Процесс генной экспрессии может быть нарушен на нескольких уровнях из-за изменений в кодирующей последовательности (рис. 1). Мутации в регуляторной области могут привести к изменению экспрессии гена, включая увеличение или уменьшение скорости транскрипции, сбои в активации гена или активацию гена в неподходящее время или в неподходящих клетках.
Рисунок 1. Различные типы изменений внутригенной последовательности. Мутации в промоторной области изменяют скорость транскрипции или нарушают регуляцию генов. Изменения оснований внутри экзонов могут иметь различные последствия. Варианты внутри интронов могут привести к включению некоторой интронной последовательности в окончательно обработанную мРНК или к пропуску экзона
Мутации в кодирующей последовательности могут привести к замене одной аминокислоты на другую (миссенс-вариант, или несинонимичный вариант) или созданию стоп-кодона вместо кодона аминокислоты. В целом миссенс или нонсенс-варианты наиболее распространенные (56% вариантов); небольшие делеции или инсерции составляют 24% вариантов (табл. 1). Некоторые точечные мутации не влияют на аминокислоту (молчащие, неустойчивые или синонимичные варианты), потому что может существовать несколько триплетных кодонов, соответствующих одной аминокислоте.
Аминокислотные замены могут оказывать сильное влияние на функцию белка, если химические свойства соответствующей аминокислоты заметно отличаются от первоначальной. Другие замены могут влиять незначительным образом или совсем не влиять на функцию белка, особенно если замещенная аминокислота химически подобна исходной.
Генетические изменения также могут включать инсерции или делеции. Инсерции или делеции участка, кратного трем основаниям, в кодирующую последовательность приводят к сдвигу рамки считывания, изменяя группировку оснований в триплеты. Это приводит к трансляции неправильной аминокислотной последовательности и часто к преждевременной остановке трансляции.
Вставка или делеция участка, кратного трем основаниям, в кодирующую последовательность будет вставлять или удалять соответствующее количество аминокислот из белка, что приводит к изменениям внутри рамки считывания, которые поддерживают аминокислотную последовательность за пределами удаленных или дублированных аминокислот. Крупномасштабные вставки или делеции могут нарушить кодирующую последовательность или привести к полному удалению всего гена или группы генов.
Патогенные варианты обычно можно классифицировать как вызывающие потерю или усиление функции. Мутации с потерей функции вызывают снижение функции белка, возникающее в результате сниженной экспрессии или выработки белка, что влечет за собой его пониженную эффективность. В некоторых случаях потери функции белка из одного гена достаточно, чтобы вызвать заболевание. Гаплонедостаточность — ситуация, в которой для поддержания нормального фенотипа необходимы белки, продуцируемые обеими копиями гена, а снижение функции гена на 50% приводит к патологическому фенотипу.
Так, гаплонедостаточные фенотипы по определению наследуются доминантно. Варианты с потерей функции также могут иметь доминантный негативный эффект, когда аномальный белковый продукт активно нарушает функцию нормального белкового продукта. Обе эти ситуации приводят к доминантным наследственным заболеваниям. В других случаях варианты с потерей функции должны присутствовать в обеих копиях гена до того, как возникнет патологический фенотип. Эта ситуация обычно приводит к заболеваниям, наследуемым рецессивно.
Мутации с избытком функции обычно вызывают заболевания, наследуемые по АуД-типу. Эти варианты могут приводить к синтезу белковой молекулы с повышенной способностью выполнять ее обычную функцию или придавать белку новое свойство. Вариант с избытком функции при ахондроплазии — наиболее распространенного из заболеваний, характеризующихся непропорциональным ростом частей тела и конституционного телосложения, — иллюстрирует усиление функции нормального белка. Ахондроплазия возникает в результате мутации гена рецептора фактора роста фибробластов 3 (FGFR3), которая приводит к активации рецептора даже при отсутствии фактора роста фибробластов.
При СКА в молекуле Hb происходит замена аминокислоты, которая мало влияет на способность белка переносить кислород. Однако цепи серповидного Hb обладают новым свойством. В отличие от нормального Hb, цепи серповидного Hb агрегируются в условиях деоксигенации, образуя волокна, деформирующие эритроциты.
Другие мутации, связанные с усилением функции, приводят к гиперэкспрессии или несоответствующей экспрессии генного продукта. Многие канцерогенные гены (онкогены) — нормальные регуляторы клеточной пролиферации во время развития организма. Однако экспрессия этих генов во взрослой жизни и/или в клетках, в которых они обычно не экспрессируются, может привести к неоплазии.
В некоторых случаях изменения в экспрессии генов вызваны изменениями количества копий гена, присутствующих в геноме (рис. 2). Хотя некоторые вариации числа копий — обычное явление и, по-видимому, не вызывают или не предрасполагают к заболеванию, другие явно вызывают заболевание. Болезнь Шарко-Мари-Тута типа 1А, наиболее распространенная наследственная форма хронической периферической невропатии детского возраста, возникает в результате дупликации гена периферического миелинового белка 22, что приводит к гиперэкспрессии в результате существования трех активных копий этого гена.
Рисунок 2. Сравнительная геномная гибридизация на микроматрицах. Образцы тестируемой и референсной ДНК метят различными зондами, смешивают и наносят на микроматрицу (бактериальные клоны искусственных хромосом или олигонуклеотиды), содержащую фрагменты ДНК из всего генома человека. Часто эксперимент повторяют со сменой красителя для тестируемого и эталонного образцов для выявления эффектов красителя или ложных сигналов. Образцы ДНК связываются с соответствующим им зондом, и коэффициент флуоресценции каждого зонда (тест: референсный образец) используется для обнаружения областей, которые различаются по количеству копий между тестом и эталонным образцом (красная линия, исходная гибридизация; синяя линия, гибридизация с заменой красителя). Равное количество копий как для тестируемой, так и для эталонной ДНК идентифицируется по равному связыванию, в результате получается соотношение 1:1. Дупликация в геномной области тестового образца идентифицируется по увеличенному соотношению, а делеция — по уменьшенному соотношению, но делеция в тестовом образце неотличима от дупликации в контрольном образце. Эти отношения обычно конвертируются в шкалу Iog2 для дальнейшего анализа
Делеции этого же гена, оставляющие только одну активную копию, ответственны за другое заболевание — наследственную невропатию со склонностью к параличам от сдавления.
Делеции и дупликации могут варьировать по протяженности, а также затрагивать несколько генов, даже если они не видны при обычном анализе хромосом. Такие изменения принято называть микроделециями и микродупликациями. Делеция или дупликация >2 генов в одной и той же хромосомной области, при этом каждый из них обусловливает проявление клинических признаков, называется синдромом микроструктурных перестроек.
В некоторых случаях распознавание специфической совокупности признаков заставляет клинициста подозревать определенный синдром микроделеции или микродупликации. Примеры таких расстройств — синдромы Смита-Магенис, Ди-Джорджи и Вильямса. В других случаях клиницист может быть насторожен относительно возможности таких заболеваний необычно разнообразным спектром клинических проявлений у одного пациента или наличием необычных проявлений у человека с известным заболеванием. Из-за непосредственной близости ряда генов различные делеции, затрагивающие короткое плечо Х-хромосомы, могут приводить к появлению индивидов с различными комбинациями ихтиоза, синдрома Каллмана, глазного альбинизма, умственной отсталости, точечной хондродисплазии и низкого роста.
Перестройки ДНК также могут происходить в соматических клетках (клетках, которые не производят яйцеклетки или сперматозоиды). Перестройки, происходящие в лимфоидных клетках, необходимы для образования функционального Ig в В-клетках и АГн-распознающих рецепторов на Т-клетках. Большие сегменты ДНК, которые кодируют вариабельную и константную области Ig или Т-клеточного рецептора, физически соединяются на определенной стадии развития иммунокомпетентного лимфоцита. Эти перестройки происходят во время развития линии лимфоидных клеток у человека и приводят к большому разнообразию молекул Ig и Т-клеточного рецептора.
Из-за этой постзародышевой перестройки ДНК никакие два человека, даже однояйцевые близнецы, не являются действительно идентичными, поскольку зрелые лимфоциты каждого из них будут подвергаться случайным перестройкам ДНК в этих локусах.
Исследования последовательности генома человека показывают, что любые два индивидуума отличаются на 1:1000 основание. Некоторые из этих различий молчащие; некоторые приводят к изменениям, объясняющим фенотипические различия (цвет волос или глаз, внешний вид); некоторые имеют медицинское значение, вызывая моногенные расстройства, такие как СКА, или объясняют предрасположенность к наиболее распространенным детским болезням, таким как БА. Генетические варианты одного гена, встречающиеся в группе населения с частотой >1%, часто называют полиморфизмами. Эти варианты могут быть молчащими, едва различимыми или иметь значительные фенотипические эффекты.
