Последствия транспортных или ферментативных нарушений

Значение генетического дефекта для метаболизма клетки и состояния орга­низма зависит от роли мутантного белка в обмене веществ и тяжести дефекта. Как уже упоминалось, большинство врожденных «ошибок» — результат дефекта внутриклеточных ферментов или процессов мембранного транспорта. Поскольку подобного рода мутации неоднократно обсуждаются далее, целесообразно очер­тить возможные последствия нарушения транспортных или ферментативных про­цессов в обобщенном виде. Примером может служить схематическая последова­тельность реакций, представленная на рис. 305-1. Литерами А, В, С, D, F и G обозначены субстраты или продукты ряда ферментативных реакций, а т_а, Е_АВ, Е_ВС

Рис.305-1. Схематическое изображение метаболического пути, включающего в себя систему транспорта (Тд), ферменты, альтернативные реакции и регуляцию по принципу обратной связи (по Rosenberg).

А, В, С, D — субстраты и продукты основного пути; F, G — продукты малого пути, та — транспортная система для А; Е_АВ Е_ВС и e_cd— ферменты, катализирующие превращение А в В,.В в С и С в D. и e_cd — специфические транспортные системы или ферменты, катализирующие отдельные реакции этого ряда. Главный путь включает в себя превращение А в D через интермедиаты В и С; F и G — это продукты альтернативного пути мета­болизма. Стрелка от D к Е_AB отражает отрицательную обратную связь между конечным продуктом последовательности реакций и первым ферментом этого пути. В дальнейшем будут по возможности приводиться примеры конкретных врожден­ных «ошибок», иллюстрирующие специфические последствия нарушения транспорта или ферментативных реакций.

Недостаточность предшественника. Если дефект локализуется на уровне т_а, т. е. в рецепторной или транспортной системе, переносящей А в клетку, то внутри­клеточная концентрация А может оказаться слишком малой, чтобы насытить Е_AB субстратом. Это могло бы замедлять всю последовательность реакций и приводить к недостаточному образованию В, С и D. При болезни Хартнупа (см. гл. 308) нару­шается транспорт триптофана в кишечнике. Эта транспортная аномалия имеет серьезные химические и клинические последствия, поскольку триптофан внутри клетки превращается в никотинамид. У больных с этой патологией могут насту­пить мозжечковая атаксия и развиться временная или постоянная деменция из-за недостаточности никотинамида, если они дополнительно не получают ниацин с пищей. Подобно этому, у больных с врожденным нарушением всасывания вита­мина B₁₂ в кишечнике развивается мегалобластическая анемия, если им не вводить витамин парентерально. Недостаточность предшественника или субстрата может иметь место и в случае нарушения на уровне циркулирующего белка, переносящего вещество А в крови и доставляющего его к поверхности клетки.

Накопление предшественника. Рассмотрим эффект сниженной активности од­ного из внутриклеточных ферментов (е_аb, Е_BC или Е_CD). Этот дефект мог бы приводить к накоплению внутри и вне клетки ближайших или отдаленных пред­шественников реакции. Если нарушен Е_AB, накапливается только А. Эта ситуация иллюстрируется резким увеличением количества лизосомного глюкоцереброзида при болезни Гоше (см. гл. 316) и концентрации галактозы в крови при недоста­точности галактокиназы (см. гл. 314). Нарушение Е_BC может приводить к накопле­нию как А, так и В, а нарушение e_cd — к накоплению А, В и С. При гомоцисти­нурии вследствие недостаточности цистатионинсинтазы накапливается не только гомоцистин — ближайший предшественник заблокированной реакции, но и ме­тионин—отдаленный ее предшественник (см. гл. 306).

Использование альтернативных путей. Если из-за недостаточности Едв нарушено превращение А в В, то А будет не только накапливаться, но и ускоренно превращаться по обычно минорному альтернативному пути в F и G. Прекрасным примером подобной ситуации может служить фенилкетонурия. Отсутствие актив­ности гидроксилазы фенилаланина приводит к резкой гиперпродукции и экскреции фенилпировиноградной, фенилуксусной и фенилмолочной кислот, т. е. соединений, в норме в крови, и моче не определяемых (см. гл. 306). Если продукты альтерна­тивных путей метаболизма, накапливаясь, служат помехой нормальным клеточным процессам, то усиление этих путей приобретает важное физиологическое зна­чение.

Дефицит продукта. Если физиологически активным продуктом гипотетической последовательности реакций служит D, то блокада любого этапа (от А до D) при­ведет к недостаточному синтезу D. Тироксин в щитовидной железе образуется именно через такую серию реакций, начиная с транспорта йодида в железу с его последующим окислением и органификацией. К зобному кретинизму, обусловлен­ному нарушением синтеза тироксина, приводит несколько ферментных нарушений. Подобно этому, у ряда больных с врожденной гиперплазией надпочечников на почве нарушения гидроксилирования 21-го углеродного атома стероидного ядра нарушается продукция альдостерона, что приводит к потере соли через почки и гипонатриемическим кризам. Недостаточный синтез продукта может сопровождать­ся чрезмерным образованием предшественников из-за выпадения механизма регу­ляции по принципу обратной связи, что происходит при острой интермиттирующей порфирии (D®Е_AB).

Избыток продукта. Как можно видеть на рис. 305-1, конечный продукт ряда реакций — D — регулирует активность Е_AB — первого фермента этого пути биосин­теза. Нарушение регуляции по принципу обратной связи обнаруживается при нескольких врожденных «ошибках», но биохимические основы этого нарушения не совсем понятны. У некоторых больных с первичной подагрой избыточное обра­зование уратов происходит предположительно из-за дефектности первого фермента пути синтеза пуринов и отсутствия реакции этого фермента на обычные ингиби­торы — гипоксантин и аденин. Нарушение регуляции по принципу обратной связи при врожденной гиперплазии надпочечников и врожденном зобном кретинизме обусловлено, вероятно, другими биохимическими механизмами. При этих заболе­ваниях образование или секреция соответственно адренокортикотропного (АКТГ) и тиреотропного (ТТГ) гормонов не подавляется их обычными «серво»-регуля­торами — кортизолом и тироксином, что приводит к гиперплазии и функциональ­ным дефектам в обеих железах-мишенях. Нарушение регуляции по принципу об­ратной связи — это не единственный механизм, обусловливающий избыток про­дукта. При заболеваниях, характеризующихся избытком фермента, таких как гиперурикемия, вызванная повышением активности фосфорибозилпирофосфатсинтетазы (см. гл. 309), избыток продукта обусловлен в основном ускорением превра­щения предшественника в продукт.

Генетическая гетерогенность

Определенный аномальный фенотип может быть обусловлен не одним, а не­сколькими генотипами. Генетическая гетерогенность — распространенный и важ­ный феномен. В клинике представление о генетической гетерогенности имеет существенное значение для диагностики, лечения и медицинского консультиро­вания. Выяснение механизмов гетерогенности заболевания необходимо и для пони­мания возможных путей модификации генома человека. Гетерогенность устанавли­вают с помощью трех подходов — клинического, биохимического и генетического (табл. 305-1).

Клинические признаки. Без биохимических или генетических данных часто невозможно решить, определяются ли небольшие различия клинических проявле­ний какого-либо метаболического нарушения у разных лиц разными мутациями или одной и той же мутацией, но модифицированной под влиянием других генов и факторов окружающей среды. Однако сведения, полученные с помощью биохи­мических подходов, могут подкреплять клиническое впечатление о гетерогенности. Например, при ювенильной болезни Гоше начала заболевания следует ожидать в более раннем возрасте, а летального исхода — скорее, чем при взрослой форме болезни, так как в первом случае мутантная глюкоцереброзидаза обладает мень­шей каталитической активностью, чем во втором (см. гл. 316). Понятно, что когда активность глюкоцереброзидазы составляет всего 3 % от нормы, содержание глюкоцереброзидов в тканях будет увеличиваться быстрее, чем если активность фермента составляет 15 % от нормы. Сходным образом причина отсутствия по­мутнения роговицы при болезни Гунтера и ее помутнение при фенотипически сходной болезни Гурлер почти наверняка заключается в различии ферментных нарушений при этих заболеваниях: недостаточность идуронатсульфатазы при болез­ни Гунтера и недостаточности a-L-идуронидазы при болезни Гурлер.

Таблица 305-1.- Критерии генетической гетерогенности

1. Клинические

Возраст начала

Тяжесть

Специфические особенности

2. Биохимические

Компоненты крови, мочи и спинномозговой жидкости

Активность ферментов

Характеристика белков

Гибридизация ДНК—РНК или ДНК—ДНК

3. Генетические

Вероятность комплементации

Способ наследования

Проявления у гетерозигот

Анализ сцепления

Комплементация в смешанной культуре клеток или в гетерокарионах

Биохимические подходы. Чаще всего первым указанием на гетерогенность заболевания служат результаты химических и биохимических исследований. Эти исследования различаются по задачам и сложности: от идентификации отдельных соединений в крови, моче или спинномозговой жидкости до проведения молекуляр­ной гибридизации. Можно привести примеры нарушений, гетерогенность которых показана с помощью каждого из четырех видов биохимических исследований, приведенных в табл. 305-1. Так, синдром кетозной гипергликемии, характери­зующийся эпизодическим кетоацидозом, непереносимостью белка и гиперглике­мией, как свидетельствуют результаты химических анализов крови и мочи, оказался присущим нескольким нарушениям обмена органических кислот: a-метилацетоуксусной ацидемии, пропионовой ацидемии и метилмалоновой ацидемии. У больных из разных семей с врожденной несфероцитарной гемолитической анемией была определена недостаточность различных гликолитических ферментов в эритроцитах. Гетерогенность G_M2-ганглиозидозов оставалась неизвестной до тех пор, пока лизо­сомные гексозаминидазы не были разделены на изоферменты А и В и не удалось порознь определить их активность у больных с болезнями Тея—Сакса и Сандхоффа. Другой подход связан с непосредственным исследованием генов, а не их про­дуктов. Результаты экспериментов по молекулярной гибридизации ДНК и РНК доказали существование двух крупных видов b-талассемии: b°, которая характе­ризуется явным отсутствием мРНК b-глобина, и b⁺, для которой характерны, хотя и сниженные, но все же определенные уровни b-глобиновой мРНК. По мере увеличения количества доступных зондов к генам человека из все большего и боль­шего числа локусов можно ожидать бурного использования метода гибридизации ДНК—ДНК как способа выявления гетерогенности. Эти методы уже продемон­стрировали свою полезность для доказательства гетерогенности a- и b-талассемий, синдрома Леша—Найхана, фенилкетонурии и недостаточности орнитинтранскарбамилазы.

Генетические подходы. Для выявления гетерогенности важны и генетические методы (см. табл. 305-1). Одно из наиболее ранних и убедительных доказательств гетерогенности было получено при обследовании супружеской пары. Оба супруга страдали нервной глухотой, наследуемой по аутосомно-рецессивному типу. Ни один из их детей не страдал глухотой, что определенно свидетельствует о различии и, по-видимому, неаллельности тех мутаций, которые вызывали глухоту у родителей. В ряде случаев о гетерогенности свидетельствовал разный способ наследования фенотипически сходных (или идентичных) нарушений. Например, болезни Гунтера и Гурлер были разделены на том основании, что первая наследовалась как сцеп­ленный с Х-хромосомой признак, а вторая — как аутосомный рецессивный. Подоб­но этому в настоящее время известны по крайней мере три формы спастической диплегии: одна наследуется как аутосомный доминантный, вторая — как аутосом­ный рецессивный, а третья — как сцепленный с Х-хромосомой признак. В не­скольких случаях гетерогенность была впервые установлена по рецессивному фено­типу у облигатных гетерозигот. Например, о гетерогенности цистинурии свидетель­ствовал тот факт, что все облигатные гетерозиготы, члены одной семьи, экскре­тировали увеличенное количество цистина и лизина, тогда как анализ мочи обли­гатных гетерозигот, членов других семей, не обнаруживал отклонений от нормы. Четвертым генетическим способом обнаружения гетерогенности служит анализ сцепления. Эти исследования позволили разделить наследственный эллиптоцитоз на две формы, одна из которых тесно сцеплена с Rh-локусом группы крови, а другая — не сцеплена. Наконец, гетерогенность устанавливают с помощью комплементационного анализа. Общая стратегия этих исследований проста. Фибробласты двух больных культивируют в одной и той же емкости или объединяют в гетерокарионы. Если аномальный фенотип, свойственный обеим клеточным линиям, сохраняется в культуре, то считается, что у того и другого больного дефект иден­тичен. Если же в смешанной культуре происходит коррекция, то дефекты в исход­ных линиях должны быть разными. Этот подход был использован для выявления гетерогенности широкого спектра нарушений, включая мукополисахаридозы, См2-ганглиозидозы, метилмалоновые ацидемии, пропионовые ацидемии, пигмент^ ную ксеродерму и экскрецию увеличенного количества кетокислот с разветвленной цепью. Теоретически положительные результаты комплементационных тестов могли бы обусловливаться любым из двух механизмов: межгенной комплементацией, в которой участвуют два разных локуса, или межаллельной комплементацией, при которой две разные мутации в одном и том же локусе оказываются взаимно корригирующими. В большинстве случаев при положительном тесте на комплементацию имеет место, вероятно, межгенный механизм.

Компаунд-гетерозиготы. Некоторые лица с этим метаболическим нарушением представляют собой компаунд-гетеро-, а не истинные гомозиготы. Компаунд-гетерозиготами называют лиц, получивших разные, а не идентичные мутантные аллели определенного локуса от каждого родителя. Первыми идентифицирован­ными компаунд-гетерозиготами были лица с болезнью гемоглобина SC. Они наследуют ген гемоглобина S от одного из родителей и ген гемоглобина С от другого. Эти больные обладают двойной дозой мутации по синтезу b-глобиновой цепи, и поэтому у них не образуются нормальные b-цепи. Клинически и химически они отличаются от истинных SS- или СС-гомозигот. Компаунд-гетерозиготы выяв­лены также среди больных с цистинурией, иминоглицинурией, недостаточностью галактозо-1-фосфатуридилтрансферазы, L-идуронидазы, метилмалонил-КоА-мутазы и цистатионинсинтетазы. У некоторых, но не у всех компаунд-гетерозигот тяжесть состояния не уступает таковой у истинных гомозигот, что зависит от природы наследуемых мутантных аллелей.