Помоги проекту - поделись книгой:
Тут как с рыбалкой. Забросьте в озеро крючок, на котором извивается сочный червяк, и на эту наживку охотно клюнет плотоядная рыба. Забросьте крючок, на который насажен кусок морковки, — и та же рыба даже не попробует наживку на вкус. А ведь все осталось тем же — крючок, леска, грузило, сама рыба. Однако изменение всего-навсего одного важнейшего компонента (наживки) резко меняет ваши шансы на хороший улов.
Вариации на тему
Напрашивается мысль, что любые изменения в областях мусорной ДНК, оказывающихся на самом деле регуляторами тех или иных процессов, имеют ужасающие последствия. Но так кажется лишь из-за того, что подчас легче изучать аномальные ситуации, чем нормальные. Особенно это касается оценки различий между болезнью и здоровьем. В вышеописанных случаях замена одного-единственного нуклеотидного основания в регуляторных областях оказывает сильнейшее воздействие на организм. Однако такие типы вариаций несут ответственность и за ситуации, так сказать, не столь драматические, а являющиеся вполне обыкновенным проявлением человеческого разнообразия.
Возьмем пигментацию. Это комплексная характеристика, то есть такая, на которую оказывает влияние множество генов, действующих сообща. В данном случае такое совместное действие приводит к появлению той или иной окраски глаз, волос и кожи. Все мы знаем по собственному опыту, что люди могут очень отличаться по этим параметрам внешности. В придачу к нескольким генам, влияющим на уровни пигментации, существуют различные варианты этих генов, что создает дополнительный потенциал для изменчивости и многообразия11.
Одна из главных генетических вариаций такого рода — различие в одном нуклеотидном основании (бывает, что определенное положение занимает Ц, а бывает, что это же положение занимает Т). При этом Т-версия гена ассоциируется с более высокими уровнями темного пигмента, а Ц-версия — с более низким его содержанием[49]. Однако эта вариация происходит не в каком-то гене, кодирующем белок. Показано, что она влияет на пигментацию благодаря тому, что затрагивает энхансерную область, расположенную за 21 тысячу пар нуклеотидных оснований от гена-мишени. А уже этот ген-мишень кодирует белок, играющий важную роль в выработке пигмента. Мы знаем это, поскольку мутации в данном гене приводят к развитию формы альбинизма[50],12.
Эксперименты показали, что энхансер образует петлю, дабы сблизиться со своей мишенью. Транскрипционные факторы, контролирующие мишень, соединяются с ней, но эффективность этого соединения зависит от того, какое нуклеотидное основание занимает определенную позицию в энхансере — основание Ц или основание Т13. Это очень похоже на ситуацию с панкреатическим агенезом, описанную выше. Здесь задействован почти тот же механизм, который схематически показан на рис. 15.2.
Вполне вероятно, что существует масса подобных взаимодействий между единичными заменами нуклеотидных оснований в мусорной ДНК и экспрессией генов, кодирующих белки. Это может сказаться на нашем понимании человеческого разнообразия, человеческого здоровья, человеческих болезней. Есть значительное количество недомоганий, для которых, как нам известно, генетика играет определенную роль. Однако здесь играет роль и среда. А иногда — просто везение или невезение.
Можно выявлять генетические болезни, изучая, сколь часто заболевание проявляется у членов определенной семьи. Особенно полезно анализировать близнецов. Вот, скажем, болезнь Хантингтона, губительное неврологическое заболевание, вызываемое мутацией в одном гене. Если у одного из близнецов есть этот недуг, он всегда проявляется и у его однояйцевого (идентичного) близнеца, если только другой близнец не погибнет в раннем возрасте от какой-то не связанной с этим недугом причины — к примеру, в автомобильной катастрофе. Болезнь Хантингтона обусловлена генетикой на 100%.
Но обратившись к шизофрении, мы увидим, что если один из близнецов страдает этим расстройством, то существует лишь 50%-ная вероятность того, что оно затронет и его идентичного близнеца. Ученые подсчитали эту вероятность, изучив множество пар близнецов и выявив частоту, с которой у обоих близнецов развивается этот недуг. Значит, генетика лишь примерно наполовину отвечает за риск развития шизофрении, прочие же факторы риска не связаны с геномом.
Можно распространить эти изыскания и на других родственников, поскольку нам известно, сколько генетической информации делят между собой члены семьи. Так, неидентичиые близнецы делят между собой 50% своей генетической информации. Точно такая же общая доля генетических сведений — между родителями и детьми. Двоюродные братья и/или сестры делят между собой лишь 12,5% генома. Вполне возможно использовать эти данные для того, чтобы рассчитать вклад генетических факторов в развитие широкого диапазона заболеваний и расстройств — от ревматоидного артрита до диабета, от рассеянного склероза до болезни Альцгеймера. При этих недугах (и при многих других) генетика и среда действуют вместе.
Найдя достаточное число подходящих семей, мы сможем проанализировать их геномы, чтобы выявить области, связанные с тем или иным заболеванием. Однако следует помнить, что данные, получаемые таким образом, существенно отличаются от данных, получаемых при исследовании сравнительно простой ситуации с чисто генетическим заболеванием — к примеру, с той же болезнью Хантингтона. При этой болезни 100% генетического вклада — это одна мутация в одном гене, кодирующем белок. Но для таких недугов, как шизофрения, те 50%, которые генетика вносит в развитие болезни, не ограничиваются изменениями лишь в одном гене. То же самое относится к большинству других расстройств, где играют роль и генетика, и среда. Возможно, существует 5 генов, каждый из которых вносит по 10% в общую величину риска развития шизофрении, или же 20 генов, каждый из которых вносит в эту величину по 2,5%, или же любые другие комбинации, какие только можно себе вообразить. Все это существенно затрудняет выявление соответствующих генетических факторов и доказательство того, что изменения в ДНК-последовательности действительно влияют на изучаемое заболевание.
Невзирая на все трудности, при помощи таких методик удалось картировать более 80 заболеваний и характеристик, тем самым предложив тысячи кандидатов на роль тех областей и вариаций, которые могут влиять на развитие этих недугов[51],14. Любопытно: в общей сложности около 90% областей, выявленных учеными, относятся к мусорной ДНК. Примерно половина из них — зоны между генами, а другая половина — мусорные зоны в самих генах15.
Виновные в соучастии
Однако тут нужно быть очень осторожным и не думать, что если мы сумели обнаружить ДНК-вариацию, ассоциируемую с болезнью, это непременно означает, что данная вариация — одна из причин данного заболевания (или даже его единственная причина). Порой мы имеем дело с соучастниками преступления. Генетическим изменением, определяющим развитие болезни, иногда оказывается вариация, находящаяся поблизости, а нашего «кандидата» преступник просто прихватил с собой за компанию.
Пример такого соучастия — цирроз печени. Одна из методик оценки того, насколько человек подвергается воздействию сигаретного дыма, состоит в измерении содержания монооксида углерода (угарного газа) в выдыхаемом этим человеком воздухе. Десять лет назад, определяя содержание угарного газа в дыхании некурящих с циррозом печени, мы могли бы установить, что в дыхательных путях тех, кто страдает этим заболеванием, в среднем больше этого вещества, чем у тех, кто этой болезнью не страдает. Одной из возможных интерпретаций (хотя и не единственной) стала бы такая: пассивное курение увеличивает риск возникновения цирроза печени. Однако на самом деле такое изменение содержания монооксида углерода — типичный случай «виновности в соучастии». Эти изменения, скорее всего, просто отражают тот факт, что пациент, возможно, проводил много времени в пабах и барах, ведь избыточное потребление алкоголя — один из основных факторов риска развития этого заболевания. До того, как ввели запрет на курение в общественных пространствах многих крупных городов, пабы и бары традиционно представляли собой помещения, прямо-таки заполненные дымом.
Даже если исключить «виновность в соучастии» при анализе вклада генетической вариации в заболевание человека, все равно следует очень тщательно проверять гипотезы о функциональных последствиях наших находок, а иначе мы пойдем в совершенно неверном направлении.
Вариация, которая вносит вклад в пигментацию человека, на самом деле происходит в интронах — фрагментах мусорной ДНК между частями гена, кодирующими белок. Этот ген — штука весьма крупная. Варьируемая пара нуклеотидных оснований располагается аж в 86-м фрагменте мусорной ДНК, лежащем между участками гена, кодирующими белок. Однако сам по себе данный ген не играет никакой роли в пигментации. Вот вам явный случай, когда присяжные вынуждены признать: вариации в мусорных областях одного гена могут оказывать существенное воздействие на другие гены.
Проблемы ожирения — та сфера, где уже много лет ученые пытаются выявить генетические вариации, связанные с физическими изменениями. Около 80 различных областей человеческого генома так или иначе увязываются с ожирением или относящимися к нему параметрами (скажем, индексом массы тела)16.
Как показали многие исследования, вариация, проявляющая самую большую связь с ожирением, представляет собой замену единственной пары нуклеотидных оснований в гене-кандидате, кодирующем белок и расположенном на хромосоме 16[52],17,18. Унаследовавшие основание А в обеих копиях данного гена обычно приблизительно на 3 кг тяжелее по сравнению с теми, кто унаследовал основание Т в обеих копиях того же гена. (Как всегда в таких случаях, речь идет о нуклеотидных основаниях, занимающих строго определенное положение.) Это изменение происходит в мусорной области, располагающейся между двумя первыми участками данного гена-кандидата, кодирующими аминокислоты. Тот факт, что эту связь обнаружили в ходе более чем одного исследования, играет важную роль: похоже, мы рассматриваем действительно значимое событие.
Казалось, эта гипотеза находит дополнительные подтверждения: опыты на мышах вроде бы тоже показали, что этот ген контролирует массу тела. Генетически модифицированные мыши с искусственной сверхэкспрессией данного гена отличались чрезмерным весом, а при высокожировой диете проявляли симптомы диабета второго типа19. Когда же этот ген у мышей отключали, у зверьков образовывалось меньше жировой ткани и они были стройнее, чем их собратья из контрольной группы. И когда такие мыши с отключенным геном ели больше, они все равно сжигали очень много калорий, даже если не проявляли особой физической активности20.
Все это вызвало в среде ученых большое воодушевление. Вроде бы получалось, что если найти способ ингибирования активности этого гена у человека, то, возможно, удастся и создать лекарство от ожирения. Однако тут возникла некая проблема. Исследователи были не совсем уверены, чем же данный ген-кандидат занимается в клетках, а потому было не так-то просто разрабатывать эффективные лекарства, учитывающие его особенности. Но, во всяком случае, специалисты получили некую отправную точку. Результаты исследований людей и мышей, вроде бы указывали на то, что данный ген кодирует белок, играющий важную роль в развитии ожирения и в метаболических процессах. К этим результатам присовокупили вполне разумное предположение, что обсуждаемая вариантная пара нуклеотидных оснований, связываемая с ожирением, сама влияет на экспрессию обсуждаемого гена.
Однако здесь стоит вспомнить бессмертные слова Митча Хенесси, персонажа фильма «Долгий поцелуй на ночь», которого играет Сэмюэл Л. Джексон. Эти слова мы здесь скромно переведем так: «Слово „предположение“ явно происходит от слова „ложь“». Разумеется, задним числом мы все мудрецы. Незачем проявлять насмешливое снисхождение к ученым, которые исследовали роль этого белка. Просто такое ощущение, что природа всегда ухитряется поставить нам подножку.
Вот истинная причина, по которой эта вариация в единичной паре нуклеотидных оснований вносит изменения в физиологию человека. Существует
Исследователи проверили уровень экспрессии этого второго гена в более чем 150 образцах человеческого мозга. Удалось выявить четкую корреляцию между вариацией в упомянутой паре нуклеотидных оснований, находящихся в данной мусорной области-энхансере, и уровнем экспрессии второго гена. Однако не удалось выявить никакой корреляции между вариацией в этой паре оснований и уровнем экспрессии первоначального кандидата (в котором и находится данная вариация).
Подавив у мышей экспрессию этого второго гена, ученые обнаружили, что такие зверьки худее мышей контрольной группы, у них меньше жировая прослойка, а базовая скорость метаболизма выше. Так стало ясно, что именно этот второй ген влияет на метаболизм21.
Перед нами модель, очень похожая на ту, с которой мы уже встречались при обсуждении человеческой пигментации и панкреатического агенеза. На самом деле существует целый ряд различных вариативных пар нуклеотидных оснований в мусорной области гена, который первоначально ассоциировали с ожирением. Многие из этих вариаций действительно оказались связаны с ожирением. Поэтому, возможно, все эти вариации оказывают такое же воздействие, то есть изменяют активность энхансера, а значит, и уровень экспрессии гена-мишени, находящегося на расстоянии полумиллиона пар нуклеотидных оснований.
Разумеется, опыты с мышами позволяют предположить, что первый ген (тот, мусорная ДНК которого как раз и содержит эти вариации) также способен и сам по себе влиять на ожирение и метаболизм. Мы могли бы задаться вопросом: так ли это важно с практической точки зрения, каким образом изменение одной пары нуклеотидных оснований вызывает подобный эффект? Оказывается, это очень существенно для разработки новых лекарственных препаратов.
Одна из множества проблем в этой сфере состоит в том, что зачастую одни пациенты реагируют на лекарство, а другие — нет. Это повышает затраты на разработку препаратов, ибо в таких случаях фармацевтические компании вынуждены проводить весьма широкомасштабные клинические испытания, чтобы выяснить, работает ли их новое изобретение: ведь его следует проверять на как можно большем числе испытуемых. Кроме того, такое средство дорого применять в клинической практике: врач выписывает его всем, кто страдает соответствующим заболеванием, но действует оно лишь на некоторых.
В наши дни фармацевтические компании пытаются создавать так называемые «персонифицированные средства». Иными словами, они стремятся разрабатывать лекарства для тех ситуаций, когда на самой ранней стадии уже известно, каких именно пациентов предполагается лечить. Обычно это знание основано на генетических особенностях пациента. Такой подход может оказаться весьма эффективным: он удешевит процесс разработки лекарств и в целом ускорит их лицензирование. Подобные препараты будут прописывать лишь тем пациентам, которым они почти наверняка принесут пользу. Существенное облегчение для системы здравоохранения — не будут тратиться деньги на лечение тех, кому это лечение не показано, что принесет дополнительную пользу и пациентам: все лекарства способны вызывать побочные эффекты, и незачем рисковать, если вероятность пользы от данного препарата мала22. Такой подход уже сейчас во многих случаях оказался по-настоящему успешным. Самые яркие примеры связаны с препаратами для лечения рака груди23, рака крови24, а совсем недавно — и рака легких25.
Важнейший этап при разработке персонифицированных препаратов — выявление надежного биомаркера. Биомаркер показывает, кто из потенциальных пациентов будет должным образом реагировать на лекарство. Конечно, всегда хотелось бы добиться идеальной ситуации, когда 100% носителей соответствующего биомаркера будут реагировать на препарат как полагается. Проблемы начинаются, когда у врачей есть нужный биомаркер для данной болезни, но связывают его с неподходящей мишенью. Фармакологи создают препарат, а потом недоумевают, отчего пациенты, которым «положено» реагировать на него, совсем к нему невосприимчивы. Причина такой невосприимчивости — разрыв цикла взаимосвязей.
Действенные лекарства от ожирения могут отхватить очень жирный кусок рынка (извините за каламбур). Вероятно, некоторые компании уже начали программы разработки препаратов, нацеленных на первую из мишеней, описанных выше. Теперь придется прекратить эти работы или попытаться хоть как-то использовать уже полученные в ходе этих работ результаты. Пока же лучший путь для нас — поменьше есть плюс физические упражнения.
Глава 16. Потеряно без перевода
Ничего нет хуже намеренного причинения вреда ребенку. Во многих странах персонал отделений неотложной помощи специально учат проверять, нет ли у юного пациента необъяснимых травм. В их числе — трещины в костях у совсем маленьких детей. Иногда обнаружение таких повреждений приводит к тому, что дети попадают в распоряжение органов опеки, к ним почти не допускают родителей (порой не допускают вообще), а затем кто-то из родителей (или оба) выслушивает приговор суда и после этого зачастую садится в тюрьму.
Конечно же, защита детей превыше всего. Но представьте, каким кошмаром вся вышеописанная процедура обернется для родителей, если они при этом совершенно невиновны, поскольку травмы ребенка вызваны недиагностированным заболеванием!1 Хотя количество несправедливых решений суда ничтожно по сравнению с количеством реальных случаев издевательств родителей над своими отпрысками, воздействие такого ошибочного судебного решения на семью совершенно разрушительно. Здесь и потеря свободы, и разрыв брачных уз, и общественное презрение, и (что едва ли не печальнее всего) утрата контакта между родителями и детьми.
К ложному выводу о том, что родители избивали ребенка, может привести (и не раз приводило) одно генетическое заболевание. Называется оно несовершенным остеогенезом, но в основном его знают как «болезнь хрупких костей» (или болезнь «хрустального человека»)2. У страдающих этим недугом трещины в костях появляются очень легко, иногда просто в результате незначительных травм, которые у здорового ребенка мог вызвать разве что небольшой синяк. Кроме того, кости неоднократно ломаться и затем неправильно срастаться, так что физические возможности больного со временем неуклонно уменьшаются.
Казалось бы, распознать эту болезнь очень просто. Даже странно, что родителей таких детей иногда неправомерно обвиняют в избиениях. Однако существует целый ряд факторов, осложняющих дело. Начнем с того, что болезнь хрупких костей затрагивает в среднем 6-7 детей из каждых 100 тысяч. Врач, осматривающий ребенка, может, просто никогда раньше не сталкивался с этим недугом, особенно если сравнительно недавно работает в отделении неотложной помощи. Но, к сожалению, даже самые неопытные врачи в этом отделении наверняка встречались с последствиями избиения детей, так что они более склонны поставить именно этот привычный и печальный диагноз.
Диагностирование болезни хрупких костей затруднено еще и из-за того, что существует по меньшей мере 8 типов этого заболевания, различных по остроте и по конкретным особенностям. В наиболее ярко выраженном случае у младенца могут появляться трещины в костях еще до рождения. Различные формы болезни вызываются мутациями различных генов. Наиболее распространенные случаи связаны с дефектами в коллагенах — белках, играющих важную роль в обеспечении гибкости костей. Хотя мы часто представляем себе кости как нечто очень жесткое и твердое, они должны обладать некоторой гибкостью, чтобы не ломаться, а гнуться в ответ на давление. Вот почему мы учим детей не залезать на высохшие, мертвые деревья: негибкие, сухие сучья сломаются с большей вероятностью, чем упругие зеленые ветви живого дерева.
В большинстве случаев при болезни хрупких костей мутантной оказывается лишь одна копия гена. Другая его копия (если помните, мы наследуем по одной копии гена от каждого из родителей) пребывает в отличном состоянии. Но при этой болезни, к сожалению, недостаточно наличия одной нормальной копии. Когда болезнь выявлена, логично ожидать, что заболевание коснулось не только ребенка, но и кого-то из его родителей — того, кто и передал заболевание по наследству. Однако если мы имеем дело с новой мутацией, то есть с мутацией, возникшей при выработке яйцеклеток или сперматозоидов, ребенок может получить болезнь, даже когда у его родителей нет никаких ее симптомов. Как правило, особенно часто это происходит при острых формах болезни хрупких костей, вот почему медикам, работающим в отделениях скорой помощи, еще труднее понять, что они имеют дело с заболеванием, вызванным мутацией.
Но если врачи все-таки заподозрили, что к ним попал ребенок, страдающий болезнью хрупких костей, они могут заказать генетические тесты и попытаться подтвердить свой первоначальный диагноз. Генетическая диагностика потребует анализа ДНК-последовательностей генов, которые (как удалось предварительно установить) оказываются мутантными при болезни хрупких костей. Исследователи будут секвенировать гены в определенном порядке — в зависимости от конкретных особенностей симптомов у пациента и от того, какую форму болезни хрупких костей эти особенности, по мнению ученых, предопределяют. Гены, которые могут скорее всего влиять на болезнь, будут секвенироваться первыми. В них будут искать мутации, изменяющие белки, что требуются для развития крепких и здоровых костей.
Обычно такой подход срабатывает. Но неизбежно обнаруживаются пациенты со всеми симптомами болезни хрупких костей, однако без каких-либо мутаций, меняющих аминокислотную последовательность у белков, которые (как удалось выяснить) играют роль в развитии данного заболевания. Именно с такими трудностями столкнулись ученые, попытавшиеся разобраться в причинах особого типа болезни хрупких костей[54], наблюдаемого в небольшом количестве корейских семей. При болезни такого типа характер распределения трещин имеет свои особенности, но главное — весьма странные последствия, к которым эти трещины приводят. Либо сама трещина, либо медицинское вмешательство, к которому прибегают для ее лечения, вызывает необычную реакцию со стороны организма пациента: организм создает слишком мощные отложения кальция вокруг места повреждения. На рентгеновских снимках они видны как недвусмысленные размытости.
Одновременно другая группа ученых обследовала ребенка из немецкой семьи, у которого также обнаружился этот весьма необычный тип болезни хрупких костей. Любопытно, что и в корейском, и в немецком случае причиной болезни оказалась одна и та же мутация. Как выяснилось, изменена лишь одна пара нуклеотидных оснований среди 3 миллиардов, унаследованных больными детьми от каждого из своих родителей. Причем изменение, вызвавшее болезнь, происходило не в области гена, кодирующей аминокислоты. Оно происходило в мусорной ДНК.
Начало и конец
Эта мутация кроется в мусорной области, с которой мы уже встречались. В главе 2 мы видели, как гены, кодирующие белки, собираются в модули. Все эти модули вначале копируются в информационную РНК, а затем объединяются (это может происходить по-разному). Участки, не кодирующие белки, в ходе этого процесса сплайсинга удаляются (см. рис. 2.4).
Но два участка мусорной ДНК всегда остаются в зрелой информационной РНК. Такие участки можно видеть на рис. 2.5 и на рис. 16.1. Поскольку области в начале и конце информационной РНК сохраняются при сплайсинге, но никогда не транслируются в белок, они называются нетранслируемыми областями[55]. Хотя они не вносят вклад в аминокислотную последовательность нормального белка, исследователи сейчас выявляют неведомые нам прежде пути, какими эти нетранслируемые области (напрямую не воздействующие на трансляцию, «перевод» с языка ДНК на язык РНК) могут влиять на экспрессию белков, а значит, и на состояние здоровья человека.
Корейские исследователи проанализировали ДНК-последовательности у 19 больных. Тринадцать из пациентов принадлежали к 3 семьям, которых затронул недуг, остальные же 6 больных представляли единичные случаи. Как выяснилось, у каждого из этих 19 человек наблюдается замена нуклеотидного основания Ц на основание Т в нетранслируемой области, которая находится в начале кодирующей белок зоны определенного гена[56]. Замена происходит всего за 14 нуклеотидных оснований от начала кодирующей белок зоны, которая находится в соответствующей информационной РНК. Такую замену Ц на Т не обнаружили ни у тех членов изучаемых семей, которых не коснулась болезнь, ни у 200 человек того же этнического происхождения, не связанных с испытуемыми близким родством3.
Рис. 16.1. Даже после того, как в результате сплайсинга объединяются участки информационной РНК, кодирующие белки, в молекуле остаются мусорные области — в начале и в конце.
Примерно в то же время ученые, работавшие в 5 тысячах миль от Кореи, в Германии, выявили такую же мутацию у девочки с тем же типом болезни хрупких костей и у пациента, не связанного с ней близким родством. В обоих случаях речь шла о новой мутации. У родителей пациентов она отсутствовала, а значит, возникла при выработке яйцеклеток или сперматозоидов4. Ученые проанализировали этот регион генома у более чем 5000 человек, не страдающих болезнью, и ни у кого не нашли такого изменения.
Когда мы смотрим на схематическое изображение информационной РНК (рис. 16.1), у нас может возникнуть представление, что зоны, кодирующие белок, и нетранслируемые области сильно отличаются друг от друга. Однако они нарисованы так исключительно для удобства восприятия, и в клетке выглядят по-другому. На уровне нуклеотидной последовательности они весьма схожи, ибо и те, и другие участки состоят лишь из нуклеотидных оснований РНК.
Для любого, кто хорошо понимает написанный по-английски текст, не составит труда расшифровать следующую строку:
Iwanderedlonelyasacloud[57]
Хотя все буквы образуют слитную цепочку без пробелов, нетрудно распознать, где начинаются и оканчиваются слова. То же самое и с клеткой: она способна различать нуклеотидные последовательности в нетранслируемых областях информационной РНК и в ее участках, кодирующих аминокислоты.
Трансляция информационной РНК для создания белка осуществляется в рибосомах (мы познакомились с этим процессом в главе 11). Информационная РНК пропускается через рибосому, причем первым, как нетрудно догадаться, в рибосому попадает начало этой молекулы. Ничего особенного не происходит, пока рибосома не прочтет определенную последовательность из тройки нуклеотидных оснований — АУГ (как упоминалось в главе 2, основание Т, имеющееся в ДНК, всегда заменяется в РНК на У — основание несколько иного состава[58]). Эта триада сигнализирует рибосоме: пора приступать к соединению аминокислот друг с другом, чтобы в итоге создать белок.
Иными словами, перед нами окажется подобие какого-нибудь такого куска текста (воспользуемся строчкой, приведенной выше):
dbfuwjrueahuwstqhwIwanderedlonelyasacloud
Прописная буква I — сигнал, что мы должны начать чтение нормальных слов. Она играет такую же роль, как и триплет АУГ, сигнализирующий, что пора начинать трансляцию.
У вышеупомянутых корейских и немецких пациентов, страдающих болезнью хрупких костей, в генах имеется участок, где нормальная ДНК-последовательность в нетранслируемой области изменена с АЦГ на АТГ (в РНК триплет АТГ отображается как АУГ). В результате рибосомы слишком рано приступают к созданию белковой цепочки. Это схематически показано на рис. 16.2.
Рис. 16.2. Мутация в нетранслируемой мусорной области в начале информационной РНК вводит рибосому в заблуждение. Рибосома слишком рано приступает к соединению аминокислот, создавая белок, в начале которого появится лишняя аминокислотная последовательность.
Это приводит к странному явлению: мусорная РНК становится РНК, кодирующей белок. Такой процесс добавляет 5 лишних аминокислот к началу нормального белка (см. рис. 16.3). Белок, играющий роль в развитии этого типа болезни хрупких костей, частично расположен внутри клетки, а частично — снаружи. Изменение в мусорной ДНК добавляет 5 лишних аминокислот к той части белка, которая находится вне клетки.
Пока не совсем ясно, почему эти 5 аминокислот вызывают симптомы данной болезни. Эксперименты, проведенные ранее на мышах, показали, что избыток или нехватка указанного белка приводят к дефектам в скелете. А значит, вполне очевидно: в организме должно вырабатываться строго необходимое его количество5. Пять лишних аминокислот пристроены к той части белка, которая, по-видимому, соединяется с другими белками — или с какими-то молекулами, подающими сигналы костным клеткам. Возможно, обладание лишними аминокислотами мешает мутантному белку правильно реагировать на эти сигналы, как если бы кто-нибудь залепил жевательной резинкой сенсор дымового датчика.
Рис. 16.3.
Болезнь хрупких костей — не единственное заболевание человека, вызываемое мутациями в нетранслируемых областях, расположенных в начале гена. Мощный генетический компонент выявлен примерно в 10% случаев меланомы — агрессивной формы рака кожи. В ряде таких генетически мотивированных случаев удалось идентифицировать мутацию, которая по характеру действия очень напоминает мутацию, вызывающую болезнь хрупких костей. Упрощенно говоря, изменение единственного нуклеотидного основания в нетранслируемой области, расположенной в начале гена, порождает аномальный АУГ-сигнал в информационной РНК. Это, опять-таки, приводит к тому, что рибосома слишком рано приступает к формированию белковой цепочки. Появляется белок с лишними аминокислотами в начале. Он ведет себя аномально и повышает риск возникновения рака6.
Как всегда, нам следует опасаться нашей склонности видеть определенный рисунок явлений, исходя из слишком малого количества данных. Не все мутации в нетранслируемой области, находящейся в начале гена, порождают новые аминокислотные последовательности. Существует другой тип рака кожи, обычно гораздо менее агрессивный, чем меланома. Он называется базальной карциномой и также имеет значительную генетическую составляющую. У отца и дочери с этой разновидностью злокачественной опухоли выявили редкую мутацию.
Нетранслируемая область в начале определенного гена обычно содержит последовательность ЦГГ, повторенную 7 раз подряд. У отца и дочери имелась лишняя копия этого триплета ЦГГ. Наличие 8 повторов вместо обычных 7 вызвало предрасположенность к базальной карциноме. Данная мутация не изменила аминокислотную последовательность белка, кодируемого этим геном. Судя по всему, тройка лишних нуклеотидных оснований вносила изменения в то, как рибосома обрабатывает соответствующую информационную РНК. Характер этих изменений пока не выяснен, но понятен их конечный результат: больные клетки экспрессируют гораздо меньше определенного белка, чем нормальные7.
Рак — заболевание многостадийное, и хотя эта мутация в не-транслируемой области, находящейся в начале определенного гена, создала у пациентов предрасположенность к злокачественным новообразованиям, в клетках наверняка происходили и другие события, повлекшие за собой полномасштабный рак.
В начале была мутация
Однако мы уже знакомы с заболеванием, при котором наследуемая мутация в нетранслируемой области, расположенной в начале гена, напрямую приводит к патологии. Речь идет об умственной отсталости, вызываемой синдромом ломкой X-хромосомы (см. главу 1). Напомним, что это необычная мутация. При данной мутации ЦЦГ, последовательность из 3 пар нуклеотидных оснований[59], повторяется гораздо многократнее, чем следует. Менее 50 копий этого триплета, следующих подряд, считаются нормой; 50-200 копий обычно не ассоциируются с болезнью, но когда число повторов попадает в этот диапазон, ситуация становится весьма нестабильной. Биологическая аппаратура, копирующая ДНК в ходе подготовки к делению клетки, словно бы испытывает трудности при подсчете такого большого числа повторов. В результате добавляются новые повторы. Если такое происходит в гаметах, у ребенка, появившегося затем на свет, могут иметься многие сотни или даже тысячи повторов в соответствующем гене, и несчастное дитя будет отягощено синдромом ломкой X-хромосомы8.
Чем больше число повторов, тем ниже экспрессия гена, чья работа нарушается при синдроме ломкой X-хромосомы. Как вы уже видели, это происходит из-за взаимодействия гена с эпигенетической системой. Там, где в нашем геноме за Ц следует Г, к основанию Ц может пристраиваться небольшая модифицирующая группа. Обычно это происходит в тех зонах, где такой ЦГ-мотив присутствует в высоких концентрациях. Аномально огромное число повторов триплета ЦЦГ в «расширении» (зоне экспансии) гена синдрома ломкой X-хромосомы создает как раз такую среду. Нетранслируемая область перед ДНК-последовательностью этого гена становится у больных этим недугом обильно модифицированной, что и отключает ген. Организм пациента не вырабатывает никаких молекул информационной РНК на основе данного гена, а значит, ген не порождает никакого белка.
У пациентов с этой патологией наблюдается умственная отсталость, а также некоторые признаки, напоминающие симптомы аутизма (в частности, они испытывают проблемы с социальным взаимодействием). Одни больные гиперактивны, а у других периодически случаются припадки.
Разумеется, это заставляет задуматься, чем же обычно занимается в организме данный белок. Клиническая картина вырисовывается довольно сложная, а значит, этот белок, по всей видимости, вовлечен в действие самых разных биофизиологических процессов. Опыты показывают, что это, вероятно, так и есть.
Как мы видели в главе 2, белок, чье функционирование нарушается при синдроме ломкой X-хромосомы (для простоты будем называть его просто белком синдрома ломкой X-хромосомы), обычно образует комплекс с молекулами РНК, находящимися в мозге. Белок таргетирует около 4% молекул информационной РНК, экспрессируемых нейронами9. Связываясь с этими молекулами РНК, он действует как тормоз процесса их трансляции в белки. А это, в свою очередь, не позволяет рибосомам вырабатывать слишком много белковых молекул на основании данных, содержащихся в информационной РНК10.
По-видимому, такой дополнительный уровень контроля генетической экспрессии играет особенно важную роль в мозге. Мозг — чрезвычайно сложно устроенный орган. Среди всех типов его клеток наибольший интерес представляют нейроны. Их обычно и имеют в виду, говоря о клетках мозга. В человеческом мозге содержится несметное количество нейронов: по самым свежим оценкам, их чуть больше 85 миллиардов11. Иными словами, количество нейронов в мозге каждого из нас в 12 раз больше количества людей на Земле. Нейроны связаны между собой самым затейливым образом — подобно тому, как людей связывают сложные сети дружб, враждебностей, знакомств, любовных увлечений, семейных отношений. Поразительнее всего сам уровень взаимосвязанности этих миллиардов нейронов. Они выпускают специальные отростки для общения с собратьями, образуя громадные сети, в которых постоянно воздействуют на реакции и деятельность друг друга. Точное число таких контактов очень трудно оценить. Вероятно, каждый нейрон образует не меньше тысячи связей с другими нейронами, а значит, наш мозг содержит не меньше 85 триллионов различных точек контакта12. Фейсбук по сравнению с этим кажется чем-то глубоко провинциальным.
Для мозга правильное установление таких контактов — титаническая задача. Представьте себе, что вам нужно часто встречаться с друзьями, но при этом избегать того чудика, с которым вы мельком познакомились во время своей первой недели в колледже. Контакты между нейронами завязываются, а затем усиливаются либо пресекаются — в рамках комплексных реакций на среду и на деятельность других нейронов сети. Многие из информационных РНК-мишеней, соединяющихся с белком синдрома ломкой X-хромосомы, при нормальных условиях вовлечены в поддержание пластичности нейронов, которая позволяет им должным образом укреплять или обрывать связи13. Если белок синдрома ломкой X-хромосомы не экспрессируется, информационные РНК-мишени транслируются в белок чересчур активно. Это мешает поддержанию нормального уровня пластичности нейронов, что приводит к неврологическим проблемам.
Недавно ученые продемонстрировали, что могут воспользоваться этой информацией для лечения синдрома ломкой X-хромосомы — по крайней мере, у генетически модифицированных животных. Мыши с нехваткой белка синдрома ломкой X-хромосомы испытывают затруднения с пространственной памятью и с социальными взаимодействиями. Мышь, не знающая, куда ей бежать, и не понимающая, как реагировать на сородичей, долго не протянет. Исследователи применили генетические технологии для того, чтобы понизить у таких мышей экспрессию одной из ключевых информационных РНК. Эту РНК обычно контролирует белок синдрома ломкой X-хромосомы. Проделав это, ученые обнаружили, что состояние мышей заметно улучшилось. Пространственная память у зверьков стала крепче, к тому же они теперь отлично ладили с другими мышами. Кроме того, они оказались меньше подверженными приступам по сравнению с обычными мышами, имеющими синдром ломкой X-хромосомы.
Такое ослабление симптомов вполне отвечало глубинным изменениям, которые экспериментаторам удалось обнаружить в мозге подопытных грызунов14. Нейроны нормального мозга обладают небольшими грибовидными отростками, характерными для прочных и зрелых связей. А вот у нейронов тех людей и мышей, которые страдают синдромом ломкой X-хромосомы, подобных отростков меньше, зато больше длинных и тонких. После генетического лечения прибавилось число грибовидных отростков и уменьшилось количество вытянутых.
Все это вызвало большое воодушевление. Особенно вдохновляло то, что теперь, как казалось многим, специалисты наконец получат возможность улучшать функционирование нейронов даже после развития симптомов заболевания. Мы не можем применять этот генетический подход к человеку, но полученные данные побуждают ученых искать лекарства, которые оказывали бы схожее действие и, следовательно, послужили бы средством для борьбы с синдромом ломкой X-хромосомы. Этот синдром — самая распространенная из наследуемых форм умственной отсталости, так что создание реальной методики его лечения принесло бы колоссальную пользу и пациентам, и обществу в целом.
А теперь зайдем с другого конца
Как мы уже отмечали в начале книги, увеличение количества триплетных повторов (их экспансия) на другом конце гена также может вызывать генетические заболевания человека. Наиболее известный пример — миотоническая дистрофия. Ее причиной служит экспансия ЦТГ-повтора в нетранслируемой области на конце гена. Повторы, которые состоят из 35 таких единиц, следующих одна за другой (или из большего их количества), связываются с заболеванием. Чем больше число повторов, тем острее симптомы15.
Миотоническая дистрофия — пример мутации с приобретением функции. Основное воздействие экспансии в гене ломкой X-хромосомы сводится к остановке выработки его информационной РНК. С миотонической дистрофией дело обстоит иначе. Включается мутантная версия гена миотонической дистрофии, порождающая информационные РНК с обширными зонами экспансии (участками с большим количеством повторов) на конце молекулы. Причина возникновения симптомов — именно эти многочисленные копии триплета ЦУГ в информационной РНК (как мы помним, в РНК основание Т везде заменено на У). Если мы взглянем на рис. 2.6, то увидим, пускай и в схематичном виде, как это происходит. Зоны с увеличенным числом повторов служат как бы молекулярной губкой, впитывающей определенные белки, способные соединяться с этими нуклеотидными последовательностями.
Мусорная ДНК играет существенную роль при миотонической дистрофии. Это показано на рис. 16.4. ЦТГ-экспансия в мусорной нетранслируемой области связывает аномально высокие количества ключевого белка[60]. При нормальных обстоятельствах он участвует в удалении мусорной ДНК, которая обнаруживается между кодирующими белок зонами, когда ДНК впервые копируется в РНК. Поскольку при миотонической дистрофии такое большое количество белка потрачено на связывание с увеличенным количеством нетранслируемых повторов, этот белок не может нормально выполнять свою функцию. А следовательно, множество молекул РНК, вырабатываемых различными генами, не получают должной регуляции.
Рис. 16.4. Избыточное связывание белков с увеличенным при миотонической дистрофии количеством повторов определенного триплета в информационной РНК приводит к тому, что белки отбираются от других молекул информационной РНК, которые эти белки должны регулировать (происходит так называемая секвестрация белков). Другие информационные РНК перестают обрабатываться должным образом, что нарушает процесс производства белков, которые они должны помогать синтезировать.
Это своеобразное титрование связывающегося белка, происходящее при многих недомоганиях, когда экспрессируется и такой белок, и ген миотонической дистрофии, очень помогает объяснить, почему одно и то же заболевание подобного рода порой по-разному проявляется у разных пациентов. Здесь не идет речь о ситуации из разряда «все или ничего». Какая-то доля связывающегося белка может оставаться свободной для того, чтобы все-таки регулировать свой ген-мишень. И эта доля может оказаться разной — в зависимости от размеров зоны экспансии и от соотношения количества имеющейся в клетке информационной РНК миотонической дистрофии и связывающегося белка16.
Не помешает чуть пристальнее рассмотреть те белки, на которые в конечном счете влияет такая нехватка (на рис. 16.4 это условные белки А, В и С). Пока больше всего подтверждений в этом смысле получили инсулиновый рецептор17, один из сердечных белков18, а также белок скелетных мышц, служащий переносчиком хлорид-ионов через мембраны19. Инсулин требуется для поддержания мышечной массы. Если мышечные клетки не экспрессируют достаточно рецептора, связывающего инсулин, мышцы начинают атрофироваться. Сердечный белок, о котором идет речь, играет важную роль в обеспечении нужных электрических характеристик сердца (об этом известно уже сравнительно давно)20. Перенос хлорид-ионов через мембраны в скелетных мышцах — немаловажная стадия циклов мышечного сокращения и релаксации. Поэтому нарушения в процессах обработки информационных РНК, кодирующих эти белки, вполне согласуются с некоторыми из основных симптомов миотонической дистрофии: увяданием мышц, внезапной летальной остановкой сердца из-за губительных аномалий в сердечном ритме, а также трудностями при расслаблении мышц после их сокращения.
Миотоническая дистрофия — весьма показательный пример того, насколько важна мусорная ДНК для здоровья человека. Хотя мутация происходит в информационной РНК, производимой на основе гена, кодирующего белок, данная мутация практически не влияет на сам этот белок. Мутантная область РНК сама становится патологическим агентом и вызывает заболевание, изменяя характер обработки мусорных областей других информационных РНК.
Скажите «ААААААААА»
Поделиться книгой: