Дозвольте представитися: ваша ДНК

Наука і життя // Ілюстрації

Учасники зустрічі в медіа-клубу «Високі технології».

Заміна однієї-єдиної «букви ДНК» найчастіше не впливає на роботу гена, але відомий ряд генетичних захворювань, при яких від такої заміни виникає серйозне порушення біохімічних процесів в організмі.

Багато фірм вже сьогодні пропонують послуги з часткового розшифровці генома.

Наука і життя // Ілюстрації

Наука і життя // Ілюстрації

Наука і життя // Ілюстрації

Наука і життя // Ілюстрації

Етанол і ацетальдегід (токсичний проміжний продукт) в організмі руйнуються ферментами. У представників різних етносів вони працюють з різною швидкістю.

<

>

Як складається доля людини, від чого залежить його майбутнє? Одні, спираючись на приказку «що посієш, те й пожнеш», вважають, що майбутнє - це плоди систематичного особистої праці. Інші, сподіваючись на божий промисел, вважають, що все визначено і як-небудь та складеться. Є й ті, хто не проти, щоб майбутнє їм передбачили. Але якщо вже передбачати - то, зрозуміло, по-науковому. Нова область біомедицини - індивідуальне генотипування - дозволяє з деякою часткою ймовірності на цілком науковій основі «поворожити» про те, до яких хвороб ви схильні, годитеся ви в спортсмени або банкіри, а також дізнатися, з яких місць були родом ваші предки, і навіть виявити злочинця або легковажного батька. Але ідеальних методів не буває. Який ступінь достовірності результатів? Чи можна самому, без допомоги медичного генетика і лікуючого лікаря, розібратися в результатах аналізу? Доступний він за своєю вартістю? Чи справді «збудеться» генетичне «ворожіння», якщо обіцяє в майбутньому хвороби і печалі? Чи варто недовірливій людині спокушати долю і проходити генетичне тестування, а потім переживати? Чи є випадки, в яких тестування необхідно? Ці питання стали предметом дискусії «Геном і індивідуальне генотипування», відбулася 1 березня 2012 року в редакції журналу «Наука і життя» в рамках медіа-клубу «Високі технології».

Оцінити обсяги інформації

Ми стрімко і разом з тим непомітно - завдяки комп'ютерним технологіям - звикли до величезних обсягів інформації. Спочатку жартували, що в одному мегабайті міститься 1024 кілобайт інформації, а не 1000, потім і не помітили, як терабайтниє накопичувачі стали повсякденними атрибутами нашого життя. Ще вісім років тому вважалося, що розшифрувати повний геном хоча б одну людину - важке завдання, для вирішення якої все молекулярні біологи світу на кілька років повинні об'єднати свої зусилля, а держави - витратити на цей проект мільярди доларів. Сьогодні створені прилади - секвенатори, здатні впоратися з цим завданням за чотири дні. Вартість такого аналізу приблизно 5000 доларів, причому вона стрімко знижується і, за прогнозами фахівців, вже до кінця цього року складе 1000 доларів.

Коли стартував масштабний міжнародний проект по розшифровці генома людини - а це було більше 20 років тому, - ніхто і уявити собі не міг, яка кількість інформації належить проаналізувати і осмислити (хоча для аналізу було обрано ДНК невеликого числа анонімних донорів і був «реконструйований» якийсь комбінований геном). До 2003 року проект в основному завершився, а в 2006 році в журналі «Nature» була опублікована послідовність ДНК «останньої хромосоми». Спочатку передбачалося, що в геномі людини близько 200 тисяч генів, але, як з'ясувалося завдяки даним проектом, їх всього лише 20-25 тисяч (1,5% від всієї ДНК клітини). Однак і це немало: роботи по інтерпретації отриманих даних знаходяться в самій початковій стадії.

«Проект" Геном людини "дозволив відповісти на багато питань, але і породив нові, пов'язані з тим, як використовувати отриману інформацію. Кожна людина генетично неповторний, унікальний, - вважає кандидат медичних наук Наталія Жученко, доцент кафедри медичної генетики Першого московського державного медичного університету ім. І. М. Сеченова. - Крім того, всі придбані людиною властивості, в тому числі і здоров'я, на 70% залежать від зовнішнього середовища і лише на 30% - від генотипу. Спадкові хвороби становлять 1,5% від усіх захворювань ».

Геном - Епігеном - варіом - ...?

Щоб зрозуміти, в чому ключові індивідуальні відмінності ДНК, і проаналізувати варіабельність (мінливість) генома, потрібні були додаткові дослідження. Зокрема, в 1999 році було розпочато безстроковий проект «Епігеном людини», в якому вивчають роль метилування ДНК в роботі генів. Процес метилювання ДНК відбувається в організмі постійно, кількість метилірованої ДНК з віком і під впливом факторів зовнішнього середовища зростає, а це в свою чергу істотно позначається на активності генів.

У 2002 році в рамках проекту HapMap (від англ. Haploid - гаплоїдії і map - карта) генетики почали вивчати подібність і відмінності між людьми, порівнюючи поодинокі заміни «літер» ДНК (нуклеотидів) у їх геномах. Заміна однієї-єдиної «букви» ДНК найчастіше не впливає на роботу гена, але відомий ряд генетичних захворювань, при яких від такої заміни виникають серйозні порушення біохімічних процесів в організмі.

І нарешті, зовсім недавно, в 2011 році, стартував проект «Варіом людини», який ставить завданням вивчення генетичної різноманітності людей. До 2015 року планується зібрати велику базу даних (і забезпечити обмін ними) про мінливість генів для 1 млн випадків генетичних захворювань. Особливі надії учасники проекту покладають на те, що в процесі його реалізації виникне розуміння природи так званих мультифакторних захворювань (МФЗ). Особливість таких захворювань в тому, що їх клінічні симптоми проявляються лише при спільній дії генетичних факторів і умов зовнішнього середовища. Мультифакторні захворювання контролюються цілою групою генів, тому іноді їх називають полігенними. Серед них - діабет, рак, атеросклероз, ішемічна хвороба серця, бронхіальна астма, остеопороз і інші поширені хвороби, в лікуванні та профілактиці яких ми поки не досягли бажаних успіхів. Прояви цих хвороб, крім усього іншого, залежать від віку і статі людини.

Очевидно, до повного розуміння того, як генетичні ознаки (генотип) реалізуються в зовнішніх ознаках (фенотип), нам все ще далеко, але деякі безсумнівні успіхи завдяки дослідженням генома вже досягнуті.

Геноміка - підмога в діагностиці та лікуванні

Використання даних генетичного тестування - основна стратегія сучасної медицини, і вже йде активний процес впровадження цих новітніх досягнень в клінічну практику. «На базі клініки Першого московського державного медичного університету ім. І. М. Сеченова ми виконали більше 1000 таких досліджень для пацієнтів з різною патологією, - каже Наталя Жученко і тут же уточнює: - Але таке тестування може рекомендувати тільки лікуючий лікар. Інтерпретація результатів тестування повинна здійснюватися в тісному контакті з медичним генетиком. Адже основне завдання - не налякати пацієнта, а зберегти запас його здоров'я! »

За визначенням академіка РАМН В.С. Баранова, «гени схильності - це мутантні гени (або алелі - різні форми одного гена), які сумісні з народженням і життям, але при певних несприятливих умовах сприяють розвитку того чи іншого захворювання».

Генетичне тестування з метою виявлення спадкової схильності до мультифакторна захворювань, рання профілактика яких особливо важлива, в Росії тільки починається. У Західній Європі та Америці список таких захворювань включає 75 нозологічних форм, в Росії їх поки 25, але наші вчені активно працюють в даному напрямку.

Ряд захворювань «ходять рука об руку»: це так звані сінтропіі - невипадкове поєднання у індивідуума двох хвороб і більш. У 2006 році був ідентифікований 21 ген «серцево-судинного континууму», до якого відносять гіпертонію, коронарну хворобу, дислипидемию, інсульт, ожиріння, метаболічний синдром і цукровий діабет 2-го типу. Сучасні технології дозволяють провести генетичне тестування для виявлення схильності до цих патологій.

Принципи діагностики захворювань з використанням досягнень геноміки Наталія Жученко проілюструвала на прикладі остеопорозу - захворювання, яке часто виявляється вже на пізніх його стадіях, драматичних частими переломами кісток. Іноді лікар здатний помітити хвороба на більш ранньому етапі і призначити клінічне обстеження, за допомогою якого можна визначити щільність кісткової тканини і виміряти рівень кальцію і фосфору в сечі і крові. Генетичне тестування допомагає прийняти превентивні заходи. Є надійні маркери захворювання - гени VDR3 (рецептор вітаміну D), COL1A1 (колаген 1-го типу), CALCR (кальцитонін), ESR1 (естрогеновий рецептор), BGLAP (ген остеокальцину).

Дефіцит вітаміну В9 - фолієвої кислоти - призводить до ряду серйозних проблем зі здоров'ям, у тому числі до вроджених дефектів (дефект нервової трубки - ДНТ; незарощення губи - хейлосхізіс; ущелина неба - палатосхізіс). Цей взаємозв'язок була виявлена ​​ще в 50-і роки минулого століття. Недавні дослідження показали, що, якщо жінка приймає препарати фолієвої кислоти до зачаття і протягом першого триместру вагітності, це допомагає запобігти 50-70% випадків виникнення таких дефектів.

З дефіцитом фолієвої кислоти пов'язаний і ризик виникнення ішемічної хвороби серця. Препарати фолієвої кислоти допомагають знизити рівень гомоцистеїну в крові (підвищений вміст цієї амінокислоти в крові призводить до пошкодження внутрішньої стінки коронарних артерій, роблячи більш ймовірними процеси утворення холестеринових бляшок і тромбів.) Крім того, рівень гомоцистеїну, як правило, буває підвищено і у людей з нирковою недостатністю.

Але якщо розглядати проблему на молекулярному рівні, то нестача фолієвої кислоти впливає на процес метилування ДНК. Крім того, у людей, погано засвоюють фолієву кислоту, може бути порушена робота одного з ферментів «фолатного циклу» - метілентетрагідрофолатредуктази (MTHFR). У людській популяції є багато «варіантів» (алелей) гена MTHFR. Від того, які з «варіантів» дісталися від батьків у спадок, залежить ефективність засвоєння фолієвої кислоти організмом. Заміна всього лише однієї «букви» ДНК в гені MTHFR може серйозно порушити цей процес.

В цьому випадку генетичне тестування допоможе виявити першопричину порушення засвоєння фолієвої кислоти і усунути можливі наслідки, скорегувати дієту, вчасно призначити необхідні препарати.

генетична дієта

Ще один приклад практичної користі генетичного тестування - з його допомогою можна підібрати оптимальну дієту. Розвивається новий напрямок дієтології, що отримало назву «нутритивная геномика». В даний час досить добре вивчено, як хімічні компоненти їжі (прямо чи опосередковано) впливають на геном людини, змінюючи роботу генів. Іншими словами, при певному генотипі дієта може виявитися важливим фактором ризику виникнення деяких захворювань. Існує цілий ряд генетичних маркерів, наприклад генів, що регулюють метаболізм жирів (APOE, APOCIII, PON1, NOS3); що відповідають за засвоєння кальцію і інших мінеральних компонентів харчування (VDR, CALCR); контролюючих кров'яний тиск (ACE, AGT, AGTR1, AGTR2,
BDKRB2) і безліч інших, які лікар може враховувати при складанні індивідуальної «генетичної» дієти.

В процесі еволюції у людей виробилися певні біохімічні особливості, пов'язані з традиційно вживається їжею. Травні ферменти і інші білки, що беруть участь в засвоєнні їжі, дуже різноманітні, вони мають широкий спадковим поліморфізмом. Знаючи генетичні особливості конкретної людини, можна прогнозувати правильний раціон харчування. Особливо актуально таке тестування для захворювань, які стали зустрічатися в нашому житті все частіше і досить важкі в діагностиці. Мова йде про целіакії - непереносимості білків пшениці (глютенів) і про лактазной недостатності - нездатності засвоювати молочний цукор, лактозу, яка міститься в молочних продуктах. Обидва цих захворювання призводять до серйозних порушень процесу травлення і впливають на засвоєння інших поживних речовин.

Крім того, важливий внесок в правильне засвоєння їжі вносять і мікроорганізми-симбіонти, що мешкають в кишечнику. Генетичне тестування допоможе встановити, чи правильно вони працюють, і в разі необхідності дати рекомендації, як скорегувати проблему. Іноді ми можемо і не здогадуватися, що причина почуття втоми і м'язової слабкості не захворювання, а «неправильні» мікроорганізми.

Який генотип - такі і ліки

На різних людей ліки діють по-різному. Один і той же препарат може бути дуже ефективним, малоефективним, а в деяких випадках навіть надавати негативний ефект. Це залежить не тільки від віку пацієнта, раціону харчування, прийому інших медикаментів, супутніх захворювань, але і від генетично обумовлених біохімічних особливостей даної людини, що впливають на метаболизацию лікарського препарату в організмі.

Фармакогенетика (розділ генетики, який вивчає відмінності у відповіді організму людини на прийом лікарських препаратів) виникла понад півстоліття тому, але лише недавно завдяки геномних досліджень отримала надійний метод передбачення можливих побічних ефектів дії ліків. У 2007 році Всесвітня організація охорони здоров'я сертифікувала і офіційно схвалила перший і поки єдиний предіктивне (попереджуючий) генетичний тест на антикоагулянтний (що перешкоджає утворенню тромбів) препарат варфарин. Це один з найбільш ефективних і в той же час небезпечних препаратів, побічна дія якого може стати причиною серйозних порушень в організмі.

Генетики вважають, що ефективність дії ліків визначається не одним геном, а цілої асоціацією певних форм генів. Якщо генетичне тестування, проведене перед тим, як призначати препарат, пророкує слабкий або навіть негативну відповідь організму на його дію, то лікар може підібрати інший, більш доречний в даній ситуації. У світі проводиться безліч досліджень, спрямованих на вивчення впливу генетичного поліморфізму на ефективність дії ліків. Такі відомості є і про інші препарати крім варфарину. Досить переконливими, наприклад, виглядають генетичні прогнози, які слід брати до уваги при призначенні метопрололу - препарату, який володіє гіпотензивною і антиаритмічну дію.

Фармакогенетика активно розвивається, і, очевидно, в недалекому майбутньому до призначення нових ефективних сильнодіючих препаратів можна буде підходити більш виважено, з урахуванням індивідуальних генетичних особливостей пацієнта.

Гени і спорт

«Раніше вважали, що долю людини визначають зірки. Тепер ми знаємо, що вона записана в генах », - процитував Джеймса Дьюї Уотсона, одного з першовідкривачів структури ДНК, Олег Глотов, кандидат біологічних наук, провідний науковий співробітник НІІАГ ім. Д. О. Отта СЗО РАМН (Санкт-Петербург), науковий співробітник Санкт-Петербурзького державного університету.

Разом з братом-близнюком Андрієм Олег ще зі шкільної лави цікавився генетикою людини. Вступивши до університету, брати стали активно займатися спортом і досягли певних успіхів. Так гармонійно склалося, що областю їх наукових інтересів стала спортивна генетика. З 2002 року вони проводять дослідження, спрямовані на вивчення фізичних здібностей людини і генетичної схильності до різних видів спорту. Самопізнання є частиною цих досліджень. Олег Глотов досить успішно займався гирьовим спортом, але, протестувавши себе за допомогою генетичних маркерів, зрозумів, що йому більше підходить легка атлетика: виявив в собі задатки стайєра.

Які наукові основи схильності до різних видів спорту? Важливою віхою в розвитку спортивної генетики вважається робота англійського біолога Х'юм Монтгомері, який приблизно 15 років тому провів перші дослідження по генетичного тестування спортсменів. Монтгомері досліджував ДНК альпіністів, скоряли семи- і восьмитисячної вершини без кисневих масок, найбільш витривалих солдатів британської армії і звичайних, середньостатистичних англійців, які не страждають на серцево-судинними захворюваннями. У 1989 році, грунтуючись на результатах своїх досліджень, Монтгомері опублікував в науковому журналі «Nature» статтю, в якій повідомляв, що ген ACE - ангіотензинперетворюючого ферменту - відповідає за витривалість спортсменів. Фермент з такою складною назвою бере участь в регуляції просвіту кровоносних судин, що в кінцевому результаті впливає на артеріальний тиск і позначається на ефективності кровопостачання скелетних м'язів.

Активність ангіотензинперетворюючого ферменту (АСЕ) в тканинах організму визначається «варіантами» (поліморфізмом) гена цього ферменту, які позначають як I (від англ. Insertion - вставка) і D (від англ. Deletion - втрата). Так ось виявилося, що найбільш витривалий генотип I / I. Саме такий генотип, як показують дослідження братів Глотова, «має» до кращих здобутків серед велогонщиків і бігунів на довгі дистанції. Генотип D / D оптимальний для спринтерів, борців, важкоатлетів.

Спортивні якості лише на 25-30% визначаються умовами зовнішнього середовища. Основний внесок вносить генетика.

В даний час ідентифіковано більше 200 генів, асоційованих зі спадковими фізичними здібностями людини. Серед них 27 генів «витривалості», 14 генів «м'язової сили, швидкості реакції і координованої відповіді», 10 генів «підвищеної працездатності» та 13-свідоцтво про наявність протипоказань до занять спортом. Генетичне тестування дозволяє провести попередній відбір дітей з вираженими спадковими спортивними здібностями. Крім того, грунтуючись на результатах тестування, можна складати індивідуальні тренувальні програми професійних спортсменів. І ще один важливий момент: тестування дозволяє виявити людей зі спадковими протипоказаннями до занять спортом і запобігти небажаним для здоров'я наслідки.

Олег і Андрій Глотова беруть активну участь в розробці «генетичного паспорта спортсмена». «У нашому розпорядженні є більше 30 генетичних маркерів, які дозволяють оцінити генетичні задатки і дати конкретні практичні рекомендації», - каже Олег.

На даний момент генетичні паспорти отримали відомі російські спортсмени Андрій Аршавін, Микола Валуєв, Ніна Абросово, Юлія Березнікова. Навесні 2011 року при Всеросійської федерації тенісу був сформований Координаційна генетичний рада, до складу якого увійшли п'ять провідних генетичних центрів країни.

Геномні технології для історії, криміналістики і життя в Росії

Геномні технології мають велике значення для проведення різних експертиз. Так, в 2008 році був прийнятий Федеральний закон Російської Федерації «Про державну реєстрацію генома в Російській Федерації», згідно з яким почалося створення федеральної бази даних геномної інформації в рамках МВС РФ. Дослідницька група біологів з дев'яти провідних науково-дослідних центрів під керівництвом директора Інституту загальної генетики ім. М. І. Вавилова, члена-кореспондента РАН Миколи Янковського обстежила 17 популяцій загальною чисельністю 1156 осіб з різних регіонів Росії - європейської частини, Північного Кавказу, Волго-Уральського регіону, Сибіру. Серед них - представники різних мовних груп і антропологічних типів, в тому числі комі, марійців, Хакасія, башкирів, татар, чувашів, даргинцев, аварцев, лезгини, українців, білорусів, а також міське російське населення Москви, Бєлгорода, Орла, Оренбурга, Ярославля і Томська.

Аналіз ДНК в медико-криміналістичної експертизи проводять в два етапи. Спочатку аналізують ДНК із зразків, а потім порівнюють її з ДНК підозрюваних або родичів. Якщо генотипи не співпали, значить, досліджувані зразки не належать передбачуваному людині (з певною ймовірністю). Якщо ж генотипи збіглися, то потрібно врахувати ймовірність їх випадкового збігу. Для цього зіставляють дані генетичного аналізу з генетичними маркерами так званих референтних груп людей, які використовують в якості стандарту. А відомості про референтних групах беруть із спеціалізованих баз даних.

Поки в нашій країні в якості стандарту використовують генетичну базу даних США. Але дослідження вчених Інституту загальної генетики ім. Н. І. Вавилова РАН виявило значні відмінності російських популяцій населення від американських. Як розповіла провідний науковий співробітник лабораторії аналізу генома Інституту загальної генетики ім. Н. І. Вавилова РАН Світлана Боринская, робота зі створення федеральної бази геномної інформації допомогла встановити особу злочинця, який вчинив терористичний акт в аеропорту Домодєдово в січні 2011 року. «Нам надіслали на експертизу ДНК терориста, ми порівняли зі своєю базою даних. Результати генетичного аналізу вказували на певний село на Кавказі », - пояснила вона.

Методи ДНК-аналізу використовували і при ідентифікації останків членів царської сім'ї Романових. Дані роботи, виконані під керівництвом доктора біологічних наук Е. І. Рогаєва, завідувача лабораторією молекулярної генетики мозку Наукового центру психічного здоров'я РАМН, в 2009 році були опубліковані в наукових журналах «PNAS», «Science», «Acta Naturae».

Мережі з ДНК

Окресливши коло питань, на які сьогодні в змозі відповісти геномика, і позначивши підводну частину айсберга, що спонукує деяких генетиків в розпачі вигукувати: «Генетична інформація в хромосомі живе якийсь своїм бурхливим життям, яку нам належить ще усвідомити!», Звернемо погляди до тих , хто, заглядаючи в майбутнє, готує грунт для систематизації накопичених даних.

Недавній випускник МФТІ Сергій Мусієнко, пройшовши інтенсивний курс навчання в Singularity University - освітньому центрі, заснованому в самому центрі Кремнієвої долини, в Каліфорнії, на базі NASA, - в 2011 році організував стартап зі створення соціальних мереж на основі результатів генотипування, який назвав «Primerlife ». Нещодавно проекту був офіційно присвоєно статус резидента IT-кластеру Сколково.

Мета проекту - об'єднати людей за принципом подібності результатів аналізу ДНК.

На основі аналізу геному, вважає Сергій Мусієнко, люди цілком могли б об'єднатися в групи за інтересами. «Якщо вірити зростаючої кількості наукових повідомлень про те, що молекулярні біологи виявляють гени схильності до різних захворювань, спортивним досягненням і навіть виявили" ген здатності до біржових спекуляцій ", то, - каже лідер проекту, - люди захочуть об'єднатися в соціальні групи, їм це властиво ».

Сергій Мусієнко розуміє і етичні сторони, які слід враховувати при створенні такого проекту. Як негативної ілюстрації він навів сюжет фільму «Гаттака»: «Здав кров на аналіз - і потім все життя працюй прибиральником. Цього бути не повинно. У США, наприклад, вже траплялися прецеденти, і уряд прийняв акт "Про заборону дискримінації за результатами генетичного аналізу" ».

На даний момент фінансування проекту ще не почалося, розробники поки використовують особисті заощадження, але просунулися вони вже значно - розпочато закритий етап бета-тестування. Перша версія продукту вийде англійською мовою.

На зустрічі цей проект активно обговорювали дослідники, журналісти, представники бізнес-спільноти. Зокрема, всіх зацікавило питання про те, чи не призведе створення таких генетичних сервісів до зворотного результату - десоциализации населення в цілому. Думки розділіліся. Очевидно, в даному випадку тільки практика може стати критерієм істини. Ми ж з нетерпінням будемо спостерігати за бурхливим розвитком нової галузі біомедицини.

***
В організмі людини приблизно 75 трильйонів клітин. Всі молекули ДНК однієї клітини містять близько 3,3 мільярда пар нуклеотидів. Якщо побудувати ланцюжок з цих молекул, вийде нитка довжиною 2 метри. Загальна довжина всіх молекул ДНК в організмі людини становить приблизно 1011 кілометрів!

***
Відомо, що гострий, а тим більше хронічний стрес підвищує ризик розвитку серцево-судинних, онкологічних та деяких психічних захворювань. Не так давно було виявлено, що у людей з певним генотипом (вчені назвали його генотипом IL6 GG-174) в умовах стресу значно підвищується ризик виникнення серцево-судинних і онкологічних захворювань, а також хвороби Альцгеймера. Без стресу цей генотип не проявляється. Крім того, генетично зумовлений тип реакції на психологічний стрес збільшує до 30% небезпека розвитку гіпертонії.

***

Відеоматеріали до статті - на порталі журналу «Наука і життя» в разделеВідео » www.nkj.ru/video/

***
Заходи медіа-клубу «Високі технології» підтримує фонд «Сколково».

Інформаційний партнер - телеканал «Просвещение».