Глава 305. врожденные нарушения метаболизма (обзор)

Леон Ею Розенберг (Дущт У. Кщыутиукп)

Взаимодействие генов и окружающей среды. Под понятием «обмен веществ» понимают все процессы образования (анаболизм) и разрушения (катаболизм) живой материи. Они начинаются с самых ранних химических реакций, приводящих к образованию сперматозоида и яйцеклетки, продолжаются в периоды оплодотво­рения, роста, созревания и старения и неизбежно заканчиваются лишь со смертью клетки, ткани, органа и, наконец, особи. Процессы метаболизма контролируются двумя взаимодействующими факторами: генами, определяющими потенциаль­ные возможности любой клетки (и, следовательно, любого организма), и окру­жающей средой, диктующей характер экспрессии этих генов. Отсюда следу­ет, что все метаболические расстройства обусловлены нарушением взаимодействия между генами и факторами окружающей среды или, строго говоря, что ни одно из этих расстройств не может считаться чисто врожденным или чисто приобретенным. Когда мы почти ничего не знаем о генетических детер­минантах болезни (как, например, о предрасположенности к туберкулезу или травматическим переломам костей), то рассматриваем ее как приобретенную. И, наоборот, когда нарушение обмена обусловлено главным образом дефектом специфического белка (и, следовательно, мутацией специфического гена) и когда это нарушение наследуется как простой менделевский признак (например, острая интермиттирующая порфирия или фенилкетонурия), мы считаем его наследствен­ным. На самом же деле ни острая интермиттирующая порфирия, ни фенилкето­нурия не приобретут клинического значения, не будучи спровоцированными или модифицированными факторами окружающей среды (лекарственные вещества и гормоны при порфирии, пищевой фенилаланин при фенилкетонурии). Осознание этой неразделимости роли генов и окружающей среды важно не только с нозологи­ческих позиций. Идентификация генов, контролирующих предрасположенность к туберкулезу, позволила бы выделять отдельных лиц и целые их контингенты в группы риска, а дополнительное выяснение зависимости пищевой потребности в фенилаланине от возраста позволило бы разработать более эффективные диети­ческие подходы к лечению больных с фенилкетонурией.

Характер врожденных дефектов. В настоящее время известно несколько тысяч наследственных нарушений обмена веществ, или, как их впервые назвал Garrod, врожденных ошибок'метаболизма, причем быстро появляются сообщения о новых их видах. В совокупности эти состояния затрагивают все фазы метаболизма, что вносит большой вклад в понимание нормальных путей метаболизма. Для всех них характерны лишь две упомянутые общие черты: любое из них наследуется как простой менделевский признак и обусловлено в конечном счете функциональной неполноценностью специфического белка. Во всех других отношениях это совер­шенно разные состояния. Большинство из них наследуется как аутосомный ре­цессивный признак; это означает, что для фенотипического проявления расстрой­ства необходима двойная доза мутантного гена (см. гл. 57). Другие наследуются как сцепленные с Х-хромосомой или аутосомно-доминантные признаки. Частота некоторых достигает 1:500 (семейная гиперхолестеринемия), тогда как другие встречаются с частотой всего лишь 1:1000000 (алкаптонурия). Часть из этих состояний четко концентрируется среди представителей отдельных рас или этни­ческих групп (серповидно-клеточная анемия, талассемия, болезнь Тея—Сакса), другие распределяются между расами и этническими группами, по-видимому, равномерно. Некоторые из них проявляются клинически при рождении (или даже раньше), другие—только в зрелые годы (или вообще не проявляются). Одни наверняка смертельны, несмотря на лечение, другие не влияют на продолжитель­ность жизни и здоровье человека.

Уровень понимания. Поскольку клинические и биохимические аномалии при этом наследственном заболевании обмена веществ отражают мутацию специфиче­ского гена, каждую врожденную «ошибку» теоретически можно рассматривать на четырех уровнях: гена, белка, кодируемого этим геном, той метаболической реакции, на которой «работает» этот белок, и клинического или биохимического фенотипа, обусловленного нарушением этой реакции. Ряд заболеваний, связанных с нарушением синтеза полипептидной цепи глобина (талассемии и гемоглобино­патии), изучены на всех этих уровнях (см. гл. 288). Например, выяснено, что при болезни гемоглобина S (серповидно-клеточная анемия) изменяются специфические нуклеотидные основания в структурном гене р-глобина и точная аминокислотная замена в полипептидной цепи р-глобина. Далее, результаты физико-химических исследований гемоглобина S показали, почему этот мутантный белок в деоксигенированном состоянии приобретает способность к образованию геля и формирует сгустки, нарушающие форму эритроцита и обусловливающие повышение вязкости крови, образование в ней тромбов, инфаркт тканей и гемолиз, характерные для этого заболевания. До недавнего времени сведения на уровне генов имелись только в отношении нарушения синтеза полипептидной цепи глобина. Разработка мето­дики рекомбинации ДНК резко увеличила количество клонируемых и выделенных генов человека (см. гл. 58), а также число наследственных болезней, расшифро­ванных на генном уровне. В этот список включены в настоящее время локусы, кодирующие такие белки, как a i-антитрипсин, синтетаза аргининсукцината, кол­лаген, гормон роста, гипоксантингуанинфосфорибозилтрансфераза, инсулин, орнитинтранскарбамилаза и гидроксилаза фенилаланина. Для многих локусов, однако, понимание застопорилось на уровне продукта гена, и даже в этом случае оно не­полно. Например, при классической форме галактоземии резко снижена актив­ность галактозо-1-фосфатуридилтрансферазы; эта недостаточность приводит к на­коплению галактозы и галактозо-1-фосфата, что сопровождается серьезными на­рушениями функций печени и центральной нервной системы. В то же время мало известно о молекулярных основах недостаточности трансферазы или о тех меха­низмах, посредством которых накопление метаболита приводит к циррозу печени и отставанию психического развития. В других случаях, например при болезни Уилсона или цистинозе, неизвестно даже, функция какого конкретного белка нару­шена, хотя показано, что в тканях больного накапливаются соответственно медь и цистин. При болезни Гентингтона мы все еще не располагаем биохимическими средствами решения терапевтических, диагностических и прогностических проблем, хотя генетический маркер этого заболевания идентифицирован (см. гл. 58).

Белки как продукты генов

Спектр мутантных белков. Гены и информационные РНК представляют собой полимеры нуклеиновых кислот, часто называемые информационными макромоле­кулами. По той же логике белки и полипептиды могут быть названы функциональными макромолекулами. Эти полимеры аминокислот превращают информационный потенциал генов и их посредников в химическую и физиологическую работу. Белки вездесущи. Они являются живыми компонентами мембран, разделяющих ткани, клетки и органеллы. В крови, лимфе и спинномозговой жидкости они поддерживают осмотическое давление и избирательно связывают и транспортируют огромное число небольших молекул. В качестве ферментов и гормонов (вне клетки или в ней) они катализируют или регулируют реакции, определяющие возмож­ность протекания анаболических и катаболических процессов. Белки почти беско­нечно разнообразны по размеру, форме и функции. Их относительная молекуляр­ная масса колеблется от нескольких сотен (гипоталамические рилизинг-факторы) до более миллиона (гамма-макроглобулина). Одни представляют собой мономеры, другие — олигомеры, состоящие из двух, трех, четырех или более сходных или разных полипептидных цепей. Одни имеют глобулярную форму, другие спиральную, третьи обладают как глобулярными, так и спиральными участками. Некоторые белки в качестве простетических групп или кофакторов содержат ионы металлов, тогда как для активности других необходимы органические соединения. Каждый белок, однако, обязан своими структурными особенностями и функциональной специфичностью единственной причине — первичной аминокислотной последова­тельности. Поскольку она в свою очередь зависит от нуклеотидной последова­тельности гена и информационной РНК, кодирующей полипептид, наследуемые особенности структуры или функции белка служат наглядным проявлением мута­ции гена. Мутации происходят во всех генах, и, следовательно, все белки могут подвергаться изменениям. Некоторые варианты этих изменений выявляются легко, так как они обусловливают явные биохимические или клинические нарушения. Обнаружение других сопряжено с большими трудностями либо потому, что они обусловливают раннюю летальность, либо из-за их клинической или биохимической латентности.

Вообще говоря, мутации, определяющие наследственные метаболические на­рушения, затрагивают структурные гены, кодирующие первичную струк­туру белка (см. гл. 57). Изменения одного кодона обычно обусловливают замену одной аминокислоты и обозначаются как «меняющие смысл» мутации. Мутации в других точках (приводящие к неправильному расположению кодонов-термина­торов), равно как делеции и вставки (кодонов, генных сегментов или целых генов), обусловливают полное отсутствие продукта гена или появление столь неполного или искаженного продукта, что это практически лишает его функции. В других случаях мутации могут изменять скорость продукции белка. Подобный эффект может осуществляться за счет либо модификации гена, контролирующего скорость синтеза белка, либо такого изменения кодонов структурных генов, которое приведет к ускорению или замедлению транскрипции или трансляции. Наконец, мутации могут определять посттрансляционную модификацию белков. Поскольку большин­ство белков, предназначенных для секреции, встраивания в мембрану или для транспорта в клеточные органеллы (лизосомы или митохондрии), синтезируется в виде предшественников, которые «по дороге к месту назначения» должны под­вергаться процессингу, созреванию или гликозилированию, мутации могут изменять этот процесс. Примерами нарушения процессинга секреторных и лизосомных бел­ков соответственно служат гиперпроинсулинемия и I-клеточная болезнь.

Врожденные «ошибки» описаны для белков всех типов. Первыми обратили на себя внимание ферментные нарушения, блокирующие какую-либо анаболическую или катаболическую реакцию. Известны сотни примеров такого рода нарушений (см. следующие главы), да и в настоящее время в год открывают примерно 10 но­вых ферментных дефицитов. Врожденные «ошибки» транспорта, затрагивающие ки­шечник или почки, могут приводить к избирательному нарушению трансмембран­ного перемещения Сахаров, аминокислот, фосфата, витаминов или воды (см. гл. 308). Такие нарушения, как цистинурия или глюкозурия, отражают недостаточность специфических мембранных белков-переносчиков, необходимых для трансэпите­лиального перемещения двухосновных аминокислот или глюкозы соответственно. Другие аномалии транспорта приводят к нарушению связывания гормонов с мембранными рецепторами (при резистентном к вазопрессину несахарном диабете) или другим нарушениям комплексирования белков с лигандами (при патологии поверхностных рецепторов липопротеинов низкой плотности у больного с семейной гиперхолестеринемией; см. гл. 315). Мутации могут затрагивать и циркулирующие белки, а не только мембранные или внутриклеточные. Примерами таких состояний служат анальбуминемия, недостаточность транскобаламина II и абеталипопротеинемия.

Функциональные нарушения. Повышенная активность. Попросту говоря, метаболические нарушения могут считаться следствием слишком большого или слишком малого количества (или активности) специфического белка. Описаны вариантные формы глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы (Г-6-ФД), псевдохолинэстера­зы и фосфорибозилпирофосфатсинтетазы, обладающие повышенной актив­ностью. В этих случаях мутации приводят к увеличению содержания внутрикле­точного фермента за счет либо ускоренного синтеза мутантного белка, либо его замедленного распада. При острой интермиттирующей порфирии и семейной гиперхолестеринемии увеличивается также количество ферментов, катализирующих скоростьограничивающие реакции (см. гл. 312 и 315). Однако в последнем случае чрезмерная активность фермента представляет собой вторичный феномен, обуслов­ленный нарушением регуляции по механизму обратной связи, а это нарушение связано с другим первичным генетическим дефектом.

Сниженная активность. В основе большинства врожденных нару­шений обмена веществ лежит сниженная активность (или уменьшение количества) белка. Эта недостаточность может быть полной (при классических формах фенилкетонурии и галактоземии) или частичной (при доброкачественных вариантах этих нарушений). Следует подчеркнуть, что полную потерю активности фермента нельзя отождествлять с полным отсутствием белка. Например, при клас­сической галактоземии в тканях больного не удается обнаружить активности галактозо-1-фосфатуридилтрансферазы, хотя в тех же тканях содержится белок, перекрестно реагирующий с антителами к нативной молекуле трансферазы. Можно привести многочисленные примеры патологических состояний, при которых опре­деляется перекрестно реагирующий материал (состояния, позитивные по перекрест­но реагирующему материалу — ПРМ⁺. Эти примеры показывают, что мутация обусловила синтез белка, лишенного каталитической активности, но сохранившего антигенную специфичность. Другие метаболические нарушения, характеризующиеся полной ферментной недостаточностью, такие как недостаточность мышечной фос­форилазы или болезнь фон Виллебранда, являются ПРМ^–; это указывает либо на полное отсутствие синтеза нужного белка, либо на столь глубокие изменения продукта гена, что он оказывается лишенным как каталитической, так и антиген­ной функции.

Большинство врожденных нарушений метаболизма характеризуется не полной, а частичной потерей активности белков. Частичная недостаточность может опре­деляться рядом механизмов. Во-первых, она может отражать снижение скорости синтеза нормальных или дефектных молекул фермента. Во-вторых, она может быть связана с ускоренным распадом структурно измененного фермента. В-третьих, сниженная активность может быть обусловлена меньшим сродством активного фер­мента к субстрату или кофактору. В-четвертых, для олигомерных ферментов сни­женная активность может определяться нарушением взаимодействия одинаковых или разных субъединиц. В-пятых, для ферментов, присутствующих в тканях не в одной, а в нескольких изоформах, сниженная активность может быть обусловлена избирательным отсутствием одной из этих форм. Среди наследственных наруше­ний обмена веществ можно выделить любой из перечисленных механизмов. Больше того, одни и те же фенотипические проявления могут обусловливаться разными механизмами. Например, одни варианты Г-6-ФД обнаруживают повышенную ла­бильность, другие — аномальное сродство к субстрату, а третьи — нарушенное образование олигомера. Подобные нарушения связаны с различными структурными аномалиями одной и той же полипептидной цепи.