Тайный язык жизни. Диалог с ученым о генах, геномах и наследственности - Константин Северинов

идеи Сэнгера лежат в основе методов, которые позволяют определить полный геном человека за несколько суток. Основное ускорение произошло за счет использования массового параллельного секвенирования. В современных машинах-секвенаторах нового поколения (Next generation sequencers, NGS) в автоматическом режиме одновременно читаются миллиарды разных молекул ДНК. Но сама длина читаемых последовательностей остается в пределах нескольких сот букв-оснований (рис. 19).

Первый геном человека был определен в самом начале 21-го века. Международной команде из тысяч ученых потребовалось более десяти лет для достижения этого результата, а сам проект стоил несколько миллиардов долларов. Именно этот геном стал основой референса – генома, с которым сравнивают геномы других людей.

На сегодняшний день определены несколько миллионов человеческих геномов. Большинство из них хранятся в специальных базах данных, которые содержат не только последовательности ДНК, но и истории болезней, этническую информацию, даты рождения и т. д. Индивидуальные геномы можно сравнивать с референсом или друг с другом. Такие сравнения показывают, что геномы людей, не являющихся близкими родственниками, на 99,9 % идентичны друг другу. Иными словами, с точки зрения генетики, мы все очень похожи, ведь 0,1 % индивидуальных различий между геномами отдельных людей не кажется чем-то очень значительным. Однако если мы вспомним, что наш геном – это текст длиной более чем 6 миллиардов букв, то разница в 0,1 % составит несколько миллионов отличий, а это очень большая цифра.

Анализ полиморфизмов в человеческих геномах, хранящихся в базах данных, показывает, что многие из них встречаются очень часто. Например, более 60 % людей могут иметь один и тот же полиморфизм, который отличает их от референса. Происходит это потому, что референс содержит в себе последовательности/генетические варианты, которые специфичны для того человека, геном которого является основой референса. Высокая встречаемость означает, что полиморфизм нейтрален: если он и влияет на работу генов, то влияние это очень слабое, ведь маловероятно, что 40 % людей сильно отличаются по какому-то важному для здоровья признаку. Некоторые полиморфизмы, наоборот, очень редки: среди миллионов известных человеческих геномов они встречаются лишь сотни, десятки – или даже только один раз! Редкость таких полиморфизмов может быть связана с их значимым влиянием на здоровье. Если полиморфизм приводит к поломке гена и является причиной тяжелого редкого генетического заболевания, он просто обязан быть редким. Во-первых, потому что большинство людей здоровы, а во-вторых, потому что такой полиморфизм вряд ли будет передан в следующее поколение: он исчезнет вместе со своим носителем. Впрочем, сама по себе редкость необязательно свидетельствует о патогенности, и у каждого из нас есть уникальные, присущие только нам нейтральные генетические варианты.

Знание частот полиморфизмов очень важно для интерпретации геномных данных: выявления патогенных вариантов и диагностики генетических заболеваний. Однако наше знание о реальных частотах аллелей очень ограничено. Связано это прежде всего с тем, что количество людей, геномы которых известны, составляет менее 0,1 % жителей Земли. Кроме того, геномы, которые представлены в имеющихся базах, принадлежат прежде всего западным европейцам, жителям Северной Америки и Китая. Очень может быть, что кажущиеся нам сегодня редкими полиморфизмы весьма распространены, просто геномы людей с такими генетическими вариантами не попали в существующие базы.

Каков вклад генетических вариантов в людское разнообразие, в нашу индивидуальность? У однояйцевых близнецов отличия от референса практически одинаковые, ведь они возникли из одной оплодотворенной яйцеклетки. После копирования ДНК и деления этой яйцеклетки каждая из дочерних клеток дала начало отдельному эмбриону. То есть с генетической точки зрения однояйцевые близнецы являются клонами: у них одна и та же генетическая информация. Однояйцевые близнецы часто похожи настолько, что их трудно отличить друг от друга. Значит, одинаковый набор отличий от референса как минимум приводит в идентичному или очень похожему внешнему виду.

Как могут отдельные полиморфизмы влиять на внешний вид человека? Так как подавляющую часть нашего генома составляют некодирующие последовательности, изменения в них вряд ли приведут к большому эффекту. Однако полиморфизмы также обнаруживаются в генах. Изменения кодирующих последовательностей ДНК могут приводить к изменению последовательности белков без принципиального нарушения их функции. Например, полиморфизм, изменяющий аминокислоту лейцин в определенном положении какого-то белка на изолейцин, вряд ли приведет к большому эффекту, так как химические свойства этих аминокислот очень похожи. Но даже слегка различающиеся белки могут по-разному работать в клетке. Измененный фермент будет чуть медленнее или чуть быстрее катализировать химическую реакцию. В результате в организме будет образовываться измененное количество какого-нибудь вещества, например витамина D. Измененный структурный белок будет чуть слабее или чуть сильнее взаимодействовать с другими белками соединительной ткани, что изменит ее эластичность. Полиморфизмы рядом с кодирующей частью гена могут повлиять на уровень его транскрипции, а значит, на количество образованного продукта гена, не изменяя саму его последовательность. Такого рода изменения также могут приводить к изменению поведения клеток и их физиологии.

Внешний вид во многом определяется относительной скоростью роста костей, в частности костей черепа. В этом процессе участвуют продукты множества генов. У однояйцевых близнецов продукты всех генов идентичны, биохимические реакции идут с мало различающимися скоростями, и именно поэтому они очень похожи друг на друга. С течением жизни у однояйцевых близнецов накапливаются различия. Часть из них, например шрамы, очевидно, связана с внешними воздействиями. Другие отличия, например родинки, возникают за счет внутренних причин. Вспомним, что после каждого деления в дочерних клетках возникают генетические варианты, которых не было в материнской клетке. В течение жизни в ДНК клеток однояйцевых близнецов накапливаются независимые, индивидуальные мутации. Со временем эти мутации будут приводить к накоплению видимых отличий. Родинки возникают в течение жизни за счет того, что случайно возникшие мутации в ДНК клеток кожного эпителия приводят к усиленному синтезу пигмента меланина. Клетка, в которой возникла такая мутация, передаст ее своим потомкам. В результате образуется колония клеток, которую мы видим как темное пятно на коже. События, приводящие к образованию родинок у близнецов, независимы друг от друга. Поэтому родинки возникают в разных местах и в разное время.

Половые клетки – сперматозоиды у мужчин и яйцеклетки у женщин – имеют одиночный набор из 23-х хромосом. Эти клетки образуются, соответственно, в семенниках и яичниках в результате особого редукционного деления,