряд генетических особенностей этого заболевания. Оказалось, что хромосомы больных с АТ имеют укороченные почти в 3 раза теломеры, они (хромосомы) высоко чувствительны к действию ионизирующей радиации и химических радиомиметиков, что проявляется в увеличении выхода хромосомных нарушений (двухнитевых разрывов) и снижении выживаемости соматических клеток, для которых характерна радиорезистентность синтеза ДНК, что проявляется в отсутствии синтеза белка р53, в норме отвечающего за задержку (остановку) митотического цикла на стадиях G1-S и G2-M, необходимую для репарации повреждений ДНК. Иными словами, клетки больных с АТ «просто не имеют времени» для восстановления нормальной структуры ДНК с помощью механизмов эксцизионной репарации. Поэтому для ликвидации двухнитевых разрывов ДНК в таких клетках используются механизмы пострепликативной репарации.
Моногенные болезни с нарушением эксцизионной репарации вне связи с фоточувствительностью и двухнитевыми разрывами ДНК
К болезням с нарушением эксцизионной репарации вне связи с фоточувствительностью и двухнитевыми разрывами ДНК относятся: анемия Фанкони (АФ) и прогероидные синдромы Хатчинсона- Гилфорда и Вернера.
Анемия Фанкони
АФ — это семейная гипоили апластическая анемия с врожденной недостаточностью гемопоэтического ростка костного мозга, нарушениями пигментации кожи, телеангиэктазиями, БАР и МАР
(см. главу 23), предрасположенностью к миелоидной лейкемии и другой симптоматикой.
Постоянным признаком заболевания служит спонтанная хромосомная нестабильность, выявляемая в клетках костного мозга, кожи и лимфоцитов.
АФ — это гетерогенная болезнь, имеющая 8 групп комплементации (А, В, С, D, E, F , G и H), в том числе для групп А и С гены картированы в локусе 9q22.3, однако их белковые продукты недостаточно изучены. Следует отметить противоречивость данных, относящихся к отсутствию у больных с АФ повышенной фоточувствительности ДНК, хотя такие данные ранее были получены (Higurashi M., Cohen P.E., 1975).
Прогерия Хатчинсона-Гилфорда
ПРХГ — это редко встречающееся заболевание (частота 1:1 млн человек). Продолжительность жизни больных обычно не превышает 15 лет. Ген болезни не локализован.
Основная симптоматика: низкий рост, «птичий профиль» лица, преобладание мозговой части черепа над лицевой, венозная сеть на коже головы и лба, сухая источенная кожа, отсутствие бровей и ресниц, часто тотальная алопеция, дефекты количества и формы зубов, полное отсутствие подкожно-жировой клетчатки, задержка физического, психомоторного и умственного развития; в моче — высокое содержание гиалуроновой кислоты. Больные, как правило, бесплодны.
Причины ранней смерти: инфаркт миокарда с генерализованным атеросклерозом и фиброзом, жировое перерождение тканей мозга и паренхиматозных органов.
В клетках больных ПРХГ установлены дефекты репарации сшивок ДНК-белок, индуцированных химическими соединениями; резко сниженное число Хейфлика и его взаимосвязь с врожденным укорочением теломер.
По аналогии с СК (см. выше) для детской прогерии (ХГ) предполагается аутосомно-рецессивный тип наследования, хотя возможна вновь возникшая аутосомно-доминантная мутация, обусловливающая укорочение теломер.
Синдром Вернера
Синдром Вернера (СВ) или прогерия взрослых, характеризуется преждевременным старением, проявляющимся только после периода половой зрелости организма. Больные рано седеют и лысеют (до 20 лет).
Ген болезни (ген WRN) локализован в локусе 8р12-р21, продуцирует фермент геликазу, но не входит в состав основного транскрипционного комплекса TFIIN. Именно эта особенность отличает СВ от ПК групп В и D и СК группы B, при которых активность геликазы имеет прямое отношение к репарации, связанной с транскрипцией.
Основная симптоматика: «стареющая кожа» (гиперпигментация, гиперкератоз, морщинистость, сухость, телеангиэктазии), глухой голос, изменения внутренних органов, характерные для стареющего организма (атеросклероз сердца и сосудов, катаракта, остеопороз, сахарный диабет; доброкачественные или злокачественные опухоли), в моче — высокое содержание гиалуроновой кислоты. Число Хейфлика резко ограничено не только по количеству делений, но и по продолжительности клеточного цикла (в 3-5 раз ниже нормы). В отличие от ситуации при ПРХГ, при СВ хромосомы больных не имеют укороченных теломер.
Онкологические заболевания, связанные с нарушением репарации
После описания ретинобластомы, обусловленной делецией хромосомы 13 (13q14; см. главы 17 и 25), начались интенсивные исследования роли генных мутаций при наследственно обусловленных формах рака. Было показано, что при многих формах рака генные мутации ведут к нарушению репарации неправильно спаренных оснований, возникающих как ошибки репликации (вследствие небольших делеций или инсерций). Такие мутации аналогичны мутации в гене mutS у E. coli, приводящей к нарушениям репарации неправильно спаренных оснований.
У человека мутация в одной из копий гена MSN2 обусловливает (с высокой вероятностью) развитие семейного неполипозного рака толстого кишечника (HNPCC) и рака эндометрия. Установлено также, что при этих заболеваниях в опухолевых клетках отсутствует вторая копия гена и отмечается крайне высокая частота микросателлитных повторов (в 100 раз выше нормы). Кроме того, у человека выявлены формы рака грудной железы, связанные с генами BRC1 и BRC2, формы болезни Альцгеймера, связанные с четырьмя генами (PS1-PS4) и геном прионного белка, а также другие примеры генокопирования ряда моногенных и полигенных заболеваний, ассоциированных с опухолями (см. главы 17 и 25).