№12, 2002 г.
© Э.К. Хуснутдинова, С.А. БоринскаяГеномная медицина - медицина XXI века
Э.К. Хуснутдинова, С.А. Боринская
Эльза Камилевна Хуснутдинова, д.б.н., проф., чл.-корр. Башк. АН,
зав. отд. геномики Института биохимии и генетики Уфимского научного центра РАН.
Светлана Александровна Боринская, кандидат биологических наук,
научный сотрудник лаборатории анализа генома Института общей генетики РАН.
Ф.Добжанский
Здоровье или предрасположенность к различным заболеваниям в значительной мере зависит от генетических особенностей человека. Расшифровка структуры его генома открыла недоступные ранее возможности для понимания молекулярных основ наследственных болезней, разработки новых стратегий диагностики и лечения.
Всего известно 5 тыс. таких заболеваний, из них 2 тыс. - тяжелых расстройств, приводящих к инвалидности. До недавнего времени были изучены главным образом моногенные болезни, т.е. возникающие при нарушении работы одного гена. Их сегодня известно более тысячи - от них в общей сложности страдает около 5% новорожденных. Это и гемофилия (нарушение свертываемости крови), и фенилкетонурия (нарушение обмена веществ, приводящее к умственной отсталости), и некоторые формы врожденной глухоты.
Однако большинство наследственных болезней связаны с одновременным нарушением работы нескольких генов и определенными воздействиями внешней среды - их называют мультифакторными. В той или иной мере наследственные особенности определяют восприимчивость или устойчивость к большинству заболеваний, в том числе и к инфекционным. В конечном итоге здоровье или болезнь есть результат взаимодействия наследственных задатков и среды. Геномные исследования позволяют выявлять предрасположенность к ряду патологий на любой стадии развития организма, что безусловно расширяет объем пресимптоматической, дородовой и преимплантационной (предшествующей внедрению зародыша в матку) диагностики. Для этого проводится анализ ДНК, получаемой обычно из крови или других биологических образцов индивида.
Главное преимущество ДНК-диагностики - это возможность установить первопричину патологии, т.е. нарушение структуры гена. В настоящее время выявляют более 500 наследственных болезней, из них около 50 наиболее распространенных диагностируются в России.
Моногенные заболевания
Ранняя диагностика позволяет начать профилактическое лечение и не дать патологии проявиться. Например, при фенилкетонурии мутации нарушают работу гена, контролирующего превращение аминокислоты фенилаланина в тирозин. Болезнь развивается, когда ребенок получает поврежденный ген от обоих родителей. Если один из пары генов нормален, человек остается здоровым. Сегодня частота появления фенилкетонурии (т.е. мутаций в обеих копиях гена) составляет 1 на 10-17 тыс. рождений, а частота скрытого носительства болезнетворного аллеля - 1 на 100. Поскольку эта патология встречается достаточно часто, всех новорожденных тестируют на фенилкетонурию. Вовремя назначенная специальная диета может предотвратить болезнь или значительно облегчить ее течение.
Большинство подобных мутаций передается из поколения в поколение, сохраняясь в популяции. У каждого народа свой спектр характерных мутаций. Этнический состав населения Волго-Уральского региона, находящегося на границе Европы и Азии, неоднороден. Сегодня здесь проживают представители тюркской ветви алтайской языковой семьи (башкиры, татары, чуваши), финно-угорской ветви уральской языковой семьи (марийцы, мордва, удмурты, коми) и славянской ветви индоевропейской языковой семьи (русские). Поэтому здесь встречаются мутации различного происхождения, а их частота и спектр у больных разных этнических групп довольно своеобразен и отличается от других регионов России.
Например, фенилкетонурия особенно часто встречается среди русских. По данным молекулярно-генетического анализа, проведенного сотрудниками Института биохимии и генетики Уфимского научного центра РАН, большинство случаев заболевания вызвано одной и той же мутацией, принесенной сюда переселенцами из Северной Европы. Распространенность этой мутации связана с так называемым эффектом основателя - присутствием поврежденного гена у одного или нескольких членов небольшой предковой группы, давшей начало современной популяции. В семьях других национальностей фенилкетонурия вызывалась несколькими различными мутациями. Полученные данные позволили разработать схему ее дородовой диагностики [1].
То же самое можно сказать и об аутосомно-рецессивном заболевании - болезни Вильсона-Коновалова. Из-за мутаций в гене, связанном с обменом меди, в организме накапливается медь и в результате ее токсического действия поражаются печень и головной мозг. Заболевание долгое время протекает скрыто, ранние проявления весьма многообразны, что затрудняет его выявление. А ведь чем раньше поставлен диагноз, тем эффективнее лечение. Методы молекулярной диагностики дают возможность определить патологию на любой стадии независимо от наличия или отсутствия клинических и биохимических изменений.
Болезнью Вильсона-Коновалова страдают во всем свете, причем некоторые народы особенно часто. Так, у евреев-ашкенази ее частота в 30 раз превышает среднемировую. В настоящее время известно более 70 различных мутаций, приводящих к этой патологии [2]. Распространенность любой из них указывает на время появления: чем чаще встречается мутация, тем она древней (возникла на ранних этапах формирования человечества). Для русских наиболее характерна мутация, распространенная среди европейских народов. В некоторых этнических группах, наряду с широко известными, можно обнаружить “молодые” мутации, свойственные только им. Например, у представителей татарской национальности выявлена мутация, которая нигде больше не встречается. Молекулярно-генетический анализ позволил предположить ее тюркские корни [3].
Этнические особенности обнаружены в спектре и частоте мутаций для такой тяжелой патологии, как муковисцидоз. У представителей белой расы - это одно из самых распространенных моногенных заболеваний. Изменения в гене белка, участвующего в переносе ионов хлора через клеточную мембрану, приводят к нарушению секреции эндокринных желез жизненно важных органов с поражением дыхательного и желудочно-кишечного трактов. В Башкортостане выявлено девять связанных с муковисцидозом мутаций, а всего в мире их описано более тысячи. “Европейская” мутация найдена у русских и татар, а “тюркская” - у татар и башкир. Эти этнические особенности в спектре и частоте мутаций необходимо учитывать при диагностике муковисцидоза [4].
Изучение молекулярных причин моногенных заболеваний и наследственной предрасположенности в различных по генетической структуре группах - одна из важных проблем медицинской генетики. Результаты подобных исследований могут служить теоретической и методической основой для точной диагностики и профилактики ряда наследственной патологии в конкретном регионе [5].
Большинство вредных мутаций проявляется на ранних этапах развития - в детстве или даже во внутриутробном периоде. При болезнях плода чаще всего нарушается работа белков, регулирующих одновременно множество генов (факторов транскрипции). На первом году жизни наиболее часты нарушения, связанные с обменом веществ. Однако некоторые генетические дефекты могут не проявляться до глубокой старости. Например, в генах белков пресениллинов (PS) найдены мутации, приводящие к болезни Альцгеймера - одной из форм старческого слабоумия. А встраивание избыточных тринуклеотидных повторов в “гентингтон”-ген связано с другой болезнью, также проявляющейся в преклонном возрасте, - хореей Гентингтона.
Мультифакторные заболевания
К заболеваниям, развитие которых зависит от взаимодействия множества факторов, как наследственных, так и средовых, относят диабет, ишемическую болезнь сердца, эссенциальную гипертензию, бронхиальную астму, алкогольный психоз, наркоманию. Сегодня уже известны некоторые гены, обусловливающие предрасположенность к ним. Патогенные мутации в этих генах не обязательно приводят к заболеванию, но риск его развития повышен. Предрасположенность к таким мультифакторным болезням возникает, когда генетическими отклонениями нарушена регуляция нервных процессов, обмена веществ (например, липидов или углеводов) или работа систем обезвреживания чужеродных веществ (ксенобиотиков).
Попав в организм, они разлагаются в два этапа: сначала подвергаются ферментативной модификации, а лишь затем промежуточные метаболиты превращаются в растворимые безвредные соединения и выводятся. Различные варианты генов, кодирующих ферменты системы детоксикации, определяют скорость их работы. При сочетании высокой активности ферментов первого этапа и низкой на втором этапе в организме человека накапливаются промежуточные продукты, обладающие порой даже более высокой токсичностью, чем исходные вещества.
Так, при сниженной активности детоксификационной функции плаценты (фермента плацентарной глютатион-метионинтрансферазы, GSTM1) возрастает риск ранних спонтанных абортов. Генетически детерминированная активность глютатионтрансфераз влияет и на развитие различных форм рака. Например, сочетание определенных мутаций увеличивает риск рака груди у женщин в 3-10 раз, а у курильщиц - в 40 раз.
Эффективность лечения различными препаратами также связана с состоянием генов. Так, лечение эндометриоза (заболевания, встречающегося почти у 10% женщин белой расы) широко используемым препаратом циклофероном у части больных безрезультатно по причинам генетического характера [6].
Мультифакторные заболевания отличаются от моногенных тем, что связь между генетическими особенностями и вероятностью развития патологии для них гораздо сложнее. В разных популяциях болезнь может вызываться своеобразной комбинацией генетических и средовых факторов. Роль генетических факторов во многом зависит от условий среды и образа жизни человека.
Гены, здоровье и образ жизни
Сегодня уже найдены гены, мутации в которых вызывают болезнь или повышают риск ее возникновения (табл.1). Выявление таких генов позволяет изучать развитие патологии на молекулярном уровне. Один из наиболее изученных - ген APOE, кодирующий аполипопротеин Е. Большинство людей имеет вариант гена, называемый APOE3. Но у некоторых найден ген APOE4, который отличается от первого всего одним нуклеотидом. Это приводит к замене одной-единственной аминокислоты в кодируемом белке и соответственно к появлению на его молекуле одного дополнительного положительного заряда. В результате такого события меняются внутримолекулярные взаимодействия частей белка и тип связываемых им липидов. Нарушенный обмен липидов в клетках в свою очередь ухудшает регенерацию нервной ткани. Вариант APOE4 служит фактором риска уже упоминавшейся болезни Альцгеймера, а также ряда других заболеваний.
Таблица 1. Наследственные заболевания.
Звездочкой отмечены болезни, для которых проводится ДНК-диагностика в России.
Заболевание Частота встречаемости Причина Симптомы Муковисцидоз* 1:2500 - Европа
1:3800 - РоссияМутации в гене FTR на хромосоме 7кодирующем белок, ответственный за перенос, хлора через мембраны эпителиальных клеток
Накопление слизи в легких, присоединение вторичных инфекций, смерть в подростковом возрастеМиодистрофия Дюшенна* 1:3500 мальчиков Мутации в гене мышечного белка дистрофина, находящемся на Х-хромосоме Смерть в подростковом возрасте в результате нарастающего паралича сердца или дыхательных мышц Спинарно- бульбарная мышечная атрофия* 1:6000 Рецессивная мутация в хромосоме 5 Поражение мотонейронов, приводящее к параличу и смерти в детстве (2-4 года) Фенилкетонурия* 1:10-17000 Ирландия,
Шотландия 1:4500
Россия 1:10 000Рецессивная мутация в гене на хромосоме 12,приводящая к потере фермента, из-за отсутствия тирозина; превращающего фенилаланин в тирозин Умственная отсталость, светлые волосы проводится, обязательное тестирование новорожденных; разработано лечение и дородовая диагностика Гемофилия А* 1:6500 у мужчин
1:100 млн у женщинРецессивная мутация в расположенном на Х-хромосоме гене, кодирующем факторсвертывания крови VIII Нарушение свертываемости крови Гемофилия В* 1:20 000 мальчиков То же , фактор IХ Нарушение свертываемости крови БолезньВиллебранда* 1:5-20 000 То же, фактор фон Виллебранда Нарушение свертываемости крови (взаимодействует с фактором VIII) Синдром ломкой Х-хромосомы* 1:2000 мальчиков Рост числа повторов тринуклеотида ЦГГ в одном из генов Х-хромосомы; число повторов нарастает из поколения в поколение; заболевание начинается, когда число повторов превысит 90; наследственная передача заболевания не подчиняется законам Менделя В препаратах Х-хромосома выглядит “сломанной”. Аномалии роста, задержка умственного развития, аутизм; Хорея Гентингтона Накопление тринуклеотидных повторов ЦАГ в гене на хромосоме 4 Подергивания головы и конечностей,нарастающее слабоумие, дегенерация нервной системы Болезнь
Альцгеймера (один из видов старческого слабоумия)Занимает 4-е место среди естественных причин смерти - страдают 50% людей старше 80 лет Мутации в генах пресениллинов на хромосомах 1, 14 и в гене b-амилодида, на хромосоме 21; фактор риска - аллель е4 гена APOE аполипопротеина Е (хромосома 19) Гибель нейронов, приводящая к слабоумию; болезнь проявляется в возрасте 35-60 лет и приводит к смерти через несколько лет после начала Адреногенитальный синдром* 1:10 000 Рецессивная мутация в гене цитохрома Р450с21 на хромосоме 6 Нарушение эндокринного обмена, в тяжелых случаях летально Ахондроплазия 1:100 000 Доминантная мутация в гене рецептора Рост 120-130 см, (карликовость) 20% наследуется гормона роста епропорциональное телосложение от родителей, 80% случаев обусловлены вновь возникающими мутациями У европейцев ген APOE4 встречается с частотой около 10-15%, а у охотников-собирателей Африки и Америки - в три-четыре раза чаще, но с болезнью Альцгеймера, видимо, не связан [7]. Возможно, диета охотников-собирателей (с очень низким уровнем холестерина) делает “вредный” ген полезным. Недавно группа швейцарских специалистов показала, что APOE4 неблагоприятно влияет на липидный обмен только у тех, кто ведет малоподвижный образ жизни. У физически активных людей липидный профиль от генотипа APOE не зависит [8].
Генетический паспорт
Хотя определить все гены предрасположенности для каждого человека пока невозможно, сейчас уже технически доступен индивидуальный анализ по нескольким десяткам генов. Иными словами, желающие знать свои генетические характеристики могут получить генетический паспорт [9]. В нем должна быть информация о наличии мутаций в генах наследственных болезней и в генах предрасположенности к мультифакторным заболеваниям (табл.2 - по техн. причинам здесь не приводится - V.V.).
В некоторых западных странах генетическое тестирование проводят по медицинским показаниям или просто в качестве платной услуги. Сведения, записанные в генетическом паспорте, - такая же врачебная тайна, как и результаты любых других медицинских обследований. Зачем нужен такой паспорт и какие гены необходимо тестировать? В Америке, например, введено генетическое тестирование военнослужащих не для медицинских целей. Его результаты, хранящиеся в специальной базе данных, позволяют идентифицировать человека гораздо точнее, чем надетый на руку жетон.
Если генетический паспорт необходим для здорового молодого человека, желающего знать, какие болезни могут ожидать его в будущем и как предотвратить их развитие, прежде всего нужно составить его родословную и посмотреть, чем болели его родственники. Носительство мутаций, связанных с моногенными болезнями (фенилкетонурией, муковисцидозом), можно определять, если в семье имеются подобные больные или же заболевание встречается с высокой частотой в той этногеографической группе или того географического региона, где живет обследуемый. Если среди родственников обследуемого есть больше одного человека с одинаковой мультифакторной патологией, необходимо анализировать гены предрасположенности к ее развитию. При наличии факторов риска, связанных с профессией или с особыми условиями среды, нужно тестировать гены, имеющие отношение к болезням, провоцируемым именно этими факторами.
Генетический паспорт может быть максимально полезен, если результаты тестирования анализируются высококвалифицированным специалистом по медицинской генетике вместе с семейным врачом [10].
Работы по генетической паспортизации уже начались. Они получили финансовую поддержку в Ирландии, Финляндии, в некоторых штатах США. Большие средства на генетическое тестирование детей с семилетнего возраста выделены правительством Эстонии. Такие работы сопровождаются публикациями в средствах массовой информации, обсуждениями этических и социальных проблем и правовых аспектов.
Некоторые исследования в этом направлении ведутся и в России: в Москве - в Научном центре медицинской генетики и Институте неврологии РАМН, в Санкт-Петербурге - в Институте биорегуляции и геронтологии РАМН и в лаборатории пренатальной диагностики НИИ акушерства и гинекологии РАМН [11], в Томске - в Институте медицинской генетики, в Медико-генетическом центре Новосибирска и в Институте биохимии и генетики Уфимского научного центра РАН [5].
Однако для введения в жизнь генетической паспортизации необходимы не только геномные технологии и спрос на подобные услуги. Нужны квалифицированные специалисты-генетики, врачи, способные правильно интерпретировать результаты генетического анализа. Кроме того, общество должно решить множество социальных и правовых вопросов, касающихся интерпретации и применения результатов генетического тестирования, их конфиденциальности.
Можно надеяться, что медицина текущего века будет основана на знании индивидуальных особенностей генома каждого человека. Это позволит во многих случаях подобрать методы лечения и профилактики заболеваний, связанных с условиями среды, о незнании которых писал четверть века назад генетик Феодосий Добжанский [12].
Работа выполнена при поддержке Федеральной целевой научно-технической программы
(гранты 211502 и 211516) и
Российского гуманитарного научного фонда
(гранты 01-06-00144 и 02-06-00157).Литература
1. Викторова Т.В., Мурзабаева С.Ш., Карунас А.С. и др. // Генетика. 1997. Т.33. ?7. С.992-995.
2. Shah A.B., Chernov I., Zhang H.T. et al. // Am. J. Hum. Genet. 1997. V.61(2). P.317-328.
3. Карунас А.С., Мерсиянова И.В., Поляков А.В. и др. // Генетика. 2000. Т.36. ?7. С.972-979.
4. Khusnutdinova E.K., Khidiatova I.M., Ivaschenco T.E. // Hum. Hered. 1994. V.44. P.191-195.
5. Хуснутдинова Э.К. Подходы к ДНК-диагностике наследственных и мультифакторных болезней в Волго-Уральском регионе // Совр. методы диагностики наследств. болезней. М., 2001. С.103-110.
6. Горбунова В.Н., Баранов В.С. Введение в молекулярную диагностику и генотерапию наследственных заболеваний. СПб., 1997.
7. Jaramillo-Correa J.P., Keyex G., Ruiz-Garcia M. et al. // Hum. Hered. 2001. V.52. P.14-33.
8. Bernstein M.S., Costanza M.C., James R.W. et al. // Arterioscler. Thromb Vasc. Biol. 2002. V.22(1). P.133-140.
9. Баранов В.С., Асеев М.В., Баранова Е.В. “Гены предрасположенности” и генетический паспорт // Природа. 1999. ?3. С.17-27.
10. Баранов В.С., Баранова Е.В., Иващенко Т.Э. и др. Геном человека и гены предрасположенности: Введение в предиктивную медицину. СПб., 2000.
11. Баранов В.С., Хавинсо В.Х. Методические рекомендации “Определение генетической предрасположенности к некоторым мультифакториальным заболеваниям. Генетический паспорт”. СПб., 2001.
12. Dobzhansky T. // Perspectives in Biology and Medicine. 1976. V.19. ?2. P.156-170. (В русском переводе: Добжанский Ф. // Человек. 2000. №1).
