Геном человека: Энциклопедия, написанная четырьмя буквами - Вячеслав Тарантул

Любая болезнь, для которой не существует эффективной терапии, представляет собой тайну, которую не так легко раскрыть. Ученым-медикам, прежде чем изготовить эффективное лекарство или найти иной способ лечения пациента, нужно узнать первопричину заболевания, а не его внешнее проявление. Ключ к этому — ген или гены, так или иначе вовлеченные в патологию. Не так давно в науке появилась новая профессия — «охотник за генами». По аналогии с популярными в конце прошлого века «охотниками за микробами» — микробиологами — век спустя «охотниками за генами» называют молекулярных биологов, которые выслеживают, находят и секвенируют (расшифровывают) человеческие гены, и в первую очередь гены серьезных наследственных болезней. Как же осуществляется «охота»? Один из наиболее многообещающих способов сделать это — проведение тщательного сравнения ДНКовых текстов у людей, связанных родственными узами, одна часть которых подвержена какому-то характерному заболеванию, а другая — нет. Конечная цель такого поиска — определить у носителей болезни ответственный за нее ген с нарушенным генетическим кодом.

Уже говорилось, что геномы всех нас с вами очень похожи друг на друга. Если и имеются различия, то они весьма незначительные. Однако в них-то и заключается проблема. По этой причине медицинская геномика существенное внимание уделяет генетическому полиморфизму. Ранее уже шла речь о полиморфизме генома человека и об использовании этого явления для решения различного рода теоретических проблем. Но для медиков полиморфизм нашего генома имеет не столько теоретическое, сколько сугубо практическое значение.

Достоверно установлено, что многочисленные наследственные заболевания связаны с мутациями в генах, то есть с изменениями в самой структуре белков. Иногда достаточно мутации лишь в одном гене (такие патологии называют моногенными наследственными болезнями), иногда заболевание связано с наличием мутаций одновременно в нескольких генах (мультигенные наследственные болезнями). Медикам, конечно же, проще иметь дело с первыми, хотя и здесь могут быть проблемы с лечением. Наряду с эти, выяснилось, например, что белки содержат специальные сигнальные последовательности, которые можно сравнить с адресами на почтовых отправлениях или с ярлычками на багаже, где написано место, куда предполагается его доставить. Фактически такие сигнальные последовательности представляют из себя цепочки аминокислот, которые или прикреплены к белковой молекуле в виде хвоста, или, иногда, лежат непосредственно внутри нее самой. Очень важно, что множество наследственных заболеваний человека вызывается нарушениями именно в этих сигналах и в транспортных механизмах, с ними связанных. Таким образом, человеческие патологии связаны не только с нарушением структуры генов и кодируемых ими белков, но и с транспортом (перемещением) функционально активных белков в клетке.

Полиморфизм генома чаще всего для человеческого организма нейтрален. Тем не менее, изменения в целом ряде генов (и в их регуляторных участках) при определенных условиях могут способствовать, а иногда, наоборот, препятствовать проявлению отдельных заболеваний. Если обнаруживают гены, определенный полиморфизм в которых ассоциируется с тем или иным заболеванием, то их называют «генами предрасположенности» и они становятся объектом пристального внимания медиков. Первоначально определяют, к какому классу относятся эти гены. Принято считать, что среди генов предрасположенности к заболеваниям есть «гены детоксикации», которые реагируют на факторы внешней среды, и «гены-триггеры», связанные с запуском патологического процесса под действием внутренних факторов организма.

В поиске «больных» генов весьма полезными оказались уже упоминавшиеся снипсы. На них сейчас возлагают большие надежды. Изучение «снипсов» показало, что иногда замена одного-единственного нуклеотида может вызвать у данного человека повышенную склонность к развитию того или иного заболевания. Это происходит в тех случаях, когда, например, точковая мутация возникает вблизи гена, на участке ДНК, регулирующем его работу. Изучение «точечных» различий между индивидуумами может открыть путь к «индивидуализированной» медицине. Большая роль здесь отводится новому направлению — фармакогеномике, о котором подробнее мы поговорим в следующем разделе.

Расскажем о том, как секвенирование генома человека и анализ снипсов существенно изменили стратегию обнаружения и клонирования генов, ответственных за наследственные заболевания. Итак, имеется некая наследственная патология. Понятно, что за нее отвечает какой-то ген или группа генов. Что требуется, чтобы обнаружить такой ген? Сначала надо грубо определить локализацию этого неизвестного гена (его называют геном-кандидатом) на одной из 23 хромосом. Начинается масштабный поиск каких-либо изменений в ДНК разных больных с этой патологией. Обычно сперва в результате такого анализа на определенной хромосоме выявляется довольно большой район, в котором могут располагаться десятки или даже сотни разных генов. Для поиска конкретного гена-кандидата заболевания необходимо сузить исследуемый участок ДНК. На это уходило раньше несколько лет. Однако после расшифровки генома ситуация упростилась. Теперь почти вся нуклеотидная последовательность генома человека известна и помещена в базы данных, с которыми можно связаться в любой момент по Интернету. Если известна хромосомная локализация какого-либо заболевания, достаточно запросить информацию о нуклеотидной последовательности этого района, провести компьютерный поиск генов, содержащихся в нем, а затем выбрать один или несколько наиболее подходящих и протестировать их на мутации у ряда пациентов с данной патологией. Ген, в котором таковые будут обнаружены у большинства больных и не обнаружатся у здоровых людей, и есть искомый ген заболевания.

Подробные генетические и физические карты генома человека и особенно последовавшее за этим полное секвенирование ДНК позволили в последние годы успешно клонировать многие гены, ответственные за различные наследственные заболевания. Как уже говорилось, важная роль в этих достижениях принадлежит и сравнительному анализу геномов разных индивидуумов, принадлежащих к одному семейству, а также геномов нормальных и «больных» клеток.

Важными материалами для медицинской геномики служат относительно изолированные популяции людей и наличие подробных данных об их родственных связях. Так, в отличие от многих других стран, Исландия уникальна не только своим климатом, но и своими жителями. В течение многих веков здесь строго документировали все формировавшиеся брачные отношения, и, что очень важно, эти сведения сохранили в целости и сохранности до наших дней. Это дало в руки исследователей огромный материал, охватывающий около 270 тыс. ныне живущих людей и 330 тыс. их ранее живших предков. В результате появилась возможность создавать родословную для каждого из исландцев на глубину до 10 веков. Сейчас там проводят массовый анализ геномов жителей и исследуют взаимосвязь наиболее распространенных заболеваний с различными генетическими маркерами. И это уже начинает приносить первые плоды. Во-первых, удалось обнаружить связь между развитием панических расстройств психики и аномалиями строения хромосомы 9. Во-вторых, исследователи выявили ген, мутация в котором резко увеличивает вероятность развития ишемического инсульта (эта мутация получила название STRK 1 от англ. «stroke» — инсульт).

В принципе существует два основных подхода к поиску гена-кандидата, отвечающего за патологию: от белка к гену и от генома к гену. Последний путь оказался наиболее эффективным. Часто для поиска «больного» гена используют полиморфизм микросателлитных маркеров, расположение которых на хромосомах хорошо известно. Сначала выявляют «сцепление» между заболеванием и определенной формой того или иного микросателлита, затем по расположению микросателлита определяют область, которая может иметь отношение к развитию заболевания. В этой области и ищут ген-кандидат болезни. Новая стратегия получила название «позиционного клонирования гена-кандидата».

Так, в частности, поступил российский генетик Е. И. Рогаев совместно со своими зарубежными коллегами для обнаружения одного из генов, ответственного за болезнь Альцгеймера, который определяет прогрессирующее старческое слабоумие. Это заболевание начинается с незначительных на первый взгляд нарушений памяти (на имена и близкие по времени события), но уже в течение двух—трех лет приводит к полной деградации личности и мучительной смерти. Болезнь Альцгеймера как причина смертности стоит на четвертом месте в развитых странах. Еще несколько лет назад врачи не могли предвидеть развитие болезни Альцгеймера у своих пациентов, а порой даже неправильно ее диагностировали. И вот к этой проблеме подключились «охотники за генами». Они проанализировали ДНК, выделенные из крови больных и их здоровых родственников, и определили, что у всех больных есть некий особый общий участок хромосомы 14. Схема дальнейшего поиска гена-кандидата изображена на рис. 33. На следующем этапе определили, с какими маркерами (микросателлитами) сцеплен искомый ген (на рисунке указано 8 таких микросателлитов). На следующем этапе в библиотеке генов человека были найдены большие (около 1 млн. п. н.) фрагменты хромосомы 14, соответствующие исследуемому участку ДНК. С их помощью был более точно установлен участок хромосомы, несущий «больной» ген (на рисунке он обозначен двунаправленной стрелкой). Половина дела была сделана. Далее определили, какие гены здесь имеются. Их оказалось несколько десятков (отмечены светло-серыми прямоугольниками). И вот конечный результат: лишь в одном из множества генов были найдены мутации, которые встречаются только при болезни Альцгеймера (отмечен темным прямоугольником).