Врожденные биохимические дефекты и их диагностика

Геном человека, как и прочих живых организмов, обладает изменчивостью в виде мутаций генетического материала. Частоту мутантов определенного типа обычно рассчитывают на количество рождений в популяции. Строго говоря, это не совсем отвечает истинной частоте мутантных особей, так как многие эмбрионы человека с различными биохимическими мутациями погибают еще внутриутробно. Как и у других живых организмов, у человека мутации могут быть генными и хромосомными. Генные мутации у человека имеют различную проявляемость и разный ход наследования.

Практическое значение диагностики генных мутаций человека очевидно. При постановке соответствующего диагноза возможно своевременное лечение. Актуальным разделом медицинской генетики следует считать выявление родственников больных — носителей аутосомно-рецессивных, а также рецессивных, сцепленных с полом генов и последующее предсказание вероятности генетических дефектов у их потомства.

Учение о биохимическом дефекте, лежащем в основе любой патологии, не ново. Соответствующие догадки высказывались еще в древней Греции знаменитым врачом Гиппократом. Честь постановки проблемы о врожденном биохимическом дефекте принадлежит А. Гарроду, известному английскому врачу. В начале нашего столетия он занимался исследованием состояний у человека, связанных с нарушением обмена веществ в организме, в частности, подагрой.

Симптомы подагры развиваются в связи с накоплением в органах, тканях и жидкостях тела плохо растворимой мочевой кислоты.

В 1906—1908 гг. А. Гаррод обобщил имевшиеся данные о возникновении 5 известных тогда заболеваний с биохимической патологией, в том числе подагры, и предложил для состояний этого круга обозначение «врожденные ошибки обмена веществ». Характерно, что именно в это время генетика зарождалась как отдельная отрасль науки. Практически теория врожденных ошибок метаболизма означала рождение биохимической генетики человека.

До 40—50-х годов биохимия была развита недостаточно. Поэтому изучение генных мутаций человека шло по линии описания и анализа наследования различных аномальных черт и состояний и интересовало прежде всего клиницистов и антропологов. Однако и в довоенные годы наблюдался определенный прогресс в исследовании врожденной биохимической патологии. Проводились анализы различных биохимических особенностей лиц с разным конституционным фоном. Наиболее значительным достижением 20—30-х годов была работа норвежского ученого А. Фелинга. Он исследовал химический состав мочи у детей с врожденными поражениями головного мозга из детского приюта. Среди этих больных было обнаружено 9 человек со сходной клинической картиной. Они выделяли какое-то вещество, которое в нормальной моче не встречается. А. Фелинг проанализировал состав неизвестного соединения и пришел к выводу, чго это — фенилпировиноградная кислота, один из продуктов распада аминокислоты фенилаланина.

Новое заболевание, характерное также тяжелой умственной отсталостью, получило название фенилпировиноградная олигофрения, или фенилкетонурия.

Впоследствии выяснилось, что врожденный наследственный дефект обмена веществ при этом заболевании заключается в отсутствии в организме активности фермента фенилаланингидроксилазы. Как многие другие генные мутации, фенилкетонурия наследуется аутосомно-рецессивно. Это значит, что ген мутантного фермента находится на одной из аутосом, т. е. что болеют и мальчики, и девочки. В данном случае заболевают только гомозиготы, имеющие ген фенилкетонурии на обеих гомологичных хромосомах.

Ребенок может родиться больным фенилкетонурией только в случае гетерозиготного носительства гена и у отца, и у матери. Заболевание встречается с частотой 1 на 7000 рождений, следовательно, сравнительно часто. Больные фенилкетонурией составляют значительную часть лиц с глубокой умственной отсталостью, и поэтому диагноз в данном случае представляет большую актуальность.

Диагностика генных мутаций у человека основана на знании сути конкретного клинического или биохимического врожденного дефекта. Напомним, что точковая мутация в ДНК отражается в нарушении последовательности аминокислот в мутантном белке, в данном случае фенилаланингидроксилазе. Дефектный белок при фенил-кетонурии неактивен. Следовательно, для диагностики генной мутации (ферментопатии) необходимо измерить активность фенилаланингидроксилазы. Этот способ применяется как наиболее достоверный метод диагностики для точного определения генного дефекта. Однако при массовых обследованиях, например, среди новорожденных, более приемлемы ориентировочные методы, используемые для так называемых отсеивающих, или скрининг-программ.

Массовые биохимические обследования состоят обычно из двух этапов (рис. 8). Выявление лиц, подозрительных на наличие какого-либо биохимического дефекта, основано на обнаружении в крови или моче веществ, не встречающихся в норме в больших количествах. Так, при фенилкетонурии в результате генетического дефекта фермента происходит накопление в организме большого количества фенилаланина и дальнейшее превращение его идет по другим обменным механизмам. Поэтому при фенилкетонурии наряду с фенилаланином накапливается также и фенилпировиноградная кислота. Биохимический диагноз при массовом обследовании на фенил-кетонурию направлен на обнаружение фенилпирови-ноградной кислоты в моче с помощью специальных химикатов. Дополнительным методом является выявление повышенных количеств фенилаланина в крови методом аминокислотной хроматографии.

Сходные диагностические приемы используются и при других наследственных дефектах ферментов. Так, например, при гомоцистинурии, также аутосомно-рецессивном заболевании, происходит накопление в организме больших количеств гомоцистина — продукта обмена аминокислоты метионина. В норме гомоцистин не определяется в биологических жидкостях человека. Нахождение его в моче дает основание наряду с клиническими данными поставить диагноз гомоцистинурии. Применив такой диагностический тест, в 1962 г. впервые удалось обнаружить больных с этим наследственным заболеванием.

При наследственном дефекте обмена веществ может возникнуть дефицит продукта данной реакции. Так, существует наследственное заболевание, связанное с дефектом фермента фосфорилазы, расщепляющего гликоген. У лиц с этой, так называемой болезнью Мак-Ардля при мышечной нагрузке концентрация молочной кислоты (конечного продукта распада глюкозы) в отличие от нормы не нарастает.

В настоящее время известно не менее 120 заболеваний у человека, связанных с наличием генной мутации определенного белка. Обычно это врожденные дефекты различных ферментов. Поэтому при диагностике наследственных, заболеваний необходимо проводить на первом этапе поиск необычного вещества в биологических жидкостях обследуемых лиц. Существуют многочисленные методы диагностики биохимических мутаций у человека. Как можно заметить, их принцип в целом одинаков.

В последние годы широкое распространение получила диагностика генных заболеваний в клетках, выращиваемых вне организма в тканевой пробирочной культуре. Именно таким путем были определены ферментные дефекты при целом ряде наследственных заболеваний. По исследованию лимфоцитов крови или клеток кожи в на-

стоящее время можно точно поставить диагноз более чем 50 наследственных ферментопатий.

Если в семье уже выявлены случаи какой-либо врожденной «ошибки» обмена веществ, то использование соответствующих биохимических методов позволяет провести дородовую диагностику этого заболевания. В основе внутриутробной постановки диагноза наследственного заболевания лежит процедура амниоцентеза. При этом врачи получают определенное количество жидкости, омывающей развивающийся человеческий плод. После этого проводится целенаправленный биохимический (или хромосомный) анализ этой жидкости или клеток плода, которые плавают в ней. Таким образом можно поставить дородовый диагноз наследственного заболевания, которое имеет биохимический или цитологический признак. В случае, когда диагноз поставлен на 12—15-й неделе беременности, можно произвести аборт и предотвратить рождение ребенка с генетическим дефектом.