Монолог о генетике
Охотник за генами
Марина Муравьёва
Под руководством известного российского генетика, профессора факультета биоинженерии и биоинформатики МГУ, руководителя трёх лабораторий – в Научном центре психического здоровья РАМН, Институте общей генетики им. Н.И.Вавилова РАН и в Массачусетском технологическом институте, доктора биологических наук Евгения Ивановича Рогаева впервые в мире были найдены гены, ответственные за развитие болезни Альцгеймера, обнаружен ген облысения, идентифицированы останки семьи Николая II, секвенирован геном мамонта (не весь, а только митохондриальный – ВМ)… Об этих и других работах учёный рассказывает на страницах STRF.ru.
Для генетики сейчас наступило интересное время. «Ещё несколько лет назад я подумывал сменить сферу исследований и заняться, например, клеточной биологией, — признался Евгений Рогаев на публичной лекции в МГУ им. Ломоносова („Геномика в решении задач медицины, эволюции истории“). — Но с развитием принципиально новых методов геномного секвенирования и генетического анализа стало ясно: для генетики открылись новые перспективы. В дальнейшем, возможно, не нужно будет проводить генетическое картирование генов, вполне эффективным окажется прямое секвенирование генома человека, чтобы определить его генетический статус».
Для таких перспектив есть все основания, вопрос в удешевлении технологий. Секвенирование первого человеческого генома стоило три миллиарда долларов, генома мыши — 300 миллионов, а коровы — 30 миллионов. Сейчас геном человека можно секвенировать за 30—40 тысяч долларов. И стоимость эта будет постепенно снижаться.
В первую очередь учёных интересуют вариации — чем отличаются геномы разных людей, какие мутации, полиморфизмы вызывают болезни. Существует более 10 миллионов различных видов полиморфизмов. От 12 до 20 процентов генома популяции человека могут затрагиваться такими видами изменений. Особенно перспективно их изучение в области криминалистики и судебной медицины.
О мамонтах и древней ДНК
Разнообразие животных, у которых секвенируется геном, достаточно велико. Существуют некоторые национальные проекты. Секвенируются геномы винограда, кенгуру и т. д. Хотя постоянно заявляется об успешном секвенировании того или иного генома, как отмечает профессор Рогаев, на сегодняшний день имеется полная информация только о шести геномах. Остальные являются не полностью проверенными, сконструированными.
В 80-90-е годы ХХ века стало ясно, что из ископаемых объектов можно извлекать ДНК. За прошедшее время было проведено много исследований ДНК, полученной из палеонтологических и исторических образцов. Так, учёным под руководством Рогаева несколько лет назад удалось секвенировать геном мамонта, жившего более 30 тысяч лет назад. В ядрах клеток оказалась столь хорошо сохранившаяся ДНК, что её можно было детектировать флуоресцентным красителем. Для столь древнего палеонтологического образца это было показано впервые.
Учёные работали с митохондриальной ДНК, которая лучше сохраняется, чем ядерная. (Митохондрии — клеточные органеллы, отвечающие за снабжение клетки энергией — имеют собственный геном — ред.)
«Число копий митохондриального генома, как правило, велико, поэтому работать проще, — пояснил Евгений Рогаев. — Скажем, мышца, с которой мы имели дело у мамонта, содержала около тысячи копий на клетку. Работа имела достаточно большой резонанс, потому что продемонстрировала, что можно выделить и определить последовательность ДНК без ошибок. Кроме того, мы определили полноразмерный митохондриальный геном мамонта (Mitochondrial Genome), а это не сто нуклеотидов и не двести, а более 16 тысяч нуклеотидов, что само по себе представляет существенный интерес».
Проведённый анализ позволил ответить на вопрос, который долгое время вызывал оживлённые дискуссии: в научной среде: к какому виду ближе мамонт — к индийским слонам или к африканским. Расчёты показали, что индийский слон и мамонт — более близкие, сестринские виды, и у них был общий предок, который отошёл от предка африканского слона.
О семье императора
Работа с древней ДНК позволила группе Рогаева провести масштабное исследование, связанное с идентификацией останков семьи Романовых, которая была расстреляна в Екатеринбурге в 1918 году. В начале 90-х годов обнаружили первое захоронение, а в 2007-м — второе. Евгению Рогаеву и его коллегам предложили идентифицировать найденные в обеих могилах фрагменты, проанализировать генетический материал предполагаемых останков Николая II, его супруги Александры Фёдоровны и пятерых детей.
«Предоставленные образцы материала на первый взгляд показались абсолютно не подходящими для анализа, — отметил Евгений Рогаев. — Кости были обожжены и, возможно, облиты серной кислотой, вдобавок имели рыхлую, губчатую структуру: худший случай для анализа ДНК. Тем не менее, мы использовали максимально сохранённые участки костных фрагментов. Небольшие количества (сотни миллиграммов) костной ткани тщательно очищали от возможных загрязнений и размалывали в порошок. Верхнюю часть костных фрагментов удаляли, что оказалось непростой задачей: удалить слишком много — потерять драгоценный материал, а мало — рисковать загрязнением. Тем не менее, мы смогли выстроить почти полные митохондриальные геномы царицы и её детей (по специально разработанной технологии)».
Митохондриальный геном Александры Фёдоровны совпал с геномом её дальних родственников по материнской линии (почти 17 тысяч нуклеотидов полностью совпали). Это свидетельствовало, что учёные на правильном пути. Аналогичная работа была проведена с останками Николая II. Чтобы удостовериться в полученном результате, необходимо было проанализировать Y-хромосому (раньше этого не было сделано). Потомки Романовых — известные люди, любезно согласились предоставить учёным образцы своей крови, кроме того, был проведён анализ крови других людей, которые также являются носителями мужской Y-хромосомы. Оказалось, что они полностью совпадают.
Учёным повезло: появилась возможность исследовать рубашку Николая II со следами его крови. В1891 году, во время кругосветного путешествия наследника престола, в Японии на него было совершено покушение. Все эти годы в Эрмитаже хранилась рубашка Николая с пятнами крови. Сотрудники музея позволили Евгению Рогаеву взять образцы ДНК, которая оказалась чрезвычайно чистой. Анализ показал, что этот образец полностью совпадает с ДНК, выделенной из костных фрагментов захоронения.
«На сегодняшний день мы имеем полное совпадение ДНК выделенных из костных останков и рубашки, — резюмировал профессор Рогаев. — Полученные данные по точности в миллионы раз превышают, например, данные отпечатков пальцев».
О царской болезни крови
Параллельно с идентификацией останков семьи Романовых учёным удалось сделать ещё одно открытие: установить точный диагноз заболевания крови потомков британской королевы Виктории, включая российского царевича Алексея.
Анализ ДНК прояснил происхождение заболевания, которое преследовало членов российской и британской семей монархов в конце XIX — начале XX века и в обиходе получило название «царской болезни крови». Несворачиваемость крови, которой страдали многие потомки английской королевы Виктории, относилась к острой форме гемофилии B.
Используя генетический материал из костей, найденных в Екатеринбурге, учёные определили мутацию Х-хромосомы, которая отвечает за выработку фактора крови IX, от которого зависит свёртываемость крови. Поскольку это заболевание связано с дефектом X-хромосомы, то передаётся по материнской линии только мужчинам. Это происходит потому, что мужчины имеют лишь одну Х-хромосому. У женщин таковых две, и если одна из них имеет мутацию, вторая практически никогда её не дублирует. Из-за этого женщины являются лишь передатчиками генетического дефекта, но сами гемофилией B не болеют.
Таким образом, было установлено, что наследник престола Алексей Романов получил болезнь от своей матери императрицы Александры Фёдоровны (урождённой Алисы Виктории Елены Луизы Беатрис Гессен-Дармштадтской), которая приходилась внучкой английской королеве Виктории.
О генах облысения
Ещё один мутантный ген, который удалось обнаружить группе Евгения Рогаева, связан с облысением. Как отметил учёный, их интересовали не столько мутации генов, ответственных за облысение, сколько процессы, лежащие за этим: «Волосяная фолликула — это интересный миниорган. Клетки волосяных фолликул в миллионы раз быстрее и активнее размножаются, чем клетки опухоли, и, кроме того, они подвержены циклическим изменениям: в течение определённого времени (от 2 до 8 лет) волосы растут, затем наступает фаза, когда активный рост замедляется, и наконец, период, когда волосы выпадают. Изучив эти циклические процессы, можно определить молекулы или факторы, которые ответственны за регенеративные процессы: клетки волосяных фолликул обладают удивительной регенерирующей способностью и, видимо, используются в организме при заживлении ран кожи».
Обнаружить ген, ответственный за рост волос, профессору Евгению Рогаеву удалось по результатам почти десятилетних исследований, начатых по инициативе директора Медико-генетического научного центра РАМН Евгения Гинтера. На отдельных территориях Волго-Уральского региона учёные выявили множество случаев наследственного гипотрихоза (заболевание, при котором волосы плохо растут или активно выпадают). Для выявления генетических причин болезни были обследованы 350 тысяч жителей и с помощью методов позиционного клонирования генов определены, мутации в каком-либо гене вызывают облысение. Повреждённым геном оказался ген фосфолипазы LIPH (lipase H), участвующий в производстве простейших липидов — органических веществ, которые отвечают за множество биологических функций в организме.
Дальнейшие исследования показали, что ген фосфолипазы экспрессируется в волосяных фолликулах и, в частности, работает в той его части, где находятся стволовые клетки (именно благодаря им волосы и растут всю жизнь). Фосфолипаза волосяных фолликул расщепляет липидные молекулы на мелкие липиды, которые влияют на деление и миграцию стволовых клеток, а тем самым и на рост волос.
Учёные попробовали получить вещество, которое можно химически синтезировать, и которое способствует росту волос. Первые испытания, проведённые на мышах, показали хороший результат. Исследования будут продолжены.
О загадочных болезнях
В генетике существуют два подхода исследования болезней, которые можно назвать моногенными и полигенными. Большая часть успехов связаны с выявлением генов моногенных болезней, которые достаточно легко выделяются. Однако большинство болезней связаны не только с генетическими факторами, но и с социальными.
Евгению Рогаеву впервые в мире удалось обнаружить гены, ответственные за развитие болезни Альцгеймера, главным признаком которой является потеря памяти и образование в мозге амилоидных бляшек. (см. статью «Когда гены сводят с ума»). За последние 20 лет были обнаружены основные гены болезни.
В отношении другого заболевания — шизофрении говорить о больших достижениях не приходится, констатировал профессор Рогаев. До сих пор эта болезнь считается самой загадочной. Роль генетических факторов составляет около 40 процентов, соответственно в развитии патологии чрезвычайно велика роль среды. Последние исследования показали, что около полутора процентов шизофреников имеют делеции в областях хромосом 1,12, 22. То есть для 99 процентов случаев шизофрении неизвестны гены, следовательно, для их выявления нужно применять новые геномные подходы.
Почему нужно знать полиморфизмы, мутации? В первую очередь для доклинических исследований, тезисно подвёл некоторые итоги Евгений Рогаев. Следующий аспект — фармакогенетика. Необходимо знать генетические особенности человека, чтобы рекомендовать для лечения тот или иной препарат. Естественно, что такие факторы как курение и кофеин влияют на усвоение лекарств. Эти факторы пока редко учитываются в медицине. Но за этим будущее. Наконец, знания о генах необходимы при разработке терапевтических средств.
Портал «Вечная молодость» http://vechnayamolodost.ru
30.12.2009