ОПЕЧАТКИ В ДНКовом ТЕКСТЕ (полиморфизм и мутации)
ОПЕЧАТКИ В ДНКовом ТЕКСТЕ (полиморфизм и мутации)
Изменчивость — источник всех отрад, суть музыки и вечности уклад.
Джон Донн
Как великий художник,
природа умеет и с небольшими средствами достигать великих эффектов.
Г. Гейне
Каждый человек уникален, следовательно, уникальным должен быть и его геном. По этой причине между любыми двумя людьми, если они не однояйцовые близнецы, всегда имеются значительные индивидуальные различия (их называют различиями в фенотипе). Они проявляются во многом, в частности, во внешности, в физических возможностях, в отношении предрасположенности к развитию определенных заболеваний, в реакции организма на воздействие факторов окружающей среды или лекарственных средств, в умственных способностях и поведении. Однако, как оказалось, из свыше 3,2 миллиардов генетических букв, из которых состоит ДНК человека, 99,9 процента одни и те же у всех людей. Выходит, что всего от одной десятой процента генома зависит, кто мы есть, — высокие или низкие, красивые или не очень, больные или здоровые, сильные или слабые, умные или глупые, оптимисты или пессимисты, добрые или, наоборот, жестокие и так далее.
Различия между нуклеотидными последовательностями ДНК разных индивидуумов связаны главным образом с тем, что за время длительной человеческой эволюции в нашем геноме накопилось довольно много случайных, вызванных разными причинами, изменений. Эти «опечатки» в ДНКовом тексте, которые каждому из нас достаются от двух родителей в случайном сочетании и наследуются, называют мутациями.
Очень трудно издать книгу (особенно если она большая по объему) без опечаток, хотя в процессе подготовки их тщательно отслеживают и автор, и редактор, и корректор. Известна старая история о споре двух издателей, когда один из них утверждал, что сумеет выпустить книгу без единой опечатки. И, действительно, при самой тщательной проверке в тексте этой книги опечаток не нашли. Но издатель проиграл спор: опечатка была в самом названии книги! И книга, которую сейчас читаете вы, наверняка будет содержать опечатки (хотелось бы только, чтобы их число было минимальным и чтобы их не было в названии).
Мутации в ДНК — естественные наследуемые изменения — опечатки в ДНКовом тексте. Каждый раз, когда клетка в очередной раз делится, необходимо выполнить грандиозную задачу — копировать свыше 3 млрд. букв. В клетке этим занимается целая армия специальных ферментов, которые выполняют свою гигантскую работу в среднем за один рабочий день (7 часов). При этом неправильные буквы первоначально возникают в 10000 участках нового ДНКового текста, а потом эти же ферменты, выступая уже в роли «корректоров», исправляют его. В конечном итоге при копировании ДНК остается только 1 ошибка на 10 млн. п. н. Из этого легко понять, что чем больше раз копируется (реплицируется) ДНК, тем больше в ней накапливается ошибок.
Изменения в структуре ДНК имеют разнообразный характер. В первую очередь это «точковые мутации». Такие мутации представляют собой опечатки в ДНКовом тексте, когда одна из 4 букв выпадает из текста или заменяется на какую-нибудь другую из них. В сумме эти опечатки в масштабах одного генома, как правило, невелики. (Уже говорилось, что мы в среднем отличаемся друг от друга приблизительно в одной позиции нуклеотидов из каждой тысячи). Это явление называют полиморфизмом генома. Отличие между мутациями и полиморфизмом достаточно условно. Когда один из вариантов нуклеотидных последовательностей определенного участка ДНК выявляется более чем у 1% людей в популяции, то такую вариабельность чаще всего называют полиморфизмом, если же менее 1% — просто мутацией.
Мутации могут быть простейшими заменами одного нуклеотида на другой, а могут представлять собой более сложные изменения ДНКового текста, в виде вставки в готовый текст других «букв» и текстов или, наоборот, потери ряда «букв», «слов» или целых «предложений». Изредка отдельные куски ДНКового текста даже переворачиваются. Все это и есть «опечатки». Однако опечатка опечатке рознь. Чаще всего мутации не сказываются заметным образом на фенотипе человека. Это и понятно. В абракадабре, которую из себя представляет свыше 70% ДНКового текста человека, появление 1–2 и даже порой сотни «опечаток» может ровным счетом ничего не менять. Но это не всегда так. Некоторые из них очень сильно влияют на человека.
Этому есть аналогия в лингвистике. Так, существуют слова-паронимы, которые сходны по строению, имеют общий корень, но смысл которых сильно отличается при разнице всего в одной букве. Пример: нового посетителя представляют гостям, но бывают нерадивые хозяева, которые предоставляют гостей самим себе.
Известно и множество случаев из жизни, которые свидетельствуют о важном значении некоторых на первый взгляд незначительных «опечаток». Яркий примером может служить судьба марок бывшей британской колонии — острова Маврикий. В давние времена на этом острове решили вдруг срочно отпечатать свои марки. На этом настояла жена губернатора, которая организовывала пышный прием, а вот марок для приглашений на острове не оказалось. Срочность заказа привела к тому, что гравер в спешке, да еще и спьяну перепутал надпись на марке и вместо «Почтовый сбор оплачен» написал «Почтовая контора». Теперь эти марки стоят у коллекционеров бешеных денег. Такова цена полиграфической опечатки.
Сходная ситуация имеется и в геноме человека. Некоторые «опечатки» в ДНКовом тексте, особенно расположенные в генах или непосредственно рядом с ними, весьма существенны для человека. В качестве примера можно привести широко известный случай одной из мутаций (делеция части ДНКового текста) в человеческом гене CCR5. Укороченный вариант этого гена обеспечивает невосприимчивость людей к вирусу иммунодефицита человека. В результате этого чума XX века — СПИД — таким людям не страшна. В Европе такой вариант довольно широко распространен и достигает в некоторых регионах 9%. А вот в Африке он обнаружен менее чем у 0,1% жителей.
Хотя известны различные виды генетического полиморфизма, однако полиморфизм единичных нуклеотидов является самым распространенным типом вариабельности нуклеотидных последовательностей ДНК. Более того, он оказался наиболее перспективным и для чисто практического применения. Сейчас подсчитано, что в геноме человека приблизительно 3 млн. п.н. должны быть вариабельными. Такие вариабельные (полиморфные) участки были названы снипсами (по-английски snps — от Single Nucleotide Polymorphisms — единичные (сингулярные) нуклеотидные полиморфизмы). Термином «снипсы» обозначаются «точечные» отличия (полиморфизмы) в нуклеотидных последовательностях ДНК различных индивидуумов, вызванные заменой единичного химического звена ДНК-нуклеотида. Постараемся запомнить этот непривычный пока еще термин — далее это нам очень пригодится.
Уже в процессе секвенирования генома человека в 1999 г. был создан специиальный международный консорциум для идентификации и картирования только снипсов — «The SNP Consortium Ltd». Целью нового многосотмиллионного исследовательского проекта стало создание сводной карты, показывающей расположение в геноме человека этих «генетических маркеров». В настоящее время установлены 2,2 млн. снипсов (напомним, что общее их число считается равным 3 млн.). Поскольку гены могут содержать от тысячи до миллиона нуклеотидов, то практически в каждом гене или рядом с ним можно обнаружить один или несколько снипсов. Сейчас выявлено 33,5 тыс. снипсов, расположенных в экзонах, что примерно соответствует общему числу генов у человека. Следовательно, большая часть снипсов (около 99%) расположена в тех участках молекулы ДНК, которые не кодируют синтез белков. По этой причине, как правило, снипсы не имеют существенного биологического эффекта. Хотя это и не всегда так.
Изначально было ясно, что создание карты снипсов — маркеров человеческого генома может стать весьма полезным для проведения различных генетических исследований в медицине и фармакологии, даст ключ к пониманию уникальности личности, роли наследственности в интеллектуальных способностях и чертах характера. И снипсы стали использовать, в первую очередь, в качестве генетических маркеров, поскольку пока нет возможности секвенировать целиком геном каждого индивидуума. Нет сомнения, что в обозримом будущем на этой основе станет возможным создание генетического паспорта каждого человека.
Когда такие опечатки в ДНКовом тексте, как снипсы, не меняют сильно сам текст, их называют нейтральными или «молчащими» мутациями. Однако имеются опечатки, которые так искажают «слова», что их уже невозможно прочесть. Их называют значащими, «говорящими» мутациями. Такие значащие мутации часто приводят к возникновению разнообразных наследственных болезней. Поскольку снипсы достаточно стабильно передаются от поколения к поколению, их можно использовать в качестве маркеров в генетических исследованиях по выявлению связи генов с теми или иными заболеваниями, по пониманию особенностей метаболизма лекарственных веществ у разных пациентов. Так, например, сравнивая «профиль» снипсов в группах больных и здоровых лиц, можно установить, какие из них наблюдаются чаще у пациентов с данным заболеванием. Последующий анализ этих и соседних со снипсами участков ДНК дает возможность идентифицировать гены, которые обусловливают предрасположенность к заболеванию. Таким образом, применение этого метода позволяет ускорить поиск генов, ответственных за развитие заболеваний, сделав его более направленным. В частности, ученые компании «Glaxo Wellcome» уже использовали методику картирования снипсов для выявления генов, принимающих участие в развитии таких распространенных заболеваний, как сахарный диабет II типа, псориаз и мигрень.
Такой же подход можно использовать для выявления у пациентов особенностей метаболизма, распределения или выведения лекарственных средств, то есть для исследований по фармакогеномике (подробнее об этом речь пойдет далее в специальном разделе). Врачи смогут использовать данные генетических исследований для обоснования индивидуального подхода при назначении лекарственных средств, что значительно снизит риск развития побочных реакций. Хотя перспективность такого подхода очевидна, подробная карта снипсов-маркеров пока еще не составлена. Но работа в этом направлении идет очень активно. Составление таких карт человеческого генома сделает в конечном итоге технически возможным проведение быстрого и относительно недорогого генотипирования большого количества пациентов.
Поскольку снипсов в геноме человека довольно много, то было предложено изучать их не только по отдельности, но и группами, в которые объединяются снипсы, расположеные относительно рядом в геноме. Такие наследуемые вместе группы снипсов получили название гаплотипов. Проведенный анализ показал, что число гаплотипов для каждого гена сильно варьирует и может составлять от 2 до 53 (в среднем, по разным оценкам, — от 4 до 14). Было проведено сравнение таких гаплотипов у 21 белого человека, 20 афроамериканцев, 20 человек азиатского происхождения, 18 латиноамериканцев и 3 американских индейцев. В результате не удалось обнаружить вариантов гаплотипов, характерных для той или иной этнической группы. Вместе с тем некоторые варианты чаще встречались у людей, которые родом из одного географического региона.
По оценке ученых компании Genaissance Pharmaceuticals в среднем существует 14 вариаций каждого человеческого гена. Ученые проанализировали 313 генов у большого числа американцев, относящихся к 4 расам. Если в геноме человека присутствует примерно 35 тысяч человеческих генов, следовательно, имеется от 400 до 500 тысяч их вариаций. Обнаружение столь большой амплитуды генетических изменений может потребовать пересмотра традиционных представлений о геноме человека. Сейчас планируется создание каталога гаплотипов каждого человеческого гена. Для этого потребуется проанализировать ДНК у тысяч представителей разных континентов нашей планеты.
Далее мы еще вернемся к вопросу о важности снипсов, когда будем говорить о практических применениях знаний о геноме человека для медицинской геномики и фармакогеномики. Помимо высокой плотности, снипсы имеют очень низкий уровень мутаций на поколение (~10–8), что делает их удобными маркерами для анализа молекулярной эволюции (далее мы поговорим о «молекулярных часах», которые эффективно используются генетиками в геногеографии и эволюционной геномике).
Другой вид полиморфизма генома человека связан с повышенной нестабильностью таких уже упоминавшихся повторов генома, как мини- и микросателлиты. Эта нестабильность проявляется в разном числе повторяющихся элементов в отдельных локусах у разных индивидуумов и приводит к сильному полиморфизму. Уровни нестабильности таких тандемно расположенных повторов значительно отличаются в разных локусах. Особое внимание привлекают к себе гипермутабельные сателлиты. В частности, нестабильность ди- и тринуклеотидных минисателлитов обуславливает так называемые динамические мутации, при которых увеличение числа копий повторяющихся элементов (экспансия) выше некого критического уровня приводит к опухолевому росту клеток и развитию некоторых наследственных нейромышечных заболеваний (миотоническая дистрофия, хорея Хантингтона, болезнь Кеннеди и др.). В результате экспансии число повторяющихся элементов в одном локусе может достигать нескольких тысяч. Например, число тринуклеотидных повторов ЦТГ в гене миотонинпротеинкиназы в норме не превышает 27, а при развитии миотонической дистрофии это число увеличивается обычно в тысячу и более раз. Причины такой нестабильности пока до конца не ясны. Как наиболее вероятный механизм этого явления — «проскальзывание» в ходе репликации ДНК.
Сильная изменчивость мини- и микросаттелитов нашла практическое применение и в так называемой геномной дактилоскопии. Наиболее известный пример ее использования — идентификация останков царской семьи. Подробнее об этом опять же поговорим дальше в специальном разделе.
Данный текст является ознакомительным фрагментом.