Геном человека. Энциклопедия, написанная четырьмя буквами
Шрифт:
Хотя известны различные виды генетического полиморфизма, однако полиморфизм единичных нуклеотидов является самым распространенным типом вариабельности нуклеотидных последовательностей ДНК. Более того, он оказался наиболее перспективным и для чисто практического применения. Сейчас подсчитано, что в геноме человека приблизительно 3 млн. п.н. должны быть вариабельными. Такие вариабельные (полиморфные) участки были названы снипсами (по-английски snps — от Single Nucleotide Polymorphisms — единичные (сингулярные) нуклеотидные полиморфизмы). Термином «снипсы» обозначаются «точечные» отличия (полиморфизмы) в нуклеотидных последовательностях ДНК различных индивидуумов, вызванные заменой единичного химического звена ДНК-нуклеотида. Постараемся запомнить этот непривычный пока еще термин — далее это нам очень пригодится.
Уже в процессе секвенирования генома человека в 1999 г. был создан специиальный международный консорциум для идентификации и картирования только снипсов —
Изначально было ясно, что создание карты снипсов — маркеров человеческого генома может стать весьма полезным для проведения различных генетических исследований в медицине и фармакологии, даст ключ к пониманию уникальности личности, роли наследственности в интеллектуальных способностях и чертах характера. И снипсы стали использовать, в первую очередь, в качестве генетических маркеров, поскольку пока нет возможности секвенировать целиком геном каждого индивидуума. Нет сомнения, что в обозримом будущем на этой основе станет возможным создание генетического паспорта каждого человека.
Когда такие опечатки в ДНКовом тексте, как снипсы, не меняют сильно сам текст, их называют нейтральными или «молчащими» мутациями. Однако имеются опечатки, которые так искажают «слова», что их уже невозможно прочесть. Их называют значащими, «говорящими» мутациями. Такие значащие мутации часто приводят к возникновению разнообразных наследственных болезней. Поскольку снипсы достаточно стабильно передаются от поколения к поколению, их можно использовать в качестве маркеров в генетических исследованиях по выявлению связи генов с теми или иными заболеваниями, по пониманию особенностей метаболизма лекарственных веществ у разных пациентов. Так, например, сравнивая «профиль» снипсов в группах больных и здоровых лиц, можно установить, какие из них наблюдаются чаще у пациентов с данным заболеванием. Последующий анализ этих и соседних со снипсами участков ДНК дает возможность идентифицировать гены, которые обусловливают предрасположенность к заболеванию. Таким образом, применение этого метода позволяет ускорить поиск генов, ответственных за развитие заболеваний, сделав его более направленным. В частности, ученые компании «Glaxo Wellcome» уже использовали методику картирования снипсов для выявления генов, принимающих участие в развитии таких распространенных заболеваний, как сахарный диабет II типа, псориаз и мигрень.
Такой же подход можно использовать для выявления у пациентов особенностей метаболизма, распределения или выведения лекарственных средств, то есть для исследований по фармакогеномике (подробнее об этом речь пойдет далее в специальном разделе). Врачи смогут использовать данные генетических исследований для обоснования индивидуального подхода при назначении лекарственных средств, что значительно снизит риск развития побочных реакций. Хотя перспективность такого подхода очевидна, подробная карта снипсов-маркеров пока еще не составлена. Но работа в этом направлении идет очень активно. Составление таких карт человеческого генома сделает в конечном итоге технически возможным проведение быстрого и относительно недорогого генотипирования большого количества пациентов.
Поскольку снипсов в геноме человека довольно много, то было предложено изучать их не только по отдельности, но и группами, в которые объединяются снипсы, расположеные относительно рядом в геноме. Такие наследуемые вместе группы снипсов получили название гаплотипов. Проведенный анализ показал, что число гаплотипов для каждого гена сильно варьирует и может составлять от 2 до 53 (в среднем, по разным оценкам, — от 4 до 14). Было проведено сравнение таких гаплотипов у 21 белого человека, 20 афроамериканцев, 20 человек азиатского происхождения, 18 латиноамериканцев и 3 американских индейцев. В результате не удалось обнаружить вариантов гаплотипов, характерных для той или иной этнической группы. Вместе с тем некоторые варианты чаще встречались у людей, которые родом из одного географического региона.
По оценке ученых компании Genaissance Pharmaceuticals в среднем существует 14 вариаций каждого человеческого гена. Ученые проанализировали 313 генов у большого числа американцев, относящихся к 4 расам. Если в геноме человека присутствует примерно 35 тысяч человеческих генов, следовательно, имеется от 400 до 500 тысяч их вариаций. Обнаружение столь большой амплитуды генетических изменений может потребовать пересмотра традиционных представлений о геноме человека. Сейчас планируется создание каталога гаплотипов каждого человеческого гена. Для этого потребуется проанализировать ДНК у тысяч представителей разных континентов нашей планеты.
Далее мы еще вернемся к вопросу о важности снипсов, когда будем говорить о практических применениях знаний о геноме человека для медицинской геномики и фармакогеномики. Помимо высокой плотности, снипсы имеют очень низкий уровень мутаций на поколение (~10–8), что делает их удобными маркерами для анализа молекулярной эволюции (далее мы поговорим о «молекулярных часах», которые эффективно используются генетиками в геногеографии и эволюционной геномике).
Другой вид полиморфизма генома человека связан с повышенной нестабильностью таких уже упоминавшихся повторов генома, как мини- и микросателлиты. Эта нестабильность проявляется в разном числе повторяющихся элементов в отдельных локусах у разных индивидуумов и приводит к сильному полиморфизму. Уровни нестабильности таких тандемно расположенных повторов значительно отличаются в разных локусах. Особое внимание привлекают к себе гипермутабельные сателлиты. В частности, нестабильность ди- и тринуклеотидных минисателлитов обуславливает так называемые динамические мутации, при которых увеличение числа копий повторяющихся элементов (экспансия) выше некого критического уровня приводит к опухолевому росту клеток и развитию некоторых наследственных нейромышечных заболеваний (миотоническая дистрофия, хорея Хантингтона, болезнь Кеннеди и др.). В результате экспансии число повторяющихся элементов в одном локусе может достигать нескольких тысяч. Например, число тринуклеотидных повторов ЦТГ в гене миотонинпротеинкиназы в норме не превышает 27, а при развитии миотонической дистрофии это число увеличивается обычно в тысячу и более раз. Причины такой нестабильности пока до конца не ясны. Как наиболее вероятный механизм этого явления — «проскальзывание» в ходе репликации ДНК.
Сильная изменчивость мини- и микросаттелитов нашла практическое применение и в так называемой геномной дактилоскопии. Наиболее известный пример ее использования — идентификация останков царской семьи. Подробнее об этом опять же поговорим дальше в специальном разделе.
МОЛЕКУЛЯРНЫЕ ЧАСЫ
Вы говорите — время идет.
Безумцы — это вы проходите.
Талмуд
Достаточно твердо установлено, что большинство из происходящих точечных мутаций в геноме не представляются ни полезными, ни вредными для человека, то есть являются нейтральными. Скачки скорее всего не свойственны эволюции. Частоты возникновения точечных мутаций невысоки (порядка 10–8 на генерацию) и относительно постоянны. Расчеты показывают, что при размере диплоидного генома человека около 7х109 п. н. в нем происходит в среднем 175 новых мутаций на генерацию (25 лет). Накопление мутаций можно сравнить с перетеканием песчинок в песочных часах, которые служат мерой времени. Но на практике ученые применили не песочные, а «молекулярные часы». Поскольку большинство мутаций никак не сказываются на самом организме, они могут спокойно сохраняться в эволюции на протяжении длительного времени. Именно за эти факты и ухватились ученые, когда создавали новый подход, названный «молекулярными часами».
На первом этапе была проведена «юстировка» этих часов. Для этой цели были использованы данные о скорости изменения ДНК разных видов организмов, для которых время расхождения в эволюции было надежно установлено по палеонтологическим и археологическим данным. И только после этого началось «чтение» разных эволюционных глав Энциклопедии человека.
«Молекулярные часы» довольно строго показывают, как часто за миллион лет (в среднем) в ДНК того или иного гена или генома в целом происходят мутации. На этой основе по различиям в ДНК можно судить о том, как давно два разных вида организмов, время возникновения которых не известно, были одним видом, когда произошла их дивергенция, то есть расхождение на две разные ветви эволюции. Таким же путем можно сравнивать человеческие популяции или даже ДНК отдельных людей и судить об общности их происхождения или родственных связях. В частности, по «молекулярным часам» удалось оценить более точно время отделения человека от обезьян. Согласно молекулярной оценке, это произошло примерно 5 млн. лет назад. Это внесло существенную поправку в данные палеонтологов, которые долгое время полагали, что разделение человека и обезьян произошло около 25 млн. лет назад. Массовый анализ митДНК из разных рас показал, что одни митДНК отличаются от других числом замен одних нуклеотидов другими, то есть числом мутаций. Были определены такие показатели, как количество индивидуальных мутаций, их расположение и тип. Эти получившие широкую известность данные выявили общность происхождения всех ныне живущих людей по женской линии. Если читатель не прекратит знакомство с книгой в этом месте, то более подробный рассказ об этих интереснейших исследованиях он найдет далее.