Генетическая гетерогенность – устойчивое изменение генетического состава популяции, возникающее в результате естественного отбора -направляющего фактора эволюции. Генетическая гетерогенность связана с возникновением мутаций и комбинированием наследственных факторов родителей при скрещивании. Наследственная гетерогенность является характерным свойством популяции и первой важнейшей предпосылкой действия естественного отбора.
Методом электрофореза исследовано у 126 рачков Euphausia superba 36 локусов кодирующих некоторые ферменты. Выявлено: - отсутствие изменчивости = у 15 локусов - 3 -4 аллеля – у 21 локуса. В целом 58% локусов – гетерозиготны и имели по 2 аллеля и более. Каждая особь имела приблизительно 5, 8% гетерозиготных локусов. Средний уровень гетерозиготности. Растения – 17% Беспозвоночные – 13, 4% Позвоночные – 6, 6% Человек – 6, 7%
Наследственный полиморфизм – это наличие в популяции нескольких равновесно сосуществующих генотипов в концентрации, превышающей по наиболее редкой форме 1%. Его основа - генные мутации и комбинативная изменчивость. Он поддерживается естественным отбором.
По эволюционной значимости различают: - адаптационный или переходный наследственный полиморфизм. В различных закономерно изменяющихся условиях жизни отбор благоприятствует разным генотипам. Например, Двухточечные божьи коровки хорошо размножаются в виде черных форм, которые в вбольшинстве уходят на зимовку, однако к весне сохраняются красные формы, холодоусточивые, в отличие от чёрных.
балансированный или гетерозиготный наследственный полиморфизм. Отбираются не гомозиготы по доминантному или рецессивному аллелю, а гетерозиготы. - Например, в опытах с Drosophila Melanogaster получили рецессивных гомозигот с черным телом. Добились повышения их количества в популяции, но через несколько поколений их количество уменьшилось до 10%. Они – менее жизнеспособны, чем «дикие» серые гетерозиготы. -
Биологическое значение генетического полиморфизма 1. Разнообразная в отношении генетического материала популяция может осваивать новые экологические ниши. 2. В генофонде накапливается «резерв наследственной изменчивости» , который может реализоваться в изменяющихся условиях среды.
Генетический полиморфизм человеческих популяций 1. В разных климатических поясах проживают люди с разным цветом кожи, волос, глаз. 2. Известно более 200 вариантов Hb. Высокая частота в некоторых районах планеты аллелей. C, S, D, E – пример балансированного генетического полиморфизма. Hb. C-Западная Африка, Hb. D- Индия, Hb. E-Юго. Восточная Азия, Hb. S-тропическая Африка. 3. > 70 вариантов фермента глюкозо – 6 – фосфат- дегидрогеназы (он участвует в гликолизе С 6 H 12 О 6 в эритроцитах). 4. Не менее 30% генов, контролирующих синтез ферментов, имеют несколько аллелей.
Все многообразие белков, которые отражают разнообразие аллелей в генофонде людей, можно разделить на 2 группы: 1. варианты, частота которых менее 1% повсеместно (причина – генные мутации). Это, например, варианты мутаций гемоглобина, приводящие к так называемым талассемиям. 2. варианты, встречающиеся часто в отдельных популяциях (такие вариатнты показывают зависимость от возбудителей болезней): - Африка – Hbs, Hbc, Hb. E, Hb. D. (очаги малярии гетерозиготы типа Hb. AHbs болеют малярией в 13 раз реже, чем люди с нормальным генотипом – пример балансированного полиморфизма). - Азия – понижение част. встречаемости J° и повышение JB , т. к. J 0 J 0 - let от чумы. Австралия, Полинезия – чумы не было – повышение J 0 J 0.
1. Частота заболеваемости оспой, тяжесть течения и let выше у людей JAJA(II гр) и JAJB(IV гр), чем у J 0 J 0(I гр) и JB JB (III гр). 2. Для людей с группой крови Jo. Jo вероятность заболеть раком желудка, ревматизмом и желчно-каменной болезнью на 20% ниже, чем с группой крови JAJA. 3. Трудно лечится туберкулез у людей с группой J 0 J 0 (I гр), чем с JAJ? (II). 4. У североамериканских индейцев преобладает 1 гр. кр. , т. к. индейцы с др. гр. кр. гибли от сифилиса, который завезли европейцы.
Генетический груз в человеческих популяциях. Это – количество неблагоприятных аллелей в генотипе каждого человека. Оно эквивалентно, действию 3 -5 рецессивных аллелей летальных в гомозиготном состоянии. Имеются следующие статистические данные: - приблизительно 15% зачатых организмов погибает до рождения. - приблизительно 3% при рождении. - приблизительно 2% в раннем постнатальном периоде. - приблизительно 3% не доживают до репродуктивного периода. - 20% людей не вступают в брак. - 10% браков бездетны.
Влияние на эволюцию человека продуктов питания. 1. Наличие в геноме гена лактазы и мутация в его регуляторной части позволили людям питаться молоком. В настоящее время 70% взрослых европейцев усваивают молоко, тогда как в некоторых районах Африки и Азии – только 30%.
Определенный аномальный фенотип может быть обусловлен не одним, а несколькими генотипами. Генетическая гетерогенность - распространенный и важный феномен. В клинике представление о генетической гетерогенности имеет существенное значение для диагностики, лечения и медицинского консультирования. Выяснение механизмов гетерогенности заболевания необходимо и для понимания возможных путей модификации генома человека. Гетерогенность устанавливают с помощью трех подходов - клинического, биохимического и генетического (табл. 305-1).
Клинические признаки. Без биохимических или генетических данных часто невозможно решить, определяются ли небольшие различия клинических проявлений какого-либо метаболического нарушения у разных лиц разными мутациями или одной и той же мутацией, но модифицированной под влиянием других генов и факторов окружающей среды. Однако сведения, полученные с помощью биохимических подходов, могут подкреплять клиническое впечатление о гетерогенности. Например, при ювенильной болезни Гоше начала заболевания следует ожидать в более раннем возрасте, а летального исхода - скорее, чем при взрослой форме болезни, так как в первом случае мутантная глюкоцереброзидаза обладает меньшей каталитической активностью, чем во втором (см. гл. 316). Понятно, что когда активность глюкоцереброзидазы составляет всего 3 % от нормы, содержание глюкоцереброзидов в тканях будет увеличиваться быстрее, чем если активность фермента составляет 15 % от нормы. Сходным образом причина отсутствия помутнения роговицы при болезни Гунтера и ее помутнение при фенотипически сходной болезни Гурлер почти наверняка заключается в различии ферментных нарушений при этих заболеваниях: недостаточность идуронатсульфатазы при болезни Гунтера и недостаточности a-L-идуронидазы при болезни Гурлер.
Таблица 305-1.- Критерии генетической гетерогенности
1. Клинические
Возраст начала
Специфические особенности
2. Биохимические
Компоненты крови, мочи и спинномозговой жидкости
Активность ферментов
Характеристика белков
Гибридизация ДНК-РНК или ДНК-ДНК
3. Генетические
Вероятность комплементации
Способ наследования
Проявления у гетерозигот
Анализ сцепления
Комплементация в смешанной культуре клеток или в гетерокарионах
Биохимические подходы. Чаще всего первым указанием на гетерогенность заболевания служат результаты химических и биохимических исследований. Эти исследования различаются по задачам и сложности: от идентификации отдельных соединений в крови, моче или спинномозговой жидкости до проведения молекулярной гибридизации. Можно привести примеры нарушений, гетерогенность которых показана с помощью каждого из четырех видов биохимических исследований, приведенных в табл. 305-1. Так, синдром кетозной гипергликемии, характеризующийся эпизодическим кетоацидозом, непереносимостью белка и гипергликемией, как свидетельствуют результаты химических анализов крови и мочи, оказался присущим нескольким нарушениям обмена органических кислот: a-метилацетоуксусной ацидемии, пропионовой ацидемии и метилмалоновой ацидемии. У больных из разных семей с врожденной несфероцитарной гемолитической анемией была определена недостаточность различных гликолитических ферментов в эритроцитах. Гетерогенность G M2 -ганглиозидозов оставалась неизвестной до тех пор, пока лизосомные гексозаминидазы не были разделены на изоферменты А и В и не удалось порознь определить их активность у больных с болезнями Тея-Сакса и Сандхоффа. Другой подход связан с непосредственным исследованием генов, а не их продуктов. Результаты экспериментов по молекулярной гибридизации ДНК и РНК доказали существование двух крупных видов b-талассемии: b°, которая характеризуется явным отсутствием мРНК b-глобина, и b + , для которой характерны, хотя и сниженные, но все же определенные уровни b-глобиновой мРНК. По мере увеличения количества доступных зондов к генам человека из все большего и большего числа локусов можно ожидать бурного использования метода гибридизации ДНК-ДНК как способа выявления гетерогенности. Эти методы уже продемонстрировали свою полезность для доказательства гетерогенности a- и b-талассемий, синдрома Леша-Найхана, фенилкетонурии и недостаточности орнитинтранскарбамилазы.
Генетические подходы. Для выявления гетерогенности важны и генетические методы (см. табл. 305-1). Одно из наиболее ранних и убедительных доказательств гетерогенности было получено при обследовании супружеской пары. Оба супруга страдали нервной глухотой, наследуемой по аутосомно-рецессивному типу. Ни один из их детей не страдал глухотой, что определенно свидетельствует о различии и, по-видимому, неаллельности тех мутаций, которые вызывали глухоту у родителей. В ряде случаев о гетерогенности свидетельствовал разный способ наследования фенотипически сходных (или идентичных) нарушений. Например, болезни Гунтера и Гурлер были разделены на том основании, что первая наследовалась как сцепленный с Х-хромосомой признак, а вторая - как аутосомный рецессивный. Подобно этому в настоящее время известны по крайней мере три формы спастической диплегии: одна наследуется как аутосомный доминантный, вторая - как аутосомный рецессивный, а третья - как сцепленный с Х-хромосомой признак. В нескольких случаях гетерогенность была впервые установлена по рецессивному фенотипу у облигатных гетерозигот. Например, о гетерогенности цистинурии свидетельствовал тот факт, что все облигатные гетерозиготы, члены одной семьи, экскретировали увеличенное количество цистина и лизина, тогда как анализ мочи облигатных гетерозигот, членов других семей, не обнаруживал отклонений от нормы. Четвертым генетическим способом обнаружения гетерогенности служит анализ сцепления. Эти исследования позволили разделить наследственный эллиптоцитоз на две формы, одна из которых тесно сцеплена с Rh-локусом группы крови, а другая - не сцеплена. Наконец, гетерогенность устанавливают с помощью комплементационного анализа. Общая стратегия этих исследований проста. Фибробласты двух больных культивируют в одной и той же емкости или объединяют в гетерокарионы. Если аномальный фенотип, свойственный обеим клеточным линиям, сохраняется в культуре, то считается, что у того и другого больного дефект идентичен. Если же в смешанной культуре происходит коррекция, то дефекты в исходных линиях должны быть разными. Этот подход был использован для выявления гетерогенности широкого спектра нарушений, включая мукополисахаридозы, См2-ганглиозидозы, метилмалоновые ацидемии, пропионовые ацидемии, пигмент^ ную ксеродерму и экскрецию увеличенного количества кетокислот с разветвленной цепью. Теоретически положительные результаты комплементационных тестов могли бы обусловливаться любым из двух механизмов: межгенной комплементацией, в которой участвуют два разных локуса, или межаллельной комплементацией, при которой две разные мутации в одном и том же локусе оказываются взаимно корригирующими. В большинстве случаев при положительном тесте на комплементацию имеет место, вероятно, межгенный механизм.
Компаунд-гетерозиготы. Некоторые лица с этим метаболическим нарушением представляют собой компаунд-гетеро-, а не истинные гомозиготы. Компаунд-гетерозиготами называют лиц, получивших разные, а не идентичные мутантные аллели определенного локуса от каждого родителя. Первыми идентифицированными компаунд-гетерозиготами были лица с болезнью гемоглобина SC. Они наследуют ген гемоглобина S от одного из родителей и ген гемоглобина С от другого. Эти больные обладают двойной дозой мутации по синтезу b-глобиновой цепи, и поэтому у них не образуются нормальные b-цепи. Клинически и химически они отличаются от истинных SS- или СС-гомозигот. Компаунд-гетерозиготы выявлены также среди больных с цистинурией, иминоглицинурией, недостаточностью галактозо-1-фосфатуридилтрансферазы, L-идуронидазы, метилмалонил-КоА-мутазы и цистатионинсинтетазы. У некоторых, но не у всех компаунд-гетерозигот тяжесть состояния не уступает таковой у истинных гомозигот, что зависит от природы наследуемых мутантных аллелей.
Понятие генетической гетерогенности означает, что клиническая форма генной болезни может быть обусловлена мутациями в разных локусах или разными мутациями в одном локусе (множественные аллели). Фактически это разные нозологические формы с этиологической точки зрения, объединенные в связи с клиническим сходством фенотипа.
Генетическую гетерогенность наследственных болезней впервые подметил (и ввел этот термин) С.Н. Давиденков в 1930-х годах. Некоторые высказывания о генетической гетерогенности болезней в 50-х годах ХХ в. принадлежат ряду авторов. В 1960-х годах В. Маккьюсик сформулировал принцип изучения болезней с точки зрения их генетической гетерогенности. Этот принцип оказался чрезвычайно полезным для изучения нозологии генных болезней и их фенотипических различий.
Явление генетической гетерогенности носит общий характер, его уже можно назвать правилом, поскольку оно распространяется на все белки организма, не только на патологические, но и на нормальные варианты. С молекулярно-генетической и биохимикогенетической точек зрения вполне объяснимо, что различные патологические гены могут иметь примерно одинаковый фенотип при клинической оценке. Конечный эффект поломки какого-либо процесса на клиническом уровне может быть обусловлен наследственным нарушением синтеза разных белков или разных вариантов одного и того же белка.
Выяснение степени генетической гетерогенности при любой наследственной болезни проходит через все этапы: описание проявлений на клиническом уровне, изучение типа наследования и локализации гена, выяснение первичного биохимического дефекта, установление молекулярной сущности мутации на уровне ДНК.
Генетическая гетерогенность, обусловленная мутациями в разных локусах, -межлокусная гетерогенность - отчетливо видна на примере синдрома Элерса-Данло (6 форм), нейрофиброматоза (по меньшей мере 6 форм), гликогенозов (более 10 форм), гипертрофической кардиомиопатии (11 форм), врожденной катаракты (29 генов), витамин- D-резистентного рахита и т.д. Гетерогенность в упомянутых формах прослеживается даже при применении клинико-генеалогического метода. В этих группах имеются и аутосомно-доминантные, и аутосомно-рецессивные, и сцепленные с Х-хромосомой варианты болезней, т.е. мутации в локусах, расположенных в разных хромосомах.
Источником генетической гетерогенности в том же локусе - внутрилокусной гетерогенности - могут быть множественный аллелизм и генетические компаунды. Разные мутантные аллели могут проявляться фенотипически неодинаково (например, разные β-талассемии, некоторые мукополисахаридозы).
Генетические компаунды, иногда неправильно называемые двойными гетерозиготами, - это сочетание двух разных патологических аллелей одного локуса у индивида. Фенотипы генетических компаундов отличаются от фенотипов гомозиготных форм по обоим унаследованным аллелям (например, фенотип при гемоглобинопатии HbSC отличается от фенотипов обеих мутантных гомозигот - HbSS и НЬСС).
Для некоторых групп болезней генетическая гетерогенность проявляется и на межлокусном, и на внутрилокусном уровнях (мукополисахаридозы, гликогенозы).
Расшифровка гетерогенности генных болезней интенсивно продолжается одновременно в клиническом и генетическом направлениях. Общая задача сводится к выявлению корреляции между генотипом и фенотипом.
Анализ фенотипа (клинической картины болезни) - первый этап в расшифровке генетической гетерогенности. Чем точнее изучен фенотип, тем больше возможностей в открытии новых форм болезней, в разделении изучаемой формы на несколько нозологических единиц.
С помощью классических клинических методов открыто несколько форм нервно-мышечных дистрофий, наследственных форм карликовости. Клинико-биохимическими методами разделены наследственные несфероцитарные анемии, гемоглобинопатии, гликогенозы. Иммунологическими методами дифференцированы пер-
вичные иммунодефицитные состояния. По результатам клиникофизиологических исследований описана гетерогенность гемофилии, цветовой слепоты.
Все перечисленные методы с некоторыми усовершенствованиями в параклиническом плане и сейчас применяются для расшифровки природы наследственных болезней.
Анализ фенотипа не должен ограничиваться организменным уровнем. Перспективное направление - изучение клеточного уровня, т.е. исследование клеток в культуре ткани (клеточная гибридизация, метаболическое кооперирование, физиологическая комплементация). Генетическая гетерогенность нескольких групп болезней была открыта с помощью методов культуры клеток (мукополисахаридозы, болезни репарации ДНК).
Генетические методы включают весь арсенал генетического анализа болезни от применения клинико-генеалогического метода до секвенирования гена. Накопление родословных по какому-либо заболеванию и их генетический анализ позволяют разделять ранее описанную одну болезнь на реально существующие формы, если в этой группе встречаются мутации с доминантным и рецессивным типами наследования. Так были разделены синдром Марфана (доминантное наследование) и гомоцистинурия (рецессивное наследование), имеющие сходную клиническую картину (высокий рост, подвывих хрусталика, деформация грудной клетки). Разные типы наследования обнаружены во многих гетерогенных группах болезней (синдром Элерса-Данло, мукополисахаридозы, витамин-D-резистентный рахит, амиотрофия Шарко-Мари).
Понятие генетической гетерогенности означает, что клиническая форма генной болезни может быть обусловлена мутациями в разных локусах или разными мутациями в одном локусе (множественные аллели). Фактически это разные нозологические формы с этиологической точки зрения, объединенные в связи с клиническим сходством фенотипа.
Генетическую гетерогенность наследственных болезней впервые подметил (и ввел данный термин) С.Н. Давиденков в 1930-х годах. Некоторые высказывания о генетической гетерогенности болезней в 50-х годах ХХ в. принадлежат ряду авторов. В 1960-х годах В. Маккьюсик сформулировал принцип изучения болезней с точки зрения их генетической гетерогенности. Этот принцип оказался чрезвычайно полезным для изучения нозологии генных болезней и их фенотипических различий.
Явление генетической гетерогенности носит общий характер, его уже можно назвать правилом, поскольку оно распространяется на все белки организма, не только на патологические, но и на нормальные варианты. С молекулярно-генетической и биохимикогенетической точек зрения вполне объяснимо, что различные патологические гены могут иметь примерно одинаковый фенотип при клинической оценке. Конечный эффект поломки какого-либо процесса на клиническом уровне может быть обусловлен наследственным нарушением синтеза разных белков или разных вариантов одного и того же белка.
Выяснение степени генетической гетерогенности при любой наследственной болезни проходит через все этапы: описание проявлений на клиническом уровне, изучение типа наследования и локализации гена, выяснение первичного биохимического дефекта͵ установление молекулярной сущности мутации на уровне ДНК.
Генетическая гетерогенность, обусловленная мутациями в разных локусах, - межлокусная гетерогенность - отчетливо видна на примере синдрома Элерса-Данло (6 форм), нейрофиброматоза (по меньшей мере 6 форм), гликогенозов (более 10 форм), гипертрофической кардиомиопатии (11 форм), врожденной катаракты (29 генов), витамин- D-резистентного рахита и т.д. Гетерогенность в упомянутых формах прослеживается даже при применении клинико-генеалогического метода. В этих группах имеются и аутосомно-доминантные, и аутосомно-рецессивные, и сцепленные с Х-хромосомой варианты болезней, ᴛ.ᴇ. мутации в локусах, расположенных в разных хромосомах.
Источником генетической гетерогенности в том же локусе - внутрилокусной гетерогенности - бывают множественный аллелизм и генетические компаунды. Разные мутантные аллели могут проявляться фенотипически неодинаково (к примеру, разные β-талассемии, некоторые мукополисахаридозы).
Генетические компаунды, иногда неправильно называемые двойными гетерозиготами, - это сочетание двух разных патологических аллелей одного локуса у индивида. Фенотипы генетических компаундов отличаются от фенотипов гомозиготных форм по обоим унаследованным аллелям (к примеру, фенотип при гемоглобинопатии HbSC отличается от фенотипов обеих мутантных гомозигот - HbSS и НЬСС).