Геном человека: Энциклопедия, написанная четырьмя буквами - Вячеслав Тарантул

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

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

Рис. 33. Схема процедуры поиска гена-кандидата, ответственного за болезнь Альцгеймера. Фрагмент с геном пресенилина указан внизу темным цветом

Так был найден ген, ответственный за изучаемую патологию, который назвали пресенилин 1. Позднее еще один похожий ген (ген пресенилина 2) был найден на хромосоме 1. Люди с мутациями генов пресенилинов заболевают к 30–60 годам. При этом никакие условия среды, к сожалению, не могут предотвратить или остановить развитие болезни, ведущей в конечном итоге к летальному исходу.

А первый успех на пути использования полиморфизма для определения гена, ответственного за такое заболевание человека, как болезнь Хантингтона, пришел еще в 1983 году. Тогда был локализован на коротком плече хромосомы 4 ген, ответственный за это заболевание. Затем последовали другие успешные работы. В частности, геномный скрининг аллелей предрасположенности в семьях с накоплением диабета типа 1 позволил выявить в хромосоме 6 полиморфный вариант гена, тесно связанного с развитием этого заболевания.

В настоящее время более-менее детально картировано около 1000 генов, связанных с различными болезнями человека. А всего в Энциклопедии человека описано свыше 7,5 тыс. участков, существенные изменения в которых потенциально являются причинами тех или иных наших болезней. Но со всем этим придется еще долго разбираться. Сейчас установлено, что продукты большинства (около 30 %) из хорошо изученных генов, вовлеченных в патогенез, обладают энзиматической активностью. Еще примерно 14 % составляют гены, продукты которых модулируют функции различных белков. Функции продуктов остальных генов многочисленны: факторы транскрипции и их рецепторы, белки, входящие в матрикс, трансмембранные транспортеры и др.

Уже известны гены, мутантные формы которых приводят к сердечно-сосудистым заболеваниям, атеросклерозу, раку и другим заболеваниям. Удалось уже выделить группу генов, которые отвечают за предрасположенность к наркомании и алкоголизму, за различные психические заболевания человека. В частности, обнаружены молекулярные механизмы свыше десятка неврологических заболеваний, получивших общее название болезней триплетных повторов. Суть генетических изменений в этих случаях заключается в размножении (это называют экспансией, захватом) микросателлитов — повторяющихся триплетов — внутри или на концах отдельных генов. Так, давно был известен синдром ломкости X-хромосомы, который проявляется в виде разрывов в длинном плече этой хромосомы. Результат этого — нарушение нормального функционирования центральной нервной системы. «Охотники за генами» обнаружили «больной» ген, который определяет эту патологию (ген FMR1). Оказалось, что в первом экзоне гена FMR1 имется участок, состоящий из повторяющихся тринуклеотидов ЦГГ. У здоровых людей число таких повторов варьирует от 6 до 20, а вот у больных число копий резко увеличено (до 230), в результате чего этот ген перестает работать. Другие заболевания, связанные с увеличением (экспансией) тринуклеотидного повтора, — болезнь Хантингтона (здесь триплет в «больном» гене другой — ЦАГ), миотоническая дистрофия (триплет ЦТГ), болезнь Кеннеди (снова триплет ЦАГ). В сумме умеренная экспансия триплетов ЦАГ (они кодируют аминокислоту глутамин) обнаружена при 8 нейродегенеративных заболеваниях. В этом случае экспансия глутамина вызывает, по-видимому, приобретение белком токсических свойств.

Анализ «больных» генов показал, что часто разные мутации в одном гене приводят к одному и тому же типу патологии. Например, в уже упоминавшемся гене пресенилина обнаружено множество различных мутаций, и все они ассоциированы с болезнью Альцгеймера. Синдром Холта — Орама, характеризующийся скелетными и сердечными аномалиями, обусловлен мутациями в так называемом гомеобоксном гене, расположенном на 12-ой хромосоме. Продукт этого гена скорее всего функционирует как фактор транскрипции в сердце и конечностях. В гене обнаружено 8 мутаций, большая часть которых связана с возникновением преждевременного стоп-кодона. При муковисцидозе — болезни одного гена — проявление патологии весьма разнообразно. Выяснилось, что разные формы этого заболевания связаны чуть ли не с 600 различными мутациями в одном гене.

С другой стороны, в отдельных случаях разные мутации в одном и том же гене могут приводить к развитию разных патологий. Например, четыре вида заболеваний связывают с мутациями в одном гене тирозинкиназы (RET). Одно из них — болезнь Гиршспрунга — представляет собой сложное наследственное заболевание. Кроме того, с другими мутациями в гене RET связаны такие болезни, как множественные эндокринные неоплазии двух разных типов.

Кроме болезнетворных генов обнаружены еще некоторые гены, имеющие прямое отношение к здоровью человека. Выяснилось, что существуют гены, обуславливающие предрасположенность к развитию профессиональных заболеваний на вредных производствах. Так, на асбестовых производствах одни люди болеют и умирают от асбестоза, а другие устойчивы к нему. В будущем возможно создание специальной генетической службы, которая будет давать рекомендации по поводу возможной профессиональной деятельности с точки зрения предрасположенности к определенным профессиональным заболеваниям.