Гены в нашей жизни

Напоследок необходимо упомянуть об опасности распространения генетической информации о конкретных людях. В связи с этим в некоторых странах уже приняты законы, запрещающие распространение такой информации, и юристы всего мира работают над этой проблемой. Кроме того, проект «Геном человека» иногда связывают с возрождением евгеники на новом уровне, что тоже вызывает тревогу специалистов.

Анализ генома человека завершен.

В Вашингтоне 6 апреля 2000 г. состоялось заседание комитета по науке Конгресса США, на котором д-р Дж.Крейг Вентер заявил, что его компания, Celera Genomics, завершила расшифровку нуклеотидных последовательностей всех необходимых фрагментов генома человека. Он ожидает, что предварительная работа по составлению последовательностей всех генов (их около 80 тыс., и они содержат примерно 3 млрд. «букв» ДНК) будет завершена через 3–6 недель, т.е. гораздо раньше, чем планировалось. Скорее всего, окончательная расшифровка генома человека будет завершена к 2003 г.

Компания Celera включилась в исследования по проекту «Геном человека» 22 месяца назад. Используемые ею подходы сначала подвергались критике со стороны так называемого открытого консорциума участников проекта, однако завершенный ею в прошлом месяце подпроект по расшифровке генома плодовой мушки показал их действенность.

На этот раз никто не критиковал прогнозы К.Вентера, сделанные им в присутствии советника президента США по науке д-ра Н.Лэйна и представителя консорциума, крупнейшего специалиста по секвенированию генома д-ра Роберта Ватерстона.

Предварительная карта генома будет содержать около 90% всех генов, но, тем не менее, она будет большим подспорьем в работе ученых и врачей, поскольку позволит довольно точно отыскивать необходимые гены. Д-р Вентер заявил, что теперь собирается использовать свои 300 секвенаторов для анализа генома мыши, знание которого поможет понять, как работают гены человека.

Расшифрованный геном принадлежит мужчине, поэтому содержит как X-, так и Y-хромосомы. Имя этого человека не известно, и это не имеет значения, т.к. обширные данные по индивидуальной изменчивости ДНК собраны и продолжают собираться как компанией Celera, так и консорциумом исследователей. Между прочим, консорциум использует в своих исследованиях генетический материал, полученный от различных людей. Д-р Вентер охарактеризовал полученные консорциумом результаты как 500 тыс. расшифрованных, но не упорядоченных фрагментов, из которых очень трудно будет составить целые гены.

Д-р Вентер заявил, что после того, как структура генов будет определена, он устроит конференцию для того, чтобы привлечь сторонних экспертов к установлению положения генов в молекулах ДНК и определению их функций. После этого другие исследователи получат бесплатный доступ к данным по геному человека.

Между Вентером и консорциумом исследователей велись переговоры о совместной публикации полученных результатов, причем один из основных пунктов соглашения должен был предусматривать, что патентование генов возможно лишь после точного определения их функций и положения в ДНК.

Однако переговоры были прерваны из-за разногласий по поводу того, что считать завершением расшифровки генома. Проблема состоит в том, что в ДНК эукариот, в отличие от ДНК прокариот, есть фрагменты, которые не поддаются расшифровке современными методами. Размеры таких фрагментов могут быть от 50 до 150 тыс. оснований, но, к счастью, эти фрагменты содержат очень немного генов. В то же время и в участках ДНК, богатых генами, есть фрагменты, которые также не могут быть пока расшифрованы.

Определение положения и функций генов предполагается осуществить с помощью специальных компьютерных программ. Эти программы будут анализировать структуру генов и, сравнивая ее с данными по геномам других организмов, предлагать варианты их возможных функций. По мнению компании Celera, работу можно считать завершенной, если гены определены практически полностью и точно известно, как расшифрованные фрагменты располагаются на молекуле ДНК, т.е. в каком порядке. Этому определению удовлетворяют результаты Celera, в то время как результаты консорциума не позволяют однозначно определить положение расшифрованных участков относительно друг друга.

Компания Celera предполагает после составления полной карты генома человека сделать эти данные доступными для других исследователей по подписке, при этом для университетов плата за пользование банком данных будет очень низкой, 5–15 тыс. долларов в год. Это составит серьезную конкуренцию базе данных Genbank, принадлежащей университетам.

Участники заседания комитета по науке резко критиковали такие компании, как Incyte Pharmaceuticals и Human Genome Sciences, которые каждую ночь копировали данные консорциума, доступные по Интернету, а затем подавали заявки на патентование всех генов, обнаруженных ими в этих последовательностях.

На вопрос, не могут ли данные о геноме человека быть использованы для создания биологического оружия нового типа, например, опасного только для некоторых популяций, д-р Вентер ответил, что гораздо большую опасность представляют данные по геномам болезнетворных бактерий и вирусов. На вопрос одного из конгрессменов, не станет ли теперь реальностью целенаправленное изменение человеческой расы, д-р Вентер ответил, что для полного определения функций всех генов может потребоваться около ста лет, а до тех пор о направленных изменениях в геноме говорить не приходится.

Напомним, что в декабре 1999 г. исследователи Великобритании и Японии объявили об установлении структуры 22-й хромосомы. Это была первая декодированная хромосома человека. Она содержит 33 млн. пар оснований, и в ее структуре остались нерасшифрованными 11 участков (около 3% длины ДНК). Для этой хромосомы определены функции примерно половины генов. Установлено, например, что с дефектами этой хромосомы связано 27 различных заболеваний, среди которых такие, как шизофрения, миелоидная лейкемия и трисомия 22 – вторая по значению причина выкидышей у беременных.

В то время британские ученые резко критиковали методы секвенирования, используемые компанией Celera, считая, что они потребуют слишком длительного времени для расшифровки последовательностей и определения взаимного расположения их фрагментов. Тогда на основе известного объема декодированного материала делались прогнозы, что следующими будут картированы 7-, 20- и 21-й хромосомы.

Через неделю после объявления о завершении расшифровки нуклеотидных последовательностей в геноме человека, состоялось собрание Американской ассоциации за прогресс в науке, на которой министр по энергетике США Билл Ричардсон объявил, что ученые Объединенного института генома определили структуры 5-, 16- и 19-й хромосом человека.

Эти хромосомы содержат примерно 300 млн. пар оснований, что составляет 10–15 тыс. генов, или около 11% генетического материала человека. Пока удалось картировать 90% ДНК этих хромосом – остались не поддающиеся дешифровке участки, содержащие незначительное число генов.

На картах хромосом обнаружены генетические дефекты, которые могут приводить к некоторым заболеваниям почек, раку простаты и прямой кишки, лейкемии, гипертонии, диабету и атеросклерозу.

По словам Ричардсона, ближе к лету информация о структуре хромосом будет доступна всем исследователям бесплатно.

Генетика и проблема рака

Достижения генетики и молекулярной биологии последних десятилетий оказали огромное влияние на понимание природы инициализации и прогрессии злокачественных образовании. Окончательно установлено, что рак представляет собой гетерогенную группу заболеваний, каждое из которых вызывается комплексом генетических нарушений, определяющих свойство неконтролируемого роста и способность к метастазированию. Эти современные знания открыли принципиально новые возможности в диагностике и лечении злокачественных новообразований.

Влияние конкретных генетических нарушений, лежащих в основе опухолевого роста, позволило обнаружить специфические молекулярные маркеры и разработать на их основе тесты ранней диагностики опухолей.

Известно, что неопластические трансформация клеток происходит в результате накопления наследуемых (герминативных) и приобретенных (соматических) мутаций в протоонкогенах или генах-супрессорах. Именно эти генетические нарушения с первую очередь могут быть использованы для обнаружения злокачественных клеток в клиническом материале.

Наиболее подходящим субстратом молекулярной диагностики является ДНК, т.к. она длительно сохраняется в образцах тканей и может быть легко размножена с помощью т.н. полимеразной цепной реакции (ПЦР). Это позволяет осуществлять диагностику даже при наличии минимального количества исследуемого материала.

Помимо определения мутаций в онкогенах и генах-супрессорах в диагностических целях используют изменения, выявляемые в повторяющихся последовательностях ДНК, т.н. микро сателлитах.

При сравнении парных образцов опухоли и нормальных тканей может быть выявлено выпадение одного из аллелей в опухоли (потеря гетерозиготности (ПГ), что отражает наличие хромосомных делеций, лежащих в основе инактивации генов-супрессоров.

Микросателлитная нестабильность (МН) особенно характерна для наследуемой формы неполипозного рака толстой кишки. Она, однако, обнаруживается при многих других видах опухолей и проявляется как в инактивации генов-супрессоров, так и в делециях анонимных некодирующих последовательностей ДНК.

В целом, обнаружение клинических образцах ПГ и/или МН указывает на присутствие клеток, несущих искаженную информацию, свойственную опухолевому росту. Мутации в онкогенах и генах-супрессорах обнаруживаются также при использовании в качестве исходного материала клеточной РНК, которую превращают в реакцию обратной транскрипции в комплиментарную (С)-ДНК и амплифицируют с помощью ПЦР. Данный метод (RT-ПЦР) широко применяют для выявления экспрессии генов в различных тканях.

Известно, что нормальные и опухолевые клетки различаются по экспрессии многих сотен генов, поэтому разработаны современные методы серийного анализа экспрессии, основанные на технологии микрочипов и позволяющие оценивать сотни и даже тысячи генов одновременно.

Одним из новых перспективных молекулярных маркеров опухоли является телоизомераза, рибонуклеопротеиновый фермент, наращивающий нуклеотидные последовательности на концах хромосом (теломерах) активность данного фермента постоянно присутствует в более чем 90% опухолей и практически не обнаруживается в нормальных тканях. Несмотря на несомненную перспективность и высокую точность методов молекулярной диагностики, вопрос об их специфичности и чувствительности сохраняет свою актуальность. Это связано с тем, что опухоли всегда состоят из смеси нормальных и злокачественных клеток, поэтому выделяемая из них ДНК также гетерогенна, что необходимо учитывать при решении вопроса о применимости молекулярных тестов.

Тем не менее, методики, базирующиеся на ПЦР, технологически исключительно чувствительны и способны обнаруживать специфические генетические нарушения задолго до формирования морфологически определяемой опухоли.

В настоящее время сформировалось несколько направлений использования молекулярных тестов в онкологии.

1) Раннее выявление опухолей наиболее часто основывается на определении мутаций ras и p53, обнаружение которых позволяет в некоторых случаях судить о стадии опухолевого процесса. Информативным ранним маркером рака толстой кишки служат мутации гена АРС, обнаруживаемые более чем в 70% аденом. Микросателлитные маркеры высоко эффективны в ранней диагностике рака мочевого пузыря и простаты. Широкий спектр опухолей может быть диагностирован с использованием протоколов активности телоизомеразы.

2) Метастазирование и распространенность опухоли также могут оцениваться с применением молекулярных тестов. Наиболее часто для этих целей используют RT-PCR метод выявления изменений экспрессии генов в опухолевых клетках.

3) Анализ цитологических и гистологических препаратов с помощью молекулярных тестов находит все более широкое применение. Примером может служить определение HPV вирусов при раке шейки матки, а также применение молекулярных тестов для выявления мутаций онкогенов непосредственно на гистологических срезах.

4) Промежуточные биомаркеры служат для выявления клональных и генетических изменений, позволяющих предсказать появление опухолей. Эти маркеры успешно используются для оценки эффективности онкопротекторов на популяционном уровне.

5) Генетическое тестирование онкологического риска стало возможным в связи с открытием генов предрасположенности к онкологическим заболеваниям, что оказалось особенно актуальным для оценки риска среди членов так зазываемых "высоко раковых" семей.

ДНК-тестирование успешно применяется при различных наследуемых опухолях: ретинобластоме, полипозе кишечника, множественных эндокринных опухолях второго типа (MEN2) вслед за клонированием генов предрасположенности к раку молочной железы и яичников (BRCA I BRCA 2) развернулось широкое обследование групп риска семейного рака данных локализаций.

Одна из существенных проблем, возникающих при диагностике семейной предрасположенности к РМЖ, касается социальных и психологических последствий выявления у пациентов данных мутаций.

Однако при правильной организации генетического консультирования и соблюдения этических норм и принципа конфиденциальности применения молекулярных тестов в группах риска, безусловно, полезно и необходимо.

В заключение следует подчеркнуть, что внедрение современных методов молекулярной диагностики в широкую онкологическую практику неизбежно потребует серьезного технического перевооружения существующих клинических лабораторий, а также специально подготовленного персонала. Сами методы диагностики при этом должны пройти масштабные клинические испытания с учетом принципов рандомизации.

Влияние наследственности на агрессивность и преступность

Данные о влиянии наследственности на агрессивность были получены при исследовании одной голландской семьи, в трех поколениях которой 14 мужчин (дяди, братья, племянники) проявляли нарушения поведения (попытки поджогов, эксгибиционизм и др.), импульсивную агрессивность и умственную отсталость. Исследование началось с того, что одна из женщин этой семьи обратилась за консультацией к врачу, так как опасалась за здоровье своих будущих детей.

Изучение родословной показало, что это не просто дурной характер, а заболевание, связанное с Х-хромосомой: оно передавалось через женщин, которые при этом были вполне здоровыми, и проявлялось только у мужчин.

Из крови членов исследуемой семьи выделили ДНК и определили, что все больные имеют общий участок Х-хромосомы, в котором расположен ген моноаминоксидазы А, одного из ферментов, разрушающего моноамины (серотин, дофамин, норэпинефрин и др.). У всех обследованных больных мужчин из этой семьи имелась точечная мутация в гене моноаминоксидазы А. В результате мутации кодон ЦАГ, кодирующий аминокислоту глутамин, превратился в кодон ТАГ – сигнал остановки синтеза белка. Из-за отсутствия моноаминоксидазы содержание дофамина и серотонина у больных было значительно выше нормы. У здоровых мужчин эта мутация отсутствовала, а у женщин – носительниц мутации в Х-хромосоме вторая хромосома была нормальной и обеспечивала синтез моноаминоксидазы.

При введении такой же мутации в ген моноаминоксидазы А мышей они превращались в безумных убийц, атакуя других мышей без всякого повода. Однако автор исследования голландской генетик Ганс Бруннер не считает, что он открыл «ген агрессивности». Ведь даже в одной семье, у мужчин, имеющих одну и ту же мутацию, степень агрессивности и спектр нарушений поведения значительно различались. Поведение – слишком сложная система, чтобы считать, что какая-либо его форма определяется одним конкретным геном.

Устойчивость к действию алкоголя, никотина, наркотиков

Гены, определяющие пристрастие к алкоголю или курению, пока не найдены. Однако люди различаются по устойчивости к действию этих веществ, и некоторые молекулярные механизмы формирования зависимости или устойчивости известны.

Устойчивость к действию алкоголя связана с активностью ферментов алькогольдегиддрогеназы и ацетальдегиддегидрогеназы. Активность этих ферментов у разных людей различается, что обуславливает их большую или меньшую устойчивость к действию спиртного. Выявлено участие дофаминовой и серотониновой систем в формировании зависимости от алкоголя. Известны три механизма формирования зависимости от никотина. Никотин достигает мозга и связывается с белком, называемым нейрональным никотиновым ацетилхолиновым рецептором, который участвует в процессах обучения и формирования памяти. В норме этот белок активируется ацетилхолином, естественным нейромедиатором, но по неизвестной причине реагирует и на растительный яд – никотин. При действии никотина на этот рецептор улучшается кратковременная память и облегчается концентрация внимания. Другой механизм стимуляции мозга никотином – освобождение дофамина – тот же самый, через который действуют наркотики кокаин, амфетамин и морфин. Кроме того, дым сигарет содержит вещество, ингибирующее моноаминоксидазу. У курильщиков ее содержание на 40 % ниже нормы. Это приводит к усилению действия моноаминов: дофамина, серотина, норэпинерина. Ингибиторы моноаминоксидаз используют как антидепрессанты. Другими словами, курение может делать людей менее депрессивными. Курение позволяет человеку чувствовать себя умнее, лучше, счастливее. Не удивительно, что люди не прекращают курить, не смотря на ухудшение здоровья.

Обнаружено, что существуют различные гены, влияющие на формирование зависимости от никотина, и гены, повышающие устойчивость к курению. Хотя 80 % курильщиков пытаются избавиться от вредной привычки, только 70 % достигают успеха (такой же уровень при потреблении героина). Однако даже если попытка бросить курить не удалась, а перерыв составил несколько дней – это были дни, когда курильщик не разрушал своего здоровья.

Влияние наследственности на интеллект

По разным оценкам от 5 до 20-30 % детей имеют трудности в обучении или неспособны к усвоению школьной программы. Чаще всего встречается неспособность к чтению – дислексия.

Понятно, когда ребенок с умственной отсталостью не может научиться читать. Но есть дети, которые при нормальном уровне умственного развития не способны усвоить правила, соединяющие написанные слова и их разговорные аналоги, плохо различают буквенные и небуквенные символы.

Определить, «виноваты» ли в этом гены, помогло исследование близнецов. В случае монозиготных близнецов оба ребенка страдают дислексией в 84 %, для дизиготных совпадение не превышает 30 %. Следовательно, нарушение имеет наследственный характер. К настоящему времени на трех хромосомах найдены участки, связанные с дислексией. Мутации в пока еще не известном гене на хромосоме 6 затрагивают фонологические и орфографические умения. Чтение отдельных слов связано с одним из участков хромосомы 15. Еще один ген расположен на хромомсоме 2. Конечно, столь сложные умения, как чтение или счет, не могут определяться одним каким-то геном, но мутация в этих генах затрагивают различные звенья процесса обучения.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5