Задача на серповидноклеточную анемию

Вопрос 1.

Число полос на электрофореграмме зависит от того, как взаимодействуют между собой нормальные и мутантные бета-цепи. Можно предположить, что мутантная цепь может соединяться только с нормальной. Тогда на электрофореграмме гетерозигот будет одна полоска (все молекулы гемоглобина будут содержать одну нормальную и одну мутантную бета-цепь), и только в этом случае (с некоторой натяжкой) можно говорить о промежуточности признака гетерозигот и о неполном доминировании.

Другой вариант (наиболее логичный и часто встречающийся в реальности) — способность мутантных цепей объединяться и друг с другом, и с нормальными. Тогда у гетерозигот будет три полоски (молекулы гемоглобина могут содержать две нормальных бета-цепи, две мутантных или одну мутантную и одну нормальную; все три варианта различаются по заряду и будут разделяться при электрофорезе). В этом случае наблюдается кодоминирование. Так что Маша вполне могла оказаться права.

Но на самом деле права была Катя: у гетерозигот по гену серповидноклеточной анемии выявляются две полоски (см. третью сверху дорожку на рис. 1, полосы А и S). Это означает, что по непонятным причинам (мне, по крайней мере, не удалось найти их объяснения) в молекуле гемоглобина гетерозигот присутствуют либо две мутантные бета-цепи, либо две нормальные. В данном случае признак гетерозигот тоже не назовешь промежуточным, а значит, наблюдается кодоминирование.

(Заметим в скобках, что Катя перепутала расположение полос относительно электродов: у нормальных гомозигот более положительно заряженные молекулы гемоглобина уйдут дальше от отрицательного полюса, чем лишившиеся двух положительных зарядов молекулы больных; на рис. 1 старт (отрицательный электрод) находится слева, а на рис. 2 — внизу.)

Может ли на электрофореграмме гетерозигот появиться четыре или пять полосок?

Теоретически появления четвертой полоски вполне можно ожидать. Четыре мутантные бета-субъединицы могут объединяться друг с другом, давая еще одну форму гемоглобина. Гемоглобины, состоящие из четырех одинаковых субъединиц, встречаются у человека: так, например, при одной из форм талассемии образуется гемоглобин Барта (Hemoglobin Barts) из четырех гамма-цепей (см. ниже).

Появление пяти полосок менее вероятно: оно будет наблюдаться в том случае, если объединяться в молекулу гемоглобина у гетерозигот начнут и четыре нормальных альфа-цепи (в принципе это возможно, если условия внутри эритроцитов у гетерозигот иные, чем у нормальных гомозигот).

Вопрос 2.

Теперь перейдем ко второму вопросу: почему у здорового человека видны три полоски и что произойдет с ними у больного серповидноклеточной анемией? Ответ на первую часть вопроса состоит в том, что на самом деле у человека есть множество разных гемоглобинов.

На рис. 3 показаны основные гены, направляющие их синтез, а на рис. 4 в послесловии — места и интенсивность экспрессии этих генов по ходу развития человека. У здорового взрослого человека обычно более 96% составляет гемоглобин А. Но в количестве 1–3,5% присутствует второй вариант — гемоглобин А2. В особой популяции эритроцитов присутствует также фетальный гемоглобин (F). Они видны на электрофореграмме в виде тонких, едва различимых полосок (см. рис. 1, 2).

Переключение с синтеза гемоглобина F на синтез гемоглобина А происходит у человека и других высших приматов практически в момент рождения (у большинства млекопитающих — раньше, еще в утробе матери). Поэтому у новорожденного гемоглобина F пока еще больше, чем гемоглобина А.

При нехватке основного типа гемоглобина и развивающейся из-за этого анемии синтез других типов гемоглобина может усиливаться. Обычно это происходит при талассемиях: увеличивается производство гемоглобина F, состоящего из двух альфа- и двух гамма-цепей (см. рис. 3). Аналогичная картина и у больных серповидноклеточной анемией: количество гемоглобина F увеличивается до 5–6%, и соответствующая полоска на электрофореграмме будет более яркой.

Серповидноклеточная анемия — тяжелая болезнь, довольно широко распространенная в Африке к югу от Сахары и в некоторых других регионах. Подходы к ее лечению ученые только начинают разрабатывать (см., например, L. de Franceschi, R. Corrocher, 2004. Established and experimental treatments for sickle cell disease). Но для преподавателей генетики это — настоящий клад. На примере этой болезни можно разобрать едва ли не все темы общего курса генетики.

Так, пример серповидноклеточной анемии показывает, насколько условны понятия полного доминирования, неполного доминирования и кодоминирования. Если рассматривать как признак симптомы болезни — нормальный аллель полностью доминирует над мутантным, у гетерозигот симптомы отсутствуют. Но стоит носителям аллеля подняться на высоту более 3–3,5 км — и часть эритроцитов становятся серповидными, могут возникать эпизоды с симптомами серповидноклеточной анемии. Доминирование становится неполным, и это зависит от внешних условий (парциального давления кислорода).

В связи с носительством серповидноклеточной анемии развернулась одна из первых серьезных дискуссий о дискриминации по генотипу. В 70-е годы в США многие работодатели отказывались принимать на работу здоровых носителей, например, пилотами самолетов или стюардессами, опасаясь, что у носителя может возникнуть приступ болезни. При этом в нескольких штатах проводилось обязательное тестирование на носительство и заболевание перед приемом в школу только среди черного населения, у которого данная мутация встречается намного чаще. Детей с выявленной болезнью или носительством в школу принимали, а не прошедших тестирование — не принимали. Вскоре обязательно тестирование было заменено добровольным, а в настоящее время в США проверка на ген серповидноклеточной анемии проводится при рождении у всех новорожденных.

По другому признаку — устойчивости к малярии — ситуация более сложная. И больные, и носители серповидноклеточной анемии заражаются малярией — возможно, даже с той же вероятностью, что и здоровые. А вот по выживаемости детей при заражении тропической малярией наблюдается сверхдоминирование — гетерозиготные носители мутации выживают чаще, чем здоровые и больные гомозиготы (см. Sickle Cell. Frequently Asked Questions). Именно поэтому аллель серповидноклеточной анемии сохраняет высокую частоту там, где тропическая малярия остается одним из главных факторов детской смертности.

Если же считать признаком наличие определенных белков — то при серповидноклеточной анемии, как и в большинстве других случаев, мы видим кодоминирование: присутствуют оба белка, и нормальный, и мутантный. Это и установил Л. Полинг в своей классической статье 1949 года (см. Sickle Cell Anemia, a Molecular Disease). Правда, и тут всё не так просто: по данным Полинга, которые позднее подтвердились, у гетерозигот примерно 60% нормального гемоглобина и только 40% мутантного (подумайте, с чем это может быть связано).

В период публикации статьи Полинга метод электрофореза только начинали внедрять в биологических и медицинских исследованиях. Впоследствии он долгое время оставался практически единственным методом изучения генетической изменчивости природных популяций, да и до сих пор не потерял своего значения в генетике популяций, клеточной и молекулярной биологии и медицине.

Любопытно, что изучение серповидноклеточной анемии и других подобных болезней привело Полинга к довольно радикальным евгеническим взглядам. Он предлагал ввести обязательное тестирование на наличие мутаций, запретить браки между гетерозиготами, использовать аборты в случае неизбежного рождения гомозиготы и т. п. (см. Eugenics for Alleviating Human Suffering). Полинг считал, что все эти меры уменьшат «сумму человеческих страданий» по сравнению с теми случаями, когда рождаются больные дети.

Если же какие-то генетические явления трудно разобрать на примере серповидноклеточной анемии — это можно сделать на других примерах из области генетики гемоглобинов. Эта область генетики человека разработана очень подробно — не в последнюю очередь из-за высокой частоты наследственных гемоглобинопатий.

Все глобиновые гены возникли в результате дупликаций из одного предкового гена за последние 500 млн лет. В какой-то момент из-за транслокации они разделились на две группы, кодирующие альфа- и бета-подобные цепи и расположенные у человека на двух разных хромосомах. Роль дупликации генов в эволюции — одна из важных тем, и на «Элементах» ей уделяется много внимания (см. например, Конфликт между копиями удвоившегося гена ведет к избыточному усложнению генно-регуляторных сетей, 10.10.2013).

Тут, конечно, не место подробно рассматривать эту проблему. А вот о регуляции работы глобиновых генов стоит сказать несколько слов. Механизмам этой регуляции посвящены сотни статей. И всё равно в этой области остается множество белых пятен. Почему глобиновые гены экспрессируются только в одной линии клеток — клетках эритроидного ряда красного костного мозга? Как и почему в определенные периоды развития происходит переключение с синтеза одних глобиновых цепей на синтез других (см. рис. 4)?

Как, наконец, происходит координация работы генов, находящихся на разных хромосомах? Ведь альфа- и бета-цепи должны синтезироваться в эквимолярных количествах, чтобы не оставалось ненужного избытка!

Если на первые два вопроса приблизительные ответы найдены (см., например, A. Wilberet al., 2011. Transcriptional regulation of fetal to adult hemoglobin switching: new therapeutic opportunities), то последний вопрос остается одной из загадок молекулярной генетики.

В заключение отмечу, что, видимо, недалек тот день, когда эти исследования молекулярной генетики гемоглобинов дадут новые практические результаты — не только для диагностики, но и для терапии. Сейчас основных лекарством от серповидноклеточной анемии остается гидроксикарбамид — это вещество усиливает синтез гемоглобина F, что смягчает симптомы болезни и заметно снижает смертность больных. Но стадию клинических испытаний проходят несколько более специфичных регуляторов активности глобиновых генов. Разрабатываются и новые методы генной терапии в сочетании с трансплантацией костного мозга.

А о том, не упадет ли слишком сильно наша приспособленность из-за ослабления естественного отбора (см. лекцию Алексея Кондрашова «Эволюционная биология как ключ к медицине»), беспокоиться рано. Нужно не уничтожить друг друга раньше — только в этом случае через 50 поколений наши потомки смогут придумать, как решить эту проблему.