[109]
Для каждого организма граница между патологической и физиологической регуляцией — индивидуальна.
Л.Р.Перельман " Лекции по патофизиологии ".
Истина — не догма, но танец
Шри Бхагван Раджниш "Библия Риджниши "
Изложение основ общей патологии мы начнем с обсуждения закономерностей повреждения клетки и клеточного ответа на альтерацию.
Подобно тому как работа компьютера зависит от правильного функционирования программ и аппаратного обеспечения, адаптация клеток зависит и от их «hardware» — исполнительного аппарата, и от их «software «— программного управления материальными возможностями клетки. Фрэнсис Юджин Йейтс называл этот дуализм живых систем информационно-динамическим (1983) и подчёркивал, что оба его аспекта «вырастают из одной и той же химии».
Природа болезней может рассматриваться с двояких позиций — материально-энергетических и информационных, поскольку она связана как с повреждением исполнительного клеточного аппарата (включая материальный носитель клеточных программ — ДНК), так и с нарушением информационных процессов — сигнализации, рецепции, связи и т.п. Фактически, медики пришли к этому очень давно, задолго до появления понятийного аппарата информатики, позволяющего выразить данную концепцию более четко.
По Л.фон Берталанфи (1926), организм как система есть совокупность элементов и связей между ними.
Что приоритетно для развития патологических процессов — повреждение элементов или нарушение связей? Патологи разных эпох по-разному отвечали на этот вопрос, сформировав, если хотите, 2 линии в патологии (вовсе не совпадающие с традиционной для некоторых философских школ маркировкой тех или иных взглядов и теорий, как идеалистических либо материалистических).
Попытки подогнать развитие идей в патологии под традиционные «линию Платона и линию Демокрита», на наш взгляд не очень плодотворны, тогда как разделение по предлагаемому здесь принципу — ответу на основной вопрос патологии — о приоритетности повреждения и защиты — кажется более многообещающим.
Гиппократ (460-370) был создателем гуморального направления в медицине, ибо полагал, что болезни происходят от неправильного смешивания основных соков организма: крови, слизи, желтой и черной желчи.
Так как клетки обмениваются в целостном организме, главным образом, химическими регулирующими сигналами и эти сигналы транспортируются, преимущественно, жидкими средами организма, то данную линию развития идей в патологии можно, с некоторым приближением, охарактеризовать как информационную — отдающую приоритет патологическим механизмам, связанным с нарушением связи и управления клеточными программами. Гуморальная патология впоследствии продолжает свое развитие в работах многих классиков научной медицины — от Галена и Корнелия Цельса, который прямо утверждал, что болезнь — есть результат существования в организме «idea morbosa». то есть, выражаясь современным языком [111] — программы болезни, к Парацельсу (1493-1541), постулировавшему существование в здоровом теле некоего «центрального процессора» — Архея, отделяющего в организме полезные компоненты от вредных и управляющего пакетом из семи астрологических программ, руководящих семью основными частями тела. Характерно, что Архей по Парацельсу — химик, а значит парацельсово учение о причинах болезней видит их главный источник в нарушениях связей между элементами тела и трактует эти связи, как химические сигналы. Мы можем проследить эту линию у ятрохимиков Э.Бургава и Ж.-Б.Ван-Гельмонта, с его «археями органов» и позже вплоть до исторического предвидения Теофиля Бордю (1775), сформулировавшего универсальный принцип нейрогуморальной регуляции организма (см. также стр. 53-55) и до гуморальной патологии К. Рокитанского (1804-1878) в 19 веке, увидев ее отголоски даже в доктрине нервизма, придающего центральной регуляции, рефлекторным программам и связям и программным сбоям в работе ЦНС решающее значение в развитии любого патологического процесса (П.Д.Горизонтов 1952). Центральную роль нарушения связей между элементами при развитии болезней отстаивал в 19 веке С.П.Боткин, подчеркивавший, например, что: «Изменения функции сердца, сплошь да и рядом, не идут пропорционально с анатомическими изменениями в самом сердце, а нередко находятся в зависимости от центральных нервных аппаратов». В нашем столетии создатель патологии отношений Г.Риккер (1924) полемизировал с клеточной теорией патологии Вирхова и отстаивал существование «безлокальных болезней», то есть, по терминологии Г.Н.Крыжановского патологии дисрегуляции. Если медики Эпохи Возрождения понимали под связями прежде всего анатомические и механические сопряжения органов и тканей, то с развитием анатомии связь стала истолковываться, прежде всего, как наличие нервного проводника, а после открытия гормонов и аутокоидов стало окончательно ясно, что для осуществления кибернетической связи физическое соединение структур не обязательно. Исторические работы Η.Винера (1948,1953) позволили рассматривать связи в организме с общих системологических позиций, как обмен сигналами, безотносительно к конкретному пути их передачи и материальному носителю.
В информационной концепции патологических процессов главное, на наш взгляд, это приоритет нарушения связей между элементами программной системы над повреждением самих элементов.
Вот почему, Р.Переc-Тамайо (1961) писал: «Многие проблемы, вовлеченные в работу гомеостатических механизмов, относятся к коммуникации, обмену информацией между рецепторами, интегративными центрами и эффекторными органами…»
Целлюлярная или клеточная патология, нашедшая свое воплощение в представлениях Рудольфа Вирхова (1821 -1902) об организме, как клеточном государстве и о болезнях, как о нарушении в формировании, питании, либо отправлении его частей — клеток, представляет формулировку противоположной концепции, которую мы бы назвали «приоритет повреждения элементов над расстройством связей».
С этой точки зрения: «Клетка — осязаемый субстрат патологической физиологии: она краеугольный камень в твердыне научной медицины» (Р.Вирхов).
Важно подчеркнуть, что по Вирхову болезнь начинается когда клетка воплощает одну из трех своих качественно различных реакций (в оригинале — «раздражений», а в осовремененной терминологии — программ) — питательную, формативную или функциональную — не в соответствии с должным временем, требуемым местом или не в должной пропорции (принцип гетерометрии, гетерохронии, гетеротопии).
Конечно, концепция примата элементов системы над связями появилась в медицине задолго до клеточной теории, и к данному руслу развития идей в истории патологии могут быть отнесены и представления ятромехаников и ятрофизиков (Ж.Ламетри, Г.Шталь), у которых, несмотря на отсутствие клеточных представлений мы наблюдаем тот же подход, только на [112] роль первоэлементов организма выдвинуты объекты физики и химии — атомы, тела и молекулы {10}.
В рамках данной концепции, болезнь всегда локальна и топически привязана, прежде всего, к неверному функционированию или повреждению каких-то конкретных элементов организма.
Но как быть с тем общим, что присуще многим или даже всем болезням? По Г.Селье, болезни прежде всего интересны для диагноста — своими различиями, но для патолога тем, чем они схожи друг с другом (1960). Связь между элементами, те сигналы, которыми они обмениваются тоже могут быть источником болезней.
Если оставаться в рамках рассмотрения энергетической и материальной стороны процессов, то нельзя не отметить, что интерпретация некоторых явлений становится сложной и искусственной.
Например, если мы наблюдаем распространение такого местного процесса как воспаление и вовлечение в него других тканей и органов — что является агентом этой генерализации? Если воспаление инфекционное, то ответ традиционен — микроорганизмы. А если оно асептическое?
Какие агенты вызывают его распространение вплоть до возникновения такого общего процесса как шок? Пытаясь остаться в рамках рассматриваемой концепции, патологи 19 столетия в лучшем случае вынуждены были отвечать, что так действуют токсины поврежденных клеток.
Но ведь исходя из тех же самых локалистских позиций, не бывает общей интоксикации, как нет яда вообще — есть только конкретные яды. Когда прогресс патофизиологии привел к пониманию, что причиной генерализации воспаления и таких его осложнений как шок, служит системное действие медиаторов воспаления, то стало ясно, что фактически эта генерализация зависит от информационного процесса, от генерируемых участниками воспаления сигналов, навязывающих здоровым до этого клеткам иное программное состояние.
По меткому выражению Η.Η.Аничкова, исследуя патологические взаимоотношения «врач должен также выяснить способы и пути, которыми эти соотношения осуществляются... Сюда относятся различные связи, благодаря которым происходит распространение патологических процессов по организму».
Мы убеждены, что взвешенный подход к вопросам патологии должен быть универсальным в смысле наследования идей и достижений обеих упомянутых выше концепций.
Переходя к конкретным аспектам патофизиологии повреждения, мы вначале рассмотрим типовые нарушения, касающиеся информационной стороны реактивных ответов клеток, а затем — патохимические и патогистологические аспекты повреждения их исполнительного аппарата.
Поскольку клетки представляют собой программные системы и не дают таких адаптивных ответов, для которых нет программной основы, проблема адаптации к повреждению для любой клетки, в общем виде, сводится к необходимости вовремя включить адаптивную программу, оптимально соответствующую конкретной ситуации и определенному входному сигналу и верно определить масштабы ее использования.
Рассмотрим, какие, в принципе, могут быть неполадки в решении этой задачи (см. также рис.12).
Клеточные адаптационные программы включаются в ответ на определенные входные сигналы. В большинстве случаев клетки в организме управляются химическими регуляторными сигналами. Кажется, что разнообразие таких сигналов бесконечно. На самом деле, все они принадлежат к одной из пяти возможных категорий. Это могут быть:
Недостаток или отсутствие того или иного сигнала может воспрепятствовать включению тех или иных адаптивных программ, что приводит к определенным патологическим последствиям.
Избыток того или иного сигнала заставляет адаптивные программы, включаемые данным регулятором функционировать излишне интенсивно или Ненормально долго, что также патогенно.
Особый случай представляет достаточно распространенная ситуация, когда клетка ошибочно принимает один сигнал за другой—так называемая мимикрия биорегуляторов, приводящая к серьезным регуляторным расстройствам.
Таблица4 (стр.114) содержит некоторые примеры, иллюстрирующие разнообразие патологии сигнализации в организме.
В качестве комментария к таблице 4, заметим, что заболевания, вызванные неправильным использованием клетками своего программного аппарата вследствие неправильной сигнализации весьма разнообразны. Так, при дефиците инсулина отсутствие входного сигнала не дает возможности использовать программы синтеза инсулинозависимых белков-транспортеров глюкозы, что приводит к нарушению [114] утилизации этого субстрата инсулинозависимыми тканями.
Разрушение или блокада функций дофаминэргических нейронов среднего мозга, иннервирующих хвостатое ядро и путамен, при паркинсонизме приводит к дефициту дофамина в этих подкорковых ядрах и инактивации дофамин-зависимых автоматизмов регуляции движений.
Нехватка или отсутствие иммуноглобулинов сопровождает В-клеточные и смешанные иммунодефициты. Примером болезни, вызванной дефицитом субстратов может, служить квашиоркор. Дефицит кальция способен нарушить работу многих внутриклеточных систем, включая кальмодулинзависимые механизмы и сократительные белки, а также помешать работе межклеточных медиаторных систем, функция которых связана с каскадным ограниченным протеолизом (например, система фибрина).
Избыток глюкокортикоидов при синдроме Иценко-Кушинга заставляет клетки избрать неадекватные программы метаболической регуляции, что оборачивается усилением липогенеза и глюконеогенеза, отрицательным азотистым балансом, метаболическим алкалозом и даже вызывает запрограммированную клеточную гибель посредством апоптоза (в частности, в лимфоидных органах).
Избыточный холинэргический нейромедиаторный сигнал при отравлении аконитом (цикутой) приводит к расстройству вегетативной регуляции жизненно важных функций.
Р.Котран и соавторы (1989) с известным сарказмом замечают, что достаточно выглянуть в окно, чтобы убедиться сколь патогенен избыток субстратов и как свирепствует в американской популяции вызванное им ожирение. Авторы повторяли этот незамысловатый опыт и убедились, что названная проблема характерна не только для США.
Избыточная продукция аутоантител приводит к аутоаллергическим заболеваниям, хотя в небольших титрах аутоантитела присутствуют у абсолютно здоровых людей и участвуют в регуляции клеточного роста и функций. Так у 100% испытуемых чувствительные методы выявляют в низких титрах аутоантитела против основного белка миелина, хотя именно эти иммуноглобулины, при их избытке, обуславливают ряд проявлений аллергического энцефаломиелита.
Избыток ионов калия, создающийся при массивном цитолизе или длительной анурии нарушает программные автоматизмы, связанные с работой проводящей системы сердца и ведет к аритмии.
Особый интерес представляет мимикрия клеточных сигналов, когда рецептор, контролирующий включение тех или иных программ, стимулируется или блокируется нештатным сигналом, ошибочно принятым клеткой за гормональный или медиаторный стимул.
Иммунная система организма по роду своей деятельности создает распознающие молекулы, [115] комплементарные тем или иным структурам: иммуноглобулины и поверхностные лимфоцитарные рецепторы. Поэтому ситуации, связанные с мимикрией сигналов, как правило, вовлекают иммунную систему и чаще всего речь идет о выработке аутоантител, иммунологически копирующих те или иные гормоны или медиаторы и способных связываться с соответствующими рецепторами. Этот феномен известен как создание иммунологического имиджа того или иного сигнала. Он участвует в патогенезе множества аутоиммунных заболеваний (рис.13).
Так, при болезни фон Базедова (диффузный токсический зоб) клетки щитовидной железы усиленно растут и размножаются (гиперплазия) и усиленно синтезируют тироксин и трийодтиронин (гиперфункция), несмотря на то, что содержание естественного стимулятора тироцитов — тиротропного гормона гипофиза — у подавляющего большинства пациентов понижено или нормально.
В 1956 году новозеландские ученые Д.Эдамс и X.Пьюрвз установили; сигнал стимулирующий тироциты, содержится в гамма-глобулиновой фракции сыворотки больных и [116] назвали этот, отличный от тиротропного гормона агент «длительно действующий стимулятор щитовидной железы » или LATS (по первым буквам английского наименования).
Впоследствии было доказано: что тиростимулирующая активность присуща иммуноглобулинам G, направленным против рецептора ТТГ. Аутоантитела против ганглиозидной части рецептора оказались в состоянии усиливать синтез тироидных гормонов: а аутоантитела против его белкового компонента — стимулировать рост железы.
Обнаружено, что аутоантитела к рецептору ТТГ возникают у некоторых индивидов после инфекции микроорганизмом Yersenia enterocolitica (Л.Харрисон, 1984).
Иерсения располагает антигеном, аналогичным тиротропному гормону. При попадании микроба в организм развивается иммунный ответ и вступают в действие закономерности идиотип-антиидиотипической регуляции. Наряду с продукцией антител, распознающих антиген микроорганизма (рис.13,I) начинают вырабатываться так называемые антиидиотипические аутоантитела (AI). Для этих иммуноглобулинов мишенью являются активные центры антимикробных антител. Легко заметить, что если антитела первого порядка комплементарны микробному антигену, то антиидиотипические аутоантитела могут представлять из себя зеркальные иммунологические копии антигена, вызвавшего первичный иммунный ответ. В рассматриваемом случае первичным антигеном был ТТГ-подобный пептид микробного происхождения, следовательно, антиидиотипические аутоантитела будут обладать связывающими способностями, подобными тиротропному гормону. Это делает их фальшивыми сигналами для рецепторов тиротропного гормона в клетках щитовидной железы.
Антиидиотипический иммунный ответ — это нормальное явление, необходимое для регуляции иммунитета и осуществления таких функций, как иммунологическая память и опосредованная супрессия (см, ниже раздел «Иммунный ответ»). Однако при избыточно сильном и плохо отрегулированном антиидиотипическом ответе возникают явления иммунологической мимикрии сигналов, описанные выше. Жертвой такой иммунологической имитации могут быть не только гормональные рецепторы, но и рецепторы нейромедиаторов. Так, при использовании β-адренэргических бронхолитиков для лечения бронхиальной астмы у некоторых больных образуются не только антитела, направленные против этих лекарств, как гаптенов, но и антиидиотипы против антилекарственных антител. Антиидиотипы не представляют идеальной копии молекулы бронхолитика — слишком уж велика разница между химическим строением лекарства и полипептидными цепями антитела. Поэтому они как некачественная отмычка — входят в замочную скважину, но замка не открывают. В результате антиидиотипические иммуноглобулины могут блокировать β2-адренорецептор на гладкомышечных клетках бронхов и пациент делается резистентным к действию бронхолитиков. Подобный механизм может лежать в основе развития астматического статуса — длительного и тяжелого приступа бронхоспазма, не купируемого обычными бронхолитиками.
Антиидиотипические блокирующие аутоантитела против никотин-холинэргического рецептора обуславливают утрату тонуса скелетных мышц при тяжелой миастении. Были обнаружены даже антитела-имитаторы бензапирена при химическом канцерогенезе. Более подробно заболевания, связанные с нарушениями идиотип-антиидиотипических взаимодействий рассматриваются ниже в главе «Аутоиммунитет и аутоаллергия».
Поразительным примером патогенной мимикрии субстратов служит действие некоторых антиметаболитов, например, высокоэффективного цитостатика 6-меркаптопурина на клетку.
Располагая сульфгидрильной группой, меркаптопурин выигрывает конкуренцию у естественных субстратов гипоксантинфосфорибозилтрансферазы — гипоксантина и гуанина, так как его включение в строящиеся нуклеотиды энергетически сравнительно выгодно. Вместе с тем, мимикрировавший меркаптопуриновый [117] нуклеотид инактивирует фосфорибозилпирофосфат-амидотрансферазу, что приводит к блоку уже на следующем этапе биосинтеза нуклеиновых кислот и нарушает осуществление клеточного цикла.
При печёночной коме, вследствие нарушения метаболизма индоловых соединений в печени, образуется ложный нейромедиатор октопамин, нарушающий, в качестве фальшивого сигнала, работу мозга, что ведет к извращению сна и бодрствования, хлопающему тремору и другим нарушениям.
Даже при адекватной сигнализации клетка не в состоянии ответить должным образом, если она «слепа и глуха» по отношению к данному сигналу. Именно такая ситуация создается при отсутствии или дефиците рецепторов, соответствующих какому-либо биорегулятору. Избыточная активность (чувствительность) тех или иных рецепторов также способна привести к патологическим последствиям.
Одно из самых распространенных среди европеоидов наследственных заболеваний — семейная наследственная гиперхолестеринемия. Патологический ген в некоторых популяциях Европы и Северной Америки встречается у одного из каждых 50 индивидов. Болезнь, имеющая, согласно классификации ВОЗ, наименование— гиперлипопротеинемия второго типа, подтип «А», проявляется ранним атеросклеротическим поражением сосудов и обусловливает большинство случаев раннего инфаркта миокарда.
Патогенез столь распространенного и тяжелого нарушения связан с дефектом белка-рецептора, ответственного за распознавание клетками сосудистой стенки и некоторых других тканей и органов белкового компонента липопротеидов низкой и очень низкой плотности — апопротеинаВ (рис.14).
Согласно Брауну и Гольдштейну, в норме клетки сосудистой стенки поглощают ЛПНП и ЛПОНП путем рецепторно-опосредованного эндоцитоза. Стимуляция рецептора апопротеина В ведет к включению в клетке, поглощающей липопротеиды, метаболических защитных программ, предохраняющих от холестериновой перегрузки. После стимуляции рецептора понижается синтез собственного холестерина, активизируется его этерификация и дренажные механизмы, способствующие обратному транспорту холестерина. При отсутствии или недостаточной экспрессии рецепторов холестеринсодержащие субстраты все равно проникнут в клетку не специфически, благодаря слиянию липопротеидной частицы и плазматической мембраны. Клетки, лишенные возможности адаптироваться [118] к избытку холестерина путем использования типовых, рецепторно-зависимых программ, подвергаются перегрузке эти субстратом. Ответная реакция выражается в пролиферации и пенистой трансформации гладкомышечных элементов, фибробластов и макрофагов стенки сосуда, пытающихся «утилизовать» избыток холестерина для построения новообразованных мембран. Вследствие этого формируется атеросклеротическое поражение.
Интересно, что не только наследственный дефект, но и приобретенный дефицит данных рецепторов (например, при избыточном длительном потреблении насыщенных жиров и холестерина) ведет к сходной неадекватной реакции клеток.
Избыточная активность тех или иных рецепторов также патогенна.
При развитии инсульта гибель нейронов от гипоксии сопряжена с избыточной стимуляцией рецепторов глютаминовой кислоты. Можно допустить, что адаптационный смысл этого состоит в усилении генерации окиси азота (NO) — сильного сосудорасширяющего медиатора, регулятора адгезии нейтрофилов и активности циклооксигеназы, повышающего, к тому же, содержание цГМФ в клетках и резистентность НАДФН-диафоразоположительных нейронов, которые ее производят, к свободно-радикальному повреждению. Однако, рецепторы, находясь в состоянии перманентной активации, обуславливают избыточный входной ток кальция в клетку, и это ведет к повреждению и некробиозу нейронов. (см. ниже). К тому же, избыток окиси азота повреждает нейроны, не располагающие НАДФН-диафоразой и не вырабатывающие NO, так как этот метаболит ингибирует один из ферментов цикла Кребса — аконитазу. Образуемые при работе нитроксидсинтазы активные метаболиты кислорода могут формировать вместе с NО пероксинитрит (ООNО). Это соединение вызывает повреждения ДНК и ковалентные модификации белков в клетках, что, в конечном итоге, запускает программу клеточной гибели — апоптоза.
Даже при адекватной сигнализации и правильном распознавании сигналов клеточными рецепторами клетки не в состоянии подключить надлежащие адаптационные программы, если отсутствует передача информации от поверхностной мембраны, где располагается большинство рецепторов, представляющих клеточную «клавиатуру» или панель управления — внутрь клетки.
Генетические программы,определяющие диапазон и характер реагирования находятся в ядре (геном) и цитоплазме (плазмон).
Управляющие сигналы — например, гормоны и антитела — способны проникать внутрь клеток и даже внутрь их ядер, используя механизмы рецепторного эндоцитоза и открывая Дискриминаторы ядерных пор с помощью особых сигнальных последовательностей, присутствующих в их молекулах (рис.15). Однако, внутриклеточное проникновение биорегуляторов требует некоторого времени, поэтому их прямые внутриядерные и внутриклеточные эффекты носят отсроченный характер. Так, морфогенетическое действие инсулина, опосредованное проникновением гормона внутрь клеток и их ядер, требует значительных сроков — не менее нескольких часов.
Быстрый, непосредственный ответ клеток на химические сигналы, который часто играет решающую роль в адаптации, для биорегуляторов с любой химической структурой опосредован поверхностными рецепторами и пострецепторными передаточными механизмами.
Дефекты в функционировании этих внутриклеточных посредников приводят к разнообразным повреждениям клеток. О.Хехтер и А.Калек рассматривали гормоны и другие химические биорегуляторы в духе структуральной лингвистики, как лексические, а не метаболические единицы, и подчеркивали, что их химическая структура «не дает ключей к пониманию [119] паттернов их действия», из-за чего приходится принять, что специфичность их эффектов, в значительной мере, определяется на пострецепторном уровне, так же как смысл фразы не сводится к отдельным словам, а зависит от их синтаксического соединения (1974). Гормон — не просто сигнал, а кодовый символ, открывающий в клетке некий «домен» процессов, причем отдельные процессы могут входить в разные домены (Дж.М.Томкинс, 1975). Так, АКТГ, действуя на свой рецептор, вызывает усиление стероидогенеза в адренокортикоцитах, но в β-клетках островков Лангерганса то же самое молекулярное взаимодействие интерпретируется как сигнал к активации синтеза инсулина. Сигнал расшифровывается по-разному различными клетками, из-за различии в пострецепторных механизмах его обработки, что в классической эндокринологии уже давно подразумевалось в виде концепции пермиссивного действия гормонов (см. выше). Сложность и проработанность ответа клетки на символ не задана в простой химической структуре гормона, а определяется информационными ресурсами генома (Ф.Ю.Йейтс, 1982).
По современным представлениям, механизмы, опосредующие внутриклеточную передачу сигнала, разнообразны и представляют собой не альтернативные пути с противоположными эффектами, как считали ранее, а скорее единую сложную сеть с несколькими, практически всегда взаимодействующими звеньями.
Большинство химических сигналов в клет-ке опосредуется с участием особых гетеротримерных молекул — так называемых гуанозинтрифосфатсвязывающих белков (или G-белков). Эти передатчики занимают поистине ключевое положение в обмене информацией между поверхностным и регуляторным аппаратом клеток, потому что они способны интегрировать сигналы, воспринимаемые несколькими различными рецепторами, и в ответ на определенный рецепторно-опосредованный сигнал могут включать множество разных эффекторных программ, вводя в действие сеть различных внутриклеточных модуляторов.
G-белки мы можем уподобить адаптеру, сопрягающему определенные актоны с комплексами клеточных ответов — реактонами (см. выше раздел «Реактивность организма»), причем набор реакций, вводимых в действие в ответ на стимуляцию какого-то рецептора, во многом, определяется тем, какие мембранносвязанные эффекторы сопряжены с конкретным G-белком.
Среди этих взаимодействующих эффекторов главные роли играют аденилатциклазы, ионные каналы и фосфолипазы. [120]
Пока рецептор не занят, G-белок соединен с остатком ГДФ и представляет из себя тример из альфа, и бета-гамма субъединиц. После связывания сигнальной молекулы с рецептором, ГДФ диссоциирует и замещается на ГТФ, что ведет к отсоединению G -белка от рецептора, а а-субъединицы — от βγ, после чего а-ГТФ-комплекс и свободная βγ-субъединица активируют (или инактивируют) различные внутриклеточные посредники. Под влиянием ГТФ-азной активности а-субъединицы ГТФ расщепляется, комплекс ГДФ-α инактивируется и реассоциирует с βγ-кампонентом тримера (рис.16).
При псевдогипопаратирозе из-за наследственной мутации гена одного из G-белков (Gsa) имеется нарушение в работе этого пострецепторного сопрягающего механизма, и в результате клетки становятся резистентны к различным сигналам-стимуляторам аденилатциклаз, особенно, к парат-гормону. Механизм может заключаться у разных пациентов в дефиците Gsa или в неспособности его а-субъединицы диссоциировать с ГДФ.
Передавая рецепторный сигнал внутрь клетки, G-белки усиливают активность аденилатциклаз, образующаяся цикло-АМФ может напрямую открывать ионные натриевые каналы, а также запускает путем диссоциации каталитическую субъединицу протеинкиназ А. Протеинкиназы А расщепляют АТФ и фосфорилируют [121] по остаткам серина или треонина различные каталитические и распознающие белки клетки. Этот процесс для одних белков приводит к активации, для других к ингибированию. Терминация передачи аденилатциклазного сигнала осуществляется на нескольких уровнях благодаря действию фосфопротеинфосфатаз (нейтрализующих эффекты протеинкиназ) и циклонуклеотид-фосфодиэстераз (разрушающих ц-АМФ). Эти ингибирующие сигналы запускаются, частично, самой ц-АМФ, но, в особенности, включаются при посредстве кальция и внутриклеточного кальцийсвязывающего белка кальмодулина. Кальций-кальмодулиновый комплекс, таким образом, часто выступает в сети пострецепторных взаимодействий как антагонист аденилатциклаз, но описаны и их синергические эффекты. Различные пути, контролирующие вход кальция в цитоплазму, зависят от системы G-белков.
Ряд G-белков способны активировать семейство ферментов-инозитолфосфатаз, известное под условным названием «фосфолипаза С». Этот эффект приводит к расщеплению фосфа-тидилинозитол-4,5-дифосфата на инозитолтрифосфат (ИТФ) и диацилгдицерин (ДАГ).
ИТФ вызывает освобождение кальция из внутриклеточных резервуаров в цитоплазму. Кальций влияет на активность различных клеточных белков через кальмодулин и тропонин С, а также непосредственно. Кальциевый насос, представленный АТФ-азой, удаляющей ион из цитоплазмы, и инозитолтрифосфатаза понижают активность этого пути передачи сигналов в клетке.
ДАГ действует, как вторичный посредник в активации протеинкиназ С, повышая их чувствительность к кальциевой стимуляции. Протеинкиназы класса С фосфорилируют ряд белков, влияя на их активность. Эта сеть имеет общие субстраты фосфорилирования с протеинкиназами А.
ДАГ-липаза расщепляет данный посредник и терминирует передачу сигнала, но при этом образуется арахидоновая кислота.
Кроме фосфолипазы С и ДАГ-липазы, продукция арахидоната из материала плазматической мембраны осуществляется, практически во всех ядерных клетках организма и в ряде безъядерных постклеточных структур (кроме эритроцитов), с помощью мощного семейства кальцийзависимых изоферментов, традиционно обозначаемого как фосфолипаза А2.
Образуемые из арахидоната эйкозаноиды являются как внутриклеточными посредниками сигналов (например, влияя на проницаемость ионных каналов клеток), так и координаторами совместного ответа соседних клеток на повреждение. Последний эффект эйкозаноидов как медиаторов, в свою очередь, опосредован через мембранные рецепторы, сопряженные с G-белками и рассматривается ниже в разделе «Повреждения плазмалеммы».
Пострецепторные поломы оказались повинны в тех патологических симптомах, которые издавна известны врачам и составляют основу клинической картины опасных инфекционных заболеваний.
Так, понос и водно-электролитные нарушения при холере вызваны действием холерного токсина, выделяемого вибрионом Мечникова. Данный экзотоксин вызывает АДФ-рибозилирование а-субъединиц Gs-белка в клетках кишечного эпителия, что ведет к «зависанию» этого передатчика сигнала в активном состоянии. В результате избыточной продукции клеткой цикло-АМФ начинается экскреция воды и электролитов в просвет кишечника.
При коклюше экзотоксины бордетеллы стойко связывают а-субъединицы Gi/Go белков в бронхах, а также действуют сами в качестве кальмодулинзависимой аденилатциклазы. Вследствие этого, содержание цикло-АМФ в клетках растет, что обусловливает ряд симптомов, включая снижение бактерицидной активности лейкоцитов и кашель.
При сибирской язве токсин В. anthracis тоже действует как кальмодулинзависимая аденилатциклаза, вызывая отек в кожных очагах поражения и понос при кишечном пути заражения. Персистирующая активация G-белков, особенно, в эндокриноцитах, для которых цикло-АМФ может быть митогенным стимулом, повышает риск опухолевого роста. [122]
Известен коканцерогенный эффект кротонового масла, содержащего активаторы протеинкиназы С — форболовые эфиры. Некоторые из G-белков относят к продуктам онкогенов. Отмечены мутации генов G-белков при многих неопластических заболеваниях эндокринной системы.
Итак, неадекватное использование клеткой своих адаптационных возможностей при ряде наследственных и приобретенных болезней может быть результатом сбоев в работе пострецепторных информационных механизмов.
При многих болезнях клеточные адаптационные программы нормально востребуются информационными системами клетки, однако, сама программа содержит технические или технологические дефекты. Из-за этого она либо не реализуется, либо дает неадекватный или несоответствующий ситуации результат.
Выше мы уже обсуждали, что понимают под технологическими дефектами и техническими ошибками в системах адаптации. При этом большее внимание было уделено проблеме технологического несовершенства адаптационных программ и порождаемого им вторичного самоповреждения.
Теперь кратко остановимся на патологических процессах, порождаемых техническими ошибками в записи клеточных программ или мутациями.
Мутация, в широком смысле этого слова, сама есть не что иное, как стабильное наследуемое повреждение ДНК (М.С.Браун, Дж.Гольдштейн 1994). Мутации лежат в основе общей этиологии наследственных болезней.
Под наследственными понимают заболевания с первичными техническими дефектами в программном аппарате клеток, передаваемые по наследству через гаметы. Конечно, только генеративные мутации (половых клеток) передаются из поколения в поколение. Например, мутация гена, кодирующего соединительно-тканный белок фибриллин, передается потомству и у всех своих носителей вызывает нарушение образования поперечных химических связей, сшивающих коллаген и эластин, что приводит к нестабильности волокон соединительной ткани и проявляется поражениями скелета, глаз и сердечно-сосудистой системы, известными как синдром Марфана. Считается, что только у 30% больных синдромом Марфа на причинная мутация произошла заново. Остальные же унаследовали ее от более дальних предков.
Соматические мутации искажают запись генетической программы в неполовых клетках и, в результате митоза, (бесполого размножения клеток организма, предусматривающего идентичное копирование дочерними клетками материнского генома) передаются всему потомству данной клетки — то есть клону. Соматические мутации, хотя и не передаются потомству организма, имеют большое медицинское значение, так как порождают клональные заболевания. При клональных болезнях в организме живет (а иногда — прогрессирует и конкурирует с другими) самоподдерживающаяся линия клеток с ненормальной программой.
К клональным относятся доброкачественные и злокачественные опухоли, клональную природу имеют лейкозы и другие гемобластозы, а также некоторые болезни тех тканей и органов, где клеточный пул быстро обновляется (например, пароксизмальная ночная гемоглобинурия, макроглобулинемия Вальденстрема и другие болезни крови и иммунной системы).
Наследственные болезни иногда называют семейными. Вместе с тем, термин «врожденная болезнь» в профессиональном языке медиков не равнозначен понятию «наследственная болезнь». Наследственные и врожденные болезни — это 2 частично перекрывающихся множества (рис.17).
Генотип организма формируется в момент зачатия в зиготе и в дальнейшей индивидуальной жизни гены не теряются. Но не все гены одновременно начинают работать — их экспрессия происходит в разные моменты и периоды онтогенеза. [123]
В связи с этим, некоторые наследственные болезни являются одновременно и врожденными: до рождения начинают проявляться муковисцидоз, полидактилия, фенилкетонурия. Но даже в этом случае не все проявления болезни успевают развиться до рождения — так, развитие олигофрении при фенилкетонурии происходит постнатально и требует четыре-пять месяцев.
Многие врожденные болезни не являются наследственными, скажем инфекционные заболевания плода, например токсоппазмоз и сифилис. В этом случае речь может идти о трансплацентарном или чрезгаметном заражении, но болезни остаются приобретенными, то есть решающую роль в их возникновении играют факторы внешней среды. Некоторые приобретенные до рождения заболевания похожи по клинической картине на наследственные врожденные синдромы. Такие болезни именуются фенокопиями. Так, патологическая желтуха у новорожденного может быть обусловлена наследственными нарушениями захвата, конъюгации или экскреции билирубина (например, синдромами Жильбера, Криглера-Наджара, Да6ина-Джонсона и Ротора), но может развиться и как фенокопия вследствие внутриутробного гепатита или ненаследственной атрезии желчных ходов. Наконец, при некоторых наследственных болезнях мутантный ген экспрессируется и дает развернутую клиническую картину только после рождения, порой весьма поздно.
Хрестоматийным является пример хореи Гентингтона, при которой аутосомно-доминантный дефектный ген проявляет себя в конце третьего - начале четвертого десятилетия жизни.
Гораздо более распространенное (особенно, в Скандинавии) заболевание с поздним проявлением мутантного гена — генуинная эмфизема. При данной патологии дефектный ген — аутосомно-рецессивный мутантный ген α-1-антитрипсина — присутствует, конечно, от момента оплодотворения. Дефицит вышеназванного пептида — важного ингибитора ферментов-протеаз (особенно эластазы) может быть обнаружен лабораторно сразу после рождения. Однако, обусловленная этим эмфизема легких требует времени для своего развития. Возникновение эмфиземы — проблема механического запаса эластичности и химического баланса. Химический баланс существует между протеазами и антипротеазными системами бронхолегочного аппарата и, особенно, альвеолярных макрофагов. Механический запас — это соотношение между пружинным резервом легочного эластина и его механическим износом вследствие дыхания, особенно, при форсированном выдохе. У здорового человека механического запаса хватает на много десятков лет, так как протеолитическая «коррозия» легочной пружины во время воспалений сведена к минимуму адекватной работой антитрипсина, как противовоспалительного медиатора (рис.18). [124]
При генуинной эмфиземе химический баланс нарушен с самого начала. Но до рождения плод не совершает дыхательных движений и не имеет, как правило, бронхолегочных воспалений.
После рождения каждый эпизод активации бронхолегочных протеаз (читай — любая респираторная инфекция или респираторный аллергический приступ) будут для больного семимильным шагом к эмфиземе, так как протеолитический удар воспалительных медиаторов не уравновешивается ингибитором, Гомозиготы по дефектному гену, а, по некоторым данным, и гетерозиготы могут сильно ускорить развитие эмфиземы, если начинают курить. Курение выступает по отношению к данному заболеванию в роли выявляющего фактора внешней среды, поскольку табачный дым активирует мощную протеолитическую систему комплемента. В то же время, оттянуть формирование эмфиземы можно путем массированной профилактики респираторных инфекций антибиотиками.
Итак — клиническую эмфизему надо «наболеть и надышать» — и даже в самых тяжелых случаях она не манифестирует ранее 15-20 лет, хотя другие проявления системного дефицита α1-антитрипсина, среди которых выделяется билиарный цирроз печени, при данной патологии могут проявиться и раньше.
У африканского народа пигмеев дети рождаются нормальных размеров, а в постнатальном онтогенезе их рост тормозится, и взрослые являются карликами. Это связано с наследственным дефектом у пигмеев рецептора инсулиноподобного фактора роста 1, контролирующего рост после рождения. Вместе с тем, действие инсулиноподобного фактора роста 2, работающего в пренатальном онтогенезе, не нарушено, в связи с чем наследственная, по сути, карликовость пигмеев не носит врожденного характера.
Следовательно, при генетических болезнях действие причинного фактора может быть отделено от развития заболевания значительным промежутком времени, а фактически — одним или несколькими поколениями предков, так, что, в отличие от других болезней, причинный фактор действует на ДНК предка, а болезнь развивается в организме потомка.
Причинными факторами мутаций служат все агенты, способные повреждать ДНК (рис.19). В то же время, справедливо будет отметить, что вещества, не взаимодействующие с ДНК, не обладают прямым мутагенным эффектом. Нельзя исключить, что в некоторых случаях изменение структуры ДНК может быть вызвано непрямым действием повреждающего агента. Показано, например, что свободные кислородные радикалы, образующиеся в кариоплазме под влиянием квантов радиации, не угодивших непосредственно в мишень ДНК, способны вторично взаимодействовать с молекулярным носителем наследственности и вызывать мутации. [125]
Не только повреждение генома (то есть, верной ДНК), но и мутации плазмона (в частости, митохондриальной ДНК) могут приводить к наследственным болезням.
Поскольку зигота получает митохондрии и соответствующую ДНК от яйцеклетки, наследованне митохондриальных мутаций у чело-иска будет своеобразным — от матери всем потомкам без расщепления. В антропологической генетике сопоставление митохондриальной ДНК давно используется для изучения происхождения этнических групп и, в частности, позволило У.У.Хавеллзу и А.К.Уилсону (1987) установить, что все человечество получило свою митохондриальную ДНК от общего женского предка, жившего сравнительно недавно — около 200 000 лет назад в Африке.
Имеются свидетельства, что ряд болезней человека связан именно с дефектами митохондриальных генов, в частности, некоторые формы spina bifida и так называемые митохондриальные болезни (см. ниже).
Количество болезней, связанных с повреждениями ядерной ДНК, конечно, гораздо больше. По некоторым оценкам, более 20% генов каждого индивида представлены редкими и нетипичными аллелями. К счастью, клинически проявляется меньшинство мутаций, а подобное генетическое разнообразие выгодно для популяций и обеспечивает приспособительный резерв наследственной изменчивости. Не каждая мутация вредна. В биологии имеется даже понятие о полезных мутациях и нельзя не признать, что все адаптивно ценные признаки, закрепленные эволюцией и ставшие элементом видовой реактивности человека, когда-то возникли у первых носителей в результате мутаций. Высокая частота некоторых рецессивных мутаций в популяциях, определенно, указывает на некие, порой неидентифицированные, адаптивные преимущества, имеющиеся в конкретных условиях конституциональной борьбы за существование у их гетерозиготных носителей. Так, ген муковисцидоза у белых имеет частоту 1/22, ген гиперлипопротеинемии IIа типа — частоту 1/50, а во многих популяциях африканских негров не менее 40% индивидов являются носителями различных аномалий гемоглобина и эритроцитов, предрасполагающих к ускоренному гемолизу. Иногда адаптивная ценность мутаций связана с повышением устойчивости к широко распространенным патогенным факторам внешней среды. Например, гетерозиготы по гену серповидноклеточной анемии более устойчивы к малярии, а гетерозотны по гену му-ковисцидоза, по-видимому, имеют высокую резистентность к туберкулезу.
Так называемые супрессорные мутации подгоняют антикодоны транспортных РНК под мутировавшие кодоны информационных, восстанавливая возможность трансляции.
В.П.Эфроимсон (1984) приводит впечатляющие примеры наследственных заболеваний, носители которых проявляют повышенную умственную активность (подагра, синдром Марфана, синдром Морриса). Но справедливо и то, что генетические болезни остаются ведущей причиной слабоумия, мужского бесплодия, первичной аменореи у женщин и многих других состояний, понижающих биологическую полноценность индивидуума. Существует представление об относительной стабильности отдельно взятого гена и низкой вероятности его мутирования. Тем не менее, поскольку геном содержит более 50 000 структурных генов, Н.П.Бочков приводит рассчеты, согласно которым генотип среднего индивида в латентном виде несет не менее 5 опасных мутаций. Известно эмоциональное высказывание Феодосия Добржанского, заметившего как-то, что медицинское ограничение естественного отбора приведет человечество к биологическому закату, а евгенический отбор — к закату моральному. Но сколько ни будь существенное медицинское ограничение естественного отбора в человеческих популяциях, по-видимому, проблема далекого будущего и высказывание выдающегося генетика может быть отнесено, скорее к футурологии. Вопреки распространенному среди непрофессионалов ошибочному мнению о том, что цивилизация вообще и медицина, в частности, уже свели на нет действие естественного [126] отбора в человеческих популяциях, механизм природной селекции продолжает действовать достаточно жестко. Более 50% абортированных плодов имеют грубые генетические дефекты, в то время как среди родившихся живыми младенцев частота хромосомных аномалий не превышает 1%. По данным Ш.Ауэрбах, если учесть пренатальный отбор, то не более 1/3 всех оплодотворенных зигот принимает участие в формировании каждого следующего поколения.
И все-таки, генетически обусловленные заболевания вызывают, например, в США до 15% госпитализаций только в педиатрические клинические больницы. Если же включить в эту статистику и лиц, больных полигенными заболеваниями с поздним проявлением, обусловленными сочетанным действием генов и среды, то, по мнению Боде и Бальябио, этот показатель дойдет до 60%. В ранний период развития медицинской и популяционной генетики, в конце 19-го — начале 20-го века тезис об отсутствии или критическом ослаблении отбора в человеческих популяциях породил у части генетиков опасение, что человеческая порода вследствие этого деградирует. Основателем антропологической генетики Ф.Гальтоном (1822-1911) был предложен термин «евгеника» для обозначения научно-практической доктрины, улучшающей человеческую породу путем искусственного отбора.
Упрощенное толкование законов классической генетики, существовавшее до формирования представлений о полигенном наследовании, создавало у генетиков впечатление, что слабоумие и другие дезадаптирующие наследственные синдромы моногенны и подчиняются законам Менделя (Р.Паннетт, 1917; Г.Годдард 1917). В связи с этим, видные генетики того времени (Э.М.Ист, Р.А.Фишер, X.Нильсон-Эле, Э.Бауэр) пришли к выводу о возможности сильно уменьшить частоту этих болезней путем стерилизации и ограничения размножения носителей патологических генов. Ч.Давенпорт в 1912 году полагал возможным избавиться от дефектных генов за одно поколение генетической изоляции их носителей. Р.Паннетт, в частности, считал возможным евгеническими методами обеспечить редукцию частоты слабоумия со скоростью не менее 11% за одно поколение. Евгенические идеи приобрели в этот период широкую научную известность и общественную популярность. Так, в 1918 году П.Попеноэ и Р.Джонстон писали: «Лишь немногие в наше время согласятся с тем, что двум слабоумным или эпилептикам принадлежит некое «право» жениться и увековечить [127] свою породу, поэтому эту точку зрения не стоит даже оспаривать». В докладе 1914 года Американскому обществу селекционеров Г.Лафлин выразил кредо евгеники так: "Общество должно рассматривать зародышевую плазму как общественное достояние, а не просто собственность индивида, который является ее носителем». Подобной степени обобществления не требовал даже Манифест коммунистической партии К.Маркса и Ф.Энгельса (1848), авторы которого прямо отмежевались от идеи «общности жен»! Вот уж, поистине, евгенический социализм. В тридцатых годах идея перешла в плоскость практической реализации. Стерилизация была узаконена в нацистской Германии (1933), в Бриганской Колумбии (Канада, 1933), в Дании добровольно — с 1929, а «для пользы общества» — с 1934), в Норвегии (1934), Швеции 1934), Финляндии (1935), Эстонии (1936), Исландии (1938). В сороковых годах активную государственную евгеническую политику проводили нацисты. Интересно, что, по данным У. Дейчманна и Б.Мюллер-Хилла (1994) среди ученых Германии наибольший процент членов национал-социалистской партии был именно у представителей медико-биологических наук.
Лишь немногие видные генетики открыто и последовательно выступали в эту эпоху против модной евгеники. Дж.Б.С.Холдейн называл ее «образчиком ярого американизма» и указывал на то, что закон Харди-Вайнберга предсказывает столь медленный темп устранения гетерозигот из популяции, что с надеждами добиться евгеническими мерами значимого эффекта для общественного здоровья в реальные сроки можно расстаться. К этому можно добавить мультифакториальность наследования большинства распространенных серьезных заболеваний, возникновение мутантных аллелей в популяции заново, и, наконец, соображение о продолжении действия отбора в популяциях человека, приведенное выше.
Аллели уникальной потенциальной ценности могут находиться в разнообразных сочетаниях с патологическими генами у гетерозигот, поэтому попытка быть умнее природы может стоить популяции потери многих ценных генов.
Когда все эти соображения были оценены медиками, евгеника вышла из моды, и возобладало убеждение, что «размножение должно оставаться частным делом в контексте уважения медицинских прав пациента» (Д.Пол, X.Спенсер, 1995). Если генетика — основа индивидуальности человека, значит только индивид может, в меру своего естественного несовершенства и неизбежной погрешимости, правильно решать вопросы судьбы той части генофонда, которой он располагает (или, лучше сказать, которая располагает им!).
Возможно, открытие в 90-х годах аллелей, связанных с высоким интеллектом и, наоборот, предрасположенностью к таким социальным недугам, как наркомания, обострит интерес к евгенике вновь. С точки зрения основной проблемы, обсуждаемой нами — проблемы несовершенства организма — евгенические устремления психологически понятны. Это попытка с помощью главного преимущества человека — интеллекта исправить ту погрешимость, которая органически присуща биологии Homo sapiens.
Наследственные дефекты - результат повреждения мутагенами ДНК (см. рис.19).
Наиболее важные мутагены — химические (например, интеркалирующие агенты, цитостатики), физические факторы (радиация), биологические агенты (вирусы).
Вместе с тем, как при любом заболевании, одного действия причинного фактора недостаточно для развития наследственной болезни. Необходимы определенные условия и соответствующее состояние реактивности организма.
Мутация еще не означает наследственного заболевания и не равнозначна этому понятию.
Выше при рассмотрении общей этиологии болезней уже отмечалось, что условия и реактивность организма могут отменить действие причинного фактора и развитие болезни.
Это справедливо и для болезней наследственных, в развитии которых мутация необходима, но не достаточна. [128]
Во-первых, биологические антимутационные защитные механизмы, присущие реактивности здоровых индивидов, способны исправлять или нейтрализовать мутации, либо ликвидировать мутантные клетки.
Во-вторых, генетический аппарат обладает определенной надежностью, в силу чего не каждое повреждение структуры ДНК оборачивается клинически значимыми последствиями.
В-третьих, выявление многих мутаций возможно только при переходе порогового уровня воздействия определенных факторов внешней среды. Так, алактазия проявляется виде расстройства кишечника лишь у тех гомозиготных носителей дефектного гена лактазы, которые пьют молоко (рис.20).
И, наконец, в-четвертых отбор генов и дрейф генов могут устранять мутантный аллель из популяции, предохраняя следующие поколения от болезни.
Определенные предпосылки стабильности и консерватизма генома связаны с самой его структурой. Двойной характер спирали ДНК расценивается молекулярной генетикой как фактор увеличивающий надежность хранения генетической информации, так как при однонитевом повреждении сохраняется возможность восстановить программную запись по ее антисмысловой реплике.
Широко известно свойство вырожденности. присущей генетическому коду. Кодоны, отличающиеся между собой в третьем знаке, шифруют одну и ту же аминокислоту. Например, после двух остатков цитозина (СС*) третий нуклеотид может быть любым — и система белкового синтеза все равно читает кодон как пролиновый и синтезирует нормальный коллаген. Не будь генетический код вырожденным, количество мутаций, дающих наследственные болезни было бы существенно большим.
Диплоидность соматических клеток организма тоже рассматривается как факгор дополнительной надежности. Благодаря эффекту Мэри Лайон, в диплоидных соматических I клетках активна, как правило, одна из каждой пары гомологичных хромосом. Какая именно — отцовская или материнская — определяется по случайному принципу. При высокой степени гетерозиготности, присущей большинству индивидов, это создает для пула клеток дополнительный выбор доступных программ адаптации. Если одна из хромосом несет дефектный аллель, то, по крайней мере в половине клеток, произошедших от данной клетки, работать будет его нормальный аналог.
Не случайно большинство наследственных энзимопатий рецессивны: один мутантный гея создает лишь 50% дефицит фермента, что может быть неощутимо, так как для множества ферментативных реакций организм в состоянии поднять концентрации субстратов в 2 раза и восстановить нормальную производительность данного метаболического пути, в целом. Именно поэтому, например, гетерозиготные носители фенилкетонурии не имеют симптомов болезни (Дж.Гольдштейн, М.Браун. 1994).
В случае повреждения ядерной ДНК вступают в действие биохимические механизмы ее восстановления. Они вырезают поврежденный участок, восстанавливая должную последовательность ДНК по матрице комплементарной цепи, если последняя сохранена.
Данный процесс сложен и требует участия четырех энзимов: эндонуклеазы, вырезающей поврежденный участок, экзонуклеазы, разрушающей [129] дефектную цепь, ДНК-полимеразы, синтезирующей восстановленную последовательность и лигазы, вклеивающей ее на место.
По мнению Дж. Хофмана (1990), этот защитный механизм достаточно мощен и позволяет исправить до 95% спонтанных мутаций, включая однонитевые дефекты и, возможно, наименее тяжелые двунитевые повреждения. Однако, при двунитевых разрывах его действие затруднено отсутствием антисмысловой матрицы. К тому же, не исключено, что работа данного механизма не всегда приводит к прецизионной сшивке вновь синтезированного фрагмента ДНК и остатков старой цепи «конец в конец». Если же при этом происходит какая-либо транслокация фрагмента ДНК, то подобное событие само может привести к изменению экспрессии генов и нежелательным последствиям — именно путем транслокации активируются некоторые протоонкогены, например с-myc, ответственный за развитие злокачественной лимфомы Беркитта.
Несмотря на свое несовершенство, репа-разный механизм представляет собой заслон от мутаций, значение которого трудно переоценить. Сама природа убеждает в этом с помощью трагических примеров наследственных болезней, при которых восстановление повреждений ДНК в тех или иных клетках не осуществляется или понижено.
Подобные нарушения объединяются под названием синдромов хромосомной нестабильности. К ним относятся пигментная ксеродерма, врожденная аутосомно-рецессивная апластическая анемия Фанкони, атаксия-абазия-телеангиэктазия и синдром Блума.
При всех этих заболеваниях репаразная система имеет ферментативные дефекты, в частности, при анемии Фанкони и пигментной ксеродерме — дефект гамма-эндонуклеазы.
Результатом является многократное увеличение частоты соматических мутаций. У больных выявляются клоны клеток, несущих хромосомные аберрации. Летальные мутации обуславливают клеточную гибель, которая, например, вызывает аплазию костного мозга, малокровие, лейкопению и тромбоцитопению у пациентов с анемией Фанкони.
Резко снижается толерантность к мутагенам, например, при пигментной ксеродерме — к ультрафиолетовым лучам. Значительно возрастает вероятность озлокачествления и опухолевой трансформации клеток. Так, при пигментной ксеродерме резко повышается риск рака кожи, анемия Фанкони и атаксия-телеангиэктазия считаются предлейкозными заболеваниями, а при синдроме Блума часто встречаются все наиболее распространенные формы рака, в особенности, органов желудочно-кишечного тракта.
Предполагают, что дефекты рассматриваемого антимутационного механизма служат одним из факторов патогенеза прогерии, сопровождаемой преждевременным старением.
Если мутация не была исправлена биохимически, и возник мутантный клон клеток, дальнейшее развитие болезни может быть предотвращено путем остановки размножения дефектных клеток. Одновременно с активацией репараз, в клетках, претерпевших повреждение ДНК, активизируются специальные гены, вызывающие остановку клеточного цикла. Один из продуктов таких генов — белок р53. Мутации, поражающие ген этого белка, нередко обнаруживаются в опухолевых клеточных клонах, что свидетельствует о важной защитной роли запрограммированной остановки размножения дефектных клеток для предотвращения онкологических заболеваний.
Если мутантный клон продолжает пролиферировать — встает задача истребления клеток с аномальным программным аппаратом. Эту задачу решает иммунная система.
Мутантные клетки подвергаются атаке специфически сенсибилизированных опухолевыми антигенами CD-8 -положительных лимфоцитов-киллеров, противоопухолевых антител, стимулированных антителами макрофагов и нормальных киллеров (NK-клеток).
Иммунологический, механизм устранения мутаций не менее значим, чем биохимический. У носителей врожденных иммунодефицитов частота клональных заболеваний, вызванных мутациями, возрастает в сотни раз. [130]
По-видимому, его роль особенно велика в борьбе с последствиями соматических мутаций, хотя не исключено, что и спонтанные выкидыши плодов с последствиями генеративных мутаций имеют, отчасти, иммунологический механизм.
К сожалению, мутантные клетки, например, опухолевые могут ускользать от иммунологического надзора. Какие же принципиально могут быть повреждения в структуре ДНК? Виды мутаций разнообразны.
Минимальное мутагенное повреждение ДНК связано с заменой одного азотистого основания на другое. Это так называемые точковые мутации. Одно или несколько азотистых оснований могут быть помещены в нормальный ген (вставка) или утрачены им (делеция). Выделяют инверсию участков генов, их транслокацию на другие гены, а также дупликацию.
Смысловые последствия этих мутаций для исполнения клеточных программ белкового синтеза могут быть различными.
Миссенс-мутации происходят в генах, кодирующих полипептиды (экзонах) и заключаются в нуклеотидных заменах, приводящих к синтезу полипептидных цепей с аминокислотными заменами. Классическим стал пример серповидноклеточной анемии, первой болезни, которую Лайнус Полинг назвал «молекулярной». Миссенс-мутация с заменой кодона СТС в гене β-глобина на САС ведет к подмене глютаминовой кислоты в β-глобиновой цепочке гемоглобина S — валином.
При нонсенс-мутациях экзонов кодон аминокислоты меняется на один из стоп-кодонов — особых знаков препинания в генетическом коде, терминирующих трансляцию.
Так, замена в том же гене β-глобина кодона глютамина CAG на стоп-кодон UAG преждевременно остановит синтез бета-цепи глобина и последняя разрушится. Результатом будет синтез гемоглобина, лишенного бета-цепей, что ведет к особой наследственной гемолитической анемии (бета-ноль талассемии).
Интроны или некодирующие последовательности в геноме эукариот перемежаются с экзонами и содержат «служебную информацию», необходимую для работы ядерных ферментов и биорегуляторов с генами внутри ядра, в частности, промоторы и энхансеры. разрешающие или усиливающие транскрипцию соседних экзонов. Интроны списываются при первичной транскрипции и их копии находятся в составе гетерогенных ядерных РНК, но при редактировании последних происходит вырезание копий интронов и сшивка (сплайсинг) копий экзонов в единую информационную РНК. Так как экзоны часто кодируют последовательные пептиды из состава одного белка, точное вырезание интронов и сплайсинг могут быть очень важны для правильной реализации программы белкового синтеза.
Мутации интронов, казалось бы, не затрагивают напрямую генетический код белков. Однако, за счет нарушения вышеописанного редактирования первичного транскрипта они тоже могут обуславливать наследственные болезни. Внешне это выглядит как изменение скорости синтеза определенных полипептидов.
Именно такие мутации интронов ответственны за наибольшее число случаев бета-талассемии. При мутировании промотора в интроне транскрипция данного экзона будет подавлена.
При мутировании места соединения нитрона с экзоном сплайсинг нарушается и бета-глобин, матричная РНК которого должна быть сшита из трех фрагментов экзоновых копий, не синтезируется вообще (бета-ноль талассемия). При локализации повреждения в середине интрона там создаются новые точки прикрепления ферментов сплайсинга, и параллельно происходят нормальный и патологический сплайсинг. При этом развивается бета-плюс талассемия.
При делеции или вставке хотя бы одного нуклеотида происходит сдвиг рамки считывания, то есть последующие кодоны будут читаться начиная с вставленного нуклеотида или нуклеотида, следующего за делетированным. При этом нарушится трансляция, и в полипептидной цепи могут появиться замены несколь ких идущих подряд аминокислот или, если специальное считывание привело к созданию стоп-кодона, наблюдается обрыв транскрипции цепи. Итак мутации могут нарушать транскрипцию, слайсинг или трансляцию, прекращать или продолжить синтез определенного белка или приводить к синтезу белковых молекул с поломками в первичной структуре.
Среди развивающихся в результате мутаций наследственных болезней традиционно выделяют три подгруппы.
Моногенные наследственные заболевания представляют у каждого пораженного индивида результат мутации одного гена. Так как каждый такой конкретный ген имеет строго определенную локализацию в той или иной хромосоме и определенные свойства, все мохромосомные заболевания подчиняются законам классической генетики, сформулированным Г.Менделем (1865) или, как говорят, «менделируют». Для моногенных наследственных заболеваний , в том случае, если мутация не возникла впервые у родителей пациента-пробанда генеалогическое исследование выявляет один из трех типов наследования: аутосомно-доминантный (когда признак фенотипически проявляется даже у гетерозигот — при наличии в неполовых хромосомах хотя бы одного мутантного гена), аутосомно-рецессивного (когда мутантный ген, локализованный в неполовых хромосомах, находит фенотипическое проявление только при условии гомозиготности — если в искомом локусе оба аллеля мутантны), или, наконец, сцепленное с полом наследование (когда мутантный ген находится в X либо в Y-хромосоме). Примеры родословных, типичных для этих видов наследования, отражены на рис.21.
Наследование, сцепленное с полом нельзя смешивать с явлением ограничения экспрессии определенных мутантных генов полом. Так. ген почечного несахарного диабета, обусловливающий резистентность клеток собирательных трубок нефронов к действию вазопрессина, локализован в Х-хромосоме, в связи с чем данная болезнь наследуется рецессив, [131] но, сцепленно с полом, поражая почти всегда мужчин.
Облысение, как известно, тоже мужская болезнь. Среди женщин случаи алопеции так редки, что заглавие известной пьесы Эжена Ионеско «Лысая певица» звучит эпатажно.
Однако ген, предопределяющий раннее облысение локализован аутосомно, и лысость нельзя считать сцепленной с полом. Ген алопеции— аутосомно-доминантный, причем его экспрессия зависит от уровня андрогенов, производство которых контролируется другими генами.
Поэтому у женщин ген проявляется только в исключительных случаях — при высоком уровне андрогенов, например, в результате гормонообразования в андрогенпродуцирующих опухолях яичника или надпочечника.
Таким образом, ограниченное полом наследование — не что иное как аутосомно — доминантное наследование в условиях пермиссивного влияния половых гормонов.
Ряд заболеваний (пигментный ретинит, альбинизм, перонеальная мышечная атрофия, спастическая параплегия) наследуются в одних семьях аутосомно-доминантно, в других-аутосомно-рецессивно, в третьих — сцепленно с полом. В подобных случаях говорят о существовании генокопий. При генокопиях мутации разных генов ведут к сходной или идентичной клинической картине. Механизмы генокопий и гетерогенности наследственных болезней обсуждаются в разделе их патогенеза.
В настоящее время описано не менее 2500 различных моногенных наследственных болезней, подавляющее большинство которых встречается весьма редко (Л.О.Бадалян и соавт, 1971, 1980).
Другая группа, наоборот, включает практически все наиболее важные и широко распространенные болезни, с которыми врач встречается едва ли не каждодневно. Это полигенные или мультифакториальные наследственные болезни. Для этих заболеваний вопрос о типе наследования не может быть решен на основе законов Менделя. Развитие [132] [133] каждого из них зависит от сложения действия нескольких неаллельных генов. Так как среди тих генов могут быть доминантные и рецессивные, сцепленные с полом и аутосомные, то по отношению к ним вышеперечисленные представления о стандартных типах наследования неприменимы. Наследование подагры, например, обусловлено двумя генами, один из которых. аутосомный, а другой сцеплен с потом. Во многих случаях ситуация еще сложнее. Так, наклонность к развитию алкоголизма зависит от генов, обуславливающих низкую наивность продукции ренина, генов, контролирующих синтез эндогенных опиоидов и гена алкогольдегидрогеназы. Вероятность развития анафилактических реакций зависит от большой группы генов, среди которых доминантный аутосомный ген, детерминирующий спонтанно низкую продукцию иммуноглобулинов класса Е, гены, ответственные за экспрессию гистаминовых рецепторов 1 и 2 типа, аллели главного комплекса гистосовместимости, влияющие на интенсивность супрессии и неидентифицированные гены, ответственные за высокую скорость гликозилирования реагиновых клеточных рецепторов 2 типа.
Ранее подобные заболевания характеризовались как болезни с наследственной предрасположенностью. Прогресс генетики позволил выделить аддитивно-полигеннное наследование с пороговым эффектом, как особый, характерный для мультифакториальных заболеваний тип наследования и даже количественно оценивать вклад различных факторов риска в развитие мультифакториальных болезней. Безусловно, учение о мультифакториальном наследовании является заслугой конституционального и кондиционального подходов в патологии (см. выше главы «О кондиционализме» и «Конституция — важнейшая форма групповой реактивности»).
Пороговый эффект при данных болезнях оказывает некий лимитирующий фактор внешней среды, адаптация к которому контролируется данной группой генов (например, солевая нагрузка — если речь идет о мультифакториальном наследовании гипертензии, алкоголизация — если рассматривается мультифакториальная природа алкоголизма, содержание насыщенных жиров и холестерина в диете — если речь идет о гиперлипопротеинемии 5 типа).
Самые разные заболевания, крайне часто встречаемые врачами различных специальностей, относятся к этой группе. Здесь шизофрения и сахарный диабет, псориаз и заячья губа, врожденные пороки сердца и пилоростеноз, «волчья пасть» и ишемическая болезнь сердца, алиментарно-конституциональное ожирение и эпилепсия, биполярный психоз и алкоголизм (рис.22, а также см. рис.10).
Отметим, что с учетом мультифакториального наследования нет болезней, в развитии которых наследственность вообще не играла бы никакой роли. Котран и Кумар приводят в качестве примера исключительно экзогенного заболевания автомобильную травму. Но даже и в этом случае, при одинаковом характере и степени повреждений процесс развивается и выздоровление протекает у разных больных индивидуально. Поскольку реактивность индивида участвует в развитии любой болезни и задается, в основном, нормой реакции его генов — влияния наследственного фактора ни одна болезнь не избегает. Итак, рассматривая этиологию болезней, вызванных прямым повреждением наследственных программ клеток, мы пришли к парадоксальному выводу: нет болезней, на 100% определяемых одной наследственностью, но нет и болезней, для которых она совсем несущественна.
Третья группа генетических нарушений включает хромосомные аберрации (в зарубежной литературе — цитогенетические расстройства). Это аномалии числа и структуры [134] хромосом. Данные нарушения кариотипа, в отличие от генных мутаций, могут быть зарегистрированы микроскопически. Только очень большие аномальные фрагменты ДНК, содержащие порядка 4 миллионов пар азотистых оснований, видны под микроскопом.
Кратное 23 изменение числа хромосом именуют эуплоидией. Как пример, у человека описана триплоидия 69ХХУ, сопровождаемая гидроцефалией, пороком сердца, синдактилией, половым и интеллектуальным недоразвитием и ранней смертью.
Некратное изменение числа хромосом — анеуплоидия — чаще всего возникает вследствие нерасхождения хромосом или запаздывания хромосомы при анафазном движении, что ведет к ее потере вне ядра. Анеуплоидия может проявляться трисомией или моносомией по какой-либо паре хромосом.
При нерасхождении в гаметогенезе возникают трисомии и моносомии в зиготах. Анафазное запаздывание в гаметах дает моносомии в зиготах.
Нерасхождение хромосом и запаздывание в анафазе возможны и при митозе соматических клеток на ранних стадиях развития зародыша. В этих случаях, составляющих от 1% до 10% всех наблюдений могут возникать явления мозаицизма, когда у индивида только часть клеток несет хромосомную аберрацию.
Тяжесть проявлений при мозаицизме как правило, значительно меньше, чем при мейотическом поражении. Мозаицизм по аутосомам встречается реже: чем по гоносомам.
В силу грубых и множественных нарушений генетических программ, возникающих при хромосомных аберрациях из-за вовлечения тысяч генов, большинство из них детальны. Совместимы с жизнью лишь моносомии и трисомии, вовлекающие сравнительно небольшие по размерам гоносомы (см. рис.23) и 21 пару хромосом (синдром Дауна). При этих заболеваниях продолжительность жизни варьирует от нормальной (при некоторых аномалиях числа гоносом) до 30 лет (при выраженном синдроме Дауна). [135]
Трисомии по 13 и 18 паре хромосом (соответственно, синдромы Патау и Эдвардса) характеризуются настолько тяжелыми и множественными врожденными пороками развития, что их носители редко живут дольше года.
Так как большинство случаев хромосомных аберраций связано с нерасхождением хромосом при овогенезе (для синдрома Дауна материнское происхождение лишней хромосомы доказано в 80% случаев), вероятность большинства этих синдромов сильно возрастает по мере увеличения возраста матери. Для случаев, обусловленных мозаицизмом, данная закономерность отсутствует.
Помимо (или наряду) с аномалиями числа хромосом, возможны изменения их строения.
Это, в первую очередь, различные транслокации. При робертсоновских транслокациях акроцентрические хромосомы сливаются своими центромерами. Возникает одна очень большая и одна маленькая хромосомы. Последняя может теряться при делении.
При сбалансированных реципрокных транслокациях хромосомы меняются симметричными участками. При образовании изохромосомии центромера делится не вдоль, как положено, а поперек, и формируются хромосомы, имеющие два идентичных длинных и два идентичных коротких плеча. При инверсии отделившийся в результате двух разрывов участок хромосомы пришивается назад инвертированным. Во всех этих случаях генетический материал не теряется или теряется в незначительной степени — и поэтому клинически их носители здоровы. Любые подобные нарушения, однако, могут осложнить гаметогенез и привести к образованию половых клеток с нарушенным кариотипом.
При делециях хромосом последствия, как правило, более серьезны. Делеции могут быть концевые, внутрихромосомные и кольцевые — когда делегируются противоположные концы, замыкаемые репаразной системой в кольцевидную хромосому.
После делеций могут возникать серьезные аномалии, связанные с утратой генетических программ и аномальным поведением видоизмененных хромосом при делении.
Делеция короткого плеча 5-й хромосомы приводит к возникновению характерного «синдрома кошачьего крика», распознаваемого у новорожденных по особому тембру плача. Это нарушение сопровождается умственной отсталостью, гидроцефалией и, часто, врожденными пороками сердца и атавистическими чертами лица (эпикантус). Синдром Ди Джорджа (см. раздел «Иммунодефициты») вызывается делецией участка короткого плеча 22-й хромосомы.
В заключение рассмотрения общей этиологии хромосомных аберраций отметим, что у большинства пациентов они развиваются в первом поколении. Если аберрация связана с гаметогенезом родителей или с митотическими нарушениями у зародыша и мозаицизмом — то она не наследуется. Наследование многих подобных синдромов невозможно и из-за бесплодия или пониженной жизнеспособности их носителей. Однако, нельзя сказать, что они рассматриваются среди других наследственных болезней только по традиции.
Дело в том, что любые вновь возникшие хромосомные аномалии при мейозе затрудняют правильное перераспределение хромосом, поэтому семейный характер может иметь сама склонность к разнообразным нарушениям гаметогенеза. Повышенная ломкость хромосом характеризует вышеописанные наследственные синдромы дефицита репараз. Кроме того, изредка, например, при синдроме Дауна, вызванном транслокацией длинного плеча 21-й хромосомы на 14-ю или 22-ю хромосому (4% всех случаев), аберрация наследуется от одного из родителей, чаще всего, от матери с робертсоновской аномалией.
В 1909 году А.Гарод на примере алкаптонурии разработал классическую концепцию метаболического блока, как основы патогенеза наследственных нарушений обмена веществ. В 1941-1944 годах американские ученые Дж.У.Бидл и Э.Л.Тейтам сформулировали [137] свой знаменитый принцип, перекинувший мостик между классической и биохимической генетикой — с одной стороны, и клиникой наследственных болезней, с другой.
В исходном варианте принцип Бидла-Тейтама звучит, как «один ген — один фермент — один признак (симптом)».
Согласно концепции метаболического блока, при наследственном заболевании имеется дефицит белка-фермента. Это ведет к нарушению определенной биохимической реакции. Создается избыток вовлеченного в эту реакцию субстрата. Часть его может выделяться из организма или откладываться в тканях «болезни накопления» или тезаурисмозы). Избыток субстрата может вовлекаться в альтернативные превращения, давая такие продукты, которые отсутствуют или имеются лишь в виде следов в норме. Помимо избытка субстрата и действия альтернативных продуктов (которые могут быть токсическими), часть симптомов наследственных болезней порождается нехваткой конечных продуктов блокированной реакции и подавлением реакций, следующих в цепи превращений за блокированным этапом.
Классическая концепция обменного блока хорошо объясняет симптомы многих наследственных болезней. Например, большинство случаев фенилкетонурии сопровождается дефицитом печеночного фермента фенилаланин-4-гидроксилазы. В полном соответствии с концепцией Гарода, это ведет к резкому увеличению концентрации фенилаланина в крови. Недостаток превращения фенилаланина в тирозин и подавление избытком фенилаланина активности тирозиназы поведет, в конечном итоге, к дефициту тирозиновых и триптофановых производных, включая пигмент меланин (что делает кожу, глаза и волосы больных светлыми), а также катехоламины (что проявляется гипотензией) и серотонин (что имеет отношение к развитию эпилептиморфных «салаамовых судорог». Избыток фенилаланина метаболизируется обходными путями, повышается концентрация его альтернативных продуктов метаболизма, избыток которых выводится с мочой (фенил-пировиноградная и фенилмолочная кислоты, фенилацетилглутамин). При этом образуются метаболиты, практически отсутствующие в норме (фенилэтиламин, ортофенилуксусная кислота). Эти соединения рассматриваются, как нейротоксины и способны нарушать метаболизм липидов в мозге. В сочетании с дефицитом некоторых нейромедиаторов этот механизм считают ответственным за прогрессирующее снижение интеллекта у больных фенилкетонурией.
Современная трактовка принципа Бидла-Тейтама и положений Гарода о метаболическом блоке сильно изменилась по сравнению с оригинальной, поскольку появилось много новых данных, не укладывающихся в классическую схему.
Вкратце, их можно резюмировать следующим образом.
1.Не все гены кодируют белки. Некоторые из них кодируют транспортные и рибосомальные РНК. Теоретически, мутации этих генов должны вызывать генетические болезни без первичного нарушения в структуре белков — за счет аномалий в структуре транспортных РНК и рибосом. Практически, вероятно из-за большой тяжести таких нарушений, они легальны и их клиника не описана.
2.Не все белки, кодируемые генами — ферменты. Множество наследственных болезней не связано с дефектом какого бы то ни было фермента, так как при них поражаются гены, кодирующие неэнзиматические белки. Функции белков в клетке, кажущиеся весьма разнообразными, на деле могут быть сведены к двум основным: либо белок ускоряет какую-то химическую реакцию (каталитическая функция), либо он распознает и связывает по комплементарному принципу какую-то другую молекулу (распознающая функция). Последняя даже более универсальна, так как все ферменты распознают свои субстраты, но не все распознающие белки каталитически активны. Поэтому метаболический блок не обязательно развивается как блок ферментативный (каталитический). Это может быть и результат [138] блока информационного (когда дефектный белок не распознает или не распознается). Некоторые примеры таких наследственных нарушений были даны выше при рассмотрении рецепторных болезней.
3.Один белок кодируется чаще всего не одним геном, а несколькими, причем каждый ответственен за структуру одного полипептида в составе белка. Это создает основу для неаллельной гетерогенности наследственных болезней, когда мутации в различных генных локусах ведут к разным дефектам одного и того же белка. Например, синдром Леша-Нихена, характеризующийся у мальчиков умственной отсталостью, центральными спастическими параличами, хореоатетозом, гиперурикемией, артритом и уролитиазом, а также мазохистским поведением (больные кусают сами себя), вызван рецессивными сцепленными с Х-хромосомой дефектами гипоксантин:гуанин-фосфорибозилтрансферазы. Снижение активности этого фермента наблюдается и при семейной подагре. Но клиническая картина подагры сильно отличается от синдрома Леша-Нихена, несмотря на наличие общих симптомов (артрит, уролитиаз). Так, умственная активность у подагриков, наоборот, повышена.
Кроме того, в различных семьях дефект фермента проявляется в его неспособности метаболизировать различные субстраты (преимущественно, гуанин или преимущественно, гипоксантин), а ферментный белок в различных случаях проявляет разные физико-химические свойства (термолабильность или термостабильность).
В функциональном отношении, в составе белков-ферментов выделяют каталитический участок, аллостерический участок и якорный участок, имеющие разные функции и кодируемые разными генами. У распознающих белков (например, иммуноглобулинов) имеется вариабельная и константная часть. Патогенез наследственных болезней различается как при поражении генов, кодирующих функционально различные белки, так и при дефектах генов, шифрующих их функционально разные участки.
4. Гены в генотипах взаимодействуют, и, в силу этого, существует явление плейотропии — множественного действия гена. Для наследственной патологии это означает, что нельзя отождествлять одну нарушенную биохимическую реакцию с одним признаком болезни. Метаболические связи данной реакции могут привести к тому, [139] что ее нарушение проявится в обмене веществ сразу многими эффектами (см. также дополнительные данные на рис.24).
Рассмотрим классификацию патогенетических вариантов наследственных нарушений метаболизма (по Е.Л.Розенфельду, 1980).
В первую очередь, коснемся наследственных болезней, поражающих белки-ферменты см. рис.25).
Если мутация затрагивает структуру или скорость считывания гена, кодирующего пеп-тид каталитического участка фермента, то наиболее вероятным патогенетическим последствием будет снижение или утрата активности фермента. Если активность фермента падает более, чем на 50% это проявляется клинически в виде симптомов типа классического метаболического блока, описанного выше. Примером может служить болезнь Тея-Сакса, семейная амавротическая идиотия, носительство которой весьма распространено среди евреев-ашкенази (частота мутантного аллеля до 1/30). При этом заболевании дефект каталитического участка поражает фермент гексозаминидазу А, что наблюдается во всех тканях и ведет к накоплению в ряде клеток ганглиозида Gm2.
Если мутация вовлекает аллостерический участок фермента, предназначенный для его взаимодействия с регуляторами ферментативной активности (например, гормонами), то базальная активность фермента может не страдать. Однако энзим делается нечувствительным к аллостерическим регуляторам. При этом он может не увеличивать свою активность в ответ на соответствующие стимулы. Тогда его дефицит будет неощутим при обычном состоянии обмена веществ, но проявится при метаболической нагрузке, когда посттрансляционные регуляторы не смогут усилить его активность.
Вследствие мутаций регуляторного участка возможна и утрата способности к ингибированию фермента. Широко известны липомы — клональные доброкачественные опухоли из адипоцитов. Иногда они достигают громадных размеров (до 14кг) и их клетки содержат весьма много жира. При липоматозе клетки несут соматическую мутацию в гене регуляторного участка фермента фосфофруктокиназы. Фосфофруктокиназа в мутантных клетках высокоактивна, что, казалось бы, противоречит классической концепции метаболического блока. Однако, если нормальный фермент ингибируется избытком жирных кислот, что обеспечивает ограничение перехода углеводов в жиры по принципу отрицательно» обратной связи, то дефектная фосфофруктокиназа липоматозных клеток лишена этой способности. Поэтому мутантные клетки синтезируют жир в аномально больших количествах.
Особый случай представляет нарушение в структуре гена, кодирующего якорный участок молекулы фермента. При этом фермент перестает опознаваться транспортной системой клетки или не взаимодействует с распознающим белком, который должен заякорить его в нужном отсеке клетки. (авторы приносят извинения за внезапно нахлынувшую волну морских терминов — просто не хотелось употреблять тяжеловесные «анкерный пептид» и «компартмент»).
При муколипидозе 2 типа — тяжелом наследственном заболевании, проявляющемся отставанием в умственном развитии и костными деформациями — значительно снижена лизосомальная активность ряда ферментов-гидролаз, в то же время их количество в сыворотке крови увеличено во много раз. Ферменты сохраняют свою активность и, следовательно, их активные центры не затронуты мутацией. Однако, повреждены их якорные участки, не содержащие нормального количества углеводных остатков. Углеводные остатки образуют на белковых молекулах, транспортируемых в клетке и между клетками специальный олигосахаридный адресный код, определяющий направление транспорта того или иного белка и скорость его захвата различными клетками и/или органоидами. При нарушении состава этих якорных участков лизосомы перестают узнавать и удерживать гидролазы и ферменты теряются. Дальнейшие метаболические расстройства зависят как от действия ферментов в несвойственном им месте, [140] так и от того, что субстраты этих энзимов, которые продолжают транспортироваться в лизосомы, не встречаются там с ферментами, не метаболизируются и формируют лизосомальные включения (откуда второе название этой болезни — Inclusion cell disease).
Не менее разнообразны и патогенные последствия мутаций генов распознающих белков (рис.26).
Классическим примером может служить-описанная выше в разделе «Нарушения рецепции сигналов» семейная наследственная гиперхолестеринемия Па типа, при которой клетки становятся «слепы и глухи» к проникающему в них избытку холестерина.
Перенос субстратов через клеточные мембраны и внутри клетки — между ее отсеками — нередко требует участия специфических транспортеров — пермеаз, по сути представляющих собой разновидность распознающих белков.
Дефекты пермеаз могут приводить к нарушению метаболизма вследствие потери субстратов или их разобщения с ферментами. Большая и клинически значимая группа заболеваний этого типа связана с нарушением почечного и кишечного транспорта аминокислот. В нефрологии они служат основой развития так называемых тубулопатий. а в гастроэнтерологии — проявляются избирательной мальабсорбцией.
Описано 10 транспортных аминоацидопатий. 5 из них вызваны аномалиями группоспецифическнх транспортных рецепторов и вовлекают каждая несколько близких по строению аминокислот. Цистинурия, болезнь Хартнупа и дибазикаминоацидурия имеют клинически значимые проявления, а дикарбоксиламиноацидурия и иминоглицинурия — бессимптомны. Другие 5 транспортных аминоацидопатий: гиперцистинурия, гистидинурия, лизинурия. мальабсорбция триптофана и метионина - субстрат-специфичны.
Все эти состояния аутосомно-рецессивные моногенные наследственные болезни. Наиболее часта и клинически значима цистинурия (1/15000). Цистин мало растворим и при данном заболевании формирует камни почек, мочевого пузыря и уретры. В дополнение к [141] этому, у больных снижено кишечное всасывание и увеличена почечная экскреция орнитина, лизина и аргинина, а не только цистина.
При болезни Хартнупа (1/24000) нарушено всасывание и увеличена экскреция нейтральных аминокислот,, вследствие нехватки триптофана развивается нарушение синтеза никотинамиддинуклеотидфосфата — энергетического носителя, являющегося производным витамина РР, и формируется пеллагра, как и при авитаминозе по данному витамину.
При дибазикаминоацидурии (1/60000, относительно часто бывает у финнов и франкоканадцев) не реабсорбируются аргинин, орнитин и лизин. Камнеобразование для данного заболевания нехарактерно, но у больных развивается нарушение цикла мочевины, гипераммониемия и задержка роста.
Триптофанмальабсорбция характеризуется повышенным выделением индолов с мочой и калом, так как невсосавшийся триптофан становится добычей кишечных бактерий, что приводит к аутоинтоксикации. Наблюдается кальциноз почек.
При метионинмальабсорбции — дефицит метионина проявляется умственным отставанием, задержкой роста, отеками, приступами одышки и судорогами. Как правило, из-за нарушения образования меланина у больных светлые глаза и волосы.
Иногда дефект распознающего белка приводит к нарушению функций того или иного сывороточного переносчика. Именно к этой группе заболеваний относится болезнь Коновалова-Вильсона (1/30000) или гепатолентикулярная дегенерация. Первичный дефект при данной болезни касается 13 хромосомы и, по некоторым предположениям, состоит в мутации гена, кодирующего экскреторный переносчик меди, позволяющий печеночным клеткам выделять ее избыток в желчь.
Вследствие этого используется (или не синтезируется в достаточном количестве) церулоплазмин, переносящий медь из печеночного депо в ткани. Ведущие проявления заболевания связаны с постепенно формирующейся печеночной недостаточностью и некротическими изменениями в ЦНС, практически, по [142] типу эндогенного отравления тяжелыми металлами, так как избыток меди задерживается в поражаемых тканях.
В течение многих лет принято было выделять отдельно наследственные болезни, связанные с дефектами так называемых структурных белков. На наш взгляд, оправданно их причисление к группе дефектов распознающих белков — вместе с патологией рецепторов, пермеаз и транспортных белков.
Дело в том, что строительная функция, то есть участие белка в самосборке межклеточного вещества, либо каких-то клеточных структур, определяется всецело его способностью распознавать какие — то другие структурные элементы или распознаваться ими.Примерами наследственных болезней, принадлежащих к данной группе, могут служить коллагенопатии. Так называемый синдром Черногубова-Элерса-Данло, характеризующийся системными нарушениями прочности и структуры коллагена, находит свое выражение в повышенной растяжимости и сниженной прочности кожи, излишней подвижности суставов, ломкости сосудов, а у некоторых больных осложняется разрывами внутренних органов (артерий, матки, кишечника). Традиционно считавшийся единым нозологическим понятием, с развитием медицинской генетики данный синдром оказался разнородной группой моногенных наследственных заболеваний, связанных с нарушением метаболизма коллагена. В настоящее время выделяют не менее 11 типов данного синдрома, вызванных дефектами различных генов. Подобная гетерогенность обусловлена проявлением так называемых генокопий.
Иногда, рассматривая родословные больных, медики сталкиваются с тем, что при одинаковой или сходной клинической картине болезни тип ее наследования у разных пациентов различается. Это связано с тем, что одно и то же метаболическое нарушение может быть результатом срыва различных звеньев метаболической цепи, а ферменты и рецепторы, обеспечивающие последовательные шага в выполнении подобной программы, кодируются различными генами, расположенными в геноме по-разному.
Так, при различных вариантах рассматриваемого синдрома клиническая картина может вызываться дефектом биосинтеза или структуры проколлагена 4 типа (синдром Элерса-Данло, тип 3), дефектом лизил-гидроксилазы (тип 6), дефектом медь-транспортирующей АТФ-азы (9 тип), дефектом коллагенраспознающега белка фибронектина (10 тип), нарушением превращения проколлагена 1 типа в коллаген (тип 7) при этом последняя аномалия, в свою очередь, гетерогенна и может быть обусловлена дефектом проколлаген-N-протеиназы или же ошибками в структуре генов ее субстрата. При этом наблюдаются различные типы наследования — так. 1-4 и 8 типы синдрома аутосомно-доминантны, 5 тип рецессивен и сцеплен с Х-хромосомой, 6 и 10 — аутосомно-рецессивны, а 7 тип имеет и аутосомно-доминантный и аутосомно-рецессивный вариант.
Данный пример убеждает в относительности патогенетической классификации наследственных болезней — ведь при коллагенопатиях одни и те же клинические симптомы возникают и при дефекте распознающих белков (тип 3, 10) и при дефектах ферментов (тип 6). Практический вывод из существования генокопий — невозможность дать квалифицированную медико-генетическую консультацию на основании только клинико-лабораторной картины болезни у пробанда и безусловная необходимость генеалогического исследования.