Мутации у человека - источник наследственных болезней
Мутации чрезвычайно разнообразны ( табл. 65.1 ). Это могут быть крупномасштабные изменения структуры хромосом (затрагивающие миллионы нуклеотидов); к ним относят дупликации, делеции и транслокации фрагмента одной хромосомы на другую. Мутации могут затрагивать как весь геном (3 млрд пар нуклеотидов), например при триплоидии , когда появляется третий набор хромосом, так и всего один нуклеотид (делеция, вставка или замена нуклеотида). Мутации в одном или нескольких нуклеотидах называют точечными . Делеции или вставки одного или двух нуклеотидов в кодирующей области вызывают мутации со сдвигом рамки считывания , то есть они изменяют разбиение мРНК на кодоны так, что каждый следующий кодон этого гена считывается неправильно. Эти мутации меняют аминокислотную последовательность в белке и часто вызывают преждевременное окончание его синтеза, если сдвиг рамки считывания приводит к образованию терминирующего кодона . Кроме того, небольшие Делеции или вставки влияют на транскрипцию , сплайсинг или процессинг мРНК .
При замене одного нуклеотида в кодирующей области возможны следующие точечные мутации :
- несмысловая мутация (около 23% случайных замен нуклеотидов в кодирующих последовательностях), при которой замена нуклеотида в ДНК и соответствующее изменение кодона мРНК не приводит к изменению последовательности аминокислот в молекуле белка (например, замена кодона УУУ на кодон УУЦ, который тоже соответствует фенилаланину);
- миссенс-мутация (примерно 73% случайных замен нуклеотидов в кодирующих последовательностях), при которой замена нуклеотидов в ДНК и соответствующее изменение кодона мРНК приводит к замене одной из аминокислот в молекуле белка (например, появление кодона лейцина УУА вместо кодона фенилаланина УУУ), и
- нонсенс-мутация (примерно 4% случайных замен нуклеотидов в кодирующих последовательностях), при которых замена нуклеотида превращает кодон в один из терминирующих кодонов (например, появление терминирующего кодона УАА вместо кодона тирозина УАУ).
Изредка замена нуклеотида в кодирующей области изменяет сплайсинг транскрипта, либо образуя скрытый сайт сплайсинга, либо нарушая функцию нормального сайта сплайсинга.
Для обозначения мутаций обычно используют однобуквенный аминокислотный код, например: R560T означает замену аргинина (R) на треонин (Т) в положении 560, G542X - замену глицина (G) на терминирующий кодон в положении 542, а дельтаF508 - отсутствие фенилаланина (F) в положении 508.
Крупные делеции затрагивают часть гена, весь ген или группу соседних генов. Синдромы, вызванные делецией группы соседних генов , описаны в книге Скрайвера с соавт. (Scriver C.R. et al., 1995). Эти делеции прерывают или приводят к потере кодирующей части гена, и синтеза соответствующего белка не происходит.
Делеция может также привести к слиянию кодирующих последовательностей двух генов и образованию химерного белка. Такие мутации часто происходят при неравновесном кроссинговере между тандемными повторами гомологичных генов, например генов глобина.
Показательно разнообразие мутаций гена бета-цепей глобина . В этом гене выявлено более 200 миссенс-мутаций , вызывающих замены аминокислот, и обнаружены разнообразные варианты химерных цепей (дельтабета и бетадельта). Кроме того, бета-талассемию вызывают многочисленные мутации, нарушающие транскрипцию, сплайсинг и процессинг мРНК ( рис. 65.4 ).
При неравновесном кроссинговере на одной хромосоме возникает делеция, а на противоположной хромосоме - дупликация. Такие дупликации - самая частая причина болезни Шарко-Мари-Туса типа 1A .
Вставки в геномной ДНК происходят также путем ретротранспозиции; так, например, появляются повторы в гене фактора свертывания VIII ( антигемофильного глобулина ), вызывающие гемофилию A . Инверсия в этом гене обычно вызывает тяжелую форму гемофилии A.
Известно, что увеличение числа тринуклеотидных повторов приводит к умственной отсталости (при синдроме ломкой Х-хромосомы ), атрофической миотонии , Х-сцепленной бульбоспинальной амиотрофии ( синдрому Кеннеди ), болезни Гентингтона , спиноцеребеллярным дегенерациям и другим заболеваниям. Тринуклеотидные повторы имеются как в экзонах и интронах , так и в участках гена, кодирующих 5'- и 3'-концевые нетранслируемые области мРНК. При большом числе повторов заболевание протекает в более тяжелой форме или начинается в более молодом возрасте. Если число повторов не сильно отличается от нормы, то они играют роль премутации и не вызывают клинических проявлений. Число тринуклеотидных повторов нестабильно, причем при некоторых заболеваниях (например, при синдроме ломкой Х-хромосомы и атрофической миотонии ) их количество особенно возрастает при наследовании по женской линии, а при других (например, болезни Гентингтона и спиноцеребеллярных дегенерациях ) - по мужской. При многих дегенеративных заболеваниях ЦНС (например, болезни Гентингтона , Х-сцепленной бульбоспинальной амиотрофии , спиноцеребеллярной дегенерации типа I ) тринуклеотидные повторы кодируют удлиненный полиглутаминовый участок в молекуле белка, но механизм поражения нейронов пока не известен.
Увеличение числа тринуклеотидных повторов - один из механизмов, лежащих в основе так называемой антиципации , при котором в каждом следующем поколении в семье заболевание протекает тяжелее.
Определение типа и вероятности мутаций у человека - сложная задача (Scriver С.R. et al., 1995).
Чем старше беременная женщина, тем выше вероятность мутации, изменяющей число хромосом ( анеуплоидии ) у ее будущего ребенка. Вероятность некоторых мутаций повышается с возрастом отца.
Новые мутации некоторых генов, например вызывающие миопатию Дюшенна и ахондроплазию , возникают особенно часто. При миопатии Дюшенна это, возможно, обусловлено необычно большим размером гена. Вероятность новых мутаций зависит от структуры гена, его положения в геноме и значимости его продукта. Замена цитозина на 5-метилцитозин в парах цитозин-гуанин повышает вероятность мутаций из-за спонтанного дезаминирования 5-метилцитозина с образованием тимина. Это увеличивает полиморфизм в участках генома, богатых парами цитозин-гуанин, и обусловливает ряд "горячих точек" с высокой частотой мутаций. При ахондроплазии особенно часто выявляют замену одного цитозина на тимин, но аналогичные замены происходят и при гемофилии A , гемофилии В и многих других заболеваниях.
Молекулярно-генетические методы позволяют охарактеризовать мутации, установить, из какой гаметы - материнской или отцовской они происходят, и определить "возраст" мутации. Часто встречающиеся мутации, происшедшие от одного прародителя, распознают по специфическим гаплотипам полиморфных участков ДНК, окружающих мутацию; характерные гаплотипы хорошо изучены для талассемий , фенилкетонурии и муковисцидоза .
Гаплотип - это группа сцепленных генетических маркеров на одной хромосоме, например, группа соседних полиморфных участков ДНК или группа аллелей HLA.
Если мутация произошла в половых клетках, то она может отразиться только на фенотипе последующих поколений. Новые мутации у человека возникают случайно.
Мутация в соматической клетке на ранней стадии развития может вызвать наследуемое или ненаследуемое изменения фенотипа. Организм с такой мутацией называют мозаичным , потому что он содержит как нормальные клетки, так и мутантные.
Мутации в половых клетках на ранней стадии их развития вызывают гонадный мозаицизм , и в итоге появляется множество мутантных гамет. Гонадный мозаицизм обнаружен, в частности, при несовершенном остеогенезе и миопатии Дюшенна . Почему гонадный мозаицизм редок, например, при ахондроплазии , точно неизвестно. Очевидно, что причиной гонадного мозаицизма не могут быть мутации, происходящие при мейозе (из-за неравновесного кроссинговера) или на более поздних стадиях развития. Маловероятно также, что он возникает в результате новой мутации у немолодых мужчин, передающих болезнь детям (например, ахондроплазию ).
В практической медицине мутации разделяют на две большие категории.
Некоторые мутации возникли сравнительно давно и встречаются у тысяч или миллионов людей, например мутации, вызывающие серповидноклеточную анемию , недостаточность альфа1-антитрипсина (аллель Z) или муковисцидоз (делеция дельтаF508). Такие мутации либо рецессивны, и поэтому мутантный аллель сохраняется в популяции у гетерозигот, либо относительно доброкачественны и не нарушают репродуктивную функцию.
Наличие одинакового мутантного аллеля у большого числа людей определяет стратегию генодиагностики и массового обследования.
Если бы наследственная предрасположенность к заболеваниям взрослых была обусловлена только распространенными мутациями, то постепенно были бы разработаны методы генодиагностики для обследования людей из группы риска.
Однако некоторые мутации возникли недавно или были впервые выявлены в данной семье. Чаще всего это опасные аутосомно-доминантные мутации или Х-сцепленные мутации, нарушающие репродуктивную функцию у мужчин. Такие мутации обычно гетерогенны, и в каждой обследованной семье встречается своя мутация, а идентичные мутации - редкость. Это характерно для миопатии Дюшенна , нейрофиброматоза , ретинобластомы и многих других заболеваний, при которых нарушена репродуктивная функция .
