05/04/2017

Что ген грядущий нам готовит?

240 ИЦиГ СО РАН СО РАН Науки о жизни Новосибирск Интервью Основные черты и особенности человека формируются буквально с момента зачатия. Гены мамы и папы закладывают в нас множество информации, в том числе и возможную предрасположенность к тем или иным заболеваниям.

Кто виноват?

Наследственные заболевания связаны с крупными повреждениями хромосом либо локальными дефектами в генах — в связи с мутациями, которые происходят во время копирования генетической информации в процессе размножения. При этом если мутация произойдет в клетке кожи, она повлияет только на клетки кожи и никак не отразится на потомках. А если мутация появится в линии половых клеток, то яйцеклетка или сперматозоид могут передать ее следующему поколению.

При размножении хромосомы родителей удваиваются: такой процесс называется репликацией. Это предполагает копирование огромного количества генетической информации, содержащейся в участках хромосом, чем занимается множество специальных ферментов. Правда, поначалу в кусочках нового содержания ДНК появляются ошибки, но позднее эти же ферменты, выступая в роли некоего корректора, их исправляют. Однако скопировать всё безупречно невозможно, так что в коде ДНК всегда накапливаются небольшие отклонения. После происходит кроссинговер: взаимный обмен участками парных хромосом, приводящий к перераспределению (рекомбинации) локализованных в них генов. В рекомбинацию вступают уже полностью скопированные хромосомы — это похоже на переписывание страниц из двух разных книг об одном и том же в одну новую: первая страница из маминой книги, вторая из папиной, третья из маминой, четвертая из папиной… То есть во время рекомбинации происходит локальное копирование (обмен кусочками хромосом) и репарация различными ферментами, а поэтому также могут возникать ошибки. Подобные отклонения от нормы — свойство, которое позволяет организмам приспосабливаться к изменяющимся условиям окружающей среды.

Мутации в ДНК — это и есть изменения в генетическом коде: они могут быть как врожденными, так и приобретаться в течение жизни. Например, если большинство людей имеют в последовательности нуклеотидов буквенный код «А» (аденин), то человек с вариацией может иметь «Т» (тимин). Когда вариация затрагивает только одну букву кода, это называется однонуклеотидным полиморфизмом. Отличие между мутациями и полиморфизмом довольно условно: когда один из вариантов нуклеотидных последовательностей участка ДНК выявляется более чем у 1 % людей в популяции и не приводит к развитию заболевания, это называется полиморфизмом, если же менее 1 % или с высокой вероятностью приводит к болезни — мутацией.

Полиморфизмы генов в основном определяют индивидуальные различия каких-либо качеств человека: цвета глаз или волос, групп крови. Но некоторые из полиморфизмов могут быть одним из факторов предрасположенности к заболеваниям, которые называются мультифакториальными. То есть в этом случае необходимы наследственная предрасположенность и воздействие неблагоприятных внешних условий: характера питания, поступления в организм токсинов (табачный дым, алкоголь), нехватки витаминов.

Заведующий лабораторией молекулярно-генетических исследований терапевтических заболеваний НИИ терапии и профилактической медицины доктор медицинских наук Владимир Николаевич Максимов изучает те полиморфизмы, которые могут стать наследственным компонентом мультифакториальных заболеваний, а прежде всего — внезапной сердечной смерти. Дело в том, что даже наличие мутации не дает стопроцентной гарантии проявления заболевания у человека. Так, среди наследственных моногенных болезней выделяют аутосомно-доминантные и аутосомно-рецессивные. У человека все гены присутствуют в двух экземплярах (за исключением половых хромосом — XY — у мужчин), потому что одна копия нам достается от мамы, а другая — от папы. Соответственно, для развития доминантных заболеваний достаточно получить лишь одну измененную копию. Ученые долгое время думали, что для рецессивных болезней нужен ген с мутацией от обоих родителей, но позднее выяснилось, что не все заболевания, считавшиеся моногенными, зависят только от одного гена. Так что исследователям пришлось вводить понятие «олигогенные болезни», которые связаны с мутациями сразу в нескольких генах.

— Пожалуй, одним из первых к этой категории отнесли гемохроматоз: накопление железа в организме, — рассказывает Владимир Максимов. — Ученые нашли и исследовали людей, у которых обе копии определенного гена были с мутацией, — гомозиготных особей (особи, не дающие расщепления в следующем поколении: в соответствующих локусах гомологичных хромосом находятся одинаковые аллели (АА, аа). – Прим. ред.). Оказалось, что у женщин болезнь проявляется в 2 % случаев, а у мужчин — в 30 %. Чтобы это произошло, дополнительно нужны мутации в генах, отвечающих за обмен железа, и только подобное сочетание даст негативный эффект в виде развития гемохроматоза.

Вклад полиморфизмов еще меньше, чем мутаций: для проявления заболевания нужна комбинация уже не из двух, а трех и более измененных генов. Тем не менее влияние конкретного полиморфизма на болезнь всё равно можно уловить. Поэтому ученые говорят, что определенное изменение гена может быть маркером повышенного риска развития того или иного недуга. 

— Нет хороших и плохих генов: они такие в зависимости от условий, — подчеркивает исследователь. — Существует патология под названием тромбофилия — нарушение системы свертываемости крови. Обычно беременным женщинам назначают анализ на склонность к тромбообразованию, которая может негативно сказаться на течении беременности. Но если представить, что человек с тромбофилией попал в аварию и получил ранение, то именно он не погибнет от кровотечения. Поэтому подобные особенности сохраняются в популяции и не устраняются отбором.

Что делать?

Долгое время исследователи по всему миру стремятся понять, какие именно полиморфизмы играют ключевую роль в проявлении заболевании. Пока что ответ пытаются найти через построение сетей обмена с помощью биоинформатики. В частности, ученые из ФИЦ Институт цитологии и генетики СО РАН сконструировали сети обмена холестерина в кишечных клетках, клетках крови, печени. Система состоит из множества элементов — нескольких десятков генов, белков, регулирующих субстанций. Это важно для изучения полиморфизмов, так как они способны повлиять на количество и функциональные свойства белка. 

По сути, сети обмена — программная оболочка с базой данных, сформированная на основе опубликованных работ, результаты которых перерабатываются и помещаются в хранилище. Туда заносится вся доступная информация об исследованиях — людей и животных, клеток и тканей. Это делается, чтобы понять: если ученые воздействуют на то или иное звено обмена каким-то лекарственным препаратом, что из этого получится? Можно найти ответ, не экспериментируя на мышах или людях, а попытаться предсказать события с помощью моделирования. Так что в программе тестируется гипотеза, а полученные результаты уже проверяются экспериментально. 

— Ученые пытаются найти связь с разными заболеваниями, оценить количество мутаций и полиморфизмов, а также понять, какие и когда чаще всего встречаются, — добавляет Владимир Максимов. — Можно выявить мутации с доказанным патологическим эффектом, а бывает, что у заболевшего найдено сразу несколько полиморфизмов, и определить, какой из них влияет на патологический фенотип, крайне сложно. Каждый из нас уникален, что создает трудности в прогнозировании заболеваний. Кроме того, нужно понимать, что у людей счет полиморфизмов идет на миллионы.

Генотип — совокупность генов определенного организма, всех его наследственных задатков. Фенотипом же называется совокупность всех признаков и свойств особи, формирующихся в процессе взаимодействия ее генотипа и внешней по отношению к ней среды.

Проявление заболевания связано и с принадлежностью к этнической группе. Например, проводилось исследование такого аутосомно-рецессивного заболевания, как муковисцидоз: в Западной Европе один случай приходился на 2,5—3 тысячи новорожденных, а в России — на 12—13 тысяч.

— Многое зависит и от внешних условий, — рассказывает исследователь. — Так, ждать одинакового влияния конкретных полиморфизмов на русских, живущих в Якутии и в Сочи, не совсем правильно. Фенотип — реализация генотипа в определенных условиях среды (климат, характер питания), а если эти условия разные, то и реализация, и развитие будут иными.

Жители России и Западной Европы относятся к одной расе (европеоиды), но к разным этническим группам. Под этнической группой понимается устойчивая общность людей, которые живут в определенных условиях (включая питание и климат) на одной территории и вступают в брак чаще внутри этноса. То есть под русской популяцией понимается русская этническая группа.

Получается, что существует огромное количество полиморфизмов, которые могут повлиять на здоровье человека. Коллектив исследователей из Новосибирска выбрал среди них полиморфизмы генов GPC5, CASQ2, NOS1AP и GPD1L и решил проверить их ассоциированность с внезапной сердечной смертью (ВСС) в русской популяции. Эти гены были взяты на основе зарубежных полногеномных исследований, где такая ассоциация была доказана учеными, но на тех, у кого в анамнезе изначально были приступы стенокардии — ишемической болезни сердца (ВСС тоже является одним из вариантов этого заболевания).

GPC5 кодирует белок глипикан-5, связанный с контролем клеточного деления и регуляцией роста. CASQ2 кодирует протеин, который является главным белком, способствующим работе саркоплазматического ретикулума, — хорошо развитой мембранной сети, играющей ключевую роль в сокращении скелетных, сердечной и гладких мышц. NOS1AP кодирует белок NO-синтазы (оксида азота), в результате чего может меняться сердечная сократимость. Полиморфизмы GPD1L ассоциированы с риском развития синдрома Бругада (нарушения обмена микроэлементов в клетках сердечной мышцы), который в ряде случаев также является причиной развития внезапной сердечной смерти.

— Мы решили проверить, какое значение эти полиморфизмы играют в формировании заболевания у русской популяции, — рассказывает Владимир Максимов. — На тот момент в России не было выполнено исследований генов GPC5, CASQ2, NOS1AP и GPD1L, так что нам показалось интересным изучить их влияние. В итоге группа умерших от внезапной сердечной смерти сравнивалась с сопоставимыми по полу и возрасту группами контроля по генетическим отличиям. 

В результате исследования полиморфизмов генов NOS1AP и GPD1L не было обнаружено значимого вклада в развитие заболевания в русской популяции, а вот полиморфизмы у GPC5 и CASQ2 оказались ассоциированными с внезапной сердечной смертью у мужчин. К примеру, выяснилось, что если в контрольной группе наличие генотипа AG составило 60 % у мужчин моложе 50 лет, то в группе умерших — только 36 %: значит, носители этого генотипа в два раза реже оказываются среди тех, кто умер от внезапной сердечной смерти. Можно предположить, что у носителя AG в два раза больше шансов не погибнуть от ВСС. И наоборот, генотип GG в контрольной группе есть у 22 %, а среди умерших — у 35 %: то есть с этим генотипом носители умирают от сердечных заболеваний в два раза чаще. У женщин были выявлены такие же результаты с GG.

— Безусловно, большинство случаев внезапной сердечной смерти относится к категории мультфакториальных: к печальному исходу приводит неблагоприятное сочетание внешних факторов и наследственной предрасположенности, — поясняет ученый. — Простой, но очень важный показатель последней, — семейная история: если есть случаи внезапной смерти до 55 лет у мужчин и 65 лет у женщин, то это повод проконсультироваться с кардиологом с целью исключения либо профилактики наиболее частых причин ВСС.

Сейчас классификация полиморфизмов, которые могут быть маркерами тех или иных заболеваний, больше напоминает научный поиск. И исследование специалистами каждой популяции, полиморфизма и заболевания вносит свою лепту в понимание особенностей генов человека.

— Из-за того, что у каждого отдельного полиморфизма сравнительно небольшая роль в развитии заболевания, нужны достаточно большие группы для изучения, — добавляет Владимир Максимов. — Если мы сформируем группу меньше, чем следовало, этот вклад может не выявиться. Даже при большом количестве исследуемых одна публикация служит лишь толчком к проверке на независимой выборке — другой группе испытуемых — для более полного результата.

Алёна Литвиненко

Фото автора