Генетические заболевания

     Майкл Кабак (Michael Kaback,), специалист по детской неврологии, работающий в Университете Джона Хопкинса (Johns Hopkins University), в 1969 году исследовал две семьи, члены которых были больны БТС. В то время ученые только начали исследовать биохимические основы болезни и определили, что заболевание возникает вследствие нарушения действия фермента участвующего в метаболическом процессе. Кабак разработал, а затем автоматизировал тест, который позволял определить уровень активности фермента и, соответственно, выявить носителей заболевания. При использовании для целевых групп населения, этот относительно недорогой тест оказался статистически достоверным (т.е., уровень ошибок и положительно ложных результатов был очень низким).

     Впервые в истории медицины, появилась возможность применения широкого скрининга для определения носителей генетического заболевания. И при этом, врач или другой медицинский специалист мог предоставить семье консультацию по профилактике возникновения заболевания. В течение нескольких десятилетий, болезнь была практически ликвидирована среди евреев-ашкенази. И большинство случаев БТС, которые возникают сегодня, появляются в тех семьях, которые не имеют видимых факторов риска. 

    Кабак и его коллеги провели также первую программу массового скрининга, которая позволила определить носителей генетического заболевания. Каждый аспект этого исторического исследования был тщательно спланирован и включал налаженную систему связей с общественностью, процедур забора крови, лабораторных учреждений, результатов (протоколов) анализов и дальнейшее генетическое консультирование. В мае 1971 года, более 1800 молодых людей, которые по происхождению были евреями ашкенази и проживали в Балтиморе и Вашингтоне (округ Колумбия, США) были бесплатно проверены на наличие болезнетворных мутаций, в частности, было определено являются ли они носителями этих нарушений. Успех этой программы показал эффективность такой проверки для установления уровня распространенности заболевания среди определенной популяции. В течение нескольких лет, такие скрининг программы периодически проводились среди евреев ашкенази на всей территории Соединенных Штатов, Канады, Западной Европы и Израиля.
 

     Болезнь Тея-Сакса стала моделью для демонстрации того, как можно предотвратить распространение всех генетических заболеваний. В США до 1970 года, БТС поражала примерно 50-70 младенцев ежегодно (среди семей евреев ашкенази). И около 10 случаев ежегодно возникало у детей, без семейной истории заболевания. К 1970 году, болезнь никогда не диагностировалась сразу после рождения. Врачи, уже позже ставили диагноз БТС, после того, как было ясно, что ребенок физически не развивается. Кроме того, врачи не могли ничего сделать, чтобы помочь родителям и семьям больного младенца. И, несмотря на то, что генетические основы БТС уже были известны, однако дородовое тестирование еще не было доступно и, соответственно, в семьях с повышенным риском возникновения БТС, каждую следующую беременность была 25% вероятность рождения больного ребенка.
 

     В первые 30 лет испытаний, с 1969 по 1998 год, было протестировано более 1,3 млн. человек и определены 48864 носителей. У семей с повышенным риском, т.е. среди пар, где муж и жена были носителями БТС, более чем 3000 беременностей были исследованы с помощью методов амниоцентеза или биопсии хориона. Из 604 беременностей, при которых осуществлялась пренатальная диагностика для определения болезни Тея-Сакса, 583 беременности были заблаговременно прерваны. Среди 21 беременности, которые не были остановлены, у 20 детей развилась классическая детская форма БТС и в одном случае, расстройство начал проявляться позже, что свидетельствует о взрослой форме заболевания. Более чем в 2500 случаях беременности, семьи с повышенным риском возникновения заболевания были уверены, что их дети не будут поражены БТС. И только три плода, у которых после рождения обнаружили детскую форму БТС, по ошибке были определены как здоровые.

 

    На сегодняшний день нет эффективного лечения или препаратов от БТС. Даже при самом лучшем уходе, дети с детской формой заболевания умирают в возрасте до 5 лет, а течение взрослой формы может быть только замедлено. Хотя экспериментальная работа ведется, пока нет медицинского лечения для инфантильной БТС. Пациенты получают паллиативную помощь для облегчения симптомов. Младенцам вводятся питательные трубки, когда они больше не могут глотать пищу. Улучшения в области паллиативного ухода (смягчения проявлений болезни) позволяет несколько продлить выживаемость детей с данным заболеванием, однако пока нет терапии, которая могла бы остановить или существенно задержать развитие болезни.

 

      Эпидемиология
 

  Исторически сложилось так, что еврейское население восточноевропейского происхождения (евреи Ашкенази) имеют более высокую частоту заболеваемости болезнью Тея-Сакса и другими болезнями накопления липидов. Первые зафиксированные случаи БТС у еврейского населения датируются XV веком в Европе. В Соединенных Штатах, примерно 1 из 27-30 евреев Ашкенази является рецессивным носителем болезни. Франко-канадцы и Луизианское сообщество кейджнов имеют сходную распространенность. Ирландские американцы 1 из 50 шансов быть носителями. Среди населения в целом, носителями (гетерозиготами) является приблизительно 1 человек среди 300.
 

   Было предложено три общих класса теорий для того, чтобы объяснить высокую частоту распространенности носителей болезни Тея-Сакса среди евреев Ашкенази:
 

1. Преимущества гетерозигот над гомозиготами. При применении к конкретной аллели, эта теория утверждает, что носители мутации имеют селективное преимущество, в определенной среде.
 

2.  Репродуктивная компенсация. Родители, которые теряют ребенка из-за болезни, как правило, стремятся "компенсировать" это - рождением других детей, чтобы заменить того ребенка, который умер. Это может сохранить количество и, возможно, даже увеличить частоту аутосомно-рецессивных заболеваний.
 

3.  Эффект основателя. Эта гипотеза утверждает, что высокая частота мутаций 1278insTATC является результатом случайного генетического дрейфа (изменение частоты встречаемости определенного гена в популяции), который усиливает высокую частоту, которая случайно возникла у населения.

 

  Исследование мутаций БТС с использованием новых молекулярных методов, таких как неравновесное сцепления генов и анализ слияния привело к консенсусу среди исследователей, о поддержке теории эффекта основателя. 

 

 

   С появлением и распространением микробной теории болезней в 1860-1870-х годах, стало возможно с помощью медицинской науки объяснить, вылечить или даже предотвратить возникновение различных заболеваний, это в свою очередь стимулировало врачей к проведению более точного описания и диагностики болезни. Уоррен Тэй (Warren Tay) и Бернард Сакс (Bernard Sachs), двое врачей, работавших в конце XIX века. подробно описали процесс течения БТС и определили дифференциальные диагностические критерии, с помощью которых можно было отличить болезнь Тея-Сакса от других неврологических нарушений с похожими симптомами.

 

   Оба исследователи впервые изучали процесс развития БТС на примере семьи евреев ашкенази. В. Тэй, представил первые результаты своих исследований в 1881 году на заседании Британского офтальмологического объединения, одним из основателей которого он был. До 1884 года, он изучал еще три случая в одной семье. Несколько лет спустя, Бернард Сакс, американский невролог, сообщил о подобных случаях, которые сопровождались остановкой развития мозга, членам Нью-Йоркского неврологического общества.
 

  Сакс, который определил, что болезнь имеет наследственный характер, предложил назвать это расстройство амавротической семейной идиотией (amaurotic familial idiocy). Однако генетическая природа БТС была еще плохо изучена. Хотя Грегор Мендель опубликовал свою статью о генетически обусловленных признаках гороха в 1865 году, но этот труд Менделя почти не изучался более чем одним поколением ученых, кроме того ни один из них не повторил исследования Г. Менделя до 1899 года. То есть, эта модель была практически недоступной для научного объяснения БТС учеными и практикующими врачами того времени.

    В первом издании Еврейской энциклопедии, которая была опубликована в 12 томах в период с 1901 по 1906 год, было описано все известные на то время сведения о заболевании, так в этой книге о БТС было сказано следующее:

 

 

  Три «Международных конференции по вопросам евгеники» и сборы, привлекающие многих ученых и практикующих врачей, были проведены между 1912 и 1932 годами. Эти конференции часто рассматриваются как высокая оценка движения евгеники, которая является главной, научной основой для многих расовых теорий.

 

   По словам социолога Шелли Рейтер (Shelley Reuter), ранее болезнь Тея-Сакса часто рассматривали и лечили исключительно как болезнь еврейского народа, соответственно характеризовавшую евреев, как расовую группу. Когда болезнь была зарегистрирована у пациентов не еврейского происхождения, многие врачи были настроены скептически. Часто, они ставили под сомнение диагноз, или предполагали, что у больного должна быть "еврейская кровь". 
 

   Среди врачей, характеристика человечества в зависимости от расы была само собой разумеющейся. Вопрос о том, что евреи составляют "чистую" или "смешанную расу" широко обсуждались, и болезнь Тея-Сакса рассматривалась как доказательство еврейского расового типа, который, как полагали, имеет склонность к неврологическим расстройствам. Даже Еврейская энциклопедия отражает такую характеристику БТС:
 

 

   В США, эпоха Первой мировой войны была периодом роста национализма, неприязни по отношению к иммигрантам. Иммиграция евреев в США достигла своего пика в период с 1880 по1924 годы. Противники иммиграции часто интересовались тем или иммигранты из южной и восточной Европы, такие, как итальянцы и евреи, могут быть ассимилированы в американское общество. Зафиксированы случаи болезни Тея-Сакса способствовали восприятию среди некоторых националистов мысли о том, что евреи были худшей расой. 
 

     Научные методологии
 

   Евгеника и расовые теории с ростом фашизма и нацизма в Европе перестали изучаться учеными. После Второй мировой войны, евгеника стала ассоциироваться со злоупотреблениями нацистов. В то же время, интерес к расовой теории пошел на спад, произошел прогресс в области биохимии, молекулярной биологии, и генетики, которая начала прокладывать путь к научной переоценки и научному пониманию болезни Тея-Сакса.

 

   С повторным открытием работ Менделя после 1900 года, ученые начали идентифицировать человеческие генетические заболевания, которые можно было объяснить с использованием менделевской решетки. До 1930-х годов, несколько сотен случаев БТС было зарегистрировано в медицинской литературе. Дэвид Слом (David Slome), научный сотрудник кафедры социальной биологии в Лондонском университете, обобщив все имеющиеся знания, пришел к выводу, что болезнь Тея-Сакса была вызвана одним генетическим дефектом, и что она наследуется по аутосомно-рецессивному типу. Слом также отметил, что это заболевание не является исключительно еврейским феноменом.
 

"Хотя первоначально болезнь рассматривалась как такая которая характерная исключительно для еврейской этнической группы, несомненно, случаи заболевания были зарегистрированы также в семьях других национальностей". Автор нашел описания восемнадцати таких случаев в литературе.

 

     Появление биохимии как отдельной научной отрасли часто приурочивают к открытию ферментов в 1897 году, примерно те же временные рамки, приходят на период возрождения работ Менделя. Однако, до 1940-х годов концепция метаболического пути не была понятной и принятой. Модель Джорджа Бидла и Эдварда Татума «Один ген один фермент» объединила в одно целое биохимию и молекулярную генетику. В новой модели, было также признано, что гены и их белковые продукты выполняют регуляторные функции в клетке, контролируя активность ферментов в метаболических путях. Новое понимание метаболических процессов стало основой достижения успеха, как в биохимии, так и в генетике, которые имели следствием проведения тестирования (диагностики) генетических заболеваний. Биохимики этой эпохи были в состоянии идентифицировать и охарактеризовать некоторые мутации косвенно через белковые последовательности, но у них не хватало молекулярных методов для непосредственного исследования мутаций.

 

  К началу 1960-х, благодаря сочетанию биохимии и менделеевской генетики было обнаружено фенилкетонурию, другое аутосомно-рецессивное генетическое заболевание. Фенилкетонурия является общей болезнью нарушения обмена веществ, при которой дефицит основного фермента печени, необходимого для расщепления побочных продуктов распада некоторых белков, приводит к умственной отсталости и другим неврологическим проблемам. Успех с фенилкетонурией в результате применения массового скрининга новорожденных младенцев позволил эффективно использовать диетические ограничения для лечения генетического заболевания. К концу 1960-х годов, послеродовой скрининг для определения фенилкетонурии начал проводиться в Соединенных Штатах и большинстве промышленно развитых стран.

 

    В 1969 году Джон С. О'Брайен показал, что болезнь Тея-Сакса вызвана дефектом в ключевом ферменте. Он также доказал, что пациентам может быть поставлен диагноз БТС, соответственно уровня ферментативной активности гексозаминидазы А. Дальнейшее развитие анализа ферментативной активности показало, что уровни гексозаминидазы А и B могут быть измерены у больных и носителей, что позволяет достоверно выявить гетерозиготных особей. В начале 1970-х, исследователи разработали протоколы для тестирования новорожденных, скрининг носителей, и пренатальную диагностику. К концу 1970-х годов, исследователи определили три варианта формы GM2 ганглиозидаз, в том числе это болезнь Сандхоффа и гексозаминидазы А и B (вариант АВ).

 

    Общество и культура
 

  С 1971 года, когда впервые был проведен генетический скрининг для определения носителей БТС, миллионам евреев-ашкенази совершили данное тестирование. Еврейские общины, как внутри, так и за пределами Израиля были объединены целью проведения генетического скрининга с 1970-х годов. Успешное тестирование для выявления носителей БТС, позволило Израилю стать первым государством, где впервые бесплатно проводился генетический скрининг и предоставлялась генетическая консультация всем супружеским парам. Израиль стал ведущим центром по изучению генетических болезней. 

 

  Широкие знания о евреях ашкенази как этнической группе связаны с тем, что многие исследования различных генетических заболеваний, большинство из которых хорошо освещается в СМИ, проводятся именно среди евреев ашкенази. В результате этого возникла так называемая ошибка выборки (ascertainment bias). То есть, это явление при котором, было обнаружено много мутаций и, соответственно заболеваний, которые были классифицированы, как еврейские заболевания, хотя это утверждение не всегда верно. Согласно словам Дафны Биренбаум Кармеле (Daphna Birenbaum Carmeli), которая работает в университете Хайфы, еврейская популяция сегодня изучена более тщательно, чем большинство других групп населения, что может быть объяснено следующими причинами:
 

  Иногда возникает такое впечатление, что евреи более чувствительны к различным генетическим заболеваниям, чем другие национальности. Однако Кармеле в своей статье отмечает, что евреи слишком широко представлены в генетической литературе, особенно в тех вопросах, которые касаются различных мутаций.
 

   Шейла Ротман (Sheila Rothman) и Шерри Брандт-Рауф (Sherry Brandt-Rauf), ученые центра по изучению общества и медицины, Колумбийского Университета (Columbia University's Center for the Study of Society and Medicine), подвергли критике эти замечания относительно этнической идентичности при изучении генетических заболеваний. После того как в 1990-х годах было обнаружено несколько мутаций, вызывающих возникновение рака молочной железы, для дальнейшего исследования обнаруженных результатов сознательно использовали схему изучения БТС. Исследователи изначально ориентировались на семейную историю заболевания, а не на этнические характеристики. Но, так как, ученым были доступны тысячи образцов ДНК, полученных при генетическом скрининге на БТС, то используя их, исследователи смогли быстро оценить распространенность нововыявленных мутаций среди населения евреев Ашкенази.

 

     Еврейские общественные институты, возбужденные успехом генетического скрининга болезни Тея-Сакса, начали финансировать новые генетические программы скрининга, направленные на изучение других заболеваний. Поскольку население было уже хорошо проинформировано благодаря информационным программам, которые распространяли информацию о генетическом скрининге БТС, то распространение информации о мутациях, которые вызывают рак груди позволило исследователям определить и привлечь для дальнейшего изучения семьи, где были известны случаи возникновения рака молочной железы. Именно поэтому, вновь выявленные мутации BRCA1 и BRCA2 были определены как "еврейские мутации", несмотря на то, что многие мутации в этом локусе, часто встречаются во всех популяциях. 
 

    Шейла Ротман и Шерри Брандт-Рауф считают, что необходимость привязки определенной этнической группы к конкретному генетическому заболеванию сегодня очень сомнительна, ведь такие связи преувеличивают генетические различия между этническими группами и могут привести к неравномерному доступу различных людей к генетическому тестированию и существенно снизить возможность лечения генетических заболеваний.
 

      Дискуссия о преимуществах гетерозигот над гомозиготами
 

    Поскольку болезнь Тея-Сакса была одним из первых аутосомно-рецессивных генетических заболеваний, для диагностики которого стало возможным применение теста на определение уровня ферментативной активности (до появления методов тестирования, которые основывались на проведении полимеразной цепной реакции), именно поэтому БТС активно изучалась в качестве модели для всех похожих расстройств, и исследователи предполагали возможности естественного отбора. Еще до сих продолжаются дискуссии относительно того вопроса есть ли у гетерозиготных лиц (носителей БТС) селективное преимущество.

     Нил Риш (Neil Risch) пишет: "аномальное наличие четырех разных лизосомных болезней накопления у евреев акшкенази стало основой для этой длительной полемики. Многие исследователи утверждают, что низкая распространенность этих четырех заболеваний - особенно, обращая внимание на то, что все они приводят к накоплению гликосфинголипидов - указывает на то, что гетерозиготные носители, все же имеют определенные преимущества при наследовании генов этого расстройства.
 

   Это противоречие между исследователями вылилось минимум в три направления, внутри каждого из которых тоже обсуждались эти достаточно противоречивые вопросы:
 

     Дискуссии о преимуществах гетерозиготных особей при заболевании БТС, начались в1960-70-х годах, когда все три вышеописанные направления споров были активными. Если в процессе естественного развития, увеличивается количество носителей, то распространенность классических мутации БТС у евреев ашкенази можно считать сверхдоминированием. Если повязать эти данные с тремя крупными направлениями дискуссий, которые существовали в то время среди генетиков, эти мутации можно рассматривать как свидетельство превосходства сверхдоминирования, для балансовой (адаптивной) гипотезы и его пользы для селекционизма в целом.
 

   Классический случай преимущества гетерозигот над гомозиготами у людей - это серповидно-клеточная анемия, болезнь, при которой, у носителей нескольких распространенных мутаций увеличивается устойчивость к малярии, бесспорно, является преимуществом в малярийной среде. В 1960-х и 1970-х годах, некоторые исследователи утверждали, что у гетерозиготных особей с БТС должно быть определенное эволюционное преимущество. В 1970-х и 80-х годах, ученые обнаружили, что в организме носителей БТС, проживавших в средневековой Европе, была уникальная система защиты от туберкулеза. В последнее время теория превосходства гетерозигот над гомозиготами (которую часто связывают с Грегором Кохраном (Gregory Cochran)) предполагает, что болезнь Тея-Сакса и другие болезни накопления липидов, которые очень распространены среди евреев Ашкенази, приводит к повышению экспрессии гена, который в свою очередь повышает рост дендритов что означает более высокий уровень интеллекта, у носителей заболевания.
 

   Исследователи 1960-х и 1970-х годов часто использовали теорию сверхдоминирования, для объяснения преимуществ гетерозигот над гомозиготами, однако им не удалось найти достаточно доказательств для подтверждения своей гипотезы среди других человеческих популяций. Кроме того, они не знали о разнообразии мутационной базы болезни Тея-Сакса. В 1970-ых годах, последовательность генома была еще не полностью описана, а исследователи не обладали данными о степени полиморфизма. Также, стоит отметить, что вклад в процесс эволюции генетического дрейфа тогда еще не был оценен, в отличие от естественного отбора.

 

    С 1970-х годов, когда секвенирование ДНК начало осуществляться с использованием ПЦР (англ. PCR, полимеразной цепной реакции), эта методология использовалась для исследования многих генетических заболеваний и не только среди евреев Ашкенази, но и среди других популяций. Ряд крупных генетических исследований населения Ашкенази (которые не связаны с генетическим заболеванием) показал, что евреи-ашкеназы - потомки небольшой по численности населения этнической группы, в которой наблюдался дополнительный эффект бутылочного горла (сокращение численности популяции или вида, что сопровождается усилением генетического дрейфа , поскольку интенсивность генетического дрейфа находится в обратно пропорциональном отношении к численности популяции). Эти исследования, также, хорошо коррелируют с исторической информацией о евреях-Ашкенази. Таким образом, последние исследования, целиком и полностью подтверждают теорию эффекта основателя.
 

  Этот консенсус относительно важности значение генетического дрейфа отражает всеобъемлющие направления для дальнейшего исследования и развития генетической науки. Среди современных медицинских исследователей интерес к сверхдоминированию, для объяснения преимуществ гетерозигот уменьшился. Наддоминирование, в частности, и стабилизирующий отбор в целом, на современном этапе рассматриваются лишь при необычных явлениях, и классических случаях (таких как серповидно-клеточная анемия) и их применение, скорее является исключением из правил. 

 

 

  С тех пор как болезнь Тея-Сакса определили как лизосомальную болезнь накопления (ЛБН), ученые исследуют все возможные методы ее лечения. Некоторые методы лечения были определены для болезни Тея-Сакса, но ни один не прошел экспериментальную стадию:

 

   - Фермент заместительная терапия (ФЗТ, ERT). Несколько методов ФЗТ были исследованы для лизосомных болезней накопления и могли бы быть потенциально использованы для лечения болезни Тея-Сакса. Цель состоит в замене отсутствующего фермента, процесс аналогичен инъекции инсулина для лечения диабета. Однако, фермент HEXA оказался слишком большим, т.е. он не способен пройти через кровь в мозг через гематоэнцефалический барьер. Кровеносные сосуды в мозге настолько маленькие, что много токсичных (или больших) молекул не могут войти в нервные клетки и эффективно действовать в них. Исследователи также попытались вливать по каплям фермент в спинномозговую жидкость, которая омывает головной мозг. Однако, нейроны не могут воспринять такие большие ферменты даже если они находится рядом с клеткой, поэтому такое лечение по-прежнему является неэффективным.

 

   - Генотерапия. Несколько вариантов генотерапии были изучены для лечения болезни Тея-Сакса и других лизосомных болезней накопления. Если дефектный ген может быть заменен через мозг, тогда теоретически БТС может быть излечена. Однако, исследователи, работающие в этой области, считают, что годы, когда транспортировка гена в нейрон станет реальностью, наступят еще не скоро. Использование вирусного вектора, активизация инфекции в качестве средства введения нового генетического материала в клетки, было предложено в качестве техники лечения генетических заболеваний в целом. Трансплантация стволовых гемопоэтических клеток (ТГСК), вид генной терапии, при котором используются клетки, которые еще не дифференцированы и могут превращаться в специфические, соответствующие по структуре и функции клетки также не выявила эффективности в лечении. Еще один подход генотерапии заключается в применении стволовых клеток из пуповинной крови для того, чтобы заменить дефектный ген. Хотя этот подход эффективный для болезни Краббе, однако никаких положительных результатов для БТС не было зарегистрировано.

 

   - Лечение, направленное на сокращение уровня субстрата для дефектного фермента. Другие экспериментальные методы, которые исследовались, включают манипулирование метаболизмом GM2 ганглиозида в мозге. Один из экспериментов показал, что, посредством использования фермента сиалидазы, генетический дефект может быть эффективно обойден и GM2 ганглиозиды могут быть усвоены, таким образом, что они почти не влияют на организм. Если будет разработано безопасное фармакологическое лечение, то новая форма терапии, которая вызывает повышение экспрессии лизосомных сиалидаз в нейронах, которые смогли бы вылечить болезнь, тоже может скоро появиться. Метаболическая терапия для лечения поздней формы БТС включает лечение препаратами OGT 918 (Zavesca)