Геном человека: Энциклопедия, написанная четырьмя буквами - Вячеслав Тарантул

Другой пример — хорошо изученное онкологическое заболевание ретинобластома — детская опухоль, развивающаяся на глазной сетчатке. Это заболевание возникает в результате одновременной мутации двух копий антионкогена по имени RB1 (от англ. retinoblastoma). В клетках существуют белки, отвечающие за переход клетки от покоя к делению. А белок, кодируемый геном RB1, служит строгим «сторожем» над ними. Ситуация похожа на пружину механических часов, прижатую стопором — белком, кодируемым геном RB1. Как только стопор отпущен (в гене произошла мутация и он не может выполнять свою функцию), пружина начинает раскручиваться. Результат этого понятен. Ничем не сдерживаемые белки, включающие деление клеток, разгонят клетку на постоянное и быстрое размножение, масса «сумасшедших» клеток будет расти, и в результате образуется злокачественная опухоль.

Кроме перечисленных выше генов, в геноме человека обнаружены также гены, снижающие скорость появления мутаций в ДНК (их называют «генами общего контроля» или «генами-сторожами»). Свою работу они осуществляют по-разному: одни исправляют уже возникшие ошибки, ремонтируя поврежденные участки ДНК, другие участвуют в организации контрольной проверки последовательностей в ДНК перед каждым новым делением. Если ДНК клетки повреждена, эти гены выполняют функцию «санитаров леса», выбраковывая клетку, несущую мутантные гены. Когда ДНК клетки повреждена столь сильно, что надежды на качественную починку уже не осталось, белки, кодируемые специальными геном (наиболее известный из них имеет название р53), запускают внутриклеточный каскад реакций, приводящий к запрограммированной клеточной смерти (этот процесс получил название апоптоз). Термин «апоптоз» или «самоубийство» предложил еще древнеримский врач Гален, будучи заинтригован процессом массового сбрасывания листвы деревьями по осени. В наше время так стали называть запрограммированную клеточную смерть — один из механизмов, регулирующих существование всего живого на Земле. Раковые клетки по сути наделены бессмертием и в лабораторных пробирках могут жить, в отличие от нормальных клеток, много десятков лет. За счет действия антионкогенов происходит то, что мы называем апоптозом — самоубийством. Этим самым организм защищается от возможного развития опухоли, состоящей из потомков «заболевшей» клетки. Влияние на процесс апоптоза — один из путей борьбы с раковыми клетками — клеточными Кощеями Бессмертными. Работы генетиков уже сегодня позволяют искать лекарства, которые могли бы усилить в них апоптоз.

Информация о все новых и новых генах, ассоциированных с раком, появляется и дополняется постоянно. И в значительной мере в этом помогают опыты на животных. Так, выяснилось, что удаление двух генов у мышей, названных ID–1 и ID–3, предотвращает образование рака у таких генетически модифицированных животных. В норме эти гены используются лишь на эмбриональной стадии развития, а у взрослого организма находятся в «спящем» состоянии. Но беда, если они проснутся у повзрослевшей мыши! Пробудившись ото сна, эти гены запускают механизм неконтролируемого роста определенных типов клеток, то есть процесс развития раковой опухоли. Если же этот механизм вовремя выключить, перевести гены снова в спящее состояние, то опухоль тут же перестает снабжаться кислородом, перестает расти и постепенно вообще исчезает.

«Спячка» и «пробуждение» онкогенов нередко связаны с таким уже упоминавшимся процессом, как их избыточное метилирование. Причем в некоторых случаях этот механизм даже более важен, чем возникновение мутации в гене! Фармакология давно уже располагают средствами, которые блокируют специфические ферменты, осуществляющие процесс метилирования. Таков, например, препарат деситабин, который подавляет активность всех трех ферментов метилирования ДНК. Однако пока эти средства не применяются в силу их повышенной токсичности.

А что же с вирусами, с их участием в развитии у нас рака? Постепенно мы начинаем понимать и это. Х. М. Темин (лауреат Нобелевской премии) и ряд других ученых (в России это предположение выдвинул А. Д. Альтштейн) обосновали идею о том, что некоторые вирусы несут онкогены, вызывающие рак у людей, которые привнесены в вирусный геном из нашего же с вами генома (когда-то вирус «прихватил» их из генома человека и теперь это использует в своих корыстных целях). Активные онкогены, попав к нам вместе с вирусом, делают здесь свое «черное» дело. Это, конечно, не единственная причина, почему вирусная инфекция может привести к раку. Например, если вирус внедряется в наш геном (а место его «новой прописки» в молекуле ДНК обычно довольно случайно), это может привести к изменению работы окружающих его генов. Результат этого события непредсказуем, но в ряде случаев оно приводит к злокачественному перерождению клетки.

Безусловно, значительные успехи в изучении рака связаны в основном с исследованиями самих раковых больных. Но для достижения конечной цели необходим огромный клинический материал, тысячи больных с правильно поставленным диагнозом. Чтобы решить столь сложную задачу, в Америке в 1999 году был создан крупный проект по анатомии ракового генома — Cancer Genome Anatomy Project (CGAP). Цель проекта «Геном рака», пришедшего на смену проекту «Геном человека», заключается в использовании данных, полученных в результате расшифровки наследственной информации человека, для поиска причин опухолей. GCAP призван создать платформу, обеспечивающую «интерфейс» раковых исследований и геномики. Для этого участники проекта занимаются составлением каталога генов, экспрессирующихся при развитии рака, поиском полиморфизма этих генов, молекулярным анализом различных нарушений хромосом, ассоциированных со злокачественным перерождением. И вся эта огромная по объему информация доступна любому пользователю на соответствующем сайте Интернета (http://cgap.nci.nih.gov).

Хотя старые подходы к поиску раковых генов позволили найти немало участков ДНК, связанных с развитием таких злокачественных заболеваний, как лимфомы, лейкозы и саркомы, однако они не смогли помочь при поиске генов, которые «виноваты» в развитии других, даже очень распространенных раковых заболеваний. Для облегчения их поиска участники проекта решили изучать по очереди все экзоны (т. е. кодирующие участки) всех генов, обнаруженных после полного секвенирования генома человека, и сравнивать их строение в здоровых и раковых клетках. В планы ученых на первом этапе включено около 50 различных типов опухолей, которые и предстоит исследовать в ближайшие 2–3 года. Учитывая, что в каждом гене в среднем насчитывается до десяти экзонов, а каждый ген необходимо изучить в здоровой и больной ткани для 48 типов рака, предстоит выполнить до 32 миллионов исследований. Это гигантская работа, но она уже начинает приносить свои плоды. Таким путем были, например, недавно обнаружены гены, ответственные за развитие широко распространенного рака простаты. В результате обследования тысяч больных с этой патологией было установлено, что у людей с измененным геном (онкогеном) GSTP1 риск развития рака предстательной железы в молодом возрасте возрастает вдвое. Скорость роста опухоли и вероятность ее рецидива зависят также от одного из вариантов другого гена, называемого hAR

Невозможно описать здесь все эксперименты и успехи, достигнутые в последние годы онкогеномикой. Важно другое. Проблема, хотя и медленно, но постепенно решается. Выявление и систематизация генных мутаций, связанных с разными формами рака, — огромная и весьма трудная задача. Дело в первую очередь в том, что имеется большое разнообразия типов рака. Но и это еще не все. В одном типе опухоли у разных пациентов могут мутировать совершенно разные гены. Более того, даже у одного пациента при развитии опухоли могут происходить какие-то дополнительные мутации, которые и являются определяющими в конечном счете. Ученые полагают, что использование информации, получаемой с помощью крупномасштабных технологий структурной и функциональной геномики, должно привести к экспоненциальному росту числа генов, которые имеют отношение (прямое или косвенное) к раковому перерождению, и разработке новых средств экспресс-диагностики этих заболеваний. В последнем случае большие надежды связывают с такими уже упоминавшимися выше технологиями, как микрочипы и полимеразная цепная реакция (ПЦР). Но сложность заключается в том, что рак — явление чаще всего спорадическое. Семейные случаи заболевания раком составляют лишь около одного процента от всех пациентов онкологических клиник. А постоянно бегать и анализировать свой геном на возможные мутации в сотне разных генов — малореальная перспектива.

Тем не менее, поиск причин возникновения той или иной разновидности рака молекулярные генетики осуществляют вовсе не в погоне за некой интересной для них теоретической информацией. Знание особенностей работы генов опухолевого роста позволяет искать пути восстановления или подавления функции этих генов в опухолевой ткани, а значит, и создать эффективные методы лечения злокачественных заболеваний. Обнадеживающие результаты в этой области уже получены. О некоторых из них мы поговорим далее в разделе «Ремонт генов (генная терапия)». Другой важный результат проведенных исследований уже получил реальное воплощение в медицинскую практику. При хирургическом подходе к лечению рака (а он пока, к сожалению, один из главных) твердую гарантию положительного результата обеспечивает лишь полное удаление всех злокачественных клеток. Но зачастую хирургу во время операции не так-то легко определить, затронут ли опухолью данный участок органа или нет. Вероятность визуальной ошибки велика, а цена ее — жизнь человека. В то же время многие органы нельзя удалять целиком, если мы не хотим нарушить нормальное функционирование организма. И тут на выручку приходит обнаруженная ранее мутация, испортившая ген. Она служит для медиков прекрасным маркером присутствия или отсутствия опухолевых клеток в организме пациента после операции. На западе уже существует множество клиник, где проводятся операции «под молекулярным контролем». Видимая невооруженным глазом опухолевая ткань удаляется хирургом полностью, и сразу после операции вокруг неё через каждые несколько миллиметров берутся микроскопические пробы, которые анализируются с помощью молекулярно-генетических экспресс-методов. Если какие-то опухолевые отростки сохранились после хирургического вмешательства, их удаляют уже через два-три часа после проведенного анализа. Статистика показывает, что средняя продолжительность жизни пациентов после «контролируемой» операции значительно выше, чем у оперированных традиционным образом. Некоторые другие подходы, используемые сегодня для лечения рака, будут описаны далее в разделе «Ремонт генов».