Мусорная ДНК. Путешествие в темную материю генома - Несса Кэри

Тысячи и тысячи участков мусорной ДНК подозреваются в том, что они регулируют биологические сети экспрессии генов. В этом смысле они напоминают указания режиссера, ставящего спектакль. Впрочем, в данном случае указания чрезвычайно сложны и запутанны. Никакая актерская труппа с ними не справилась бы. Забудьте все эти примитивные ремарки типа «Выбегает, преследуемый медведем». Скорее уж они напоминают что-нибудь вроде: «Если вы ставите „Гамлета“ в Ванкувере и „Бурю“ в Перте, в такой-то строке „Макбета“ ударение должно падать на четвертый слог. Если только при этом любительская труппа не ставит „Ричарда III“ в Момбасе, а в Кито не идет дождь».

Ученые сейчас только начинают распутывать тонкие взаимосвязи гигантских сетей мусорной ДНК. Правда, системы, при помощи которых мы пытаемся изучать ее функции, пока еще относительно неразвиты. Поэтому исследователям иногда не так-то просто проверять свои гипотезы экспериментально. И вообще мы занимаемся всем этим сравнительно недавно. Впрочем, порой нужно уметь вовремя отойти от лабораторного стола и от всех этих умных машин, выдающих несметное количество данных. По сути, эксперименты и без того окружают нас на каждом шагу, ведь у природы и эволюции было несколько миллиардов лет на то, чтобы перепробовать всевозможные виды изменений. Даже краткий по геологическим меркам момент, знаменующий появление и распространение нашего собственного вида, предоставил природе время, позволяющее осуществить куда большее количество разнообразных опытов, чем мы, ученые, могли бы мечтать провести. Поэтому на протяжении всей книги мы будем исследовать темноту непознанного при свете факела человеческой генетики.

Как освещать эту темную материю нашего генома? С чего начать? Тут есть много вариантов. Давайте оттолкнемся от одного странного, но неопровержимого факта. Дело в том, что причина некоторых генетических заболеваний — мутации мусорной ДНК. Вероятно, это самая подходящая отправная точка для нашего путешествия в геномную вселенную.

Иногда жизнь кажется ужасно жестокой. На одну семью порой сваливается целая куча несчастий. Вот, например, родился мальчик, назовем его Дэниэл. Уже при рождении он какой-то хлипкий, к тому же бедняга не способен дышать без посторонней помощи. Благодаря интенсивной терапии Дэниэл выжил, тонус мышц у него улучшился, так что он научился дышать самостоятельно и худо-бедно передвигаться. Но по мере взросления выяснилось, что у него проблемы с обучением, которые будут всю жизнь ему мешать.

Сара, его мать, очень любит мальчика и постоянно о нем заботится. Но вот ей уже 35, и делать это все труднее, потому что у нее появились какие-то странные симптомы. Мышцы у нее порой деревенеют, да до такой степени, что иногда она берет что-то, а разжать пальцы очень трудно. Ей приходится уйти с работы. (Сара — реставратор керамики. Дело это, требующее высокой квалификации, отнимало у Сары по нескольку часов в сутки.) Кроме того, ее мышцы начинают заметно уменьшаться в размерах. Все-таки ей как-то удается справиться с неприятностями. Но в возрасте всего-навсего 42 лет Сара внезапно умирает от сердечной аритмии — катастрофического разрыва в цепи электрических сигналов, заставляющих сердце постоянно биться в нужном ритме.

Заботы о Дэниэле падают на Джанет, мать Сары. Для бабушки мальчика это непросто, и не только из-за проблем внука и душевных страданий, вызванных безвременной смертью дочери. Дело в том, что уже в свои 50 с небольшим Джанет заработала катаракту на обоих глазах, и зрение у нее, прямо скажем, не блестящее.

Может показаться, что семейству просто не повезло: его поразило сочетание не связанных друг с другом недугов. Однако специалисты отметили тут кое-что необычное. Выяснилось, что такой характер болезней — катаракта у старшего члена семьи, одеревенение мышц и сердечные дефекты у дочери, а у внуков вялые мышцы и трудности в обучении, — встречается во многих семьях. Эти семьи живут по всему миру, и их не связывает родство.

Ученые поняли: речь идет о каком-то генетическом заболевании. Они назвали его миотонической дистрофией («миотонической», то есть имеющей отношение к тонусу мышц; «дистрофией», поскольку происходит их истощение). Этот недуг проявляется в каждом поколении той семьи, которую он поражает. Если у кого-то из родителей есть это заболевание, для ребенка вероятность заболеть — в среднем одна вторая. Риску в равной степени подвергаются женщины и мужчины. И те, и другие могут передать этот недуг по наследству — своим детям1.

Эти наследуемые характеристики весьма типичны для болезней, причина которых — мутации одного гена. Мутация — это изменение в нормальной ДНК-последовательности. Обычно наши клетки наследуют по две копии каждого гена: одну от матери, одну — от отца. Характер наследования при миотонической дистрофии, когда заболевание проявляется в каждом поколении, называется доминантным. При доминантных заболеваниях лишь одна из двух копий гена несет в себе мутацию. Это копия, унаследованная от родителя, пораженного данной болезнью. Мутировавший ген способен вызвать недуг, хотя в клетках содержится и нормальная копия. Мутантный ген как бы «доминирует» над нормальным.

Однако миотоническая дистрофия, как выяснилось, обладает характеристиками, существенно отличающимися от характеристик типичного доминантного заболевания. Начнем с того, что доминантные заболевания обычно не обостряются после передачи детям. Да и почему бы такое могло происходить? Ведь ребенок, пораженный недугом, наследует от родителя то же заболевание, точно такую же мутацию. Кроме того, у страдающих миотонической дистрофией симптомы проявляются во все более раннем возрасте по мере того, как заболевание передается из поколения в поколение. Это также необычно.

Миотоническая дистрофия отличается от «обычной» картины наследственного заболевания еще и тем, что острая форма болезни (как раз та, что у Дэниэла) наблюдается лишь у детей, чья мать страдает этим недугом. Похоже, отцы никогда не передают детям по-настоящему острую форму заболевания.

В начале 1990-х годов несколько различных научных групп выяснили, какое генетическое изменение служит причиной миотонической дистрофии. Заболевание это необычное, и соответствующая мутация тоже весьма необычна. Ген миотонической дистрофии содержит небольшую ДНК-последовательность, которая повторяется множество раз2. Эта небольшая последовательность состоит из 3 букв генетического алфавита, используемого ДНК (всего в этом алфавите, напомним, 4 буквы). В гене миотонической дистрофии повторяющаяся последовательность состоит из букв Ц, Т и Г (буква А здесь не задействована).

У тех, кто не страдает миотонической дистрофией, имелось бы от 5 до 30 копий такого ЦТГ-мотива, расположенных подряд, одна за другой. Дети наследуют от родителей число таких повторов. Но когда количество повторов увеличивается и превышает примерно 35, последовательность становится слегка неустойчивой, и число повторов может меняться при передаче ребенку по наследству. А когда число копий мотива достигает приблизительно 50, последовательность делается по-настоящему нестабильной. Когда такое происходит, родители могут передать своему отпрыску значительно большее число повторов, нежели то, которым обладают сами. Длина цепочки повторов растет, и симптомы заболевания становятся все более острыми и проявляются во все более раннем возрасте. Вот почему недуг усугубляется от поколения к поколению, как у семейства, с рассказа о котором мы начали главу. Кроме того, стало очевидным, что обычно лишь матери передают по наследству длинные цепочки повторов — те, которые приводят к появлению фенотипа с острой врожденной формой заболевания. (Такое увеличение числа повторов называется экспансией.)