Врожденные нарушения метаболизма (обзор)
Видео: нарушения углеводного обмена.
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.
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 ТА, ЕАВ, ЕВС
Видео: Нарушение метаболизма кальция. Изучение и управление гиперкальциемией
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- ЕАВ ЕВС и ECD— ферменты, катализирующие превращение А в В,.В в С и С в D. и ECD — 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 ЕAB 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 ТА, т. е. в рецепторной или транспортной системе, переносящей А в клетку, то внутриклеточная концентрация А может оказаться слишком малой, чтобы насытить ЕAB 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 (ЕАB, ЕBC или ЕCD). Этот дефект мог бы приводить к накоплению внутри и вне клетки ближайших или отдаленных предшественников реакции. Если нарушен ЕAB, 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 ЕBC может приводить к накоплению как А, так и В, а нарушение ECD — 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?ЕAB).
Избыток продукта. Как можно видеть на рис. 305-1, конечный продукт ряда реакций — D — регулирует активность ЕAB — 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 ?-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: ?-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 GM2-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 ?-талассемии: ?°, которая характеризуется явным отсутствием мРНК ?-глобина, и ?+, для которой характерны, хотя и сниженные, но все же определенные уровни ?-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 ?- и ?-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 ?-глобиновой цепи, и поэтому у них не образуются нормальные ?-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.
Диагностические методы и объекты исследования
Физиологические жидкости. Большинство сведений о врожденных «ошибках» метаболизма и методах их выявления было получено в результате химических исследований крови или мочи, позволивших обнаружить специфические биохимические нарушения и во многих случаях открыть пути к изучению ферментов и выяснению конкретного дефекта. Они дали также возможность скрининга крупных популяций, облегчив тем самым выявление больных еще до появления у них явных клинических симптомов. Использование методов скрининга по крови и моче позволило обнаружить гетерозиготных носителей многих заболеваний. Эти методы часто помогают также проследить эффекты некоторых диетических и лекарственных средств или заместительной терапии.
Анализ тканей. Определение ферментов и биохимические исследования тканей человека, полученных путем биопсии, позволили обнаружить специфические ферментные нарушения более чем при 100 метаболических аномалиях. При таких заболеваниях, как наследственный сфероцитоз, цистинурия и синдром нарушения всасывания глюкозы — галактозы, in vitro были выявлены и нарушения мембранного транспорта. Эти исследования в дополнение к доказательствам аномальности продуктов отдельных генов часто позволяют идентифицировать биохимическую и генетическую гетерогенность, свойственную врожденным «ошибкам» метаболизма.
Исследования тканей не годятся для популяционных обзоров и оказываются наиболее полезными, если сочетаются с выявлением изменений в крови и моче.
Клеточные культуры. Существенный вклад в биохимию и генетику врожденных метаболических аномалий внесли также исследования на растущих в тканевой культуре фибробластах человека. В некоторых случаях (акаталазия, галактоземия, недостаточность глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы, болезнь накопления гликогена II типа, экскреция с мочой повышенного количества кетокислот с разветвленной цепью или оротовой кислоты) ферментные нарушения, ранее выявленные в других тканях, были подтверждены на культуре фибробластов. При цитруллинемии и болезни Рефсума специфические ферментные аномалии вначале были обнаружены именно в фибробластах, а при синдроме Леша—Найхана нарушение активности гипоксантингуанинфосфорибозилтрансферазы было выявлено одновременно в эритроцитах, лейкоцитах и культивируемых фибробластах. Имеют значение и аномалии, определяемые в клетках гетерозиготных носителей. Например, исследование облигатных гетерозигот по ряду сцепленных с Х-хромосомой признаков позволило получить подтверждение справедливости гипотезы Лиона.
Анализ ДНК. Использование методики блот-гибридизации ДНК—ДНК для диагностики наследственных метаболических нарушений явилось наиболее важным вариантом применения технологии рекомбинантной ДНК в медицине (см. гл. 58). Этот подход основывается на выделении ДНК из легко доступных тканей, например лейкоцитов периферической крови, культивируемых фибробластов или клеток амниотической жидкости. После расщепления ДНК рестрикционными эндонуклеазами и определения размеров полученных фрагментов с помощью гель-электрофореза проводят реакцию с мечеными зондами к специфическим генам из конкретных локусов, ответственным за конкретные нарушения. Если молекулярный дефект, лежащий в основе нарушения, точно известен, как, например, при серповидно-клеточной анемии или Z-варианте ?1-антитрипсина, то можно подобрать строго определенные олигонуклеотидные зонды. В других случаях диагностика осуществляется легче путем регистрации полиморфизма длины рестрикционных фрагментов, подразделяемых на семейства и служащих полезными маркерами болезни (см. гл. 58). Этот подход использован для диагностики болезни Гентингтона, фенилкетонурии, цитруллинемии, синдрома Леша—Найхана и недостаточности орнитинтранскарбамилазы.
Выявление гетерозигот. Выявление гетерозиготных носителей двояко влияет на изучение врожденных дефектов. Во-первых, оно наглядно доказывает рецессивность наследования заболевания независимо от того, является ли мутация аутосомной или сцепленной с Х-хромосомой. Во-вторых, идентификация гетерозиготных носителей в одной семье позволяет получить важные сведения для генетического консультирования ее членов. При заболеваниях, при которых у носителей могут появиться клинические признаки (т. е. при доминантно наследуемых дефектах, таких как острая перемежающаяся порфирия или семейная гиперхолестеринемия), выявление гетерозигот имеет непосредственное клиническое значение.
Гетерозигот можно идентифицировать с помощью многих методов, используемых для выявления дефектов у больных. В некоторых случаях для выявления носителя достаточно применить методы скрининга проб крови или мочи. В других полезными оказываются ферментативные методы. При ряде заболеваний анализ крови или мочи не позволяет разграничить здоровых лиц и гетерозиготных носителей, но последних помогают выявить пероральные или парентеральные нагрузки предшественником в цепи нарушенной химической реакции. Так, гетерозиготы по галактоземии и фенилкетонурии реагируют на пероральную нагрузку соответственно галактозой и фенилаланином более высоким уровнем их в плазме по сравнению со здоровыми. Носители ряда заболеваний выявляются с помощью ферментативных методов или по фенотипу клеток в биоптатах. Наконец, для их выявления и, что важно, для исключения носительства часто применяют методы гибридизации ДНК—ДНК. Обычно этими методами пользуются лишь в одном или в немногих центрах. В силу их сложности они не применяются для выявления носителей в крупных популяциях.
Пренатальные исследования. В настоящее время большой интерес вызывает выявление генетических болезней во внутриутробном периоде (см. гл. 58). Химическое исследование амниотической жидкости или ферментативный анализ ее клеток позволил идентифицировать более 50 врожденных метаболических нарушений.
Наиболее многочисленную группу заболеваний, выявленных этим методом, составляют болезни накопления мукополисахаридов и липидов, обусловленные недостаточностью отдельных лизосомных гидролаз. Однако этим способом идентифицированы и нарушения метаболизма амино- и органических кислот, углеводов и пуринов. Несколько врожденных аномалий установлено путем исследования крови плода, полученной при пункции плаценты или фетоскопическом контроле. Таким путем выявлены серповидно-клеточная анемия, ?-талассемия и гемофилия. Если все эти подходы основаны на исследовании генных продуктов или метаболитов, то диагностика других нарушений осуществляется с помощью методики блот-гибридизации ДНК—ДНК. Последние методики особенно перспективны, так как позволяют использовать клетки, например, амниотической жидкости в культуре, которые содержат, но не экспрессируют гены, осуществляющие многие высокодифференцированные функции, включая синтез глобина и полипептидных гормонов. Блот-гибридизация ДНК—ДНК применялась для пренатального выявления фенилкетонурии, недостаточности а i-антитрипсина, гемофилии, серповидно-клеточной анемии, талассемии и недостаточности орнитинтранскарбамилазы.
Генетический скрининг
Генетический скрининг представляет собой обследование популяции на предмет выявления лиц, обладающих генотипом, о котором известно, что он связан либо с болезнью, либо с предрасположением к ней у человека или его потомства. В научно-исследовательском плане скрининг может дать представление о частоте определенного генотипа в популяции и о полиморфизме заболевания. Однако в контексте рассмотрения врожденных метаболических нарушений скрининг применяется с двумя важными целями: для раннего выявления лиц с риском курабельного заболевания еще до появления клинической симптоматики и для идентификации пар с риском заболевания у потомства, которые могут извлечь пользу из генетического консультирования. Характерным примером первой цели служит неонатальный скрининг на фенилкетонурию. В этом случае скрининг оправдывается относительно высокой частотой заболевания (примерно 1:10000 среди представителей европеоидной популяции), тяжелыми клиническими последствиями (резкая задержка психического развития), свидетельством того, что ограничением фенилаланина в диете до 30-дневного возраста можно снизить концентрацию фенилаланина в крови до уровня, обеспечивающего нормальное или почти нормальное психическое развитие, а также специфичностью существующего метода диагностики заболевания в неонатальном периоде. Более 90 % новорожденных в Северной Америке и Западной Европе обследуются на фенилкетонурию с помощью метода ингибирования бактериального роста. Эта программа скрининга требует огромных кадровых и экономических затрат, она быстро распространилась на неонатальное выявление других курабельных заболеваний, таких как галактоземия, гипотиреоз и гомоцистинурия. Такого рода меры, необходимые для «вторичной» профилактики, подчеркивают значение взаимодействия между окружающей средой и наследственностью для проявления болезни и не сопряжены с серьезными этическими проблемами.
Последнего, однако, нельзя сказать о другой цели скрининга: выявления супружеских пар, для потомства которых характерен риск неизлечимых (или почти неизлечимых) заболеваний. Примером служит болезнь Тея—Сакса у евреев ашкенази. При вступлении в брак двух ашкенази вероятность того, что оба супруга являются носителями гена болезни, составляет 1:900. Теоретически, если бы все ашкенази обследовались до брака, если бы при всех беременностях в семьях с риском этого заболевания проводилась пренатальная диагностика и если бы все больные плоды подвергались аборту, то частота болезни Тея—Сакса должна была бы снизиться до нуля. Однако проводить скрининг в законодательном порядке невозможно, а добровольно на обследование соглашаются немногие. Для успеха этого мероприятия решающее значение имеют образование, мотивация и эффективный катамнез. Аналогичные программы осуществляются среди представителей негроидной популяции, в которой у каждой из 100 супружеских пар существует риск рождения ребенка с серповидно-клеточной анемией. Прежние программы были не только неэффективны, но даже вредны из-за недостаточной разъяснительной работы перед обследованием, из-за непонимания различий между маркером серповидно-клеточной анемии и самим заболеванием, а также из-за ограничений, испытываемых больными при приеме на работу и страховании жизни. Крах этих мероприятий указывает на значение этических и социальных аспектов подобных программ скрининга.
Лечение
Многие больные с наследственными метаболическими дефектами, особенно если выяснены их биологические основы, легко поддаются лечению. По мере увеличения объема знаний о мутациях, ответственных за конкретные заболевания, и о химических последствиях этих мутаций наверняка появится возможность с помощью специальных лечебных программ компенсировать или менять течение и других врожденных аномалий. Лечение преследует две цели: первая предусматривает воздействие на сам генотип больного, вторая — изменение окружающей среды таким образом, чтобы смягчить вредный эффект мутантного фенотипа. До настоящего времени успехи в лечении связаны лишь со вторым подходом. Несмотря на то что возможность изменения генотипа и вызывает значительный интерес, клиническое использование этого подхода остается всего лишь надеждой.
Успех терапии на фенотипическом уровне связан с рядом условий. Прежде всего необходимо установить правильный диагноз. Некоторые врожденные нарушения, такие как фенилкетонурия, имеют безвредные фенокопии, характеризующиеся транзиторными, но аналогичными биохимическими изменениями у новорожденных. Если при истинной фенилкетонурии диета с низким содержанием фенилаланина смягчает осложнения со стороны центральной нервной системы, то у новорожденных с. транзиторной гиперфенилаланинемией из-за задержки созревания фенилаланингидроксилазы она может оказать катастрофическое действие на рост и развитие. Затем врач должен быть убежден, что аномалия опасна для здоровья и требует проведения лечебных мероприятий. Как уже упоминалось, некоторые врожденные аномалии, например, пентоз- или иминоглицинурия, не сопровождаются сколько-нибудь существенными клиническими проявлениями и лечения при них не требуется. Наконец, любую терапевтическую программу необходимо постоянно оценивать на предмет вредных последствий, равно как и для доказательства ее эффективности. Иногда это трудно разделить. При болезни Уилсона пеницилламин является эффективным средством, так как образует хелаты с медью- он также способствует растворению цистина и предотвращает образование камней при цистинурии. К сожалению, препарат вызывает и вредные эффекты, что снижает его ценность и требует тщательного медицинского наблюдения.
Методы лечения. Модификация фенотипа достигается многими путями, которые зависят от характера аномалии и сроков проявления ее эффектов. Методы лечения бывают консервативными и хирургическими, причем по разнообразию и опыту использования первые значительно превосходят вторые.
Исключение препаратов. При некоторых аномалиях клинические последствия можно смягчить или полностью предотвратить, исключив определенные воздействия внешней среды. Например, приступы гемолиза у больных с недостаточностью Г-6-ФД можно значительно ослабить, исключив прием таких препаратов, как примахин или сульфаниламиды,, и таких пищевых продуктов, как бобы. Точно так же продолжительная остановка дыхания после введения сукцинилхолина у лиц с недостаточностью псевдохолинэстеразы не наступает, если это анестезирующее средство не применять. Примерами аналогичного подхода служит исключение барбитуратов и многих других препаратов из используемых при острой интермиттирующей порфирии, а также отказ от курения и вдыхания других вредных дымов при недостаточности a i-антитрипсина.
Ограничения. Известны многочисленные аномалии, при которых фенотипические изменения связаны с накоплением отдельных субстратов или побочных продуктов их метаболизма. Проявления этих аномалий можно смягчить путем ограничения потребления соответствующих субстратов или их предшественников, если, конечно, субстрат служит незаменимым компонентом диеты и, следовательно, не вырабатывается организмом. К примерам врожденных дефектов, эффективно корригируемых таким образом, относятся фенилкетонурия, повышенная экскреция с мочой кетокислот с разветвленной цепью (кетоацидурия), гомоцистинурия, галактоземия, эссенциальная фруктозурия и болезнь Рефсума. Подобно этому, больные с нарушением всасывания глюкозы и галактозы, у которых при потреблении пищи, содержащей лактозу, развивается тяжелая диарея, чувствуют себя вполне удовлетворительно при изменении источника пищевых углеводов. Напротив, диетические ограничения не помогают при гиперпролин-, гидроксипролин- или цитруллинемии, поскольку соответствующие аминокислоты в большом количестве синтезируются de novo. Даже при состояниях, при которых диетические ограничения могут принести пользу, возникает вопрос об их продолжительности. Вредное влияние избытка фенилаланина, галактозы и аминокислот или кетокислот с разветвленной цепью может проявляться лишь в первые годы жизни, когда скорость развития и организации функций головного мозга максимальна. Если это так, то после определенного возраста диетические ограничения следовало бы ослабить или вообще отменить. Более четкие рекомендации требуют большего клинического опыта.
Заместительная терапия. Многие болезни, связанные с неспособностью организма синтезировать определенные белки или продукты с низкой молекулярной массой, легко поддаются заместительной терапии. К врожденным дефектам, корригируемым при парентеральном заместительном введении белка, относятся гемофилия и агаммаглобулинемия. Эффективность заместительной терапии в этих случаях обусловлена тем, что в крови здорового человека содержится избыток отсутствующих у больных белков. Однако в большинстве случаев аномальный белок или фермент локализуется только в какой-то одной из внутриклеточных органелл и содержится в ней в очень малом количестве. В этих случаях заместительная терапия затруднительна или вообще невозможна по трем причинам: во-первых, из-за трудности очистки или синтеза больших количеств специфического белка, во-вторых, из-за того, что простое парентеральное введение белка не обеспечивает его поступления в необходимую часть клетки, в-третьих, из-за того, что белок может обусловить вредные иммунологические реакции. Несмотря на эти трудности, попытки подобного лечения продолжаются. Например, в некоторых случаях при болезни Гоше внутривенно вводят очищенную глюкоцереброзидазу человека. У больного при этом умеренно снижается уровень глюкоцереброзидов в тканях, свидетельствующий о том, что какая-то доля фермента поглотилась клетками и за короткое время оказала внутриклеточное действие. Углубление знаний о механизмах поступления белков в различные клеточные органеллы будет способствовать совершенствованию стратегии заместительной терапии.
Клинические проявления болезни могут быть связаны не с белком, синтез которого нарушен, а с продуктом заблокированной метаболической реакции. При ряде вариантов врожденной гиперплазии надпочечников блокируется синтез кортизола, и заместительная терапия этим стероидом приводит к резкому улучшению состояния больного. Точно так же введение тиреоидных гормонов и уридина купирует тяжелые клинические проявления соответственно семейного зобного кретинизма и избыточной экскреции с мочой оротовой кислоты.
Добавки. При некоторых метаболических нарушениях улучшение клинического состояния и/или коррекция биохимических показателей происходят при назначении дополнительных количеств тех или иных витаминов. Впервые это было установлено при наблюдении за больными детьми, у которых приступы удавалось купировать только сверхфизиологическими дозами пиридоксина. В настоящее время известно более 20 нарушений, корригируемых добавками того или иного витамина. Большинство из них обусловлено первичными ферментными дефектами, заключающимися в нарушении сродства к кофактору. Другие определяются первичными нарушениями путей синтеза кофермента или метаболита из предшественника-витамина. В эту категорию входит ряд аномалий, корригируемых кобаламином (витамин B12), фолатом или витамином D. Опыт продолжительного применения витаминных добавок пока еще ограничен.
Лекарственные препараты. Клинические проявления некоторых врожденных нарушений метаболизма обусловливаются накоплением определенных веществ в одной или нескольких тканях. Лечение при этом может быть эффективным в результате либо повышения экскреции накапливающихся химических соединений, либо блокады их образования. Накопление меди при болезни Уилсона можно блокировать с помощью таких средств, как пеницилламин, образующий хелаты с медью и усиливающий ее экскрецию. Экскреция железа при гемохроматозе увеличивается после флеботомии и под действием деферроксамина. Пеницилламин способствует также растворению кристаллов цистина при цистинурии, реагируя с этой аминокислотой и образуя более растворимый дисульфид цистеинпеницилламин. В этом случае количество экскретируемого цистина не меняется, но его химическая форма модифицируется благоприятным образом. Отложения мочевой кислоты при подагре уменьшаются при лечении как лекарственными препаратами, повышающими ее экскрецию (например, сульфинпиразол и пробенецид), так и ингибиторами метаболизма (например, аллопуринол), тормозящими биосинтез мочевой кислоты.
Хирургическое лечение. К хирургическим методам прибегают лишь при немногих состояниях, например при подагре, цистинурии и оксалозе, при которых нефро- или уретеролитотомия может значительно уменьшить проявления болезни, пока не начато проведение других лечебных мероприятий. Согласно данным ряда авторов, при некоторых заболеваниях полезной оказывается пересадка органов. Так, при цистинозе, гипероксалурии и болезни Фабри производили пересадку почек. Цель операции заключалась в восстановлении почечной функции при состояниях, сопровождающихся прогрессирующими и в конечном счете летальными повреждениями почек. Результаты при этом неоднозначны. При гипероксалурии пересаженная почка оказалась разрушенной отложениями оксалатов. При цистинозе этого не происходило. Вторая цель пересадки заключается в восстановлении нарушенной функции. Так, при комбинированном иммунодефиците подсадка печеночных клеток плода или тимоцитов сопровождается улучшением клинического состояния. Аналогичные положительные результаты пересадки костного мозга известны и йри других иммунодефицитах и р-талассемии. В будущем больным с гемофилией или агаммаглобулинемией можно будет, вероятно, трансплантировать селезенки. Длительный эффект операции должен определяться присутствием постоянного источника антигемофилического глобулина или гамма-глобулина соответственно. Подобным образом для лечения болезни Уилсона, тирозинемии и гомозиготной формы семейной гиперхолестеринемии с успехом трансплантировали печень. Этот подход следует, конечно, испытать и при других врожденных дефектах, поскольку при таких состояниях, как болезнь накопления гликогена, повышенная экскреция с мочой кетокислот с разветвленной цепью и дефекты ферментов мочевинного цикла, соотношение риска оперативного вмешательства и его положительных эффектов сдвигается в сторону последних.
Поделиться в соцсетях:
Похожие
