(1) достаточно полно изученную группу лизосомных болезней накопления;

(2) болезни экспансии (преимущественно нейродегенеративные заболевания), вызываемые совершенно новым ранее неизвестным типом так называемых "динамических" мутаций и (3) наиболее частые, социально значимые наследственные заболевания, по пренатальной диагностике которых молекулярными методами уже накоплен достаточно большой опыт в нашей лаборатории и в других медико-генетических центрах России.

Итак, предлагаемая монография рассчитана на достаточно широкий круг читателей, но, прежде всего, на медиков и биологов, а также специалистов смежных профессий. Нам хотелось бы думать, что книга будет особенно полезной для студентов меди-цинских институтов и академий, врачей курсов повышения квалификации, сотрудников медико-генетических консультаций и центров, а также для студетнов-биологов, многие из которых, как показывает наш опыт, пополняют ряды специализированных диагностических лабораторий, медико-генетических центров и институтов.

Раздел 1. Общие представления, центральная догма, генетический код.

Универсальная генетическая субстанция или "энциклопедия жизни", ДНК, содержит информацию, необходимую для синтеза белков и нуклеиновых кислот, присутствующих во всех типах клеток как про- так и эукариот. Дезоксирибонуклеиновые кислоты (ДНК) - это нитевидные молекулы, состоящие из четырех расположенных в варьирующем порядке нуклеотидов: пуринов -аденина и гуанина, и пиримидинов - цитозина и тимина, соединенных в полинуклеотидную цепь с остовом из чередующихся остатков сахара - дезоксирибозы, и фосфата. Последовательность нуклеотидов ДНК или пар оснований составляет информационную емкость молекулы, определяя порядок синтеза и аминокислотную последовательность белков в соответствии с универсальным для всех живых существ трехбуквенным - триплетным, генетическим кодом . Дезоксирибонуклеиновые кислоты представляют собой единственный тип молекул, способных к самовоспроизводству или репликации, что и обеспечивает преемственность генетической информации в ряду поколений. Записывается последовательность ДНК слева направо (5' - 3') первыми заглавными буквами соответствующих нуклеотидов, являющихся од-новременно единицами измерения молекулы. Размеры ДНК могут меняться в гигантских пределах от нескольких нуклеотидов до миллиардов пар оснований (п.о.). В качестве единиц измерения размеров ДНК используются также килобазы (kb) и мегабазы(mb) - последовательности, соответствующие тысячи и миллиону пар оснований, соответственно.ДНК могут существовать как в виде однонитевых, так и в виде двухнитевых молекул. Двухнитевые или двухцепочечные молекулы образуются за счет химического комплементарного спаривания между аденином и тимином (А - Т) и между гуанином и цитозином (Г - Ц). Эти водородные связи между парами нуклеотидов достаточно непрочные, так что цепи ДНК могут легко диссоциировать - разделяться, и ассоциировать - соединяться,при изменении температуры или солевых концентраций. При каждом цикле ассоциаци - диссоциации или, как еще говорят, отжиге - плавлении, будет точно воспроизводиться двухнитевая структура - дуплекс, устойчивость которого определяется со-ответствием нуклеотидных пар. Наиболее устойчивы структуры,представленные полностью комплементарными нитями ДНК. Процесс образования дуплексов носит название гибридизации. Способность к комплементарному спариванию оснований - одно из самых замечательных свойств ДНК, определяющих возможность ее саморепликации и точного выбора специфических участков активации молекулы в процессе считывания генетической информации. Это свойтво широко используется в молекулярной биологии для поиска и идентификации нужных последовательностей в огромных молекулах ДНК при использовании в качестве зондов ее сравнительно небольших меченых фрагментов.У человека большая часть ДНК- 3.2 миллиарда пар оснований, находится в ядрах клеток в виде 46 плотно упакованных, суперскрученных за счет взаимодействий с ядерными белками структур, называемых хромосомами. Сравнительно небольшая часть ДНК - около 5%, пристствует в митохондриях - органеллах цитоплазмы, обеспечивающих процессы дыхания и энерегетического обмена клеток эукариот. В большинстве соматических клеток ДНК представлена в двух копиях - по одной в каждой хромосоме. Таким образом, в клетках присутствуют 23 пары хромосом, 22 из которых гомологичны друг другу - аутосомы, и одна пара (X и Y) - половые хромосомы. Наличие Y хромосомы определяет мужской пол особи. При записи нормального кариотипа индивидуума указывается общее число хромосом и тип половых хромосом. Таким образом, нормальный кариотип мужчины -46,XY, а женщины -46,XX. В процессе гаметогенеза происходит случайное расхождение гомологичных хромосом в мейозе и в каждой зрелой половой клетке - гамете, остается только 23 хромосомы, то есть гаплоидный набор хромосом. При этом в каждой гамете сохраняется лишь одна половая хромосома - гоносома. В яйцеклетках это X хромосома, тогда как сперматозоиды с равной вероятностью несут как X, так и Y хромосому, то есть пол будущей особи детерминируется геномом сперматозоида. При оплодотворении диплоидный набор хромосом восстанавливается. В соответствии с современными представлениями геном человека состоит из 25 хромосом, 22 из которых аутосомы,2 половые хромосомы и одна митохондриальная . В каждой клетках присутствует порядка 1000 митохондрий, а в каждом митохондрионе содержится около 10 кольцевых митохондриальных хромосом, сходнах с хромосомами бактерий. Таким образом, в клетках присутствует около 1000 копий митохондриальных хромосом.

В хромосомах эукариот ДНК находится в двухнитевой форме,что обеспечивает возможность ее точной репликации при каждом цикле деления клетки. Одна нить кодирующая или смысловая,комплементарная ей нить - антисмысловая. Декодирование информации, заключенной в молекуле ДНК, или процесс транскрипции, осуществляется за счет избирательного синтеза молекул РНК, комплементарных определенным участкам ДНК, так называемых первичных РНК транскриптов. Транскрибируемые участки ДНК носят название генов. Рибонуклеиновые кислоты (РНК) по своей структуре очень сходны с молекулами ДНК. Они также состоят из четырех нуклеотидов, только одно из пиримидиновых оснований - тимин, заменено на урацил и в сахарозном остове вместо дезоксирибозы представлена рибоза. Молекулы РНК существуют только в однонитевой форме, но могут образовывать дуплексы с молекулами ДНК. После синтеза молекулы РНК претерпевают достаточно сложную модификацию - процессинг. При этом происходят изменения в концевых участках молекул и вырезаются области, гомологичные интронам - некодирующим частям гена.Этот процесс называется сплайсингом. В результате из первичных РНК транскриптов образуются молекулы информационной или матричной РНК (мРНК), представляющие собой непрерывную последовательность нуклеотидов, гомологичную только экзонам- смысловым участкам гена. Молекулы мРНК в виде рибонуклео-протеиновых гранул выходят из ядра в цитоплазму и соединяются с рибосомами, где происходит процесс трансляции – синтез полипептидной цепи. Трансляция мРНК происходит в точном соответствии с генетическим кодом, согласно которому последовательность из трех нуклеотидов РНК - кодон, соответствует определенной аминокислоте или сигналу терминации синтеза полипептидной цепи . Реализация генетического кода осуществляется с участием 20-ти типов транспортных РНК (тРНК), единственных нуклеиновых кислот, содержащих в своем составе наряду с нуклеотидами одну из аминокислот. тРНК имеют кленовообразную форму, в хвостовой части молекулы расположена определенная аминокислота, в точном соответствии с последовательности из трех нуклеотидов в области, называемой антикодоном. Прохождение мРНК по рибосоме является сигналом приближения к рибонуклеопротеидному комплексу той тРНК, у которой последовательность нуклеотидов в антикодоне комплементарна кодирующему триплету мРНК. Таким образом транспортируется соответствующая аминокислота и осуществляется последовательный синтез полипептидной цепи. Митохондрии имеют свою автономную систему белкового синтеза: рибосомальные РНК, мРНК и транспортные РНК.Генетический код универсален для всех живых существ -это одно из его главных свойств. Небольшие отличия в структуре кода найдены только для митохондриальной ДНК. Так в митохондриальном генетическом коде стоп кодонами являются триплеты АГА и АГЦ, кодирующие аргинин в ядерной ДНК (Табл.1.1). Универсальность генетического кода служит наиболее веским аргументом в пользу гипотезы об едином источнике возникновения жизни на земле и о филогенетическом родстве всех видов живых существ. Кроме того, именно это свойство обеспечивает возможность прочтения в любых модельных клеточных системах искусственно введенной генетической информации,сконструированной из фрагментов ДНК разного видового происхожденеия. Таким образом, вся генная инженерия основана на универсальности генетического кода. Другим свойством генетического кода является его вырожденность, заключающаяся в том, что все аминокислоты кроме двух кодируются несколькими вариантами триплетов. Действительно, из 64 возможных комбинаций нуклеотидных триплетов РНК три соответствуют терминирующим кодонам - ochre, amber и opal, остальные варианты(61) кодируют 20 аминокислот, причем триплеты, кодирующие одну и ту же аминокислоту, как правило, различаются по ретьему нуклеотиду в кодоне. Таким образом, зная нуклеотидную последовательность кодирующего участка ДНК, можно однозначно прогнозировать аминокислотную последовательность соответствующего полипептидного фрагмента, тогда как одна и та е аминокислотная последовательность может кодироваться различным образом. При этом, число возможных вариантов кодирующих ДНК резко возрастает с увеличением длины полипептида.На следующем этапе полипептидные цепи транспортируются специфическим органеллам клетки и модифицируются с образованием зрелого функционально активного белка. В некоторых лучаях информация с молекул РНК может обратно транскрибироваться в молекулы ДНК. В частности, при обратной транскрипции мРНК образуются молекулы комплементарной ДНК - кДНК, в которой в зависимости от полноты процесса представлены частично или полностью все смысловые кодирующие последова-тельности гена. Рассмотренная схема реализации однонаправленного потока информации ДНК-РНК-Белок составляет основу центральной молекулярно-биологической догмы .Более детально с процессами репликации, транскрипции,процессинга и трансляции можно ознакомиться в многочисленных руководствах по молекулярной биологии, цитологии и генетике(Стент, Кэлиндер, 1981; Зенгер, 1987; Льюин, 1987).