Узнай о своих генах. Азбука для небиологов - Эррол К. Фридберг
Важно понять, что мутации в половых клетках не всегда вредны. В частности, эволюция новых видов зависит от безвредных мутаций в половых клетках. Возможно, вы думаете, что между людьми и шимпанзе есть большое генетическое различие. На самом же деле у двух этих видов 99 % ДНК общие. Считается, что 10–11 миллионов лет назад у человека и шимпанзе был общий предок. Таким образом, за период в 10–11 миллионов лет изменилось лишь около 1 % нашей общей с шимпанзе ДНК. Однако с точки зрения генетики это очень много, вот почему нетрудно отличить человека в стае шимпанзе и наоборот!
* * *
Наследственные мутации являются причиной ряда известных генетических заболеваний, в том числе муковисцидоза (или кистозного фиброза), болезни Хантингтона и ряда других генетических заболеваний. Больные муковисцидозом (а это довольно распространенное заболевание) наследуют дефектный ген номер семь – ген CFTR (ccystic fffibrosis tttransmembrane conductance regulator – регулятор трансмембранной проводимости при муковисцидозе). Муковисцидоз – это генетически рецессивное заболевание, а значит, для того чтобы ребенок заболел, оба родителя должны передать ему дефектный ген. (Вспомните Грегора Менделя, который заметил разницу между между доминантным и рецессивным «фактором».) Если ребенок наследует только одну копию дефектного гена, он (она) будет его носителем. Носители не болеют, но могут передавать мутированный ген своим детям. Многие генетические заболевания имеют такое свойство.
Белок, кодируемый геном CFTR, как правило, помогает ионам соли (хлориду натрия) входить в клетки и выходить из них. Однако если белок нефункционален из-за мутации в его гене CFTR, движение ионов через клеточную мембрану может быть нарушено, что приведет к образованию необычно вязкой и липкой слизи снаружи клеток. Клетки легких наиболее уязвимы. Дыхательные пути легких засоряются слизью, что увеличивает риск бактериального заражения. Вязкая слизь также блокирует проходы в поджелудочной железе, препятствуя доступу ее пищеварительных ферментов в кишечник. Без этих ферментов пища нормально не переваривается и больные муковисцидозом часто страдают от недостатка питания, необходимого для нормального роста. Кроме того, муковисцидоз повреждает потовые железы. Потеря с потом слишком большого количества солей может нарушить тонкий баланс минеральных веществ в организме.
Мы не знаем, где в геноме локализованы многие гены, связанные с болезнями. Значительные усилия были направлены на физическое и генетическое картирование. Физические карты основаны на сопоставлении конкретных последовательностей ДНК. Генетическое картирование, которое является менее точным, предполагает установление относительного положения гена в геноме. В своей недавней книге «ДНК. История генетической революции» Джеймс Уотсон[4] предлагает простую аналогию генетического картирования, которой я здесь и воспользуюсь.
«Методическая находка, именуемая ныне как «анализ сцепления», позволяет определить положение неизвестного гена относительно известных генов-ориентиров. Принцип прост: трудно найти на карте Соединенных Штатов город Спрингфилд в штате Массачусетс, если у вас нет никакой информации, кроме названия. Но если я скажу вам, что Спрингфилд расположен на полпути между Нью-Йорком и Бостоном – двумя городами-ориентирами, нанесенными на карту, ваша задача значительно облегчается. Анализ сцепления работает по такому же принципу с генами: он устанавливает связи между известными генетическими маркерами и неизвестными генами». Уотсон пишет, что нехватка известных генетических маркеров у людей создавала трудности для использования этого анализа в случае болезней человека, пока два известных исследователя, Дэвид Ботстейн и Рон Дэвис, не поняли, что последовательности ДНК, называемые «полиморфизмы длин рестрикционных фрагментов» (ПДРФ), могут служить отличными генетическими маркерами. ПДРФ «возникают, когда последовательность ДНК, разрезаемая специальным ферментом у одного индивидума, у другого изменена так, что этот фермент разрезать ее в том же месте больше не может. Миллионы из них разбросаны по всему нашему геному».
«Ботстейн, Дэвис и еще несколько их единомышленников в конечном итоге составили четкий план того, как при помощи ПДРФ-маркеров строить карту указателей в каждой хромосоме человека. Ботстейн с коллегами подсчитали, что 150 тысяч ПДРФ, равномерно распределенных по всему геному, будет достаточно, чтобы исследователи смогли выявить мутированные гены, вызывающие заболевания. Собрав образцы ДНК у многих семей, у которых это заболевание прослеживалось в нескольких поколениях, они проследили закономерности наследования ПДРФ одного за другим в поисках тех, которые ведут к заболеванию в семьях, и, таким образом, указали приблизительное положение мутированного гена. Через несколько лет генетик Хелен Донис-Келлер опубликовала статью «Карта генетических сцеплений в геноме человека». Эта карта включает 403 маркера, которые охватывают добрых 95 % генома человека».
«В дальнейших исследованиях один из этих генетических маркеров проследили при болезни Хантингтона – наследственной болезни, локализованной в мозге и вызывающей прогрессивную нейродегенерацию. Обычно это заболевание вызывает когнитивные, психические и двигательные нарушения. В марте 1993 года группа из 59 авторов объявила, что они определили локализацию гена болезни Хантингтона и мутацию, ответственную за это заболевание. Ничто в его 10-тысячной последовательности нуклеотидов не предполагало, что его белковый продукт не может нормально функционировать в мозге или в другом органе».
«К счастью, генетические заболевания не так распространены, как многие другие расстройства без генетической основы. Ряд врожденных дефектов и генетических нарушений можно обнаружить, если беременная женщина хочет получить такую информацию, а кроме того, можно провести скрининг еще до начала беременности. Общая рекомендация состоит в следующем: беременной женщине из семьи, в которой были случаи генетического заболевания, необходимо проконсультироваться со своим врачом-гинекологом относительно возможности проведения скрининга и диагностических тестов».
Глава 10
Секвенирование ДНК, клонирование генов, технология рекомбинантных ДНК, ДНК-фингерпринтинг и генная терапия
Последние десятилетия ознаменовались появлением ряда технологий, которые способствовали более глубокому изучению генов и ДНК.
Секвенирование ДНК
Секвенирование ДНК – это технология, которая позволяет определить точный порядок четырех оснований (А, G, С и Т) в цепочке ДНК любой длины. Эта технология сложна, и описывать ее я не стану. Как вы можете себе представить, с появлением секвенирования процесс биологических и медицинских исследований значительно ускорился. Знание последовательностей ДНК стало незаменимым для базовых биологических исследований и для многих прикладных областей. Высокая скорость секвенирования, достигнутая с помощью современной технологии ДНК-секвенирования, сыграла важную роль в секвенировании полных геномов многочисленных типов и видов, включая человека.
Наиболее полезная информация, которую дает секвенирование, – это информация относительно функций конкретных ДНК-последовательностей (как правило, генов), полученная в результате их сравнения с последовательностью
