Установление взаимосвязи между генотипом и его реализацией (фенотипом) является ключевой задачей генетики, что для диплоидных организмов осложняется взаимодействием двух полных наборов (различающейся) генетической информации. Проявляющийся в потомстве родительский признак Грегор Мендель называл доминирующим (доминантным), а «исчезающий» — рецессивным. На сегодняшний день мы знаем, что признаки представляют собой реализацию функции белков (или регуляторных РНК), закодированных в ДНК, а доминантный фенотип может быть следствием как повышенной, так и пониженной активности/концентрации белка за счет различных генетических и эпигенетических факторов: аллельного полиморфизма белок-кодирующей последовательности, профиля метилирования ДНК, модификации гистонов и активности промотора, малых регуляторных РНК, посттрансляционной модификации белка, полигенных взаимодействий и т. п.

В медицинской генетике мутации, приводящие к снижению или потере функции (loss-of-function, LOF), как правило, ассоциируют с рецессивным наследованием, а приводящие к «избытку функции» (gain-of-function, GOF) — с доминантным. Однако существует множество исключений из этого упрощенного правила, что указывает на важность понимания функционального контекста и биологической роли затрагиваемого белка или соответствующего регуляторного механизма, особенно в контексте назначения врачами современных генотерапевтических препаратов.

Бурное развитие технологий управления генетической программой (включая изменение активности генов за счет доставки дополнительных копий, CRISPR-редактирования или воздействия малых РНК) привело к появлению широкого спектра высокотехнологичных лекарственных препаратов, назначаемых с целью компенсации генетического нарушения (если функции не хватает — очевидно, что ее необходимо усилить, если же она избыточна — ослабить). При этом в описании заболевания, клинических рекомендациях по лечению заболевания, заключениях по результатам лабораторных исследований и даже в инструкциях к генопрепарату продолжают встречаться фенотипические термины середины XIX в. До 8% лабораторных заключений по исследованию молекулярных причин моногенного наследственного заболевания неправильно интерпретируются врачомгенетиком из-за путаницы с фенотипическими терминами (на основании собственного анализа литературы).

Терминологическая база: типы наследования и молекулярные механизмы

Для диплоидных организмов (включая Х-хромосому для женского пола) в контексте наследственных заболеваний аутосомно-доминантное (АД) и аутосомно-рецессивное (АР) наследование — два основных варианта проявления мутаций в родословной. При АД-наследовании для развития заболевания достаточно одной мутантной копии гена (гетерозиготное состояние), что характеризуется 50% риском вертикальной передачи болезни из поколения в поколение (примеры — болезнь Хантингтона, болезнь Томсена, болезнь Крейтцфельдта–Якоба и еще более 4000 заболеваний) [1–3].

При АР-наследовании для развития заболевания необходима поломка обеих копий гена (гомозиготное/ компаунд-гетерозиготное состояние). Родители при этом обычно являются здоровыми носителями, а заболевание у потомства возникает за счет совпадения нефункциональных аллелей с вероятностью 25% (примеры — наследственная тугоухость, муковисцидоз, фенилкетонурия и еще более 3000 заболеваний) [4–6].

В случае X-сцепленного рецессивного наследования у лиц мужского пола заболевание или признак фенотипически проявляется в гемизиготном состоянии, в то время как для проявления заболевания у лиц женского пола необходима гомозиготность/компаунд-гетерозиготность по мутации. Классическими примерами данной группы заболеваний являются гемофилия A и дальтонизм, а всего известно более 100 подобных заболеваний [7, 8].

При X-сцепленном доминантном наследовании для проявления патологии достаточно наличия единственного мутантного аллеля. Данный тип наследования характеризуется более тяжелыми последствиями для лиц мужского пола, у которых мутация часто оказывается летальной на ранних стадиях развития. Больная женщина с вероятностью 50% передает заболевание потомству обоего пола, в то время как больной мужчина передает мутантный аллель всем своим дочерям и ни одному из сыновей. Ярким примером заболевания с таким механизмом наследования служит синдром Ретта (в большинстве случаев, однако, возникающий de novo) и еще около 40 заболеваний [9]. При этом необходимо учитывать, что у женщин в результате случайной инактивации одной из X-хромосом патогенный аллель в каждой конкретной клетке будет либо активен, либо инактивирован. Соотношение этих клеток может варьировать, что объясняет феномен различной выраженности симптомов у гетерозиготных носительниц (мозаицизм).

В классическом менделевском наследовании предполагается 100% фенотипическое проявление любого аллеля (пенетрантность) с одинаковой силой (экспрессивность), а наличие мутантного варианта (при соответствующем числе копий) однозначно приводит к развитию ожидаемого фенотипа. На практике же для многих наследственных заболеваний, как аутосомнодоминантных, так и X-сцепленных, наблюдается так называемая неполная пенетрантность (когда у части носителей патогенного аллеля заболевание клинически не проявляется на протяжении всей жизни из-за геномного окружения и факторов внешней среды). Неполная пенетрантность создает значительные трудности для медико-генетического консультирования, так как фенотипически здоровый индивид может передать мутантный аллель потомкам, у которых внезапно проявится заболевание. Чтобы окончательно запутать студентов, дополнительно выделяют возраст-зависимую пенетрантность и переменную экспрессивность (хотя очевидно, что проявление любого признака возрастзависимо и вариативно по силе, даже у монозиготных близнецов). Например, для аутосомно-доминантного нейрофиброматоза 1-го типа или наследственных онкологических синдромов, вызываемых мутациями в генах-супрессорах опухолей (таких как BRCA1 или TP53), пенетрантность считают возраст-зависимой, а экспрессивность — переменной [10].

Условность доминантности и рецессивности в контексте GOF- и LOF-мутаций

С молекулярной точки зрения разные типы наследования, как правило, связаны с разными типами мутаций. Мутации типа GOF наделяют белок новой или усиленной (до уровня токсичной) функцией, что патогенно даже при нормальном втором аллеле. Такой механизм, чаще всего, лежит в основе доминантных заболеваний. При этом заболевание, как правило, встречается только у гетерозигот, поскольку гомозиготность по столь критичным нарушениям приводит к гибели эмбриона на ранних стадиях развития.

Мутации типа LOF приводят к полной или частичной утрате функции белка (например, вследствие выключения промотора или грубого нарушения структуры белка) и обычно ассоциированы с рецессивными заболеваниями [11, 12].

Однако при определенных условиях LOF-мутации могут приводить к доминантным (для гетерозигот) патологиям. Это происходит через два основных механизма: гаплонедостаточность и доминантно-негативный эффект.

Гаплонедостаточность возникает, когда уровня нормального белка, синтезируемого с единственного функционирующего аллеля, недостаточно для реализации необходимых функций в полном объеме, что приводит к развитию заболевания (примеры — синдром Марфана, синдром Ди Джорджи, синдром Уильямса и еще около 500 заболеваний) [13–15], а на фоне неполной пенетрантности гаплонедостаточность может давать предрасположенность к заболеванию (примеры — гены-супрессоры опухолей, например, p53 при синдроме Ли-Фраумени, BRCA1 при раке яичников и др.) [16, 17].

Доминантно-негативный эффект наблюдается, когда LOF-мутантный белок не просто теряет функцию, но и активно нарушает работу внутриклеточных систем, например, за счет включения в мультимерные комплексы, изменения титра рецептора и иных способов конкурентного ингибирования. Таким образом, LOF-мутация может проявляться как по рецессивному, так и по доминантному типу (примеры — синдром Бругада, синдром Каллера– Джонса и еще около 700 заболеваний) [18, 19].

Таким образом, сравнивая гетерозиготный GOF-эффект гиперактивности/сверхконцентрации белка и гетерозиготный же доминантно-негативный LOF-эффект конкуретнтого ингибирования мультикомплексов, можно утверждать, что ключевым фактором для понимания молекулярных механизмов патологии и выбора корректной патогенетической терапии (доставки гена или геномного редактирования) является именно нехватка или избыток функции, а не гомо/ гетерозиготность (и тем более не фенотип).

Неполная пенетрантность добавляет неопределенности в принятие решения о применении генопрепарата, особенно при назначении лечения до клинического проявления моногенного наследственного заболевания [20]. В таких случаях необходимо взвешивать обратимость патологических процессов с отсроченным фенотипическим проявлением и безопасность генопрепарата.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В современной медицинской генетике фенотипические термины «доминантный» и «рецессивный» утрачивают свою диагностическую и прогностическую ценность. Их использование может вводить в заблуждение клиницистов при интерпретации результатов генетического тестирования и, что критически важно, при выборе терапевтической стратегии. В условиях бурного развития методов генозаместительной, генокомпенсаторной терапии и геномного редактирования акцент должен смещаться с классификации типа наследования на точное определение молекулярного патогенеза — является ли причина заболевания следствием недостатка или избытка конкретной макромолекулы (белка, тРНК и др.). Такой функциональный подход является необходимым условием для назначения патогенетически обоснованной и персонализированной терапии.