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-гене-тических 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 (серповид-ноклеточная анемия и тропическая малярия, см. здесь же, ниже).
Функционально полноценный гемоглобин представляет собой гете-робелковый комплекс — тетрамер. У взрослого человека он представлен четырьмя полипептидными глобиновымим молекулами (двумя α и двумя β), 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 α- (141 аминокислотный остаток) и β- (146 аминокислотных остатков) глобинов различаются по десяти аминокислотным остаткам. Гены, контролирующие синтез обоих полипептидов, характеризуются кластерной организацией. Кластер α-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 γΑ различаются одним аминокислотным остатком — в 136-м положении находится либо глицин, либо аланин. Различные члены кластеров α- 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 замена-
ми, причиной которых являются генные мутации, связанные с заменой нуклеотидов (изменением азотистых оснований) в нуклеотидных последовательностях членов α- или β-глобиновых генных семейств.
Замены аминокислот, нарушающие спиральную структуру полипептидов, нередко фенотипически проявляются в неустойчивости гемо-глобина-тетрамера. Замена аминокислот в участках, которыми α- и β-полипептиды контактируют друг с другом, влияют на сродство гемоглобина к кислороду. Нарушения функций гемоглобина, обусловленные отмеченными изменениями структуры α- 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 метгемогло-бина (гемоглобина М). Известны пять точечных мутаций генов α- 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 фенотипиче-ски 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 воз-
будители 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 α-глобина (всего 141 триплет) вызывает сдвиг «рамки считывания» и, как следствие, «прочтение» 142-го кодона и далее, в результате чего мутантный α-полипептид становится длиннее на 5 аминокислотных остатков. Присутствие таких α-полипептидов характеризует один из редких вариантов — гемоглобин Vayne. Если делеция случается ближе к 5′-концу генов α-, β- или γ-глобинов, синтез соответствующего полипептида может блокироваться, вследствие чего развиваются различные клинические формы α-, β- и γ-талассемии.
Некоторые мутантные варианты гемоглобинов образуются вследствие дупликаций определенных участков глобиновых генов. Гемоглобин Grandy, например, отличается дупликацией аминокислотных остатков, занимающих в α-глобине 116-118 положение. β-Глобин му-тантного 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 те-трагетеробелкового комплекса, определяющего выполнение эритроцитами их главной функции, находится под генетическим контролем. При этом формирование тетрамера требует скоординированной экспрессии
двух неаллельных генов — α- 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 (локу-сы 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 фенила-ланина 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 (галактозе-мия , непереносимость фруктозы , дисахаридов), жирового (семейная гиперхолистеринемия, болезнь острова Танжер) метаболизма, обмена транспортных белков (цистинурия, цистиноз), аминокислот (фе-нилкетонурия, см. здесь же, выше) и органических кислот (метилма-лоновая ацидемия, пропионовая ацидемия), пуринов и пиримидинов (болезнь Леша-Найана, недостаточность пуриннуклеозидфосфорила-зы, наследственная оротовая ацидурия), металлов (меди — болезнь Вильсона-Коновалова, цинка — наследственный энтеропатический акродерматит ).