Статьи
Статья

Ген, это ты виноват!

Проекту «Геном человека» 20 лет, но исследования наших генов все еще продолжаются. Что ищут и находят ученые среди трех миллиардов «букв», запрятанных в ДНК?

Немного истории

Все началось в марте 1953 года. Американский биолог Джеймс Дьюи Уотсон, британские нейробиолог Фрэнсис Крик и физик Морис Уотсон впервые открыли миру структуру двойной спирали ДНК и за это в 1962 году получили Нобелевскую премию по физиологии и медицине.

Долгое время считалось, что прочитать последовательность человеческой ДНК невозможно, ведь в одном лишь одинарном наборе хромосом человека (23 хромосомы) содержится 3 млрд пар оснований, или «букв-нуклеотидов». Но Джеймс Дьюи Уотсон лично взялся руководить этим безнадежным делом, и так родился небывалый по масштабам и финансированию международный проект «Геном человека», стартовавший в 1990 году. Конгресс США выделил на него $3 млрд.

Исследования 23 пары хромосом были поделены между учеными разных государств. Проект потребовал более 11 лет работы, в нем были задействованы более 1000 специалистов из 40 стран. В 2001 году были опубликованы первые результаты этой гигантской работы, к 2003 году геном человека был полностью секвенирован. Все три нобелевских лауреата, разгадавших структуру ДНК, дожили до публикации результатов проекта «Геном человека».

К 2001 году были отсеквенированы геномы не только Homo sapiens, но и 599 вирусов и вироидов, 205 существующих в природе плазмид, 185 органелл, 31 эубактерии, семи архей, одного гриба, двух животных и одного растения. Вскоре очередь дошла до геномов модельных животных — мышей и крыс, которых чаще всего изучают в медицинских лабораториях.

Человек-легенда Джеймс Уотсон жив и сейчас, ему 92 года, и он, хотя и лишен своих почетных званий за расистские утверждения (высказывания о связи уровня интеллекта с расовым происхождением), может продолжать пожинать плоды своих трудов — каждый год его молодые коллеги публикуют все новые исследования о тайнах наших генов. Общие и универсальные данные «Генома человека» с каждым годом уточняются, конкретизируются и превращаются из масштабных в более точечные и прикладные. Ученые ищут местоположения гена в геноме, соотносят заболевания с конкретными генами, определяют генетические вариации и подбирают препараты для генной терапии.

Немного теории

Геномом называется полный набор всех генов, которые необходимы для того, чтобы сделать живое существо. Исходно этот набор генов находился в оплодотворенной яйцеклетке — зиготе, из которой развился каждый из людей. Половину генов при рождении мы получили от мамы, половину от папы. Гены — это участки ДНК, двойной спирали, которая кодирует белки. Всего в геноме человека находится порядка 20 000 — 25 000 генов. Именно столько белков нужно, чтобы построить существо под названием Homo sapiens. Если представить наши гены в виде текста, то это книга из 3 млрд букв (нуклеотидов).

Если извлечь из ядра клетки ДНК и позволить ей выпрямиться до естественного состояния двойной спирали, то получится «ниточка» длиной около 2 м. Она разбита на 46 хромосом. В теле каждого человека сотни триллионов клеток. В каждой клетке запакован такой геном, и он же помещался в самой первой и единственной клетке, из которой развился человеческий организм. Наш геном, кстати, не самый большой в природе. У некоторых растений он больше — например, у ели в семь раз, а у лиственницы самый большой среди всех известных живых организмов.

Человек от человека отличается совсем немногим — одной «буковкой» ДНК на тысячу. Первый геном, который был исследован и секвенирован, принадлежал конкретному человеку — американскому генетику Джону Крейгу Вентеру, который вложил частный капитал в исследование и сделал объектом изучения самого себя. Таким образом он на долгие годы стал неким эталоном для сравнения. В свежем исследовании 2021 года сообщается о 64 секвенированных геномах человека, представляющих 25 различных человеческих популяций со всего мира. «Благодаря новым справочным данным генетические различия могут быть изучены с беспрецедентной точностью», — говорится в новой работе, которую совместно проделали ученые из Германии и США. Случайно разбросанные по нашему геному «опечатки», или мутации, делают нас генетически индивидуальными, отвечают за наши различия и личностные характеристики.

Во всем виноват геном

Новейшие исследования ученых сосредоточены на поиске одного-единственного гена-виновника или групп генов, ответственных за ту или иную болезнь, отклонение человека. Коротко расскажем о самых интересных недавних открытиях.

В ноябре 2020 года ученые впервые указали на причину загадочной смертельной болезни, которая получила название VEXAS. Это системное воспаление в организме, которое возникает у мужчин и приводит к образованию тромбов в сосудах, поражению легких, лихорадке и смерти в 40% случаях. Исследовав геномы 2500 пациентов с этой неизвестной болезнью, ученые нашли у них мутацию гена UBA1, расположенного на Х-хромосоме. Этот ген отвечает за выработку белка убиквитина. Мутация UBA1 в более ранних исследованиях была связана с одним из видов спинальной мышечной атрофии. Женщины почти не болеют VEXAS, потому что у них две Х-хромосомы.

Другая команда из США исследовала самоубийства и нашла 22 гена, влияющих на склонность к суициду. Эти же гены повышают риск развития психических заболеваний. Хотя к самоубийству человека толкает совокупность факторов, в том числе внешние обстоятельства, генетика виновата в этом примерно на 50%, считают исследователи.

Еще одно исследование, вышедшее в конце 2020 года, выявило мутацию, мешающую хорошо спать по ночам. Если вы регулярно ложитесь за полночь и поздно просыпаетесь, а перестроиться на нормальный режим не можете, даже прилагая усилия, возможно, у вас есть на то генетическая причина — мутация криптохромов, одного из четырех типов белков, регулирующих циркадные ритмы. Исследователи обнаружили, что такая мутация встречается довольно часто: у одного европейца из 75.

В связи с пандемией COVID-19 были выявлены определенные генетические различия, которые делают людей неуязвимыми перед новым вирусом и, наоборот, повышают риски развития тяжелой формы заболевания и чаще приводят к смерти. Так, было установлено, что гены, унаследованные от неандертальцев, делают человека более уязвимым перед SARS-CoV-2. Например, генная группа неандертальцев наиболее распространена среди жителей Бангладеш, и показатели смертности от коронавируса у них в два раза выше в сравнении с мировым населением в целом. Генетическое тестирование может помочь выявить как защищенные, так и наиболее уязвимые группы населения.

Российские ученые в 2020 году впервые показали, что переход мигрени в хроническую форму тоже имеет генетическую природу. Это связано с полным отсутствием у пациентов одного из вариантов гена болевого рецептора TRPV1, который вовлечен в механизм развития заболевания. Знание об этом может помочь врачам выявить группу риска, что повысит эффективность профилактики и лечения мигрени, которая встречается у каждого пятого россиянина.

Ученые давно исследуют генетику ожирения, а в 2020 году взялись за изучение гена худобы. Команда ученых из института молекулярной биотехнологии при Австрийской академии наук проанализировала генетическую базу данных эстонского биобанка, в который входят 47 102 человека в возрасте от 20 до 44 лет. Они сравнили образцы ДНК и клинические данные худых людей и людей с нормальным весом и обнаружили уникальные мутации в гене ALK. Вообще, ген ALK имеет репутацию «онкогена», потому что часто мутирует при различных типах рака. Роль этого гена вне рака оставалась неясной, но, как оказалось, он регулирует метаболизм. В опытах мыши с удаленным геном ALK оставались худыми и не полнели даже при излишнем питании, в то время как обычные мыши набирали вес.

Самое интересное открытие 2020 года: обнаружен ген, отвечающий за романтичность. Команда из Университета Макгилла в Квебеке изучила генетическую информацию 111 пар, проследила за их поведением и нашла особенность в гене CD38 у романтиков — определенная мутация в этом участке синтезирует больше окситоцина, так называемого «гормона объятий». Когда этого гормона много в организме, человек становится более доверчивым, нежным, сексуальным и романтичным.

Поскольку ген CD38 имеет два варианта (аллели) — А и С, а у каждого человека есть две копии гена — по одной от каждого родителя, то возможны три комбинации: AA, CC и AC. Оказалось, что люди с вариантом СС в гене CD38 проявляли больше терпения и лучше сглаживали конфликты, чем носители вариантов АА и АС. Они испытывают меньше негативных чувств, таких как беспокойство, разочарование или гнев, чем другие, и более довольны отношениями с партнером. «Генетические романтики» склонны больше времени тратить на совместные трапезы, беседы и просмотр телевизора. «Учитывая важность близких отношений для выживания человека, можно прийти к выводу, что биологические механизмы эволюционировали, чтобы помогать их инициации и сохранению», — резюмирует автор исследования.

Проект «Геном человека» привел к совершенно беспрецедентным вещам, таким как вмешательство в судебные расследования генетиков. Так, в начале марта 2021 года 90 ученых подписали петицию с требованием помиловать австралийку Кейтлин Фолбигг, осужденную в 2003 году за убийство своих четверых детей. Вопреки следствию, которое углядело во всех смертях признаки удушения, генетики считают, что дети могли умереть от естественных причин. Геномы «матери-убийцы» и погибших малолетних из семьи Фолбигг были секвенированы. У двоих дочерей и у самой Кейтлин была найдена мутация в гене CALM2. Такая мутация — одна из наиболее известных причин внезапной смерти от сердечно-сосудистых проблем в младенчестве и детстве, как во сне, так и наяву.

У двоих сыновей Фолбигг была выявлена другая редкая мутация — в гене BSN: в исследованиях на мышах было доказано, что она может приводить к эпилептическим припадкам в раннем возрасте. Это подтверждается и медкартами детей: у Патрика была диагностирована эпилепсия, а у Калеба — ларингомаляция, порок развития гортани. Кейтлин была приговорена к 40 годам заключения, ее могут выпустить по апелляции через 25 лет. Но если аргументы ученых будут услышаны, то самая жестокая женщина-убийца в истории Австралии может быть освобождена и оправдана — благодаря достижениям генетики.

Что будет уметь человек в будущем?

«Молекулярные ножницы» для живой природы

Антибиотики перестают помогать, но есть дурнопахнущая альтернатива

Читайте также
Ключ к долголетию нашли в геноме
Ключ к долголетию нашли в геноме
Организм долгожителя способен восстанавливать ДНК и не допускать мутаций.
Ученые рассказали, как нейтрализовать вред от сидячего образа жизни
Ученые рассказали, как нейтрализовать вред от сидячего образа жизни
Сидячий образ жизни, по некоторым данным, так же вредит здоровью, как курение.