Учебник для ВУЗОВ

БИОХИМИЯ

В. Полиморфизм белков

Поскольку большинство нормальных клеток человека диплоидны, то они содержат две копии каждой хромосомы, одна из которых получена от отца, а вторая от матери. Эти две копии одной и той же хромосомы называют гомологичными (рис. 4-59). В ДНК каждой хромосомы содержится более тысячи генов. Соответствующие друг другу гены в гомологичных хромосомах называют аллелями. Аллели могут быть идентичными и содержат одинаковую последовательность нуклеотидов.

Рис. 4-59. Гомологичные хромосомы и соответствующие аллелям белковые продукты. На рисунке показано расположение 4 аллелей (АА, Bb, СС, dD) на гомологичных хромосомах. Аллели могут быть идентичны, как в случае генов АА и СС, или различаться (Bb, Dd). Белковые продукты будут идентичны для аллелей АА и СС, но будут различаться по аминокислотной последовательности в случае аллелей ВЬ и Dd

В этом случае индивидуум, имеющий такие аллели, будет гомозиготен по данному признаку. Если аллели различаются по последовательности нуклеотидов в ДНК, то говорят о гетерозиготном наследовании гена. В этом случае индивидуум будет иметь 2 белковых продукта гена, различающихся по аминокислотной последовательности.

У каждого человека существует только 2 разных аллеля одного гена, тогда как в популяции людей вариантов аллелей может быть огромное множество. Как уже говорилось ранее, изменчивость структуры ДНК, а следовательно разнообразие аллелей, обусловлено мутационным процессом и рекомбинациями в гомологичных хромосомах половых клеток. Если в ходе мейоза рекомбинации сопровождаются обменом участками ДНК, меньшими по размеру, чем ген, то такой процесс может приводить к появлению новых, прежде не существовавших аллелей. А поскольку рекомбинации — более частые события, чем мутации в кодирующих участках гена, то разнообразие вариантов аллелей обусловлено главным образом ими.

Существование в популяции 2 и большего числа аллелей одного гена называют «аллеломорфизм», или «полиморфизм», а белковые продукты, образующиеся в ходе экспрессии этих вариантов гена — «полиморфы». Разные аллели встречаются в популяции с разной частотой. К полиморфам относят только те варианты, распространённость которых в популяции не меньше 1%.

В процессе эволюции отдельные гены амп-лифицируют с образованием копий, а их структура и положение могут изменяться в результате мутаций и перемещений не только внутри хромосомы, но и между хромосомами. Со временем это приводит к появлению новых генов, кодирующих белки, родственные исходному, но отличающиеся от него определёнными свойствами и занимающие в хромосомах разные генные локусы (или места).

К родственным белкам относят изобелки, представляющие собой варианты белков, выполняющие одну и ту же функцию и обнаруживаемые в пределах одного вида организмов. Так, в группе из 2000 генов человека, кодирующих факторы транскрипции и транскрипционные активаторы, идентифицировано 900, относящихся к семейству белков, имеющих «цинковые пальцы». Существует 46 генов фермента глицеральдегид- 3-фосфатдегидрогеназы, осуществляющего единственную окислительную реакцию в метаболическом пути катаболизма глюкозы до пирувата.

Выявлены семейства родственных белков, возникшие в ходе эволюции из одного «предкового» гена, или гена-предшественника. Такие семейства составляют:

• гены миоглобина и протомеров гемоглобинов;
• группа протеолитических ферментов: трипсин, химотрипсин, эластаза, плазмин, тромбин и некоторые другие белки и ферменты.

1. Гемоглобины человека

В ходе эволюции из единичных генов-предшественников возникли семейства генов α- и β-глобинов (рис. 4-60), на хромосомах 16 и 11 соответственно.

Рисунок 4-60. Схематическое расположение кластеров α- и β-глобиновых генов. Обнаружены две копии α-глобинового гена: α₁ и α₂, каждая из которых обеспечивает синтез α-глобиновой цепи. В семействе генов β-глобинов локус ε экспрессируется в период раннего эмбрионального развития плода на начальных месяцах беременности (α₂ε₂). Гены у экспрессируются в процессе внутриутробного развития плода (HbF, α₂γ₂). Гемоглобины взрослого человека — НЬА (α₂β₂), составляющий 96%, и НЬА₂ (α₂δ₂), составляющий 2-2,5%, образуются в результате экспрессии генов β и δ. ψβ — псевдоген, имеющий последовательность нуклеотидов, гомологичную β-гену, но содержащий мутации, нарушающие его экспрессию

В процессе онтогенеза у людей образуются разные виды гемоглобинов, обеспечивающие наилучшую адаптацию к меняющимся условиям существования. НЬЕ — эмбриональный, синтезируется у зародыша в первые месяцы развития, HbF — фетальный, обеспечивает дальнейшее внутриутробное развитие плода, а НЬА и НЬА₂ осуществляют транспорт кислорода в организме взрослого человека. Эти белки представляют собой тетрамеры, состоящие из полипептидных цепей двух видов: α и β в НЬА (2α2β, α и ε в НЬЕ (2α2ε), а у остальных гемоглобинов β-цепи заменены на γ-полипептиды в HbF (2α2γ) или на δ-цепи в НЬА₂ (2α2δ).

Полиморфизм гемоглобинов в популяции людей очень велик. Наряду с генами, кодирующими изобелки и занимающими разные локу-сы на хромосоме, обнаружено большое число вариантов гемоглобина А, являющихся продуктами аллельных генов. Некоторые варианты НЬА представлены в таблице 4-9.

Таблица 4-9.
Некоторые варианты гемоглобина А человека

Примечание. Цитировано по учебнику А.Я. Николаева «Биологическая химия» (М.: Высшая школа, 1989).

Один из наиболее известных аллельных вариантов НЬА — HbS, образующийся в результате замены остатка глутамата в положении 6 β-цепи НЬА на валин (β₆ Глу → Вал). По аллелям НЬА и HbS всех людей можно разделить на 3 генотипически различающиеся группы: АА, AS и SS. Распространённость аллеля S по земному шару неравномерна. Часто людей с этим аллелем можно встретить в малярийных районах Африки и Азии (до 35%). К настоящему времени описано свыше 300 вариантов НЬА, на основании этого признака всех людей можно разделить на 600 генотипических групп по наиболее часто встречающимся аллелям.

2. Группы крови

Другой важный пример полиморфизма белков, связанный с проблемой переливания крови, — существование в популяции людей 3 аллельных вариантов гена фермента гликозил-трансферазы (А, В и O). Этот фермент принимает участие в синтезе олигосахарида, локализованного на наружной поверхности плазматической мембраны и определяющего антигенные свойства эритроцитов. Варианты фермента А и В имеют разную субстратную специфичность: вариант А катализирует присоединение к олигосахариду N-ацетилгалакто-замина, а вариант В — галактозы. Вариант O кодирует белок, лишённый ферментативной активности. В результате структура олигосахаридов, расположенных на поверхности эритроцитов, будет разной (рис. 4-61).

Рис. 4-61. Структура олигосахаридов, определяющих группу крови. Олигосахариды различаются концевыми мономерами. Олигосахарид А имеет на нередуцирующем конце N-ацетилгалактозамин (ГалМАц), олигосахарид В — галактозу (Гал), а олигосахарид O укорочен на один моносахаридный остаток. R представляет собой белок либо липид — церамид

Антитела к антигенам А и В обычно имеются в сыворотке крови людей, на поверхности эритроцитов которых отсутствует соответствующий антиген, т.е. индивидуумы с антигенами А на поверхности эритроцитов продуцируют в сыворотку крови антитела к В-антигенам (анти-В), а люди с В-антигенами — антитела к антигенам А (анти-А). В сыворотке крови анти-А и анти-В обычно присутствуют в высоких титрах и при появлении соответствующих антигенов способны активировать ферменты системы комплемента.

При переливании крови руководствуются правилом, согласно которому кровь донора и реципиента не должна содержать антигены и антитела, реагирующие между собой: например, реципиенту, имеющему в сыворотке крови анти-А, нельзя переливать кровь от донора, содержащего на эритроцитах антигены А.

При нарушении этого правила происходит реакция антиген-антитело. Это вызывает агглютинацию (склеивание) эритроцитов и их разрушение ферментами комплемента и фагоцитами.

Как видно из табл. 4-10, у индивидуумов-гетерозигот, имеющих группу крови АВ (IV), на эритроцитах присутствуют А- и В-антигены, функционируют 2 варианта гликозилтрансферазы (А и В), а следовательно антитела не образуются. Этих людей можно рассматривать как «универсальных» реципиентов, которым безопасно вводить эритроциты от доноров, имеющих любые группы крови.

Таблица 4-10.
Характеристика групп крови

Однако люди с группой крови IV не могут безопасно получать сыворотку крови от этих доноров, так как она содержит антитела к А- и/или В-антигенам. В то же время индивидуумы, имеющие 0 (I) группу крови, — гомозиготы по неактивному варианту гликозилтрансферазы 0, и поверхность их эритроцитов лишена антигенов. Такие люди являются «универсальными» донорами эритро-цитарной массы, так как их эритроциты можно вводить людям с группами крови А, В, 0 или АВ. В то же время сыворотка крови этих доноров содержит антитела к А- и В-антигенам и может использоваться только для пациентов 0 (I) группы крови.

3. Белки главного комплекса гистосовместимости и трансплантационная несовместимость

При формировании клеточного иммунного ответа узнавание Т-лимфоцитами чужеродного антигена происходит только если он расположен рядом с гликопротеинами, присутствующими на собственной клеточной мембране. Эти гликопротеины называют белками главного комплекса гистосовместимости, или МНС-белками (см. раздел 1). Существуют 2 класса этих белков: молекулы класса I и II. МНС-белки класса I обнаружены практически во всех содержащих ядро клетках, включая Т-киллеры, тогда как МНС-белки класса II найдены главным образом в клетках, участвующих в иммунном ответе, в антиген-представляющих В-клетках и Т-хелперах, но не в Т-киллерах и макрофагах.

Строение МНС-белков кодирует семейство генов, расположенных на коротком плече хромосомы 6 и занимающих участок ДНК длиной более 6000 пар нуклеотидов. Это семейство состоит из серии тесно сцепленных генов, ответственных за синтез МНС-белков и некоторых компонентов системы комплемента. Гены комплекса отличаются чрезвычайно высоким полиморфизмом. Число разных аллелей достигает нескольких миллионов. Белки МНС-системы считают самой полиморфной системой человека. Вариабельность МНС-белков обеспечивает трансплантационную несовместимость. Клетки трансплантата имеют набор этих белков, отличный от МНС-белков реципиента (во всех случаях, кроме генетически идентичных близнецов), и это приводит к развитию реакции клеточного иммунитета, в результате которой трансплантированная ткань отторгается.

Исследования показали, что полиморфизм различных белков настолько велик, что можно говорить о биохимической индивидуальности и уникальности каждого человека.