ЧАСТЬ II. ФУНКЦИЯ ГЕНОМА ЧЕЛОВЕКА.

КОРОЛЕВА УМЕРЛА — ДА ЗДРАВСТВУЕТ КОРОЛЕВА!

То, что мы знаем, — ограниченно, а то, чего мы не знаем, — бесконечно. П. Лаплас Наука всегда оказывается не права. Она никогда не решит вопроса, не поставив при этом десятка новых. Б. Шоу

Итак, грандиознейший проект человечества под названием «Геном человека» успешно завершился, и, как принято считать, Энциклопедия человека вчерне написана. Конечно, трудно переоценить важность этого события. Некоторые сравнивают его с первым полетом на Луну, другие признают одним из наиболее значимых достижений науки в истории прошедшего тысячелетия. И все эти оценки не преувеличены. Но теперь это уже пройденный этап. Определение полной последовательности нуклеотидов ДНК всех хромосом человека дала нам в руки огромную информацию, которой, однако, предстоит пользоваться и расшифровывать долгие годы. Условно говоря, проделана работа по засеву и удобрению поля, на котором вскоре можно ожидать богатый урожай. В руки человека попала гигантская библиотека, которая создавалась долгие годы, и разрозненные тома которой выходили много лет. Торжества по случаю завершения этой работы напоминают забивание «серебряного костыля» на протяженной железной дороге, по многим отдельным участкам которой движение давно уже было налажено, но до полного освоения которой еще потребуются огромные многолетние усилия. Ведь ДНКовый текст генома человека пока лишь только «считан» со сверхминиатюрного природного носителя информации — ДНК — и занесен на обычные электронные — компьютерные базы данных. При этом мы пока еще не владеем полностью «грамотой» генетического языка, скрывающего многочисленные секреты человека. Вот в чем причина, почему нельзя говорить, как это часто делают журналисты (да и мы иногда говорили выше ради красного словца), что геном человека расшифрован. Он не расшифрован, а только прочитан, или выражаясь по-научному, — секвенирован. К самой расшифровке генома ученые-генетики только приступают. Можно привести такую аналогию. Например, специалистам очень давно известно о существовании агванского письма, которое применялось в раннем средневековье на территории Азербайжана и Дагестана. В распоряжении ученых имеются письменные памятники этого письма, рукописный список его алфавита (т. е. текст только списан). Несмотря на все это, тайна агванского письма (секреты, которые он несет) остается до сих пор в значительно мере неразгаданной.

Завершение проекта «Геном человека» открыло новую эру, часто называемую постгеномной. По прошествии 2–3 лет первоначальная эйфория начала спадать, и стало очевидным, что пройден только первый, относительно легкий этап — структурный. Если сравнивать с объемом работы, который еще предстоит проделать мировой науке для того, чтобы наши знания о геноме человека кардинально изменили качество жизни человечества, то можно сказать, что на сегодня сделано крайне мало. Теперь предстоит новый, несомненно более сложный этап, называемый учеными функциональным. Энциклопедия человека напечатана и издана, но прежде чем понять суть жизни, надо научиться читать этот текст целиком, а мы пока можем прочесть только отдельные абзацы, да еще далеко не полностью даже на отдельных страницах. Важно понимать, что геном — хранилище информации, которую нельзя свести к одним генам. Каждый этап развития и функционирования отдельных клеток и организма в целом не запрограммирован автоматически в одном геноме, а зависит также от множества различных внутренних и внешних факторов.

Сегодняшняя ситуация подобна той, о которой говорил Козьма Прутков: «Где начало того конца, которым оканчивается начало?». На повестке дня стоит новый лозунг: «От структуры — к функции», то есть, говоря по-научному, от структурной геномики — к функциональной геномике человека. Уже начался бурный прогресс в изучении механизмов работы как отдельных генов, так и генома в целом. Именно достижения в этом направлении определят в конечном итоге успех всех тех начинаний, ради которых и старались исследователи, когда расшифровывали (извините, секвенировали) геном человека. Королева по имени структурная геномика сделала свое дело, наследственная королева — функциональная геномика — взошла на трон.

ОТ СТРУКТУРЫ К ФУНКЦИИ (функциональная геномика).

Недостаточно знания, необходимо также применение; недостаточно хотеть, надо и делать. И. Гёте

Хорошо известно выражение, что от слова «халва» во рту слаще не становится. Так же обстоит дело и с нашим геномом. В нем есть много разных слов и предложений, но клетке от этого ни сладко, ни горько, пока геном не начинает работать (по научному, функционировать). Только когда в клетке образуются белки, тогда она почувствует, «сладко» ей (если ген работает правильно) или «горько» (при наличии, например, в гене «плохой» мутации»).

То, что в природе (да и не только в ней) всякая конкретная структура тесно связана с выполняемой ею определенной функцией, — это аксиома. Но раскрыть и увидеть эту тонкую взаимосвязь порой весьма не просто. Особенно если это касается такой сложнейшей структуры, как геном человека. От относительной статики генома, когда изучалась структура и последовательность нуклеотидов ДНК, теперь ученым предстоит перейти к сверхсложной динамике клеточного метаболизма, зависящего от этой молекулы жизни. Это есть предмет новейших направлений в молекулярной генетике — функциональной геномики и протеомики.

В геноме человека имеются гены, которые функционируют во всех типах клеток. Такие гены, как говорят, заведуют «домашним хозяйством». Считается, что домоуправителей среди генов около 20 %. Но вот остальные 80 % ведут себя чрезвычайно специфически. Клетка от клетки сильно отличается по своему виду и функции. И это в первую очередь связано с разными наборами работающих в них генов и белков. Многие гены, функционирующие в мозгу, не работают ни в печени, ни в селезенке, ни в каком-либо другом органе или ткани. И, наоборот, в печени или селезенке функционирует ряд генов, которые нигде больше не работают. Одни из них работают только на определенных этапах развития организма, обеспечивая формирование нашего облика (хорошего или плохого — это уже другое дело). Другие гены — специализированные — работают только в очень ограниченном наборе клеток. Хорошо известный пример последних — глобиновые гены. Они функционируют только в клетках крови, поскольку их основная функция — обеспечивать перенос кислорода к другим клеткам и тканям. Другой пример. Наша способность воспринимать запахи связана с обонятельными рецепторами. Всего найдено около тысячи генов, кодирующих такие белки-рецепторы. Но в каждой клетке специализированного органа — обонятельной луковицы — работает только один ген из этой тысячи. Происходит высочайшая специализация. Как это связано с нашим восприятием запаха, пока совсем не ясно. И вдруг обнаружилось (ученых это сильно удивило), что некоторые из этих генов работают кроме обонятельной луковицы еще только в одном типе клеток — в сперматозоидах. Пока появилось лишь одно «объяснение», возникшее в журналистских кругах: может быть, сперматозоидам в темноте женских половых органов надо как-то ориентироваться, и они избрали в ходе эволюции свой путь — двигаться по запаху (это, конечно же, шутка, которая, возможно, немного отвлечет читателя).

Итак, можно сказать, что каждая клетка предпочитает «читать» лишь определенные предложения на избранных страницах Энциклопедии человека, в результате чего в ней появляется строго определенный набор молекул мРНК и белков. Другие страницы этой книги для конкретной клетки неинтересны или, может быть, написаны так, что клетка просто не может их прочесть (условно говоря, текст других предложений и страниц слишком мелок для нее, а у клетки нет необходимого для их прочтения «увеличительного стекла»). Разные возможности для чтения геномного текста существуют в разных типах тканей и на разных этапах развития организма. На этот процесс могут влиять также многочисленные внешние или внутренние факторы, которым постоянно подвержен в природе организм. Но в любом случае клетки нашего мозга, например, не могут вырабатывать желудочный сок ни при каких обстоятельствах. Такая чрезвычайно сложная ситуация существует в миллиардах клеток человека, и все эти ситуации, не поддающиеся пока даже приблизительной оценке в отношении их числа, еще предстоит исследовать. Так что пока наш геном хранит еще много разных тайн!

Путь от обнаружения генов до выяснения их функций весьма непрост. Для полного понимания жизненных процессов, протекающих в клетках и в организме в целом, для выяснения природы различных заболеваний человека необходимо тщательное изучение молекулярных механизмов, осуществляющих тонкую регуляцию работы генов. Пока, увы, и этот вопрос еще далек от своего полного решения. Что проку в самой полной и точной карте генов, если неизвестны их назначение и характер работы в организме?

Теперь перед исследователями в области функциональной геномики встала значительно более серьезная задача: определить механизмы работы генома человека и функции многочисленных вновь выявленных генов и их продуктов. Одни гены будут кодировать белки, которые окажутся специфическими ферментами (катализаторами биохимических реакций), другие будут представлять собой банальный строительный материал, третьи будут идентифицированы как гормоны, факторы роста, рецепторы факторов роста, четвертые — как передатчики нервных импульсов и так далее. И порой у одного и того же белка может оказаться несколько функций. Каждому белку, в конечном итоге, должно быть найдено его истинное место в сложнейшем устройстве и функционировании человеческого организма. То есть, условно говоря, должна быть создана система, подобная таблице Менделеева. А еще нужно выявить все возможные взаимные влияния динамично работающих генов и их продуктов друг на друга. Огромная сложность заключается в том, что функционирование любого гена осуществляется на фоне работы множества других генов, участвующих в выполнении определенной функции организма, то есть в составе так называемой генной сети. Такие генные сети включают в себя обычно от нескольких десятков до многих сотен координированно функционирующих генов. Например, генная сеть системы кроветворения включает в себя не менее 500–600 генов. Даже неполный список генов, входящих в генную сеть, контролирующую цикл клеточного деления, состоит из более чем сотни генов и т. д.

Постепенно становится понятным, что гены, как и люди, могут выполнять в своей жизни порой совершенно разные функции, оставаясь при этом самими собой. То есть, они иногда могут участвовать немножко в одном, в иной раз немножко в другом, а при случае немножко в третьем. И благодаря этому общее количество генов совсем не обязательно должно совпадать с количеством функций, присущих человеку.

Иногда совокупность генов сравнивают с большим музыкальным оркестром. В зависимости от дирижера и исполнителей одна и та же партитура может звучать так, что вызывает у слушателей или восторг, или глубокое разочарование. Каким образом каждый музыкант — отдельный ген — играет в этом «оркестре», как осуществляется слаженное «концертирование» многих тысяч разных исполнителей? Какую роль в основном «дирижировании» играет сложнейшее взаимодействие между различными генами, какое влияние оказывают постоянные воздействия на гены многочисленных факторов внутренней и внешней среды, таких, как радиация, температура, пища, солнечный свет, бактерии, вирусы, лекарственные вещества, внутриклеточные метаболиты? Не менее важен и вопрос о «дирижерских палочках» — сигнальных путях и молекулярных механизмах, контролирующих программы работы генов, так как дисгармония этих процессов сильно отражается на слаженной игре «оркестра» в целом.

Таким образом, когда мы говорим о групповой ответственности генов за те или иные функции, следует помнить, что внутри определенной группы всегда есть такие, кто собственно и выполняет всю работу, другие ее контролируют, а кто-то обеспечивает чисто вспомогательные функции. Речь идет сейчас о том, чтобы определить иерархию внутри таких сложных групп взаимозависимых и взаимосвязанных между собой генов.

Все эти вопросы еще предстоит решить в будущем. И все это, безусловно, гораздо более сложная и трудоемкая задача, чем уже проделанная гигантская работа по секвенированию генома человека.

Однако и на этом сложности предстоящей работы не заканчиваются. В изучении регуляции экспрессии генов сейчас все большее и большее значение придается химическим изменениям, происходящим иногда в определенных участках генома. Наиболее известное из них — уже упоминавшееся метилирование — это присоединение в ДНК к букве Ц специальной химической группы, состоящей из одного атома углерода и трех атомов водорода (метильная группа). Такая модификация существенно сказывается на работе гена, без изменения его текста. Метилирование, а также другие способы, которыми природа изменяет активность генов, меняя лежащие рядом с ними регулировочные участки, стали предметом изучения новой «постгеномной» дисциплины — эпигеномики (от греческого «эпи» — рядом, около). Явление немутационной эпигенетической изменчивости, открытое в конце 50-х годов при изучении генетики простейших и генетики соматических клеток, тогда не вписывалось в хромосомную теорию наследственности, «вызывая тень Ламарка» (последний утверждал, что признаки, приобретенные организмами в процессе своей жизни, могут передаваться по наследству, что отвергается современной генетикой). В наше время, когда понята молекулярная природа этого явления, эпигеномика стала еще одним из важных направлений биологического поиска. Об этом говорит хотя бы тот факт, что еще до завершения проекта «Геном человека» произошло объединение усилий большой группы ведущих европейских научных центров с целью создания Европейского эпигенетического консорциума. Его основная задача — выявление сотен тысяч участков генома, подвергающихся метилированию, и анализ различных вариаций.

Каковы же магистральные пути развития функциональной геномики человека в настоящее время? Разработано огромное множество подходов для решения данной задачи. Обо всех рассказать здесь просто невозможно, поэтому остановимся вкратце лишь на некоторых основных из них.

Микрочипы — новый рубеж в исследовании экспрессии генома.

В последние годы появились принципиально новые экспериментальные технологии, позволяющие одновременно следить за динамикой экспрессии сотен, а порой и тысяч генов в ходе функционирования и развития клеток. И здесь в первую очередь следует отметить технологию так называемых микрочипов. В 2000 году, выступая с традиционным обращением к американскому народу, президент США отметил, что биологические чипы станут одним из ведущих направлений в развитии биологии и медицины XXI столетия. В чем же причина проявления столь жгучего интереса к биочипам?

История биочипов началась еще в конце 80-х годов, когда исследователи сразу трех стан (Югославии, США и СССР) опубликовали первые результаты работ по оценкам возможности применения биочипов для анализа ДНК. В нашей стране ведущая роль в разработке данных технологий принадлежит Институту молекулярной биологии им. В. А. Энгельгардта РАН (директор академик А. Д. Мирзабеков). Спустя 10 лет в США было объявлено о начале проекта по выпуску на рынок первых коммерческих продуктов, использующих биочипы. В настоящее время эта технология очень широко используется в самых разных целях большим числом фирм. С ее помощью осуществляется широкомасштабная автоматизация процесса обнаружения множества различных генных мутаций, одновременный анализ работы десятков тысяч генов в здоровых и поврежденных тканях, диагностика генетических заболеваний и многое другое.

Современный биологический микрочип имеет весьма небольшой размер (чаще всего с ноготь) и представляет собой набор нанесенных и закрепленных (иммобилизованных) на предметном стекле специальных проб в количестве от нескольких десятков до 10000 и более. В качестве таких проб могут служить очень короткие нуклеотидные последовательности ДНК (олигонуклеотиды), протяженные фрагменты ДНК, ферменты, антигены, антитела и т. д. В зависимости от поставленной задачи сложность микрочипа (количество иммобилизованных проб и плотность их расположения) может варьировать в широких пределах. Пробы расположены на чипе в определенной последовательности. Чип гибридизуют (о гибридизации мы уже говорили) с изучаемым образцом, содержащим сложную смесь меченых тем или иным способом РНК или ДНК, а далее анализируют полученный результат с помощью специальных приборов — сканеров. По получаемой картине можно судить о том, что именно содержится в анализируемом образце. Таким образом, обеспечивается проверка на соответствие известных и неизвестных образцов ДНК и автоматизируется процесс их идентификации. Иными словами, биочип — это новое изделие, которое выступает в роли биологического эквивалента микрочипа компьютера, за исключением того, что, вместо выполнения миллионов математических действий, использующих электричество, здесь происходит расшифровка работы тысяч генов за счет процесса гибридизации.

В настоящее время исследования генной экспрессии часто проводятся с использованием высокоэффективных микрочипов ряда фирм. У фирмы Affymetrix они представляют собой маленькие пластинки, в микролунки которых нанесены короткие (20–25 нуклеотидов) пробы, комплементарные последовательностям исследуемых генов. При этом каждому гену соответствует несколько (10–20) таких проб. Это существенно повышает точность и воспроизводимость количественного анализа генной экспрессии. Плотность размещения проб, а следовательно количество генов, анализируемых на одном чипе, могут быть столь велики, что один такой чип способен охватить все гены человека. С таким микрочипом проводят гибридизацию меченых копий суммарной РНК клетки (кДНК). Благодаря комплементарности цепей, в каждой лунке гибридизуется отдельная фракция кДНК. Затем автоматически микрометодами определяется спектр генов, изменяющих свою экспрессию в одном типе клеток по сравнению с другим. В результате можно расписать функциональное состояния огромного числа генов на каждый конкретный момент времени в каждом определенном типе клеток.

Приведем лишь один пример. Надо было выяснить, чем отличается картина экспрессии генов в раковых клетках по сравнению с нормальными. Продукты экспрессии раковых клеток метили флуоресцентным красителем с максимумом флуоресценции в красной области спектра. Одновременно также метили продукты нормальных клеток, но красителем, максимум флуоресценции которого лежит в зеленой области спектра. Все это смешивалось и гибридизовалось с микрочипом, на котором содержались пробы для примерно 20 тыс. различных генов. Во флуоресцентном микроскопе получалась замечательная по красоте картинка (см. рис. 31 на цветной вклейке). Но расшифровать ее позволяет только специальный компьютерный анализ. В результате исследователи могут сделать довольно однозначный вывод о поведении в раковой клетке огромного числа генов и сравнить их поведение в нормальной клетке. Отсюда в конечном итоге можно прийти к пониманию молекулярных причин определенного злокачественного перерождения клетки. Результат, получаемый молекулярными генетиками с помощью микрочипа, можно сравнить с теми данными, которые дает астрономам фотография звездного неба, когда по размеру и яркости звезд они определяются происходящие в космосе события. Человеческий организм — это космос для биологов.

Рис. 31. Общая картина гибридизации меченых флюоресцентными красителями зондов с микрочипом, изображающая спектры генов, работающих сильнее (красным цветом) или слабее (зеленым цветом) в раковых клетках по сравнению с нормальными клетками.

Моделирование — важный подход к пониманию функции генов.

Естественно, что ученые не всегда могут проводить испытания на живом человеческом организме. Но из этого положения есть определенный выход. Сравнения геномов простых и сложных организмов указывает на существенный консерватизм функций генов. Этот консерватизм не только демонстрирует тот факт, что жизнь на земле основана на общих принципах, но и предоставляет экспериментаторам инструмент, позволяющий, исследуя функции генов у простых организмов, делать заключения о функции генов у более сложных, включая человека. По этой причине уже давно в экспериментах стали широко использовать различные животные организмы, говоря в этих случаях о моделировании процессов, происходящих у человека. Для моделирования используются различные животные, начиная от нематоды и кончая обезьянами.

Модель — это конечно же образец, некое подобие оригинала (свирель не может заменить соловья), но она зачастую много говорит ученым о самом оригинале. При этом модель помогает решить главную проблему — понять человека, не затрагивая в экспериментах его самого. Напрашивается такая, хотя и несколько отдаленная, литературная аналогия. Это все равно, как сравнивать достоверную летопись об определенном событии и легенду или сказку, где это также отражено. Хотя сказка несет элемент фантазии, но даже в ней всегда есть намек, который «добрым молодцам урок!».

Одним из наиболее широко используемых для моделирования организмов служит мышь. С ней мы часто боремся в быту, ругаем ее, травим, а вот в науке она остается одним из основных объектов исследования. Дело не только в том, что мышь — весьма доступный и дешевый объект, а главным образом в том (как это, может быть, не совсем приятно читателю), что устройство генома и сами гены у мыши довольно сходны с человеческими. В последние годы ученые научились даже получать мышей с генами человека. Для этой цели в качестве мишени используют обычно ее оплодотворенную яйцеклетку. Чаще всего ген вводят с помощью микропипетки в ядро этой клетки. При удачном стечении обстоятельств (обычно такое стечение происходит в 5–10 % случаях) ген встраивается в геном мыши и после этого становится таким же, как и собственные мышиные гены. В результате, когда из прооперированной яйцеклетки вырастает потомство, оно содержит новый, ранее не имевшийся у них ген — трансген. Такие животные получили название трансгенных. Например, когда мышам ввели ген гормона роста человека, они увеличили размер своего тела почти в два раза (рис. 32).

Рис. 32. Фотография нормальной мыши (справа) и трансгенной, содержащей ген гормона роста человека (слева).

Когда же им вводили человеческие «больные» онкогены, то у таких трансгенных мышей часто развивались опухоли того же типа, что и у человека. Подобного рода эксперименты были проведены уже с десятками сотен различных генов. Изучая биологические эффекты разнообразных (порой совершенно не изученных) генов у мышей, ученые довольно уверенно делают выводы об их вероятной функции у человека.

Более того, в последние годы были созданы специальные весьма изощренные и методически сложные генетические приемы, которые позволяют направленно изменять работу определенных, уже имеющихся мышиных генов в тех или других органах и на тех или иных этапах развития. В частности, найдены молекулярные подходы, которые позволяют полностью выключать работу строго определенных генов (это называют нокаутированием генов). Мыши с такими, находящимися «в нокауте» генами, дают возможность как выяснять роль для жизнедеятельности уже известных генов, так и идентифицировать новые гены, важные для различных аспектов жизни человека.

ОТ ГЕНА — К БЕЛКУ (протеомика).

Что посеяно, то и взойдет. Русская пословица

Сам по себе ген — лишь определенная последовательность нуклеотидов. Его основная задача — обеспечить производство на свет строго определенного белка (в крайнем случае РНК). Существует даже выражение: «гены — поваренная книга, испещренная тысячами рецептов; белки — угощение, выставленное на стол». В постгеномную эру появились новые возможности не только для функциональной геномики, но и для исследования самих белков — основных кирпичиков живого.

Белки (или, как еще их называют, протеины) известны нам уже около 200 лет. В начале XIX столетия химики выбрали имя «протеины» для этих веществ от греческого слова «proteios», означающего «первый» или «важнейший». В русском языке эти вещества чаще называются белками. И вот теперь, на базе геномики возникло новое направление исследований — протеомика. Протеомика — это изучение всей совокупности белков клеток и их взаимодействия в целом организме. Ученые в области протеомики изучают «производство» белков, их структуру и состав, различные модификации после синтеза, функции и метаболизм. Все эти исследования имеют одну общую цель: идентифицировать все белки, работающие в каждом типе клеток в каждый определенный момент их жизненного цикла, и понять в совокупности их сложный метаболизм.

Масштаб предстоящей работы представляется огромным. Ведь во взрослом организме человека в 10¹⁴ его различных клеток функционирует несколько десятков тысяч генов. Но гены кодируют лишь белки, а не их сборку в работающую «машину». Белковый «текст» — это трехмерный мир, намного превышающий возможности ДНКового текста. Как пишет американский биолог Роберт Поллак, «гены — это линейный текст, а белки — трехмерная скульптура». В белковом тексте, условно говоря, «буква» — это аминокислота, корень «слова» — последовательность аминокислот в единичном полипептиде. Свертываясь в трехмерную структуру, единичный полипептид формирует по сути дела полное «слово», которое уже может быть и простым «предложением». Вдобавок, в живой клетке форма белков может динамически меняться, что превращает их в подобие более сложной, «кинетической» скульптуры. Далее возникают сложнейшие «предложения» — комплексы, состоящие из десятков и даже сотен белков. Таким образом, разнообразие белковых вариантов у нас значительно больше, нежели генов. По некоторым оценкам, белковых вариантов и их всевозможных комплексов в наших клетках может набраться аж миллион! Связано это с тем, что, как говорилось выше, с одного гена за счет альтернативного сплайсинга возможно получение нескольких разных РНК-копий, которые способны кодировать разные белковые цепи (полипептиды). Последние, в свою очередь, могут по-разному взаимодействовать друг с другом, образуя комплексы, состоящие из 2–4 и более полипептидов. При этом формируются многочисленные белковые комплексы, обладающие порой разными функциями. Например, ген по имени Ikarus за счет альтернативного сплайсинга способен обеспечивать образование 6-ти различных полипептидов. А далее из них в клетке может сформироваться около 20 разнообразных белковых комплексов, состоящих или из одинаковых, или разных полипептидов. Таким образом, наш организм содержит гигантское число вариантов белковых молекул. Все это существенно осложняет на сегодняшний день возможность создания «каталога белков».

Кроме белков, в нашем организме содержится большое количество других молекул: липидов, углеводов, разнообразных низкомолекулярных органических соединений. Но все-таки основу основ составляют именно белки. Они выполняют в клетках весьма разнообразные функции: одни служат строительными материалами клетки (структурные белки), другие выполняют функции ферментов, катализируя многочисленные клеточные химические реакции, третьи являются регуляторами процессов репликации, транскрипции и трансляции. Существуют еще транспортные белки, участвующие в транспортировке метаболитов в клетке, белки-гормоны, хранилищные белки, рецепторные, сократительные и др. Белки в клетке постоянно синтезируются и постоянно разрушаются (деградируют). Кроме того, в клетке они распределены между разными, относительно изолированными областями, окруженными мембранами, которые называются органеллами.

Важно также отметить, что в настоящий момент анализировать белки существенно труднее, чем гены. Если процесс севенирования ДНК уже автоматизирован так, что «с ней справилась бы любая обезьяна», как едко заметил нобелевский лауреат Джеймс Уотсон, то методы анализа белков оказались гораздо более сложными. В далеком 1962 г. вместе с Уотсоном и Криком в Стокгольм были приглашены из Кембриджа Джон Кэндрью и Макс Перутц. Они были тогда удостоены Нобелевской премии по химии за впервые осуществленную расшифровку трехмерной структуры двух белков — миоглобина и гемоглобина, — ответственных за перенос кислорода в мышцах и эритроцитах соответственно. Даже в начале 1990-х годов расшифровка структуры каждого нового белка представляла значительные трудности. Каждый анализ занимал порой до десятка лет. Сейчас методы анализа белков значительно усовершенствованы. Однако все еще перспективы создания «каталога протеинов» намного более отдаленны, чем перспективы создания упомянутых выше каталогов генов, снипсов или вариаций метилирования ДНК.

Хотя и от самого по себе синтеза белка еще далеко до создания целого организма, но без белков этот процесс никогда не пойдет. Белки не только составляют большую часть клетки как структурные элементы, они осуществляют также постоянный тонкий контроль за всеми химическими процессами, происходящими внутри клетки, избирательно включая и выключая их в строго определенные сроки и в строго определенных местах. Это теперь понятно. Но не понятно до конца другое: как именно происходит в конечном итоге развитие целого организма из одной единственной клетки — зиготы. Белки, конечно же, активно участвуют в этом процессе как основные компоненты.

Работа белков, как и работа генов, тоже зависит от многих факторов, прежде всего влияющих на их пространственную структуру. Более того, многие белки со временем могут меняться (модифицироваться), и здесь уже гены не оказывают никакого влияния. Происходит это путем присоединения к белковым молекулам особых побочных групп — фосфатидов, сахаридов или ненасыщенных углеродных цепочек. Все эти события — как и образование пространственной структуры белка — никак не отмечены в генах. Гены содержат лишь общий план активной жизни клеток, а сама жизнь определяется в конечном итоге белками.

Гены во всех клетках всегда одни и те же, но вот белки, наоборот, постоянно меняются в зависимости от стадии развития клетки, возраста организма, состояния клетки и множества других обстоятельств. Иными словами, как пишет акад. Л. Л. Киселев, «протеом — понятие динамическое, а геном, напротив, статическое».

Белки позволяют себе импровизацию типа джазовой, т. е. коллективной, когда вместо одних белков их функцию выполняют другие. Это очень важно, поскольку все ситуации, с которыми сталкивается организм в процессе своей жизни, заранее предусмотреть нельзя. Известно и другое — один и тот же белок может иметь отличающийся эффект в разных типах клеток и на разных стадиях развития. Все это имеет аналогии с обычным литературным текстом. В лингвистике для описания подобных случаев имееются специальные термины. Так, термин синонимия обозначает предложения, несущие один слысл, но состоящие из разных слов (например, «Мамонтов погубило внезапное похолодание» и «Резкое понижение температуры на планете привело к гибели мамонтов»). Под термином омонимия подразумевают смысловое различие внешне совпадающих предложений (например, предложение «Мы проехали остановку» может обозначать две разные ситуации: мы проехали расстояние, равное перегону между двумя остановками, или мы миновали то место, где должны были выйти).

Одна из важнейших целей, стоящих перед учеными, занятыми анализом протеома, заключается в поиске характерных изменений в белках, присущих различным видам заболеваний. Действительно, нередко удается проследить взаимосвязь между изменениями белков и разными болезненными состояниями. Секвенирование генома человека дало в руки исследователей важную информацию для борьбы с наследственными недугами. Однако не все болезни передаются нам по наследству. Многие никак не связаны с «родовым проклятием». Выявить эти болезни можно, лишь узнав, как изменился состав белков внутри патологической клетки. По этой перемене можно заранее заметить и патологические процессы, начавшиеся в организме.

Чтобы увидеть белковый состав клетки, ученые прибегают к так называемому двумерному электрофорезу. Сначала белки сортируют по их заряду, а затем они попадают в гель, выполняющий роль сита, в котором белки разделяют по их размерам. Таким образом, удается разделить до десяти тысяч белков и маркировать их. На этой основе можно составить что-то вроде паспорта данной клетки, где примерно указан состав белков. Если человек заболевает, «паспорт» изменится. Сравнивая наборы белков больной и здоровой клеток, удается оценить течение болезни и процессы, ей сопутствующие. Все это позволяет значительно ускорить поиск белков-мишеней и осуществлять разработку лекарственных средств, чтобы как можно быстрее обеспечить больных новыми эффективными лекарствами. Сегодня более 95 % всех фармакологических средств на рынке нацелены на воздействие на белки-мишени. Протеомика порой может помочь идентифицировать и оценить новые целевые белки гораздо эффективнее, чем геномика. Это позволяет резко ускорить разработку новых диагностик и терапевтических средств.

Можно привести такой пример. Известно, что к повышению артериального давления прямое отношение имеет так называемый ангиотензин-конвертирующий фермент (ACE). Антиотензин, образующийся под действием ACE, воздействует на стенки артерии, что и ведет к гипертонии. Уже относительно давно были найдены блокаторы АСЕ, которые стали продаваться в качестве лекарств от повышенного давления. Однако все эти лекарственные средства оказались малоэффективными. В результате анализа генома человека был выявлен наиболее распространенный и эффективный вариант фермента. Затем была определена структура белкового продукта, после чего подобраны химические вещества, активно связывающиеся с ним. В результате был найден новый эффекивный препарат против артериального давления, причем за вдвое меньшее время и всего лишь за 200 млн долларов вместо 500 млн!

Окончательных результатов этого нового грандиозного исследования, которое можно назвать «Протеом человека», конечно же, в ближайшие месяцы ожидать не приходится. Понадобится, видимо, много десятков лет, если не все новое столетие. Лишь после того, как человечество получит в свое распоряжение всю эту информацию, можно будет говорить об окончательном завершении программы «Геном человека».

Но и это еще не конец предстоящих исследований. Не завершение процесса создания Энциклопедии человека. Не вызывает сомнения, что гены и кодируемые ими белки — продукт эволюции. Вместе с тем очевидно, что когда гены еще вообще не существовали, в неорганическом мире, у кристаллов и минералов, имелись определенные формы, подобные тем, что есть сейчас у вирусов, белков и даже клеток. До сих пор мы еще мало знаем о тех механизмах, которые побуждают группы молекул объединяться вместе, формируя те или иные клетки и ткани. Тем не менее, следует отметить, что в последние годы возникло некое новое представление о процессе самосборки молекул, которое может оказаться важным для нашего понимания процессов формирования и вообще функционирования человека. Возможно, во всем многообразии природных систем существует некий единый фундаментальный способ построения разнообразных структур. Его иногда назвывают «тенсегрити» (при переводе слова «tensegrity» с английского, получится что-то вроде «напряженности стойкости», что довольно коряво и малопонятно звучит по-русски). Термин «тенсегрити» означает, что система стабильна за счет баланса в ее структуре сил сжатия-растяжения. Это общий принцип, который, вероятно, работает и в организме человека. Считается, что все 206 костей человека противостоят силе тяжести, что дополнительно к мышцам, сухожилиям и связкам позволяет ему удерживаться в вертикальном положении. Таким образом, по тенсегрити, основные структуры внутри нас — кости, которые служат прочными распорками, а также мускулы, сухожилия и связки, являющиеся упругими элементами. Согласно этому представлению, законы тенсегрити действуют как на молекулярном уровне (им подчиняются наши белки и другие важные для клетки молекулы), так и на клеточном и даже организменном уровнях (при формировании тканей и органов, при морфогенезе). И все эти «сопроматные» механизмы, действующие in vivo наряду с генетическими, нам еще предстоит изучить.

ОТ ГЕНА И БЕЛКА — К ЛЕЧЕНИЮ (медицинская геномика).

Медицина поистине есть самое благородное из всех искусств. Гиппократ Самые худшие болезни — не смертельные, а неизлечимые. Эбнер-Эшенбах

Известный русский биолог Н. Тимофеев-Ресовский писал: «В удивительном по своей стройности и сложности индивидуальном развитии многоклеточных организмов, к каковым относится и организм человека, с высокой точностью в должное время в должном месте происходит должное». Это верно для здорового человека, однако медицине приходится иметь дело главным образом с исключениями из этого правила, безусловно верного для здорового организма.

Многие годы важную роль в решении всех этих «исключений из правила» играло специальное направление в медицине — молекулярная генетика. Основоположниками медицинской генетики в России были С. Н. Давиденков, занимавшийся изучением роли наследственности в болезнях нервной системы, и С. Г. Левит, организовавший в Москве и возглавивший первый в России (и один из первых в мире) Медико-генетический институт. Это направление сыграло важную роль на начальных этапах, когда мало что было известно о структуре генома человека.

Первоначально в медицине было принято считать, что любое заболевание представляет собой результат дисбаланса биохимических реакций, возникающих в результате тех или иных молекулярных поломок. В связи с этим на первом этапе нужно всего лишь определить «молекулярную мишень», а затем с помощью лекарства исправить существующее нарушение. Такой подход в целом оправдал себя при разработке лекарственной терапии инфекционных заболеваний, где в качестве мишени выступали различные бактерии и вирусы. Но при других типах заболеваний, таких, как, например, атеросклероз, рак, преждевременное старение, заболевания нервной и сердечно-сосудистой систем, старая идеология «забуксовала», потому что у этих заболеваний оказалось слишком много разных причин, включая и генетические. Стало понятным, что надежда на одну единственную «волшебную пулю», направленную на одиночную мишень, здесь не может помочь — во многих случаях «мишеней» в клетках очень много, к тому же они еще и подвижны.

Только революция, которая произошла в медицине в последние годы — как результат развития молекулярной генетики и полного секвенирования генома человека, позволила перейти от в известной мере иррационального знания к рациональному. Сегодня на основе геномики возникли такие направления, как медицинская геномика и биомедицина, которые тесно переплетаются с функциональной геномикой человека.

Опытные врачи говорят, что нет двух одинаковых болезней и двух одинаковых пациентов. И не менее чем на 50 % эти различия связаны с особенностями структуры генома. Если в будущем удастся проводить сравнение генов больных людей с генами идеального, «чистого» гомо сапиенс, это существенно поможет поиску пути к эффективному лечению.

Геном — это в первую очередь реальный текст, опечатка в котором, допущенная Природой, может сделать человека или уродом, или инвалидом, или даже не позволит ему родиться вообще. В результате реализации проекта «Геном человека» появилась твердая уверенность, что уже в недалеком будущем большинство болезней можно будет лечить на генетическом уровне. А потому медицинскую геномику считают чуть ли не самым перспективным направлением в развитии современной медицины. В конце прошлого столетия с этим согласились даже политики, когда правительства Америки, Англии, России и ряда других стран стали инциаторами грандиозного научного проекта под названием «Геном человека».

Полное секвенирование генома человека стало важнейшим этапом для всей мировой медицины. На основе успехов в молекулярной генетике и определения полной последовательности генома человека произошла «генетизация» медицины, что привело к возникновению медицинской геномики, или молекулярной медицины. Если раньше считали, что генетика имеет отношение только к наследственным заболеваниям (а они составляют всего около 2 % от общего числа заболеваний человека), то сейчас стало совершенно очевидным, что все болезни в той или иной мере от генов (а не от нервов, как это широко было принято считать, хотя и они, конечно, тоже играют свою роль). Один из руководителей геномного проекта Френсис Коллинз высказался на этот счет весьма категорично: «Нет болезней, за исключением некоторых случаев травм, которые не имели бы наследственного вклада. Я не знаю ни одного примера».

При наследственных болезнях наблюдаются опечатки в ДНКовом тексте, которые приводят к дефекту гена. В случае других заболеваний нарушения обычно затрагивают не структуру гена, а скорее регуляцию его экспрессии.

Что же дало для медицины полное секвенирование генома человека? Как теперь ясно — очень многое. В первую очередь то, что теперь стало возможным диагностировать большинство (а в перспективе практически все) известных наследственных заболеваний на любой стадии развития человека, в том числе и до рождения (пренатальная диагностика). ДНКовый текст позволяет обнаружить предрасположенность индивидуума к тем или иным заболеваниям, включая и заболевания, обусловленные внешними причинами (химическими факторами среды, вирусами, питанием и др.). ДНК стала базой для генотипирования, идентификации личности. Далее, детальные данные об индивидуальных особенностях генома пациента служат основой для фармакогеномики — новой науки, изучающей, как генетика влияет на вариабельность ответа пациентов на лекарства. Рассмотрим теперь все эти вопросы по порядку.

Любая болезнь, для которой не существует эффективной терапии, представляет собой тайну, которую не так легко раскрыть. Ученым-медикам, прежде чем изготовить эффективное лекарство или найти иной способ лечения пациента, нужно узнать первопричину заболевания, а не его внешнее проявление. Ключ к этому — ген или гены, так или иначе вовлеченные в патологию. Не так давно в науке появилась новая профессия — «охотник за генами». По аналогии с популярными в конце прошлого века «охотниками за микробами» — микробиологами — век спустя «охотниками за генами» называют молекулярных биологов, которые выслеживают, находят и секвенируют (расшифровывают) человеческие гены, и в первую очередь гены серьезных наследственных болезней. Как же осуществляется «охота»? Один из наиболее многообещающих способов сделать это — проведение тщательного сравнения ДНКовых текстов у людей, связанных родственными узами, одна часть которых подвержена какому-то характерному заболеванию, а другая — нет. Конечная цель такого поиска — определить у носителей болезни ответственный за нее ген с нарушенным генетическим кодом.

Уже говорилось, что геномы всех нас с вами очень похожи друг на друга. Если и имеются различия, то они весьма незначительные. Однако в них-то и заключается проблема. По этой причине медицинская геномика существенное внимание уделяет генетическому полиморфизму. Ранее уже шла речь о полиморфизме генома человека и об использовании этого явления для решения различного рода теоретических проблем. Но для медиков полиморфизм нашего генома имеет не столько теоретическое, сколько сугубо практическое значение.

Достоверно установлено, что многочисленные наследственные заболевания связаны с мутациями в генах, то есть с изменениями в самой структуре белков. Иногда достаточно мутации лишь в одном гене (такие патологии называют моногенными наследственными болезнями), иногда заболевание связано с наличием мутаций одновременно в нескольких генах (мультигенные наследственные болезнями). Медикам, конечно же, проще иметь дело с первыми, хотя и здесь могут быть проблемы с лечением. Наряду с эти, выяснилось, например, что белки содержат специальные сигнальные последовательности, которые можно сравнить с адресами на почтовых отправлениях или с ярлычками на багаже, где написано место, куда предполагается его доставить. Фактически такие сигнальные последовательности представляют из себя цепочки аминокислот, которые или прикреплены к белковой молекуле в виде хвоста, или, иногда, лежат непосредственно внутри нее самой. Очень важно, что множество наследственных заболеваний человека вызывается нарушениями именно в этих сигналах и в транспортных механизмах, с ними связанных. Таким образом, человеческие патологии связаны не только с нарушением структуры генов и кодируемых ими белков, но и с транспортом (перемещением) функционально активных белков в клетке.

Полиморфизм генома чаще всего для человеческого организма нейтрален. Тем не менее, изменения в целом ряде генов (и в их регуляторных участках) при определенных условиях могут способствовать, а иногда, наоборот, препятствовать проявлению отдельных заболеваний. Если обнаруживают гены, определенный полиморфизм в которых ассоциируется с тем или иным заболеванием, то их называют «генами предрасположенности» и они становятся объектом пристального внимания медиков. Первоначально определяют, к какому классу относятся эти гены. Принято считать, что среди генов предрасположенности к заболеваниям есть «гены детоксикации», которые реагируют на факторы внешней среды, и «гены-триггеры», связанные с запуском патологического процесса под действием внутренних факторов организма.

В поиске «больных» генов весьма полезными оказались уже упоминавшиеся снипсы. На них сейчас возлагают большие надежды. Изучение «снипсов» показало, что иногда замена одного-единственного нуклеотида может вызвать у данного человека повышенную склонность к развитию того или иного заболевания. Это происходит в тех случаях, когда, например, точковая мутация возникает вблизи гена, на участке ДНК, регулирующем его работу. Изучение «точечных» различий между индивидуумами может открыть путь к «индивидуализированной» медицине. Большая роль здесь отводится новому направлению — фармакогеномике, о котором подробнее мы поговорим в следующем разделе.

Расскажем о том, как секвенирование генома человека и анализ снипсов существенно изменили стратегию обнаружения и клонирования генов, ответственных за наследственные заболевания. Итак, имеется некая наследственная патология. Понятно, что за нее отвечает какой-то ген или группа генов. Что требуется, чтобы обнаружить такой ген? Сначала надо грубо определить локализацию этого неизвестного гена (его называют геном-кандидатом) на одной из 23 хромосом. Начинается масштабный поиск каких-либо изменений в ДНК разных больных с этой патологией. Обычно сперва в результате такого анализа на определенной хромосоме выявляется довольно большой район, в котором могут располагаться десятки или даже сотни разных генов. Для поиска конкретного гена-кандидата заболевания необходимо сузить исследуемый участок ДНК. На это уходило раньше несколько лет. Однако после расшифровки генома ситуация упростилась. Теперь почти вся нуклеотидная последовательность генома человека известна и помещена в базы данных, с которыми можно связаться в любой момент по Интернету. Если известна хромосомная локализация какого-либо заболевания, достаточно запросить информацию о нуклеотидной последовательности этого района, провести компьютерный поиск генов, содержащихся в нем, а затем выбрать один или несколько наиболее подходящих и протестировать их на мутации у ряда пациентов с данной патологией. Ген, в котором таковые будут обнаружены у большинства больных и не обнаружатся у здоровых людей, и есть искомый ген заболевания.

Подробные генетические и физические карты генома человека и особенно последовавшее за этим полное секвенирование ДНК позволили в последние годы успешно клонировать многие гены, ответственные за различные наследственные заболевания. Как уже говорилось, важная роль в этих достижениях принадлежит и сравнительному анализу геномов разных индивидуумов, принадлежащих к одному семейству, а также геномов нормальных и «больных» клеток.

Важными материалами для медицинской геномики служат относительно изолированные популяции людей и наличие подробных данных об их родственных связях. Так, в отличие от многих других стран, Исландия уникальна не только своим климатом, но и своими жителями. В течение многих веков здесь строго документировали все формировавшиеся брачные отношения, и, что очень важно, эти сведения сохранили в целости и сохранности до наших дней. Это дало в руки исследователей огромный материал, охватывающий около 270 тыс. ныне живущих людей и 330 тыс. их ранее живших предков. В результате появилась возможность создавать родословную для каждого из исландцев на глубину до 10 веков. Сейчас там проводят массовый анализ геномов жителей и исследуют взаимосвязь наиболее распространенных заболеваний с различными генетическими маркерами. И это уже начинает приносить первые плоды. Во-первых, удалось обнаружить связь между развитием панических расстройств психики и аномалиями строения хромосомы 9. Во-вторых, исследователи выявили ген, мутация в котором резко увеличивает вероятность развития ишемического инсульта (эта мутация получила название STRK 1 от англ. «stroke» — инсульт).

В принципе существует два основных подхода к поиску гена-кандидата, отвечающего за патологию: от белка к гену и от генома к гену. Последний путь оказался наиболее эффективным. Часто для поиска «больного» гена используют полиморфизм микросателлитных маркеров, расположение которых на хромосомах хорошо известно. Сначала выявляют «сцепление» между заболеванием и определенной формой того или иного микросателлита, затем по расположению микросателлита определяют область, которая может иметь отношение к развитию заболевания. В этой области и ищут ген-кандидат болезни. Новая стратегия получила название «позиционного клонирования гена-кандидата».

Так, в частности, поступил российский генетик Е. И. Рогаев совместно со своими зарубежными коллегами для обнаружения одного из генов, ответственного за болезнь Альцгеймера, который определяет прогрессирующее старческое слабоумие. Это заболевание начинается с незначительных на первый взгляд нарушений памяти (на имена и близкие по времени события), но уже в течение двух — трех лет приводит к полной деградации личности и мучительной смерти. Болезнь Альцгеймера как причина смертности стоит на четвертом месте в развитых странах. Еще несколько лет назад врачи не могли предвидеть развитие болезни Альцгеймера у своих пациентов, а порой даже неправильно ее диагностировали. И вот к этой проблеме подключились «охотники за генами». Они проанализировали ДНК, выделенные из крови больных и их здоровых родственников, и определили, что у всех больных есть некий особый общий участок хромосомы 14. Схема дальнейшего поиска гена-кандидата изображена на рис. 33. На следующем этапе определили, с какими маркерами (микросателлитами) сцеплен искомый ген (на рисунке указано 8 таких микросателлитов). На следующем этапе в библиотеке генов человека были найдены большие (около 1 млн. п. н.) фрагменты хромосомы 14, соответствующие исследуемому участку ДНК. С их помощью был более точно установлен участок хромосомы, несущий «больной» ген (на рисунке он обозначен двунаправленной стрелкой). Половина дела была сделана. Далее определили, какие гены здесь имеются. Их оказалось несколько десятков (отмечены светло-серыми прямоугольниками). И вот конечный результат: лишь в одном из множества генов были найдены мутации, которые встречаются только при болезни Альцгеймера (отмечен темным прямоугольником).

^{Рис. 33. Схема процедуры поиска гена-кандидата, ответственного за болезнь Альцгеймера. Фрагмент с геном пресенилина указан внизу темным цветом.}

Так был найден ген, ответственный за изучаемую патологию, который назвали пресенилин 1. Позднее еще один похожий ген (ген пресенилина 2) был найден на хромосоме 1. Люди с мутациями генов пресенилинов заболевают к 30–60 годам. При этом никакие условия среды, к сожалению, не могут предотвратить или остановить развитие болезни, ведущей в конечном итоге к летальному исходу.

А первый успех на пути использования полиморфизма для определения гена, ответственного за такое заболевание человека, как болезнь Хантингтона, пришел еще в 1983 году. Тогда был локализован на коротком плече хромосомы 4 ген, ответственный за это заболевание. Затем последовали другие успешные работы. В частности, геномный скрининг аллелей предрасположенности в семьях с накоплением диабета типа 1 позволил выявить в хромосоме 6 полиморфный вариант гена, тесно связанного с развитием этого заболевания.

В настоящее время более-менее детально картировано около 1000 генов, связанных с различными болезнями человека. А всего в Энциклопедии человека описано свыше 7,5 тыс. участков, существенные изменения в которых потенциально являются причинами тех или иных наших болезней. Но со всем этим придется еще долго разбираться. Сейчас установлено, что продукты большинства (около 30 %) из хорошо изученных генов, вовлеченных в патогенез, обладают энзиматической активностью. Еще примерно 14 % составляют гены, продукты которых модулируют функции различных белков. Функции продуктов остальных генов многочисленны: факторы транскрипции и их рецепторы, белки, входящие в матрикс, трансмембранные транспортеры и др.

Уже известны гены, мутантные формы которых приводят к сердечно-сосудистым заболеваниям, атеросклерозу, раку и другим заболеваниям. Удалось уже выделить группу генов, которые отвечают за предрасположенность к наркомании и алкоголизму, за различные психические заболевания человека. В частности, обнаружены молекулярные механизмы свыше десятка неврологических заболеваний, получивших общее название болезней триплетных повторов. Суть генетических изменений в этих случаях заключается в размножении (это называют экспансией, захватом) микросателлитов — повторяющихся триплетов — внутри или на концах отдельных генов. Так, давно был известен синдром ломкости X-хромосомы, который проявляется в виде разрывов в длинном плече этой хромосомы. Результат этого — нарушение нормального функционирования центральной нервной системы. «Охотники за генами» обнаружили «больной» ген, который определяет эту патологию (ген FMR1). Оказалось, что в первом экзоне гена FMR1 имется участок, состоящий из повторяющихся тринуклеотидов ЦГГ. У здоровых людей число таких повторов варьирует от 6 до 20, а вот у больных число копий резко увеличено (до 230), в результате чего этот ген перестает работать. Другие заболевания, связанные с увеличением (экспансией) тринуклеотидного повтора, — болезнь Хантингтона (здесь триплет в «больном» гене другой — ЦАГ), миотоническая дистрофия (триплет ЦТГ), болезнь Кеннеди (снова триплет ЦАГ). В сумме умеренная экспансия триплетов ЦАГ (они кодируют аминокислоту глутамин) обнаружена при 8 нейродегенеративных заболеваниях. В этом случае экспансия глутамина вызывает, по-видимому, приобретение белком токсических свойств.

Анализ «больных» генов показал, что часто разные мутации в одном гене приводят к одному и тому же типу патологии. Например, в уже упоминавшемся гене пресенилина обнаружено множество различных мутаций, и все они ассоциированы с болезнью Альцгеймера. Синдром Холта — Орама, характеризующийся скелетными и сердечными аномалиями, обусловлен мутациями в так называемом гомеобоксном гене, расположенном на 12-ой хромосоме. Продукт этого гена скорее всего функционирует как фактор транскрипции в сердце и конечностях. В гене обнаружено 8 мутаций, большая часть которых связана с возникновением преждевременного стоп-кодона. При муковисцидозе — болезни одного гена — проявление патологии весьма разнообразно. Выяснилось, что разные формы этого заболевания связаны чуть ли не с 600 различными мутациями в одном гене.

С другой стороны, в отдельных случаях разные мутации в одном и том же гене могут приводить к развитию разных патологий. Например, четыре вида заболеваний связывают с мутациями в одном гене тирозинкиназы (RET). Одно из них — болезнь Гиршспрунга — представляет собой сложное наследственное заболевание. Кроме того, с другими мутациями в гене RET связаны такие болезни, как множественные эндокринные неоплазии двух разных типов.

Кроме болезнетворных генов обнаружены еще некоторые гены, имеющие прямое отношение к здоровью человека. Выяснилось, что существуют гены, обуславливающие предрасположенность к развитию профессиональных заболеваний на вредных производствах. Так, на асбестовых производствах одни люди болеют и умирают от асбестоза, а другие устойчивы к нему. В будущем возможно создание специальной генетической службы, которая будет давать рекомендации по поводу возможной профессиональной деятельности с точки зрения предрасположенности к определенным профессиональным заболеваниям.

Оказалось, что предрасположенность к алкоголизму или наркомании тоже может иметь генетическую основу. Открыто уже семь генов, повреждения которых связаны с возникновением зависимости от химических веществ. Из тканей больных алкоголизмом был выделен мутантный ген, который приводит к дефектам клеточных рецепторов дофамина — вещества, играющего ключевую роль в работе центров удовольствия мозга. Недостаток дофамина или дефекты его рецепторов напрямую связаны с развитием алкоголизма. В хромосоме 4 обнаружен ген, мутации которого приводят к развитию раннего алкоголизма. Уже в раннем детстве это отражается на поведении ребенка в виде повышенной подвижности и заметного дефицита внимания. Например, недавно выяснилось, что более двух третей всех полинезийцев наделены особой аллелью гена алкогольдегидрогеназы 2, которая оберегает их от алкогольной зависимости. Большинство людей с таким геном признают, что попытки выпить пива, водки или вина неизбежно оставляют после себя очень неприятное чувство и стойкое отвращение к спиртным напиткам.

В настоящее время также интенсивно изучается проблема зависимости психики человека, его способностей и талантов от его генов. Главная задача будущих исследований — это изучение однонуклеотидных вариаций (снипсов) в ДНК и выявление различий между людьми на генетическом уровне. Это позволит создавать генные портреты людей и, как следствие, эффективнее лечить болезни, оценивать способности и возможности каждого человека, выявлять различия между популяциями, оценивать степень приспособленности конкретного человека к той или иной экологической обстановке и т. д. Подробнее об этом мы расскажем далее в специальной главе.

Сейчас уже выявлено свыше двух сотен генов детоксикации, полиморфизм которых тесно взаимосвязан с существенно измененной функциональной активностью и отражается в результате в предрасположенности индивидуума к различным заболеваниям под действием ксенобиотиков — чужеродных для организма веществ, таких, как пестициды, препараты бытовой химии, лекарственные средства и т. п. Рассмотрим несколько характерных примеров. Функционально неполноценный вариант гена детоксикации, называемого геном N-ацетилтрансферазы 2, влияет на возникновение рака молочной железы, и этот эффект напрямую связывают с курением. У женщины с данным вариантом гена курение, особенно в молодые годы, повышает риск заболевания раком почти в 20 раз! С определенным видом полиморфизма другого гена (ген GSTM1), участвующего в детоксикациии ароматических углеводородов, связан у курильщиков повышенный риск развития такого злокачественного заболевания, как карцинома.

Интересно, что мутации генов не всегда приводят к негативным последствиям — они иногда могут быть даже полезными для конкретного индивидуума. Приведем один пример. Некоторые спортсмены используют в качестве допинга гормон эритропоэтин, который стимулирует размножение клеток крови. За это их строго наказывают. А вот у двухкратного призера зимних Олимпийских игр 1964 года в Иннсбруке финна Еро Мянтиранта имелась редкая мутация в гене-рецепторе этого гормона (выяснилось это значительно позже). Эта мутация, доставшаяся спортсмену от деда, и внесла существенный вклад в его победы. Дело в том, что благодаря мутации у него образовывалось в крови красных кровяных клеток на 50 % больше, чем в норме, что приводило к существенному повышению обмена кислорода и сильно увеличивало выносливость организма к перегрузкам.

Конечно, золотые медали — это хорошо, но, скажем, устойчивость к вирусу иммунодефицита не менее важна для человека. Ведь в период до 2020 года от СПИДа в мире может погибнуть до 70 миллионов человек! Эти пугающие цифры приводятся в отчете, представленном в 2002 году на ежегодном заседании Экономической и социальной комиссии ООН.

В Уганде и Танзании инфицированность вирусом иммунодефицита среди проституток доходит до 60–80 %, однако некоторые из них не только не умирают от СПИДа, но и рожают здоровых детей. Было предположено, что имеется мутация (или мутации), защищающая человека от СПИДа. Люди с такой мутацией могут быть инфицированы вирусом иммунодефицита, но не заболевают СПИДом. В конечном итоге был идентифицирован ген, получивший имя CCR–5, с которым все это связано. За этой непонятной для непросвещенного читателя аббревиатурой скрывается ген, определенное изменение в котором (выпадение небольшого участка ДНК) придает человеку невосприимчивость к вирусу иммунодефицита человека. Большинство людей подвержено этой страшной вирусной инфекции, а вот индивидуумам с такой мутацией она не страшна. В настоящее время создана карта, примерно отражающая распределение этой мутации в гене CCR–5 в Европе. Особенно часто (до 15 % населения) она встречается среди финно-угорской группы населения. Обнаружение такого мутантного гена может привести в конечном итоге к созданию надежного способа борьбы с одним из самых страшных заболеваний нашего века.

Полиморфизм в генах-триггерах (генах-переключателях) часто связан с тяжелыми мультифакторными заболеваниями. В частности, отдельные варианты гена ApoE ассоциированы с развитием таких патологий, как атеросклероз и болезнь Альцгеймера. В качестве генов-триггеров рассматривают также многочисленные онкогены и антионкогены, мутации в которых изменяют метаболизм клетки в целом и приводят к ее злокачественному перерождению.

Зная все это, молекулярная медицина имеет возможность предсказать развитие тех или других патологий у конкретного человека. За этим следует ряд превентивных мер, а в отдельных случаях и направленное лекарственное воздействие. Уже в ближайшем будущем вполне реален такой сюжет. После проведения анализа медики говорят пациентке так: курение вредно для организма, но многие, зная об этом с детства, тем не менее курят. Однако предупреждаем — у вас лично в геноме присутствует «вредный» вариант гена N-ацетилтрансферазы 2. Если другим женщинам курение еще может и сойти с рук, то вам почти на 100 % гарантирован рак молочной железы. Вряд ли после этого пациентка будет курить.

Важной особенностью человека служит способность говорить, общаться с себе подобными. Но у некоторых людей эта способность нарушена. Изучение причины такой патологии в одной довольно многочисленной семье, где все ее члены не могли членораздельно выражать свои мысли, привело к обнаружению «гена речи», дефект в котором и вызывал эту аномалию.

Многочисленные важные для медицины результаты получают на животных как на моделях. Для этого работу мутантного гена изучают с использованием специально полученных культур клеток и трансгенных животных. Смоделировав на животных болезнь человека, их можно затем использовать для подбора лекарств, влияющих на разрушительное действие мутантных генов, например препаратов, которые останавливают гибель клеток.

Иногда идут другим путем. У лабораторных животных с помощью «генного нокаута» полностью выключают тот или иной ген-кандидат, чтобы лучше понять его функцию. Так, итальянские ученые обнаружили ген, играющий ключевую роль в развитии кокаиновой наркотической зависимости. У мышей без гена mGluR5 (этот ген был выключен — нокаутирован), в отличие от нормальных мышей, пристрастие к кокаину не возникало. Нормальные же мыши быстро привыкали к наркотику. С помощью специального приспособления они вводили себе дозу кокаина по 25 раз за два часа. Эти эксперименты открывают новое направление в изучении причин наркомании у людей и поиска путей борьбы с этим тяжелым недугом.

Когда установлена связь заболевания с одним из генов, можно начинать поиск методов лечения. Выяснение механизмов развития того или иного заболевания помогает разрабатывать новые препараты, которые действуют на причину болезни, а не на симптомы. В конечном итоге должны быть разработаны способы и средства лечения большинства болезней человека. На это, скорее всего, потребуются десятилетия, может быть, даже сменится нынешнее поколение людей, однако любой успех на этом пути, без сомнений, стоит затраченных средств, усилий и времени. Благодаря молекулярной медицине в будущем, вероятно, будут созданы новые лекарства, гораздо более избирательные и эффективные, чем ныне существующие, поскольку они будут целенаправленно действовать на строго определенные генные и белковые мишени.

По мнению главы американской программы исследований генома человека Френсиса Коллинза, уже в первой половине XXI века лечение самых разных недугов будет основано на использовании синтетических генных продуктов, которые станут изменять работу заболевших клеток и органов в нужном направлении.

Теперь, когда молекулярная природа многих наследственных патологий установлена, их можно обнаружить даже на внутриутробной стадии. Это позволяет прерывать беременность или заблаговременно начать лечение ребенка. Например, в результате таких мер в некоторых странах за последние годы доля детей, больных талассемией (болезнь крови), снизилась более чем в 20 раз. Моногенные наследственные заболевания легче определяются, часто первые клинические симптомы проявляются на сравнительно поздних стадиях. Это дает возможность диагностировать их до появления первых признаков патологии. Речь идет о таких заболеваниях, как рак молочной железы, хорея Хантингтона, рак толстой кишки, миотоническая дистрофия и др.

Прогресс в секвенировании генома человека ускорил понимание и молекулярной природы сложных генетических заболеваний. Со строго определенными генами связано относительно немного заболеваний. Подавляющее же их большинство, в том числе такие «главные убийцы», как сердечные, возникает при участии многих генов и белков, с одной стороны, и под влиянием окружающей среды — с другой. Все это сильно усложняет ситуацию. Для выхода из этого положения используют несколько методов. Один из них, весьма трудоемкий, заключается в изучении большого числа семей с определенным типом заболевания. Так, американец Р. Лифтон провел со своими коллегами обширное исследование многочисленных семей с синдромом повышенного давления. Это позволило обнаружить у них специфические мутации примерно в десятке разных генов. Многие из этих генов кодируют почечные белки, которые участвуют в транспорте солей и других метаболитов.

Другой путь — изучение соответствующих мутаций у больных мышей, которые имеют значительное генетическое родство с человеком. Однако и здесь пока не все так просто.

Весьма полезной базой для решения этих вопросов может служить большая клиническая информация, разбросанная сейчас по разным институтам и медицинским центрам. Для формирования такой информационной системы сейчас уже создаются огромные международные базы данных по сложным генетическим заболеваниям. Например, программа LURIC (The Luwigshafen Risk and Cardiovascular Health Study) поставила своей целью идентифицировать новые факторы риска генетической природы и окружающей среды для болезней сердечно-сосудистой системы. Далее с помощью функциональной геномики будет осуществляться поиск новых маркеров и генов, вовлеченных в эти сложные заболевания.

К сожалению, наши новые знания пока еще слабо отражаются в медицинской практике на процессе лечения. И это понятно — мы находимся только на первом этапе пути к полному пониманию функций человеческого генома. Тем не менее, в самое ближайшее время наиболее важный практический выход наших знаний о геноме человека ожидается в генной диагностике болезней, лечении и профилактике наследственных и врожденных заболеваний и пороков.

Уже давно бытует хорошо известное мнение, что все болезни от нервов. Это утверждение, как и многие другие категоричные заявления, конечно же, однобоко. Из вышеизложенного очевидно, что в основе большинства патологий лежат не нервы, а человеческий геном. Большая часть заболеваний человека имеет генетический компонент. Роль генетических нарушений может быть ведущей или второстепенной, но она есть почти всегда. «Психологический фактор» действительно играет порой существенную роль как в развитии заболевания, так и при его лечении. Но это уже проблема не генетиков, а психологов.

На фоне современных достижений медицинской геномики довольно архаичным звучит заявление Ватикана, сделанное в начале 2002 года, что ему удалось найти источник всех человеческих болезней. По мнению иерархов католической церкви, все заболевания становятся результатом тех или иных грехов каждого конкретного человека, поэтому все люди могут, в принципе, быть абсолютно здоровыми и хорошо выглядеть. Вот так! И ничего делать не надо. Зачем только ученые тратили и продолжают тратить баснословные денежные средства на изучение структуры и функции генома человека?

РАК — ПРОБЛЕМА ПРОБЛЕМ (онкогеномика).

Чего не понимают, тем не владеют. И. Гёте

Одно из важнейших направлений в медицинской геномике — онкогеномика — направление науки, изучающее молекулярно-генетические механизмы злокачественного перерождения клеток. Раковая (злокачественная) опухоль как правило представляет собой группу клеток организма, которая приобрела способность к неограниченному делению, имеющая свою систему снабжения всеми необходимыми веществами, независимая от систем регуляции, действующих в нормальном организме, и способная распространяться в другие органы и ткани.

Проблема рака всегда чрезвычайно остро стояла перед человечеством. Признаки опухолей неоднократно обнаруживали на сохранившихся костных останках с времен палеолита. Рак был известен медицине еще в глубокой древности, однако даже в 18 веке (до открытия микроскопа) его нередко смешивали с другими заболеваниями — проказой, сифилисом и туберкулезом. В различных летописях можно найти клинические описания далеко зашедших форм этого заболевания. Так, например, неизвестный летописец очень подробно описал в 1160 году «зловонную язву» на лице князя Владимира, которая уничтожила ему нос и верхнюю губу. Поскольку часто опухоли (припухлости) имели «пальцевидные» отростки (клешни), которые проникали в окружающие ткани, они и получили образное название «рак».

В настоящее время эта проблема не только не потеряла свою актуальность, но даже приобрела еще большую остроту. Согласно официальной статистике, от онкологических заболеваний в России ежегодно умирают более трехсот тысяч человек. В США в 2002 году по оценке ученых от рака погибло около 550 тысяч человек. При этом наибольший процент смертности составят рак легких и бронхов. У женщин на втором месте — рак груди, а у мужчин — рак простаты. В цивилизованных странах каждый пятый человек умирает от рака; только сердечно-сосудистые заболевания по смертности опережают или разделяют эту трагическую «пальму первенства». В развивающихся странах частота раковых больных была всегда ниже. Но сейчас, в связи с увеличением продолжительности жизни и проникновением в эти страны «цивилизации», и здесь отмечают повышение онкологической заболеваемости.

Однако медики не виноваты в том, что они до сих пор не могут найти радикальных средств для лечения этого страшного недуга. Многое определяется биологией человека, а биология человека упирается главным образом в его геном. А рак — это прежде всего болезнь генома. Поэтому только детальное его исследование может решить проблему рака.

Еще в 1910 году выдающийся российский ученый И. И. Мечников печатает в газете «Русское слово» статью, в которой пишет буквально следующее: «Одна причина рака, безусловно, находится в самом организме, но другая попадает в него в виде экзогенного начала, скорее всего — вируса». И вскоре ветеринарный врач П. Раус представляет доказательства вирусной природы плотной (иначе, солидной) опухоли кур, теперь называемой саркомы Рауса. Это открытие было сделано в 1911 году, а Нобелевская премия за него была присуждена Раусу только через полвека. Наконец, в 40-х годах прошлого столетия советским ученым Л. Зильбером была сформулирована вирусно-генетическая гипотеза происхождения рака. В известной мере она остается в силе и сейчас.

Однако теперь мы понимаем, что большинство раковых заболеваний не связано напрямую с вирусами, не являются они и наследственными патологиями. Свыше 90 % злокачественных заболеваний возникает как результат нарушений структуры генома (мутаций, причем, как правило, множественных), происходящих в соматических клетках отдельных органов и тканей уже во время жизни человека. Такие мутации часто происходят спонтанно, в них активное участие принимают и различные факторы окружающей среды (условия проживания, радиация, диета, курение и др.). Станислав Лем пишет: «Вирусную гипотезу рака можно примирить с мутационной, поскольку биохимическое родство вирусов и генов весьма значительно. «Ген рака» может быть в известном смысле «вирусом рака». Вирусом мы называем, однако, систему, чуждую организму, врывающуюся в него извне. В этом, собственно, единственная разница».

Любая ли мутация в геноме приводит к раку? Конечно, нет. Постепенно был выявлен определенный спектр генов, мутации в которых имеют прямое отношение к злокачественному перерождению клеток. Теперь такие гены называют протоонкогенами, а мутировавшие протоонкогены — онкогенами (прошу не путать с канцерогенами). Кроме того, имеются и антионкогены, которые препятствуют развитию рака. Но если в них произойдет мутация, то они уже не способны выполнять свою функцию, что в конечном итоге также способствует злокачественному перерождению клеток.

Первой реакцией ученых на обнаружение онкогенов было удивление. Но, как писал В. Я. Александров, «удивление — лучший повод для исследования». Получалось, что в геноме человека изначально имеются гены, которые только и ждут момента, чтобы нас с вами уничтожить. По этой причине первоначалоно стали говорить о существовании «внутреннего врага», «генов смерти», которыми человека снабдила эволюция для своевременного освобождения человеческой популяции от неполноценных стареющих организмов. Но, конечно же, дело не в этом. Даже само название «онкоген» довольно условное. В норме большинство из этих «онкогенов» кодирует ключевые белки, участвующие в процессах нормального развития человеческого организма, дифференцировки и размножения его клеток. Естественно, что поломка в них приводит к аномалиям данных процессов и, как результат, вызывает неконтролируемое размножение клеток — а, следовательно, рак. Известно уже много примеров, когда в результате всего лишь единичной замены нуклеотида в гене функция белка искажается до неузнаваемости.

Сегодня, благодаря усилиям молекулярных генетиков, мы знаем уже о многих генах, ответственных за возникновение рака. «Классическими» стали онкогены, получившие название MYC, RAS, BCL. Сейчас всего их известно более сотни. Определены спектры злокачественных перерождений, связанных с каждым конкретным онкогеном. Как правило, к злокачественному перерождению клеток приводит не единичная мутация, а некий каскад событий за ней следующих. Это напоминает путешествие героя известного рассказа Борхеса по «саду расходящихся тропок» — по такому пространственно-временному континууму, где каждая причина влечет за собой не один-единственный неизбежный и предопределенный результат, а длинную цепочку событий.

Кроме классических онкогенов в настоящее время изучено уже около трех десятков генов человека, которые осуществляют торможение деления клетки на различных этапах этого процесса и в разных тканях. Эти гены называют «хранителями клеточного цикла» или антионкогенами. Повреждение каждого из таких генов также приводит к развитию определенных разновидностей рака. Так, при анализе большого числа пациентов было установлено, что ген CABLES, расположенный на хромосоме 18, часто перестает работать (почему — это другой вопрос) при болезнях кишечника, панкреатитах и некоторых формах раковых образований. Белок Cables при этом, естественно, отсутствует в раковых клетках. Так и было установлено, что ген CABLES выступает как один из «глушителей» опухоли. В его отсутствие клетки начинают неудержимо делиться, и, в конечном итоге, они становятся злокачественными, если имеют преимущество роста по сравнению с соседними клетками.

Другой пример — хорошо изученное онкологическое заболевание ретинобластома — детская опухоль, развивающаяся на глазной сетчатке. Это заболевание возникает в результате одновременной мутации двух копий антионкогена по имени RB1 (от англ. retinoblastoma). В клетках существуют белки, отвечающие за переход клетки от покоя к делению. А белок, кодируемый геном RB1, служит строгим «сторожем» над ними. Ситуация похожа на пружину механических часов, прижатую стопором — белком, кодируемым геном RB1. Как только стопор отпущен (в гене произошла мутация и он не может выполнять свою функцию), пружина начинает раскручиваться. Результат этого понятен. Ничем не сдерживаемые белки, включающие деление клеток, разгонят клетку на постоянное и быстрое размножение, масса «сумасшедших» клеток будет расти, и в результате образуется злокачественная опухоль.

Кроме перечисленных выше генов, в геноме человека обнаружены также гены, снижающие скорость появления мутаций в ДНК (их называют «генами общего контроля» или «генами-сторожами»). Свою работу они осуществляют по-разному: одни исправляют уже возникшие ошибки, ремонтируя поврежденные участки ДНК, другие участвуют в организации контрольной проверки последовательностей в ДНК перед каждым новым делением. Если ДНК клетки повреждена, эти гены выполняют функцию «санитаров леса», выбраковывая клетку, несущую мутантные гены. Когда ДНК клетки повреждена столь сильно, что надежды на качественную починку уже не осталось, белки, кодируемые специальными геном (наиболее известный из них имеет название р53), запускают внутриклеточный каскад реакций, приводящий к запрограммированной клеточной смерти (этот процесс получил название апоптоз). Термин «апоптоз» или «самоубийство» предложил еще древнеримский врач Гален, будучи заинтригован процессом массового сбрасывания листвы деревьями по осени. В наше время так стали называть запрограммированную клеточную смерть — один из механизмов, регулирующих существование всего живого на Земле. Раковые клетки по сути наделены бессмертием и в лабораторных пробирках могут жить, в отличие от нормальных клеток, много десятков лет. За счет действия антионкогенов происходит то, что мы называем апоптозом — самоубийством. Этим самым организм защищается от возможного развития опухоли, состоящей из потомков «заболевшей» клетки. Влияние на процесс апоптоза — один из путей борьбы с раковыми клетками — клеточными Кощеями Бессмертными. Работы генетиков уже сегодня позволяют искать лекарства, которые могли бы усилить в них апоптоз.

Информация о все новых и новых генах, ассоциированных с раком, появляется и дополняется постоянно. И в значительной мере в этом помогают опыты на животных. Так, выяснилось, что удаление двух генов у мышей, названных ID–1 и ID–3, предотвращает образование рака у таких генетически модифицированных животных. В норме эти гены используются лишь на эмбриональной стадии развития, а у взрослого организма находятся в «спящем» состоянии. Но беда, если они проснутся у повзрослевшей мыши! Пробудившись ото сна, эти гены запускают механизм неконтролируемого роста определенных типов клеток, то есть процесс развития раковой опухоли. Если же этот механизм вовремя выключить, перевести гены снова в спящее состояние, то опухоль тут же перестает снабжаться кислородом, перестает расти и постепенно вообще исчезает.

«Спячка» и «пробуждение» онкогенов нередко связаны с таким уже упоминавшимся процессом, как их избыточное метилирование. Причем в некоторых случаях этот механизм даже более важен, чем возникновение мутации в гене! Фармакология давно уже располагают средствами, которые блокируют специфические ферменты, осуществляющие процесс метилирования. Таков, например, препарат деситабин, который подавляет активность всех трех ферментов метилирования ДНК. Однако пока эти средства не применяются в силу их повышенной токсичности.

А что же с вирусами, с их участием в развитии у нас рака? Постепенно мы начинаем понимать и это. Х. М. Темин (лауреат Нобелевской премии) и ряд других ученых (в России это предположение выдвинул А. Д. Альтштейн) обосновали идею о том, что некоторые вирусы несут онкогены, вызывающие рак у людей, которые привнесены в вирусный геном из нашего же с вами генома (когда-то вирус «прихватил» их из генома человека и теперь это использует в своих корыстных целях). Активные онкогены, попав к нам вместе с вирусом, делают здесь свое «черное» дело. Это, конечно, не единственная причина, почему вирусная инфекция может привести к раку. Например, если вирус внедряется в наш геном (а место его «новой прописки» в молекуле ДНК обычно довольно случайно), это может привести к изменению работы окружающих его генов. Результат этого события непредсказуем, но в ряде случаев оно приводит к злокачественному перерождению клетки.

Безусловно, значительные успехи в изучении рака связаны в основном с исследованиями самих раковых больных. Но для достижения конечной цели необходим огромный клинический материал, тысячи больных с правильно поставленным диагнозом. Чтобы решить столь сложную задачу, в Америке в 1999 году был создан крупный проект по анатомии ракового генома — Cancer Genome Anatomy Project (CGAP). Цель проекта «Геном рака», пришедшего на смену проекту «Геном человека», заключается в использовании данных, полученных в результате расшифровки наследственной информации человека, для поиска причин опухолей. GCAP призван создать платформу, обеспечивающую «интерфейс» раковых исследований и геномики. Для этого участники проекта занимаются составлением каталога генов, экспрессирующихся при развитии рака, поиском полиморфизма этих генов, молекулярным анализом различных нарушений хромосом, ассоциированных со злокачественным перерождением. И вся эта огромная по объему информация доступна любому пользователю на соответствующем сайте Интернета (http://cgap.nci.nih.gov).

Хотя старые подходы к поиску раковых генов позволили найти немало участков ДНК, связанных с развитием таких злокачественных заболеваний, как лимфомы, лейкозы и саркомы, однако они не смогли помочь при поиске генов, которые «виноваты» в развитии других, даже очень распространенных раковых заболеваний. Для облегчения их поиска участники проекта решили изучать по очереди все экзоны (т. е. кодирующие участки) всех генов, обнаруженных после полного секвенирования генома человека, и сравнивать их строение в здоровых и раковых клетках. В планы ученых на первом этапе включено около 50 различных типов опухолей, которые и предстоит исследовать в ближайшие 2–3 года. Учитывая, что в каждом гене в среднем насчитывается до десяти экзонов, а каждый ген необходимо изучить в здоровой и больной ткани для 48 типов рака, предстоит выполнить до 32 миллионов исследований. Это гигантская работа, но она уже начинает приносить свои плоды. Таким путем были, например, недавно обнаружены гены, ответственные за развитие широко распространенного рака простаты. В результате обследования тысяч больных с этой патологией было установлено, что у людей с измененным геном (онкогеном) GSTP1 риск развития рака предстательной железы в молодом возрасте возрастает вдвое. Скорость роста опухоли и вероятность ее рецидива зависят также от одного из вариантов другого гена, называемого hAR.

Невозможно описать здесь все эксперименты и успехи, достигнутые в последние годы онкогеномикой. Важно другое. Проблема, хотя и медленно, но постепенно решается. Выявление и систематизация генных мутаций, связанных с разными формами рака, — огромная и весьма трудная задача. Дело в первую очередь в том, что имеется большое разнообразия типов рака. Но и это еще не все. В одном типе опухоли у разных пациентов могут мутировать совершенно разные гены. Более того, даже у одного пациента при развитии опухоли могут происходить какие-то дополнительные мутации, которые и являются определяющими в конечном счете. Ученые полагают, что использование информации, получаемой с помощью крупномасштабных технологий структурной и функциональной геномики, должно привести к экспоненциальному росту числа генов, которые имеют отношение (прямое или косвенное) к раковому перерождению, и разработке новых средств экспресс-диагностики этих заболеваний. В последнем случае большие надежды связывают с такими уже упоминавшимися выше технологиями, как микрочипы и полимеразная цепная реакция (ПЦР). Но сложность заключается в том, что рак — явление чаще всего спорадическое. Семейные случаи заболевания раком составляют лишь около одного процента от всех пациентов онкологических клиник. А постоянно бегать и анализировать свой геном на возможные мутации в сотне разных генов — малореальная перспектива.

Тем не менее, поиск причин возникновения той или иной разновидности рака молекулярные генетики осуществляют вовсе не в погоне за некой интересной для них теоретической информацией. Знание особенностей работы генов опухолевого роста позволяет искать пути восстановления или подавления функции этих генов в опухолевой ткани, а значит, и создать эффективные методы лечения злокачественных заболеваний. Обнадеживающие результаты в этой области уже получены. О некоторых из них мы поговорим далее в разделе «Ремонт генов (генная терапия)». Другой важный результат проведенных исследований уже получил реальное воплощение в медицинскую практику. При хирургическом подходе к лечению рака (а он пока, к сожалению, один из главных) твердую гарантию положительного результата обеспечивает лишь полное удаление всех злокачественных клеток. Но зачастую хирургу во время операции не так-то легко определить, затронут ли опухолью данный участок органа или нет. Вероятность визуальной ошибки велика, а цена ее — жизнь человека. В то же время многие органы нельзя удалять целиком, если мы не хотим нарушить нормальное функционирование организма. И тут на выручку приходит обнаруженная ранее мутация, испортившая ген. Она служит для медиков прекрасным маркером присутствия или отсутствия опухолевых клеток в организме пациента после операции. На западе уже существует множество клиник, где проводятся операции «под молекулярным контролем». Видимая невооруженным глазом опухолевая ткань удаляется хирургом полностью, и сразу после операции вокруг неё через каждые несколько миллиметров берутся микроскопические пробы, которые анализируются с помощью молекулярно-генетических экспресс-методов. Если какие-то опухолевые отростки сохранились после хирургического вмешательства, их удаляют уже через два-три часа после проведенного анализа. Статистика показывает, что средняя продолжительность жизни пациентов после «контролируемой» операции значительно выше, чем у оперированных традиционным образом. Некоторые другие подходы, используемые сегодня для лечения рака, будут описаны далее в разделе «Ремонт генов».

Роль генов в злокачественном перерождении неоспорима. Вместе с тем, как пишет академик Е. Д. Свердлов, мы сегодня неизбежно приходим к осознанию того, что эта проблема — не только проблема генов. Ни одни мутации отдельных «плохих» генов, ни даже те или иные звенья регуляции экспрессии генома, а определенные интегральные процессы в клетках и тканях вовлечены в развитие рака. И это все еще предстоит «распутать» ученым, прежде, чем мы можем сказать: рак побежден!

На сегодняшний день неким утешением, хотя и довольно слабым, для нас может служить то обстоятельство, что рак не является какой-то фатальной неизбежностью, поскольку многие люди, достигшие весьма преклонного возраста, им не заболевают. Но трудно объяснить заболеваемость раком и одними лишь вероятностными причинами. В подавляющем большинстве случаев, для возникновения опухоли одной генетической предрасположенности недостаточно. Всегда необходим какой-то толчок, который заставит онкогены проявить себя. Считается, что 90 % всех форм рака у человека спровоцированы действием факторов окружающей среды, таких, например, как вирусы, радиация и различные канцерогены (от cancer — рак, genos — рождение), которых существует огромное множество в окружающей нас природе. Чаще всего именно последние и помогают «нехорошим» генам активизироваться или, наоборот, замолкать.

Считается, что с питанием и курением связано свыше 60 % раковых заболеваний, а вот с употреблением алкоголя всего 5 %.

Нам же пока остается только надеяться, что онкогеномика сможет решить многие из этих вопросов в ближайшее время, до того как мы с вами лично не столкнемся с этой проблемой.

ГЕНЫ И ПОВЕДЕНИЕ (психогеномика).

Не всяк умен, кто с головою. Русская пословица

Как уже многократно говорилось выше, геном всех людей, живущих на нашей планете, почти одинаков, но вот поведение разных людей, их умственные способности, психика порой кардинально отличаются. Сталин, Гитлер, академик Сахаров, физик Ландау, театральный деятель Станиславский, певец Лемешев, космонавт Гагарин, адмирал Ушаков, ударник труда Стаханов — это все представители одного вида гомо сапиенс, но какие они разные по своей психике, таланту и поведению! В чем же причина?

До недавнего времени ведущую роль в решении подобного рода вопросов играли психиаторы и психологи, а также ученые, которые занимались поведенческой генетикой — наукой, изучающей наследование характера, темперамента и особенностей поведения человека. Использование ими многочисленных тестов говорило о том, что интеллект все-таки зависит от внешних воздействий, в первую очередь от характера социальной среды, в которой оказался ребенок. Коэффициент интеллекта (хорошо известный как IQ) у детей, которых много и хорошо обучают, можно повысить буквально за год. Эти данные позволили некоторым ученым утверждать и настраивать на это общественность, что интеллект человека определяется только социальной средой и обучением и практически никак не зависит от наследственности.

Параллельно с этим проводились исследования на идентичных, или, как принято их называть, однояйцовых, близнецах, которые наследуют совершенно одинаковые гены (в следующем разделе мы поговорим об этом подробнее).

В результате анализа близнецов, проведенного канадскими психологами, изучающими генетику лидерства и стремления к лидерству, было доказано наследственное происхождение этих качеств. Как характерную иллюстрацию к данному положению психологи приводят судьбу династии Кеннеди, члены которой из поколения в поколение передают своим потомкам этот самый «ген лидерства». Было установлено, что и за такие черты человека, как тревожность и склонность к депресиии, также в определенной мере отвечает наследственность. Однако сам механизм наследования, гены, ответственные за темперамент, наклонности и пристрастия, остаются пока неизвестными. В отличие от генов, определяющих группу крови, формирование конечностей или цвет глаз, выделить «ген лидерства» или, скажем, «ген гомосексуализма» оказалось значительно сложнее.

Но в последнее время, благодаря гигантским успехам геномики, наметился существенный прогресс в этом вопросе. Науку, возникшую относительно недавно на пересечении генетики и психологии можно назвать психогеномикой по аналогии с фрейдовским психоанализом. Основная задача психогеномики заключается в «охоте за генами», формирующими личность, психику и поведение человека.

Однако решение этой задачи оказалось весьма трудоемким занятием. Данные одних ученых зачастую не подтверждаются другими «охотниками за генами». Дело в том, что поведение человека, его психика, зависят, как правило, от большого числа генов и гораздо больше подвержены влиянию внешней среды, чем морфологические или биохимические признаки.

Одним из первых ярких успехов психогеномики можно, по-видимому, считать обнаружение американцем Д. Хэмером и его коллегами определенной взаимосвязи между мужской гомосексуальностью и строением небольшого участка ДНК, расположенного на самом кончике X-хромосомы (эту хромосому мужчины наследуют от своих матерей).

Внимание специалистов разных стран привлекли к себе гены, которые кодируют белки, участвующие в передаче сигналов от нейрона к нейрону в разных отделах нервной системы. Один из таких передатчиков — белок серотонин. Для того, чтобы передать сигнал на другой нейрон, ему необходим еще один белок — рецептор. И, наконец, в клетках имеется третий белок, называемый транспортером серотонина, который разрушает молекулы серотонина в нервных клетках. Так вот оказалось, что с генами, кодирующими эти три белка, тесно связаны некоторые особенности поведения человека, в частности, тревожность и склонность к депрессии.

Первым был найден «ген самоубийства». Таковым оказался ген, кодирующий рецептор серотонина. У людей-носителей определенной мутаций в этом гене часто возникают суицидальные настроения. Так был сделан вывод, что суицид имеет определенную генетическую основу.

Затем ученые США, Германии и России обнаружили и изучили участок в геноме, который управляет работой гена транспортера серотонина. Оказалось, что он существует у разных людей в нескольких формах (аллелях). У людей с повышенным уровнем тревожности и склонностью к отрицательным эмоциям этот участок был длиннее, чем у спокойных и более оптимистичных. Увеличение размера регулирующего участка не проходило бесследно: в клетках увеличивалось количество белка-транспортера, то есть его ген работал более активно, чем в норме. Так было показана генетическая взаимосвязь между работой гена транспортера серотонина и определенным поведением человека. Человеку от родителей «в наследство» досталась длинная аллель гена, и он будет мучаться всю свою жизнь сам и быть в сложных отношениях с окружающими людми! Но дает ли нам что-то то знание, которое получили молекулярные генетики? В данном конкретном случае можно положительно ответить на этот вопрос. Для лечения у людей депрессии было создано несколько лекарств, и среди них наиболее известен медицинский препарат Прозак. Механизм действия Прозака основан на подавлении активности белка-транспортера, в результате чего уровень серотонина в нервных клетках увеличивается. Средство оказалось весьма эффективным.

Другой хорошо известный передатчик сигналов в нерной системе — дофамин. Он также действует на нервные клетки через специфический белок-рецептор. Одна из групп нейронов, производящих дофамин, связана с так называемым центром эмоций и удовольствий. Ранее на мышах было показано, что избыток дофамина вызывает у них исследовательскую гиперактивность. Теперь появились и результаты на человеке. Было обнаружено, что один из генов, кодирующих белки-рецепторы дофамина, может существовать в разных аллельных формах (длинная и короткая). У людей-носителей длинной аллели чувствительность к дофамину понижена, а у индивидуумов с короткой аллелью — повышена. И это сильно сказывается на поведении человека. Люди с длинной аллелью больше склонны к поиску новых впечатлений, и это стремление к новизне проявляется во всех сферах жизни. Обнаруженный ген так и назвали «геном поиска новизны». Видимо неслучайно у американцев длинная аллель гена рецептора дофамина встречается в 25 раз чаще, чем, скажем, у жителей Южной и Восточной Азии. Из истории мы знаем, как заселялась Америка европейцами. Кто ехал тогда в неизвестность в поисках денег и слав? Конечно же, в первую очередь, это были энергичные люди, склонные к авантюризму, любопытные и импульсивные. Вот они то и внесли длинную аллель «гена поиска новизны» в современную американскую популяцию.

Недавно обнаружены два гена, которые отвечают за материнские инстинкты (эти гены — MEST и PEG3 — так и были названы генами «материнского инстинкта»). При этом, ко всеобщему удивлению, выяснилось, что вовсе не женщины, а мужчины определяют такое тонкое чувство, как материнский инстинкт, поскольку оба гена дочки получают от отцов. Опыты на мышах полностью подтвердили эти результаты. Животные, у которых гены «материнского инстинкта» отсутствовали, не заботились о новорожденных, в результате чего только 8 % их детенышей оставались в живых. У нормальных же мышей-матерей выживало более 80 % потомства. Поэтому, дорогие женщины, ни один мужчина не смеет упрекнуть вас в том, что вы плохо воспитали дочь. Если с дочерью проблема, то вся причина в «некачественном» отце.

Генетики давно подметили, что преступные наклонности, связанные с физическим насилием, присущи некоторым людям от природы. Исследование одной датской семьи, несколько поколений мужчин которой были склонны к немотивированной физической агрессии, позволило обнаружить «ген агрессивности». Им оказался ген моноаминооксидазы — фермента, участвующего в проведении нервных импульсов.

Перечисленные успехи психогеномики имеют и обратную сторону. Не исключено, что в будущем суды при вынесении приговора будут принимать во внимание результаты генетического анализа. Например, не так давно адвокаты убийцы в американском суде помогли своему клиенту избежать смертного приговора, использовав результаты генетической экспертизы, подтвердившей наследственную склонность судимого к убийствам. И что в этой ситуации делать пострадавшим?

Необходимо подчеркнуть, что, в отличие от генов, ответственных за развитие организма и его физические параметры, наличие «больных» генов, формирующих психику и поведение, еще не означает стопроцентную обреченность человека на определенные отрицательные проявления. Во-первых, как правило, не один, а совокупность генов отвечает за наши душевные характеристики. Между ними существует очень сложное и порой весьма неоднозначное взаимодействие, эффект которого зависит от множества различных факторов. Во-вторых, как считает большинство ученых, психика и поведение человека лишь процентов на 50 определяются генами. Не меньшую, если иногда не большую, роль в этом играют общество, окружение, воспитание, иными словами, окружающая среда. С точки зрения ученых, считавших, что интеллект определяется средой и обучением на все 100 процентов, это очень мало. Но не вполне правы оказались и психологи начала прошлого века — наследственность тоже не определяет интеллект целиком и полностью. В результате в споре «наследственность — среда» оказались в какой-то степени правы как одни, так и другие. Похоже, что в генах нет строгой программы, которую неукоснительно выполняет организм. Содержащийся в них текст напоминает скорее всего некий набросанный в общих словах план, коему человек порой следует, а порой заметно отступает от него.

О взаимодействии генов и окружающей среды вообще, а не только применительно к человеческой психике, и поговорим далее.

ВСЕ ЛИ В НАС ЗАВИСИТ ОТ ГЕНОМА? (геном и окружающая среда).

Законам природы люди повинуются, даже когда борются против них. И. Гёте Как великий художник, природа умеет и с небольшими средствами достигать великих эффектов. Г. Гейне

Конечно же, надо понимать, что секвенированный геном человека не есть полный ключ к раскрытию всех тайн возникновения, развития и формирования современного человека. Мы живем не в безвоздушном пространстве, а в постоянном ежедневном тесном контакте с окружающей нас средой, с тысячами физических, химических и биологических факторов, которые действуют на нас на протяжении всей нашей жизни. Уже говорилось, что геном — это корень жизни. Поэтому мы и зрим в него. Однако ясно, что многочисленные внешние воздействия также могут влиять на организм, на его функциональное состояние и развитие. Но какова значимость этого влияния? Вопрос очень непростой, особенно если вспомнить трагическую историю развития генетики в нашей стране. Был тяжелый период, когда генетика была отброшена назад на многие годы, когда окружающая среда официально провозглашалась главным фактором развития всего живого.

Одним из важных подходов, который был использован для ответа на поставленный в этой главе вопрос, явилось наблюдение за так называемыми однояйцовыми (монозиготными) близнецами. Такой подход в генетике существует уже давно, он получил и специальное название «близнецовый метод». Этот метод основан на изучении однояйцовых близнецов (то есть людей, имеющих полностью идентичный генетический аппарат) для разделения ролей между участием наследственности и окружающей среды в формировании отдельных признаков и свойств человека. Высокий коэффициент корреляции, близкий к единице, в паре монозиготных близнецов свидетельствует о генетическом происхождении признака, а в паре дизиготных (происходящих из двух разных зигот) близнецов — о формировании признака под влиянием среды.

Однояйцовые близнецы образуются в результате деления одной и той же зиготы и, следовательно, содержат идентичные геномы. Важно, что это не искусственный материал, а материал, поставляемый в руки исследователей самой природой. Хотя появление близнецов — довольно редкое явление (считается, что у человека одна двойня приходится на 80–85 родов; значительно более редки случаи рождения трех, четырех и более близнецов), тем не менее, и имеющихся случаев достаточно для проведения соответствующих исследований.

Близнецы, как необычное явление, привлекли к себе внимание задолго до возникновения естественных наук, в том числе и генетики. Это нашло отражение в многочисленных мифах, легендах, сказках, в изобразительном искусстве. В древности близнецы служили одновременно и предметом страха, и предметом восхищения. В мифах о братьях-близнецах, характерных для индейцев Северной и Южной Америки, один из братьев часто представляется хорошим во всех отношениях, тогда как другой — плохой во всем. Согласно греческой мифологии близнецы Диоскуры (сыновья Зевса) — Кастор и Полидевк — отличались тем, что один из них был смертным, а другой бессмертным. Из легендарных близнецов древнего Рима хорошо известны его основатели Ромул и Рем, вскормленные волчицей. Обращались к этому вопросу и древние философы, и многочисленные ученые в последующие столетия. Однако лишь во второй половине XIX века (1875 год), то есть после трудов Менделя, двоюродный брат Ч. Дарвина антрополог Френсис Гальтон осознал, какое важное методологическое значение имеют однояйцовые близнецы, и понял, что их исследование может быть одним из подходов для понимания взаимодействия наследственности и среды в процессе формирования признаков и свойств организмов.

Близнецовый метод подразумевает сравнение тех или иных свойств, признаков или характеристик между разными однояйцовыми близнецами, а также сопоставление полученных данных с разнояйцовыми близнецами (они происходят из разных зигот и генетически разнятся) и с человеческой популяцией вообще. Насколько генетически подобные близнецы подобны друг другу по фенотипу? Как влияет на их различия окружающая среда? Многолетние исследования позволяют пока лишь частично ответить на все эти вопросы.

Так, еще в XIX веке уже упомнянутый Ф. Гальтон начал изучать папиллярные узоры на крайних фалангах пальцев человека и основал дисциплину под названием дактилоскопия, которая до сих пор с успехом используется в криминалистике (об этом мы поговорим подробнее далее). Отпечатки пальцев являются одним из наиболее признанных способов идентификации человека. Характерные «узоры» закладываются у зародыша уже на третьем месяце развития и сохраняются без изменения в течение всей жизни. При сравнении кожных «узоров» у близнецов было выявлено, что они очень похожи (это очень важно), но, что удивительно, эти «узоры» не всегда полностью идентичны. При исследовании ряда других признаков также наблюдали их небольшие вариации у близнецов: цвет глаз и волос, форма губ, носа, уха. Выявлены и различия в физиологии высшей нервной деятельности. В то же время анализ групп и факторов крови показал полную идентичность близнецов по этому показателю. Таким образом, последние признаки полностью генетически детерминированы. Сложнее обстоит дело в отношении многих других признаков. Использование близнецового метода позволяет говорить лишь о неодинаковой изменчивости разных наследственных свойств человека: группа крови не меняется всю жизнь, цвет глаз и волос меняются относительно мало, а вес тела может значительно варьировать. Вместе с тем исследование близнецов дает ценные данные о роли генетических факторов и факторов среды в аномалиях и болезнях человека. Так, при анализе однояйцовых близнецов и их родителей было обнаружено, что наличие шестого пальца (шестипалость) в некоторой степени определяется генетически, а не есть только результат патологии развития. Крупномасштабное сравнение однояйцовых близнецов друг с другом и с разнояйцовыми близнецами показало, что возникновение таких инфекционных заболеваний, как корь, коклюш, ветряная оспа практически полностью зависит от возбудителя заболевания, а вот полиомиелит и туберкулез определяются кроме того (хотя и в не большой мере) наследственными свойствами человека. В частности, заболеваемость туберкулезом обоих однояйцовых близнецов более чем в 3 раза выше, чем у двух разнояйцовых близнецов. Исследование близнецов, проведенное в Каролинском институте в Стокгольме, убедительно показало существенное воздействие факторов окружающей среды (курения, загрязнений, питания, образа жизни) на развитие некоторых форм злокачественных заболеваний. Вместе с тем отмечено и определенное влияние генетических факторов на возникновение рака простаты, рака прямой кишки и рака груди.

При анализе близнецов удалось выяснить, что умственное развитие, различия в привычках людей также могут объясняться генетически. Так, выяснилось, что однояйцовые близнецы значительно более сходны между собой в отношении умственных способностей, чем двуяйцовые. Если один из пары однояйцовых близнецов слабоумен, то второй оказывается таким же почти всегда. В то же время у двуяйцовых близнецов такое совпадение отмечено лишь в 25 %.

Корреляция коэффициента интеллектуального развития (всем хорошо известного IQ) для воспитанных совместно однояйцовых близнецов почти столь же высока, как, например, корреляция веса тела. Но в то же время корреляция IQ между однояйцовыми близнецами, воспитанными порознь, не выше, чем у разнояйцовых близнецов одного пола, воспитанных совместно. Из этого следует, что одинаковые внешние условия способны в той же мере дать вклад в достижение сходных показателей интеллекта, что и генетические различия между разнояйцовыми и однояйцовыми близнецами.

Или другой пример. У детей известна такая патология, как дислексия — неспособность к чтению. Анализ показал, что у однояйцовых близнецов оба ребенка страдают дислексией в 84 % случаев.

Канадскими учеными было проведено исследование 336 пар близнецов (как однояйцовых, так и разнояйцовых) на тягу к различным пристрастиям. Оказалось, что из 30 проанализированных пристрастий тяга к 26 из них в той или иной степени объясняется генами. По мнению ученых, наиболее тесно от генов зависят такие пристрастия, как тяга к чтению, занятие групповыми видами спорта, катание на водном мотоцикле. Более того, генетически обусловлены оказались и некоторые мировоззренческие установки — отношение к смертной казни за убийство и проблема запрещения абортов. На интересы близнецов оказывали воздействие многие характеристики личности, в высокой степени передаваемые потомкам. Тем не менее, ученые отмечают, что ненаследуемые характеристики (такие, как индивидуальный жизненный опыт) также чрезвычайно важны в формировании предпочтений.

Российскими учеными было проведено исследование детей-близнецов в возрасте от 7 до 12 месяцев на предмет того, в какой мере генетика и среда влияют на формирование пяти интегральных черт темперамента: агрессивности, раздражительности, активности, чувствительности к наказанию и общительности. Оказалось, что первые три черты темперамента находятся под жестким генетическим контролем: агрессивность поведения младенца во втором полугодии жизни на 94 процента определяется его генотипом, активность — на 89 процентов, раздражительность — на 85 процентов. Но вот чувствительность к наказанию, зависимость от матери и страх перед незнакомыми почти в равной мере зависят от генотипических особенностей и факторов среды. То есть родительское воспитание и влияние семейной среды могут изменить эти биологически обусловленные черты. Наконец, общительность почти на 90 % формируется под влиянием среды, которую создают родители.

Интересно, что гены вмешиваются даже в такой интимный процесс, как продолжительность и прочность брака между людьми. Чтобы установить этот факт, исследователи изучили данные о 800 мужчинах-близнецах, как однояйцовых, так и разнояйцовых. Как и ожидалось, состояние дел в семейной жизни у генетически идентичных однояйцовых близнецов было чрезвычайно схожим, а для генетически неидентичных различалось, и часто весьма значительно. Исходя из этого и был сделан вывод о существовании генетической предрасположенности к разводу. По мнению исследователей, зависимость устойчивости брака от генов может быть связана с такими факторами, как склонность к алкоголизму, наркотикам или депрессии, наследственная природа которых известна достаточно давно. Результаты опроса позволили также сделать вывод о том, что на отношение к первому браку в большей мере влияет окружение человека, в частности, устойчивость брака родителей. Генетические же факторы вступают в дело уже в процессе семейной жизни.

Такие тонкие чувства, как ощущение благополучия и удовлетворенности жизнью («счастливость»), значительно сильнее коррелируют у идентичных близнецов по сравнению с разнояйцовыми близнецами, независимо от материального положения, возраста и образования. Проводившие это исследование ученые утверждают, что у нас чувство благополучия на 50 % зависит от генетики, а другие 50 % — «от сожалений и удовольствий последних часов, дней и недель», то есть от внешних факторов.

Благодаря методу близнецового анализа на генетический уровень вышла и широко обсуждаемая проблема гомосексуализма. Уже имеются достоверные данные, что около 57 % однояйцовых близнецов, 24 % разнояйцовых близнецов и 13 % братьев мужчин-гомосексуалов также являются гомосексуалами. По данным для женщин-лесбиянок, приблизительно 50 % однояйцовых близнецов, 16 % разнояйцовых близнецов и 13 % родных сестер этих женщин также являются лесбиянками. Более того, недавно ученые вышли на гены, коротые во всем этом «виноваты». Таким образом, при определенных обстоятельствах люди становятся гомосексуалистами в силу генетических причин, то есть по сути они — больные люди. Осознание этого поможет решить, хотя бы частично, две проблемы: проблему гомофобии (плохо ненавидеть больных людей) и проблему наметившегося во всем мире агрессивного гомосексуализма (эти люди требуют признания их здоровыми и полноценными, порой даже гордятся своей особенностью). Однако, если рассматривать гомосексуализм как болезнь, как патологию, ситуация кардинально меняется. Трудно представить себе человека, гордо стоящего с плакатом: «Я страдаю импотенцией, поэтому требую к себе уважения, как к полноценному члену общества!». А ведь гомосексуалисты именно так и утверждают себя.

Согласно современным оценкам, такие показатели, как продолжительность жизни, здоровье человека, также в первую очередь связаны с генетическими факторами, роль которых оценивается на уровне 65–70 %. Для каждого из нас важно, что при этом все-таки не меньше 30 % шансов отводится окружающей среде, нашему образу жизни и особенно нашему питанию.

Многочисленные и разнообразные данные, приведенные выше, позволяют дать ответ на вопрос, поставленный в заголовке этой главы: геном определяет многое в нас, но и окружающая среда не бездействует, а иногда и весьма заметно вмешивается в нашу сущность. Взаимосвязь между генами и окружающей средой ученые иногда сравнивают с заряженным пистолетом и курком. Пистолет не выстрелит, пока не будет нажат курок. Также обстоит ситуация и в клетке, где в качестве заряженного пистолета служит весьма чувствительный ген или комбинация генов, а функцию курка выполняют всевозможные факторы окружающей среды. Имеется и другое сравнение — с карточной игрой: хороший игрок может выиграть и с плохими картами.

Чтобы разобраться в тех многочисленных взаимосвязях, которые существуют между проявлением отдельных вариантов генов и влиянием на этот процесс различных факторов окружающей среды, был создан специальный международный проект — The Environmental Genome Project. Среди множества задач данного проекта главной является, конечно же, изучение влияния окружающей среды на продолжительность жизни, а также на возникновение и развитие различных заболеваний человека. В конечном итоге этот проект может оказаться не менее важным и сложным, чем знаменитый и очень дорогостоящий проект по секвенированию генома человека. А в том, что он будет продолжаться по времени значительно дольше, чем геномный проект, нет никакого сомнения.

ПРАВИЛЬНЫЙ ДИАГНОЗ — ПОЛОВИНА ЛЕЧЕНИЯ (генная диагностика).

Надежда выздороветь — половина выздоровления. Вольтер

Знание структуры генома человека дает сегодня медикам дополнительные возможности ставить уверенно и безошибочно диагноз многих тяжелых болезней. Важно, что при этом врачу совершенно не обязательно видеть самого пациента. Достаточно лишь «прочитать» небольшой определенный участок его ДНК, выделенной из нескольких клеточек человеческого тела (например, из капли крови или даже из волосяной луковицы).

Если известно, какие именно генные мутации приводят к заболеванию, то их можно тестировать еще до появления первых признаков заболевания. Особо актуальна разработка точных ранних (предклинических и пренатальных) методов диагностики наследственных болезней, в связи с большим многообразием их форм (уже известно более 4 тыс. таких заболеваний), изменчивостью клинических проявлений и отсутствием в большинстве случаев радикальных приемов лечения.

Согласно имеющейся статистике, сейчас в России каждый год на 1,2–1,3 млн. родов появляется около 60 тыс. детей с врожденными пороками развития и наследственными болезнями, в том числе около 15 тыс. младенцев с очень тяжелыми патологиями. В настоящее время в России живет около 1,5 млн. инвалидов по причинам генетической природы. Это не только большие проблемы самого больного и его семьи, но и огромный моральный и материальный груз для всего общества. Имеющиеся средства лечения большинства этих болезней пока малоэффективны. По некоторым расчетам, из бюджета в нашей стране на медицинское и социальное обеспечение таких больных выделяются средства, превышающие расходы на среднее образование всех здоровых детей.

Этот груз для общества мог бы быть в значительной мере скомпенсирован благодаря использованию эффективной дородовой диагностики наследственных заболеваний. Возможность ранней диагностики позволяет провести профилактическое лечение и не дать болезни проявиться во взрослом возрасте. Например, при заболеваниях обмена веществ (фенилкетонурия, болезнь Вильсона — Коновалова) в качестве средства профилактики медики используют специальные диеты. В случае смертельной и неизлечимой болезни (например, миодистрофия Дюшенна) дородовая ДНК-диагностика позволяет врачам дать рекомендацию о прекращении беременности на ранних сроках.

Современная генная диагностика целиком связана со знанием структуры генома человека. Пока, к сожалению, эти знания еще далеко не полные. Из нескольких тысяч известных наследственных болезней реально лишь для двух сотен из них найдены гены, мутации в которых приводят к развитию заболевания. Выше уже говорилось об обнаружении генов-носителей болезни Альцгеймера, выявлены «больные» гены болезни Тея — Сакса (вызывает слабоумие, прогрессирующую слепоту и мышечное истощение), синдрома Хантингтона, рака толстой кишки и молочной железы и многих других. Но даже эти скромные успехи уже приносят ощутимые результаты. На сегодняшний день в Японии все новорожденные проходят тест на 11 генетических заболеваний, в Америке — на 7, в России — на два: фенилкетонурию и гипотиреоз. Генетический анализ помогает распознать заболевания даже когда плод еще находится в утробе матери. Сегодня многие супружеские пары, ожидающие рождения ребенка, могут пройти такое тестирование — молекулярный анализ ДНК, полученной из небольшого количества эмбрионального материала. Этот анализ позволяет с высокой точностью предсказать, будет ли плод страдать той или иной из нескольких сотен тяжелых наследственных болезней.

Первые примеры этому уже имеются. Так, недавно появилось сообщение об использовании сверхранней диагностики с целью рождения полноценного ребенка в семье, где ее члены поражены болезнью Альцгеймера. В искусственных условиях оплодотворили яйцеклетку матери сперматозоидами отца. Потом провели анализ 15 зигот на наличие мутаций в гене, ответственном за болезнь Альцгеймера. В большинстве случаев была обнаружена смертельная комбинация генов, а в одном все было в порядке. Использовав эту единственную «полноценную» зиготу, приемная мать родила здорового ребенка. В ином случае ребенок, рожденный матерью, с большой вероятностью (15: 1) содержал бы «больной» ген. В ближайшем будущем подобные процедуры станут вполне привычными, так как техника предупредительного генетического анализа стремительно развивается.

Первым практическим результатом реализации программы «Геном человека» стало появление принципиально новых подходов к диагностике и лечению наследственных моногенных заболеваний, то есть заболеваний, связанных с нарушениями одного единственного гена. Теперь на очереди стоит генная диагностика ненаследственных заболеваний, в частности, злокачественных новообразований, возникающих спорадически. Выше уже говорилось о большом спектре генных мутаций в разных типах рака у разных пациентов. Ситуация в целом сильно запутана. Но уже сейчас в ряде случаев достигнут значительный прогресс. Например, выявлено свыше десятка генов (называемых прогностическими молекулярными или генетическими маркерами), экспрессия или гиперэкспрессия которых служит неблагоприятным признаком развития рака молочной железы. И здесь должны помочь уже упоминавшиеся выше микрочипы. Возможно, в будущем каждый человек будет носить при себе прибор размером не больше наручных часов, который способен определять само преддверие опухоли. Тогда, возможно, рак станет для нас не страшнее гриппа. И, похоже, наши ожидания этого чуда небеспочвенны. Так, уже появилось любопытное сообщение об использовании микрочипов для «маркировки» животных (началось, естественно, с наших ближайших друзей — собак и кошек). Специальные пятимиллиметровые пуговички, введенные под кожу животным, содержат сведения об их кличках и особо важных приметах, информацию о вакцинации, сведения о владельце и др. Они помогают в поиске наших пропавших братьев меньших. Конечно, пока еще это экзотика. Однако нет сомнения, что в ближайшем будущем все это коснется и человека или в виде микрочипов, или в виде специального генетического паспорта, сходного с гражданским, который мы будем носить в кармане.

Для целей диагностики ученые используют любые зацепки, которые им предоставляет геном. В частности, уже многократно упоминавшийся полиморфизм ДНК, который связан с изменениями не самих генов, а прилежащих к генам участков, вовлеченных тем или иным образом в патологический процесс. Например, установлено, что всего лишь точечная замена (Т — Ц) в области, расположенной за геном CYP1A1, в 2,5 раза повышает риск развития плоскоклеточного рака.

Еще одно интересное применение генной диагностики связано с исследованиями по выявлению генетической предрасположенности человека к выполнению мышечной деятельности различного характера и длительности. Это имеет большое значение для людей, занятых тяжелым физическим трудом, спортсменов. Основным генетическим маркером здесь оказался ген ангиотензин-конвертирующего фермента (ACP), который служит в качестве ключевого фермента системы, регулирующей артериальное давление. Под действием ACP происходит образование активного сосудосуживающего вещества, которое кроме того выполняет функцию фактора роста, усиливающего процессы синтеза структурных белков в клетках миокарда, что приводит к гипертрофии сердечной мышцы. Изучение гена ACP показало наличие в нем полиморфизма, который заключается в присутствии или отсутствии фрагмента длиной 287 п. н. в 16-м интроне. При этом физическая активность человека находится в прямой зависимости от присутствующего в его геноме варианта гена ACP.

Ограничимся этими примерами, поскольку нашей задачей не является описание всех существующих видов геномной диагностики. А их число в настоящее время огромно. Отметим лишь, что подобного рода диагностические анализы медики осуществляют на основе ДНК, используя ряд современных подходов, разработанных первоначально как раз для научного анализа ДНК, а совсем не в практических целях. Теперь же эти подходы стали важным инструментом практической медицины. В первую очередь это уже упоминавшаяся полимеразная цепная реакция (ПЦР). В последние годы для определения вариаций или полиморфизмов ДНК человека стали использовать и микрочипы. С их помощью возможно оценить одновременно тысячи потенциально опасных мутаций и полиморфизмов генома у конкретного пациента. С помощью биочипов можно выявлять генетические ошибки почти так же быстро, как сканер определяет цены на упаковках продуктов в магазине.

В самом ближайшем будущем генная диагностика позволит определять весь спектр генов предрасположенности к заболеваниям у каждого человека. Создание «генетического паспорта» гражданина становится реальностью. Такой «паспорт» должен содержать информацию о наличии мутаций в генах, вызывающих развитие наследственных болезней, и, что особенно важно, вариантов генов предрасположенности к мультифакториальным заболеваниям. Уже сегодня в Западной Европе, США и Канаде в неполном варианте проводится «генетическая паспортизация» по различным медицинским показаниям и просто по индивидуальному желанию. Формируются индивидуальные и семейные базы генетических данных. Таким образом, стихийный процесс «паспортизации» уже начался. Хотя этот вопрос не так прост, как кажется на первый взгляд (подробнее смотрите об этом в главе «Этические проблемы»), очевидно, что «генетическая паспортизация» станет основой профилактической индивидуализированной медицины будущего. Ведь гораздо проще вовремя помочь себе — соблюдать определенную диету, не злоупотреблять солнечными ваннами, не курить, чем заболеть тяжелым заболеванием, не поддающимся никакому лечению.

ДНКовый ТЕКСТ ВМЕСТО ОТПЕЧАТКОВ ПАЛЬЦЕВ (генная дактилоскопия).

Каждый человек отличается от другого и с каждым днем отличается сам от себя. А. Поп

Многие годы для идентификации личности использовали лишь один эффективный подход — анализ отпечатков пальцев (по-научному — дактилоскопия). В переводе с греческого daktylos — палец + skopeo — смотрю. Считается, что впервые этот термин использовал в 1877 году никому не известный английский служащий Вильям Гершель. Он обнаружил, что папиллярные узоры на руках людей отличаются между собой по особенностям строения и не меняются на протяжении всей жизни. То есть каждый человек как бы промаркирован сторого определенным ярлыком. Первая система классификации отпечатков была создана Фрэнсисом Гальтоном, британским антропологом и кузеном Чарлза Дарвина. В 1892 году аргентинский полисмен Ян Вучетич впервые использовал на практике эту систему и на основе оставленного убийцей на месте преступления окровавленного отпечатка идентифицировал его. В начале XX века в ряде стран был начат систематический сбор отпечатков пальцев для криминалистической идентификации. Стандартом для признания отпечатков идентичными было совпадение 12 деталей узоров на пальцах. В дальнейшем это открытие с успехом использовалось и продолжает использоваться в криминалистике на протяжении уже свыше 100 лет.

Однако не всегда в распоряжении криминалистов имеются интересующие их отпечатки пальцев. Кроме того, некоторые проблемы вообще не могут быть решены с помощью этого подхода. Например, вопрос об отцовстве и материнстве. Странно было бы для решения этого вопроса искать на ребенке отпечатки пальцев родителей, что бы установить степень родства. И вот наступило время, когда для решения этой проблемы на помощь криминалистам пришел геном человека, а вернее, его ДНК. Сейчас широко стали использоваться на практике геномные методы идентификации личности, созданные на базе достижений молекулярной генетики человека.

А начало всему этому было положено англичанином А. Джеффрисом, разработавшим «дактилоскопирование» на основе молекулярного анализа ДНК (сейчас это называют ДНК-фингерпринтированием — от англ. слова finger — палец). Метод геномной дактилоскопии или ДНК-фингерпринтирования дал криминалистам абсолютно надежный тест на идентификацию личности. «Генные отпечатки» позволяют идентифицировать того или иного человека по небольшому количеству практически любого биологического материала (капли крови, одного волоса, слюны, кусочка ногтя, следов пота, спермы). Сообщалось, что разработаны методы, позволяющие проводить идентификацию личности по одной лишь клетке. Так, шотландцу Финдли с коллегами удалось идентифицировать человека по всего одной клетке кожи, оставленной на документе, который был написан 30 лет назад.

Уже тысячи людей осуждены или оправданы только на основании геномного анализа. Ярким примером этому может служить событие, о котором сообщило агентство Associated Press в конце 2002 года. В США был досрочно освобожден человек, отсидевший 15 лет в тюрьме по обвинению в изнасиловании 8-летней девочки. Его осудили на 40 лет. Но теперь, благодаря использованию метода ДНК — фингерпринтирования (напомним, что сам метод появился спустя много лет после суда), была постфактум доказана полная невиновность этого человека в преступлении.

Важен этот тест и для идентификации родственных связей людей (тут и проблемы отцовства и материнства, и проблемы наследования прав и имущества, и многие другие). В старину, чтобы узнать истину в последней инстанции, люди обращались к Дельфийскому оракулу. Теперь они стали «вопрошать» ДНК.

Суть метода геномной дактилоскопии заключается в следующем. За основу молекулярные генетики взяли не гены, а повторяющиеся участки генома человека. Были созданы специальные тест-системы, которые назвали зондами. Зонды — это короткие нуклеотидные последовательности ДНК, позволяющие определять устройство и распределение в геноме тех или иных повторяющихся элементов генома человека. Число отдельных повторов в определенных местах (чаще всего это микросателлиты) для каждого человека строго индивидуально. Например, если в определенном месте нашей молекулы ДНК последовательность ТЦА повторена три раза подряд: ТЦАТЦАТЦА, то вероятность встретить на Земле второго человека, у которого в том же месте ДНК те же три буквы повторяются тоже три раза, практически исключена. После подсчета числа повторов в определенном районе ДНК можно без сомнения утверждать, что он принадлежит или не принадлежит конкретному человеку. Процедура установления личности (типирования) состоит в следующем. Первоначально выделяют ДНК из любого биологического материала (кровь, сперма, кусочек кожи, волосяная луковица). Затем ДНК «нарезают» рестриктазами на фрагменты и с помощью электрического поля выстраивают эти фрагменты в ряд строго по размеру. Далее проводят гибридизацию с радиоактивным зондом и расположение связывающихся с зондом (гибридизующихся) фрагментов определяют методом радиоавтографии, т. е. на рентгеновской пленке. При засвечивании рентгеновской пленки выявляются располагающиеся друг под другом черные полоски, так что радиоавтограф ДНК внешне чем-то напоминает штриховые коды на упаковках товаров в магазинах (рис. 34).

^{Рис. 34. Молекулярный документ (ДНК-фингерпринт), отражающий длины микросателлита, однозначно свидетельствующий о родственных отношениях отца и матери с их детьми. Слева — строение кластеров одного из микросателлитов (ГГСАГГАГ) у родителей и детей, справа внизу — результат анализа длин микросателлитов, осуществленный с помощью электрофореза и гибридизации: все дети рождены этими родителями.}

Ярким примером использования ДНК-фингерпринтирования на практике может служить история с идентификацией останков царской семьи. Об этом много писалось в прессе. В 1991 году в болотистом местечке Коптяки под Екатеринбургом были найдены останки (кости) девяти человек. Сразу же было предположено, что это останки последнего российского императора Николая II и членов его семьи, а также людей, застреленных вместе с ними в июле 1918 года в подвале Ипатьевского дома. Чтобы сделать окончательный вывод, к работе приступили генетические детективы. Первые анализы, основанные на генетических маркерах, показали, что кости принадлежат четырем мужчинам и пяти женщинам, в том числе семье, состоявшей из отца, матери и трех дочерей. Далее для идентификации личностей был проведен сравнительный анализ полиморфных участков ДНК, выделенной из костей останков, и ДНК ближайших родственников Романовых, которые были найдены в разных уголках мира. В первую очередь это был внучатый племянник императрицы Александры Федоровны, Филипп, герцог Эдинбургский, супруг королевы Англии. Его генетический материал оказался одинаковым с ДНК обнаруженных под Екатиринбургом женщины и ее трех дочерей. После этого молекулярными генетиками был сделан окончательный вывод: останки принадлежат императрице и трем ее дочерям. Сложнее обстояло дело с самим царем. Поиск был продолжен, и, наконец, нашли еще двух родственников Николая II: графиню Ксению Сфирис (урожденную Шереметьеву) и Джеймса Карнеги, третьего герцога Файфского. Генетический материал митДНК греческой графини и шотландского герцога полностью совпали, а вот митДНК царя чуть-чуть от них отличалась (в ней был один снипс, которого не было у предполагаемых родственников). Но последние сомнения отпали, когда проанализировали митДНК из останков великого князя Георгия, младшего брата последнего русского царя.

В ней обнаружилась та же самая мутация, как и у царя! После этого на 100 % было установлено, что в Коптяках под Екатеринбургом найдены останки Николая II и его семьи.

Ради справедливости следует отметить, что, несмотря на все эти весьма убедительные генетические данные, в обществе еще существуют сомнения относительно принадлежности обнаруженных под Екатеринбургом останков царской семье. Но они высказываются в основном не профессиональными молекулярными генетиками, а людьми, зачастую весьма далекими от этой науки. Будущее еще рассудит тех и других, хотя трудно отрицать очевидное.

В любом случае, «мусор» или «эгоистичная ДНК» оказались весьма полезными для криминалистов. Их теперь стали активно эксплуатировать для идентификации личности. И пусть с точки зрения эволюции это прозвучит несколько примитивно, но на практике выходит, что природа вроде бы сотворила «эгоистичную» ДНК специально для прокуроров.

РЕМОНТ ГЕНОВ (генная терапия).

Человеческая природа составлена таким образом и допускает такие бесконечно многочисленные модификации, что ее формирование от дьявола до ангела позволяет ожидать появления всех ступеней совершенства. К. Фрелих

Итак, генная диагностика «навела на след», показала врачу, с каким конкретным геном связана патология у обследуемого пациента. Хотя этот этап очень важный, но он только первый. Дальше надо приступать к лечению. И если для этого нет соответствующих средств, то правильному диагнозу грош цена. Время, когда болезнь лечили народными средствами, безвозвратно ушло в прошлое (ренессанс всевозможных целителей в России в последние годы говорит лишь об общей смутной экономической и психологической обстановке в стране). Традиционные методы фармакотерапии уже тоже вчерашний день. Современное лекарство — это молекулярная «пуля», которая бьет точно в «мишень», исправляя первопричину нарушений на молекулярном уровне. Такими «пулями» могут служить «здоровые» гены, выделенные из здоровых организмов. В последние годы на базе использования генов в практической медицине появилась совершенно новая технология, сравнимая с процессом ремонта генов, — генная терапия.

Когда клетки потеряли нормальную функцию того или иного гена, для их излечения нужно эту функцию восстановить. Тогда в клетку организма, которая страдает от потери функции, нужно доставить ген, способный компенсировать эту недостающую функцию. Ситуация здесь подобна той, которая возникает при работе компьютеров. Существуют специальные программы, которые позволяют обнаруживать грамматические ошибки в набранном тексте и исправлять их. Суть генной терапии и заключается в исправлении ошибок — искусственном создании необходимых количеств продуктов того или иного плохо работающего гена в организме больного, за счет введения в организм нормального гена, полученного от здоровых пациентов. Но это лишь одно из направлений генной терапии. Другое, не менее важное, связано с тем, что часто болезнь вызывается избыточной функцией некоторых генов, несвойственных нормальной клетке. Это происходит, например, при инфекциях или опухолевых трансформациях. Тогда генному терапевту следует озаботиться тем, чтобы эту излишнюю функцию подавить. Вот эти две стратегии можно считать истинно генно-терапевтическими. Обе они нацелены на коррекцию дефекта клетки генными модификациями этой же клетки. При этом основной ДНКовый текст генома продолжает содержать ошибки, но появляется дополнительный текст (приложение), который указывает читателю (в данном случае клетке) на существование таких ошибок. Это напоминает список типографических опечаток, который иногда встречается в конце книг.

Теоретически мишенью для генной терапии могут быть как клетки тела (соматические клетки), так и зародышевые клетки (яйцеклетки, сперма). Принципиально, что изменения, вызываемые с помощью генной терапии соматических клеток, не передаются следущему поколению. В случае наследственных заболеваний более подходящими для генной терапии могли бы быть зародышевые клетки, изменения в которых должны сохраняться и у потомства. Однако в практическом плане сейчас интерес представляет соматическая терапия, а генная терапия зародышевых клеток — это проблема будущего. Дело в том, что в действительности наследственные болезни можно было бы вылечить раз и навсегда, воздействуя именно на половые клетки или клетки эмбрионов на ранних стадиях развития. Введенный ген, попадая в результате искусственного переноса во множество интенсивно делящихся клеток, способен предотвратить развитие заболевания. Но этот вид генной терапии связан с целым рядом проблем как технических, так и, главным образом, этических. В частности, высказываются опасения, что такой подход можно будет использовать для производства нового поколения «детей на заказ». Теоретически существует опасность «засорения» генофонда человека в результате внедрения искусственных генных конструкций в половые клетки. По всем этим причинам пока используют лишь раннюю диагностику для предотвращения рождения «больных» детей (об этом речь шла выше), а не вмешательство в сам человеческий эмбрион. Реальностью в настоящее время представляется только генная терапия, направленная на соматические клетки взрослого организма.

«Днем рождения» генной терапии считают 14 сентября 1990 года. В этот день группа ученых из Независимого института здоровья США под руководством В. Андерсона начала лечение четырехлетней девочки по имени Ашанси ДеСильва, родившейся с редкой болезнью — наследственным иммунодефицитом — связанной с нарушением работы гена фермента аденозиндезаминазы (ADA). В чем заключалось процедура, использованная учеными? У больной девочки взяли определенные клетки иммунной системы. Эти клетки подвергли генетической модификации вне организма (такой прием получил название ex vivo) — в них добавили инактивированный вирус, содержащий нормальный человеческий ген ADA. Затем «исправленные» клетки вновь перенесли в организм маленькой пациентки. Клетки с новой генетической программой оказались «здоровыми» и обеспечивали синтез нормального белка-фермента ADA. Это привело к значительному улучшению состояния пациентки. Но процедуру пришлось повторять многократно, и окончательное излечение больной так и не произошло. Хотя поначалу успех был ограниченный, тем не менее он вдохновил ученых и медиков на дальнейшие поиски в этом направлении.

Общая схема генной терапии в большинстве случаев одинакова. Сначала клонируют (выделяют в чистом виде) тот ген, который нарушен у пациента, используя для этого клетки здорового человека. Затем этот «нормальный» ген в «голом» виде или в составе специального вектора-носителя вводят прямо в тот или иной орган, который содержат дефектный ген (или его вводят в «больные» клетки, выделенные из пациента). При этом решающую роль играет эффективность доставки гена в клетки и его длительная сохранность в них. Генотерапия сейчас ориентирована в первую очередь на получение генов и векторов, обеспечивающих перенос этих генов в клетки взрослого организма. Для этого используют несколько приемов. Один из них — простая инъекция в пораженный орган раствора, содержащего ген, с помощью шприца. Разработан также прием, называемый баллистической трансфекцией, который осуществляется с помощью «генного ружья» — специального устройства, обстреливающего орган или ткань микрочастицами тяжелых металлов (золото, вольфрам), покрытых генами. Наконец, иногда используют процедуру, называемую электропорацией — воздействуют на клетки электрическими импульсами, которые способствуют раскрытию пор на поверхности клетки и, следовательно, проникновению гена извне в клетки. Для лечения заболеваний легких применяют также аэрозольную генную терапию — больные вдыхают аэрозоль, в которой содержится необходимый «здоровый» ген.

Для повышения эффективности переноса генов широко используют природные свойства некоторых вирусов проникать в клетки. Конечно, вводя в клетки «лечебный» ген, нужно думать о возможных вредных последствиях одновременного переноса с ним вирусных генов. По этой причине для генной терапии берут вирусы, которые должны быть безвредны для человека; кроме того, для дополнительной подстраховки их структуру предварительно существенно изменяют. В результате такие видоизмененные вирусы не способны размножаться в клетках человека и тем самым вызвать в них какую-то дополнительную патологию. Например, для этих целей часто используют различные аденовирусы. В них встраивают «лечебный» ген, а потом такой вирус вводится непосредственно больному. Не обошлось здесь и без трагедии. В сентябре 1999 года в Аризоне умер восемнадцатилетний юноша, которого с помощью генной терапии лечили от недостаточности фермента орнитинтранскарбомилазы. Но этот по сути дела единичный трагический случай не остановил работы по генной терапии. Он всего лишь послужил предупреждением ученым о необходимости быть предельно осторожными при использовании этого подхода.

Из общего числа известных заболеваний человека (примерно 10 тысяч) около 40 % составляют генетические или наследственные болезни. Генная терапия применима в первую очередь для так называемых моногенных наследственных заболеваний, т. е. таких болезней, которые связаны с нарушениями всего в одном гене. Дело в том, что в тех случаях, когда лишь единичный ген отвечает за то или иное заболевание, процесс лечения сильно облегчается. В настоящее время, используя информацию о структуре генома человека и его отдельных генов, ученые осуществляют широкомасштабный поиск средств лечения многих традиционно считавшихся фатальными для человека наследственых и приобретенных болезней, для которых известен причинный ген и/или его продукт. В первую очередь это такие заболевания, как гемофилия, муковисцидоз, дефицит аденозиндезаминазы, миодистрофия Дюшенна, некоторые кардио-васкулярные патологии и др. Сейчас уже существуют данные о проведении предклинических и клинических испытаний на базе разных подходов генной терапии для более 30 моногенных, в первую очередь наследственных (т. е. генетических) заболеваний человека. И здесь уже достигнуты определенные успехи.

Ярким примером моногенного наследственного заболевания, которое сейчас активно пытаются лечить с помощью генной терапии, может служить миодистрофия Дюшенна. За этим медицинским термином скрывается смертельное заболевание, связанное с повреждением одного гена под именем дистрофин, который расположен на женской X-хромосоме. Поскольку у мужчин эта хромосома представлена всего одной копией, то они-то и страдают в основном от этого заболевания. Без продукта гена дистрофина мышцы не сокращаются. В результате наступает мышечное бессилие: не поднимается грудная клетка и больной не может дышать, плохо сокращается сердце, не работают ноги. Была получена модель этого заболевания — мыши, лишенные гена дистрофина. Когда таким животным разными способами переносили нормальный ген дистрофина, в результате в ряде случаев у них восстанавливалась нормальная функция значительной массы мышечных волокон (до 25 %). Однако при генной терапии миодистрофии у человека необходима генетическая модификация большинства (до 50 %) мышечных волокон, разбросанных по всему организму, что требует узконаправленного и высокоэффективного метода переноса генов, который пока еще не найден учеными.

С X-хромосомой человека связано и другое хорошо известное заболевание, так называемая царская болезнь или гемофилия. Этот неизлечимый недуг (кровотечение, которое нельзя остановить) знаком большинству людей в связи с болезнью царевича Алексея. Но и задолго до этого гемофилия была известна как «царская болезнь», поражающая, как правило, высокородных, высокопоставленных особ. Гемофилия обусловлена нарушениями в генах, продукты которых ответственны за свертывание крови. Гемофилия передавалась в царской семье по наследству по женской линии, но страдали ей только мужчины. Дело все в том, что отвечающий за свертываемость крови ген находится только в X-хромосоме, а у женщин их две (в отличие от мужчин): в результате у женщин одна хромосома способна как бы дублировать другую и болезнь не развивается. Подходы для лечения гемофилии первоначально отрабатывались на модельных объектах — мышах и собаках, которым вводили нормальные гены факторов свертывания крови, вставленные в состав вирусов как природных переносчиков генетического материала. Эксперименты на животных прошли успешно, и сейчас уже начаты клинические испытания по лечению гемофилии у человека.

Большое внимание уделялось за последние годы лечению муковисцедоза. Эта болезнь, поражающая примерно одного из 2500 новорожденных в Центральной Европе, вызывается наследственным дефектом гена, ответственного за перенос ионов через клеточную мембрану. При наличии «больного» гена на обеих хромосомах развивается хроническая легочная инфекция и нарушается процесс всасывания питательных веществ из пищеварительного тракта. Когда была найдена причина заболевания, сразу же приступили к разработке способов его лечения с помощью генной терапии. Сейчас пытаются вводить нормальный ген в составе вирусных векторов в легкие путем вдыхания пациентами водно-эмульсионного препарата рекомбинантной ДНК.

Сложнее обстоит дело с заболеваниями, обусловленными неправильной работой нескольких генов (мультигенные заболевания). Большой пробел в наших знаниях о генах, ответственных за такие патологии, пока не позволяет направленно применять генную терапию для эффективного лечения многих из этих заболеваний. При таких заболеваниях, как, например, рак или атеросклероз, недостаточно восстановить одну из нарушенных реакций в клетке с помощью определенного гена, а необходимо понять в целом всю сложную картину заболевания, выявить все гены, участвующие в этом, чтобы привести физиологическое состояние пациента к норме. В таких случаях исходят из того, что введенный в организм «лечебный ген» приводит к синтезу белка, который или сам по себе может оказать терапевтический эффект, или же он изменяет чувствительность больных клеток к действию определенных лекарственных препаратов. Так, среди наиболее распространенных приобретенных (ненаследственных) заболеваний в первую очередь внимание исследователей в области генной терапии приковано к такому заболеванию, как рак (наследственные формы рака по современным оценкам составляют всего около 1 % всех раковых патологий). На фоне весьма опасных для организма противораковых средств, используемых в настоящее время, таких, как сильное радиоактивное облучение, введение больших доз чрезвычайно токсичных химических веществ или хирургическое удаление жизненно важных органов, генная терапия представляется весьма «мягким» подходом. Сейчас в борьбе со злокачественными заболеваниями с помощью генной терапии наметилось несколько стратегических направлений. Это, в первую очередь, генетическая модификация клеток иммунной системы для усиления их противоопухолевой активности и подавление работы онкогенов. Но это далеко не все. В частности, один из эффективных подходов в генной терапии опухолей — повышение чувствительности опухолевых клеток к химиотерапевтическим препаратам. Часто для этой цели используют ген, кодирующий фермент тимидинкиназу вируса простого герпеса. Этот ген часто называют геном-самоубийцей или суицидным геном. Дело в том, что присутствие продукта этого гена в клетках приводит к их строго избирательной гибели при введении извне специфического химического агента, называемого ганцикловиром. Клетки, в которых синтезируется вирусная тимидинкиназа, превращают этот препарат в токсический продукт и в результате этого погибают. Отсюда и появилось название у гена тимидинкиназы вируса герпеса — суицидный. Этот и некоторые другие «суицидные» гены пытаются сейчас использовать для уничтожения раковых клеток. Данный метод генной терапии опухолей интенсивно развивается, проводятся широкие клинические испытания на пациентах, в частности, на больных с раком яичников и опухолью мозга глиобластомой. Сообщается, что уже получил одобрение протокол с использованием гена тимидинкиназы вируса герпеса для лечения рака предстательной железы. При этом в железу инъецируется генная конструкция, содержащая вирусный ген, а затем в кровь больного вводится ганцикловир. В результате происходит избирательная гибель раковых клеток, а нормальные клетки остаются неизменными.

Уже прошли успешные испытания на крысах генные аэрозоли, при вдыхании которых осуществляется перенос генов, способных предупреждать рак легких у курильщиков. Ученые использовали для этого в качестве вектора простудный вирус, который способствовал искусственному внедрению в опухолевые клетки мышей гена FHIT, нарушения в котором служат одной из основных причин рака легких. В результате появления в клетках нормального продукта этого гена у животных происходила гибель опухолевых клеток.

Заметные успехи в лечении рака были достигнуты российскими учеными под руководством академика Г. П. Георгиева. Ими обнаружен ген Tag7, продукт которого резко снижает развитие опухоли. В настоящее время рекомбинантные плазмиды с этим геном проходят клинические испытания.

Важным направлением генной терапии выступает и защита нормальных тканей от токсического эффекта химиотерапии и облучения. В этом направлении генная терапия использует, например, такой прием, как введение в стволовые клетки костного мозга гена, обеспечивающего множественную лекарственную устойчивость. Повышение устойчивости к радиоактивному облучению клеток нормальных тканей, находящихся рядом с опухолью, пытаются осуществить за счет сверхэкспрессии в них генов антиоксидантов (например, таких, как гены глутатион-синтетазы или трансферами).

Кроме рака, следует отметить определенные успехи генной терапии при лечении некоторых патологий сердечно-сосудистой системы. В частности, описаны попытки использования генной терапии для предотвращения тромбообразования. Здесь идут по пути генетической модификации клеток кровеносных сосудов, вводя в них гены, продукты которых могут предотвращать формирование тромбов. Активно проводятся работы по усилению процесса роста кровеносных сосудов, требующемуся, например, после инфаркта миокарда и при ишемии нижних конечностей. Для этих целей используется перенос целого ряда генов, продукты которых обладают способностью инициировать процесс сосудообразования (в первую очередь различные факторы роста). И уже появились сообщения о первых успехах на этом пути.

На хомяках уже получены впечатляющие результаты, которые позволяют думать, что в недалеком будущем генная терапия сможет заменить собой пересадку сердца. Эксперимент основывался на факте взаимосвязи между ослаблением сократительной функции сердца, ведущей к сердечной недостаточности, и повышенной экспрессией гена PLN, продукт которого блокирует работу канала для ионов кальция (последние чрезвычайно важны для сокращения сердечной мышцы). Различные факторы, которые считают причинами сердечной недостаточности, могут нарушать регуляцию экспрессии гена PLN, что и приводит зачастую к ослаблению работы сердца. Хомякам вводили вирусный вектор, содержащий мутантный ген PLN, продукт которого (в нем заменена одна аминокислота) имел эффект, обратный нормальному белку. В результате этого у животных, получавших экспериментальное лечение, удалось остановить дальнейшее развитие болезни сердца, в то время как у контрольных, которым ген не вводился, сердечная недостаточность прогрессировала до поздних стадий жизни.

Интерес представляют и исследования, проводимые по генной терапии заболеваний кожи (вернее, кожного эпителия). Прямое втирание раствора ДНК с рекомбинантным геном в волосяные фолликулы открывает эффективный и нетравматический путь для доставки в организм нужных для лечения генетических конструкций.

Ожидается, что в скором времени с помощью генной терапии можно будет даже вернуть зрение слепым. Эта надежда связана с недавними удачно проведенными экспериментами на собаках. Трое щенков, на которых проводился эксперимент, страдали врожденной слепотой Лебера (дегенерация сетчатки). Заболевание связано с отсутствием в клетках одного из ключевых белков. При этом заболевании животные или рождаются слепыми, или слепота наступает практически сразу же после их рождения. Введение больным животным с помощью рекомбинантного вируса нормального гена привело к появлению у них зрения. Ученые надеются, что вскоре начнутся подобные работы и на человеке, глаз которого по устройству похож на собачий.

С помощью генной терапии в экспериментах на крысах удалось добиться устранения у них алкогольной зависимости. Было известно, что важную роль в возникновении чувства удовольствия и алкогольной зависимости играет пептид дофамин. В определенную область мозга крыс, с которой связывают пристрастие к алкоголю, вводили ген, кодирующий рецептор к дофамину (DRD2), с которым дофамин связывается. В результате этого через три дня после введения гена у животных повысилось число рецепторов к дофамину, а содержание самого дофамина и, как следствие, доля спирта в общем объеме выпиваемой жидкости резко снизились.

В последнее время большое внимание в генной терапии привлек к себе ген, кодирующий уже упоминавшийся выше фермент теломеразу. Этот фермент осуществляет удлиннение концевых участков хромосом (теломер), которые в норме укорачиваются при каждом делении клеток. За счет постепенного укорочения хромосом клетки в конечном итоге погибают. Однако при наличии активного фермента теломеразы ситуация меняется. По крайней мере, некоторые типы клеток, в которые вводился ген теломеразы, приобретали способность делиться бесконечно долго. И вот появились сообщения об использовании гена теломеразы в генной терапии. В частности, ген теломеразы вводили мышам с экспериментальным циррозом печени. После этого у животных обнаруживалась теломеразная активность в клетках печени, хотя в норме ее там не было. По мнению авторов, «теломеризация» клеток печени может способствовать восстановлению нормального содержания гепатоцитов, а, следовательно, лечению цирроза. Еще один пример. Мышам с удаленными надпочечниками вводились «теломеризованные» клетки этого органа, что приводило к восстановлению их функции. Существует предположение, что использование «обессмерченных» клеток может быть полезным для создания искусственных органов, выращенных из клеток пациента и поэтому не отторгающихся при трансплантации.

Большое внимание уделяется сейчас использованию генной терапии для борьбы с всевозможными вирусными инфекциями. И здесь активно разрабатывают новую стратегию генотерапии, основанную на «выключении» вирусных генов, работа которых связана с развитием различных патологий. В частности, перед человечеством остро стоит проблема СПИДа. На ее решение направлены усилия огромного числа ученых и медиков. В литературе описано множество различных подходов борьбы с этим пока, к сожалению, полностью не излечимым заболеванием, вызываемым вирусом иммунодефицита человека (ВИЧ). Подключились к этой проблеме и генные терапевты. И уже можно говорить о первых, хотя пока еще скромных, успехах. В частности, на модельных системах показан терапевтический эффект ряда генных конструкций. Поскольку все эти варианты трудно перечислить, остановимся на одном из них. Так, было известно, что в геноме ВИЧ содержится некая последовательность (названная TAR), которая узнает специальный вирусный регуляторный белок. Только после взаимодействия этого белка с TAR-элементом вирус начинает размножаться. Для того, чтобы предотвратить этот процесс, было предложено вводить искусственно синтезированную TAR-последовательность в инфицированные клетки. Регуляторному белку все равно, с чем взаимодействовать — с вирусной последовательностью или с такой же точно последовательностью, искусственно внесенной в клетки. Добавленная в клетки ДНК обеспечивает в данном случае роль «ловушки»: когда в инфицированной клетке на ней синтезируется много РНК, регуляторный белок вируса связывается преимущественно с ними, а не с РНК вируса, и в результате этого вирус перестает размножаться.

Гены, вызывающие многочисленные тяжелые недуги и позволяющие вирусу размножаться, могут быть целенаправленно нейтрализованы с помощью механизма РНК-интерференции (мы уже упоминали о нем). В последнее время на модельных объектах установлено, что интерферирующая микроРНК (т. е. РНК, которая «выключает» действие строго определенного гена) может быть полезной при лечении ряда вирусных инфекций (например, при СПИДе и при полиомиелите), а также нейродегенеративных заболеваний, в частности, болезни Хангтингтона. Так, в результате использования специальных двунитевых микроРНК в экспериментах на мышах у них существенно замедлилось развитие заболевания, аналогичного болезни Хантингтона, а в ряде случаев наблюдалось даже полное восстановление нормального функционирования мозга.

С помощью генной терапии теперь осуществляют и иммунизацию (вакцинацию) организмов, что получило специальное название — ДНК-иммунизация. Процедура иммунизации против вирусных заболеваний с помощью их же собственных «нейтрализованных» белков (они называются антигенами) известна давно. При ДНК-иммунизации вместо белков-антигенов вводят определенные гены. Эти гены, работая в клетках, производят строго определенные белки-антигены, на которые в организме и вырабатывается иммунитет, т. е. образуются соответствующие антитела. Если после ДНК-иммунизации в организм попадет вирус, то имеющиеся антитела будут бороться с ним и уничтожать его. Метод ДНК-иммунизации был тщательно отработан опять же на животных и показал свою высокую эффективность, особенно в отношении таких вирусных инфекций, как клещевой энцефалит, ВИЧ, малярийный плазмодий. Констатируем лишь, что у ДНК-иммунизации имеется ряд существенных преимуществ по сравнению с традиционно используемыми приемами (однако детальное обсуждение этого вопроса есть назначение совсем другой книги).

В печати широко рекламируются первые успехи генной терапии в лечении людей. Отдельные успехи действительно позволяют с оптимизмом смотреть в будущее этого направления. В качестве примера приведем такой случай. У одного американца после операции шунтирования на сердце через некоторое время состояние снова ухудшилось. Новая операция шунтирования была уже бесполезна. И он решил рискнуть: принял участие в новом клиническом испытании на сердце. Прямо в сердце ему сделали укол раствора с геном, который вызывает рост кровеносных сосудов. Уже через 3 недели пациент почувствовал себя почти здоровым. Такой же эффект испытали на себе и 16 других больных, участвовавших в эксперименте. Это был успех!

Приведем другой пример. В 2000 году в США была предложена процедура введения гена, который кодирует образование одного из факторов свертывания крови. Внутримышечное введение такого гена больным гемофилией препятствовало возникновению кровотечений у пациентов. Результаты первых клинических исследований свидетельствуют о том, что после такого лечения пациенты с гемофилией более года не испытывают необходимости в дополнительных инъекциях фактора.

Сейчас уже ясно, что генная терапия может быть использована для лечения не только наследственных, но и для значительно более распространенных приобретенных болезней, таких как диабет, остеопороз, ревматоидный артрит, рак и вирусные инфекции (включая даже СПИД). В частности, нет сомнения, что генная терапия вирусных заболеваний позволит значительно сократить расходы на широко используемое в настоящее время противовирусное лечение, которое далеко не всегда эффективно и, кроме того, нередко сопровождается серьезными осложнениями.

Ученым и медикам предстоит еще решить массу непростых проблем, в частности, проблем, связанных с устойчивым переносом генов, со взаимодействием генетических препаратов с клетками, с опасностью аллергических реакций и т. д. В связи с этим, перспективным методом генотерапии сейчас считается уже упоминавшаяся технология ex vivo. Клеточный материал, взятый от пациента, подвергают in vitro, т. е. в пробирке, генетическим изменениям, а затем ретрансплантируют его снова в организм донора (рис. 35). И уже есть пример успешного лечения семейной формы гиперхолестеринемии с использованием такого подхода. Разработан генно-терапевтический подход, основанный на подсадке в кожу трансформированных in vitro клеток кожного эпителия (кератиноцитов).

Имеются хорошие заделы в плане использования технологии ex vivo для лечения заболеваний суставов (ревматоидных артритов). Ученые из Гарвардского университета в Бостоне предложили лечить пораженные суставы путем прямого введения в них генетически измененных клеток, способных вырабатывать белок, оказывающий противовоспалительное действие. Из пораженных суставов брали клетки и вносили в них ген, кодирующий антагонист рецепторов к белку интерлейкину–1. После нескольких недель выращивания in vitro клетки вводили в суставы. В результате у большей части испытуемых наблюдали значительное улучшение состояния.

^{Рис. 35. Две основные стратегии, используемые при генной терапии: in vivo и ex vivo.}

Другой пример, но опять же пока на животных как на моделях. У мышей удаляли надпочечники и затем им вводили не ген, а генетически измененные ex vivo клетки надпочечника с активно работающим геном теломеразы. Это привело к тому, что функции надпочечников были полностью восстановлены.

Однако для широкого читателя очень важно отметить, что на современном этапе еще существует множество нерешенных проблем и поэтому генная терапия пока не получила широкого распространения. Несмотря на очевидные преимущества перед другими способами лечения, это направление пока не стало ведущим. Хотя большая армия ученых работает в области генной терапии свыше 10 лет, реальные успехи этого направления еще не столь велики, как этого хотелось бы. Причин тому несколько. В первую очередь — это отторжение чужеродных генов, вызванное иммунной реакцией организма и быстрым разрушением вводимых генов в клетках. В новой для него клетке ген чувствует себя чужаком. И клетка, не понимая своей выгоды, всячески старается от него избавиться. В результате перенесенный ген существует там, как правило, очень короткий интервал времени, порой не успевая наработать необходимое количество лекарственного продукта. По этим причинам чаще всего излечение получается временное и только у части клеток. Второе — невысокая эффективность современных методов переноса генов в клетки больных. Весьма трудно искусственно внести тот или иной ген во все клетки. Лучше всего было бы встраивать нормальные гены вместо «больных» генов в геном пациентов еще на стадии половых клеток. Такие подходы сегодня разработаны на животных, но для человека по ряду причин это сейчас практически невозможно применять.

Потребуется еще время и большие усилия ученых, чтобы сделать гены лекарствами. Сейчас еще нельзя посоветовать ни одному человеку пойти в аптеку и купить рекомбинантную плазмиду с геном, который его спасет, например, от диабета. Но уже созданы солидные теоретические и методические предпосылки для этого, достигнуты заметные успехи в экспериментах на животных, начаты предклинические и клинические испытания многих новых разработок на человеке. Так что в недалекой перспективе все эти проблемы, без сомнения, будут решены.

На конец 2001 года в мире существовало около пятисот протоколов процедур генной терапии, ряд из которых уже был испытан на 3500 больных (в основном в США). Десятки процедур находятся сейчас на последних стадиях клинических испытаний. Огромный масштаб работ свидетельствует о том, что генная терапия приближается к своему совершеннолетию. По оценкам специалистов, уже через двадцать лет генная терапия совершенно изменит облик практической медицины. На базе генной терапии можно в скором времени ожидать появления новых способов защиты человеческого организма от старения. Вот цитата из интервью с директором Института молекулярной генетики РАН академиком Е. Д. Свердловым (газета «Доктор Фом» за февраль 1999 г.): «Генная инженерия уже сейчас умеет исправлять «испорченные» гены. За считанные годы это умение вырастет тысячекратно. Для биологов уже нет сомнений, что в XXI веке генный аппарат каждого новорожденного будет тщательно проверяться, чтобы избавить человека от многих неприятностей, скажем, от самых страшных заболеваний — генных. И есть немалая вероятность, что одновременно можно будет убирать многие негативные черты характера, которые тоже определяются генами, — такие, как трусость, жадность, эгоизм. И усилить задатки других черт — той же гениальности, ген которой был открыт в прошлом году. А может быть, удастся пойти еще дальше: определив уже в родильном доме поведенческие реакции человека, дать ему и соответствующее воспитание, подготовив его к той нише бытия, в которой ему будет наиболее комфортно. И тогда, возможно, не станет людей, считающих, что их жизнь не удалась, а на Землю придет тот самый Золотой век, о котором человечество мечтает с самого начала своей истории». Хочется надеятся, что после всего вышесказанного читатель вместе с автором разделит оптимизм этих строк.

СМЕРТЬ И БЕССМЕРТИЕ — В НАШИХ ГЕНАХ (проблема долголетия).

Всех, кто стар и кто молод, что ныне живут, В темноту одного за другим уведут. Жизнь дана не навек. Как до нас уходили, Мы уйдем; и за нами — придут и уйдут. Омар Хайям Самое страшное из зол — смерть не имеет к нам никакого отношения, так как, пока мы существуем, смерть еще отсутствует; когда же она приходит, мы уже не существуем. Эпикур

В начале жизни мы юны и здоровы, а потом неизбежно стареем и умираем. Почему же так происходит? Можно ли это преодолеть? К большому для всех нас сожалению, окончательного ответа на эти вопросы пока еще нет. Ни об одном бессмертном человеке ныне ничего не известно. Несерьезно же считать таковыми Дункана Маклауда и его многочисленных соперников из известного телесериала «Горец».

Тем не менее, существует множество легенд, литературных данных и документов о долгожителях. Об одном из них, некоем англичанине Пирсе, большом любителе молочных продуктов, прожившем вроде бы полных 154 года, нам с вами все время напоминают изготовители молока на упаковках своей продукции. Имеются и отдельные более впечатляющие, но менее достоверные сведения. Так, согласно легенде, греческому поэту Эпимениду удалось прожить до 300 лет. Если верить муниципальным записям, китаец Ли Цуньюн жил 246 лет, похоронив за это время 23 жены. Римлянин Плиний Старший в своей «Естественной истории» написал о некоем иллирийце, дожившем вроде бы до 500-летнего юбилея. По библейскому сказанию, отец рода человеческого Адам прожил 930 лет, оставив нам многочисленных потомков. Наконец, в Ветхом Завете повествуется о том. что пророк Мафусаил прожил дольше всех когда-либо живших людей, достигнув возраста 969 лет.

Однако книга рекордов Гиннеса утверждает, что нет ни одного достоверного случая празднования 121-го дня рождения. Сведения о продолжительности жизни некоторых прославленных долгожителей прошлых веков, по мнению специалистов, объясняются тем, что за одного человека принимали отца и сына либо других родственников, носивших одно и то же имя или титул. Самую долгую документально подтвержденную жизнь в 120 лет 137 дней прожил японец Сигечийо Идзуми. Однако в конце концов дело не в том, сумеем ли мы найти или не найти подтверждения мифов о долгожителях. Важно другое. Для того чтобы получить «элексир» продления человеческой жизни, нужно познать истинные причины старения организма.

С древних времен люди искали средства для продления жизни. Выдающиеся умы человечества, среди них Аристотель, Гиппократ, Бекон и другие, посвятили разработке их многие годы. Известно множество всевозможных описаний различных средств, омолаживающих организм, к которым порой неплохо относятся даже некоторые современные врачи. Например, появилось сообщение, что в Тибете в одном из буддийских храмов обнаружены якобы глиняные таблички с рецептом, который монахи используют уже много тысяч лет: натереть 200 г чеснока, поместить в глиняный сосуд, затем налить 200 г спирта и плотно закрыть. Настойку выдержать в темном месте 10 суток, процедить и принимать по 5 г три раза в день за 20 минут до еды, добавляя в холодное молоко. Сходный древний рецепт существует вроде бы в Абхазии: 400 г тертого чеснока смешать с соком 24 лимонов, вылить в банку, завязав горлышко марлей. Принимать две недели подряд в день по 1 чайной ложке, разведенной в стакане кипяченой воды. Французы же считают, что истина — в красном вине. Когда-то пытались омолаживать организм с помощью подсадок в старый организм молодых половых желёз. Считалось, что активная сексуальная жизнь снижает уровень половых гормонов в крови. Однако вскоре выяснилось, что после кратковременного эффекта наступало более быстрое увядание.

Одну из первых, достаточно обоснованных экспериментально научных теорий выдвинул на рубеже XIX и XX веков выдающийся российский ученый И. И. Мечников. Одной из основных причин старения он считал отравление организма особыми ядами — токсинами, продуктами гнилостного распада пищи, происходящего в нашем кишечнике. Он разработал даже специальную диету, которой придерживался долгие годы. Желающим следовать его диете И. И. Мечников советовал в день съедать 120–150 г мяса, не менее 0,5 литра простокваши и побольше растительных продуктов — овощей и фруктов, в числе которых особенно выделял морковь, свеклу, финики и капусту, которые по его мнению, содержат вещества, предотвращающие развитие гнилостных бактерий в толстом кишечнике.

Другая теория старения разработана известным русским физиологом академиком И. П. Павловым и его учениками. Согласно этой теории, нервная система регулирует все процессы в человеческом организме, оказывая тем самым решающее воздействие на обмен веществ, синтез белка, окислительные и энергетические процессы в клетках. Выдвинув свою теорию старения, ученый поставил под контроль прежде всего себя. Основу его образа долгой жизни составлял строгий режим, заключавшийся в чередовании труда и отдыха.

Итак, существует множество разных идей и конкретных советов, как продлить свою жизнь. Порой они сильно противоречат друг другу. Занимайтесь спортом, не курите, не употребляйте алкоголь — говорят одни. А другие, наоборот, утверждают, что повышенные спортивные нагрузки могут принести не меньше вреда, чем лежание на диване. Такие нагрузки увеличивают количество вредных свободных радикалов в организме. А вот стаканчик вина или другого алкогольного напитка в умеренных количествах будет успешно бороться с ними. Например, поможет уменьшить риск сердечно-сосудистых заболеваний. А в пиве содержатся сильные антиоксиданты, которые препятствуют помутнению хрусталика глаза (канадские медики считают, что даже одна кружка этого напитка в день значительно снижает риск развития катаракты). Так что сколько людей, столько мнений.

Возможно, что-то из всего вышеперечисленного действительно полезно, но насколько — еще вопрос. Невозможно экспериментально проверить на себе все имеющиеся рецепты. В любом случае все это практически никак не решает проблему долголетия.

А эта проблема весьма серьезная, особенно для России. По данным Госкомстата на конец 2002 года наши мужчины живут в среднем 58 лет, 11 месяцев и 16 дней. А женщины — 72 года, 4 месяца и 4 дня. Если сравнить с Древним Римом, самым процветающим по тем временам государством, где средняя продолжительность жизни составляла 20–25 лет, то все вроде бы и не плохо. В конце XIX века долгожителями являлись шведки, жившие в среднем по 45 лет. Но вот в современной Европе, США и Японии продолжительность жизни далеко за 70 лет у мужчин (например, в Японии и Швеции — 77 лет) и за 80 — у женщин. В результате по оценкам специалистов к 2010 году население России может сократиться до 136 млн. человек (в 1999 году россиян было 146,3 млн.). Причем по этим прогнозам русских будет всего 107 млн., по сравнению со 118 млн. в 1999 году.

Чтобы решить проблему долголетия, в первую очередь нужно знать как факторы, так и причины, его определяющие. И вот секвенировали геном человека. В связи с этим вновь возродились различные мечты, самая острая из которых если не бессмертие, то существенное продление средней человеческой жизни и, главное, ее активной, творческой части. Очень хочется верить, что теперь эта мечта не совсем беспочвенна.

Сегодня молекулярным генетикам стало ясно, что многие болезни старости закодированы в геноме человека. И ученые занялись активным поиском «гена долголетия», который продлевал бы жизнь, не оказывая при этом никаких других нежелательных эффектов. В своих поисках они исходили, естественно, в первую очередь из существующих теорий, пытающихся объяснить старение организма. Согласно теории англичанина Эддингтона, число гипотез и теорий, объясняющих какое-либо явление, обратно пропорционально объему знаний о нем. Как бы в подтверждение этой теории, таких гипотез по проблеме старения сейчас накопилось целое море (их насчитывают свыше 300).

Поскольку манипуляции с геномом человека пока невозможны, то для решения человеческих проблем часто используют наших «братьев меньших» — различных лабораторных животных. Как уже говорилось, сходство между нами и ими на геномном уровне позволяет изучать работу какого-либо гена у более простых организмов — так проще, дешевле и быстрее, — а затем использовать эти результаты применительно к человеку. И такие манипуляции уже начинают приносить первые, весьма обнадеживающие результаты. Вот некоторые примеры.

Уже давно обсуждалась возможная связь между старением и процессами, происходящими в таких структурах клетки, как митохондрии. Митохондрии — это «электростанции» клетки, которые вырабатывают энергию за счет происходящих в них процессов окисления. 98 % кислорода, потребляемого митохондриями при дыхании, превращается в воду, в то время как оставшиеся 2 % за счет паразитных химических реакций дают побочные продукты — агрессивные частицы, называемые свободными радикалами. Эти частицы весьма токсичны для клеток, они вмешиваются в нормальную работу многих клеточных механизмов, вызывают повреждения разных клеточных структур. И с возрастом такие дефекты накапливаются. В результате митохондрии начинают вырабатывать все меньше и меньше энергии и человек слабеет. Надо было проверить эту гипотезу.

Давно уже известно, что предотвратить «окисление» клеток можно и с помощью химических препаратов, так называемых антиоксидантов. Лауреат двух Нобелевских премий Лайнус Полинг не зря считал, что для продления жизни важнейшим служит особый режим питания и использование определенных витаминов и антиоксидантов. Если верить очевидцам, сам он в течение многих лет каждый день употреблял по 1 г витамина С и умер на 93-м году жизни.

Эксперименты итальянских исследователей на мышах подсказали другое решение проблемы. В результате выключения работы одного из генов (его имя p66SHC) мыши становились более устойчивыми к действию факторов, вызывающих окислительный стресс, и их продолжительность жизни увеличивалась на 35 %. Ген p66SHC представляет собой своеобразный «винтик», регулирующий сопротивляемость клеток окислению. Таким образом, ученые научились подкручивать этот «винтик», регулируя тем самым процесс старения. Сами авторы утверждают: «Теперь мы точно знаем, что продолжительность жизни поддается управлению. Нам удалось на треть продлить жизнь подопытным животным, хотя они выросли менее активными и отличались меньшими размерами по сравнению с нормальными особями. Однако животные, будучи изолированы от естественной среды обитания, выросли вполне здоровыми, и других побочных явлений замечено не было». Конечно, вывод авторов кажется чересчур оптимистичным, хотя в целом и не лишен некоторых оснований. Такой же ген с такими же функциями имеется и в геноме человека. Из всего этого следует вывод: поиск средств, изменяющих работу гена p66SHC, может быть весьма важным подходом для предотвращения процессов старения у человека.

И еще пример, как исследования на других организмах помогают понять проблемы человека. В геноме одного из излюбленных генетиками простого объекта — червя с трудным родовым именем и простым видовым Caenoharbditis elegans — обнаружено несколько генов, мутации по которым увеличивают продолжительность его жизни. Как показали канадские исследователи, одновременное выключение двух из этих генов продлевает жизнь червя более чем в пять раз. Позднее в геноме человека был также обнаружен ген, весьма сходный с одним из двух генов червя. Анализ продукта данных генов у червя показал, что он участвует в переключении с бескислородного метаболизма клеток на кислородный. Так появилась еще одна «подсказка» для поиска путей продления жизни человека. Если считать человеческий век равным 100 годам, то человек, подвергшийся той же операции, что и червь, теоретически способен прожить лет пятьсот. Однако надо иметь в виду, что эффекты, наблюдаемые от применения разных продлевающих средств, испытанных на животных, на людях, как правило, оказываются значительно скромнее.

В последние годы объектом пристального внимания исследователей, занимающихся проблемой старения, стали концы хромосом. Здесь имеются структуры-наконечники, о которых выше уже шла речь, называемые теломерами. Они служат как «защитники» хромосомы, но в обычных нормальных клетках, как правило, при каждом делении эти структуры становятся все короче и короче. Именно в этом, по мнению ряда ученых, и заключается одна из причин старения. При отсутствии специального фермента теломеразы в нормальных соматических клетках происходит укорачивание хромосомы, сопровождающееся потерей важных генов. Наоборот, бессмертие ряда клеток в культуре вне организма, свойственное, как правило, клеткам из опухолей, объясняется реактивацией фермента теломеразы.

Какова причина этого? У бактерий ДНК имеет форму кольца. Когда нужно сделать копию, определенный белок-фермент садится на нее, затем ползет по ДНК и наращивает ее копию. Естественно, при этом всегда и справа, и слева есть молекула ДНК, ведь она же кольцевая. В результате этого бактерии, вероятно, и являются бессмертными (есть такая точка зрения). Но вот у высших организмов, включая человека, молекулы ДНК расположены в хромосомах и линейны. При этом «копирующий» механизм остался прежним. Он по-прежнему работает в полной мере только тогда, когда у него с двух сторон есть генетический материал. Соответственно, самый кончик молекулы ДНК высших организмов в такой ситуации не может копироваться. Как результат, у таких организмов каждая новая копия ДНК оказывается короче предыдущей. Выяснилось, что в результате такого процесса теломера может уменьшиться до определенной величины, после которой клетка перестает делиться: она старится и умирает. Мысль о том, что длина теломеры хромосом может служить в качестве «часов», отсчитывающих время жизни клетки, была высказана нашим соотечественником А. М. Оловниковым еще в 1973 году. Лишь позднее выяснилось, что в геноме человека есть ген, кодирующий белок теломеразу. Этот белок-фермент способен удлинять теломеры, но в основном он работает в раковых клетках, что, вероятно, и является одной из причин их «бессмертности». В экспериментах на нормальных клетках уже показано, что искусственное увеличение количества теломеразы делает клетки более долгоживущими. Возможно, уже через несколько лет на основе теломеразы будет создано лекарство, которое если и не решит проблему старения окончательно, то сможет существенно продлевать жизнь человека.

Примеры того, как исследования на животных указывают на генетические основы долголетия, можно было бы продолжить и приводить долго. Так, в эксперименте на мухах-дрозофилах удалось обнаружить ген, ответственный за продолжительность жизни. Ген продления жизни ученые назвали «Я еще не умер» («I'm not dead yet») или сокращенно Инди (Indy). Однако пока остается непонятным, имеет ли он отношение к долголетию человека.

В 2001 году американским ученым вроде бы удалось заметно сузить область поиска генов человека, которые отвечают за долголетие. Такие гены, по их мнению, находятся в определенном участке хромосомы 4. Хотя большинство исследователей считает, что продолжительность жизни определяется большим, порядка тысячи, числом разных генов, авторы последнего исследования не согласны с этой точкой зрения. Они изучили гены близких родственников тех людей, которых можно назвать долгожителями, и искали у них общие участки хромосом. С вероятностью 95 процентов был выявлен участок хромосомы, который содержит всего от 100 до 500 генов, среди которых должен быть и ген долголетия. Именно он был общим у участвовавших в исследовании людей. По мнению авторов исследования, после определения гена или нескольких генов, ответственных за долголетие, удастся создать лекарства для продления жизни.

Исследуя один из генов дрожжей, ученые обнаружили, что он снижает уровень поглощения калорий и замедляет скорость метаболизма в клетке, что должно приводить к замедлению процесса старения. Так возникло представление еще об одном ключе к механизму управления старением.

Другой кандидат на роль гена жизни был выявлен американскими учеными из Университета имени Джона Хопкинса. Этот ген авторы назвали в честь греческой богини судьбы Клото, одной из трех мойр, которая, согласно легендам, прядет жизненную нить человека, определяя срок его жизни. Стратегия поиска данного гена была таковой. Был проанализирован генетический материал около двух тысяч новорожденных и пожилых людей, относящихся к разным этническим группам. Наличие определенных форм гена Клото у пожилых людей сравнивали с таковым у детей. Оказалось, что среди детей две копии измененной версии гена Клото встречались в два раза чаще, чем у людей старше 65 лет. По мнению ученых, это означает, что люди, имеющие две копии дефектного гена, в среднем умирают раньше, чем те, кто имеет лишь одну копию или не имеет ни одной. Таким образом, обнаружена четкая корреляция между наличием нормального гена Клото и продолжительностью времени жизни человека.

Согласно одной из наиболее распространенных гипотез, одряхление организма представляет собой накопление гибельных ошибок и других повреждений генов, возникающих в течение жизни индивидуума в процессе деления клеток и репликации ДНК. Этот вопрос сейчас интенсивно исследуется. И вот первый результат. В геноме человека и животных найдены специальные, очень строгие гены — «сторожа». Подобно корректорам, работающим над книгой, они выискивают опечатки в тексте и исправляют их. Результат нарушения нормальной «охранной» работы этих генов в организме — быстрое старение. Уже составлен определенный список таких генов, охраняющих наш генетический аппарат от всевозможных повреждений, которые могут появиться в течение жизни. И этот список постоянно увеличивается. Ученые считают, что управление работой таких генов может способствовать продлению полноценной жизни человека. Один из примеров этого — гены, кодирующие ферменты по имени геликазы. Эти ферменты участвуют в нашем организме в таких процессах, как репликация ДНК и рекомбинации в ней. Стоит только некоторым из них ухудшить свою работу, как сразу же начинают появляться приметы старения. У человека известен синдром Вернера (молодые люди выглядят как старики), который в значительной мере связан с нарушением работы одного из генов, кодирующих геликазу.

В подтверждение тому, что повреждения ДНК ответственны за процессы, ведущие к неотвратимому старению, можно привести данные голландских ученых, которые недавно изучали мышей с дефектом одного из генов, участвующих в репарации (восстановлении) поврежденной цепи ДНК. Такие мыши характеризовались рядом различных черт раннего старения (хрупкостью костей, седой шерстью, стерильностью). Все эти явления оказались вызванными лишь мутациями в гене XPD, который у человека вызывает болезнь трихотиодистрофию (она проявляется в развитии хрупкости волос, замедленном росте и повышенной чувствительности к свету) и который ответственен в норме за регуляцию экспрессии генов, вовлеченных в репарацию ДНК. Мыши с дефектом в гене XPD развивались нормально, но старели слишком быстро при достижении взрослого состояния. Дополнительная мутация в этом же гене увеличивала чувствительность животных к свободным радикалам кислорода. Таким образом, эти исследования со всей очевидностью показали, что причиной нашего старения может быть последовательное накопление мутаций в геноме.

Недавно была показана вовлеченность гена, известного под именем р21, в происхождение многих болезней, традиционно ассоциируемых с преклонным возрастом. Оказалось, что белковый продукт данного гена способен влиять на активность работы около сотни других генов, многие из которых отвечают в организме за патологические изменения в кровеносных сосудах, суставах, нервных, эпителиальных и других тканях человека. В частности, мутации в гене p21 ускоряют развитие атеросклероза, способствуют злокачественному перерождению клеток. Вот вам и путь еще к одному элексиру молодости: управление активностью таких генов, как ген p21 или ген геликазы, вполне способно существенно увеличить среднюю продолжительность жизни человека, а главное — улучшить ее качество.

Еще одно направление поиска ученых связано с изучением присущего нашим клеткам естественного механизма самоликвидации. Еще 120 лет назад немецкий ученый Август Вейсман писал: «Недееспособные индивидуумы не только бесполезны для вида, но даже вредны, так как занимают место дееспособных. Я рассматриваю смерть не как первичную необходимость, а как нечто возникшее вторично. Я полагаю, что продолжительность жизни ограничена не потому, что неограниченность противоречит природе жизни, а потому, что неограниченная жизнь была бы роскошью, не дающей никаких преимуществ».

Сейчас генетики установили, что в организме действуют программы не только на жизнь, но и на смерть. Считается установленным запрограммированность клеток на смерть. В частности, описан так называемый «лимит Хейфлика», согласно которому клетка не может делиться более 50 раз. Считается, что клетка умирает не потому, что состарилась, а потому, что сама кончает счеты с жизнью, если возникает подозрение, что она может стать потенциально опасной или просто ненужной для окружающих тканей. И такое «самоубийство» клеток (этот процесс, как уже говорилось, назван красивым словом апоптоз) запрограммировано в нашем геноме.

Когда же и за счет чего апоптоз происходит? В норме он нужен человеку с самого начала его существования для нормального формирования человека из единичной клетки — зиготы. Без апоптоза мы с вами имели бы хвосты, жабры и перепонки между пальцами. Но в результате этого процесса все рудиментарные органы безболезненно «исчезают». Кроме того, во взрослом организме благодаря апоптозу ежедневно самоуничтожаются миллиарды старых клеток, а также клеток, зараженных вирусом. Ради своих соседей, ради всего организма, чтобы не нанести ему вред, зараженная клетка самоликвидируется. Апоптоз происходит и в нормальных клетках после определенного времени их жизни в организме. Клетка по сигналу из генома умирает, и новая клетка приходит ей на смену. Например, клетки крови, потрудившись определенное время на благо человека, отмирают, а на их место поступают новые «молодые» труженики. Самоубийство клетки происходит только тогда, когда она получает специальный приказ на самоуничтожение. А отдают этот приказ особые белки, которые начинают вырабатываться в нужном месте и в нужный момент. Вся эта сложная программа строго контролируется большим числом генов: одни стоят на страже полноценных клеток, другие дают команду на уничтожение исчерпавших свой срок или подвергшихся мутациям — все старое и отжившее организму только мешает. И вот наступил момент, когда многие гены-убийцы были разоблачены. За это открытие в 2002 году трем ученым (С. Бреннеру, Дж. Сулстону и Р. Хорвицу) была присуждена Нобелевская премия.

Новые данные породили идею, которую высказал российский академик В. Скулачев: возможно, и у целого организма, как у единичных клеток, существует генетически запрограммированный механизм самоуничтожения. Однако пока обо всем этом мы мало знаем. И, тем не менее, уже начата атака на гены-убийцы клеток в надежде вмешаться в процессы старения организма. Исходя из вышесказанного, можно заключить, что один из основных принципов клетки — лучше умереть, чем ошибиться. Это напоминает самурайский кодекс чести. Не зря, видимо, один из генов, участвующих в апоптозе, получил имя HARAKIRI (харакири).

Ведя разговор о генах и старении, нужно помнить, что в сложнейшей картине тысяч различных биохимических процессов, происходящих в клетках, каждый генный продукт может участвовать во множестве метаболических цепей. Да, изменение работы того или иного гена может действительно сказаться на продолжительности жизни человека, но при этом возможны и другие, порой непредсказуемые, последствия. Например, тот же ген р21, о котором речь шла выше, отвечает в нашем организме за то, чтобы у нас не образовывались опухоли. Заблокировав его, мы, может быть, сможем прожить на несколько десятков лет больше, но только если не умрем раньше от рака. Так что надо детально учитывать все моменты, связанные с каждым из генов, прежде чем начинать практическое вмешательство в нашу жизнь. В противном случае это будет напоминать анекдот об одном «ученом», который определял местонахождение органов слуха у таракана. Он последовательно отрывал ноги таракану и давал команду «бежать». Пока у таракана оставалась хотя бы пара ног, он пытался убежать от «ученого». Но когда у таракана ног не осталось и он, естественно, бежать не мог, «ученый» сделал вывод, что органы слуха у таракана находятся на ногах.

Все, о чем говорилось выше — пока лишь отдельные вехи на пути медицинской геномики к коррекции процессов старения. Ученые пока не претендуют на открытие источника вечной молодости, но имеют веские основания надеяться замедлить старение людей в ближайшем будущем. Сейчас очевидно, что старение, как и любая другая важная биологическая функция, обусловлено параллельным действием множества довольно сложных и пока еще плохо изученных молекулярных механизмов. Кроме того, не следует забывать, что старение нашего организма зависит не только лишь от генов. Существенную роль в определении продолжительности времени старения и наступления смерти играют многие внешние факторы, в первую очередь условия жизни, питание и образ жизни человека. Все эти факторы, так или иначе, влияют на работу различных наших генов. Несмотря на то, что многие из них оказывают вроде бы второстепенное влияние на продолжительность жизни, выяснение их природы может оказаться весьма полезным для того, чтобы научиться замедлять старение.

Мы, конечно, можем бегать по утрам и пить томатный сок, не пить, не курить, но нам все равно не удастся избежать неизбежного — смерти. Наука хоть и продвинулась далеко вперед, но все же не изобрела эликсира, подобного вину, которое выпили Мастер и Маргарита, чтобы перейти в бессмертие. Тем не менее, оптимисты считают, что если кому-то из нас посчастливится прожить еще лет тридцать-сорок, чтобы дождаться полного расцвета генной инженерии человека, то, после этого, возможно, наша жизнь продлится до 2050, 2080 или аж 2100 года. Но даже они понимают, что бессмертия достичь нельзя, также как нельзя достичь абсолютного нуля температуры, сконструировать вечный двигатель или превысить скорость света.

Следует отметить, что и без вмешательства молекулярной генетики мы постепенно превращаемся в планету с «сединою на висках». В докладе Комитета по народонаселению ООН, сделанном в 2002 году, говорится о том, что «человечество впервые в своей истории сталкивается с феноменом старения населения». Сегодня людей, уже отметивших свое столетие, на Земле около 150 тысяч. А тех, кому исполнилось 80 и больше, — 66 миллионов. По прогнозам, к 2050 году число пожилых людей в мире превысит число молодых людей. По данным ООН, в мире сегодня проживает 629 миллионов людей в возрасте свыше 60 лет. К 2050 году их станет в три раза больше: два миллиарда. В 1950 году люди старшего поколения составляли 8 % населения земли. К 2000 году этот показатель увеличился до 10 %. В 2050 году они будут составлять 21 % населения планеты. Это самая быстрорастущая возрастная группа населения планеты.

А вообще-то задумаемся — нужно ли человеку бессмертие? Если хорошо поразмышлять, то можно и усомниться в этом. Недаром же мудрый царь Соломон отказался принять эликсир жизни, не желая жить дольше, чем близкие ему люди. А вот жить долго, причем желательно в бодром и дееспособном состоянии, действительно было бы весьма заманчивым. Лет, скажем, 150–200… Но будем помнить слова Жан-Жака Руссо: «Жить — это не значит дышать, это значит действовать. Не тот человек больше всего жил, который может насчитать больше лет, а тот, кто больше всего чувствовал жизнь». И еще высказывание Сенеки: «суть не в том, сколько лет живет человек, а как он живет». Мы ведь не просто хотим выживать, а полноценно жить.

ИНДИВИДУАЛЬНАЯ ПИЛЮЛЯ (фармакогеномика).

Некоторые лекарства опаснее самих болезней. Сенека Доктора — это те, кто прописывают лекарства, о которых мало знают, чтобы лечить болезни, о которых они знают еще меньше, у людей, о которых они не знают вообще ничего. Вольтер

Когда на торжественном банкете встречаются друг с другом азиаты и европейцы, то легко заметить, что даже после первого бокала легкого вина у азиатов лица краснеют, тогда как у европейцев они практически не изменяются, может быть, только чуть-чуть розовеют. В чем же причина этого? Здесь в основе различий в реакции на алкоголь также лежит геном человека, вариабельность его и кодируемых им белков. Даже незначительные различия в геномах разных людей порой ведут к существенному изменению реакции организма на разнообразные внешние воздействия, в частности на чувствительность к алкоголю, различным компонентам пищи, а также к всевозможным лекарственным средствам.

Но все это стало понятно сравнительно недавно, хотя научная фармакология существует уже около ста лет. Считается, что началась она с синтеза теперь уже всем хорошо известного лекарственного препарата аспирина. Однако за весь прошедший век фармакологи дали практикующим врачам всего лишь около полутысячи веществ, используемых для изготовления лекарств. При этом впоследствии оказалось, что далеко не все из них обладают только лишь полезными для человека свойствами. Нередко выяснялось, что многие из лекарств могут иметь побочные эффекты, в том числе и обладать весьма токсическим действием. Понадобилось почти 80 лет, чтобы разобраться хотя бы с тем же аспирином. Оказалось, что он подавляет активность одной из разновидностей фермента циклооксигеназы, но одновременно стимулирует другую его разновидность. А вот последнее вместо лечебного эффекта приводит к кровотечениям в клетках слизистой желудка и, как следствие, к развитию гастрита. Дело зачастую в том, что большинство из существующих лекарств представляет собой чуждые для человека вещества, с которыми он практически не сталкивался ранее в природе.

Но все это только одна из проблем. Другая, не менее важная, заключается в том, что даже самые «испытанные» лекарства эффективны далеко не для всех больных. Практика показывает, что зачастую ожидаемый лечебный эффект проявляется менее чем у четверти из них. Вот почему, например, так много разных лекарств имеется в аптеках от кашля, от головной и сердечной боли. Одним помогает одно, другим — другое.

Отчасти все это связано с тем, что вплоть до настоящего времени лекарственные препараты разрабатывались и назначались к применению, пройдя чисто «популяционный» контроль, без учета возможных индивидуальных особенностей реакции организма. А между тем уже довольно давно известно, что от 10 до 40 % людей не реагируют на ту или иную фармакотерапию. В чем же тут дело? Уже много лет назад было установлено, что индивидуальная вариабельность реакции организма на действие лекарственных средств может быть обусловлена генетическими факторами. Тогда же и было сформулировано понятие о фармакогенетике как о науке, изучающей влияние генетических факторов на особенности реакции организма в ответ на медикаментозное воздействие.

Успехи в области изучения генома человека создали научную базу и необходимые технологические предпосылки для дальнейшего прогресса фармакологии. И вот в результате секвенирования генома человека и совершенствования методов генетического анализа, которое произошло в ходе выполнения проекта «Геном человека», окончательно сформировалось целое новое направление — фармакогеномика. Сам термин возник в 1997 году еще в ходе полного секвенирования генома человека. Эта новая быстро развивающаяся наука представляет собой «сплав» фармакогенетики и современных геномных технологий.

Фармакогеномика сфокусировала свое внимание на поиске новых средств лечения с учетом знания о структуре генома человека и на базе изучения генетических основ вариабельности ответа пациентов на лекарства, определяемой различиями в наследственной природе разных людей. Фармакогеномика изучает, как те или иные особенности строения нашей ДНК могут ослабить или усилить воздействие лекарств, разрабатывает тесты на выбор наиболее оптимального сочетания медицинских препаратов для лечения каждого конкретного человека. Таким образом, фармакогеномику можно рассматривать как одно из первых реальных практических приложений результатов, достигнутых участниками международного проекта «Геном человека».

Сейчас поиск новых лекарств в значительной мере отличается от того, что было вчера, а завтра, благодаря фармакогеномике, он должен стать еще более эффективным и точным (рис. 36).

Началось все с «трудов» средневековых алхимиков, когда они пытались найти и создать элексир вечной молодости. Поиск шел в природе, в ее естественных продуктах. Один из подходов, применяемых в недалеком прошлом и не потерявших свою актуальность даже сейчас, — использование в качестве лекарственных средств тех естественных продуктов человеческих клеток, которые способны сами защищать организм от всевозможных патологий. Таких «защитников» довольно много в нашем организме, но не всегда их хватает для борьбы с патологическими процессам. Можно использовать не сами белки-защитники, а некие их усовершенствованные формы. Примером этому может служить путь, по которому шли российские ученые во главе с членом-корреспондентом РАН Н. Ф. Мясоедовым при создании уникального медицинского препарата «Семакс». По своим свойствам — это нейропептид. Обычно нейропептиды вырабатываются клетками нервной ткани и представляют собой, как правило, короткие аминокислотные последовательности, которые обладают высокой эффективностью и выраженной направленностью действия даже при условии их очень малой концентрации. «Семакс» был создан в результате анализа действия различных производных адренокортикотропного гормона на такие фундаментальные функции мозга, как обучение и память. Выяснилось, что пептид, состоящий всего из четырех аминокислот, входящих в состав этого естественного гормона человека, вмешиваясь в нарушенное управление больной клетки, способен восстанавливать ее нормальное состояние. Далее на один из концов этого пептида были искусственно добавлены три специфические аминокислоты, которые защищают его от быстрого разрушения в организме. И в результате появился медицинский препарат нового поколения, который сейчас все шире и шире используется в медицинской практике при лечении травм головного мозга, инсульта и расстройств памяти.

Еще недавно большим достижением считалось «плясать» от конкретного гена. И действительно, это стало весьма важным этапом на пути создания эффективных лекарственных средств.

^{Рис. 36. Схема, иллюстрирующая в общем виде эволюцию основных путей создания лекарственных средств.}

Но теперь основные эффективные пути поиска новых лекарственных средств уже базируются на знаниях о полной структуре генома человека, с переходом на знания о структуре всех белков человека (его протеома). Секвенированный геном человека стал «путеводной книгой» для фармацевтических компаний. Появилась, как иногда говорят, «единственная в жизни» возможность идентифицировать все человеческие гены-мишени. Это одна из основных причин, почему вокруг нее ведутся жаркие баталии между двумя основными исполнителями проекта «Геном человека». За все времена до секвенирования генома человека было определено лишь около 500 молекулярных мишений, на которые направлено действие лекарственных веществ. Теперь, благодаря успехам в геномике человека, ожидается десятикратное увеличение таких мишений (по разным оценкам, общее их число у человека может составлять от 5000 до 10000).

Фармакогеномика осуществляет поиск новых мишений на базе двух китов — секвенированной нуклеотидной последовательности ДНК человека и компьютера. Подробнее мы поговорим об этом в главе по биоинформатике. Здесь отметим лишь несколько подходов.

Среди новых генов, обнаруженных в ходе полного секвенирования генома, сейчас осуществляют активный поиск тех, которые имеют структурное сходство с ранее выявленными генами- и белками-мишенями. Например, известной мишенью для лекарств являются белки, обладающие свойствами протеаз, — ферментов, расщепляющих другие белки. Сейчас уже предсказано существование у человека около 1000 белков с такими свойствами (вот и 1000 новых потенциальных мишеней!).

Другой подход — анализ все тех же уже многократно упоминавшихся снипсов. Изучение вариаций в геноме позволяет осуществлять направленный поиск генов, ответственных за определенные заболевания человека, которые ранее не рассматривались как гены-мишени.

С помощью компьютеров осуществляют также отбор среди имеющихся в распоряжении человека миллионов различных химических соединений тех, которые способны специфически взаимодействовать с определенными белками-мишенями, определяющими развитие того или иного заболевания.

Важнейшее направление в фармакогеномике — перевод медицины на рельсы персонифицированного лечения. К настоящему времени уже накопилось большое количество информации о генах, которые влияют на процессы всасывания, распределения, метаболизма и выведения лекарственных средств. В связи с полиморфизмом таких генов у некоторых пациентов лекарственные препараты могут быть неэффективными или даже оказывать токсическое воздействие. Известно, например, что в норме у различных групп исследуемых людей скорость удаления (элиминации) лекарства из организма может отличаться от 4 до 100 раз. Одним из комплексов генов, определяющих метаболизм лекарственных препаратов, являются гены системы цитохрома Р450. Скорость метаболизма лекарств у людей с разными изменениями этих генов отличается в сотни раз. Это указывает на то, что у отдельных индивидуумов возможно развитие побочных реакций в ответ на прием лекарственных препаратов даже в обычных (официально рекомендованных) дозах.

По данным Американской медицинской ассоциации, в США в 1994 году развитие побочных реакций явилось причиной госпитализации 2 млн. человек. В настоящее время почти семи миллионам американцев в возрасте 65 лет и старше прописываются лекарства, которые им не совсем подходят. Хуже того, по мнению экспертов, около одного миллиона проглоченных ими таблеток им вообще не следовало бы принимать. В последние годы побочные реакции на прием лекарственных препаратов постоянно занимают 4-е — 6-е место среди причин смерти в США. По некоторым оценкам, из-за неблагоприятных реакций на сильнодействующие лекарственные средства ежегодно в мире умирают до 100 тыс. человек.

Важное значение для решения этих проблем имеет изучение особенности структуры не только генов, детерминирующих метаболизм лекарственных средств, но и ряда других, на первый взгляд, совершенно незначительных различий, которые имеются в геномах разных индивидуумов. В частности, восприимчивость и реакция человека на те или иные лекарства в ряде случаев тесно связана с уже упоминавшимися снипсами. Так же, как эти «незначительные» вариации в геноме определяют разницу в подверженности людей к определенным видам заболевании, с ними зачастую ассоциированы и различия в результатах, наступающих у конкретного человека после принятия определенного лекарства. Приведем один пример. Астматики часто используют лекарство албутерол, который взаимодействует с рецептором адреналина и подавляет приступ удушья. Однако из-за разнообразия гаплотипов людей лекарство действует не на всех, а некоторым больным оно вообще противопоказано. Выяснилось, что это связано со снипсами в одном из генов: люди с последовательностью букв ТЦТЦЦ не реагируют на албутерол, если же концевой цитозин заменен на гуанин (ТЦТЦГ), то реакция есть, но частичная. Для людей же с тимином вместо концевого цитозина в этом участке — ТЦТЦТ — лекарство токсично!

Теперь фармацевтические компании планируют использовать все эти данные для производства определенных лекарств, предназначенных различным группам пациентов. В конечном итоге это поможет устранить побочные реакции от лекарств, точнее понять механизм их действия, а в результате снизить миллионные затраты. В частности, генотипирование лекарственной устойчивости сможет привести к более эффективной и безопасной химиотерапии у каждого конкретного пациента, больного раком. На практике лечение рака обычно носит эмпирический характер и основано скорее на клинических данных, чем на понимании механизмов чувствительности к химическим агентам. Например, для лечения раковых больных сейчас широко используется препарат цисплатин. Но он далеко не всегда оказывается эффективным. Проведенные исследования выяснили, что формирование резистентности к этому препарату обеспечивают два гена нашего организма — MGMT и MLH1. Продукты этих генов в норме препятствуют развитию опухоли. У конкретного индивидуума данные гены могут не работать по ряду причин, например, в результате химической модификации, получившей название метилирование. Появление метильных групп в определенных участках этих генов приводит к их выключению (инактивации). Получая ДНК из сыворотки больных в ходе лечения, можно анализировать степень модификации вышеуказанных генов и таким образом определять целесообразность использования цисплатина для химиотерапии конкретных пациентов.

Другим примером использования фармакогеномики в клинике может служить изучение действия азотиоприна при лечении лейкемии и некоторых аутоиммунных заболеваний. Азотиоприн разрушается в клетках специальным ферментом. Если соответствующие гены работают плохо, то лекарство постепенно накапливается в организме и вызывает острые нарушения в костном мозге. Таким образом, из лекарства оно может превратиться в яд. В этих случаях рекомендуется или уменьшать его дозу, или использовать альтернативную терапию.

Наконец, такой показательный пример. Для лечения рака груди сейчас существует множество средств. Врач обычно на практике выбирает, порой чисто интуитивно, какое-то одно, а потом наблюдает за реакцией организма на их прием. Фармакогеномика обещает сделать выбор нужного препарата намного более быстрым и точным. Теперь известно, что около четверти пациенток с раком груди относится к уникальной генетической группе, обладающей так называемой «сверхвыраженностью Her2». Сделав несложный анализ для таких больных, врачи могут прописывать лекарство, специально разработанное для того, чтобы блокировать вредные белки, образующиеся в организме с этой генетической вариацией. Такой способ повышает выживаемость пациенток на 25 процентов.

По данным «Журнала американской медицинской ассоциации», почти семи миллионам пожилых американцев — примерно двадцати процентам живущих в стране людей в возрасте 65 лет и старше — прописываются лекарства, которые им не совсем подходят. Это еще один из аспектов фармакогеномики. Дело в том, что врачи подчас не учитывают возрастных изменений, происходящих в организме в процессе старения.

Не вызывает сомнения, что в результате обнаружения новых генов и последующего выяснения их точных функций будут созданы специальные тесты (например, в виде микрочипов) для определения персональных реакций организма на различные лекарственные препараты. Для разработки таких диагностических тестов в первую очередь необходимо обнаружить тот ген или тот «профиль» снипсов, который и позволяет предсказать реакцию организма на действие определенного лекарственного средства. Сравнение ДНКовых текстов пациентов с разной реакцией на одно и то же лекарство позволит также осуществлять поиск соответствующих генов без всякого знания об их участии в биохимических процессах.

Хотя разработанные в настоящее время тесты еще несовершенны, нет сомнения, что хорошие фармакогеномные тесты будут созданы в самые ближайшие годы. И тогда благодаря им появится возможность определить вероятность возникновения у конкретного человека побочных реакций, развивающихся в результате применения определенного лекарственного препарата или группы лекарственных средств. Для практического применения врачами таких тестов необходимо, чтобы они отвечали ряду требований: дешевизна, точность, простота в использовании.

Можно представить себе микрочипы недалекого будущего, на которые будут нанесены все известные гены, определяющие типы реакции на то или иное лекарственное средство. Это изменит полностью сам характер фармацевтической промышленности. Из изготовителей стандартной продукции и продавцов «универсальных» лекарств фирмы превратятся в поставщиков высококачественных медицинских услуг с выгодой как для себя, так и для экономики здравоохранения в целом. А конкретный пациент может оказаться в большем выигрыше за счет более точного назначения «индивидуальной пилюли» с улучшенными свойствами.

Нет сомнения, что фармакогеномика способна революционизировать процессы поиска генов и белков-мишений, а также создания лекарств и тестов на восприимчивость к ним, разработать схемы правильного применения различных медицинских средств. В широком смысле речь идет о создании на ее основе индивидуализированной (персонифицированной) медицины — медицины будущего. По словам доктора Сьюзен Хеллманн, руководящей медицинским отделом в биотехнической фирме Genentech, «это примерно то же, как если бы раньше мы работали топором, а сейчас собираемся заменить его на скальпель».

Согласно прогнозам американской консалтинговой компании «Front Line Strategic Management Consulting», к 2010 г. благадаря использованию фармакогеномики произойдет сокращение расходов на лечение больных в США приблизительно на 1 млрд. долларов. В результате применения тестов на снипсы для предварительного скрининга пациентов в отношении реакции организма на определенный лекарственный препарат более чем на 32 % повысится эффективность медикаментозного лечения и на 25 % сократится число побочных реакций.

КОМПЬЮТЕР ВМЕСТО ПРОБИРКИ (геноинформатика).

Конечно, обдумывай «что», но еще больше обдумывай «как». И. Гёте

Одной из особенностей, характерных для многих современных наук, включая и генетику, заключается в активном использовании в ней передовых достижений информационных технологий. Секвенирование генома человека и развитие такого направления, как геномика, пришлось на то время, которое по праву называют информационным. И все это произошло не случайно.

Многие ученые отмечают, что никогда еще в биологии не было такого положения дел, как сейчас. Раньше у нас было мало фактов, но существовало огромное количество гипотез, что соответствовало известному закону Мэрфи. Но теперь, благодаря успехам в определении генома человека и ряда других организмов, генетика из относительно бедной фактами превратилась в чрезвычайно богатую информацией науку. Энциклопедия под названием «Геном человека», которую «восстановили» из небытия на рубеже двух тысячелетий, содержит такой гигантский объем информации, который просто невозможно переварить человеческому мозгу. Издавать ее в печатном виде не имеет никакого смысла — ведь никто не в состоянии ее прочесть и понять. И здесь на помощь человеку пришли компьютеры. На этой основе появилось новое направление в науке биоинформатике — компьютерная геномика, которая призвана с помощью математических методов понять и осмыслить всю ту информацию, которая содержится в Энциклопедии человека.

В течение многих лет изучение генов и их функций основывалось на экспериментах в системах in vivo (в живом) и in vitro (в пробирке). Лишь в 80-х годах на помощь экспериментаторам пришло мощное дополнение — компьютер. Появилось и свое латинское обозначение для этого подхода — in silico, то есть в компьютере. Компьютеры были сконструированы еще в 60-е годы, но тогда они были лишь вспомогательным средством для обработки и хранения ограниченного объема данных. Техника постепенно совершенствовалась, и с конца 80-х началось создание баз данных, в которых теперь хранится информация о миллионах последовательностей нуклеотидов в ДНК и РНК и об огромном числе последовательностей аминокислот в белках.

Однако вся эта огромная информация в значительной мере была бы бесполезной без ее упорядочения и систематизации, подобно тому, как без инвентаризации книг в гигантских книгохранилищах просто невозможно найти нужную нам книгу. Компьютерная геномика стала заниматься тем же, чем до того занимались классическая биохимия и молекулярная биология, но не с использованием пробирки, а с помощью специальной компьютерной техники. Этот подход иногда называют «сухой» биохимией.

Чем полезен компьютер для изучения генома человека?

Без компьютерных биоинформационных технологий (геноинформатики, или, в более широком смысле, — биоинформатики) развитие геномных исследований вообще едва ли было бы возможным. Даже трудно себе представить, как бы ученые смогли собрать, классифицировать и разобраться с тем огромным объемом информации, которая заключена в двухметровой молекуле ДНК.

Обратим внимание читателя лишь на некоторые основные информационные задачи, которые необходимо было решать при изучении генома человека, а некоторые из них еще предстоит решить. В первую очередь нужно отметить то обстоятельство, что работа с геномами высших организмов, и особенно с геномом человека, — это работа с огромными объемами информации. Один миллион п. н. ДНК эквивалентен примерно 1 мегабайту (1 млн. байтов). Следовательно, для хранения в компьютере только информации о последовательности генома человека требуется не менее 3 гигабайт. Одной из важнейших задач для реализации программы «Геном человека» была организация процесса создания окончательного «текста», состоящего из миллиарда слов, десятков тысяч предложений и огромного числа страниц, собранных в 24 тома. Этот процесс с самого начала работ по программе «Геном человека» был прекрасно организован. Данные по секвенированию, получаемые в разных лабораториях мира, предварительно преобразовывались из аналоговых сигналов в цифровые для того, чтобы их можно было обрабатывать на компьютере. В Центре биомедицинских исследований Массачусетского технологического института в США круглосуточно принимались вновь собранные данные, автоматически регистрировались и архивировались. Все они сразу же автоматически привязывались к определенным хромосомам человека. Далее, каждая вновь поступившая последовательность нуклеотидов пересылалась по Интернету в GenBank — общедоступную базу данных, обслуживаемую Национальным центром биотехнологической информации (www.ncbi.nlm.nih.gov), а уже оттуда поступала в другие общедоступные базы данных во всем мире. Организаторы программы старались предоставить доступ к этим данным как можно быстрее и как можно большему числу пользователей. Трудно себе даже представить, как без использования компьютеров можно было бы из сотен тысяч «текстов», которые читались в отдельности разными исследователями в разных лабораториях мира, собирать гигантскую единую «Энциклопедию человека». Этот процесс напоминал собой сбор без предварительного рисунка гигантского паззла, состоящего из сотен тысяч мелких фигур, сваленных в кучу.

Другая не менее сложная задача, решаемая геноинформатикой, — компьютерный анализ ДНКовых текстов, что чрезвычайно важно для их правильного «прочтения». Поиск генов в геноме человека затруднен тем, что в ДНК нет абсолютно четких «знаков препинания», которые бы указывали на начало и конец генов-предложений и других функционально значимых элементов. При этом методы классической генетики имеют ограниченное применение для человека — ведь человек, в отличие от мух или мышей, не может быть объектом генетических экспериментов. Основная трудность при идентификации генов состоит в определении их экзон-интронной структуры, т. е. определении кодирующих и некодирующих участков. И здесь на помощь приходила и приходит геноинформатика. На основе статистического анализа ученые научились с определенной долей вероятности устанавливать, к какому участку генома относится та или иная изучаемая нуклеотидная последовательность ДНК. Это схоже с ситуацией в газетном тексте. Вот наш глаз остановился на фразе «от Парижа до Находки ОМСА — лучшие колготки», и сразу становится понятным, что это реклама, а не текст статьи, так как подобное словосочетание в обычных публицистических статьях практически никогда не встречается. Примерно так же обстоит дело и с определенными сочетаниями нуклеотидов в ДНКовом тексте. Выявлены определенные сочетания нуклеотидов, которые указывают на принадлежность анализируемого фрагмента генетического текста к интрону или экзону, кодирующему белок.

В настоящее время разработан комплекс программ распознавания разных участков генома, которые позволяют с определенной вероятностью вычленять такие функциональные участки в длинных последовательностях ДНК. Уже не вызывает сомнения, что многое из того, что раньше делалось только с помощью специальных сложных методов, сейчас можно осуществить с помощью вычислений. В частности, любую секвенированную нуклеотидную последовательность ДНК можно попытаться разметить и найти в ней границы как самого гена, так и его регуляторных последовательностей, не прибегая к помощи клонирования определенных последовательностей ДНК, их секвенирования и анализа экспрессии генов, а всего лишь с использованием специальных компьютерных программ. Компьютерные анализы уже привели к расшифровке многих «предложений» ДНКового текста. Такого рода работы, проводимые в нашей стране, зачастую не только не отстают, но даже значительно опережают аналогичные исследования в других странах. Предсказание белок-кодирующих генов с помощью компьютерных алгоритмов (этот метод назван ab initio) хорошо получается в случае относительно небольших геномов. Однако применительно к геному человека этот подход не всегда срабатывает в полной мере, т. к. гены человека часто устроены из маленьких экзонов и огромных интронов. Не отработаны также точные критерии для поиска не кодирующих белок генов. В этом заключается причина, почему до сих пор мы не можем назвать точное число генов в геноме человека, хотя он весь секвенирован.

Третья, не менее важная задача геноинформатики, касающаяся генома человека, — создание книги под названием «Функционирующий геном». Информация о геноме человека, накопленная сейчас в базах данных, касается в основном одного аспекта организации геномной ДНК, а именно ее первичной структуры, то есть последовательности нуклеотидов. Но для описания функциональных особенностей геномов, например особенностей регуляции экспрессии содержащихся в них генов, структуры и функции кодируемых ими белков и др. потребуются неимоверно большие объемы информации. Например, оценено, что для описания пространственной структуры лишь одного белка среднего размера (около 600 аминокислот) требуется около 200 страниц текста. А число белков уже сейчас оценивается не менее, чем в 500 000 (по некоторым расчетам оно достигает 1 млн.). Ясно поэтому, что сведения о расшифрованных белках будут храниться в компьютерных библиотеках сверхгигантского размера.

Обычно, чтобы экспериментально установить функцию того или иного вновь обнаруженного гена или белка, требуются значительные усилия экспериментаторов и весьма большие финансовые затраты. Использование компьютеров позволяет решать многие вопросы без проведения специальных дорогостоящих и занимающих много времени экспериментов. Ярким примером может служить обнаружение гена, мутация в котором обуславливает преждевременное старение, происходящее при синдроме Вернера (напомним, что пациенты с этим заболеванием уже в молодые годы выглядят как дряхлые старики). С помощью Интернета и других современных средства информатизации всего за восемь месяцев удалось «вычислить» соответствующий ген. Для его обнаружения исследователям пришлось перебрать в базах данных свыше миллиона пар нуклеотидов. Очевидно, что без помощи геноинформатики этого события пришлось бы ждать еще несколько лет.

Другой пример — создание каталога всех имеющихся в геноме человека ферментов, называемых протеинкиназами («кином»). В результате этого поиска было выявлено 518 генов, кодирующих протеинкиназы, и, кроме того, 106 псевдогенов. При этом 70 из обнаруженных генов ранее были совсем неизвестны. Выяснилось также, что почти половина генов «кинома» располагается в участках генома, связанных с различными заболеваниями человека.

Дешифровка последовательности белка с помощью компьютера напоминает работу криптографов — из последовательности отдельных букв читается весь биологический текст, и на основании этого выясняется, что это за белок, какова его функция в организме. Впечатляющие результаты были получены, например, австрийцем Айзенбергом. Используя дешифровальные методы анализа нескольких тысяч белков, не проведя при этом ни одного эксперимента, он сразу предсказал функции почти половины из них. Вспомним, что еще не так давно ученые иногда тратили всю жизнь, чтобы определить структуру одного белка и познать его функцию. С помощью новых подходов можно одновременно предсказать функцию большого числа белков.

Для написания книги «Функционирующий геном» потребуется объединить вместе огромную информацию о картине работы десятков тысяч генов в различных типах клеток на разных стадиях развития и в разных физиологических состояниях, данные о структуре и функции отдельных белков, кинетические параметры, концентрации молекул, сведения о взаимодействии генов и генных продуктов, реакции генома на экстремальные стимулы и различного рода патологические процессы. Связь между генотипом и фенотипом, то есть между генами и их проявлением в совокупности признаков и свойств организма, зачастую обусловлена сложным взаимодействием множества различных генов, а также факторов окружающей среды. По этой причине во многих случаях ее экспериментально пока не удается однозначно установить. Слишком сложна задача и слишком много исходных данных. Такую ситуацию часто называют проблемой нелинейного картирования. Чтобы решить эту проблему, био- и гено-информатике понадобятся новые значительно более совершенные программы, еще более мощные компьютеры. В частности, для этой цели в настоящее время предложено использовать так называемое генетическое программирование. Гены в генетическом программировании рассматривают как аналоги компьютерных программ. Из огромного объема имеющейся информации, связанной с тем или иным фенотипом, строят многочисленные метаболические «деревья», соответствующие разным известным молекулярным взаимодействиям внутри клетки. Затем для поиска наилучшей модели, описывающей определенный фенотип, с «деревьями» осуществляют на компьютере различные операции, подобные мутациям и рекомбинациям в геноме. Следующий этап — отбор тех из них, которые в наибольшей мере соответствуют реальным данным. В конечном итоге все это позволяет осуществлять прогностическое нелинейное картирование, то есть указать на взаимосвязь между работой определенного набора генов и конкретного фенотипа. А далее уже наступает очередь экспериментаторов, которые должны подтвердить или опровергнуть данные, полученные с помощью генетического программирования. Таким образом, генетическое программирование служит для исследователей некой путеводной звездой. Несмотря на сложность задачи, ожидается, что она будет решена не более чем через несколько десятков лет.

Однако нельзя переоценивать возможности современной биоинформатики, она еще далеко не все может решить. Тем не менее, она выступает в качестве мощного инструмента для первоначальной переработки огромной по объему информации, содержащейся в ДНК. Биоинформатика дает для исследователей ценные данные и делает их поиск целенаправленным. Такой поиск может быть продолжен в дальнейшем с использованием других подходов, в частности, экспериментов на культурах клеток или даже на целых животных. Например, как уже говорилось выше, функции тех или других генов человека можно эффективно изучать на модели трансгенных животных.

Кроме перечисленных выше, биоинформатика решает и множество других не менее важных и сложных задач. Таковым являются разработка методов анализа экспериментальной информации; компьютерное моделирование структурно-функциональной организации (вторичной, третичной структуры) генетических макромолекул (ДНК, РНК и белков), молекулярно-генетических процессов (репликации, транскрипции, сплайсинга, трансляции) и молекулярных взаимодействий между генетическими макромолекулами в генных сетях; исследование закономерностей молекулярной эволюции генетических макромолекул, а также молекулярно-генетических систем. Так, используемый в науке геногеографии картографический подход (о нем мы еще поговорим ниже), позволяющий исследовать пространственное распространение по нашей плавнете различных генетических признаков человека, долгие годы был чрезвычайно трудоемким и отнимал у ученых очень много времени. Использование компьютерных технологий принципиально изменило ситуацию, позволило существенно облегчить эти рутинные процедуры, давая исследователю возможность сосредоточиться непосредственно на вопросах творческого анализа географической изменчивости популяционно-генетических характеристик.

Сравнительный анализ геномов с помощью компьютеров стал одним из наиболее распространенных и эффективных методов изучения их структурно-функциональной организации и эволюции. Об этом уже шла речь выше, когда рассказывалось о функциональной геномике, коснемся мы его и в следующих разделах. Наиболее важные участки генома относительно мало изменяются в процессе эволюции, и их функции, установленные в экспериментах на мышах или мухах, зачастую оказываются такими же и у человека. Экспериментальный поиск генов, которые сходны у человека и животных, занимает недели и месяцы работы целой лаборатории. С помощью созданных геноинформатикой эффективных алгоритмов поиска компьютеры позволяют сделать это за считанные минуты. При наличии сходства последовательностей ДНК геноинформатика, с определенной степенью точности, может предсказать эволюцию геномов, функцию отдельных генов и др.

Биоинформатика способна также предсказать пространственную структуру белка на основании данных по последовательности нуклеотидов в ДНК. Это чрезвычайно важное обстоятельство, так как число известных первичных белковых структур (последовательностей аминокислот), установленных по известным нуклеотидным последовательностям ДНК, намного превосходит число экспериментально подтвержденных пространственных белковых структур. И в этом направлении также разработано большое число подходов. Один из наиболее эффективных — использование информации о пространственной структуре белков, имеющих сходную первичную структуру.

И, наконец, принципиально изменилось взаимодействие между учеными разных стран. С помощью компьютера исследователи из многочисленных научных лабораторий мира осуществляют обмен идеями, результаты их работ быстро появляются в Интернете, там же ученые ищут интересующие их сведения, публикуемые коллегами. Всемирная паутина позволяет специалистам не только обмениваться сообщениями, но и за считанные минуты просматривать специализированные базы данных международных центров, в то время как в обычной библиотеке без специальных программ на это ушли бы дни и месяцы. Уж не говоря о том, что на такие полные библиотеки пришлось бы в каждом научном учреждении тратить гигантские средства. В России, под руководством профессора А. А. Александрова, создана большая и весьма полезная база знаний, в которой любой желающий, имеющий доступ к Интернету, может найти сведения обо всех аспектах, связанных с биологией человека (сайт http://obi.img.ras.ru).

В значительной мере потенциал био- и геноинформатики определяется техническими возможностями. Недавно появилось сообщение, что корпорация IBM продала свой самый мощный в мире коммерческий компьютер компании NuTec Sciences, которая будет использовать его в исследованиях генома человека. Производительность этого компьютера составляет 7,5 трлн. операций в секунду. Он построен на базе 5000 процессоров. И это один из важных путей совершенствования геноинформатики.

Если заглянуть в материал, хранящийся в наиболее полном архиве PubMed, то на конец 2002 года там можно найти свыше 10,5 тыс. научных публикаций, в которых упоминаются слова «геном человека». Сейчас очень трудно уследить за всей информацией, которая появляется ежедневно по данной проблеме. В этой связи одним из перспективных путей развития биологии и генетики в XXI веке сейчас считается создание полной компьютерной модели клетки. Только сверхмощные компьютеры способны обеспечить хранение, систематизацию и переработку той огромной фактической информации, которая накопилась учеными за последнее столетие. Такие клеточные модели теоретически способны не только анализировать существующие базы данных, но и предсказывать ученым пути поиска недостающих звеньев. И здесь для биоинформатики еще предстоит работа на многие десятилетия.

Геноинформатика — быстрый путь от гена к лекарству.

Один из впечатляющих результатов био- и геноинформатики — создание методов и подходов для выявления новых узконаправленных лекарств на основании анализа генов и пространственных структур кодируемых ими белков. Поиском лекарств нового поколения сейчас активно заняты многочисленные фирмы. Приемы и методы современной биоинформатики позволяют с помощью компьютерного моделирования очень быстро проводить проверку огромного числа химических соединений (в распоряжении исследователей сейчас имеется свыше 2 миллионов таких соединений) с целью выбора тех из них, которые специфически действуют на различные белки-мишени, участвующие в развитии определенных патологий у человека. Такой анализ осуществляют с помощью специальных компьютерных программ на базе известных пространственных структур белков. Этот подход получил специальное название «дизайн лекарств» (англ. drug-design). Сначала идут от гена через мРНК к белку, а затем к его сложной пространственной структуре. Далее путем компьютерного анализа оценивается возможность целенаправленного взаимодействия белков-мишеней с различными химическими компонентами и среди последних отбирают такие, которые теоретически должны влиять тем или другим образом на мишени. На заключительном этапе все-таки требуется помощь экспериментаторов: в специальных опытах из небольшого уже числа отобранных теоретиками соединений вычленяют окончательно такие, которые оказывают ожидаемое биохимическое и физиологическое действие в живых системах.

Не вызывает сомнения, что в ближайшее время вместо всего нескольких сотен белков-мишеней, на которые направлено действие лекарств сегодня, биоинформатика на базе расшифрованного генома человека даст медицине десятки тысяч новых мишеней. А затем будут подобраны новые направленные на них лекарственные средства.

Немного фактов на грани с фантастикой.

Компьютеры на основе ДНК.

Молекула ДНК привлекла к себе внимание с разных, порой совершенно неожиданных сторон. Так, когда выяснилось, что в молекуле ДНК может храниться намного больше информации, чем в любом из микрочипов, заметный интерес вызвала возможность использования ДНК для обработки информации и решения математических задач.

Сама идея использовать ДНК для создания биокомпьютера возникла из сходства между процессами, происходящими в природе при синтезе ДНК, и работой вычислительных машин. Первые работы по созданию ДНК-компьютеров начались около 10 лет назад в Америке. Но сейчас уже в нескольких странах мира есть лаборатории, где пытаются «скрестить» компьютер с живыми организмами. Ученые, работающие над проблемой создания ДНК-компьютера, считают, что со временем он составит сильную конкуренцию теперешним компьютерам, благодаря своей сверхминиатюрности и сверхбыстродействию. Информационная емкость ДНК гораздо больше, чем у любых современных носителей: в кубическом сантиметре ДНК содержится больше информации, чем на триллионе CD-дисков. Вероятно, в будущем компьютер на основе ДНК может работать и внутри человеческих клеток. В результате этого он будет, например, отслеживать опасные для здоровья изменения в организме человека, рекомендовать набор лекарственных средств для лечения патологий и др. Все это пока еще далеко от реального воплощения. Тем не менее, уже появились сообщения о создании первых нанокомпьютеров, в которых роль программ, входных данных и результатов играют цепочки молекул ДНК, а роль символов — составляющие их буквы (А, Т, Г и Ц). Вместо обычного представления данных в виде нулей и единиц и использования математических формул для решения задач, вычисление с помощью ДНК использует данные, представленные в виде шаблонов молекул ДНК. Специфические ферменты (рестриктазы и лигазы) действуют как программные средства, обеспечивающие чтение, копирование и манипулирование кодом.

Поскольку каждый «символ» в ДНК занимает 0,35 нанометра, то плотность данных в цепочке составляет 18 мегабайт на дюйм, а если говорить о двумерном расположении ДНК, — то более миллиона гигабайт на квадратный дюйм. Для сравнения обычный винчестер содержит лишь около 7 гигабайтов на квадратый дюйм, то есть в 100 000 раз меньше.

Некоторыми учеными постулируется, что использование молекул ДНК станет будущим компьютерной техники и придет на смену полупроводниковым микросхемам. Однако исследования в этой области пока находятся в самом начале и их перспектива до конца не ясна. По мнению журнала «Science», отметившего лучшие достижения в мировой науке за 2001 год, возможности молекулярных компьютеров станут реальностью именно с появлением нанопроводов, в тысячи раз более тонких, чем проводники, используемые в современных микросхемах.

Мелодии человеческого генома.

Имеют место и весьма экзотические подходы к проблеме генома человека. Сообщалось, например, что японский ученый Нобуо Мунатака попытался записать ДНКовый текст генома человека с помощью музыкальных нот. Он решил воспеть геном человека, полагая, что музыка проще выражает формулу жизни, чем цифры и символы. Изобретатель так прокомментировал свою попытку: «Тайны человеческой ДНК действительно сложно понять простым людям. Сегодня медицина уже способна определить предрасположенность человека ко многим заболеваниям, например, раку или диабету. Почти всегда за это отвечают наши гены, теперь люди об этом знают. Что такое генетическая карта человека, мы постарались показать музыкой». Найденные в геноме основные группы генов человека Мунатака попытался переложить на ноты. И в результате, как он утверждает, получились многометровые партитуры. Они, по мнению автора, позволяют еще до рождения ребенка на стадии эмбриона определить его предрасположенность к тем или иным серьезным заболеваниям и даже предсказывать его умственные способности. Пока все это кажется фантастикой или шуткой. Но кто знает, может быть, и композиторы внесут свой вклад в разгадки тайн человеческого генома.

ВСЕ ПОЗНАЕТСЯ В СРАВНЕНИИ (сравнительная геномика).

Между двумя представителями рода человеческого сходства меньше, чем между двумя различными животными. Мишель де Монтень То, что ново в себе, будет понято только по аналогии со старым. Ф. Бэкон

Как уже говорилось, сравнительный метод служит традиционным подходом в старых классических областях биологии (анатомия, эмбриология, цитология). Так, еще Дарвин свою точку зрения о происхождении человека обосновывал с помощью сравнительно-эволюционного метода, указывающего на многочисленное сходство в анатомии и физиологии человека и обезьян.

В последнее время сравнительный подход стал широко и весьма эффективно использоваться в молекулярной биологии и генетике. Мощный толчок этому был дан крупномасштабным секвенированием геномов. Появилось даже новое направление в геномике — сравнительная геномика — сопоставление отдельных генов, групп генов и целых локусов далеко эволюционно отстоящих организмов. Это принципиально важное направление исследований позволяет по-новому решать ряд ключевых вопросов. Рассмотрим некоторые из них.

В настоящее время человечество кроме своей собственной Энциклопедии располагает подобными Энциклопедиями некоторых простейших организмов: кишечной палочки, мухи дрозофилы, дрожжей и червя Caenoharbditis elegans, а также мыши — и отдельными главами из Энциклопедий некоторых других высокоорганизованных организмов (обезьяны, крысы). Сегодня параллельно с секвенированием генома человека идет расшифровка еще около 1000 геномов других животных и растений. ДНКовый текст во всех этих Энциклопедиях написан одними и теми же четырьмя буквами, число которых у бактерий составляет миллионы, у птиц — сотни миллионов и миллиарды у млекопитающих и человека. Поскольку все тексты написаны одинаково, их удается сравнивать между собой. При этом выяснилось, что, несмотря на огромные различия в размерах геномов, число генов (наиболее значимых предложений в текстах) у разных видов организмов не сильно отличается. В этой связи стали говорить даже о неком парадоксе, который получил специальное название G-парадокса (первая буква англ. слова gene — ген). Сейчас этот парадокс объясняют тем, что главное для организма все-таки не общее число генов, а то, как они устроены и как регулируются, какова сложность взаимодействия между продуктами разных генов. «У нас одинаковые гены с кошками и собаками, но они по-разному регулируются», — заявил по этому поводу Крег Вентер, один из главных героев секвенирования человеческого генома. Скорее всего, именно устройство и регуляция работы генов уникальны для человека, делая его «венцом природы». Короче говоря, если ген — это короткое предложение, то из сочетания одних и тех же слов и предложений можно написать как умнейший трактат, так и примитивные детские стишки. Кроме того, важно, как они будут читаться и звучать.

Какими бы уникальными мы не казались сами себе, в нашей ДНК есть довольно много сходства не только с обезьянами и мышами, но даже с маленьким червем C. elegans и мухой дрозофилой. Можно удивляться, но у нас около 50 % генов сходны с таковыми у червя. У человека и мыши еще больше одинаковых генов, хотя в эволюции человек и мышь разошлись уже около 100 миллионов лет назад. В геноме человека на сегодняшний день обнаружено лишь около 300 генов, которых нет у мыши, а общее их число примерно одинаковое. Таким образом, около 99 % генов человека соответствуют генам мыши, причем примерно 80 % из них почти полностью идентичны. Кроме того, до 90 % генов, ответственных за возникновение различных заболеваний, у человека и мыши сходны. Есть, разумеется, и небольшие различия. Так, у мыши гораздо больше генов, отвечающих за обоняние.

Что же касается наших ближайших родственников, то здесь различия еще меньше. Согласно последним данным, в целом геном человека отличается от генома шимпанзе всего лишь максимум на 5 %! Удивительно, но некоторые группы генов (например, гены, ответственные за формирование тела организма) у человека сродни аналогичным группам у биологических видов, возникших еще пятьсот — шестьсот миллионов лет тому назад, во времена так называемого Кембрийского биологического взрыва. Сейчас с нетерпением ожидается тот момент, когда будет полностью секвенирован геном шимпанзе. После этого в сравнительно геномике должен начаться новый очень важный этап. В результате такого сравнения могут быть обнаружены функционально важные мутации, специфические для человека как вида, что в свою очередь откроет новые пути для медицины. Безусловно, эти данные будут также способствовать более полному пониманию процесса эволюции человека.

Сравнения последовательностей ДНК человека с ДНК других организмов уже оказалось очень плодотворным методом поиска новых функционально важных последовательностей в геноме человека. Такой подход был использован и продолжает использоваться для выявления у человека новых белок-кодирующих и не кодирующих белок генов, а также для идентификации потенциальных регуляторных элементов и выяснения механизмов функционировании разных генных наборов. Для этой цели сейчас уже созданы специальные компьютерные программы, позволяющие «вылавливать» в разных геномах эволюционно консервативные области. Все это принципиально важно, поскольку, как уже подчеркивалось выше, мы не можем ставить генетические эксперименты на человеке, но, благодаря сравнительному методу, имеем возможность интерполировать на человека результаты, которые получаются при молекулярно-генетических исследованиях, проводимых на животных.

Так, в силу подобия геномов даже муха дрозофила может быть использована для более полного понимания функций тех или иных человеческих генов, в частности, ответственных за некоторые заболеваний человека. Примером тому может служить изучение гена dFMR–1 мухи, который имеет гомологию с соответствующим геном человека, определяющим синдром ломкости X-хромосомы — тяжелое наследственное нейродегенеративное заболевание. Это исследование позволило заключить, что причина синдрома скорее всего связана с нарушением механизма РНК-интерференции, о котором мы уже говорили выше. И это серьезная «подсказка» для ученых, решающих проблему синдрома ломкости X-хромосомы у людей.

Важно отметить, что когда мы изучаем геном человека, то фактически мы познаем весь живой мир. Геном человека устроен необычайно сложно. Геномы животных и растений чаще всего значительно проще. Поэтому, когда мы узнаем устройство сложного генома, нам будет очень легко от него перейти к изучению простого. А это сулит революцию в таких областях, как ветеринария, селекция растений и животных.

Сравнительная геномика дала ученым новый подход к пониманию вроде бы навсегда скрытого во мраке веков процесса эволюции и его механизмов. Так, например, проведенные сравнения геномов разных видов животных и человека показали наличие определенных тенденций в эволюции. Одна из них заключается в увеличении количества интронов в процессе эволюционного развития у человека, то есть эволюция как бы сопряжена с «разбиением» генома на отдельные функционально значимые фрагменты: на единицу длины ДНК приходится все меньше информации о структуре белков и РНК (экзоны) и возникает все больше участков, не имеющих пока ясного функционального значения (интроны). Проведенные исследования позволяют считают, что природа совершенствовала млекопитающих не столько посредством умножения разнообразия их генов, сколько путем постепенного копирования, модификации и комбинации уже существующих генов, а также путем изменения регуляции экспрессии генов. Специфика и разнообразие строения и функционирования генетического аппарата велики даже среди эукариот. В то же время существует множество общих принципов и механизмов, и результаты их изучения на одних объектах часто с успехом могут переноситься на другие, включая и человека.

Весьма интересные результаты были получены, в частности, при сравнении распределения по хромосомам сходных последовательностей ДНК человека и других животных. Приведем лишь один пример. Как уже указывалось, между геномами человека и мыши имеется большое сходство. На рис. 37 на цветной вклейке изображено расположение в разных хромосомах мыши сходных сегментов отдельных хромосом человека. Глядя на этот рисунок, мы можем увидеть, что участки одних и тех же хромосом человека распределены во множестве хромосом мыши. Это справедливо и наоборот. А что это значит? Это говорит нам о тех путях, по которым шла эволюция млекопитающих (ведь мышь и человек млекопитающие). Тщательно проанализировав картину, изображенную на рис. 37, ученые установили, что на границах разных участков ДНК мыши, которые обнаруживаются в составе ДНК человека, содержатся различные подвижные генетические элементы, тандемные повторы и другие «горячие точки», по которым, вероятно, и шла перестройка (рекомбинация) в ходе многовекового процесса эволюции животных организмов.

^{Рис. 37. Генетическое сходство (гомология) хромосом человека и мыши. Разными цветами и номерами на хромосомах мыши отмечены нуклеотидные последовательности человеческих хромосом, содержащие сходный сегмент.}

Сравнительная геномика показала, что гены, одинаковые по эволюционному происхождению и выполняемой функции (гомологичные), часто оказываются сцепленными с одними и теми же гомологичными генами у разных видов. На основании этого предсказывают вероятный район локализации генов у одних видов, если известно, с какими генами они сцеплены у других, т. е. проводят «сравнительное картирование». Все это важно в связи с тем, что правила чисел и относительное положение генов на хромосоме не всегда предопределяют законы их функционирования. Так, белковый состав многих специализированных клеток мыши, крысы и человека выглядит похожим, хотя сами гены разбросаны на хромосомах по-разному.

Итак, сравнительная геномика позволяет нам судить о механизмах и путях эволюции геномов и даже на новом уровне воссоздавать классификацию всего животного мира. Все это и есть предмет еще одного нового направления — эволюционной геномики. Ее венцом должно стать создание определенной четкой системы живых организмов, в некотором смысле подобной таблице Менделеева.

Благодаря использованию методов и подходов сравнительной и эволюционной геномики уже получены сенсационные результаты, касающиеся такого сложного и интересного вопроса, как происхождение человека и эволюция его генома. Подробнее об этом и пойдет речь в следующей части книги.