Анна Попенкова
Генетическая лотерея
Почему близнецы все равно различаются?
Близнецами называют детей, рожденных одновременно одной матерью. При этом одних близнецов практически невозможно различить, а другие кажутся совершенно непохожими друг на друга. Почему так? Дело в том, что существует два вида близнецов – однояйцевые и разнояйцевые.
Разнояйцевые близнецы
Разнояйцевые близнецы появляются в результате оплодотворения двух (или более) отдельных яйцеклеток двумя (или более) разными сперматозоидами во время одной и той же беременности. Из-за этого разнояйцевые близнецы могут быть разного пола и иметь разную внешность. При этом разнояйцевые близнецы, конечно, будут иметь общие гены, как и любые братья и сестры от одних и тех же биологических родителей.
Хотя зачатие разнояйцевых близнецов может случаться естественным путем, этот тип близнецов чаще наблюдается у людей, проходящих лечение от бесплодия. Это связано с тем, что препараты для лечения бесплодия могут увеличить количество высвобождаемых яйцеклеток, а при экстракорпоральном оплодотворении (ЭКО) в матку можно ввести несколько эмбрионов.
Однояйцевые близнецы
Однояйцевые, или идентичные, близнецы возникают в результате оплодотворения одной яйцеклетки одним сперматозоидом, при этом оплодотворенная яйцеклетка затем делится на две или более. Однояйцевые близнецы имеют одинаковые геномы и всегда одного пола.
Однако даже такие близнецы могут немного отличаться к моменту рождения. Это происходит потому, что они могут приобретать генетические мутации в процессе развития в утробе матери. Согласно исследованию, пары таких близнецов имеют геномы, различающиеся в среднем на 5,2 мутации, которые происходят на ранних стадиях развития, а 15 % однояйцевых близнецов имеют значительное количество мутаций, специфичных для одного из них.
Предполагают, что некоторые из этих мутаций несущественны, а другие могут привести к наблюдаемым изменениям.
Помимо генетики на мутацию также оказывает влияние окружающая среда, начиная с периода внутриутробного развития. Например, у некоторых однояйцевых близнецов общая плацента. В результате этого кровоснабжение плодов близнецов может стать связанным: хотя каждый плод использует свою часть плаценты, кровеносные сосуды внутри плаценты позволяют крови проходить от одного близнеца к другому. В зависимости от количества, типа и направления соединяющихся кровеносных сосудов кровь может непропорционально передаваться от одного близнеца к другому. Это состояние переливания приводит к тому, что у близнеца-донора уменьшается объем крови, что замедляет его развитие и рост. Объем крови близнеца-реципиента увеличен, что может вызвать перегрузку сердца плода и в конечном итоге привести к сердечной недостаточности. Такое состояние называют фето-фетальным трансфузионным синдромом. На ранних сроках без лечения он часто приводит к смерти одного или всех плодов. В случае выживания плодов эта ситуация может привести к несоответствию размеров младенцев, физическим различиям, которые сохраняются и по мере их взросления.
Хотя большинство близнецов растут в одной и той же обстановке, существуют факторы, которые модулируют различия во внешности, характере и интересах и после рождения. Некоторые близнецы даже могут намеренно стремиться к приобретению отличий.
Глава 2
Генетика и здоровье
Какие болезни называются наследственными?
С точки зрения генетики заболевания человека можно разделить на наследственные и многофакторные.
Наследственные заболевания
Развитие наследственных заболеваний настолько сильно завязано на последовательности нуклеотидов в ДНК, что некоторые из таких заболеваний проявляются уже с самого рождения или даже во внутриутробном периоде.
При этом внешние факторы, например, питание, экология и другие, либо вовсе не играют никакой роли в развитии наследственных заболеваний, либо это влияние минимально. Конечно, из любой закономерности существуют исключения, как, к примеру, фенилкетонурия, развитие которой можно остановить с самого рождения, исключив из рациона продукты с аминокислотой фенилаланином, но среди наследственных заболеваний таких примеров очень мало.
Если говорить о ДНК, находящейся в ядре клетки, то наследственные заболевания могут возникать как вследствие хромосомных, так и геномных мутаций. Отдельно выделяют митохондриальные заболевания, связанные с изменением последовательности нуклеотидов в ДНК митохондрий.
Моногенные заболевания
Развитие моногенных заболеваний связано с мутацией в одном единственном гене. Изменение нормальной последовательности нуклеотидов в гене приводит к тому, что продукт этого гена – белок – частично или полностью утрачивает свои нормальные функции.
В большей части случаев «сломанный» ген кодирует фермент, который является звеном сложной цепи биохимических реакций. При этом цепь обрывается и биохимический процесс заканчивается на промежуточном продукте, который не может быть использован организмом. Со временем промежуточный продукт накапливается в клетках различных органов и тканей, что приводит к нарушению их функций. Такие наследственные заболевания называются болезнями накопления. К наиболее известным болезням накопления относятся гемохроматоз, болезнь Вильсона-Коновалова и фенилкетонурия.
Если же мутация произошла в структурном гене, кодирующем структурные белки, то наследственные заболевания носят иной характер – нарушаются связи между клетками или между структурами клетки. К таким болезням относятся буллезный эпидермолиз и мышечная дистрофия Дюшенна.
Выделяют еще группу дигенных заболевания, для развития которых необходима мутация сразу в нескольких генах.
Хромосомные заболевания
Геномные наследственные заболевания – это синдромы, которые у всех на слуху. При подобных заболеваниях изменяется нормальный диплоидный набор хромосом: определенная хромосома может быть представлена тремя и большим количеством копий. Такая ситуация наблюдается при синдромах Дауна (три 21-х хромосомы), Патау (три 13-х хромосомы) и других. В этом случае общее число хромосом у человека составляет 47. Бывает и так, что хромосома не имеет гомологичной пары, как, например, при синдроме Шерешевского-Тернера, когда у человека имеется всего одна X-хромосома. Тогда общее число хромосом равно 45.
Помимо изменения числа хромосом может происходить их перестройка, как, скажем, при хроническом миелолейкозе, когда 9-я и 22-я хромосомы обмениваются участками длинных «плеч», при этом на 22-й хромосоме происходит слияние двух генов с образованием нового, который и вызывает заболевание. Образовавшаяся при этом хромосомная химера называется филадельфийской хромосомой – это укороченная 22-я хромосома.
Митохондриальные заболевания
Митохондриальные наследственные заболевания связаны с нарушением нормальной последовательности нуклеотидов в ДНК митохондрий, которая кодирует некоторые необходимые для клеточного дыхания белки. Подобных заболеваний гораздо меньше, что связано с небольшим числом генов в митохондриальной ДНК, и встречаются такие заболевания гораздо реже по сравнению с другими наследственными патологиями. Наиболее известными являются митохондриальный сахарный диабет, синдром Лея, MELAS энцефалопатия и нейропатия Лебера.
Многофакторные заболевания
Многофакторные заболевания по-другому еще называют болезнями с наследственной предрасположенностью, хотя по сравнению с истинно наследственными заболеваниями роль внешних факторов в их развитии гораздо значительнее, то есть образ жизни определяет, реализуется ли генетическая предрасположенность в заболевание. В то же самое время у человека может не быть генетической предрасположенности к конкретному заболеванию, но образ жизни или внешнее воздействие настолько сильно, что заболевание все равно развивается.
Роль генетических особенностей индивида и внешних воздействий в развитии многофакторных заболеваний (которые еще называют мультифакториальными) удобно рассматривать в свете концепции факторов риска.
Концепция факторов риска
Само понятие фактора риска родилось в ходе анализа данных одного из самых известных проспективных исследований с участием людей – Фремингемского исследования (Framingham Heart Study, FHS), которое длится до сих пор уже в течение 70 лет.
В ходе исследования выяснилось, что определенный образ жизни, показатели биохимического анализа крови и другие параметры коррелируют с увеличением риска сердечно-сосудистых заболеваний. Была разработана концепция факторов риска, которая впоследствии в связи со своей универсальностью «перекочевала» из кардиологии в другие области медицины.
Суть концепции заключается в существовании факторов двух типов: рисковых и протективных. Наличие первых вносит вклад в увеличение риска развития какого-то заболевания, в то время как протективные факторы, наоборот, снижают этот риск. Чем больше факторов учитывается при оценке риска, тем выше точность предсказания риска.
Факторы обоих типов могут быть модифицируемыми и немодифицируемыми. Такое деление отражает способность пациента активно их изменять.
К немодифицируемым относится история заболеваний родственников, возраст (изменяется, но вне зависимости от воли пациента), пол, перенесенные заболевания, а также все воздействия медицинского и немедицинского характера, имевшие место в прошлом, например, удаление аппендикса или определенный стаж курения. Самым важным немодифицируемым фактором является генотип.
Факторы риска, или протективные факторы, которые можно изменить в данный момент, включают текущие вредные привычки (обратите внимание, вредные привычки в прошлом – уже немодифицируемые), физическую активность, питание и прием некоторых лекарственных средств (например, прием антикоагулянтов в данный момент увеличивает риск кровотечения, но их отмена этот риск нивелирует).
Данные о генетических факторах риска многофакторных заболеваний
В настоящий момент генетическая предрасположенность, или генетические факторы риска, известны для большинства многофакторных заболеваний. Наибольший объем информации накоплен в отношении сердечно-сосудистых заболеваний, в частности артериальной гипертензии и ИБС, нарушений обмена – сахарного диабета и ожирения, а также нейродегенеративных заболеваний – болезней Паркинсона и Альцгеймера. Гораздо меньше генетических аспектов известно в отношении редких заболеваний, например синдрома Бругада или синдрома Туретта.
Еще недавно основным способом поиска генетических факторов риска была стратегия «ген-кандидат», когда исследовалась связь между заболеванием и полиморфизмами всего лишь какого-то одного гена, который выбирался на основании знаний о физиологии и патогенезе процессов, происходящих в организме. Этот подход работал плохо, был трудоемким и не позволял широко взглянуть на генетические факторы, так как был нацелен всего лишь на какой-то один участок генома.
На смену стратегии «ген-кандидат» пришел широкогеномный поиск ассоциаций (GWAS – Genome-wide association study) – исследование связи между генетическими вариантами и различными признаками – цветом волос, ростом, уровнем холестерина, заболеваниями. Основная цель полногеномного поиска ассоциаций заключается в поиске таких вариаций в геноме человека, которые бы помогли пролить свет на патогенез и причины развития заболевания. Численное выражение риска, которое зачастую можно встретить в исследованиях такого рода, – это скорее приятное дополнение, нежели основная цель полногеномного поиска ассоциаций.
В ходе исследования, как правило, сравнивают геномы группы больных людей с геномами контрольной группы, сходных по этнической принадлежности, возрасту, полу и другим показателям. Материалом для исследования являются образцы ДНК каждого участника исследования. Если удается выявить генетический вариант, который чаще встречается у людей с данным заболеванием, то предполагается, что такой генотип ассоциирован с болезнью, то есть является генетическим фактором риска данного заболевания.
Этот подход к исследованиям, как правило, не выявляет мутации, ставшие причиной заболевания, а только более или менее значительную корреляцию с заболеванием или другим признаком. Да и выявить мутации, вызвавшие многофакторное заболевание, – это экзотическая находка, которая говорила бы, скорее, о моногенной природе патологии. На данный момент одним из кандидатов на присвоение титула моногенного заболевания является редкая форма нарушения ритма сердца – синдром Бругада.
Данные о внешних факторах риска многофакторных заболеваний
Параллельно с исследованием генетической предрасположенности учеными ведется сбор информации о внешних воздействиях, способных повлиять на вероятность возникновения болезни, – внешних факторах риска.
Факт принадлежности того или иного явления к разряду внешних факторов риска также устанавливается в ходе исследований по типу случай – контроль: исследуется распространенность определенного события в группе больных и контрольной группе, и затем эти показатели сравниваются между собой. Если событие преобладает в группе больных, то оно является фактором риска. Если же оно чаще встречается у здоровых людей, то такое явление относят к протективным факторам.
Суммарный риск развития того или иного многофакторного заболевания зависит от количества генетических и внешних факторов риска.
Обратите внимание на одну из важных методологических особенностей исследований типа случай – контроль, которые проводятся для поиска факторов риска многофакторных заболеваний: ошибочно полагать, что в ходе таких исследований устанавливается причинно-следственная связь между каким-либо явлением и заболеванием. В действительности устанавливается только факт наличия связи, а является ли она реально причинно-следственной, выясняется в ходе дальнейших исследований другого типа.
Для иллюстрации неоднозначности рассмотрите следующую ситуацию: «Один мой знакомый съел огурец и умер». В данной ситуации можно сделать три вывода о причине и следствии:
1. огурец вызвал смерть;
2. перед смертью хочется огурцов;
3. произошло простое совпадение двух событий, никак не связанных между собой.
Какие болезни чаще наследуют мальчики, а какие – девочки?
Для начала важно вспомнить, что у всех нас 23 пары хромосом – 22 пары так называемых аутосом (одинаковые у обоих полов) и 1 пара половых хромосом. Каждая хромосома из пары приходит от одного из двух родителей, а случайное сочетание X- или Y-хромосом определяет пол.
Ребенок может унаследовать наследственное заболевание, если у родителей есть скрытое носительство одинаковых рецессивных заболеваний или у кого-то есть доминантное заболевание, когда достаточно одной мутации, чтобы болезнь проявила себя. Но есть болезни, которые вызываются мутациями генов половых хромосом – Х или Y. Мы разберем наиболее частые примеры наследственных заболеваний, сцепленных с полом.
Заболевания, связанные с генами на Y-хромосоме, проявляются только у мужчин, так как Y-хромосома определяет развитие по мужскому полу и в норме не встречается у женщин. Этот тип наследования имеет специальное название – голандрический тип.
Y-хромосома содержит намного меньше генов, чем Х, большинство из которых связано с развитием первичных половых признаков, отличающих мальчика от девочки. Поэтому нарушения многих из расположенных на Y хромосоме генов ведут к бесплодию различной степени, которое детально обсуждается в другой главе книги.
Однако стоить отметить, что несколько лет назад считалось, что существует сцепленная с Y-хромосомой потеря слуха. В 2013 году связь с Y-хромосомой была опровергнута: на самом деле причиной является вставка в Y-хромосому фрагмента первой хромосомы, содержащего уже известный науке участок ДНК, связанный с потерей слуха. Предполагается, что наличие третьей копии этого участка (не важно, на какой хромосоме) приводит к развитию заболевания.
Х-хромосома, напротив, содержится у всех людей. Она является достаточно большой и содержит множество генов, не связанных с развитием пола, которые работают одинаково у мужчин и женщин. Ниже перечислены наиболее известные и часто встречающиеся Х-сцепленные заболевания:
Наследственная цветовая слепота (дальтонизм) – наследование является рецессивным, то есть для проявления заболевания у женщин нужно, чтобы обе хромосомы несли необходимую поломку в генах OPN1LW и OPN1MW. В случае с мужчинами при наличии поломки заболевание проявляется независимо от других факторов. Заболевание встречается у 7–9 % мужчин и менее чем у 1 % женщин.
Гемофилия А – тоже рецессивное заболевание, встречается у мужчин с частотой 1 из 5000 новорожденных. В случае женщин документированных случаев предельно мало.
Гемофилия В – рецессивное заболевание, встречающееся у 1 из 30 000 новорожденных мальчиков, у женщин значительно реже.
Миодистрофия Дюшенна – рецессивное заболевание, вызываемое разнообразными мутациями гена DMD и встречающееся примерно у 1 из 5000 новорожденных мальчиков и у 1 из 50 000 000 девочек.
Х-сцепленный ихтиоз – рецессивное заболевание кожи, вызываемое изменениями в гене STS и встречающееся у 1 из 2000–6000 новорожденных мальчиков, у девочек встречается намного реже.
Болезнь Брутона – рецессивный тип врожденного иммунодефицита, встречающееся у 1 из 100 000 новорожденных мальчиков и приводящее к отсутствию гуморального иммунитета, то есть отсутствию антител.
Недостаточность глюкозо-6-фосфат дегидрогеназы – рецессивное заболевание, вызывающее разрушение красных кровяных клеток, степень тяжести которого зависит от непосредственного набора мутаций гена G6PD. Встречается значительно чаще у мужчин и значительно превалирует в определенных популяциях, в частности, у афроамериканцев с частотой 10 % среди мужчин.
Х-сцепленные доминантные заболевания статистически встречаются чаще у женщин вследствие того, что одной копии мутации достаточно для развития заболевания, а мальчики не получают Х хромосому от отца. К Х-сцепленным доминантным заболеваниям относятся Х-сцепленная гипофосфатемия, синдром Ретта, приводящий к снижению интеллекта у девочек (мальчики вообще не доживают до рождения), синдром Гольтца-Горлина и другие.
Из-за особенностей наследования эти заболевания обнаруживаются невооруженным глазом у родителей, и диагноз ставится еще в детском возрасте, поэтому скрининговые исследования при планировании беременности нужны больше для рецессивных заболеваний. Однако стоит отметить, что некоторые из Х-сцепленных доминантных заболеваний (таких как, например, синдром Ретта) вызываются спонтанными мутациями, возникающими в половых клетках при спермато- или овогенезе. Отследить такие мутации на этапе планирования семьи просто невозможно.