Проекту «Геном человека» 20 лет, но исследования наших генов все еще продолжаются. Что ищут и находят ученые среди трех миллиардов «букв», запрятанных в ДНК?
Немного истории
Все началось в марте 1953 года. Американский биолог Джеймс Дьюи Уотсон, британские нейробиолог Фрэнсис Крик и физик Морис Уотсон впервые открыли миру структуру двойной спирали ДНК и за это в 1962 году получили Нобелевскую премию по физиологии и медицине.
Долгое время считалось, что прочитать последовательность человеческой ДНК невозможно, ведь в одном лишь одинарном наборе хромосом человека (23 хромосомы) содержится 3 млрд пар оснований, или «букв-нуклеотидов». Но Джеймс Дьюи Уотсон лично взялся руководить этим безнадежным делом, и так родился небывалый по масштабам и финансированию международный проект «Геном человека», стартовавший в 1990 году. Конгресс США выделил на него $3 млрд.
Исследования 23 пары хромосом были поделены между учеными разных государств. Проект потребовал более 11 лет работы, в нем были задействованы более 1000 специалистов из 40 стран. В 2001 году были опубликованы первые результаты этой гигантской работы, к 2003 году геном человека был полностью секвенирован. Все три нобелевских лауреата, разгадавших структуру ДНК, дожили до публикации результатов проекта «Геном человека».
К 2001 году были отсеквенированы геномы не только Homo sapiens, но и 599 вирусов и вироидов, 205 существующих в природе плазмид, 185 органелл, 31 эубактерии, семи архей, одного гриба, двух животных и одного растения.
Вскоре очередь дошла до геномов модельных животных — мышей и крыс, которых чаще всего изучают в медицинских лабораториях.
Человек-легенда Джеймс Уотсон жив и сейчас, ему 92 года, и он, хотя и лишен своих почетных званий за расистские утверждения (высказывания о связи уровня интеллекта с расовым происхождением), может продолжать пожинать плоды своих трудов — каждый год его молодые коллеги публикуют все новые исследования о тайнах наших генов. Общие и универсальные данные «Генома человека» с каждым годом уточняются, конкретизируются и превращаются из масштабных в более точечные и прикладные. Ученые ищут местоположения гена в геноме, соотносят заболевания с конкретными генами, определяют генетические вариации и подбирают препараты для генной терапии.
Немного теории
Геномом называется полный набор всех генов, которые необходимы для того, чтобы сделать живое существо. Исходно этот набор генов находился в оплодотворенной яйцеклетке — зиготе, из которой развился каждый из людей. Половину генов при рождении мы получили от мамы, половину от папы. Гены — это участки ДНК, двойной спирали, которая кодирует белки. Всего в геноме человека находится порядка 20 000 — 25 000 генов. Именно столько белков нужно, чтобы построить существо под названием Homo sapiens. Если представить наши гены в виде текста, то это книга из 3 млрд букв (нуклеотидов).
Если извлечь из ядра клетки ДНК и позволить ей выпрямиться до естественного состояния двойной спирали, то получится «ниточка» длиной около 2 м. Она разбита на 46 хромосом. В теле каждого человека сотни триллионов клеток. В каждой клетке запакован такой геном, и он же помещался в самой первой и единственной клетке, из которой развился человеческий организм. Наш геном, кстати, не самый большой в природе. У некоторых растений он больше — например, у ели в семь раз, а у лиственницы самый большой среди всех известных живых организмов.
Человек от человека отличается совсем немногим — одной «буковкой» ДНК на тысячу. Первый геном, который был исследован и секвенирован, принадлежал конкретному человеку — американскому генетику Джону Крейгу Вентеру, который вложил частный капитал в исследование и сделал объектом изучения самого себя. Таким образом он на долгие годы стал неким эталоном для сравнения. В свежем исследовании 2021 года сообщается о 64 секвенированных геномах человека, представляющих 25 различных человеческих популяций со всего мира. «Благодаря новым справочным данным генетические различия могут быть изучены с беспрецедентной точностью», — говорится в новой работе, которую совместно проделали ученые из Германии и США.
Случайно разбросанные по нашему геному «опечатки», или мутации, делают нас генетически индивидуальными, отвечают за наши различия и личностные характеристики.
Ген, это ты виноват!
Новейшие исследования ученых сосредоточены на поиске одного-единственного гена-виновника или групп генов, ответственных за ту или иную болезнь, отклонение человека. Коротко расскажем о самых интересных недавних открытиях.
В ноябре 2020 года ученые впервые указали на причину загадочной смертельной болезни, которая получила название VEXAS. Это системное воспаление в организме, которое возникает у мужчин и приводит к образованию тромбов в сосудах, поражению легких, лихорадке и смерти в 40% случаях. Исследовав геномы 2500 пациентов с этой неизвестной болезнью, ученые нашли у них мутацию гена UBA1, расположенного на Х-хромосоме. Этот ген отвечает за выработку белка убиквитина. Мутация UBA1 в более ранних исследованиях была связана с одним из видов спинальной мышечной атрофии. Женщины почти не болеют VEXAS, потому что у них две Х-хромосомы.
Другая команда из США исследовала самоубийства и нашла 22 гена, влияющих на склонность к суициду. Эти же гены повышают риск развития психических заболеваний. Хотя к самоубийству человека толкает совокупность факторов, в том числе внешние обстоятельства, генетика виновата в этом примерно на 50%, считают исследователи.
Еще одно исследование, вышедшее в конце 2020 года, выявило мутацию, мешающую хорошо спать по ночам. Если вы регулярно ложитесь за полночь и поздно просыпаетесь, а перестроиться на нормальный режим не можете, даже прилагая усилия, возможно, у вас есть на то генетическая причина — мутация криптохромов, одного из четырех типов белков, регулирующих циркадные ритмы. Исследователи обнаружили, что такая мутация встречается довольно часто: у одного европейца из 75.
В связи с пандемией COVID-19 были выявлены определенные генетические различия, которые делают людей неуязвимыми перед новым вирусом и, наоборот, повышают риски развития тяжелой формы заболевания и чаще приводят к смерти. Так, было установлено, что гены, унаследованные от неандертальцев, делают человека более уязвимым перед SARS-CoV-2. Например, генная группа неандертальцев наиболее распространена среди жителей Бангладеш, и показатели смертности от коронавируса у них в два раза выше в сравнении с мировым населением в целом. Генетическое тестирование может помочь выявить как защищенные, так и наиболее уязвимые группы населения.
Российские ученые в 2020 году впервые показали, что переход мигрени в хроническую форму тоже имеет генетическую природу. Это связано с полным отсутствием у пациентов одного из вариантов гена болевого рецептора TRPV1, который вовлечен в механизм развития заболевания. Знание об этом может помочь врачам выявить группу риска, что повысит эффективность профилактики и лечения мигрени, которая встречается у каждого пятого россиянина.
Ученые давно исследуют генетику ожирения, а в 2020 году взялись за изучение гена худобы. Команда ученых из института молекулярной биотехнологии при Австрийской академии наук проанализировала генетическую базу данных эстонского биобанка, в который входят 47 102 человека в возрасте от 20 до 44 лет. Они сравнили образцы ДНК и клинические данные худых людей и людей с нормальным весом и обнаружили уникальные мутации в гене ALK. Вообще, ген ALK имеет репутацию «онкогена», потому что часто мутирует при различных типах рака. Роль этого гена вне рака оставалась неясной, но, как оказалось, он регулирует метаболизм. В опытах мыши с удаленным геном ALK оставались худыми и не полнели даже при излишнем питании, в то время как обычные мыши набирали вес.
Больше о связи ДНК и проблем со здоровьем:
Самое интересное открытие 2020 года: обнаружен ген, отвечающий за романтичность. Команда из Университета Макгилла в Квебеке изучила генетическую информацию 111 пар, проследила за их поведением и нашла особенность в гене CD38 у романтиков — определенная мутация в этом участке синтезирует больше окситоцина, так называемого «гормона объятий». Когда этого гормона много в организме, человек становится более доверчивым, нежным, сексуальным и романтичным.
Поскольку ген CD38 имеет два варианта (аллели) — А и С, а у каждого человека есть две копии гена — по одной от каждого родителя, то возможны три комбинации: AA, CC и AC. Оказалось, что люди с вариантом СС в гене CD38 проявляли больше терпения и лучше сглаживали конфликты, чем носители вариантов АА и АС. Они испытывают меньше негативных чувств, таких как беспокойство, разочарование или гнев, чем другие, и более довольны отношениями с партнером. «Генетические романтики» склонны больше времени тратить на совместные трапезы, беседы и просмотр телевизора. «Учитывая важность близких отношений для выживания человека, можно прийти к выводу, что биологические механизмы эволюционировали, чтобы помогать их инициации и сохранению», — резюмирует автор исследования.
А еще гены важны в спорте. В галерее — 10 спортсменов, которым генетика помогла добиться успеха
Проект «Геном человека» привел к совершенно беспрецедентным вещам, таким как вмешательство в судебные расследования генетиков. Так, в начале марта 2021 года 90 ученых подписали петицию с требованием помиловать австралийку Кейтлин Фолбигг, осужденную в 2003 году за убийство своих четверых детей. Вопреки следствию, которое углядело во всех смертях признаки удушения, генетики считают, что дети могли умереть от естественных причин. Геномы «матери-убийцы» и погибших малолетних из семьи Фолбигг были секвенированы. У двоих дочерей и у самой Кейтлин была найдена мутация в гене CALM2. Такая мутация — одна из наиболее известных причин внезапной смерти от сердечно-сосудистых проблем в младенчестве и детстве, как во сне, так и наяву.
У двоих сыновей Фолбигг была выявлена другая редкая мутация — в гене BSN: в исследованиях на мышах было доказано, что она может приводить к эпилептическим припадкам в раннем возрасте. Это подтверждается и медкартами детей: у Патрика была диагностирована эпилепсия, а у Калеба — ларингомаляция, порок развития гортани. Кейтлин была приговорена к 40 годам заключения, ее могут выпустить по апелляции через 25 лет. Но если аргументы ученых будут услышаны, то самая жестокая женщина-убийца в истории Австралии может быть освобождена и оправдана — благодаря достижениям генетики.
Читайте также:
Смотрите наши видео:
