Home / Эндокринология / Наследственные болезни соединительной ткани: классификация, синтез, мутации

Наследственные болезни соединительной ткани: классификация, синтез, мутации

Наследственные болезни соединительной ткани — это одни из самых распространенных наследственных болезней у человека; они поражают кости, хрящи, кровеносные сосуды и эпителиальные ткани (базальную мембрану). Теперь в эту группу включены многие болезни, которые раньше не считались наследственными или имеющими отношение к соединительной ткани.

Наследственные болезни соединительной ткани

В этой статье пойдет речь только об относительно тяжелых, распространенных и хорошо изученных на молекулярном уровне болезнях: несовершенном остеогенезе, синдроме Элерса—Данло, хондродисплазиях, синдроме Марфана, буллезном эпидермолизе и синдроме Альпорта.

Проблемы классификации

Первая относительно полная классификация наследственных болезней соединительной ткани была создана Мак-Кьюсиком, который в ряде статей и в монографии «Наследственные болезни соединительной ткани» обратил внимание на моногенный характер наследования некоторых из этих болезней.

Впоследствии он расширил классификацию, включив в нее более 12 болезней, которые тоже можно отнести к моногенным на основании типа наследования, особенностей клинической картины, гистолог ических изменений и доступной информации об их патогенезе. Другие исследователи дополнили классификацию Мак-Кьюсика, выделив более десятка типов и подтипов несовершенного остеогенеза и синдрома Элерса—Данло и около 150 разновидностей хондродисплазий.

Некоторые болезни, вошедшие в исходную классификацию, вызваны дефектом определенного белка. Например, большинство случаев несовершенного остеогенеза связано с мутацией одного из двух генов коллагена I типа (кодирующих соответственно α1(I)- и α2(1)-цепи), а у большинства больных с синдромом Марфана обнаружена мутация гена фибриллина. При других болезнях дело обстоит сложнее. Так, при синдроме Элерса—Данло типа IV обнаружена мутация гена, кодирующего коллаген III типа, при синдроме Элерса—Данло типа VI — мутация гена лизилгидроксилазы. а при синдроме Элерса—Данло типа VII нарушено преобразование проколлагена в коллаген I типа.

Первоначальная классификация имеет несколько суotственных недостатков. Генам, вызывающим наследственные болезни соединительной ткани (как и многие другие наследственные болезни), свойственна различная экспрессивность, когда одна и та же мутация у одних членов семьи вызывает тяжелую форму болезни, а у других — легкую.

При составлении классификаций обычно переоценивают этиологическое различие между тяжелыми наследственными болезнями, которые проявляются уже в грудном возрасте, и более распространенными болезнями, которые начинаются в зрелом возрасте. Моногенную природу имеют начинающиеся в зрелом возрасте формы таких болезней, как остеопороз, врожденные аневризмы, деформирующий остеоартроз.

Например, причиной постклимактерического остеопороза изредка являются мутации генов коллагена I типа, сходные с теми, что вызывают тяжелую форму несовершенного остеогенеза. Аналогично, у некоторых больных с врожденной аневризмой аорты обнаружены мутации гена коллагена III типа, как и при смертельных формах синдрома Элерса—Данло типа IV, а у некоторых больных с деформирующим остеоартрозом обнаружена мутация гена коллагена II типа, как и при смертельных формах хондродисплазий.

Не совсем понятно, какой диагноз ставить таким больным: некоторые специалисты считают, что их следует относить к легким формам несовершенного остеогенеза, синдрома Элерса—Данло или хондродисплазий, даже если в детстве эти больные были совершенно здоровы и обратились к врачу, уже будучи взрослыми. Задача еще больше осложняется тем, что многие системы классификации основаны только на субъективных признаках. Очевидно, что в некоторых случаях остеопороз, деформирующий остеоартроз и врожденные аневризмы наследуются как монотонные болезни. Поэтому не исключено, что группу наследственных болезней соединительной ткани придется расширить.

Состав межклеточного вещества соединительной ткани

Макромолекулы, составляющие межклеточное вещество соединительной ткани, имеются также в легких, почках, стенках кровеносных сосудов, стекловидном теле и синовиальной жидкости. Небольшое количество этих макромолекул входит в состав мембран и перегородок в большинстве органов и тканей. Таким образом, практически все органы содержат соединительную ткань.

Межклеточное вещество соединительной ткани нерастворимо и состоит из нескольких компонентов: как минимум из 19 типов коллагена, связанных с ним фибриллярных белков эластина и фибриллина, нескольких видов протеогликанов и некоторых других, структура и функция которых до конца не изучены.

Различия между соединительной тканью кости, хряща и кожи отчасти можно объяснить разным химическим составом межклеточного вещества. Например, сухожилия и связки состоят в основном из коллагена I типа и небольшого количества других молекул, способствующих объединению молекул коллагена в волокна и пучки волокон. Межклеточное вещество хряща состоит из волокнистого каркаса, образованного коллагеном II типа, и основного вещества из протеогликанов, несущих высокий отрицательный заряд.

Межклеточное вещество стенки аорты состоит из коллагена, обеспечивающего прочность, и эластина, обеспечивающего эластичность. Кроме того, свойства соединительной ткани зависят от трехмерной организации молекул. В сухожилиях коллаген I типа образует толстые параллельные пучки волокон, в то время как в дерме они расположены беспорядочно. В компактном веществе кости коллаген I типа образует спиральные структуры вокруг каналов остеонов.

Синтез межклеточного вещества соединительной ткани

Межклеточное вещество соединительной ткани образуется в основном путем самосборки, при которой молекулы определенной формы, размера и структуры спонтанно присоединяются к другим таким же или похожим молекулам в определенном порядке. При этом действуют те же механизмы и движущие силы, что и при образовании кристаллов.

Самосборку межклеточного вещества соединительной ткани можно проиллюстрировать на примере образования коллагена. Молекула коллагена представляет собой длинный тонкий стержень, состоящий из трех полипептидных α-цепей, сплетенных в тройную спираль. Каждая α-цепь, состоящая приблизительно из 1000 аминокислот, — это тоже спираль, у которой на один виток приходится три аминокислоты. Каждая третья аминокислота — глицин, поэтому структурную формулу α-цепи можно представить как (-DiH-X-Y-)n, где X и Y — любые аминокислоты, кроме глицина.

Глицин — самая маленькая аминокислота; только он может вписаться в ограниченное пространство, в котором сходятся цепи тройной спирали. Кроме того, в молекуле коллагена много пролина и гидроксипролина, придающих спирали необходимую жесткость. Остальные аминокислоты создают гидрофобные и заряженные участки на поверхности молекулы, благодаря которым молекулы коллагена связываются между собой определенным образом и формируют коллагеновые волокна.

Известно более 19 типов коллагена. Большинство из них содержатся в организме в небольших количествах и выполняют узкоспециализированные функции. Фибриллярные коллагены образуют длинные, упорядоченно расположенные волокна с поперечной исчерченностью, которую можно увидеть при электронной микроскопии. Самый распространенный из них — это коллаген I типа. Его молекула состоит из двух одинаковых α-цепей, называемых α1(1), и одной α2(1)-цепи. Коллаген II типа содержится в хрящевой ткани и состоит из трех одинаковых α1(II)-цепей.

Коллаген III типа содержится в стенках крупных сосудов и в небольшом количестве — во многих тканях, содержащих коллаген I типа. Он состоит из трех одинаковых а1(Ш)-цепей. Как видно из приведенных примеров, тип цепи принято обозначать арабской цифрой, а тип коллагена — римской. Молекулы нефибриллярных коллагенов состоят из спиральных участков, имеющих такую же аминокислотную последовательность, как и у фибриллярных коллагенов, и больших глобулярных участков.

Глобулярные участки обычно связываются между собой, и молекулы образуют сеть. Например, молекулы коллагена IVтипа соединяются в трехмерную сеть, которая служит основой базальных мембран почечных клубочков, альвеол, ЖКТ, кровеносных сосудов и эпидермиса. Некоторые нефибриллярные коллагены связываются с волокнами других, более распространенных коллагенов и препятствуют увеличению их толщины и слиянию в пучки.

Образование волокон коллагена — сложный процесс, протекающий в несколько стадий. Внутриклеточные стадии, на которых происходят синтез и посттрансляционные изменения белковых цепей, завершаются образованием растворимого проколлагена. Проколлагены I, II и III типов имеют в 1,5 раза большую молекулярную массу, чем соответствующие коллагены, за счет дополнительных N-и С-концевых аминокислотных последовательностей (пропептидов). Уже вне клетки проколлаген превращается в коллаген и формируются коллагеновые волокна.

синтеза коллагена I типа и образования коллагенового волокна.

Все начинается с синтеза белка на рибосомах. На N-конце синтезируемой белковой цепи (так называемой препро-α-цепи) находится гидрофобная сигнальная последовательность, направляющая молекулу в просвет шероховатого эндоплазматического ретикулума. Посттрансляционные изменения белковой цепи начинаются с отщепления сигнальной последовательности — образования про-α-цепи — и происходят по мере продвижения цепи внутри ретикулума.

Здесь пролин в положении Y повторяющейся последовательности -Гли-X-Y- превращается в гидроксипролин под действием пролил-4-гидроксилазы; лизин, находящийся в том же положении, превращается в гидроксилизин под действием лизилгидроксилазы. В обеих реакциях кофактором является аскорбиновая кислота. В каждой цепи образуется приблизительно по 100 гидроксипролиновых остатков. Ко многим остаткам гидроксилизина присоединяются галактоза или галактоза и глюкоза.

К С-концевому пропептиду каждой цепи присоединяется длинный олигосахарид, богатый маннозой. На следующем этапе происходит самосборка проколлагена, при которой три про-α-цепи (в случае коллагена I типа две про-α1(1)-цепи и одна про-α2(1)-цепь) образуют тройную спираль. Вначале благодаря структурным особенностям глобулярных пропептидов три С-концевых пропептида определенным образом соединяются между собой, после чего конструкция укрепляется при помощи дисульфидных связей.

Затем богатые гидроксипролином С-концевые участки сворачиваются в тройную спираль. Этот короткий спиральный участок становится ядром, на котором подобно ядру кристаллизации продолжается самосборка всей молекулы. В результате образование тройной спирали происходит непрерывно в направлении от С-конца к N-концу молекулы. Готовая молекула проколлагена через аппарат Гольджи покидает клетку. При дефиците аскорбиновой кислоты образуется слишком мало гидроксипролина, и проколлаген не может свернуться в тройную спираль, стабильную при температуре тела. Образование межклеточного вещества нарушается. Вместо этого аномальный белок накапливается в шероховатом эндоплазматическом ретикулуме и медленно распадается. Именно поэтому при цинге так плохо заживают раны.

Вне клетки проколлаген превращается в коллаген путем отщепления N-концевого и С-концевого пропептидов под действием соответственно проколлаген-N-эндопептидазы и проколлаген-С-эндопептидазы. Образование коллагена сопровождается 1000-кратным снижением растворимости белка, что дает достаточно энергии для самосборки коллагеновых волокон. Этот процесс напоминает кристаллизацию.

Сначала мономеры коллагена образуют состоящее из нескольких молекул ядро, структура которого определяет дальнейшее присоединение молекул. Ядро очень трудно выделить. Образующееся волокно растет за счет присоединения молекул коллагена к его заостренным симметричным концам. На всех этапах своего образования волокно может состоять как из одинаковых молекул (например, коллагена I или II типов), так и из двух и более типов коллагена. Кроме того, молекулы иного коллагена или протеогликана могут присоединяться к поверхности растущего или уже сформированного волокна, изменяя его структуру и функциональные возможности.

Структура волокон в тканях может изменяться под действием давления или натяжения, особенно если концы нити присоединяются к мышце или кости. Так, возможно, что растяжение сухожилий заставляет тонкие коллагеновые волокна сливаться и образовывать большие пучки. Однако на начальную самосборку волокон коллагена, при которой происходит сложное взаимодействие поверхностей стержневидных молекул, может повлиять только присоединение других молекул к отдельным молекулам коллагена или к поверхности растущего волокна.

Волокна коллагена обладают значительной устойчивостью к растяжению благодаря перекрестным ковалентным связям между a-цепями соседних молекул. Первый шаг в образовании таких связей — это окисление аминогрупп лизина и гидроксилизина под действием лизилоксидазы. При этом образуются альдегидные группы, которые связываются между собой под действием ферментов или без их участия.

Когда ребенок растет, во всех его тканях происходит постоянный обмен коллагена. Коллаген распадается под действием коллагеназ, содержащихся в лейкоцитах, фибробластах, синовиоцитах и других подобных клетках. Коллагеназы расщепляют молекулу коллагена в точке, отстоящей на три четверти длины от N -конца. При этом спиральная молекула разворачивается на поверхности коллагенового волокна и подвергается дальнейшему расщеплению другими протеазами.

В норме у взрослых коллагеновые волокна в большинстве тканей (за исключением костной, где идет постоянная перестройка) практически не подвергаются замене. Однако в некоторых ситуациях обмен коллагена ускоряется. При голодании усиливается распад коллагена в дерме и других соединительных тканях, дающий аминокислоты для глюконеогенеза.

Длительный постельный режим и пребывание в невесомости тоже приводят к значительной потере коллагена. При ревматоидном артрите разрастания синовиальной оболочки вызывают быстрый распад коллагена суставного хряща, а лечение глюкокортикоидами способствует замедлению синтеза коллагена; в результате уменьшается его содержание в большинстве соединительных тканей, в том числе и в костях. Потеря коллагена приводит к уменьшению прочности тканей. При многих патологических состояниях, наоборот, происходит избыточное отложение коллагена. Повреждение тканей приводит к воспалению, за которым следует отложение коллагена, в основном I типа, в виде фиброзной ткани и рубцов. Такое отложение практически необратимо и лежит в основе цирроза печени, пневмосклероза, атеросклероза, нефросклероза и образования рубцов после операций и травм.

Синтез, посттрансляционные изменения и самосборка всех типов коллагена происходят примерно одинаково. Самосборка нефибриллярных коллагенов, например коллагена IV типа, входящего в состав базальных мембран, происходит при участии концевых глобулярных участков молекулы, которые в дальнейшем не отщепляются.

Образование волокон эластина во многом протекает сходно с образованием волокон коллагена. В молекуле эластина также происходит гидроксилирование некоторых остатков пролина под действием пролил-4-гидроксил азы. Правда, эластин не имеет высокомолекулярного предшественника, молекула эластина состоит из одной полипептидной цепи без жесткой трехмерной структуры. Эластин медленно секретируется в межклеточное пространство и образует аморфные отложения вокруг уже существующих микроволокон.

После этого молекулы эластина соединяются перекрестными ковалентными связями путем окисления остатков лизина до альдегидов под действием лизилоксидазы, как и при формировании волокон коллагена. Микроволокна, вокруг которых откладывается эластин, состоят в основном из фибриллина, крупные молекулы которого образуют тяжи, похожие на бусы. В аморфных отложениях эластина и фибриллина могут присутствовать и другие, пока не идентифицированные компоненты.

Синтез протеогликанов начинается в шероховатом эндоплазматическом ретикулуме с образования белковой части молекулы. Длинные боковые цепи гликозаминогликанов присоединяются к белку с помощью гликозилтрансфераз, а затем подвергаются сульфатированию под действием сульфаттрансфераз. В настоящее время известно по меньшей мере пять протеогликанов, отличающихся по структуре белковой части.

Белковая часть основного протеогликана хрящевой ткани, аггрекана, состоит примерно из 2000 аминокислот; к ней присоединяются боковые цепи гликозаминогликанов хондроитинсульфатов и кератансульфата, состоящие из повторяющихся дисахаридных последовательностей и несущие высокий отрицательный заряд. Аггрекан секретируется клеткой и образует комплекс с небольшим связывающим белком. Затем белковый комплекс соединяется с длинной цепью гиалуроновой кислоты, образуя огромный сложный полимер, называемый протеогликановым агрегатом.

Благодаря высокому заряду он связывает воду и небольшие ионы, обеспечивая высокое онкотическое давление и придавая хрящу упругость. В состав более мелких протеогликанов, таких, как декорин, бигликан и фибромодулин, входят белок с меньшей молекулярной массой и другие боковые цепи. Они соединяются не с гиалуроновой кислотой, а с волокнами коллагена или фибронектина, помогая регулировать их самосборку и пространственную ориентацию. Группа мелких протеогликанов, известных как синдеканы, связываются с клеточными мембранами и, возможно, участвуют в миграции клеток или внутриклеточной передаче сигналов.

Образование межклеточного вещества костной ткани происходит по тому же принципу. Сначала образуется органический матрикс, состоящий в основном из волокон коллагена I типа, а потом он подвергается минерализации. Механизмы минерализации до конца не выяснены; в ней участвуют белки остеопонтин и остеокальцин, которые связываются с волокнами коллагена и образуют комплексные соединения с кальцием. Возможно, играют какую-то роль и мелкие протеогликаны, например декорин и фибромодулин.

Мутации, вызывающие болезни соединительной ткани

В соединительной ткани присутствует огромное количество тканеспецифичных макромолекул, поэтому ее болезни могут быть связаны с мутациями генов, кодирующих самые разные белки. Ситуация несколько упрощается оттого, что большинство известных мутаций, приводящих к болезням соединительной ткани, затрагивают гены, кодирующие коллаген и связанные с ним белки.

Таким образом, молекулярные механизмы вредного воздействия мутаций можно свести к единому образцу. В то же время известны исключения. Примерами могут быть ахондроплазия, при которой мутация затрагивает ген рецептора к фактору роста фибробластов, и мутации генов, определяющих дифференцировку тканей эмбриона (например, генов, содержащих гомеобокс), которые могут вызывать нарушения развития скелета. Следовательно, количество мутантных генов при болезнях соединительной ткани, по-видимому, возрастет.

Лучше всего изучены мутации, лежащие в основе несовершенного остеогенеза. У большинства больных с тяжелым и среднетяжелым течением болезни (типы II и III) обнаруживают мутации генов COL1A1 и COL1A2, кодирующих a1(I)- и а2(1)-цепи. При легком течении болезни экспрессия одного из аллелей уменьшается. При большинстве мутаций, вызывающих тяжелые формы несовершенного остеогенеза, синтезируются a-цепи с измененной структурой. Их встраивание в молекулы коллагена приводит к нарушению сборки тройных спиралей и формирования волокон коллагена . Это могут быть частичные делеции или частичное удвоение генов, а также мутации, нарушающие сплайсинг. Однако чаще всего встречается замена глицина на аминокислоты с более массивными боковыми цепями.

Изменения структуры приводят к трем основным последствиям.

Во-первых, молекула проколлагена, образованная двумя нормальными и одной измененной цепью, не может свернуться в тройную спираль и подвергается деградации; этот процесс иногда называют «самоубийством проколлагена». Подобные доминантно-негативные мутации могут затрагивать и другие белки, состоящие из нескольких субъединиц. «Самоубийство проколлагена» приводит к уменьшению количества коллагена, образующего волокна.

Во-вторых, наличие одной измененной цепи в молекуле проколлагена может препятствовать отщеплению N-концевого пропептида. Его сохранение у некоторых молекул препятствует самосборке волокон коллагена, которые получаются тонкими и имеют неправильную форму.

В-третьих, замена глицина на более крупные аминокислоты приводит к изменению структуры молекул и образованию разветвленных или слишком коротких и толстых волокон коллагена. Кроме того, самосборка волокон из нормального и измененного коллагена происходит более медленно, и общее количество коллагеновых нитей уменьшается.

Большинство мутаций, выявленных при несовершенном остеогенезе, нарушают структуру проколлагена I типа. Эго неудивительно. Во-первых, прочность костной ткани определяется в основном коллагеном и ослабевает при любых мутациях, снижающих количество и нарушающих структуру его молекул. Самосборка волокон коллагена легко нарушается, если в ней участвуют молекулы с нарушенной структурой.

Например, замена глицина на аминокислоту с более массивной боковой цепью нарушает скручивание тройной спирали проколлагена, и все три про-α-цепи подвергаются деградации. К аналогичным нарушениям приводит и изменение степени или характера таких процессов, как гидроксилирование и гликозилирование. Следовательно, любая из множества известных мутаций, уменьшающая количество коллагена или нарушающая образование волокон, приводит к снижению прочности кости и других видов соединительной ткани.

При несовершенном остеогенезе обнаружено более 150 мутаций генов COL1A1 и COL1A2, кодирующих соответственно α1(1)- и α2(1)-цепи. Раньше считали, что многие мутации лишь отражают полиморфизм гена и не вызывают клинических проявлений.

Однако теперь доказана связь большинства мутаций с болезнью:

1) при анализе сцепления в семьях с легкой формой несовершенного остеогенеза обнаружено, что болезнь проявляется у тех, и только у тех лиц, кто унаследовал мутантные аллели;

2) при тяжелой форме несовершенного остеогенеза со смертельным исходом выявлены новые мутации, которые у здоровых родителей отсутствовали или имелись лишь в немногих клетках (при гонадном мозаицизме);

3) при исследовании культуры фибробластов, выделенных из кожи больных, обнаружено, что мутации или нарушают синтез проколлагена I типа на разных этапах, или вызывают синтез дефектного проколлагена I типа, не способного образовывать нормальные волокна;

4) мутации, обнаруженные у больных несовершенным остеогенезом, у здоровых людей отсутствуют;

5) мутантные гены коллагена I типа вызывают у трансгенных мышей те же симптомы, что и у людей с несовершенным остеогенезом.

Данные о мутациях, вызывающих несовершенный остеогенез, послужили отправной точкой для выявления генетической природы других болезней соединительной ткани. Например, при синдроме Элерса—Данло типа IV, который может привести к смертельному исходу из-за разрыва аорты или полых органов, обнаружили аналогичные мутации гена COL3A1, кодирующего коллаген III типа, а в половине случаев хондродисплазий похожие мутации имеются в гене COL2A1, кодирующем коллаген II типа. Кроме того, мыши с мутацией гена коллагена II типа имеют нарушения, сходные с хондродисплазиями человека. При дистрофическом буллезном эпидермолизе обнаружены мутации гена COL7A1, кодирующего коллаген VII типа, а у многих больных с синдромом Альпорта — генов, кодирующих коллаген IV типа. Обнаружены также мутации гена фибриллина при синдроме Марфана и генов, кодирующих кератин, при простом буллезном эпидермолизе.

Мутации генов, кодирующих коллагены, подчиняются нескольким общим закономерностям. Самые тяжелые формы болезни обычно связаны с новыми мутациями, которые возникают при образовании половых клеток у одного из родителей или во время дробления оплодотворенной яйцеклетки. Больные легкой формой болезни обычно имеют уникальную, свойственную только данной семье мутацию, поэтому больные, не состоящие в родстве, редко имеют одинаковые мутации. Таким образом, практически невозможно выделить определенные характерные для данной болезни мутации или «горячие точки» гена, в которых сосредоточено большинство мутаций.

Еще одна особенность состоит в том, что сходные мутации одного и того же гена могут привести к разным болезням, поражающим разные ткани и различающимся по тяжести течения. Одна из причин этого кроется в том, что функциональное значение отдельных участков большой молекулы коллагена зависит от типа соединительной ткани.

Например, в молекуле коллагена I типа имеются участки, предназначенные для прикрепления калыдайсвязывающих белков, участвующих в минерализации, поэтому дефект этих участков проявляется хрупкостью костей, но при этом не наблюдается никаких изменений кожи и мягких тканей. Труднее объяснить, почему одна и та же мутация у разных членов семьи вызывает как тяжелые, так и легкие формы болезни.

Подобная неоднородность характерна для несовершенного остеогенеза, при котором у одних больных наблюдаются низкорослость и множественные переломы при незначительных травмах, а их больные родственники могут быть нормального роста и не иметь переломов. Раньше это объясняли различиями в генотипе членов семьи. Однако исследования на мышах показали, что неоднородность фенотипа обнаруживается и в чистых линиях мышей (то есть при одинаковом генотипе). Следовательно, неоднородность обусловлена какими-то событиями в ходе развития эмбриона и плода. Эту неоднородность следует принимать во внимание при медико-генетическом консультировании.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *