Экогенетические реакции, или болезни, представляют собой патологические состояния, возникающие как результат проявления конкретных аллелей гена или изменения экспрессии при влиянии на организм определенных факторов среды.
В процессе эволюции человека среда его обитания постоянно менялась (климат, пища, жилище, одежда), что способствовало формированию биологической природы современного человека как за счет изменения генотипов (мутаций), так и широкой нормы реакции. Оба этих процесса (мутационный, а также широкий балансированный полиморфизм) приводят к изменению темпов изменчивости как на индивидуальном, так и популяционном уровнях. Под действием отбора в окружающей среде выживают и адаптируются популяции в зависимости от их генотипов, формируя биологически-стабильный вид, для которого характерно постоянное равновесие между изменчивостью генотипов и отбором. Биологическая природа человека формировалась в течение миллионов лет, в результате современный человек достаточно хорошо приспособлен к своей среде обитания.
В то же время для современного периода эволюции характерны стремительный темп и огромный объем изменений окружающей среды. Повысился радиационный уровень, изменились среда обитания (отходы производства, транспорта, масштабная циркуляция вирусов и микроорганизмов), а также объем и характер питания (пищевые добавки, пестициды, генетически модифицированные
Таблица 5.5. Редкие моногенные формы, выделенные из группы мультифакториальных заболеваний
продукты). Человек в процессе эволюции не соприкасался с многими современными экогенетическими факторами, соответственно на действие их не было отбора. Под влиянием экогенетических факторов у современного человека могут появляться патологические реакции — экогенетические болезни.
Предметом экогенетики человека является изучение индивидуальных генотипических особенностей метаболизма химических веществ, реакций на физические факторы, биологические агенты, обусловленные многочисленными вариантами ферментных систем, транспортных белков, антигенов и рецепторов клеток человека. Экогенетика изучает варианты ответов организма разных людей на воздействие факторов окружающей среды, различия в их адаптации.
Экогенетические болезни могут быть обусловлены редкими мутантными аллелями генов или полиморфными системами, определяющими количественные варианты ответа, т.е. могут контролироваться одним геном или несколькими. Соответственно характер распределения данных реакций в потомстве будет соответствовать моноили полигенным моделям наследования. В то же время для проявления патологического ответа необходимо воздействие конкретного средового фактора на данный индивид.
Четко установлена роль полиморфных генных локусов, участвующих как прямо, так и опосредованно в биотрансформации (детоксикации) чужеродных веществ (цитохром Р450, N-ацетилтрансферазы, холинэстеразы, пароксоназы сыворотки, лактазы, глюкоза-6-фос- фатдегидрогеназы, ингибиторов протеаз) в патологических экогенетических реакциях.
Для изучения механизма экогенетических реакций используются как генетические методы (клинико-генеалогический, близнецовый, популяционно-статистический, методы экспериментальной генетики, молекулярно-генетические методы исследования), так и биохимические, токсикологические и фармакологические.
Условно факторы окружающей среды можно разделить на физические, химические и биологические.
Физические факторы
Хорошо известна индивидуальная чувствительность организма человека к теплу, холоду, солнечному свету. Четкие расовые различия установлены в реакции на холодовой фактор. Представители негроидной расы более чувствительны к холоду, чем европеоидной,
возможно, за счет разного уровня теплопродукции и теплоотдачи. Люди с наследственной парамиотией повышенно чувствительны к холоду, сырая, прохладная погода с температурой 10-12 °С вызывает у них тонические спазмы мышц, проходящие под действием тепла.
Имеют место индивидуальные и расовые различия в реакциях на ультрафиолетовые излучения.
Пигментная ксеродерма (1:5-500 тыс.) аутосомно-рецессивного типа наследования является примером высокой чувствительности кожи человека к действию солнечного света. Для клиники заболеваний характерно появление ожогов с последующим их изъязвлением и образованием новообразований под действием солнечного света, развитие катаракты, неврологические нарушения, умственная отсталость. Молекулярно-генетический механизм заключается в мутациях в нескольких генных локусах (не менее 4 типов) Р53, PRb, Р161NК4а, PARF, контролирующих процессы репарации ДНК (экза- и эндонуклиаз, полимеразы, лигазы), что приводит к нарушению процессов репарации ДНК до нормы после повреждения их ультрафиолетовыми лучами. Эти гены клонированы, и возможна преклиническая и дородовая диагностика.
Наследственно детерминированные различия в репарирующих системах могут иметь существенное значение также в проявлениях чувствительности к ионизирующим излучениям.
Химические факторы
Огромное количество новых химических веществ появилось в продуктах и отходах производства, транспорта, в виде лекарственных средств, пищевых добавок и др. В последнее столетие человечество столкнулось с глобальной проблемой загрязнения атмосферы газообразными отходами огромного числа промышленных производств, выхлопными газами транспорта. Образующиеся пылевые частицы, содержащие множество химических соединений, попадают в организм как через легкие, так и слизистые оболочки, кожу и представляют угрозу для здоровья человека, особенно если он занят на соответствующем производстве.
Установлено значение генетической конституции организма человека в развитии экогенетических реакций на загрязнение атмосферы. Примером может служить недостаточность фермента α-антитрипсина. Фермент α-антитрипсин является мощным антипротеиназным ферментом, участвующим в дезактивации эластаз, выделяемых мак-
рофагами и полиморфноядерными лейкоцитами. Наследственный дефицит этого фермента приводит к разрушению межальвеолярных перегородок легких и вследствие этого происходит слияние альвеол в более крупные полости, т.е. к развитию панацинорной энфиземы и хроническому поражению печени. Синтез этого фермента кодируется геном расположенным в 14-й хромосоме. Отмечается значительный популяционный полиморфизм этого белка (около 70 аллелей), а также вариабельность. Наиболее распространенным вариантом является аллель М (80\%). Неактивность белка связана с аллелем Z (рецессивный вариант). Фермент, синтезируемый в этом случае, отличается от ММ типа заменой глутаминовой кислоты на лизин в 342-й позиции, что приводит к изменению конформации молекулы белка. В результате этого ZZ форма не может экскретировать фермент печеночными клетками и накапливать в виде эозинофильных включений. Гомозиготы (генотип ZZ — частота 0,05\% у европейцев) склонны к развитию хронических заболеваний легких, в том числе энфиземы. Эмфизема легких у этих лиц развивается после 30-40 лет чаще и для нее характерно злокачественное течение. Запыленность воздуха и курение значительно увеличивают риск развития заболевания у этих лиц (в 30 раз). Методы определения недостаточности α-антитрипсина в настоящее время разработаны и должны применяться при профессиональных отборах на соответствующих производствах.
Примеры индивидуальной непереносимости того или иного продукта известны давно, например непереносимость молока, конских бобов, некоторых злаков. Непереносимость лактозы (молока) — галактоземия проявляется в дискомфорте желудочно-кишечного тракта, диарее. Отсутствие выработки фермента лактазы в кишечнике у гомозигот приводит к не расщеплению лактозы, что является субстратом для размножения гнилостной микрофлоры в кишечнике. Мутантные формы гена лактазы встречаются с разной частотой: среди европейцев частота гомозигот составляет 5-10\%, восточных народов, афроамериканцев, американских индейцев — 70-100\%.
Примером непереносимости пищевых продуктов является целиакия, обусловленная непереносимостью глютена, белка злаков (пшеницы, ржи, ячменя), характеризующаяся развитием атрофии слизистой оболочки тонкой кишки и связанного с ней симптома мальабсорбции. В типичном случае целиакия манифистирует через 1,5-2 мес после введения злаковых продуктов в питание ребенка (в
8-12 мес) с последующим замедлением темпов прибавки веса ребенка, снижением аппетита, эмоциональной лабильностью. В начале заболевания глютен связывается со специфическими рецепторами эпителиоцитов, детерминированными генами HLA, в ответ на действие глютена происходит атрофия ворсинок тонкой кишки, также в процесс активно вовлекается лимфоидная ткань кишки. Предполагается аутосомно-рецессивный тип наследования, в предрасположенности к целиакии участвуют два генных локуса (6р гены GSE,CD). Распространенность предрасположенности к целиакии колеблется в широких пределах 1:500 до 1:2700 (4,6:1000 — Италия до 3,7:1000 — Швеция, 1:476 — Австрия, 1:555 — Ирландия). Крайне редко заболевание встречается в Японии, Китае, Африке. Без продуктов, содержащих глютен, эти дети развиваются нормально, т.е. наиважнейший компонент лечения — пожизненная строгая безглютеновая диета.
Недостаточность фермента глюкозо-6-фосфат — дегидрогеназы (Х-сцепленный рецессивный признак) вызывает гемолиз крови у людей, употребляющих в пищу конские бобы. При постоянном приеме этого продукта вслед за гемолизом следует хроническое поражение почек. Подобную реакцию могут вызывать также и некоторые лекарственные вещества (примахин, сульфаниламидные препараты), промышленные окислители.
Известно около 200 вариантов глюкозо-6-фосфат — дегидрогеназы, лишь некоторые из них вызывают гемолиз эритроцитов. Синтез аномальной молекулы фермента обусловлен структурными мутациями гена. Клинически различают пять форм недостаточности фермента в зависимости от его активности. К первой форме относят недостаточность фермента, который вызывает хроническую несфероцитарную гемолитическую анемию с последующим развитием спленомегалии. Во 2-4-й форме гемолитическая анемия развивается прежде всего при употреблении конских бобов. При недостаточности глюкозо-6-фосфат — дегидрогеназы в эритроцитах нарушается основная функция фермента, поддержание стабильности мембран эритроцитов от повреждающего действия кислорода, устойчивость к воздействию потенциальных окислителей.
Имеются сообщения о различии в чувствительности человека к солям тяжелых металлов (свинец, ртуть, кадмий и др.). У человека существует жесткий генетический контроль метаболизма поступающих в организм химических соединений.
Понятие о экогенетике человека, а также ее основы начали формироваться в средине 50-х годов двадцатого столетия, когда впервые обратили внимание на генетически детерминированные патологические реакции на лекарственные вещества, связанные с недостаточностью ферментов. А. Мотульски (1957) впервые предложил термин «фармакогенетика» для обозначения раздела генетики, изучающего генетический контроль метаболизма лекарств, а также наследственные болезни, возникающие или усиливающиеся при приеме определенных лекарственных веществ (Фогель Ф., 1959).
Биологические факторы
Генетическую природу иммунной системы организма, предназначенной для защиты организма от внешнего (инфекционные болезни) и внутреннего (онкологическое перерождение клетки) повреждающего действия, изучает иммуногенетика.
Иммунная система человека представляет комплекс специализированных лимфоидных органов и диссеминированных клеток. Эти структуры, возникшие в процессе эволюции человека как биологического вида, сформировали механизмы их ответных реакций, обеспечивающих распознавание чужеродных и собственных измененных антигенов (макромолекулы), удаление их из клеток, содержащих их, обеспечивая запоминание контакта с этими антигенами.
Генетическая природа иммунитета и разная степень его выраженности у индивидов является общебиологической закономерностью, обусловленной генетическим полиморфизмом реакций на действие внешних биологических факторов (вирусы, бактерии, грибки) и внутренних (онкологически перерожденные клетки).
Классическим примером генетически детерминированной устойчивости к биологическим агентам служат гемоглобинопатии (серповодноклеточная анемия, талассемии) и энзимопатии (недостаточность глюкозо-6-фосфат — дегидрогеназы). Именно устойчивость лиц с дефектом глюкозо-6-фосфат — дегидрогеназы и гемоглобинопатиями к малярийному плазмодию позволило широкому распространению соответствующих мутаций в ареалах с высокой заболеваемостью малярией (Средиземноморье, Африка).
Распространенные иммунодефицитные состояния могут быть результатом нарушения функций клеточного и гуморального иммунитетов. Они предрасполагают к соответствующим бактериальным, вирусным, грибковым типам инфекций. Хорошо известны факты
различной чувствительности людей при введении одних и тех же доз вакцин: от отсутствия реакции на иммунизацию до клинического проявления инфекции.
В широком понимании все болезни мультифакториальной природы можно рассматривать как экогенетические болезни, так как для их развития необходимо взаимодействие генов предрасположенности и средовых факторов риска. Экогенетические реакции, как и мультифакториальные болезни, являются ответом организма с определенной генетической конституцией на воздействие средовых факторов.
Таким образом, экогенетика является научной основой для обеспечения адаптивной среды для каждого человека: подбор индивидуального рациона и климата, исключение отравления лекарствами, профессиональный отбор, что исключит преждевременную смерть, инвалидизацию, дополнительную госпитализацию человека, а также сохранит его биологическое и социальное здоровье.