Геном человека: Энциклопедия, написанная четырьмя буквами - Вячеслав Тарантул

Мутации могут быть простейшими заменами одного нуклеотида на другой, а могут представлять собой более сложные изменения ДНКового текста, в виде вставки в готовый текст других «букв» и текстов или, наоборот, потери ряда «букв», «слов» или целых «предложений». Изредка отдельные куски ДНКового текста даже переворачиваются. Все это и есть «опечатки». Однако опечатка опечатке рознь. Чаще всего мутации не сказываются заметным образом на фенотипе человека. Это и понятно. В абракадабре, которую из себя представляет свыше 70% ДНКового текста человека, появление 1–2 и даже порой сотни «опечаток» может ровным счетом ничего не менять. Но это не всегда так. Некоторые из них очень сильно влияют на человека.

Этому есть аналогия в лингвистике. Так, существуют слова-паронимы, которые сходны по строению, имеют общий корень, но смысл которых сильно отличается при разнице всего в одной букве. Пример: нового посетителя представляют гостям, но бывают нерадивые хозяева, которые предоставляют гостей самим себе.

Известно и множество случаев из жизни, которые свидетельствуют о важном значении некоторых на первый взгляд незначительных «опечаток». Яркий примером может служить судьба марок бывшей британской колонии — острова Маврикий. В давние времена на этом острове решили вдруг срочно отпечатать свои марки. На этом настояла жена губернатора, которая организовывала пышный прием, а вот марок для приглашений на острове не оказалось. Срочность заказа привела к тому, что гравер в спешке, да еще и спьяну перепутал надпись на марке и вместо «Почтовый сбор оплачен» написал «Почтовая контора». Теперь эти марки стоят у коллекционеров бешеных денег. Такова цена полиграфической опечатки.

Сходная ситуация имеется и в геноме человека. Некоторые «опечатки» в ДНКовом тексте, особенно расположенные в генах или непосредственно рядом с ними, весьма существенны для человека. В качестве примера можно привести широко известный случай одной из мутаций (делеция части ДНКового текста) в человеческом гене CCR5. Укороченный вариант этого гена обеспечивает невосприимчивость людей к вирусу иммунодефицита человека. В результате этого чума XX века — СПИД — таким людям не страшна. В Европе такой вариант довольно широко распространен и достигает в некоторых регионах 9%. А вот в Африке он обнаружен менее чем у 0,1% жителей.

Хотя известны различные виды генетического полиморфизма, однако полиморфизм единичных нуклеотидов является самым распространенным типом вариабельности нуклеотидных последовательностей ДНК. Более того, он оказался наиболее перспективным и для чисто практического применения. Сейчас подсчитано, что в геноме человека приблизительно 3 млн. п.н. должны быть вариабельными. Такие вариабельные (полиморфные) участки были названы снипсами (по-английски snps — от Single Nucleotide Polymorphisms — единичные (сингулярные) нуклеотидные полиморфизмы). Термином «снипсы» обозначаются «точечные» отличия (полиморфизмы) в нуклеотидных последовательностях ДНК различных индивидуумов, вызванные заменой единичного химического звена ДНК-нуклеотида. Постараемся запомнить этот непривычный пока еще термин — далее это нам очень пригодится.

Уже в процессе секвенирования генома человека в 1999 г. был создан специиальный международный консорциум для идентификации и картирования только снипсов — «The SNP Consortium Ltd». Целью нового многосотмиллионного исследовательского проекта стало создание сводной карты, показывающей расположение в геноме человека этих «генетических маркеров». В настоящее время установлены 2,2 млн. снипсов (напомним, что общее их число считается равным 3 млн.). Поскольку гены могут содержать от тысячи до миллиона нуклеотидов, то практически в каждом гене или рядом с ним можно обнаружить один или несколько снипсов. Сейчас выявлено 33,5 тыс. снипсов, расположенных в экзонах, что примерно соответствует общему числу генов у человека. Следовательно, большая часть снипсов (около 99%) расположена в тех участках молекулы ДНК, которые не кодируют синтез белков. По этой причине, как правило, снипсы не имеют существенного биологического эффекта. Хотя это и не всегда так.

Изначально было ясно, что создание карты снипсов — маркеров человеческого генома может стать весьма полезным для проведения различных генетических исследований в медицине и фармакологии, даст ключ к пониманию уникальности личности, роли наследственности в интеллектуальных способностях и чертах характера. И снипсы стали использовать, в первую очередь, в качестве генетических маркеров, поскольку пока нет возможности секвенировать целиком геном каждого индивидуума. Нет сомнения, что в обозримом будущем на этой основе станет возможным создание генетического паспорта каждого человека.

Когда такие опечатки в ДНКовом тексте, как снипсы, не меняют сильно сам текст, их называют нейтральными или «молчащими» мутациями. Однако имеются опечатки, которые так искажают «слова», что их уже невозможно прочесть. Их называют значащими, «говорящими» мутациями. Такие значащие мутации часто приводят к возникновению разнообразных наследственных болезней. Поскольку снипсы достаточно стабильно передаются от поколения к поколению, их можно использовать в качестве маркеров в генетических исследованиях по выявлению связи генов с теми или иными заболеваниями, по пониманию особенностей метаболизма лекарственных веществ у разных пациентов. Так, например, сравнивая «профиль» снипсов в группах больных и здоровых лиц, можно установить, какие из них наблюдаются чаще у пациентов с данным заболеванием. Последующий анализ этих и соседних со снипсами участков ДНК дает возможность идентифицировать гены, которые обусловливают предрасположенность к заболеванию. Таким образом, применение этого метода позволяет ускорить поиск генов, ответственных за развитие заболеваний, сделав его более направленным. В частности, ученые компании «Glaxo Wellcome» уже использовали методику картирования снипсов для выявления генов, принимающих участие в развитии таких распространенных заболеваний, как сахарный диабет II типа, псориаз и мигрень.

Такой же подход можно использовать для выявления у пациентов особенностей метаболизма, распределения или выведения лекарственных средств, то есть для исследований по фармакогеномике (подробнее об этом речь пойдет далее в специальном разделе). Врачи смогут использовать данные генетических исследований для обоснования индивидуального подхода при назначении лекарственных средств, что значительно снизит риск развития побочных реакций. Хотя перспективность такого подхода очевидна, подробная карта снипсов-маркеров пока еще не составлена. Но работа в этом направлении идет очень активно. Составление таких карт человеческого генома сделает в конечном итоге технически возможным проведение быстрого и относительно недорогого генотипирования большого количества пациентов.

Поскольку снипсов в геноме человека довольно много, то было предложено изучать их не только по отдельности, но и группами, в которые объединяются снипсы, расположеные относительно рядом в геноме. Такие наследуемые вместе группы снипсов получили название гаплотипов. Проведенный анализ показал, что число гаплотипов для каждого гена сильно варьирует и может составлять от 2 до 53 (в среднем, по разным оценкам, — от 4 до 14). Было проведено сравнение таких гаплотипов у 21 белого человека, 20 афроамериканцев, 20 человек азиатского происхождения, 18 латиноамериканцев и 3 американских индейцев. В результате не удалось обнаружить вариантов гаплотипов, характерных для той или иной этнической группы. Вместе с тем некоторые варианты чаще встречались у людей, которые родом из одного географического региона.

По оценке ученых компании Genaissance Pharmaceuticals в среднем существует 14 вариаций каждого человеческого гена. Ученые проанализировали 313 генов у большого числа американцев, относящихся к 4 расам. Если в геноме человека присутствует примерно 35 тысяч человеческих генов, следовательно, имеется от 400 до 500 тысяч их вариаций. Обнаружение столь большой амплитуды генетических изменений может потребовать пересмотра традиционных представлений о геноме человека. Сейчас планируется создание каталога гаплотипов каждого человеческого гена. Для этого потребуется проанализировать ДНК у тысяч представителей разных континентов нашей планеты.

Далее мы еще вернемся к вопросу о важности снипсов, когда будем говорить о практических применениях знаний о геноме человека для медицинской геномики и фармакогеномики. Помимо высокой плотности, снипсы имеют очень низкий уровень мутаций на поколение (~10–8), что делает их удобными маркерами для анализа молекулярной эволюции (далее мы поговорим о «молекулярных часах», которые эффективно используются генетиками в геногеографии и эволюционной геномике).