Помоги проекту - поделись книгой:
Например, ген PAX6 расположен у человека на 11-й хромосоме, он принадлежит к семейству генов, которые играют ключевую роль в формировании тканей и органов в процессе внутриутробного развития. Это один из самых консервативных (древних) генов, очень важный для глаз. Когда идет речь о древних генах, подразумевается, что со временем они мало изменились или не изменились совсем. Обычно к подобным выводам приходят, когда такие же гены обнаруживаются у других классов животных. Ген PAX6 содержит инструкции для создания белков, которые прикрепляются к различным участкам ДНК и влияют на активность других генов. Во время эмбрионального развития человека ген PAX6 активирует гены, участвующие в формировании мозга, глаз, спинного мозга и поджелудочной железы. В мозге PAX6 участвует в формировании обонятельных клеток. После рождения PAX6 регулирует множество генов, отвечающих за работу глаз. Он очень важен для глаз, поскольку регулирует развитие их структур и внутриутробно, и после рождения. При мутации в одном из генов PAX6 у человека возникает заболевание, самое яркое проявление которого – отсутствие радужки (см. рисунок).
Ген PAX6 оказался консервативным[8]: он был обнаружен у мух дрозофил, осьминогов и мышей, а схожие с ним гены у более древних животных, например медуз, выполняли похожие функции. У всех представителей животного мира ген PAX6 регулирует развитие глаза. Такая его консервативность указывает на то, что наши глаза имеют общих предков, которые миллионы лет назад выглядели совсем по-другому. Кроме того, эти предки дали жизнь потомкам, значительно отличающимся от нас. Этот ген возник очень давно – до образования современных классов живых существ.
Рис. 8. Глаз пациента с врожденной аниридией. Видно отсутствие радужки, хрусталик висит на связках, кусочки радужки – по краю
Головоногие (осьминоги) имеют пять вариантов гена PAX6, которых нет у позвоночных. Это говорит о том, что глаза позвоночных и головоногих в какой-то точке временной шкалы имели общих предков, но потом судьба разделила их. Когда и в какой последовательности это произошло, вопрос до сих пор неоднозначный.
У животных очень много общего. Все светочувствительные органы объединяют опсины – белковые комплексы, принимающие участие в формировании клеточного сигнала в ответ на попадание на них света. Опсины принадлежат к семейству фоточувствительных белков и делятся на девять групп, все они существуют сейчас в природе у различных животных. Структурная общность опсинов указывает на то, что они имеют общего предка, который в процессе эволюции менялся так, что появились разные оспины с разными функциями.
Наследство очень далекой бабушки
Ген PAX6
PAX6 – ген, ответственный за большинство случаев врожденной аниридии. Это состояние, при котором с рождения отсутствует радужка.
В норме она образует зрачок, его сокращение регулирует поток света в глаз и уменьшает световые аберрации, что делает видимое изображение четче. Кроме того, радужка отвечает за цвет глаз. Родители не сразу замечают, что у новорожденного ребенка нет радужки, и сначала обращают внимание на неестественное движение глаз – нистагмы, на задержку слежения, на то, что глазки необычно черного цвета, и только потом – на аниридию.
PAX6 регулирует работу других генов и работает во многих органах и тканях.
Большинство случаев аниридии – вновь возникающие. PАХ6 – один из самых известных консервативных генов. Кроме глаз его активность замечена в других органах. По-видимому, для нормального развития глаза необходимо, чтобы две копии гена PAX6 были рабочими. При мутации только в одном из генов развивается полная клиническая картина врожденной аниридии. Случаи мутации в двух генах сразу не описаны, возможно, из-за того, что такой плод не развивается и беременность просто невозможна. Нормальная работа гена PAX6 необходима для того, чтобы глаз был сформирован как положено во время эмбриогенеза. После рождения ген PAX6 также принимает важное участие в работе глаза и других органов, поэтому при мутации этого гена могут возникать новые проявления патологии, кроме тех, которые уже есть на момент рождения.
Роговица – передняя прозрачная оболочка глаза – один из важных органов, который поражается при врожденной аниридии. Такое поражение роговицы офтальмологи называют кератопатией. Само слово «кератопатия» не уточняет, какая именно патология роговицы имеется. Обычно так называют любую невоспалительную патологию роговицы, как правило, генетической природы. Кератопатию при аниридии часто называют ассоциированной с аниридией. Этот пример интересен для обсуждения строения и регенерации роговицы в норме. Его будет полезно вспомнить, когда коснемся темы стволовых клеток в главе «Офтальмология будущего».
Роговица покрыта слоем клеток – эпителием, он покрывает органы снаружи (например, есть эпителий кожи, кишечника и т. д.). Эпителиальные клетки выполняют разные функции в организме человека и потому отличаются друг от друга. Роговичный эпителий состоит из нескольких слоев, он гладок, прозрачен, в меру непроницаем и прочен. Это очень активно живущий слой роговицы, постоянно обновляющийся. Поверхностные клетки отмирают, а новые, из глубоких слоев, начинают активно делиться, чтобы вовремя заполнять брешь. У человека продолжительность жизни клетки эпителия роговицы составляет примерно 10 дней. Самый край роговицы – лимб, здесь находится зона, где делятся полипотентные клетки. Из них потом формируются клетки роговицы и создается запас необходимых стволовых клеток, которые могут понадобиться при ускоренном клеточном обновлении.
Кератопатия при аниридии выражается в том, что в зоне лимба не образуется достаточное количество стволовых клеток, которые могут восполнять естественную и неестественную потерю клеток. В результате постепенно накапливаются повреждения: сначала появляются едва заметные изменения эпителия роговицы, а в дальнейшем они могут перерастать в грубые изменения ее структуры. Это связано с тем, что для полноценного формирования стволовых клеток лимбального эпителия необходимо нормальное функционирование гена PAX6. При его недостаточности не происходит нормальной дифференциации кератоцитов.
В начальной стадии кератопатии изменения в роговице едва заметны или, возможно, не видны совсем. Однако они могут какое-то время не давать видимой картины. Особенно их сложно заметить, если осмотр ребенка затруднен.
При аниридии можно встретить сосуды врожденной кровеносной системы на поверхности хрусталика.
Нарушение дифференциации клеток приводит к тому, что меняется само окружение для вновь создаваемого эпителия роговицы, и структура его уже такова, что нарастание нормального эпителия почти невозможно. Так происходит, если кератопатия продолжает прогрессировать – примером служит последняя иллюстрация.
Рис. 9. Инфракрасная фотография глаза пациента с врожденной аниридией. Виден очень тонкий, едва заметный при осмотре, частокол из сосудов по краю роговицы – проявление кератопатии при врожденной аниридии
Рис. 10. Язва роговицы у взрослой женщины с врожденной аниридией на фоне кератопатии (помутнение роговицы глаза)
PAX6 в кинематографе
В этой книге постоянно идет речь о гене PAX6. Интересно, что он упоминается как ключевой в развитии зрения в художественном фильме «Я начало» (I Origins. USA, 2014). В фильме не столько важна биологическая точность, сколько художественный замысел, чтобы зрителя не отпускал действительно интересный сюжет.
Молодой ученый Иэн Грэй (Майкл Питт) проводит исследования с целью доказать эволюционный характер развития глаза и старается найти ступени развития глазного яблока от фоторецепторных клеток до современного глаза человека. В процессе поиска он указывает своей коллеге Карен, что глаз эволюционировал от простого к сложному, потому что в его развитии принимает участие ген PAX6. Идея совершенно правильная, очевидная и неновая: если почти у каждого зрячего животного на Земле есть ген PAX6 (или его близкие аналоги), то, скорее всего, наши глаза имеют общий источник происхождения – какое-то животное, у которого впервые возникла фоторецепторная клетка, даже несмотря на то, что у разных животных глаза такие разные. Мы обсуждаем этот факт в книге, даже делаем акцент на то, к чему приводят мутации в гене PAX6 у разных видов животных. Доктор Иэн выдвигает гипотезу, согласно которой у незрячих животных не может быть гена PAX6. Так как нет глаза, то нет и смысла регулировать его развитие. Если найти незрячее животное с геном PAX6, можно предположить, что развитие глаза наступило с нулевой стадии, и таким образом показать, что источник зрения появился до появления глаза, а ген РАХ6 уже существовал до фоторецепторных клеток. О чем это могло бы говорить? Я не знаю. Его помощница Карен занялась поиском.
Отступлю от художественного замысла и скажу, что у незрячих беспозвоночных, например кораллов (да-да, кораллы тоже животные!), имеется сразу четыре аналога гена PAX6, что, в общем-то, не перечеркивает идею авторов, поскольку кораллы, скорее всего, имели зрячего предка, а в фильме стояла задача двигаться к началу эволюции. В итоге герои фильма находят представителя червей без зрения, однако при секвенировании его генома выявляют у него наличие гена PAX6. Герои делают выводы, которые невозможно назвать однозначными.
Мы не собираемся придираться к точности, для нас как для зрителей важен сюжет, который я охарактеризовал бы как мистический в этом случае. Кроме того, основная сюжетная линия фильма выстраивается вокруг того, что доктор Иэн Грей увлеченно изучал рисунки радужки у разных людей и ее связь с возможной реинкарнацией.
Мне нравится любая популяризация науки, а если она переплетается с хорошей сюжетной линией, это тем более хорошо. Быть может, моя книга сделает просмотр этого фильма особенно интересным.
Кератопатия может быть выражена в разной степени на обоих глазах и в пределах одной роговицы.
Вязкие и увлажняющие капли способствуют защите эпителия роговицы от разрушения, поэтому даже тогда, когда нет клинической картины кератопатии, они рекомендованы к применению. Из-за кератопатии при аниридии лучше совсем отказаться от идеи использования контактных линз с нарисованной радужкой. Обычно ее высказывают доктора, которые не интересовались аниридией подробно. Сам факт отсутствия зрачка не вносит основного вклада в снижение зрения. Это подтверждается тем, что при врожденной аниридии, не связанной с мутацией в гене PAX6, острота зрения может быть нормальной и даже очень высокой, что говорит о том, что отсутствие радужки, хоть и дает название самому заболеванию, – отнюдь не самая большая проблема.
Зрение при аниридии чаще всего снижено из-за гипоплазии фовеолы (это патология развития небольшой области на сетчатке глаза, мы вернемся к этой проблеме при обсуждении людей с альбинизмом), нистагма, уменьшения размеров зрительного нерва и проблем, которые присоединяются в течение жизни: глаукомы, катаракты, кератопатии.
Отсутствие радужки все же беспокоит некоторых врачей и родителей детей с аниридией. Это толкает многих на поиск клиник, где они могли бы поставить искусственную радужку. К сожалению, имплантации искусственных радужек связаны с рисками, которые могут оказаться очень серьезными. Дело в том, что у пациентов с врожденной PAX6-аниридией присутствуют выраженное рубцевание и пролиферация[9] при хирургических вмешательствах, и имплантация искусственной радужки остается рискованным делом.
Между тем FDA (агентство Министерства здравоохранения и социальных служб США) выдало разрешение на использование искусственной радужки при врожденной аниридии, хотя и со многими оговорками. Такое решение критикуется многими врачами, особенно теми, кто занимается этой проблемой именно из-за опасений реализации рисков, связанных с имплантацией искусственной радужки.
Автор этих строк не рекомендует использовать искусственную радужку при аниридии, связанной с PAX6. В анонсе FDA очень много оговорок, которые сложно отмести в случае, если аниридия вызвана генетической мутацией.
Думаю, что обсуждение этой темы еще не закончено, и взгляды на нее будут меняться. Повторюсь, что отсутствие радужки как таковой – не основная проблема пациентов с аниридией, а сама имплантация может быть опасна. Это должны понять родители детей с аниридией и не форсировать события. В любом случае, если вас ориентируют на имплантацию искусственной радужки, я призываю выслушать мнение специалистов, которые занимаются этим вопросом профессионально. Вообще, большая проблема в коммуникации, когда пациент думает, что решает основную проблему, а она кроется совсем в другом.
WAGR(O)
Часто врожденная аниридия входит в состав WAGR-синдрома. Он интересен тем, что служит примером делеции[10] участка хромосомы, на котором расположена целая группа генов (в том числе и РАХ6), что приводит к проявлению симптомов, характерных для вовлечения этих генов.
Раньше этот синдром пытались называть WAGRO, добавляя последнюю букву как
WAGR-синдром – редкое генетическое заболевание, само слово – акроним, объединяющий наиболее характерные симптомы:
• опухоль Вильмса[11], или нефробластома;
• аниридия;
• патология половых органов;
• умственная отсталость;
• ожирение.
У разных пациентов заболевание протекает индивидуально, и некоторые симптомы, характерные для синдрома, могут отсутствовать или же присутствовать другие.
WAGR-синдром – это проявление делеции части 11-й хромосомы. Основной критерий его диагностики – доказательство делеции в 11p13.
В большинстве случаев WAGR-синдром определяется у детей при обнаружении спорадической аниридии, у 30 % из них – характерная делеция (11p13). Остальные признаки WAGR-синдрома могут не проявляться или не быть очевидными в раннем возрасте, что не должно препятствовать направлению на консультацию к специалисту по генетике.
В редких случаях аниридии может не быть. Дети с опухолью Вильмса и другими симптомами, характерными для WAGR-синдрома, такими как патология половых органов, умственная отсталость, неспособность к обучению, или другими проблемами со здоровьем также должны быть направлены на генетическую консультацию.
Патология половых органов и мочеиспускательного канала чаще присуща мальчикам, чем девочкам. Наиболее частая – крипторхизм. У девочек выражается в недоразвитии яичников, изменении формы матки, что может может повлечь невозможность нормальной беременности.
Распространенность WAGR-синдрома неизвестна, в то же время заболевание считается достаточно редким (встречается примерно у трети людей с аниридией).
Большинство случаев WAGR-синдрома не наследованы от родителей, а возникли в результате хромосомной делеции, которая иногда случается при формировании половых клеток (яйцеклетки или сперматозоида) или в очень ранней стадии фетального (внутриутробного) развития.
Некоторые пациенты с WAGR-синдромом наследуют 11-ю хромосому с удаленным сегментом от здоровых родителей. В таких случаях у родителя наблюдается хромосомная перестановка, называемая сбалансированной транслокацией, при которой генетический материал не теряется и не добавляется. Сбалансированная транслокация не вызывает каких-либо проблем со здоровьем, но может приводить к нарушениям в момент передачи генетического материала следующему поколению. Проще говоря, участок, подвергшийся делеции, остался в клетке и нормально функционирует, однако он не может перейти в половую клетку при их образовании.
Дети, наследующие несбалансированную транслокацию, могут иметь хромосомную перестановку и получить лишний генетический материал либо недополучить его часть. Пациенты с WAGR-синдромом, которые наследуют несбалансированную транслокацию, недополучают генетический материал от короткого плеча 11-й хромосомы, что ведет к повышенному риску возникновения опухоли Вильмса, аниридии, патологии мочеполовых органов и умственной отсталости.
Клиническая картина WAGR-синдрома выражается в том, что расположенные рядом гены проявляют себя нарушением тех функций, которые они определяют. Мы обсуждаем его в качестве примера того, как далеко может завести внешне типичное глазное заболевание в диагностических поисках.
Ген WT1
WT1 (Wilms tumor gene) – ген, который секретирует протеин, необходимый для нормального развития почек и половых органов (яичников у женщин и яичек у мужчин). В этих тканях протеин играет роль в дифференциации клеток и апоптоза (запрограммированной гибели клеток). Для реализации всех этих функций WT1 регулирует активность других генов путем связывания регионов ДНК.
Встречается другой вариант названия гена – Wilms tumor suppressor gene 1 (ген, подавляющий развитие опухоли Вильмса). Его мутация или отсутствие ведут к увеличенному риску развития опухоли. Именно из-за вероятности вовлечения этого гена в WAGR-синдром необходим постоянный контроль состояния почек. Получается, что ткань почек сама по себе склонна к развитию нефробластомы – эволюция создала ген, который эту склонность подавляет. Этот факт можно приводить как пример того, что, если рассматривать жизнь как замысел Творца, такие вещи, как строение возвратного гортанного нерва (см. вставку) или подавление опухоли при помощи отвечающего за это гена, выглядели бы не лучшим инженерным решением, но вполне были бы объяснимы, если понимать, что эти изменения произошли в результате естественного отбора. Давайте рассмотрим этот вопрос подробнее.
Ткань почек склонна к развитию опухоли. Вместо того чтобы исправить генетический код так, чтобы эта склонность исчезла, естественный отбор создает ген, подавляющий развитие опухоли. Не очень разумное устройство, если допустить, что человеческий организм создан высшим разумом. Все равно как если бы программист, допустивший ошибку в программе, не стал бы ее исправлять, а написал бы еще более громоздкую программу, чтобы она перманентно подавляла ошибку в первой. С точки зрения Творца, такой выход из положения только все усложняет, однако для естественного отбора это вполне нормально.
Ген WT1 не такой консервативный, как PAX6, – мутации в нем, скорее всего, имеют отношение к некоторым другим патологиям, которые могут возникать изолированно. Однако назван он так потому, что впервые была показана его связь именно с нефробластомой – опухолью Вильмса.
Несовершенный инженер
Если бы наши тела создавал некий Творец, к нему, как инженеру, возникали бы справедливые вопросы о том, что разумнее было бы спроектировать все несколько иначе.
Приведем в пример возвратный гортанный нерв: он выходит из черепа (у человека этот нерв берет начало от блуждающего нерва), уходит в грудную клетку и поднимается вверх для иннервации гортани, то есть делает совершенно лишнюю петлю. У наших предков (например, рыб) этот нерв был на одном уровне и шел по оптимальной траектории (у них не было шеи), потому что так было выгодно и рационально в рыбьем теле, однако затем потомки, в том числе и жирафы, заимели шею и нерв стал делать лишнюю дугу. У жирафа эта дуга длиной в метры, что абсолютно бессмысленно.
Можно было бы и не вспоминать жирафа, а только то, что наша сетчатка инвертирована (об этом упоминается в книге), то есть она расположила все свои рецепторы после слоя нервных волокон, целого набора клеток и кровеносных сосудов. Вы можете себе представить, чтобы инженер, делающий камеру в телефоне, вдруг поставил все провода между матрицей и линзами объектива? Это же никуда не годится! Однако мы пользуемся именно таким глазом. Создатель? Да ладно! Вы серьезно? Не будьте детьми.
Ген PAX6
PAX6 относится к семейству генов, играющих ключевую роль в формировании органов и тканей во время эмбрионального развития. Гены семейства PAX важны для нормального функционирования разных клеток организма и после рождения: они участвуют в синтезе протеинов, которые связывают специфические участки ДНК и таким образом контролируют активность других генов. Из-за такого свойства PAX-протеины называют факторами транскрипции (transcription factors).
В период эмбрионального развития белок PAX6 активирует гены, вовлеченные в формирование глаз, мозга, спинного мозга и поджелудочной железы. PAX6 участвует также в развитии нервных клеток ольфакторного тракта, отвечающих за обоняние. В настоящее время роль PAX6 во внутриутробном периоде жизни организма до конца не изучена, и со временем мы получаем все новые факты. После рождения протеин PAX6 регулирует множество генов, активных в глазу.
Недостаточность функции гена PAX6 ведет к тому, что проблемы с глазами возникают после рождения. Так, например, ген PAX6 влияет на регуляцию экспрессии генов, которые участвуют в синтезе кристаллина хрусталика. Недостаточность этой регуляторной функции ведет к развитию катаракты у пациентов с врожденной аниридией.
Ген BDNF
BDNF-ген кодирует белок, обнаруживаемый в головном и спинном мозге. Этот ген участвует в росте, созревании нервных клеток, активен в синапсах[12] головного мозга, которые могут изменяться и адаптироваться в ответ на опыт. BDNF-белок помогает регулировать изменчивость синапсов, что очень важно для процессов обучения и памяти.
BDNF-протеин найден в областях головного мозга, отвечающих за сытость, жажду и вес тела. Скорее всего, он воздействует на эти процессы.
При расшифровке акронима WAGR о многих пунктах я говорил бы условно: так, умственная отсталость может практически отсутствовать или быть заметной только для специалистов.
Есть исследования, показывающие, что активность гена BDNF и выработка BDNF-протеина зависят от внешних факторов – физической активности, диеты и других. Это может быть полезно, если нам вдруг вздумается влиять на него.
Не у всех живых существ мутация в гене PAX6 ведет к аниридии, однако практически все страдают от поражения глаз.
Исследователи находят регуляторные связи PAX6, что облегчает понимание клинической картины врожденной аниридии у человека и изучение того, как влияние PAX6 на иные гены меняет глаз у других животных (причем одни и те же гены у разных животных могут проявлять себя по-разному).
Фенотипические изменения при мутации в PAX-генах у различных видов разные
Данио-Рерио[13]
фтальм[14]
Количество вариантов глаз, существующее в живом мире, и разница в их строении наводят на мысль, что глаз эволюционировал много раз снова и снова и у разных животных прошел разный путь развития.
• Древний ген PAX6 участвовал в регуляции активности других генов, которые строили примитивный двухклеточный глаз.
• В течение эволюции виды удалились один от другого очень далеко, но все сохранили гены, гомологичные PAX6.
• Со временем дупликация привела к появлению новых генов, которые добавили глазу сложности.
Появилось много вариантов глаз у разных классов.
Однако эти новые гены остались под контролем у гомолога гена PAX6.
Рис. 11. Глаз мухи дрозофилы (в нем выделяют омматидии – ощущающие свет единицы) и человека. У всех глаз был общий предок – фоторецепторная клетка, в дальнейшем эволюция создала много вариантов различных глаз, однако во всех сохранилась важная роль аналогов гена PAX6. Глаз мухи дрозофилы кардинально отличается от человеческого, он состоит из множества маленьких микроглаз омматидиев, однако у мухи и человека есть общий ген, регулирующий работу глаза, который достался им от общего предка
Интересный факт: ген PAX6, регулирующий развитие глаза и нервной системы, есть у фруктовой мухи, червяка и человека, и у всех он занимается одним и тем же. Это наводит на мысль о том, что PAX6 был у нашего общего предка очень и очень давно, и, скорее всего, тогда глаз еще представлял собой пару рецепторной и пигментной клеток. А вот дальнейшее развитие – увеличение количества глаз, устройство глазодвигательных мышц – уже шло индивидуально и не один раз, что и привело к такому разнообразию типов глаз, наблюдаемых сегодня.
Рис. 12. Древний ген PAX6
Секреты развития
Интересная особенность врожденной PAX6-аниридии: при ней можно найти эмбриональные сосуды на поверхности хрусталика. Они снабжают его кровью внутриутробно, но должны отсутствовать к моменту появления на свет.
Persistent tunica vasculosa lentis – так называется состояние, когда сосуды на поверхности хрусталика остаются после рождения.
Это действительно очень интересное заболевание, изучение которого дает представление о многих процессах, происходящих в глазу.
Внутриутробное формирование хрусталика человека начинается, когда сам эмбрион размером 4 мм. В отличие от остальных частей глаза, развивающихся из нейроэктодермы, хрусталик развивается из поверхностной эктодермы.
Первая стадия роста начинается, когда оптический пузырь, формирующийся при выпячивании нейроэктодермы, приближается к поверхностной эктодерме. Оптический пузырь индуцирует формирование хрусталиковой плакоды (структуры в голове эмбриона) из ближайшей эктодермы (внешние покровы).
В стадии 4-миллиметрового эмбриона хрусталиковая плакода имеет один слой столбчатых клеток. В развитии хрусталиковой плакоды и оптического пузыря принимают участие гены SOX2 и POU2F1. Мутация в гене SOX2 связана с двусторонним анофтальмом (недоразвитием или отсутствие обоих глазных яблок).
Большую часть своего внутриутробного пути хрусталик имеет свои кровеносные сосуды. Иногда их можно видеть и после рождения. Обычно это редкая находка, но такое встречается при некоторых заболеваниях.
Одно из таких заболеваний – врожденная аниридия, которая чаще всего связана с мутацией в гене PAX6. Аниридия проявляется отсутствием радужки и другими изменениями, среди которых в том числе бывают изменения хрусталика.
При аниридии часто можно видеть то, что называют persistent tunica vasculosa lentis – сосуды на поверхности хрусталика. Обычно они очень тонкие, и у совсем маленьких детей их сложно рассмотреть.
Такая сосудистая сеть не меняется со временем – не исчезает.
Поделиться книгой: