Лекция 1 Предмет и понятия медицинской генетики Геномное

Лекция 1. Предмет и понятия медицинской генетики. Геномное и протеомное здоровье человека. Достижения молекулярной медицины (часть I) Профессор Мутовин Геннадий Романович 1

Современный этап развития медицины развитых стран мира характеризуется новейшими достижениями генетики, биохимии и биоинформатики, благодаря которым медицина стала молекулярной. Это произошло на основе совместных усилий США, Англии, Франции, Германии, Швеции, Израиля и Японии, реализовавших международную научную программу «Геном человека» (1988 -2005 гг. ) стоимостью 3, 5 млрд. $. Общенаучное значение результатов этой программы огромное. Достижения этих наук проникли во все сферы деятельности, что позволяет говорить о стремительно нарастающей биоинформатизации и генетизации всего человечества. 2

Геномика (старое название – генетика) и протеомика (биохимия) объединены одной целью: выяснение характера связей между генами и белками – признаками, т. е. связей между геномом (генотипом) и феномом (фенотипом) организма на разных этапах его организации и функционирования. Иными словами, протеомика является следствием (продолжением) развития геномики. Главные задачи геномики и протеомики в медицине – это тестирование молекул генов и белков, белковых комплексов и других компонентов структурной организации клетки и организма и расшифровка связей между ними для целей диагностики, лечения и профилактики как генетических, так и негенетических болезней человека. 3

Что такое биоинформатика (биокибернетика)? - это область науки, разрабатывающая программные алгоритмы для систематизации и анализа данных о структуре и функциях макро - и микромолекул клеток человека с последующим их применением для создания новых лекарств, блокирующих с помощью антисенсов (антимысловых последовательностей ДНК) образование комплементарных пар оснований в геномах вирусов и микроорганизмов, патогенных для человека. Антисенс - терапия останавливает работу (экспрессию) м. РНК в геноме патогена или вируса, препятствуя его размножению в клетках человека. 4

Достижения геномики и протеомики: Получены уникальные данные о структуре и функционировании главной молекулы жизни -молекулы ДНК, определена совокупность генов организма, или генотип, равный 35 -40 тыс. генов, половина которых (18 -22 тыс. )– это белок-кодирующие гены. Проведено секвенирование всех нуклеотидных последовательностей генома человека (3, 2 млрд. н. п. ), Изучены тонкая структура генов и особенности их экспрессии. Составлены карты всех хромосом человека, на которых локализованы 11 тыс. генов (более 25%). Расшифрован геном митохондрий (37 генов). 5

Среди других достижений: • доказательства в пользу пересмотра взглядов на происхождение человека, генотип которого содержит следы экспансии более древних генов из Африки; сотни генов получены от бактерий и беспозвоночных, а почти половина генов произошла из транспозонов мобильных генетических элементов; • идентификация новых типов генов: нейрональные, свертывания крови, приобретенного иммунного ответа, общих возможностей человека (гены внутриклеточных и межклеточных сигналов, индивидуального развития, программированной клеточной гибели, контроля транскрипции и др. ); 6

• выделение 5 классов повторов последовательностей ДНК и определение их роли в эволюции, процессах естественного отбора и мутагенеза. Показано, что повторы могут перестраивать геном, модифицировать и перетасовывать гены, в том числе модулируя в них содержание ГЦ - пар оснований; • идентификация генов некодирующей транспортной РНК и сотен псевдогенов; • обнаружение огромного числа однонуклеотидных полиморфизмов (SNP, или ОНП ) и коротких фрагментов ДНК, среди которых картированы гены, ответственные за передачу мультифакториальных признаков и заболеваний; 7

• выделение новых и уточнение мало изученных механизмов взаимодействия между отдельными генами и генотипом как системой, связей между отдельными частями генов и результатами их экспрессии: феномены генокопирования и фенокопирования, множественного аллелизма, аллельных серий одного и того же гена и др. ; • выделение в кодирующих областях генома Cp. G– островков (динуклеотидов), связанных с 5, -концами генов, часть которых содержится в рибосомных генах и псевдогенах; • отказ от центральной догмы молекулярной биологии: «один ген - одна полипептидная цепь» , т. к. наряду с этой формулой получили право на существование новые формулы: « 2 или 7 генов – одна полипептидная цепь» , 8

«один ген – несколько полипептидных цепей» , «разные участки одного и того же гена – разные полипептидные цепи» ; • оценка роли многочисленных семейств белковдоменов как консервативной части генома в эволюции (у человека в расчете на один белок доменов намного больше, чем у других видов и наблюдаются новые их комбинации); • идентификация новых классов: а) белков, включая: белки – молекулярные шапероны; белки с мотивами (структурами), узнающими и связывающими специфические участки молекулы ДНК; прионные белки; 9

б) гликопротеидных и липопротеидных комплексов и отдельных молекул, входящих в состав клеточных рецепторов, медиаторов и модуляторов межклеточной и внутриклеточной сигнализации, включая: цитокины, интерлейкины, интерфероны, факторы роста и некроза опухолей, факторы транскрипции и трансляции – всего около 100. Следует отметить, что общее количество белков у человека - это 350 -400 тыс. (в 10 раз больше, чем генов в генотипе), а с учетом всех белковых модификаций их около 6 млн. Между тем изучено не более 7 -8% белков. Иными словами, идентификация и изучение белков (белковых комплексов) у человека только начинается. 10

Медицинское значение итогов программы «Геном человека» : Главный результат - это появление и бурное развитие молекулярной медицины, достижениями которой стали: • определение уникальности наследственного материала каждого человека и проведение на этой основе молекулярно-генетических и биохимических исследований по индивидуальной геномике, протеомике и фармакогеномике; • разработка точных и высоко эффективных методов диагностики наследственных болезней на разных этапах онтогенеза человека, включая дородовую (пренатальную) диагностику; 11

• выяснение молекулярной природы сотен моногенных и полигенных болезней (около 500). Так, общее число МБ, гены которых локализованы на хромосомах, достигло 1500 (каждое третье заболевание); • выделение сложно наследуемых МБ (ди-, три- и тетрагенные); • определение роли генотипа в патогенезе бешенства, столбняка, СПИДа и опухолей; • открытие новых биологических феноменов, лежащих в основе наследственных и врожденных болезней: динамическая (полная) мутация, связанная с экспансией (ростом) числа нуклеотидных повторов и антиципацией (параллельный росту числа повторов рост тяжести течения болезни); генетический и геномный импринтинг; эффект прионизации и др. 12

• выделение нетрадиционного варианта наследования генов и признаков (2/3 всех случаев наследования), к которому уже отнесены 6 классов молекулярных болезней (накопления, пероксисомные, митохондриальные, импринтинга, экспансии нуклеотидных повторов и прионные болезни); • разработка и усовершенствование методов профилактической медицины, включая массовый и селективный неонатальный скрининг на НБО; • разработка подходов к созданию геномного и протеомного паспорта человека; • разработка методов преимплантационной и пресимптоматической диагностики наследственных болезней, включая ЭКО; 13

• выяснение роли генетических факторов в этиологии и патогенезе иммунных, онкологических и других болезней); • разработка экспериментальных и клинических основ методов генотерапии, клеточной и тканевой терапии, нанобиотехнологий и наномедицины (см. вторую часть). В ближайшие годы основу молекулярных исследований в медицине составят: • идентификация сотен и тысяч новых структурных и регуляторных генов; • выяснение вклада сперматогенеза и оогенеза в развитие мутационного процесса (в первом случае вклад вдвое выше, чем во втором); 14

• применение методов биоинформатики для : а) тестирования генов - кандидатов болезней (с помощью компьютерной базы данных о сиквенсе ДНК) и последующий скрининг генома на разные мутации (на основе информации о структуре генов) – уже найдены десятки генов - кандидатов МФЗ; б) тестирования генных сетей (функционально связанных между собой генов), включая главные гены и гены-модификаторы ряда нормальных и патологических процессов. Например, определены генные сети, участвующие в формировании почти всех систем организма: • гены центральной и периферической нервной 15

системы – около 20 -28 тыс. генов или 50 -70% генов всего генотипа (около 2, 3 млрд. нуклеотидов); • гены репродуктивной системы – около 5000; • гены иммунного ответа – 2190; • гены бронхолегочной системы – 2000; • общее число генов эндокринной системы предполагается на уровне 10 -14000; • гены митотического цикла и пролиферации – 400; • гены эритропоэза – 200; в) получение индивидуальных лекарств на основе компьютерных баз данных о клетках-мишенях для таких лекарств (известны тысячи клеток-мишеней); • выявление паралогов генов наследственных болезней. Найдены около 300 паралогов для 1000 болезней, 16

включенных в каталог В. Маккьюсика (OMIM); • определение генов предрасположенности к моногенным и полигенным болезням, включая: а) тестирование генов внешней среды (контролируют метаболизм, деградацию и детоксикацию ксенобиотиков); б), тестирование генов-триггеров (контролируют ключевые биохимические реакции и механизмы адаптации и деградации естественных метаболитов, включая аминокислоты); в) тестирование генов-рецепторов (кодируют структуру и функции мембранных белков и поступление в клетку веществ); 17

• секвенирование участков генома, ответственных за отдельные биологические функции (например, тестирование генов рецепторов С-белка); • разработка правовых и этических требований по созданию и внедрению в медицину молекулярного (геномного и протеомного) паспорта индивида. Таким образом, современная молекулярная медицина – это 3 науки: геномика, протеомика и биоинформатика. Что такое клиническая и медицинская генетика? – это одна наука, представленная двумя названиями. Клиническая генетика в отличие от медицинской применяет синдромологический подход (метод) и не применяет популяционно-статистический метод. В медицинской генетике, наоборот, не применяется первый, но широко применяется второй метод. 18

Общие положения и понятия Многоклеточный организм человека – это 1015 клеток, формирующих не менее 700 типов тканей, органы и системы организма. Клетка – это структурно-функциональная единица организма. Ее компонентами, или «строительными материалами» являются макро- и микромолекулы: наследственного материала (полинуклеотиды и нуклеотиды), белков (полипептиды и пептиды), сахаров (полисахариды и моносахариды), жиров (липиды и их элементы (фосфолипиды, жирные кислоты, холестерин), а также молекулы воды и ионы металлов с переменной валентностью. 19

Наследственный материал имеет 3 уровня организации: молекулярный, хромосомный и популяционный. Ген – это единица наследственного материала, или участок молекулы ДНК, кодирующий биосинтез структурного или регуляторного белка и разные типы РНК (м. РНК, р. РНК, т. РНК, микро. РНК и др. ) – см. рис. 1. Генотип – это совокупность генов одной соматической клетки или всего организма (см. выше. ). Геном – это полная генетическая система, отвечающая за появление, развитие, наследование и утрату всех структурных и функциональных особенностей организма в ходе его онтогенеза. Это гаплоидный набор нуклеотидов в молекуле ДНК (около 3, 2 млрд. н. п. ). 20

Рис. 1. Структура бета-глобинового гена человека ( по: С. Гилберт, 1995).

Хромосома – это молекула ДНК + белки. Кариотип – это полный двойной (диплоидный) набор хромосом соматической клетки. Записывается для женского организма как: 46, ХХ; мужского организма: 46, ХY – это норма. Популяция – это совокупность организмов одного вида на ограниченной территории (8, 5 млрд. людей Земли). Она включает расы, нации, народы, народности, этнические группы. Свойства гена 1. Главное свойство – экспрессия (работа) или перевод последовательности нуклеотидов в молекуле ДНК в последовательность аминокислот в молекуле белка. 2. Аллельное состояние (диаллельная модель обшей структуры гена– см. рис. 2).

С А Б В Рис. 2. Диаллельная модель общей структуры гена. Примечание. Гомологичные хромосомы: отцовская (верхняя) и материнская (нижняя). P – короткое плечо, q – длинное плечо. С –центромера. А, Б и В – идентичные генные локусы длинного плеча и содержащиеся в них аллельные копии.

С этим свойством связаны понятия: гомозиготность и гетерозиготность; гаплотип; полиморфные генные локусы (их около 6 тыс. ). 3. Дискретность – развитие разных признаков контролируется разными генами, разными локусами и разными хромосомами. 4. Дозированность. Ген обусловливает развитие признака до определенного предела (дозы); параллельно дозе гена усиливается выраженность признака. 5. Специфичность. Ген контролирует определенный признак или их группу. 6. Стабильность. В отсутствие мутаций ген передается в ряду поколений в стабильном виде.

Генетический полиморфизм (ГП) – это вариации генов у биологического вида. В классической генетике ГП соответствует вариантам, из которых наиболее редкий вариант встречается с частотой чаще, чем 1% (основан на диаллельной модели гена и множественном аллелизме – см. выше). В молекулярном плане ГП – это нарушения структуры нуклеотидов в молекуле ДНК. Основная форма: однонуклеотидный полиморфизм (ОНП) - изменения одной пары нуклеотидов, встречаются в 93% генов человека, в т. ч. качественный и количественный ГП. В первом случае - это замена одного нуклеотида, или SNP (частота 1 : 300 нп. ). Во втором случае - это вариабельность числа тандемных повторов нуклеотидов, или STR (следуют друг за другом в виде

одного, двух, трех и более повторов). Если в повторе больше 10 -100 нуклеотидов, то это ГП по размеру повторов, или VNTR. Кроме того, выделен аллельный ГП по числу копий повтора. Его причины: мутации, рекомбинации и неравный кроссинговер. Гомеостаз - это постоянство внутренней среды клетки и организма, обеспечиваемое генотипом и адекватным действием факторов окружающей среды в ходе онтогенеза, т. е. гомеостаз генетически детерминирован. Генетический контроль гомеостаза обеспечивают: главные регуляторные и защитные системы: нервная, эндокринная и иммунная; ферментные системы органов и тканей: печень (например, цитохром Р 450), селезенка (глутатион-зависимые ферменты), почки, кожа, слизистые

оболочки; ферментные, фосфолипидные и другие системы клетки, например, системы репарации ДНК. Эти системы контролируют: элементарные реакции в организме (превращение энергии, пассивный транспорт веществ); сложные реакции в организме (норма реакции, активный транспорт веществ, нервная и эндокринная активность, иммунный ответ, работа мышц, сердца и сосудов и т. д. ). Геномное здоровье– это нормальная структура и функционирование генома, или основа эволюционной стабильности вида «Homо sapiens» , являющаяся фундаментом соматического (телесного), психического (душевного) и репродуктивного здоровья человека. Оно обеспечивается стабильностью генотипа и гомеостаза организма в ходе онтогенеза. 27

Показатели геномного здоровья: - состояние генофонда; - состояние репродуктивной функции. Генофонд человека – это совокупность генов (генотипов) в общей популяции или совокупность всех людей Земли (8, 5 млрд. человек). Для генофонда характерны: • целостность (сохранение) совокупности генотипов; • дифференцированность и неоднородность генотипов (в основе лежит генетический полиморфизм); • зависимость генофонда современного человека от генофонда предков; • наличие генетического груза. 28

Генетический груз – это меньшая часть популяции человека, имеющая измененную наследственность, которая определяет появление менее приспособленных к жизни организмов, подвергающихся избирательной гибели в ходе естественного отбора. Объем генетического груза растет параллельно с прогрессом человечества и за всю историю медицины, начиная со времен Гиппократа, достиг 8, 5 - 10, 0%. Состояние репродуктивной функции – это состояние и функционирование воспроизводящих систем человека (женских и мужских), обеспечивающих: производство гамет, их зачатие, имплантацию зиготы в слизистую оболочку матки, внутриутробное развитие зародыша, эмбриона и плода, и детородную функцию женщины. 29

Структура генетического груза (данные ВОЗ): • генные, или моногенные болезни (МБ). Их 4, 5 тыс. нозологий; частота в популяции - 3, 0% или 30 детей на 1000 родившихся. В России частота МБ составляет 4, 2 - 6, 5%; • сложно наследуемые (полигенные) болезни, или мультифакториальные заболевания (МФЗ). На их долю приходится 94 -96% всех случаев хронической неинфекционной патологии; частота – 1, 5 %; • хромосомные болезни (ХБ). Их 100 нозологий плюс 900 типов хромосомных нарушений; частота – до 1%; • врожденные болезни, или большие и малые аномалии развития (БАР и МАР); их частота 3, 0 %. 30

Как отдельную форму наследственной патологии в последние годы стали выделять онкогенные болезни (ОГБ), большая часть которых (90%) относится к классу МФЗ и меньшая часть (10%) – к классу МБ. Среди взрослого населения частота ОГБ - до 10%; среди детского населения: 1 случай на 160 детей. Спектр наследственной патологии широк во всех областях медицины – это сердечно-сосудистые, нервные, психические, онкологические, кожные и многие другие заболевания. Они являются главными причинами общей заболеваемости (табл. 1), инвалидности, старения и смертности населения (табл. 2), мужского и женского бесплодия. 31

Таблица 1 Структура общей заболеваемости населения Форма патологии Генетические болезни, в том числе: МФБ МБ ХБ ВПР Негенетические болезни ВПР Частота, % 48, 9 - 64, 1 38, 2 - 56, 6 3, 9 - 6, 5 0, 8 - 1, 0 2, 2 25, 4 - 53, 2 0, 8 32

Таблица 2 Причины смертности детей до 5 лет от наследственной патологии Форма патологии Частота смертности, % Мультифакториальные болезни 35 – 42 Моногенные болезни Врожденные болезни Хромосомные болезни Итого: 12 – 14 3– 4 54 – 65 33

Как выглядят показатели общего здоровья населения России? Продолжительность жизни мужчин снизилась с 74 лет в 1990 году до 58, 6 лет в 2005 году; у женщин 74 и 72 года соответственно. За этот период рождаемость в расчете на 1000 чел. уменьшилась в 2, 5 раза и упала до 8, 6 -10, 0; наоборот, младенческая смертность выросла до 19, 923, 4 против 9, 0 -11, 0 промиллей в развитых странах. Из общего числа детей полностью здоровыми следует признать только 15 - 18%; дети с наследственными болезнями - более 10%, хроническими болезнями - 32 -35% , отклонениями физического или умственного развития - 47 - 53%. 34

Протеомное здоровье Жизнь многоклеточного организма зарождается в зиготе и продолжается как цепь бесконечных молекулярных реакций на пути от генов к признакам и фенотипам, изменяющих свои характеристики в процессе онтогенеза. Совокупность таких реакций - это метаболизм, или обмен веществ. Их конечная цель – это производство белков (их комплексов) в результате работы генотипа с участием или без участия факторов среды. Механизм работы генов, завершающийся производством белков, называется экспрессией, т. е. белки - это носители функций генов. 35

Белки делятся на 2 класса: структурные и регуляторные. Из структурных белков построены все клетки, ткани, органы и системы организма. Регуляторные белки - это белки-ферменты. Они обеспечивают все жизненные функции клетки и организма и являются участниками и/или регуляторами межмолекулярных реакций: ДНК–ДНК (на уровне зиготы), ДНК–м. РНК, м. РНК–р. РНК, р. РНК–т. РНК, белок– ДНК, белок– РНК, белок– белок, белок-субстрат (на уровне клетки, ткани, органа, системы). Белки организма делятся на нормальные и патологические. Патологические белки – это признаки болезней. 36

Рассмотрим вопрос: Что видит врач при осмотре больного? – Он видит патологический признак или фенотип, т. е. результат действия патологического гена (генотипа) или неблагоприятного фактора среды, либо (что чаще всего) результат их совместного действия. Основные понятия протеомики: Признак - регистрируемое фенотипическое проявление или результат действия гена (ов), фактора (ов) среды или их совместного действия. Признак - это дискретная единица молекулярного, клеточного, тканевого, органного и системного уровня организации, по которой один организм отличается от другого организма. 37

С молекулярных позиций признак– это белок или белковый комплекс. Нормальный признак – это проявление определенного признака в пределах установленных границ нормы. Патологический признак, или симптом – это проявление определенного признака, выходящее за пределы границ нормы или проявление ранее неизвестного (нового) признака. Параклинические признаки проявляются на молекулярном и клеточном уровнях (врач их не не видит при визуальном осмотре больного). Это физикохимический, белковый, липидный, углеводный и другой состав структурных компонентов клетки (включая хромосомы и их ДНК), биофизические и биохимические особенности реакций между атомами и молекулами. 38

Клинические признаки проявляются на тканевом, органном и системном уровнях (врач их видит и оценивает). Это антропометрические, анатомические, морфологические (гистологические), иммунологические, эндокринологические, психологические, физиологические (функциональные), и другие особенности этих структур организма. Фенотип - это совокупность признаков организма, обусловленных совместным действием генотипа и факторов окружающей среды. Нормальный фенотип - это совокупность нормальных признаков организма. Патологический фенотип или болезнь - совокупность патологических признаков (симптомов) организма. 39

Фенотипический полиморфизм - это разнообразие форм одного признака, одного фенотипа или их группы. С молекулярных позиций – это разнообразие белков и/или их комплексов. Следовательно, практически все болезни человека можно проследить до изменений, происходящих на уровне патологических белков или их комплексов. Основные понятия клинической протеомики: Протеомное здоровье –это стабильное (нормальное) состояние и функционирование белков (белковых комплексов) организма. Оно базируется на геномном здоровье. 40

Болезнь – это возникший в ходе онтогенеза временный или постоянный патологический фенотип с признаками патокинеза (движение патологического процесса) и прогредиентности (прогрессирование патологического процесса). Наследственная болезнь – постоянный патологический фенотип с признаками патокинеза и прогредиентности, возникший в ходе онтогенеза и передаваемый из поколения в поколение. Врожденная болезнь – это постоянный патологический фенотип без признаков патокинеза и прогредиентности, возникший внутриутробно, передаваемый или не передаваемый из поколения в поколение. 41

Врожденный порок развития (ВПР) или большая аномалия развития (БАР) – стойкое морфологическое нарушение органа (большого участка тела), выходящее за пределы границ нормы и связанное с нарушением функции. Малая аномалия развития (МАР) – это стойкое гистологическое нарушение ткани или органа, находящееся у крайних значений границ нормы и не связанное с нарушением функции. В зависимости от этиологии БАР и МАР могут передаваться или не передаваться из поколения в поколение. Хромосомный синдром – это вариант врожденной болезни в результате структурной или геномной мутации, которая, как правило, не передается из поколения в поколение. 42

Тератологический синдром –это устойчивое сочетание двух и более ВПР в разных системах организма, имеющих одну общую причину и связанных между собой патогенетически. Клинический синдром – это наиболее выраженный период или особенность течения одного заболевания или их группы (синдром мальабсорбции, синдром смерти в колыбели и десятки других примеров). Клинический полиморфизм – это различия в клинической картине одного заболевания у разных лиц (различия в его проявлениях). Уровни проявления клинического полиморфизма: тканевой, органный, системный, внутрисемейный и межсемейный, т. е. уровни, которые изучает врач. 43