Общий патогенез наследственных заболеваний

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 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» илитезаурисмозы) 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 гипертензией) 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 (фенилпировиноградная 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 летальны, и их клиника не описана.

2. Не все белки, кодируемые генами, являются ферментами. Множество наследственных болезней не связано с дефектом какого бы то ни было фермента, так как при них поражаются гены, кодирующие не энзиматические 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 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 не аллельной 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, что ее нарушение проявится в обмене веществ сразу многими эффектами.

Рассмотрим классификацию патогенетических вариантов наследственных нарушений метаболизма (по Е. Л. Розенфельду, 1980). В первую очередь, коснемся наследственных болезней, поражающих белки-ферменты. Если мутация затрагивает структуру или скорость считывания гена, кодирующего пептид 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-Сакас, 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 становится 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 14 кг), 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 отрицательной 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 муковисцидозе второго типа – тяжелом наследственном заболевании проявляющемся отсутствием в умственной развитии т 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, так и от того, что субстраты этих энзимов, которые продолжают транспортироваться в лизосомы, не встречаются там с лизосомами, не метаболизируются и формируют лизосомальные включения (откуда второе название этой болезни Inclusion cell disease).

Не менее разнообразны и патогенные последствия мутаций генов распознающих белков.

Классическим примером может служить описанная выше в разделе «Нарушения рецепции сигналов» семейная наследственная гиперхолестеринемия IIа 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 групп специфических транспортных рецепторов и вовлекают каждая несколько близких по строению аминокислот. Цистинурия, болезнь Хартнупа и дибазикаминоацидурия имеют классически значимые проявления, а дикарбоксиламиноацидурия и иминоглицинурия – бессимптомны. Другие 5 транспортных аминоацидопатий гиперцистинурия, гистидинурия, лизинурия, мальабсорбция триптофана и метионина – субстратспецифичны.

Все эти состояния аутосомно-рецессивные моногенные наследственные болезни. Наиболее частая и клинически значима цистинурия (1/15000). Цистин мало растворим и при данном заболевании формирует камни почек, мочевого пузыря и уретры. В дополнение к 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 никотинамиддинуклеотид-фосфата – 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 франко-канадцев) не реабсорбируются аргинин, орнитин и лизни. 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 пересносчик 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 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 в метаболической цепи, а ферменты и рецепторы, обеспечивающие последовательные шаги 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 лизилгидроксилазы, (тип 6), дефектом медь-транспортирующей АТФ-азы (9 тип), дефектом коллагенраспознающего белка фибронектина (10 тип), нарушением превращения проколлагена 1 типа в коллаген типа 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-доминанты, 5 тип рецессивен и сцеплен с Х-хромосомой, 6 и 10 – аутосомно-рецессивны, а 7 тип имеет 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 состоит в том, что невозможно дать квалифицированную медико-генетическую консультацию на основании только клинико-лабораторной картины болезни у пробанда и безусловная необходимость генеалогического исследования.