ДНК. История генетической революции - Джеймс Д. Уотсон

Лап-Чи Цуи добился первых успехов в 1985 году, когда нашел связь между патентованным набором ПДРФ, открытым для использования с целью анализа генов муковисцидоза, и непосредственно самим геном муковисцидоза. Уильямсон и Уайт буквально дышали ему в затылок. Их статьи были одновременно опубликованы в журнале Nature, и в этих работах сообщалось, что ген муковисцидоза локализован в длинном плече седьмой хромосомы, а ближайший маркер отстоит от него примерно на миллион оснований.

Следующий этап обещал быть еще тяжелее, если вы помните, поиски происходили за пять лет до запуска проекта «Геном человека». Миллион оснований по-прежнему оставался огромным промежутком для клонирования «генетиков-навигаторов». Поэтому Лап-Чи Цуи объединился с Френсисом Коллинзом, экспертом по молекулярной генетике, который в ту пору работал в Мичиганском университете, а впоследствии успешно сменил меня на посту директора проекта «Геном человека».

Лап-Чи Цуи, искатель генов

Френсис Коллинз разработал методы «прыжков» между двумя известными полиморфизмами длин рестрикционных фрагментов. В 1989 году, после двух лет работы, Цуи и Коллинз смогли идентифицировать кандидатный ген, кодирующий мембранный белок, известный своей ролью в функционировании потовых желез у человека; известно, что у больных муковисцидозом эти железы не работают. Секвенирование гена и поиск мутаций в обеих его копиях у пациентов с муковисцидозом завершились успехом: оказалось, что у большинства больных отсутствует участок ДНК длиной в три основания, а в достаточно большом по размерам белке муковисцидоза не хватает всего одной аминокислоты. Такого дефицита аминокислоты оказалось достаточно, чтобы полностью нарушить естественную укладку белка и доставку его к клеточной мембране. На эту единственную мутацию приходится 70 % всех случаев муковисцидоза. Кроме описанного дефекта зарегистрировано еще более тысячи связанных с ним мутаций. Такое изобилие патологических вариантов значительно усложнило гено-диагностику муковисцидоза.

В то время как генетическое сообщество праздновало удачное картирование и выделение гена муковисцидоза, Нэнси Векслер, Дэвид Хаусман, Джим Гузелла и их коллеги все занимались поисками гена болезни Хантингтона. Ушло десять лет работы, в которой участвовало 150 ученых со всего мира, пока «зловредный» ген наконец не был засечен: консорциумученых выделил его на критически важном участке 4-й хромосомы в позиции 4p16.3, который назвали IT15 («интересный транскрипт 15»). Генетический дефект, приводящий к хорее Хантингтона, обусловлен экспансией нестабильного тринуклеотидного кодона CAG, кодирущего глутамин, который транслируется в протеине как полиглутаминовый повтор. У здорового индивида встречается меньше 35 последовательных CAG, а у пациентов с болезнью Хантингтона таких фрагментов множество. CAG – это генетический код аминокислоты глутамина. У страдающих болезнью Хантингтона структура белка хантингтина может быть самой разной, так как из-за полиморфизма гена в белке содержится разное количество остатков глутамина. Молекулярная масса хантингтина в основном зависит именно от количества остатков глутамина. Вероятно, такое различие влияет на работу белка в клетках мозга; его молекулы могут образовывать внутри клетки «липкие белковые комочки», и из-за этого клетка погибает. Такое любопытное увеличение последовательностей повторяющихся тринуклеотидов лежит в основе патогенеза многих других неврологических заболеваний, в том числе при синдроме фрагильной X-хромосомы и при спиноцеребеллярной атаксии (spinocerebellar ataxia, SCA). Однако мы до сих пор не вполне понимаем, почему клетки мозга становятся уязвимы для подобных причудливых мутаций.

Несмотря на то что на поиск генов, отвечающих за генетические расстройства – болезнь Хантингтона, миодистрофию Дюшенна и муковисцидоз, – уходит немало времени, по генетическим меркам это «простые» болезни. Они возникают из-за мутации единственного гена и практически не зависят от условий окружающей среды. Таких расстройств существует огромное число, только в современной генетической базе данных перечислено более тысячи, хотя общепопуляционно их число невелико, и каждое из них встречается лишь в отдельных семьях.

Гораздо более распространены «сложные», или полигенные, расстройства, к которым относится множество самых известных недугов: астма, шизофрения, депрессия, врожденные пороки сердца, гипертензия, диабет и рак. Они возникают из-за взаимодействия множества генов, каждый из которых в отдельности оказывает лишь незначительный эффект. Причем для полигенных расстройств обычно характерна еще одна проблема: такие группы взаимодействующих генов могут провоцировать предрасположенность к определенному заболеванию, но разовьется оно или нет, зависит от условий окружающей среды. Допустим, у вас есть набор генетических вариантов, предполагающий склонность к алкоголизму. Однако ваша судьба в этом направлении, а именно ответ на вопрос, станете ли вы алкоголиком, зависит от того, как вы отреагируете на источник возможной болезни, то есть на алкоголь. То же касается и астмы: «хорошим» летом, когда в воздухе мало пыльцы и спор, никаких симптомов астмы у вас может и не быть, несмотря на генетическую предрасположенность к этому заболеванию.

Сложные взаимодействия генов и окружающей среды наиболее очевидны в онкологии. Как будет рассказано в главе 14, рак по сути своей – генетическое расстройство, возникающее из-за мутаций в нескольких генах и в итоге приводящее к возникновению злокачественных клеток. Есть два варианта возникновения раковых мутаций. Некоторые передаются по наследству. Всем известна фраза «это у них семейное», и если некоторые социальные признаки, характеризуемые таким образом, например католицизм, не всегда передаются по наследству, некоторые виды рака неизбежно наследуются. Множество раковых мутаций возникает и в ходе нормальной жизнедеятельности. ДНК может быть повреждена из-за ошибок в работе ферментов, отвечающих за репликацию или починку генетической молекулы, либо вследствие побочных эффектов при нормальных химических реакциях в клетке. Многие виды рака возникают из-за наших же глупых пристрастий к канцерогенам: например, нам нравится жариться под ультрафиолетом или выкурить сигарету. Смысл в том, что ДНК легко повреждается, но именно мы в силах свести эти поломки к минимуму, осознанно организуя свою личную и социальную жизнь.

В 1974 году Мэри-Клэр Кинг (прославившаяся изучением родства между человеком и шимпанзе и работой с «Лас Абуэлас») перебралась в Калифорнийский университет в городе Беркли, где целиком посвятила себя поискам гипотетического гена, вызывающего рак груди. На тот момент до разработки метода, использующего полиморфизм длин рестрикционных фрагментов, оставалось еще шесть лет, но Кинг взялась собирать информацию о семьях, у членов которых в раннем возрасте развивался рак груди (и яичников). Она рассудила, что эти заболевания вполне могут иметь наследственную природу. Скептики были убеждены, что рак груди слишком сильно зависит от факторов окружающей среды и генетический анализ в данном случае бесполезен. Непоколебимая Мэри-Клэр Кинг продолжала уточнять свой набор данных и к 1988 году, проанализировав более 1500 семей, собрала доказательства в пользу того, что ген предрасположенности к раку груди действительно существует.