Поняття про молекулярні (генних) хворобах людини

Поняття про молекулярні (генних) хворобах людини. Організація і експресія генів у про- та еукаріот

спадкові хвороби
Молекулярні (генні) хвороби
Приклади молекулярних хвороб, пов'язаних зі зміною структурних білків
Організація і експресія генів у прокаріотів і еукаріотів
тестові завдання
спадкові хвороби
Спадкові хвороби - хвороби, пов'язані з якісним і кількісним порушенням спадкового матеріалу. Існують різноманітні класифікації спадкових хвороб, які широко використовуються в клініці і в теоретичних дослідженнях; основні з них:
• за рівнем порушення генетичного матеріалу: молекулярні (генні) хвороби (табл. 15) і хромосомні;
• за способом успадкування ознаки: моногенні і полігенні (мультифакторіальні) (табл. 16).
Спадкові хвороби успадковуються не всі, не можна дослівно сприймати цю назву, частину з них з'являється de novo.

10.2 Молекулярні (генні) хвороби
Причина виникнення - генні мутації (див. Відповідну тему). Механізм розвитку захворювання: зміна нуклеотидної послідовності ДНК -> зміна мРНК -> зміна білка (структурного або білка-ферменту) -> поява патологічних ознак -> хвороба.
Ензимопатії можуть виникати при порушенні всіх видів обміну (див. Словник термінів):
• вуглеводного - галактоземія, фруктозурия, полісахарідоз, муковісцидоз;
• амінокислотного - фенілкетонурія, алкаптонурія, тирозиноз;
• ліпідного - хвороба Тея-Сакса, гіперхолестеринемія;
• пуринового і піримідинового - синдром Леша-Нихана;
• нуклеинового - прогерія;
• мінерального - хвороба Вільсона-Коновалова (гепато-церебральна дегенерація), гіпофосфатемія (вітамін-D- резистентний рахіт).
Описано порушення обміну гормонів, вітамінів, дефекти ферментів еритроцитів і т. Д. Молекулярні хвороби зустрічаються в популяціях з різною частотою (табл. 17).

фенілкетонурія
Моделлю для вивчення ензимопатія може служити фенілкетонурія. Класична фенілкетонурія викликана мутацією гена РАН (пі агов ейч), він картирован (12q 22), ідентифікований і секвенирован (визначена послідовність нуклеотидів). Ген РАН відноситься до мозаїчним генам і складається з 13 екзонів і 12 інтронів; він детермінує синтез ферменту фенілаланінгідроксилази - ФАГ.
Захворювання пов'язане з порушенням обміну амінокислоти фенілаланіну. У нормі амінокислота фенілаланін перетворюється в амінокислоту тирозин, а тирозин - в пігмент меланін. Мутація гена викликає зменшення активності ферменту ФАГ, в результаті цього фенілаланін в повному обсязі перетворюється в тирозин. Фенілаланін накопичується в крові і частково перетворюється в фенілпіровиноградну кислоту (ФПК), яка виділяється з сечею і потім - від хворих виходить «мишачий запах». ФПК є нейротропним отрутою (порушується формування мієлінової оболонки навколо аксонів ЦНС), тому у дітей розвивається підвищена збудливість, тремор, судомні епілептиформні припадки, відбувається порушення вищої нервової діяльності, розвивається важка розумова відсталість.
Діагностика фенілкетонурії здійснюється біохімічними (визначення фенілаланіну в крові і ФПК в сечі), мікробіологічними (тест Гартрі), молекулярно-генетичними і клінічним методами. Попередження тяжких наслідків у розвитку хвороби базується на дієтотерапії: використовуються білковий гідролізат з зменшеною кількістю фенілаланіну і спеці-ні набори продуктів (мед, горіхи і ін.). Лікування дітей проводиться до 7-10 років, мозок дорослої людини стійкий до високих концентрацій ФПК.
При порушенні активності ферменту тирозинази (мутація гена) не відбувається перетворення тирозину в меланін і виникає альбінізм. У хворих спостерігаються слабка пігментація шкіри, волосся, райдужної оболонки, зміни в нирках, печінці, селезінці.
У ряді випадків розвивається алкаптонурія, причиною виникнення якої є генетичний дефект ферменту оксидази; в результаті цього гомогентізіновая кислота (проміжний продукт обміну) не розщеплюється повністю до води і вуглекислого газу, що відбувається в нормі, а відкладається в сполучної тканини (колір охри) і виводиться з сечею (темна сеча).
Дані захворювання успадковуються по аутосомно-рецесивним типом, зустрічаються з відносно високою частотою 1. 10000, при частоті мутантного гена у гетерозигот в людських популяціях 1. 50 (1. 75).
Профілактика: медико-генетичне консультування на різних етапах онтогенезу, виняток шлюбів між гетерозиготами, а для цього виявлення гетерозигот з використанням відповідних методів. В даний час проводиться скринінг всіх новонароджених на фенілкетонурію, гіпотиреоз і муко- вісцідоз.

Приклади молекулярних хвороб, пов'язаних зі зміною структурних білків

Організація і експресія генів у прокаріотів і еукаріотів
10.4.1. Класифікація генів
Елементарної функціональної одиницею спадковості є ген, його хімічна основа - молекула ДНК. Критерієм функції гена є його експресія (синоніми: дерепресія, активація, робота, включення) в процесі реалізації генетичної інформації:
ДНК -> РНК -> білок -> ознака
За своїм функціональним значенням гени класифікуються на структурні, регуляторні та гени-модулятори. Структурні гени діляться на дві групи: гени I, що кодують структуру білків (поліпептидів), гени II - структуру рРНК, тРНК. Регуляторні гени координують активність структурних генів на рівні клітини і на рівні організму в процесі онтогенезу, а також детермінують синтез регуляторних білків (ген-регулятор лактозного оперо- на і ген TFM). Поряд з регуляторними генами, є регуляторні послідовності (промотор, оператор, термінатор, енхансер, елемент перед промотором), функції яких виявляються при вза-імодействіі зі специфічними регуляторними білками.
Структурні гени ділять на гени "домашнього господарства», продукти експресії яких необхідні постійно для життєдіяльності будь-якого типу клітин (гени рРНК, тРНК, гени гістонів, гени тубулінів і ін.), І гени «розкоші» - тканеспеціфіческіе гени, що забезпечують спеціалізовані функції клітин, т. е. гени функціонально активні тільки в певних типах клітин і на певних стадіях розвитку організму (гени глобіну, ін-Суліна, Кристаллин, імуноглобулінів (локус HLA) і ін.

організація генів
Структурні гени по-різному організовані у про- і еукаріот. Гени в геномі можуть розташовуватися поодинці (індивідуально від інших генів) або групуватися, утворюючи транскрипційні одиниці, Оперон (у прокаріот) або повторювані гени, кластери генів (у еукаріот).
У прокаріотів (рис. 82) основним типом організації генів є Оперон (наприклад, лактозна оперон кишкової палички Е. coli).

Оперон Е. coli - це група структурних генів А, В, С, розташованих один за одним, які мають загальний промотор, оператор (нуклеотидні послідовності промотора і оператора перекриваються) і термінатор. Вони беруть участь в одному метаболічному циклі (в даному випадку розщеплення лактози до глюкози і галактози) і регулюються координовано. Структурні гени в складі оперона знаходяться під контролем оператора. Регуляція оперона здійснюється геном-регулятором (див. Рис. 84).
У еукаріот - основним типом організації генів є кластери. Кластери генів - це група споріднених генів з подібними функціями, локалізована в певних ділянках хромосом. До складу кластера входять активно функціонують гени і псев- догени (\ | /). Часто кластери є сімейством генів, які відбувалися від якогось гена-предка. Класичним прикладом є гени глобинов в складі А- і В-кластерів (див. Рис. 83). Гемоглобін складається з гема і білка тетрамера-глобіну. Глобінових тетрамер складається з двох ідентичних P-ланцюгів і двох ідентичних a-ланцюгів. Амінокіс-лотная послідовність кожної глобіновой ланцюга кодується своїми власними генами, що входять відповідно до складу А- і В-кластера. У людини A-кластер розташовується в 16 хромосомі, а В-кластер - в 11 хромосомі.
По-кластер займає ділянку ДНК розміром 50 тисяч пар нуклеотидів і включає в себе функціонально активні гени і один псевдоген: ген Е (епсилон); два гена у (гамма); псевдоген р (бета); ген 5 (дельта) і ген р (бета).
A-кластер розташовується більш компактно і займає ділянку ДНК розміром близько 28 тисяч пар нуклеотидів і включає 3 активних гена і 2 псевдогена: ген £ (дзета), псевдоген С (дзета), псевдоген а (альфа) і гени А2 (альфа два) і а, (альфа один).
На різних стадіях ембріогенезу відбувається виборче і по-отже включення і виключення генів А- і В-кластерів. Гени глобина розташовуються в А- і В-кластерах в певній послідовності і транскрибируются зліва направо в порядку їх експресії. У людини освіта «дорослого» гемоглобіну включає кілька етапів: ембріональний гемоглобін, гемоглобін плода і гемоглобін дорослої людини (після народження). Ембріональний гемоглобін (до 8 тижнів розвитку) складається з двох С, (дзета) - і двох е (епсилон) -ланцюгів; гемоглобін плода - з двох a-ланцюгів і двох у (гамма) -ланцюгів. Після народження людини гемоглобін складається з двох а ланцюгів і двох Р ланцюгів, а також 5 (дельта) -ланцюга (рис. 83).
Гени глобина за внутрішньою будовою є мозаїчними (див. Рис. 83). Мозаїчна ген Р-глобіну складається з трьох екзонів і двох интронов, вони нумеруються послідовно цифрами (можна буквами). Ген починається і закінчується екзонних. Екзонів і інтрони транскрибируются і входять до складу первинного РНК-транскрипту (про-мРНК). При процессинге інтрони вирізаються і не беруть участі в трансляції, мРНК представлена ​​тільки екзонами, вона коротше про-мРНК і, відповідно, коротше розміру свого гена. На кінцях интронов є певні постійні послідовності ГТ-АГ (правило ГТ-АГ).

Регуляція експресії генів. прокаріоти
У прокаріотів регуляція експресії генів відбувається на рівні транскрипції і здійснюється регуляторним геном (ген- регулятор). Ген-регулятор детермінує синтез регуляторного білка. Регуляторний білок (білок-репрессор) з'єднується з оператором, перешкоджаючи з'єднанню РНК-полімерази з промотором (рис. 84).
Можливі два стану лактозного оперона: 1 - оперон «вимкнений», 2 - оперон «включений».
1. Зв'язування білка-репрессора з оператором припиняє процес транскрипції: РНК-полімераза не може приєднатися до промотор, експресії структурних генів не відбувається, ферменти не синтезуються.

2. Вступник в клітку індуктор (лактоза) з'єднується з білком-репрессором, відбираючи його від оператора, що забезпечує приєднання РНК-полімерази до промотор і експресію генів. Результатом цього є синтез білків-ферментів, які розщеплюють лактозу до глюкози та галактози.
Лактозна оперон, як одиниця транскрипції, регулюється по типу негативної регуляції: гени експресуються за умови, що вони не вимкнені регуляторним білком (білок-репрессором).

еукаріоти
У еукаріот всі клітини багатоклітинного організму містять однакову ДНК, але в той же час вони відрізняються один від одного за морфологічними, фізіологічними та біохімічними властивостями. В основі цих фенотипічних відмінностей лежить експресія різних генів і відповідно синтез різних мРНК і білків. Велика частина білків синтезується всіма клітинами. Для цього необхідна експресія генів "домашнього господарства», вони постійно експрес-рова.
Деякі білки синтезуються тільки в певних клітинах (Глобине і ін.), Синтез таких білків, а відповідно і експресія генів регулюється: гени «включаються» і «вимикаються».
Експресія генів регулюється на різних рівнях реалізації спадкової інформації: претранскріпціонном, транскрипционном, посттранскрипційна, претрансляціонном, трансляційному і посттрансляционном (табл. 18).

Експресія музичного гена
Експресія музичного гена має певні особливості (рис. 85): • Складна ініціація транскрипції. РНК-полімераза «дізнається» промотор і приєднується до нього після того, як утворюється стабільний транскрипційний комплекс (з'єднання ТАТА- боксу з ТАТА-фактором TF).

• Регулювання швидкості та інтенсивності транскрипції. Регуляторні білки (сайт-специфічні ДНК-зв'язуючі) взаємодіють з короткими (8-15) нуклеотидними послідовностями в області енхансера (сайленсери), елементу перед промотором, і змінюють процес транскрипції. Комбінаційний ефект регуляторних білків забезпечує експресію гена (+++ - -, + - -).
• Сплайсинг. Освіта мРНК. Екзонів сплайсіруются з утворенням мРНК, яка набагато менше, ніж сам мозаїчний ген. Сплайсинг каталізується сплайсосома: вони дізнаються певні послідовності інтронів і видаляють їх з утворенням лассоподобних структур.
• Альтернативний сплайсинг. Особливості будови музичного гена дозволяють здійснювати альтернативний сплайсинг: використовуючи одну і ту ж генетичну інформацію, синтезувати різні ізоформи одного білка шляхом утворення різних сполучень екзонів при їх з'єднанні в мРНК (рис. 86).

Експресія генів на рівні транскрипції
Найбільш вивчена регуляція експресії генів на рівні транскрипції (рис. 87). Вона здійснюється за допомогою різноманітних регуляторних білків, а в деяких клітинах і гормонів.
Прикладом гормональної регуляції експресії генів на рівні транскрипції є дія стероїдного гормону прогестерону на клітини-мішені. Молекули гормону надходять в цитоплазму, з'єднуються з молекулами білка-рецептора (він складається з двох субодиниць А і В) і утворюють комплекс рецептор-гормон, який переміщається в Каріоплазма. У складі комплексу субодиниця В зв'язується з хроматином, при цьому відбувається дисоціація субодиниць. Субодиниця А приєднується до промотор і змінює активність РНК-полімерази, інтенсифікуючи синтез мРНК.