Пенетрантность и экспрессивность генов у человека.

«Донаучные» представления о передаваемых по наследству при­знаках у человека существовали уже в античные времена. Сообщения о таких наблюдениях встречаются в трудах Гиппократа, Аристотеля, Платона и других древнегреческих врачей и философов. Примечателен тот факт, что они не только описывали случаи наследования отде­льных признаков, но и выдвигали теоретические объяснения и даже предлагали меры по улучшению человеческой природы. Например, Гиппократу принадлежит теория пангенезиса, которая предполагала, что семя производится всеми частями тела больными и здоровыми и, соответственно, больное семя производит больные части тела, а здоровое – здоровые. Несмотря на немногочисленность упоминаний о наследственности в античной литературе и их упрощенную трактовку, все же это был новый взгляд на человека. После эпохи Возрождения интерес к природе человека возрастал. Так, в работе испанского врача Меркадо (1605) содержится утверждение, что оба родителя, а не только отец определяют, каким будет будущий ребенок. Уже в XVIII – начале XIX вв. имеются работы, дающие правильную оценку наследствен­ным заболеваниям, характеру их передачи. Например, в 1752 г. в работе Мопертюи сообщалось о семье, где в четырех поколениях наблюда­лась полидактилия. Наблюдения за данной семьей позволили автору сделать вывод о том, что данный порок развития в равной степени передавался и отцом, и матерью, а расчеты показали, что высокую час­тоту этого нарушения нельзя объяснить только случайностью. Среди работ, относящихся к данному периоду, особое внимание заслуживает «Трактат о предполагаемых наследственных свойствах болезни» анг­лийского врача и исследователя Адамса, в котором автором был сделан ряд замечательных выводов: о существовании наследственных (доми­нантных) и семейных (рецессивных) факторов. Другой важный вывод из его работы – одинаковые по своим клиническим проявлениям заболевания могут иметь разную генетическую природу. В работах немецкого профессора медицины Нассе (1820) были определены наиболее важные признаки наследования гемофилии.

Однако в работах большинства исследователей XIX в. истинные фак­торы и ошибочные представления о наследственности были перемеша­ны- Это было типичным положением дел в генетике на «донаучной» ста­дии ее развития. Среди исследователей XIX в. особо следует выделить ф. Гальтона, который обосновал близнецовый, клинико-генеалогический и биометрический методы для изучения наследственности человека. В России в XIX в. наследственность рассматривалась врачами как этиологический и патогенетический фактор; было известно много наследс­твенных болезней. Генеалогический метод входил в анамнез.

Однако отсутствие правильных представлений о закономер­ностях наследования признаков приводило к путанице понятий и противоречивости заключений. Научный период генетики начался с 1900 г., когда были переоткрыты законы Менделя.

Опыты Г. Менделя и выводы, сделанные из них, заложили концепцию гена, которая сформулирована при анализе определенных скрещиваний. Когда Г. Мендель проводил свои эксперименты, не было ничего извест­но овозможных материальных носителях генетической информации в зародышевых клетках. Однако в последующие десятилетия до конца XIX в. были обнаружены хромосомы, исследован митоз и мейоз. Вскоре после переоткрытия законов Менделя при сопоставлении менделевского расщепления признаков и распределения хромосом в мейозе был сделан окончательный вывод: именно хромосомы являются носителями генетической информации. Рождение генетики было началом нового научного периода развития, который успешно продолжается по сей день, проливая все новый свет на сокровенную тайну природы человека.

Основные закономерности наследования признаков в поколениях были открыты чешским исследователем Г. Менделем, опубликовав­шим в 1866 г. «Опыты над растительными гибридами». Статья на 44 страницах, напечатанная в Трудах общества естествоиспытателей в г. Брюнне (ныне г. Брно), не привлекла внимания современников. Только через 35 лет законы наследования были вновь «открыты» сразу трем ботаниками – К. Корренсом, Э. Чермаком и Г. де Фризом, быстро завоевав всеобщее признание. В настоящее время законы Менделя проверены на громадном числе растительных и животных форм и под названием «менделизм» составляют важнейшую главу учения о наследственности и изменчивости.

До Г. Менделя была общепринята теория так называемой «слитной» наследственности. Ее суть состояла в том, что при оплодотворении мужское и женское «начала» перемешивались «как краски в стакане воды», давая начало новому организму. Г. Мендель заложил фундамент представлений о дискретном характере наследственного вещества и о его распределении при образовании половых клеток у гибридов.

Глубокое проникновение в проблему и четкая методология экс­периментов обеспечили Г. Менделю успех там, где его предшествен­ники терпели неудачу. Он в каждом эксперименте концентрировал внимание на одном признаке, а не на растении в целом, отбирал те признаки, по которым растения четко отличались. Прежде чем скре­щивать растения между собой он убеждался, что они принадлежат чистым линиям. Для этого Г. Мендель в течение двух лет разводил различные сорта гороха, чтобы отобрать те линии, где признак всег­да воспроизводился в потомстве из поколения в поколение (окраска семядолей, расположение цветков, длина растения и др.).

В первых опытах Г. Мендель принимал во внимание только одну пару признаков. Такое скрещивание носит название моногибридного.

Моногибридное скрещивание. При скрещивании растений, имеющих желтые семена, с растениями, имеющими зеленые семена в первом поколении гибридов, были получены растения только с желтыми семе­нами. В потомстве не было переходных форм. Они же в свою очередь, будучи скрещены между собой, дали потомство, состоящее из растений, как с желтыми, так и с зелеными семенами. Отношение желтых семян к зеленым было равно 3:1. Путем обобщения ряда опытов по различным признакам гороха были сформулированы основные законы Менделя.

Закон доминирования или закон единообразия гибридов перво­го поколения. При скрещивании особей, отличающихся друг от друга по одному признаку, в первом поколении гибридов получа­ются единообразные потомки, схожие только с одним из родителей. Соответствующий признак другого родителя не проявляется.

Проявившийся в первом поколении гибридов признак называ­ется доминантным, а непроявившийся – рецессивным признаком. У человека типичным примером доминантного признака является брахидактилия (равномерное укорочение пальцев), а рецессивно­го – отсутствие фермента фенилаланингидроксилазы, приводящее к развитию тяжелого заболевания – фенилкетонурии.

Закон расщепления описывает появление во втором поколении гибридов особей с доминантными и рецессивными признаками в соотношении 3:1.

Г. Мендель ввел символы: А – для доминантного и а – для рецессив­ного признака, подразумевая, что сами признаки определяются диск­ретными факторами наследственности – задатками (позже они получи­ли название гены). Гаметы каждого из родителей несут по одному такому гену. В опытах с горохом – в гаметах одного из родителей находится ген, обусловливающий желтую окраску семян, а другого – зеленую окраску семян. Такие соответствующие друг другу гены называются аллельными генами. Аллель (от грея, allelon – другой, иной) – одна из двух и более альтернативных форм гена, имеющая определенную локализа­цию на хромосоме и уникальную последовательность нуклеотидов.

Принято обозначать буквенными символами родительские орга­низмы – Р, первое поколение гибридов – F, и второе поколение – F₂, полученное от скрещивания особей первого поколения между собой. Родительские растения, принадлежащие к чистым линиям, имеют либо два доминантных (АА), либо два рецессивных (аа) аллеля и образуют только один тип гамет (А или а соответственно). Такие организмы назы­вают гомозиготными. Все их потомство F, будет нести как ген доминант­ного, так и ген рецессивного признака, т.е. оно будет гетерозиготным.

Если рассмотреть окраску семян гороха, то родительские желтые семена будут гомозиготами, в то время как желтые семена, получен­ные в результате скрещивания, будут гетерозиготами, т.е. они будут обладать разными генотипами (Аа).

У человека примером моногибридного скрещивания является большинство браков между гетерозиготными носителями рецес­сивных патологических аллелей, отвечающих за различные формы обменных нарушений (галактоземия, фенилкетонурия и др.). Имея генотип Аа по конкретному локусу, родители будут так же клиничес­ки здоровы, как и нормальные гомозиготы АА.

Генотипом называют совокупность генов, характеризующую дан­ный организм. Фенотип – совокупность признаков, проявляющихся в результате действия генов в определенных условиях среды.

Опыты, проведенные Г. Менделем, показали, что каждый раз в поколении F₂ растений с доминантным признаком было примерно втрое больше, чем с рецессивным.

Все описанное выше относится к наследованию альтернативных проявлений одного признака. Рассмотрим результаты скрещива­ния растений, отличающихся по двум разным признакам – дигибридное скрещивание.

В одном из опытов Г. Мендель скрещивал растения с круглыми желтыми (доминантные) семенами с растениями, семена которых были зелеными и морщинистыми (рецессивные).

Как и следовало ожидать, в F₁ семена всех растений были желтыми и круглыми. Выросшие из этих гибридных семян растения были само­опылены и дали во втором поколении гибридов F₂ четыре типа семян.

Соотношение четырех типов семян во втором поколении гиб­ридов F₂ было следующим: соответственно 315 круглых желтых, 108 круглых зеленых, 101 морщинистых желтых и 32 морщинистых зеленых. Этот результат хорошо совпадал с предполагаемым рас­пределением 9:3:3:1, если основываться на гипотезе о независимой передаче признаков, поскольку отношение 3:1 хорошо соблюдается для каждого отдельно взятого признака.

Аналогичным примером скрещивания двух гетерозигот у человека может служить брак двух близоруких индивидов с нормальной пигмен­тацией, так как у человека ген близорукости (А) доминирует над нормальным зрением (а), а ген, определяющий нормальную пигментацию (В), доминирует над альбинизмом (в). В подобном браке оба родителя будут иметь генотип АаВв и образовывать четыре типа гамет: АВ, Ав, аВ, ав. Расщепление по фенотипу у детей будет следующим: 9 – бли­зорукий, с нормальной пигментацией; 3 – близорукий, альбинос; 3 – нормальное зрение, нормальная пигментация; 1 – нормальное зрение, альбинос. Но если рассматривать все потомство только по одной паре признаков, то оказывается что каждый признак расщепля­ется в соотношении 3:1, т.е. признаки ведут себя независимо.

При изучении дигибридного и полигибридного скрещивания Г. Мен­дель сформулировал закон независимого наследования признаков: при ди- и полигибридных скрещиваниях гибридов каждая пара признаков наследуется независимо друг от других, расщепляясь в соотношении 3:1, и может независимо комбинироваться с другими признаками.

Взаимодействие аллельных генов. Такая форма взаимодействия аллельных генов, как доминант­ность и рецессивность представляет собой пример аллельных вза­имодействий. Однако вскоре после вторичного открытия законов Менделя были обнаружены факты, указывающие на существование других форм межгенных взаимоотношений в системе генотипа. Так, оказалось, что доминирование одних признаков над другими представляет собой широко распространенное, но не универсальное явление.

Многие, может быть даже все, гены у разных организмов существу­ют более чем в двух аллельных формах, хотя один диплоидный орга­низм не может быть носителем более двух аллелей. Впервые множест­венные аллели были открыты в локусе white у дрозофилы Т. Морганом и его сотрудниками. Особенность аллельных отношений заключается в том, что аллели можно расположить в ряд в порядке убывания сте­пени доминирования. Так, ген красноглазости – дикого (наиболее распространенного в природе) типа – будет доминировать над всеми остальными аллелями. Всего их около 15-ти. Каждый последующий член серии аллелей будет доминировать над всеми остальными чле­нами, кроме предыдущего. Существование множественных аллелей само по себе указывает на относительный характер доминирования, как и на то, что оно проявляется в конкретных условиях среды.

Имеются случаи, когда отношения доминантности и рецессив­ности отсутствуют и оба аллеля проявляются в фенотипе. Здесь речь идет о кодоминировании. Например, если один из родителей имеет группу крови А, а другой – В, то в крови их детей присутствуют антигены, характерные и для группы А, и для группы В. Такие гены носят название кодоминантных генов. Они представлены двумя и большим количеством аллелей.

Описано несколько типов взаимодействия неаллельных генов: комплементарность, эпистаз и полимерия.

К комплементарным или дополнительным генам относят гены, которые при совместном действии обусловливают развитие нового признака.

Комплементарное взаимодействие наиболее четко проявляется, когда скрещиваются две белые формы животных (кур) или растений, а в потомстве появляются окрашенные формы. В этом случае сущность взаимодействия генов состоит в том, что окраска появ­ляется при взаимодействии двух доминантных неаллельных генов А и В.

Примером комплементарного взаимодействия генов у человека является образование в иммунокомпетентных клетках организма специфического белка интерферона, связанного с взаимодействи­ем двух неаллельных генов, локализованных в разных хромосомах.

Эпистаз – подавление одного гена другим, неаллельным геном. Ген подавитель – супрессор, действует на подавляемый ген по прин­ципу, близкому к доминантности, – рецессивности. Разница в том, что они не являются аллельными, т.е. занимают различные локусы в гомологичных и негомологичных Х-хромосомах.

Примером эпистаза у человека является так называемый «бом­бейский фенотип». Известно, что наследование групп крови АВО у человека находится под контролем одного гена (I), у которого раз­личают 3 аллеля – I^a , I^b , I^o . Для реализации информации каждого аллеля необходимо присутствие доминантного аллеля Н другого генного локуса.

Если индивид является гомозиготой по Н-системе (т.е. hh), то аллель I^ь системы АВО не может проявить свое действие. Человек с генетической конституцией ВВ и ВО должен иметь III группу крови. Если же он одновременно является гомозиготой hh, то в реакции агглютинации у него аллель В не проявится, и человек будет распоз­нан как имеющий первую группу крови.

Полимерия. О полимерии говорят в случае наличия нескольких генов, одинаково влияющих на один признак. Их действие чаще всего бывает суммирующимся. Проявление такого действия будет зависеть от числа доминантных аллелей. Так, при аддитивном действии фенотип будет более выражен при генотипе ААВВ, чем при АаВв. Например, пигментация кожи у человека варьирует от белой до черной. От браков между неграми и белыми рождают­ся дети с промежуточным цветом кожи, так называемые мулаты. В случае браков между мулатами потомки могут обладать любой окраской кожи – от черной до белой. Предполагается, что разница в пигментации кожи белых и чернокожих людей обусловлена дейс­твием трех или четырех неаллельных генов, каждый из которых в количественном отношении на окраску кожи влияет примерно одинаково.

Под плейотропным действием гена понимают независимое или автономное действие гена в разных органах и тканях, другими слова­ми – влияние одного гена на формирование нескольких признаков.

Наглядными примерами плейотропного действия генов явля­ются наследственные заболевания моногенной природы, т.е. обус­ловленные мутацией одного гена, но проявляющиеся в различных органах или системах органов. Плейотропное действие генов имеет различные механизмы. Первичная плейотропия обусловлена биохи­мическими механизмами действия мутантного белка или фермента - первичных продуктов мутантных аллелей. Для иллюстрации этого положения приведем примеры.

Мутантные аллели различных генов, контролирующих синтез коллагена и фибриллина, приводят к нарушению свойств соедини­тельной ткани. Поскольку соединительная ткань является основой всех органов и тканей, то понятно множественное влияние этих мутаций на клиническую картину (фенотип) при таких наследс­твенных заболеваниях соединительной ткани, как, например, син­дром Элерса-Данло и синдром Марфана, проявляющийся, в част­ности, характерными изменениями костной системы, пролапсом митрального клапана сердца, расширением дуги аорты, подвывихом хрусталика (вследствие слабости цинновой связки). Другим приме­ром является множественное поражение организма при нейрофиброматозе, когда результатом первичного плейотропного действия мутантного гена будет поражение нервной и костной систем, кожи и органа зрения и другие симптомы. Еще одним примером первичного плейотропного действия гена можно считать характерные симпто­мы такого наследственного синдрома, как синдром Барде-Бидла., проявляющийся сочетанием ожирения, шестипалости кистей и/или стоп, недоразвитием половых органов, умственной отсталостью и характерным поражением органа зрения у больных индивидов.

Множественность поражения организма может быть обусловлена осложнениями первичных патологических процессов, между которы­ми можно проследить взаимосвязь. Это явление вторичной плейотропии. Так, например, при одном из моногенных, аутосомно-рецессивно наследуемых заболеваний – муковисцидозе – наблюдается ошибка в синтезе трансмембранного белка, обеспечивающего ионный транс­порт в клетках экзокринных желез. Нарушение ионного транспорта Na и Сl ведет к формированию густой слизи в бронхах, экзокринной части поджелудочной железы и/или других экзокринных желез (половых и потовых), что влечет за собой вторичные воспалительные процессы, закупорку выводных протоков, нарушение переваривания пищи и развитие вторичных воспалительных процессов.

Понятие пенетрантности относится к заболеванию в целом и определяет частоту соответствия фенотипа определенному геноти­пу. Пенетрантность можно определить как частоту проявления гена у заведомых носителей данного гена. Пенетрантность может быть полной (или 100 %), если у всех носителей гена отмечаются его кли­нические (фенотипические) проявления. Если действие гена прояв­ляется не у всех его носителей, говорят о неполной пенетрантности. В этом случае носитель «патологического» гена (даже доминантно­го) может быть клинически здоров. При неполной пенетрантности в родословной с аутосомно-доминанантным типом наследования патологии отмечается пропуск поколения т.е. ситуация, когда фенотипически поколения «проскальзывают», т.е. индивиды, имеющие пораженного предка, имеют и пораженных потомков.

Вместе с тем следует отметить, что детальное исследование фено­типа позволяет выявить симптомы наследственного заболевания, не имеющих важного клинического значения, но являющихся про­явлениями конкретного аномального гена, например, ямочки на слизистой нижней губы при синдроме Ван дер Вуда. С другой сторо­ны, совершенствование лабораторных и инструментальных методов исследования позволяет обнаружить у здоровых носителей других проявлений функционирования генов на клиническом, биохими­ческом и молекулярном уровнях.

В целом, исходя из современных представлений о функциони­ровании генов, можно утверждать, что если в генотипе человека присутствует мутантный ген, то можно обнаружить и его феноти­пические эффекты. Все это говорит об условности понятия пенет­рантности. Тем не менее при анализе семейной ситуации явление пенетрантности может быть весьма полезным инструментом для заключения о наследственном характере патологии в семье.

Понятие экспрессивность относится к симптомам заболевания и отражает степень их выраженности. Так, например, при одном из аутосомно-доминантных синдромов – синдроме Холт-Орама (син­дром «рука–сердце») – характерное поражение костной системы может варьировать от незначительно недоразвитой лучевой кости до ее отсутствия с формированием лучевой косорукости. Примером варьирующей экспрессивности заболевания являются также раз­личия в тяжести течения такого частого наследственного аутосомно-доминантного заболевания, как нейрофиброматоз. Очень часто даже в одной семье имеются больные с легким течением (наличием пигментных пятен, небольшого количества нейрофибром, «весну­шек» в складках кожи) и тяжелым течением заболевания (с опухо­лями ЦНС, озлокачествлением нейрофибром и другими грозными симптомами).

ЛЕКЦИЯ №3.