Хромосома 11 Индивидуальность 7 страница



Напрасно Крик призывал не относиться слишком серьез­но к его версии генетического кода: «Наши предположения и догадки относительно генетического кода, который нам предстоит разгадать, настолько шатки и умозрительны, что мы не можем на них полагаться. Мы взяли их за осно­ву просто потому, что, базируясь на простых и допустимых с точки зрения физики постулатах, нам удалось получить магическое число 20». Ведь открытая на тот момент струк­тура двойной спирали ДНК сама по себе не предоставляла никаких свидетельств относительно генетического кода. Но ликование ученых не прекращалось. Через пять лет уже никто не сомневался в верности кода Крика.

Однако время теорий стремительно уходило. На сме­ну им шел эксперимент. В 1961 году Маршалл Ниренберг (Marshall Nirenberg) и Иоганн Маттеи (Johann Matthaei) расшифровали одно «слово» генетического кода. Для это­го они просто синтезировали молекулу РНК, состоящую только из буквы U (урацил — эквивалент тимина (буквы Т) в молекуле ДНК). Затем синтезированные молекулы были помещены в суспензию рибосом и активированных амино­кислот. Система заработала, выдав на-гора белковый поли­мер, состоящий из одной аминокислоты — фенилаланина. Первое слово кода было взломано: UUU означает фенила- ланин. Это открытие похоронило лишенный знаков препи­нания код Крика. Если бы Крик был прав, генетикам никог­да не пришлось бы столкнуться с мутацией «сдвига рамки считывания», когда потеря одного нуклеотида в середине гена превращает в мусор весь последующий код. Впрочем, версия кода, которую предпочла Природа, хотя и не столь элегантна, но более устойчива к мутациям замены одного нуклеотида на другой, поскольку одна и та же аминокислота может кодироваться несколькими кодонами (Hayes В. 1998. The invention of the genetic code. American Scientist 86: 6-14).

К 1965 году уже весь код был известен, и началась эра современной генетики. Вершины, которые с таким трудом покоряли генетики 1960-х, в 1990-х годах стали рутиной. И вот, в 1995 году наука вернулась к давно уже умершим паци­ентам Арчибальда Гаррода с их чернеющей мочой. Теперь наука уже точно могла сказать, в каком месте и в какой хро­мосоме происходит грамматическая ошибка кода, ведущая к алкаптонурии. История этой болезни оказалась в сжатом виде историей генетики XX столетия. Напомним, алкапто- нурия — это очень редкое и неопасное заболевание, легко устранимое, если придерживаться определенной диеты. Именно поэтому болезнь оставалась неинтересной для врачей и науки. В 1995 году два испанских ученых, подтал­киваемые главным образом значимостью болезни в плане истории генетики, взялись за раскрытие тайны. В экспе­риментах с плесневым грибком Aspergillus им удалось по­лучить мутант, который накапливал пурпурный пигмент при наличии в среде фенилаланина — гомогентизиновую кислоту. Как и предполагал Гаррод, у мутанта была нефунк­циональная версия фермента гомогентизатдегидрогеназы Разрезав геном грибка на кусочки с помощью специальных ферментов, ученые установили фрагменты ДНК, которые делали мутант отличным от исходной культуры. В конце концов им удалось отыскать интересуемый ген в геноме грибка. Воспользовавшись последовательностью нуклеоти­дов гена, ученые провели поиск среди известных последо­вательностей нуклеотидов генома человека в надежде най­ти что-то похожее. Удача им улыбнулась. На длинном плече хромосомы 3 находился «абзац» ДНК, последовательность букв в котором на 52% совпадала с последовательностью букв в гене грибка. Выделив этот ген у больных алкапто­нурией и сравнив его с соответствующим геном здоровых людей, ученые обнаружили отличие в одну «букву» либо в 60-й, либо в 90-й позиции от начала гена. С потерей одной «буквы» из-за сдвига рамки считывания теряется смысл всего последующего текста гена. Синтезируемый белок ста­новится нефункциональным и не может выполнять свою работу (Scazzocchio С. 1997. Alkaptonuria: from humans to moulds and back. Trends in Genetics 13: 125-127; Fernandez- Canon J. M., Penalva M. A. 1995. Homogentisate dioxygenase gene cloned in Aspergillus. Proceedings of the Natural Academy of Sciences of the USA 92: 9132-9136).

Это пример «скучного» гена, выполняющего «скучную» биохимическую работу в организме человека, поломка ко­торого ведет к «скучной» болезни. В нем нет ничего удиви­тельного или уникального, например тайных связей с интел­лектом человека или гомосексуальными наклонностями. Он ничего не расскажет нам о происхождении человека. Он не проявляет своего эгоистичного характера, как некоторые другие гены. Он не нарушает законов Менделя и не может убивать или калечить. У всех живых существ на планете этот ген делает одну и ту же работу. Он есть даже у пекарских дрожжей и выполняет те же функции, что и у человека. Тем не менее ген гомогентизатдегидрогеназы заслужил упомина­ния в истории генетики за ту роль, которую он сыграл в по­нимании законов наследственности. Даже этот унылый ма­ленький ген символизирует красоту и совершенство законов природы, сформулированных когда-то Грегором Менделем, являясь их материальным воплощением в микроскопиче­ской спирально завитой двуцепочечной молекуле из четы­рех букв, лежащей в основе всего живого на Земле.

Хромосома 4 Злой рок

Откройте любой каталог генома человека, и вместо спи­ска потенциалов и возможностей человека вы увидите длин­ный перечень заболеваний со сложными трудно запомина­ющимися названиями, которые состоят из двух-трех имен центральноевропейских врачей. Один ген вызывает болезнь Нимана-Пика, а другой— синдром Вольфа-Хиршхорна, еще множество генов являются причинами заболеваний, имеющих причудливые названия. Создается впечатление, что гены — это возбудители болезней. «Открыт ген психиче­ского заболевания», «Ген ранней дистонии», «Выделен ген рака почек», «Установлена связь аутизма с геном переноса серотонина», «Новый ген болезни Альцгеймера», «Генетика маниакального поведения» — обычные заголовки печатных и Интернет-изданий.

Давать генам названия болезней — это такая же нелепая идея, как называть органы человека присущими им заболе­ваниями: печень у человека для цирроза, сердце — для ин­фаркта, мозг — для безумия. Каталожные названия генов указывают не на глубину наших знаний, а на меру нашего незнания того, как работает геном. Действительно, все, что нам известно о работе большинства генов, — это то, какая болезнь у человека разовьется, если данный ген перестанет работать. Это ведет к появлению убийственно неверных сентенций в публикациях, отражающих ход мысли не толь­ко в головах широкой публики, но и врачей: «У больного X обнаружен ген Вольфа-Хиршхорна». Не верно. У всех у нас есть ген Вольфа-Хиршхорна. Как иронично это не звучит, его нет только у людей, страдающих синдромом Вольфа- Хиршхорна. Болезнь как раз является результатом полного отсутствия этого гена в хромосомах больного. Только бла­годаря тому что этот ген работает, все остальные люди не страдают данным синдромом. Причиной заболеваний яв­ляются мутации в генах, а не сами гены.

Синдром Вольфа-Хиршхорна — это редкое и очень тя­желое заболевание. Данный ген настолько необходим ор­ганизму, что его отсутствие приводит к гибели в раннем возрасте. Этот ген, лежащий на хромосоме 4, является, пожалуй, одним из наиболее известных генов, связан­ных с генетическими заболеваниями. Описано совершен­но другое заболевание, также связанное с поломками в этом гене: хорея Хантингтона. Итак, мутация в гене вы­зывает хорею Хантингтона, а отсутствие гена — синдром Вольфа-Хиршхорна. Нам почти ничего неизвестно о том, какие функции выполняет этот ген в обычной жизни, но в мельчайших деталях мы знаем, где именно в гене могут произойти ошибки и к каким ужасающим последствиям для организма они приводят. Ген содержит многократно повторяющееся «слово»: CAG CAG CAG CAG ... Это сло­во повторяется иногда 6 раз, иногда 30, а иногда — сотни раз. Ваша судьба, ваше здоровье и ваша жизнь находятся в руках этой повторяющейся последовательности. Если «слово» повторяется 35 раз или меньше, все нормально..

Единственная причина болезни лежит в ошибке гена. Если в гене больше 39 повторов, человек обречен заболеть хореей Хантингтона, если меньше — эта болезнь ему никог­да не грозит. Во всем этом есть такая огромная доля детер­минизма и злого рока, о котором Кальвину даже не прихо­дилось мечтать.

0Джон Кальвин (John Calvin, 1509-1564) — французский тео­лог, основоположник кальвинизма — теории о всеобщей предопределенности.

На первый взгляд это кажется убедительным доказатель­ством того, что если задействованы гены, то уже невозмож­но ничего изменить и мы можем лишь подчиниться судьбе. Действительно, не важно, курите вы или нет, принимаете ли вы витамины, насколько тяжело и где вы работаете. Возраст, в котором наступит болезнь Хантингтона, зави­сит лишь от одного — сколько раз в гене повторилось сло­во CAG. Если в гене 39 повторов, то с уверенностью в 90% можно утверждать, что безумие наступит в 75 лет, а первые симптомы появятся в 66. Если 40 повторов, то к 59 годам че­ловек превратится в растение, если 41 — то к 54 годам, если 42 — к 37 годам и т.д. Несчастные, у которых около 50 по­второв в гене, сойдут с ума уже к 27 годам. Удивительно, как много могут значить повторы в одном гене. Если мы рас­тянем хромосому вдоль всего экватора, то разница, отделя­ющая больного человека от здорового, будет заключаться в цепи нуклеотидов длиной всего несколько сантиметров (GusellaJ. F. et al. 1996. Hantington's disease. Cold Spring Harbor Symposia on Quantitative Biology 61: 615-626).

Никакой гороскоп не может похвастаться такой точно­стью прогноза. Никакая теория причинно-следственных связей, ни фрейдизм, ни марксизм, ни Библия, ни колду­ны никогда не предсказывали судьбу человека с такой точ­ностью. Ни пророкам Ветхого Завета, ни всевидящему оку греческих оракулов, ни ясновидящим и цыганам с картами и магическими кристаллами не удавалось определить год смерти человека, да еще и получить научное подтверждение этого. Перед нами лежит ужасающее своей неизбежностью и неуклонностью пророчество, записанное в генах. В геноме человека миллиарды трехсимвольных слов, но только число повторов этого слова в определенном месте на хромосоме 4 полностью определяет нашу судьбу и психическое здоровье.

Болезнь Хантингтона, о которой стало широко известно после смерти известного певца Вуди Гатри (Woody Guthrie) в 1967 году, впервые была описана доктором Джорджем Хантингтоном (George Huntington) в 1872 году на восточ­ном побережье Лонг-Айленда. Он обратил внимание на то, что болезнью страдают члены одной семьи. Дальнейшие ис­следования показали, что больные Лонг-Айленда были лишь ветвью более широкого генеалогического дерева, корни которого уходят в Новую Англию. В двенадцати поколени­ях этого рода зафиксировано тысячи случаев болезни. Все они являются потомками двух братьев, эмигрировавших из Саффолка (Suffolk) в 1630 году. Некоторые из их потомков были сожжены в 1693 году в Салеме (Salem) за колдовство. Вероятно, за колдовство приняли раннее проявление болез­ни Хантингтона. Поскольку болезнь проявляла себя только во второй половине жизни, когда несчастные уже обзаве­лись семьей и детьми, болезнь не влияла на численность потомства больного, поэтому не отсеивалась в поколениях. Напротив, в ряде исследований было показано, что у людей с мутацией было даже больше детей, чем у их братьев и се­стер, избежавших этой злой участи (Huntington G. 1872. On chorea. Medical and Surgical Reporter 26: 317-321).

Болезнь Хантингтона была первым описанным при­мером доминантного генетического заболевания людей. В отличие от алкаптонурии, которая возникает, только если обе копии гена повреждены, для возникновения бо­лезни Хантингтона достаточно того, чтобы лишние повто­ры оказались только на одной хромосоме. Есть сведения, что болезнь развивается быстрее с более сильными прояв­лениями расстройств и с тенденцией к накоплению новых повторов, если ген унаследован от отца.

В конце 1970-х годов одна целеустремленная женщина ре­шила бросить вызов болезни Хантингтона. События разви­вались так. Вдова Вуди Гатри вскоре после его смерти осно­вывает Комитет по борьбе с хореей Хантингтона. В этот комитет входит доктор Мильтон Векслер (Milton Wexler). Жена и три его шурина страдают болезнью Хантингтона. Дочь Векслера, Нэнси, знает, что с вероятностью в 50% она унаследовала этот страшный ген, поэтому поиск гена Хантингтона стал смыслом ее жизни. Ей советовали не то­ропиться. Сейчас искать ген все равно, что искать иголку в стоге сена. Это бессмысленно. Через несколько лет тех­ника и методы станут более совершенными, тогда это и станет возможным. На что Нэнси отвечала: «Если у вас бо­лезнь Хантингтона, у вас нет нескольких лет, чтобы ждать». Прочитав в журнале публикацию венесуэльского доктора Америко Негретте (Americo Negrette), она в 1979 году вы­летает в Венесуэлу в сельскую местность, затерянную на бе­регу залива Маракайбо (Lake Maracaibo), где находятся три деревни — Сан Луис (San Luis), Барранкитас (Barranquitas) и Лагунета (Laguneta). Огромный и почти отрезанный от моря залив Маракайбо расположен в западной части Венесуэлы за горами Кордильера-де-Мерида (Cordillera de Merida).

Среди жителей этих отрезанных от мира деревень, ко­торые приходятся друг другу родственниками, широко рас­пространена болезнь Хантингтона. По преданию болезнь пришла в XVIII веке с заезжим моряком. Нэнси Векслер уда­лось проследить родословную семей, страдающих болезнью Хантингтона, вплоть до начала XIX столетия, до женщины по имени Мария Консепсион (Maria Conception). Она жила в Пуэблос-де-Агуа (Pueblos de Agua) — маленькой деревуш­ке, стоящей на сваях над водой. Векслер насчитала 11 ООО прямых потомков этой женщины в восьми поколениях, из которых в 1981 году в живых было 9 ООО. На момент прибы­тия Векслер 371 из них страдали болезнью Хантингтона, и еще у 3 600 был риск с вероятностью не менее 25% заболеть этой болезнью, поскольку хотя бы один из дедушек или одна из бабушек стали ее жертвой.

Векслер принялась за работу с невероятным энтузиаз­мом, который можно понять, так как у нее самой был риск заболеть болезнью Хантингтона. «Невыносимо смотреть на многочисленных детей, — пишет она, — полных надеж­ды и ожиданий счастливой жизни, несмотря на бедность и безграмотность, несмотря на опасную и изматывающую работу мальчиков, ловящих рыбу в маленьких лодочках на неспокойном озере, и хрупких девушек, держащих на сво­их плечах дом и заботящихся о больных родителях, тогда как безжалостная болезнь лишает их родителей, дедушек и бабушек, тетушек и дядюшек, племянников и племянниц. Они все такие первозданно жизнерадостные, пока болезнь не вонзит в них свои когти» (Wexler N. 1992. Clairvoyance and caution: repercussions from the Human Genome Project. In: The code of codes. Ed. D. Kevels, L. Hood. p. 211-243. Harvard University Press).

Векслерначалаперебиратьстогсенавпоискахиголки. Прежде всего она взяла анализ крови у 500 человек: «жар­кий, шумный день забора крови». Образцы крови она посы­лает для анализа в лабораторию Джима Гуселлa (Jim Gusella) в Бостоне. Он начинает поиск специфических генетиче­ских маркеров — случайно выбранных участков ДНК, ко­торые могут быть, а могут и не быть, специфичными для больных людей. Фортуна улыбнулась ему, и в середине 1983 года он не только нашел маркерную последовательность, но и выяснил, что данная последовательность находится на длинном плече хромосомы 4. Ему удалось определить, что где-то среди этих 3 млн пар нуклеотидов хромосомы лежат те, с которыми связано возникновение болезни. Вскоре он смог сократить область поиска до 1 млн нуклеотидов. Стог сена стал меньше, но все еще был большим. И через восемь лет точное местонахождение гена все еще оставалось тай­ной. «Было чрезвычайно сложно разобраться в этих терно­вых зарослях на вершине хромосомы 4, — пишет Векслер. — Наверно, также сложно, как взобраться на Эверест» (см. ссылку на Wexler N. 1992 в предыдущем абзаце).

Упорство рано или поздно приводит к победе. В 1993 го­ду ген, наконец, был найден, его текст прочитан и мутация, ведущая к болезни, определена. Ген кодирует белок под названием хантингтин. Белок был открыт уже после гена, отсюда его название. Повтор «слова» CAG в середине гена ведет к тому, что в середине белка появляется длинная це­почка из аминокислоты глутамина (в генетическом коде CAG означает глутамин). В случае с болезнью Хантингтона чем больше глутамина в цепочке, тем быстрее развивается болезнь (Hantington's Disease Collaborative Research Group. 1993. A novel gene containing a trinucleotide repeat that is ex­panded and unstable on Hantington's disease chromosomes. Cell 72: 971-983).

Несмотря на полученные сведения, о причинах возник­новения болезни ничего неизвестно. Если ген поврежден, то почему он справляется со своими функциями первые 30- 70 лет жизни? Можно предположить, что мутантная форма хантингтина постепенно накапливается в клетках, пока не приводит к коллапсу. Так же происходит, например, в слу­чае с болезнью Альцгеймера и коровьим бешенством — на­копление липких сгустков мутантного белка внутри клеток приводит к их смерти, вероятно, вследствие апоптозиса — запрограммированного самоубийства клеток. При болезни Хантингтона поражаются в первую очередь клетки моз­га, управляющие координацией движений, что приводит к дрожанию рук, а затем — к параличу (Goldberg Y. R et al. 1996. Cleavage of hantingtin by apopain, a proapoptotic cys- tein protease, is modulated by the polyglutamine tract. Nature Genetics 13: 442-449; DiFiglia M. et al. 1997. Aggregation of huntingtin in neuronal intranuclear inclusions and dystrophic neurites in brain.Science 277: 1990-1993).

К удивлению, оказалось, что проблемы с зациклива­нием «слова» CAG не ограничиваются только болезнью Хантингтона. Было открыто еще пять неврологических наследственных заболеваний, связанных с «нестабильны­ми повторами CAG» в совершенно разных генах. Одно из этих заболеваний — церебральная атаксия. Еще удивитель­нее был результат эксперимента, в котором последователь­ность многократно повторяющихся нуклеотидов CAG встав­лялась в гены мышей, подобранные случайным образом. Во всех случаях проявлялась картина нервного расстройства, напоминающая болезнь Хантингтона. Таким образом, длин­ные повторы CAG могут вызывать неврологические заболе­вания, в каком бы гене они не находились. Позже было уста­новлено, что дегенеративные расстройства психики могут вызывать повторы других слов, начинающихся с С и закан­чивающихся на G. В итоге к шести известным болезням, вызываемым повторами CAG, добавились другие болезни из той же серии. Так, в начале одного гена на половой хро­мосоме X было обнаружено более 200 повторов слов CCG и CGG, что приводит к заболеванию, известному как «ломкая хромосома X» — меняющееся по проявлениям, но вполне характерное для других перечисленных выше заболеваний расстройство психики. (До 60 повторов считается нормой, но в некоторых случаях число повторов достигало тысячи.) Повтор слова CTG от 5 до 1000 раз в одном из генов на хро­мосоме 19 ведет к миотонической дистрофии. Еще дюжину наследственных болезней человека связывают с повторяю щимися нуклеотидными триплетами. Все их объединяют в группу так называемых пол иглутаминовых болезней. Во всех случаях синтезируемые белки имеют свойство сбиваться в комки и накапливаться в клетках, что приводит к их смер­ти. Отличия в симптомах связаны с тем, что разные гены включаются в работу в разных органах человеческого тела (Kakiuza А. 1998. Protein precipitation: a common etiology in neurodegenerative disorders. Trends in genetics 14: 398-402).

Что же такого особенного в «слове» C*G, кроме того, что оно означает глутамин? Разгадка пришла с открытием феномена, называемого «ожидаемая репликация». Было известно, что в некоторых случаях болезни Хантингтона у детей от больных родителей болезнь обостряется и на­чинается в более молодом возрасте, поскольку у них в хро­мосоме число повторов возрастает. Феномен ожидаемой репликации состоит в том, что чем больше повторов, тем с большей вероятностью число повторов еще более увели­чится в следующем поколении. Известно, что нуклеотиды C*G в однонитчатой ДНК, которая образуется как раз во время репликации, образуют так называемые булавочные ушки — петли, в которых комплементарные нуклеотиды С и G, разделенные одним нуклеотидом, расположенным между ними, образуют связь. Петля разрывается, только когда белок, осуществляющий репликацию, уже прошел этот триплет. В результате белок может быть отброшен на­зад, и триплет будет скопирован повторно (Bat О., Kimmel М., Axelrod D. Е. 1997. Computer simulation of expansions of DNA triplet repeats in the fragile-X syndrome and Hantington's disease .Journal of Theoretical Biology 188: 53-67).


Дата добавления: 2018-02-28; просмотров: 246; Мы поможем в написании вашей работы!






Мы поможем в написании ваших работ!