Обнаружено, что мутации вызывают болезнь одним из четырех различных способов нарушения функции белка. Наиболее частый эффект — уменьшение функции белка. Тем не менее множество значимых заболеваний возникают вследствие одного из трех других механизмов: прироста функции; приобретения мутантным белком новых свойств; экспрессии гена в неправильное время (гетерохронической экспрессии) или в неправильном месте (эктопической экспрессии).
Мутации с утратой функции белка
Снижение функции гена может быть вызвано изменениями его кода, регуляторных или других критических последовательностей вследствие нуклеотидных замен, делеции, инсерции или перегруппировок. Утрату функции из-за делеций, ведущих к уменьшению дозы гена, можно проиллюстрировать а-талассемиями, чаще всего вызванными делециями гена а-глобина; болезнями с утратой хромосом, например моносомиями типа синдрома Тернера; благоприобретенными соматическими мутациями, чаще делециями, происходящими в генах супрессорах опухолевого роста, при многих опухолях, например ретинобластоме. Другие типы мутаций также могут вести к полной утрате функции.
Таковые включают введение преждевременного стоп-кодона или миссенс или другой мутации в кодирующей последовательности, нарушающую функцию белка или вызывающую его неустойчивость, тем самым уменьшая синтез. Все эти и другие классы мутаций иллюстрируются b-талассемиями, группой гемоглобинопатии, вызванных уменьшением синтеза b-глобина, одного из основных белков гемоглобина в эритроцитах у взрослых.
Как и следовало ожидать, тяжесть болезни, вызванной мутациями с потерей функции, обычно согласуется со степенью ее утраты. Во многих примерах наличие небольшой остаточной функции мутантного белка существенно уменьшает тяжесть болезни. Такая ситуация наблюдается при дефектах фермента, вызывающих гиперфенилаланинемию, наиболее серьезная форма которой — фенилкетонурия.
Мутации с усилением функции белка
Мутации также могут изменять биохимический фенотип, повышая одну или более из нормальных функций белка. В биологической системе больше — не обязательно лучше, и может развиться болезнь. Увеличение функции может являться также следствием увеличения количества белка, обычно вызванного увеличением экспрессии самого гена или сходных генов или увеличением способности каждой белковой молекулы выполнять одну или более нормальных функций.
Очень важно знать, что болезнь — следствие мутации, приводящей к избыточной функциональности, поскольку лечение результирующей болезни обязательно отличается от болезней, возникших вследствие других механизмов, например мутаций со снижением функции. Кроме того, мутации с избытком функции часто дают понимание регуляции экспрессии мутантного гена или белка и молекулярных механизмов функции белка.
Мутации, повышающие одну нормальную функцию белка
Изредка мутация в кодирующем участке может увеличить способность каждой белковой молекулы выполнять нормальную функцию, даже если она снижает общую физиологическую деятельность белка. Вернемся к мутациям в гене глобина — среди хорошо изученных мутаций этого типа имеются миссенс-мутации, например, гемоглобин Kempsey, запирающий гемоглобин в состоянии высокого сродства с кислородом, тем самым уменьшая поставку кислорода тканям.
Другой пример этого феномена — низкий рост при ахондроплазии. Мутации этого типа, приводящие к увеличению нормальной функции, нужно отличать от мутаций, приводящих к новых свойствам измененного белка.
Мутации, увеличивающие количество нормального белка
Некоторые мутации вызывают болезнь, увеличивая синтез нормального белка в клетках, в которых этот белок присутствует и в норме (в отличие от эктопической экспрессии). Наиболее частые мутации этого типа — следствие повышенной дозы гена, например присутствие трех или более копий аутосомного гена, обычно в результате дупликации части или всей хромосомы, как при трисомии 21 (синдром Дауна).
Другие болезни, возникающие вследствие повышения дозы единственного гена — одна из форм семейной болезни Альцгеймера, вызванная дупликацией гена bАРР, и периферический тип болезни Шарко-Мари-Тута 1А, обычно вызванный дупликацией одного гена — гена периферийного миелинового белка 22 (РМР22). Увеличение дозы генов также распространено как соматическая мутация в клетках опухолей, где они вызваны повышением числа копий части или всей хромосомы; мутации этого типа чаще содействуют росту опухоли, чем ее возникновению.
Мутации с новыми свойствами белка
При нескольких болезнях изменение в аминокислотной последовательности вызывает отклонения, придавая белку новые свойства, без обязательных изменений его нормальных функций. Классический пример — серповидноклеточная анемия, следствие аминокислотной замены, влияющей на способность гемоглобина транспортировать кислород. Более того, в отличие от нормального гемоглобина, цепи гемоглобина при серповидноклеточной анемии при утрате кислорода формируют полимерные волокна, деформирующие эритроциты.
Это поведение не наблюдается при любых других мутациях гемоглобина. Редкость таких мутаций с новыми свойствами неудивительна, поскольку большинство аминокислотных замен — как нейтральных, так и вызывающих снижение функциональности или устойчивости белка, тонко настроены эволюцией. Лишь изредка мутация привносит новое свойство, имеющее патологическое значение.
Трудность классификации каждого типа мутаций в тот или иной класс, обсуждаемый в этом разделе, видна в недавно обнаруженной группе мутаций, ведущих к избыточному гликозилированию. При нарушениях этого типа мутация в кодирующей последовательности создает новый сайт N-гликозилирования в мутантном белке, придающий ему новое свойство, способность к N-гликозилированию. Тем не менее повышенное гликозилирование приводит к утрате функции мутантного белка, как было показано у некоторых больных с мутациями в R2 субъединице рецептора у-интерферона, приводящими к менделирующей восприимчивости к грибковым и бактериальным инфекциям.
Мутации, связываемые с гетерохронической или эктопической экспрессией генов
Интересный и немаловажный класс мутаций обусловлен изменениями в управляющих областях гена, вызывая их экспрессию в аномальное время или в необычном месте. Одна из наиболее частых генетических болезней, рак, часто вызвана аномальной экспрессией генов, в норме обеспечивающих пролиферацию клеток — онкогенов — в клетках, в которых эти гены в норме не экспрессируются, что приводит к злокачественным новообразованиям. Аналогично некоторые мутации в управляющих элементах генов гемоглобина приводят к непрерывной экспрессии у взрослых гена у-глобина, который в норме экспрессируется на высоких уровнях только во внутриутробном периоде.
Такие мутации в гене у-глобина ведут к фенотипу, названному наследственным персистированием фетального гемоглобина (НПФГ).
Как мутации нарушают образование биологически нормальных белков?
Для образования биологически активного белка информация должна транскрибироваться от последовательности нуклеотидов в гене до мРНК и транслироваться в полипептид, затем проходящий последовательные этапы созревания. Мутации могут нарушать любой из шагов.
Варианты нарушения синтеза нормального белка:
1. Транскрипция. Талассемии из-за сокращения или отсутствия синтеза глобиновой мРНК; вызвана делецией или мутацией в регуляторных последовательностях или сайтах сплайсинга гена глобина Наследственная персистенция фетального гемоглобина, вызванная повышенной транскрипцией одного или более гена у-глобина
2. Трансляция. Талассемии из-за нефункциональной или быстро деградирующей мРНК, вызванной нонсенс-мутацией или сдвигом рамки считывания
3. Укладка полипептида. Более 70 гемоглобинопатии — следствие аномальных гемоглобинов с заменами или делециями аминокислот, приводящих к неустойчивым преждевременно деградирующим глобинам, например гемоглобин Hammersmith
4. Посттрансляционная модификация. I-клеточная болезнь, лизосомная болезнь накопления, следствие невозможности добавить фосфатную группу к остаткам маннозы ферментов лизосом. Остатки манноза-6-фосфата необходимы для распределения ферментов в лизосомах
6. Субклеточная локализация полипептида или голомера. Мутации семейной гиперхолестеринемии (класс 4) в карбоксильном конце рецептора ЛПНП, нарушающие размещение рецептора в клатриновых ямках и предотвращающие рециклинг и переход рецептора на поверхность клетки
7. Кофактор или простетическая группа, связывающаяся с полипептидом. Типы гомоцистинурии, вызванные слабой или отсутствующей связью кофактора (пиридоксальфосфата) с апоэнзимом цистатионинсинтетазой
8. Функция правильно считанного, собранного и локализовавшегося белка, производимого в нормальном количестве. Болезни, при которых мутантный белок практически нормален, кроме того, что одна из его критических точек биологической активности нарушена заменой аминокислоты; например, у гемоглобина Kempsey аномальное взаимодействие субъединиц запирает гемоглобин в состоянии максимального сродства к кислороду
