Исследования о самоисцелении днк. Надежды и опасения Исследования днк человека надежды и опасения

Проект «Геном человека» является наиболее амбициозной биологической исследовательской программой за всю историю науки. Знание генома человека внесет неоценимый вклад в развитие медицины и биологии человека. Исследования человеческого генома так же необходимо человечеству, как когда-то было необходимо знание человеческой анатомии. Осознание этого пришло в 1980-х, и это привело к тому, что появился проект «Геном человека». В 1988-м с аналогичной идеей выступил выдающийся российский молекулярный биолог и биохимик, академик А. А. Баев (1904–1994). С 1989 г. и в США, и в СССР функционируют соответствующие научные программы; позднее возникла Международная организация по изучению генома человека (HUGO). Вклад России в международное сотрудничество признан в мире: 70 отечественных исследователей являются членами HUGO.

Итак, прошло 10 лет с того времени, когда проект «Геном человека» был завершен. Есть повод вспомнить, как это было...

В 1990 г. при поддержке министерства энергетики США, а также Великобритании, Франции, Японии, Китая и Германии, был запущен этот трехмиллиардный проект. Возглавил его д-р Фрэнсис Коллинз, глава . Целями проекта являлись:

идентификация 20 000–25 000 генов ДНК;
определение последовательности 3 млрд. пар химических оснований, составляющих ДНК человека, и сохранение этой информации в базе данных;
усовершенствование приборов для анализа данных;
внедрение новейших технологий в область частного использования;
исследование этических, правовых и социальных вопросов, возникающих при расшифровке генома.

В 1998 г. аналогичный проект был запущен д-ром Крейгом Вентером и его фирмой «Celera Genomics ». Д-р Вентер поставил перед своей командой задачу более быстрого и дешевого секвенирования человеческого генома (в отличие от трехмиллиардного международного проекта, бюджет проекта д-ра Вентера ограничивался 300 млн долл.). Кроме того, фирма «Celera Genomics » не собиралась открывать доступ к своим результатам.

6 июня 2000 г. президент США и премьер-министр Великобритании объявили о расшифровке человеческого генетического кода, и таким образом соревнование закончилось. На самом деле, был опубликован рабочий черновик человеческого генома, и лишь к 2003 г. он был расшифрован практически полностью, хотя и сегодня все еще проводят дополнительный анализ некоторых участков генома.

Тогда умы ученых были взбудоражены необыкновенными возможностями: новые, действующие на генетическом уровне лекарства, а значит, не за горами создание «персональной медицины», настроенной точно под генетический характер каждого отдельно взятого человека. Существовали, конечно, и опасения, что может быть создано генетически зависимое общество, в котором людей буду делить на высшие и низшие классы по их ДНК и соответственно ограничивать их возможности. Но все же была надежда, что этот проект окажется столь же прибыльным, сколь и Интернет.

И вдруг все затихло... надежды не оправдались... казалось, что 3 млрд долл., вложенных в эту затею, выброшены на ветер.

Нет, не совсем так. Быть может, полученные результаты не столь грандиозны, как предполагалось во времена зарождения проекта, но они позволят достичь в будущем значительных успехов в различных областях биологии и медицины.

В результате исполнения проекта «Геном человека» был создан открытый банк генокода. Общедоступность полученной информации позволила многим исследователям ускорить свою работу. Ф. Коллинз привел в качестве иллюстрации такой пример: «Поиск гена фиброзно-кистозной дегенерации был успешно завершен в 1989 г., что стало результатом нескольких лет исследований моей лаборатории и еще нескольких других и стоило США около 50 млн долл. Сейчас это способен сделать смышленый выпускник университета за несколько дней, и все, что ему понадобится, - это Интернет, несколько недорогих реактивов, термоциклический аппарат для увеличения специфичности сегментов ДНК и доступ к ДНК-секвенатору, читающему ее по световым сигналам».

Еще один важный результат проекта - дополнение истории человека. Раньше все данные об эволюции были почерпнуты из археологических находок, а расшифровка генокода не только дала возможность подтвердить теории археологов, но в будущем позволит точнее узнать историю эволюции как человека, так и биоты в целом. Как предполагается, анализ сходства в последовательностях ДНК различных организмов сможет открыть новые пути в исследовании теории эволюции, и во многих случаях вопросы эволюции теперь можно будет ставить в терминах молекулярной биологии. Такие важнейшие вехи в истории эволюции, как появление рибосомы и органелл, развитие эмбриона, иммунной системы позвоночных, можно будет проследить на молекулярном уровне. Ожидается, что это позволит пролить свет на многие вопросы о сходстве и различиях между людьми и нашими ближайшими сородичами: приматами, неандертальцем (чей генокод недавно был реконструирован из 1,3 млрд фрагментов, подвергавшихся тысячелетнему разложению и загрязненных генетическими следами археологов, державших в руках останки этого существа), а также и всеми млекопитающими, и ответить на вопросы: какой же ген делает нас Homo sapiens , какие гены отвечают за наши поразительные таланты? Таким образом, поняв, как прочитать информацию о нас в генокоде, мы сможем узнать, как гены влияют на физические и умственные характеристики и даже на наше поведение. Возможно, в будущем, посмотрев на генетический код, можно будет не только предсказать, как будет выглядеть человек, но и, к примеру, будет ли у него актерский талант. Хотя, естественно, никогда нельзя будет это определить со 100%-ной точностью.

Кроме того, межвидовое сравнение покажет, чем отличается один вид от другого, как они разошлись на эволюционном древе. Межпопуляционное сравнение покажет, как этот вид эволюционирует. Сравнение ДНК отдельных особей внутри популяции покажет, чем объясняется различие особей одного вида, одной популяции. Наконец, сравнение ДНК различных клеток внутри одного организма поможет понять, как происходит дифференцирование тканей, как они развиваются и что идет не так в случае заболеваний, таких например, как рак.

Вскоре после расшифровки большей части генокода в 2003 г., ученые обнаружили, что существует гораздо меньше генов, чем они ожидали, но впоследствии убедились в противоположном. Традиционно ген определяли как участок ДНК, который кодирует белок. Однако, расшифровывая генокод, ученые выяснили, что 98,5% участков ДНК не кодируют белки, и назвали эту часть ДНК «бесполезной». И выяснилось, что эти 98,5% участков ДНК имеют едва ли не большее значение: именно эта часть ДНК отвечает за ее функционирование. Например, определенные участки ДНК содержат инструкции для получения похожих на ДНК, но небелковых молекул, так называемых двухцепочечных РНК. Эти молекулы являются частью молекулярно-генетического механизма, контролирующего активность гена (РНК-интерференция). Некоторые двухцепочечные РНК могут подавлять гены, препятствуя синтезу их белковых продуктов. Таким образом, если данные участки ДНК также считать генами, то их количество удвоится. В итоге исследования изменилось само представление о генах, и сейчас ученые считают, что ген - это единица наследственности, которую нельзя понимать как просто участок ДНК, кодирующий белки.

Можно сказать, что химический состав клетки - ее «хард», а информация, закодированная в ДНК, - предварительно загруженный «софт». Никто раньше и не предполагал, что клетка является чем-то большим, чем просто совокупностью составных частей, и что для ее построения недостаточно закодированной в ДНК информации, что столь же важным является процесс саморегулирования генома - и путем сообщения между соседними генами, и путем воздействия других молекул клетки.

Открытый доступ к информации позволит объединить опыт врачей, информацию о патологических случаях, результаты многолетнего изучения отдельных особей, и потому станет возможным соотнести генетическую информацию с данными анатомии, физиологии, поведения человека. И уже это сможет привести к лучшей медицинской диагностике и прогрессу в лечении.

Например, исследователь, изучающий определенную форму рака, сможет сузить круг поиска до одного гена. Сверив свои данные с данными открытой базы генома человека, он сможет проверить, что другие написали об этом гене, включая (потенциально) трехмерную структуру его производного белка, его функции, его эволюционную связь с другими генами человека или с генами мышей, дрожжей или дрозофилы, возможные пагубные мутации, взаимосвязь с другими генами, тканями тела, в которых ген активируется, заболеваниями, связанными с этим геном, или другие данные.

Более того, понимание хода заболевания на уровне молекулярной биологии позволит создать новые терапевтические методы. Учитывая, что ДНК играет огромную роль в молекулярной биологии, а также ее центральное значение в функционировании и принципах работы живых клеток, углубление знаний в этой области откроет путь для новых методов лечения и открытий в различных областях медицины.

Наконец, и «персональная медицина» теперь кажется уже более реальной задачей. Д-р Уиллс выразил надежду, что лечение заболеваний путем замены поврежденного участка ДНК нормальным станет возможным уже в следующее десятилетие. Сейчас проблемой, препятствующей развитию такого метода лечения, является то, что ученые не умеют доставлять ген в клетку. Пока единственный известный способ доставки - заражение животного вирусом с необходимыми генами, но это опасный вариант. Однако д-р Уиллс предполагает, что в скором времени в этом направлении будет совершен прорыв.

Сегодня уже существуют простые способы проведения генетических тестов, которые могут показать предрасположенность к различным заболеваниям, включая рак молочной железы, нарушение свертываемости крови, кистозный фиброз, заболевания печени и др. Такие заболевания, как рак, болезнь Альцгеймера, диабет, как было выяснено, связаны не с общими для всех, а с огромным количеством редких, практически индивидуальных мутаций (причем не в одном гене, а в нескольких; например, мышечную дистрофию Шарко-Мари-Тут может вызвать мутация 39 генов), в результате чего эти болезни трудно поддаются диагностике и воздействию медицинских препаратов. Именно это открытие является одним из камней преткновения «персональной медицины», поскольку, прочитав генокод человека, пока невозможно точно определить состояние его здоровья. Исследуя генокоды разных людей, ученые были разочарованы результатом. Около 2000 участков ДНК человека статистически относилось к «болезненным», которые при этом не всегда относились к работающим генам, т. е. не представляли угрозы. Похоже, что эволюция избавляется от мутаций, вызывающих болезнь, до того, как они станут общими.

Проводя исследования, группа ученых в Сиэтле обнаружила, что из всего человеческого генокода лишь 60 генов претерпевают спонтанную мутацию каждое поколение. При этом мутировавшие гены могут вызвать различные заболевания. Так, если у каждого из родителей было по одному «испорченному» и одному «неиспорченному» гену, то у детей болезнь может и не проявиться или проявится в очень слабой форме, если они получат один «испорченный» и один «неиспорченный» ген, но если ребенок унаследует оба «испорченных» гена, то это может привести к болезни. К тому же, поняв, что общечеловеческие болезни вызываются индивидуальным мутациями, ученые пришли к выводу, что необходимо исследовать полностью весь генокод человека, а не его отдельные участки.

Несмотря на все затруднения, уже созданы первые генетические лекарства против рака, которые блокируют эффекты генетических отклонений, приводящих к росту опухолей. Также недавно было одобрено лекарство компании «Amgen » от остеопороза, которое основывается на том, что болезнь вызывается гиперактивностью определенного гена. Последнее достижение - проведение анализа биологических жидкостей на присутствие мутации определенного гена для диагностики рака толстой кишки. Такой тест позволит избавить людей от неприятной процедуры колоноскопии.

Итак, привычная биология ушла в прошлое, наступил час новой эры науки: постгеномной биологии. Она полностью развенчала идею витализма, и хотя в него уже больше столетия не верил ни один биолог, новая биология не оставила места и для призраков.

Не только интеллектуальные озарения играют важную роль в науке. Такие технические прорывы, как телескоп в астрономии, микроскоп в биологии, спектроскоп в химии, приводят к неожиданным и замечательным открытиям. Похожую революцию в геномике производят сейчас мощные компьютеры и информация, содержащаяся в ДНК.

Закон Мура говорит о том, что компьютеры увеличивают свою мощность вдвое примерно каждые два года. Таким образом, за последнее десятилетие их мощность возросла более чем в 30 раз при постоянно снижающейся цене. В геномике пока нет имени для аналогичного закона, но его следовало бы назвать законом Эрика Лэндера - по имени главы Broad Institute (Cambridge , Massachusetts , крупнейший американский центр, занимающийся расшифровкой ДНК). Он подсчитал, что по сравнению с прошлым десятилетием цена расшифровки ДНК снизилась на сотни тысяч долларов. При расшифровке последовательности геномов в International Human Genome Sequencing Consortium использовали метод, разработанный еще в 1975 г. Ф. Сенджером, что заняло 13 лет и стоило 3 млрд долл. А значит, расшифровка генетического кода была под силу только мощным компаниям или центрам по исследованию генетической последовательности. Сейчас, используя последние устройства для расшифровки от фирмы «Illumina » (San Diego , California ), человеческий геном может быть прочитан за 8 дней, и стоить это будет около 10 тыс. долл. Но и это не предел. Другая калифорнийская фирма, «Pacific Biosciences» и з Менло Парка, разработала способы, позволяющие прочитать геном всего с одной молекулы ДНК. Вполне возможно, что скоро расшифровка генома будет занимать минут 15 и стоить менее 1000 долл. Аналогичные разработки существуют и в «Oxford Nanopore Technologies » (Великобритания). Раньше фирмы использовали решетки проб ДНК (ДНК-чипы) и искали определенные генетические символы - SNP. Сейчас известно несколько десятков таких символов, но есть основания предполагать, что среди трех миллиардов «букв» генетического кода их гораздо больше.

До недавнего времени полностью было расшифровано всего несколько генокодов (в проекте «Геном человека» были использованы кусочки генокода множества людей, а затем собраны в единое целое). Среди них генокоды К. Вентера, Дж. Уотсона, д-ра Ст. Куэйка, двух корейцев, китайца, африканца, а также больного лейкемией, национальность которого ныне уже трудно установить. Теперь, с постепенным усовершенствованием техники чтения последовательностей генов, станет возможным расшифровка генокода все большего и большего числа людей. В будущем свой генокод сможет прочитать любой человек.

Кроме стоимости расшифровки, важным показателем является его точность. Считается, что приемлемым уровнем является не более одной ошибки в 10 000–100 000 символов. Сейчас уровень точности находится на уровне 1 ошибки в 20 000 символов.

На настоящий момент в США ведутся споры по поводу патентования «расшифрованных» генов. Однако многие исследователи считают, что патентование генов станет препятствием для развития науки. Главная стратегическая задача будущего сформулирована следующим образом: изучить однонуклеотидные вариации ДНК в разных органах и клетках отдельных индивидуумов и выявить различия между индивидуумами. Анализ таких вариаций даст возможность не только подойти к созданию индивидуальных генных «портретов» людей, что, в частности, позволит лучше лечить болезни, но и определить различия между популяциями, выявлять географические районы повышенного «генетического» риска, что поможет давать четкие рекомендации о необходимости очистки территорий от загрязнения и выявлять производства, на которых есть большая опасность поражения геномов персонала.

SNP - одиночный генетический символ, который меняется от человека к человеку. Его открыли специалисты «International HapMap Project », изучая такую мутацию генокода, как однонуклеотидный полиморфизм. Целью проекта по картированию участков ДНК, различных для разных этнических групп, был поиск уязвимости этих групп к отдельным заболеваниям и возможностей их преодоления. Эти исследования могут также подсказать, как человеческие популяции адаптировались к различным заболеваниям.

Околомедицинских мифов вокруг стволовых клеток не счесть. Множество сайтов предлагают лечение клетками как избавление от любых проблем со здоровьем вплоть до расстройств сна, алкоголизма и, самое заманчивое, старения организма! Каковы взгляды и прогнозы ученых на применение стволовых клеток в медицине выясняла корреспондент Academ.info Дина Голубева .

«Омоложение организма с помощью стволовых клеток, наверное, самый популярный миф», – в этом вопросе участники весенней встречи в пресс-центре на Вертковской были солидарны друг с другом. Доктор биологических наук Сурен Закиян назвал броские обещания клиник предотвратить старение «шарлатанством». Не менее категоричен был и директор Института клинической иммунологии СО РАМН Владимир Козлов .

«Введением стволовых клеток нельзя продлить жизнь, это – миф и лженаука! Разумеется, люди покупаются на обещания затормозить процесс старения, но сегодня такое невозможно», – говорил академик Козлов.

Стволовые клетки – это?

Клетки разных органов и тканей: мышечные, нервные, печеночные – различаются между собой. Стволовые клетки не имеют характерных признаков принадлежности к конкретной ткани, но могут развиваться в разные клетки организма. Это свойство максимально проявляется у эмбриональных стволовых клеток, которые существуют только на ранних стадиях развития эмбриона, но способны образовывать клетки любых органов и тканей.

В организме появившегося на свет малыша, впоследствии подростка и взрослого тоже есть стволовые клетки, но их гораздо меньше по сравнению с эмбрионом. Более того, возможности таких «взрослых» или региональных (ткане- или органоспецифичных) стволовых клеток ограничены. Они развиваются только в определенные типы клеток, например, крови, кожи, слизистой оболочки кишечника.

Кроме «превращений», стволовые клетки способны самообновляться – делиться, образуя новые стволовые клетки.

От чего лечиться будем?

Предложений излечиться с помощью введения региональных и эмбриональных стволовых клеток не счесть. Список проблем, от которых обещают избавить, включает онкологические заболевания, бронхиальную астму, ДЦП, СПИД, эпилепсию, шизофрению, синдром Дауна, климакс, алкоголизм, задержку психического развития… При этом цены за лечение в различных клиниках рознятся от 30 тысяч до полумиллиона рублей.

«Сегодня в мире нет линий эмбриональных стволовых клеток, которые можно было бы применять для лечения», – дружно заявили Владимир Козлов и Сурен Закиян.

Если во взглядах на эмбриональные стволовые клетки эксперты были солидарны, то в вопросах лечения региональными стволовыми клетками они разошлись во мнении.

«Еще в середине прошлого века способом лечения лучевой болезни была трансплантация костного мозга. Это и были стволовые клетки, которые восстанавливали кровяные клетки и иммунитет после облучения или химиотерапии , – рассказывал академик Козлов. – Сегодня мы используем региональные стволовые клетки для лечения целого ряда заболеваний. Мы давно лечим и, я не боюсь этого слова, «лечим», цирроз печени, сахарный диабет, инфаркты миокарда ».

Во время этой речи Сурен Закиян занервничал и вмешался:

«Одно дело – пересадка костного мозга, использование стволовых клеток для лечения гемобластозов (злокачественных опухолей кроветворных тканей). Такие работы широко известны и ими занимаются уже много лет. Но лечить другие заболевания стволовыми клетками бесполезно и, более того, рискованно! Введенные в организм пациента клетки могут начать бесконтрольно делиться и привести к образованию опухолей ».

«Это чересчур пессимистичные заявления , – возмутился Владимир Александрович. – Мы в течение 10 лет используем для лечения стволовые клетки. Наш многолетний опыт говорит, что они никогда не превращаются в неподходящие ткани ».

«Как экспериментатор я могу сказать, что самая большая проблема – адресная доставка. Вы получите стволовые клетки, введете их в кровеносную систему или даже в пораженный орган. Но куда они мигрируют и заместятся ли больные клетки здоровыми? Чтобы проследить за миграцией клеток, нужны эксперименты на животных », – не согласился Сурен Минасович.

Надежды на закон

При всех разногласиях оба специалиста надеются на скорое принятие закона «О применении биомедицинских технологий в медицинской практике», одно из требований которого включает в себя обязательную характеристику клеточных линий всевозможными биохимическими и цитологическими методами.

«В законе масса недочетов, но паспортизация линий – это огромный плюс. Прежде чем вводить какие-то клетки человеку, нужно будет показать, что используемые линии действительно безопасны для здоровья », – пояснял Сурен Закиян.

Говоря о безопасности, ученый ссылался на экспериментальные работы своей лаборатории. Более 5 лет назад там были получены мышиные стволовые клетки из трофобласта (наружного клеточного слоя зародыша). Клетки ввели подкожно мышам. Биологи ожидали появления «опухоли», однако у мышей образовались огромные пузыри, заполненные кровью. Введенные клетки разрушили кровеносные сосуды.

«Вспомните, какое количество клиник обещают вылечить введением стволовых клеток. Неизвестно, что они вводят на самом деле, ведь линии не охарактеризованы. Только представьте, что в суспензии вводимых клеток попадут трофобластные стволовые клетки ».

Итак, с обеими категориями стволовых клеток, эмбриональными и региональными, сегодня связан целый ряд надежд и опасений. По окончании встречи в пресс-центре, два участника еще больше разошлись во мнениях, стоило им лишь отойти друг от друга. Владимир Козлов рассказал, что стволовые клетки можно вводить просто для поднятия тонуса. Сурен Закиян заметил, что успехи в лечении сахарного диабета и цирроза печени достойны Нобелевской премии и были бы известны всему миру…

Хрящ с историей

Возможности эмбриональных стволовых клеток поражают воображение. Если наука научится управлять их развитием, то любые органы и ткани можно будет выращивать в лабораторных условиях. Более того, разрушать эмбрионы для получения соответствующих клеток не обязательно. Японские ученые разработали метод получения стволовых клеток из клеток кожи. Иначе говоря, клетки кожи можно вернуть обратно в состояние эмбриональных стволовых, от которых они не будут отличаться.

За последние 5 лет это направление получения индуцированных (то есть изначально взятых не из эмбриона) стволовых клеток развилось необычайно.

«В нашей лаборатории были получены индуцированные стволовые клетки из нейральных клеток мозга абортивного 80-дневного материала. Затем мы культивировали эти клетки при определенных условиях и в итоге получили хрящевую ткань прямо в чашках Петри », – рассказывал Сурен Закиян уже в лаборатории эпигенетики развития ИЦиГ СО РАН, заведующим которой он является.

Казалось бы, отсюда и до использования в медицине искусственных органов не далеко, однако ученый не спешит с выводами.

«Сегодня ведется много разговоров о получении искусственных хряща, сосудов, мочевого пузыря. Это сложная 3D-технология требует соответствующего оборудования. Однако получение органов и тканей – только первый шаг, ведь их надо еще имплантировать в человеческое тело. Орган должен встроится в кровеносную систему и нормально функционировать ».

Другая работа связана с получением региональных стволовых клеток сердца.

«Сегодня в лаборатории получены сердечные стволовые клетки человека, крысы, мини-свиньи. Надо быть уверенным, что полученные клетки не вызовут побочных явлений при имплантации. Поэтому следующей стадией эксперимента станет введение этих клеток животным. Такие эксперименты проводят за рубежом и даже на ограниченном числе добровольцах, перенесших инфаркт миокарда ».

Планы и прогнозы

В дальнейших планах лаборатории получение сосудов. Правда, для этого требуются специальные приборы, а сами эксперименты чрезвычайно дороги.

«Во многих странах мира существуют специальные центры, занимающиеся клеточными технологиями. К сожалению, в России таких центров нет , – говорил Сурен Минасович, демонстрируя карту мира. – Вопрос о Федеральном клеточном центре на территории новосибирского Академгородка неоднократно поднимался, но только в конце прошлого года ученым СО РАН и СО РАМН удалось договориться с государственной корпорацией «Ростехнологии» о создании центра на базе клиники (НИИПК) имени Мешалкина ».

По словам ученого, открытие клеточного центра, работающего по мировым стандартам и оснащенного современным оборудованием, ускорит исследования и скоординирует ведущиеся сегодня разрозненными медицинскими и биологическими коллективами работы.

«В идеале, пациент придет в больницу, сдаст кровь или сделает биопсию, которые поступят в клеточный центр. Из них получат линию клеток пациента, которые в замороженном виде могут храниться годами. Наличие клеток позволит изучать этиологию болезни, всевозможные влияния препаратов, оценивать степени риска, получать индуцированные стволовые клетки и использовать их в доклинических испытаниях, которые в случае успеха перейдут в клинические. Поскольку речь идет о собственных клетках пациента, их можно будет использовать для лечения больного и его родных, не боясь отторжения иммунной системы », – рассказывал Сурен Закиян.

Сейчас клеточный центр существует на бумаге в виде огромного количества документации, плана строительства здания и расположения комнат с необходимым оборудованием. Однако разработка новых методов клеточных технолий уже ведется, не дожидаясь открытия центра.

Точной суммы, которая потребуется на оснащение центра, ученый не называет. Но все реактивы, среды и приборы далеко не из дешевых. Один только лазерный микроскоп стоит порядка 1 млн евро. Но если уж создавать Федеральный клеточный центр, то в соответствии с мировыми стандартами.

«Такой огромный регион, как Сибирь, должен иметь свой клеточный центр. В новосибирском Академгородке существует ряд институтов СО РАН и СО РАМН со своими клиниками, находится один из ведущих университетов страны НГУ, готовящий высококвалифицированные кадры. Пожалуй, из всех регионов именно у нас самые удачные условия для создания центра. При хорошем финансировании заманчивые картины выращивания искусственных органов и применения клеточных технологий в лечении могут стать реальностью уже в ближайшие 10 лет ».

5637 0

Существует точка зрения, которую разделяет немалое число специалистов, что все заболевания человека за исключением травм связаны с генетическими дефектами. Очевидно, это крайняя точка зрения, тем не менее она отражает важность генетических факторов в определении состоянии здоровья людей. Генетические дефекты бывают разной значимости и состояния.

Хотя обычно считают диабет и мышечную дистрофию заболеванием, а расщепление неба или цветовую слепоту - наследственными дефектами - все это является результатом мутаций в генетическом материале. Показано также, что предрасположенность к заболеванию также зависит от генетической конституции.

Генетические дефекты или мутации в последовательности ДНК выражаются в замене одного нуклеотида другим, потере целого фрагмента или его переносе на другое положение в геноме и пр. Такие изменения могут привести к изменениям структуры (и функции) белка, который кодируется данным фрагментом ДНК или к изменению регуляторных участков генов, гибельным для клеток. Говоря о наследственных заболеваниях, мы имеем в виду мутации, которые появляются в половых клетках и передаются потомству.

В соматических клетках на протяжении жизни также накапливаются мутации, которые могут стать причиной заболевания, но они по наследству не передаются. Ранее считалось, что все мутации вредны. Это связано с тем, что именно с таких мутаций, вызывающих заболевания, было начато изучение генетических характеристик человека. Но сейчас, когда прочитан практически весь нуклеотидный текст человека, стало ясно, что большая часть мутаций является нейтральной. Вредные мутации, приводящие к грубому нарушению развития организма, отсеиваются отбором - их носители не выживают или не дают потомства.

Огромный прорыв в понимании, как унаследованные гены влияют на физические и психологические особенности человека, произошел за последние десятилетия благодаря открытиям, сделанным при исследовании генома человека. Установлены и диагностируются как целый ряд генетических заболеваний, так и предрасположенность к ним, причем на самых ранних этапах развития эмбриона. Большие надежды на расширение возможностей современной медицины связаны с реализацией проекта «Геном человека».

Реализация научного проекта «Геном человека»

Научный проект «Геном человека» - это международная программа, конечной целью которой являлось определение нуклеотидной последовательности (секвенирование) всей геномной ДНК человека, а также идентификация генов и их локализация в геноме (картирование). В 1988 г. Министерство энергетики США и Национальный институт здоровья США представили обширный проект, в задачи которого входило секвенирование геномов человека, а также бактерий, дрожжей, нематоды, плодовой мушки и мыши - организмов, которые широко использовались в качестве модельных систем в изучении генетики человека.

На реализацию этого проекта Конгресс выделил 3 млрд дол. (по одному доллару за каждый нуклеотид человеческого генома). Директором проекта был назначен лауреат Нобелевской премии Джеймс Уотсон. К проекту присоединились другие страны - Англия, Франция, Япония и др.

В 1989 г. по инициативе академика А.А. Баева в нашей стране был организован научный совет по программе «Геном человека». В 1990 г. была создана Международная организация по изучению генома человека (HUGO), вице-президентом которой в течение нескольких лет был академик А.Д. Мирза-беков. Независимо от вклада и государственной принадлежности отдельных участников программы с самого ее начала вся получаемая ими в ходе работ информация была открыта и доступна для всех его участников.

Двадцать три хромосомы человека были поделены между странами-участницами. Российские ученые должны были исследовать структуры 3-й и 19-й хромосом. Однако вскоре финансирование работ по этому проекту было сильно сокращено, и реального участия в секвенировании наша страна не принимала. Тем не менее работы по геномному проекту в нашей стране не прекратились: программа была пересмотрена и сконцентрирована на развитии биоинформатики -математических методов, вычислительной техники, программного обеспечения, совершенствовании способов описания и храненеия геномной информации, которые бы помогли понять и осмыслить расшифрованную информацию.

На расшифровку генома человека было отведено 15 лет. Однако постоянное развитие технологии секвенирования позволило завершить проект на 2 года раньше. Немалую роль в интенсификации работ сыграла частная американская компания Celera, возглавляемая Дж. Вентером (в прошлом - биолог Национального института здоровья США). Если в начальные годы осуществления проекта по всему миру секвенировали несколько миллионов нуклеотидных пар в год, то в конце 1999 г. Celera расшифровывала не менее 10 млн нуклеотидных пар в сутки. Для этого работы велись круглосуточно в автоматическом режиме 250 роботизированными установками, информация сразу же передавалась в банки данных, где систематизировалась, аннотировалась и выкладывалась в Интернет.

При проведении работ в 1995 г. Вентер с соавторами разработал и опубликовал совершенно новый подход к секвенированию генома, названный методом произвольного секвенирования полного генома (более известный как произвольное секвенирование методом дробления), который позволял собрать полный геном из частично секвенированных фрагментов ДНК при помощи компьютерной модели.

Этим методом впервые был полностью секвенирован геном самореплицирующегося свободно живущего организма - бактерии Haemophilus in-fluenzae Rd. Копии ДНК бактерии были разрезаны на куски произвольной длины от 200 до 1 600 п.о. Эти фрагменты секвенировали по несколько сот с каждого конца. Кроме того, были секвенированы и более длинные фрагменты по 15-20 тыс. п.о. Полученные последовательности были внесены в компьютер, который их сравнивал, распределял по группам и по сходству.

Первыми идентифицировались неповторяющиеся последовательности, затем -повторяющиеся последовательности фрагментов. Длинные фрагменты помогали установить порядок часто повторяющихся, почти идентичных последовательностей. Затем заполнялись пробелы между полученными основными кусками ДНК. Секвенирование генома Haemophilus influenzae заняло один год и при этом была определена последовательность 1 830 137 п.о. и 1 749 генов, расположенных на 24 304 фрагментах.

Это был несомненный успех, который доказал, что новая технология может быть применима для быстрого и точного секвенирования целых геномов. В 1996 г. картировали геном первой эукариотической клетки - дрожжевой, а в 1998 впервые секвенировали геном многоклеточного организма - круглого земляного червя Caenorhabolits elegans.

В феврале 2001 г. рабочий вариант генома человека (выполненный на 90 %) был одновременно опубликован в журналах «Nature» - результаты HUGO и «Science» - результаты исследований компании Celera. Анализ полученного варианта генома человека выявил около 25 тыс. генов. Ранее предполагалось, что это количество должно достигать 140 тыс. (если исходить из постулата «один ген кодирует один белок»). В настоящее время представляется возможным, что один ген может кодировать 5-6 белков. Многообразие белков, кодируемых одним и тем же геном, обеспечивается несколькими механизмами: с помощью альтернативного сплайсинга, посттрансляционных превращений белков - фосфорилирования, ацетилирования, метилирования, гликозилирования и многих других.

В 2003 г. был опубликован окончательный вариант полной последовательности генома человека. Вся эта информация является доступной и находится в Интернете на нескольких сайтах. Однако до сих пор некоторые элементы генома не поддаются секвенированию современными технологиями, а наши знания о геноме остаются неполными. Оказалось, что лишь 30 % генома кодируют белки и участвуют в регуляции действия генов.

Каковы функции остальных участков генома и есть ли они вообще, остается совершенно неясным. Около 10 % генома составляют так называемые Alu-элементы длиной около 300 п.о. Они появились неизвестно откуда в ходе эволюции только у приматов. Попав к человеку, они размножились до полумиллиона копий и распределились по хромосомам самым причудливым образом.

Что касается кодирующих участков ДНК, то при чисто молекулярно-компьютерном анализе они были названы генами по сугубо формальным критериям: наличию знаков пунктуации, необходимых для прочтения информации и синтеза конкретного генного продукта. При этом время и действие большинства потенциальных генов пока неясны, и для определения их функций может потребоваться не меньше ста лет.

Н.А. Воинов, Т.Г. Волова

Надежды и опасения

Л. Львова, канд. биол. наук

В современном понимании память процесс приобретения, хранения и воспроизведения заученного. Стремление разобраться в этом процессе породило немало концепций. Все они способны более или менее логично объяснить определенный круг экспериментально установленных фактов. Но если не понять, то хотя бы приблизиться к окончательному пониманию движущих механизмов этого процесса, «дозволено» лишь одной концепции системно селекционной. Приблизиться, увидеть перспективы и… ужаснуться…

Вариации на тему Декарта

Более трехсот лет назад Декарт связал память с порами в мозге. Точнее, с тем, что эти поры, через которые дух проходил раньше, становятся все более проходимыми, когда дух проходит через них снова. На этой идее основаны и многие современные концепции памяти. Среди них концепция временной организации памяти, концепция состояний памяти и концепции распределенности памяти.

Отправной точкой в создании временной концепции стал эксперимент Г. Мюллера и А. Пильзекера по запоминанию слогов, показавший, что в течение часа кратковременная и легко нарушаемая память трансформируется в память устойчивую и долговременную, соизмеримую с продолжительностью жизни. Обнаруженный феномен исследователи назвали консолидацией памяти. Но объяснить его не смогли. Почти полвека спустя, в 1949 году, это сделал Хебб, предположив, что формирование кратковременной памяти обеспечивает реверберация (т. е. многократное прохождение нервного импульса по одному и тому же пути, через одни те же синаптические контакты) замкнутого «клеточного ансамбля», вовлеченного в обучение. Через определенное время, с появлением последствий реверберации в виде морфофункциональных и биохимических изменений в синапсах нейронов кратковременная память превращается в долговременную. Если же прохождение нервного импульса каким-то образом заблокировать или прервать, трансформация не состоится по причине физического «стирания» памяти.

Надо сказать, что временная концепция позволила объяснить многие экспериментально обнаруженные факты, в том числе и развитие ретроградной амнезии у животных, на которых практически сразу же после обучения воздействовали электрошоком. Более того, оказалось, что «всплеск» синтеза новых белков, наблюдаемый при запоминании информации, по длительности совпадает с периодом консолидации памяти, обнаруженным в свое время Г. Мюллером и А. Пильзекером. Однако были и другие факты. Факты, опровергающие ключевые положения гипотезы Хебба. Это и амнезия, вызванная отсроченным (относительно обучения) электрошоком. И спонтанное восстановление памяти после действия амнестического электрошока. И восстановление памяти путем «напоминания» (т. е. воздействием на перенесших электрошок животных раздражителем, значительно уступающим по силе «обучающему» и самостоятельным обучающим эффектом не обладающим). Необъяснимые с позиций временной концепции эти данные послужили толчком для создания новой концепции концепции состояний памяти.

В рамках этой концепции память перестали делить на кратковременную и долговременную ее стали рассматривать как некое единое свойство. Свойство, способное существовать в двух состояниях: активном и пассивном (или латент- ном). Активная память существует в виде электрических процессов, в основе которых лежит определенный «молекулярный субстрат», и поэтому готова к реализации в данный момент времени. В латентном состоянии электрическая активность нейронов заблокирована из-за неспособности молекулярных носителей «реализовать» свои возможности, из-за чего она не готова к непосред- ственному воспроизведению.

С такой точки зрения ретроградная амнезия есть не что иное, как переход памяти из активного состояния в пассивное. Кратковременная память как новая часть активной памяти, которую можно актуализировать как непосред- ственно, так и через «подсказку», к примеру, прибегнув к напоминанию.

В пользу правомочности подобного функционального деления свидетель- ствует хотя бы то, что амнестический шок, не «подрывая» молекулярной базы памяти, временно блокирует ее воспроизведение, не позволяя молекулярным носителям перейти на качественно иной уровень уровень электрической активности. Правда, молекулярные механизмы перевода пассивной памяти в активную пока остаются загадкой. И не только для авторов концепции состояний памяти неизвестны они и создателям концепции распределенности памяти, которые, к слову говоря, начали с того, что попытались определить локализацию памяти. Однако результат оказался совершенно неожиданным: удаление даже достаточно больших участ- ков мозга не сказывалось на обучаемости животных и почти не влияло на их память. Исходя из этого, К. Лешли пришел к выводу о том, что «памяти нигде нет, но в то же время она повсюду». И что особенно важно, не имея определенной локализации, память в зависимости от обстоятельств считывается с нейронов различных структур мозга. Другими словами, нейронная цепь, которая опосредует актуализацию памяти в определенные моменты времени, подвержена функциональным перестройкам. То, что функциональные перестройки действительно имеют место, подтверждают экспериментально обнаруженное «блуждание» активных центров памяти и выявленная опытным путем взаимосвязь различных структур мозга с нарушениями памяти при локальных стимуляциях через разное время после обучения.

Как именно перестраиваются нейронные цепи, удалось выяснить в опытах на популяциях нейронов, выделенных из разных структур мозга.

Судя по результатам определения электрической активности нейронов, максимальный постсинаптический ответ на обучение у них приходится на разное время: у подавляющего большин- ства максимальный ответ был зафиксирован спустя 3040 минут после обучения (они как бы продемонстрировали латентное обучение) и менее чем у 14% клеток сразу же по завершении обучения. При этом у нейронов, достигших наивысшего состояния активности памяти, с каждой следующей серией обучения пик активности отодвигался все дальше, а активная память сохранялась все дольше. Когда же одна группа клеток утрачивала активную память, другая тут же ее приобретала. И так продолжалось до тех пор, пока нейронный ансамбль не исчерпывал отведенный ему временной резерв. После чего память полностью переходила в латентное состояние, из которого ее могло вывести «напоминание» с помощью каких-то, неведомых пока никому, механизмов.

Новый взгляд на старую проблему

В отличие от адептов трех вышеопис- анных концепций, сторонники системного подхода не рассматривают нейрон как проводник возбуждения, из-за чего проблема увеличения эффективности проведения нервного импульса (в терминологии Декарта, увеличение проходимости пор) отпадает сама собой. С системных позиций формирование нового поведения равносильно формированию новой системы совместно активирующихся нейронов, локализованных в разных структурах мозга и далеко не всегда связанных прямыми влияниями.

В частности, в рамках системно-селекционной концепции научение трактуется как процесс селекции и прогрессивной специализации нейронов. А формирование новой нейрональной системы рассматривается как формирование нового элемента индивидуального опыта в процессе обучения.

Согласно этой концепции каждая группа нейронов мозга, имея свою специфику, обусловленную генетическими и эпигенетическими* модификациями, при определенных изменениях внешней среды активируется по-своему. Отбор нейро нов в группы осуществляется как на ранних этапах индивидуального развития, при созревании мозга, так и при обучении, в процессе поведенческого взаимодействия со средой. При созревании мозга, сопровождающегося гибелью множества нейронов, формируется первичный ассортимент, при обучении вторичный, предположительно, из «резерва» низкоактивных или молчащих клеток. Не исключено, что в формировании новых систем участвуют и вновь образовавшиеся нейроны. Хотя бы потому, что по завершении миграции у новых нейронов спайковая активность в отличие от синаптической появляется не сразу. Другими словами, их вовлечение в совместную деятельность (как, возможно, и вовлечение «резервных» клеток в специализацию) сопровождается переходом от «молчания» к импульсации.

*эпигенетические модификации - изменения, происходящие в процессе зародышевого развития.

О правомочности допущения свидетельствуют и данные о том, что искусственное подавление неонейрогенеза нарушает формирование памяти. Еще одним аргументом в пользу этого предположения является то, что у канареек среди нейронов вентрального гипер- стриатума, специализированных относительно новой песни, были обнаружены вновь появившиеся нейроны.

Но как бы там ни было, откуда бы ни «рекрутировались» нейроны в новые системы, главное, что отобранные клетки приобретают специализацию относительно новой системы, формируемой при обучении. И поскольку системная специализация нейронов отличается постоянством, новая система просто добавляется к «старым», как бы «наслаиваясь» на них. (Иначе говоря, в рамках системно-селекционной системы формирование памяти представляет собой специализацию группы «рекрутированных» нейронов относительно вновь формируемой системы и «присоединение» этой системы к ранее сформированным системам.) Однако самое любопытное, что реализацию поведения обеспечивают не только новые системы, сформированные при обучении актам, составляющим это поведение, но и множество старых, сформированных на предыдущих стадиях индивидуального развития. Это доказано в экспериментах с регистрацией активности нейронов, специализированных относительно систем «разного» возраста. И еще в этих экспериментах доказано, что один и тот же нейрон из старой системы может участвовать в осуществлении разных поведенческих актов за счет согласования своей собственной активности с активностью той или иной группы нейронов.

Другими словами, в реализации поведения отражается история его формирования история множества систем, связанных с этапами становления этого поведения.

Это означает, что внешне одинаковое поведение с разной историей формирования имеет различное нейрональное обеспечение. А следовательно, и разную структуру памяти, актуализируемую при его реализации, чем, кстати говоря, объясняется и различное поведение разных людей в одной и той же жизненной ситуации.

Как ни удивительно, задолго до появления системно-селекционной концепции верность системного подхода доказал И. Павлов, показав, что прибавление новых условных рефлексов незамедлительно сказывается на состоянии прежних. В последние годы в экспериментах с определением системной специализации нейронов при последовательном формировании разных поведенческих актов были получены данные, свидетельствующие об изменении ранее сформированной системы поведенческого акта после обучения следующему акту. А в опытах с регистрацией нейронной активности у животных, сначала обученных добывать пищу и затем алкоголь, было обнаружено, что наряду с нейронами, специализировавшимся относительно алкогольдобывающего поведения, в обеспечении этого поведения участвует и «старая», специализированная относительно пищедобывающего поведения. Но в модифицированном виде. (Такая модификация «старой» системы получила название аккомодационной реконсолидации.)

Последнее обстоятельство, на взгляд известного российского ученого Ю. Алек- сандрова, явно свидетельствует о том, что при анализе формирования памяти нужно учитывать не только появление ее новых элементов, но и модификацию «старых», сформированных ранее элементов. С этой точки зрения консолидация памяти включает две группы неразрывно связанных процессов:

процессы системной специализации, обусловленные морфологической и функциональной модификацией нейронов, которая, в свою очередь, связана с их вовлечением во вновь формируемую систему;
процессы аккомодационной реконсолидации, обусловленные включением «старой» системы в структуру памяти индивида, или, что то же самое, морфологической и функциональной модификацией нейронов ранее сформированных систем.

Основы памяти

Первым и, пожалуй, важнейшим шагом в понимании молекулярных механизмов консолидации памяти стало открытие сорокалетней давности, показавшее, что переход кратковременной памяти в долговременную нуждается в синтезе новых молекул РНК и белка (т.е. в экспрессии генов). Вдобавок обнаружилось, что химическая блокада экспрессии генов в «переходный период» препятствует образованию долговременной памяти. Но какие именно гены активируются в процессе обучения и какие именно функции они выполняют в нервных клетках, удалось выяснить только много лет спустя.

Первыми генами, активация которых была обнаружена в мозге при обучении, оказались «непосредственные ранние гены» (они же «гены первичного ответа», они же «гены раннего ответа» или просто «ранние гены»), кодирующие транскрипционные факторы. Сами же «ранние гены» были впервые идентифицированы в культуре клеток при изучении механизмов геномного ответа на действие факторов роста, запускающих процессы клеточного цикла. Эти гены тогда еще безымянные активизировались через несколько минут после добавления в клеточную культуру факторов роста и никак не реагировали на введение ингибиторов синтеза белка. Словом, как и «непосредственные ранние гены» ДНК-вирусов, они были заранее «готовы» к восприятию внеклеточного сигнала, из-за чего, соб- ственно, и получили свое название.

Первыми идентифицированными продуктами «ранних генов» оказались ядерные белки, связывающиеся с ДНК и регулирующие транскрипцию других генов, которых, опять-таки по аналогии с вирусными генами, стали называть «поздними генами», «генами позднего ответа» или «эффекторными генами».

Первым из семейства «поздних генов» был клонирован ген c-jun.

Первым из семейства «ранних генов» был клонирован ген c-fos.

Поначалу было установлено, что он играет важную роль на ранних стадиях индивидуального развития, регулируя рост и пролиферацию клеток в процессе эмбрионального развития. Потом оказалось, что ген c-fos «функционирует» и в мозге обучающихся взрослых животных. Судя по тому, что при различных формах обучения у разных животных избирательная блокада активности гена c-fos (т. е. подавление трансляции его матричной РНК) вызывала нарушение долговременной памяти, в формировании памяти его роль столь же значима, как и при созревании мозга в раннем онтогенезе. Потом оказалось, что столь же важную роль как на ранних стадиях онтогенеза, так и в процессе формирования памяти индивида могут играть и другие члены семейства «ранних генов»: их экспрессия, как и экспрессия гена c-fos, запускает каскад молекулярно-генетических процессов, обусловливающих морфологические изменения нейронов. И что характерно, в обоих случаях срабатывает один и тот же двухфазный механизм: кратковременный примерно двухчасовой процесс активации «ранних генов» посредством факторов роста, медиаторов и гормонов, на смену которому приходит экспрессия «поздних генов». В том числе генов синаптических белков, которые, изменяя связи нейронов, определяют их функциональную специализацию в системе межклеточных отношений и генов морфорегуляторных молекул, имеющих непосредственное отношение к морфологическим модификациям нейронов. (Например, к изменению размеров и числа синапсов, наблюдаемому при консолидации памяти.)

Выявленное сходство настолько велико, что на молекулярно-генетическом уровне процессы, сопряженные с развитием мозга в раннем онтогенезе, и процессы формирования памяти практически неотличимы. Различие между ними становится очевидным только при системном подходе. Заключается же это различие «в смене руководства»: если в раннем онтогенезе экспрессия генов контролируется исключительно клеточными и молекулярными взаимодействиями, то при формировании памяти она переходит под контроль когнитивных процессов.

Учитывая, что с точки зрения системно-селекционной концепции обучение предполагает формирование специализаций нейронов относительно новой системы, российские исследователи выдвинули вполне логичное предположение о связи экспрессии «ранних генов» с формированием специализаций. А затем и подтвердили его экспериментально, зафиксировав достоверное увеличение экспрессии «ранних генов» именно в тех мозговых структурах, где после обучения достоверно возрастало количество специализированных нейронов.

Те же исследователи решили выяснить влияние предыдущего индивидуального опыта и субъективной новизны того или иного события на активацию «ранних генов» в клетках мозга, для чего поставили следующий эксперимент. Поместили подопытных мышей в камеру, где ежедневно, на протяжении довольно длительного времени наносили им неизбегаемые электрокожные раздражения.

Первые несколько дней процедура вызывала массивную активацию гена c-fos в разных структурах мозга коре, гиппокампе и мозжечке. По прошествии шести дней электрокожное раздражение никакой активации гена c-fos в клетках мозга не индуцировало воздействие утратило свою новизну и перешло для животных в категорию ожидаемых событий в системах их индивидуального опыта. Еще нагляднее этот феномен проявился у животных специальной группы.

На протяжении пяти дней этим животным проводили электрокожную стимуляцию. На шестой день их поместили в ту же камеру, но раздражения не наносили. Отсутствие стимуляции вызвало у мышей парадоксальный, на первый взгляд, эффект значительную активацию гена c-fos, особенно в клетках гиппокампа. Обнаруженный эффект исследователи объяснили тем, что экспрессия гена c-fos связана не с внешними стимулами, действующими на мозг, а их несоответствием материалу индивидуальной памяти. Если же продолжить логическую цепочку, то получается, что и на поведенческом, и на молекулярном уровнях все события можно свести к попыткам устранить рассогласование с предыдущим опытом, приспособиться к новым условиям существования. И, судя по имеющимся данным, происходит это не только при обучении и развитии мозга. Стресс, голод, поражения нервной системы или ишемия мозга тоже вызывают активацию «ранних генов». Кроме того, есть сведения о том, что после локальных повреждений мозга, восстановление поведения обеспечивают развивающиеся в интактных структурах мозга процессы реорганизации, напоминающие пластические перестройки при обучении. Имеются также данные о схожести механизмов «долгосрочных адаптаций» к хроническому воздействию психоактивных веществ и механизмов формирования долговременной памяти, а также полной идентичности адаптации, возникающей при хроническом употреблении алкоголя, модификациям, лежащим в основе формирования нового опыта. (К коим относятся перестройки нейронов, связанные с формированием новых специализаций нейронов относительно алкогольдобывающего поведения, и процессы аккомодационной реконсолидации преморбидных, т. е. сформированных до возникновения потребности в алкоголе специализаций.)

Однако при всем при этом восстановление в патологии имеет свою специфику: в патологии нейроны не могут согласовать свои «потребности», используя «старый» опыт. Они вынуждены искать новые пути для устранения рассогласования.

P. S. Нейрохимические исследования последних лет показали, что на генном уровне можно регулировать скорость запоминания информации и его (т. е. запоминания) эффективность. Однако, на взгляд автора двухфазной модели активации генов К. Анохина, обольщаться по этому поводу не стоит. Возможность можно использовать во благо, улучшить «подпорченную» память (чего до сих пор никому не удавалось). Можно и во вред ослабить или, что гораздо хуже, вообще уничтожить память. Чем чреват второй вариант, догадаться нетрудно.

Литература

Сакбаев А. А. Концепции памяти //http://flogiston.ru
Александров Ю. И. Научение как образование «следов» и как системогенез // www.neyrosciense.ru
Анохин К. В. Обучение и память в молекулярно-генетической перспективе // Двенадцатые Сечененовские чтения. М., 1996.
Анохин К. В. Психофизиология и молекулярная генетика мозга / Основы психофизиологии. Под. ред. Ю. И. Александрова. СПб., 2001.

Кандидат биологических наук Лариса Аксёнова.

Наука и жизнь // Иллюстрации

Участники встречи в медиаклубе «Высокие технологии».

Замена одной-единственной «буквы ДНК» чаще всего не влияет на работу гена, но известен ряд генетических заболеваний, при которых от такой замены возникает серьёзное нарушение биохимических процессов в организме.

Многие фирмы уже сегодня предлагают услуги по частичной расшифровке генома.

Наука и жизнь // Иллюстрации

Этанол и ацетальдегид (токсичный промежуточный продукт) в организме разрушаются ферментами. У представителей разных этносов они работают с разной скоростью.

Как складывается судьба человека, от чего зависит его будущее? Одни, опираясь на поговорку «что посеешь, то и пожнёшь», считают, что будущее - это плоды систематического личного труда. Другие, уповая на божий промысел, полагают, что всё предопределено и как-нибудь да сложится. Есть и те, кто не против, чтобы будущее им предсказали. Но если уж предсказывать - то, разумеется, по-научному. Новая область биомедицины - индивидуальное генотипирование - позволяет с некоторой долей вероятности на вполне научной основе «погадать» о том, к каким болезням вы предрасположены, годитесь ли вы в спортсмены или банкиры, а также узнать, из каких мест были родом ваши предки, и даже выявить преступника или легкомысленного отца. Но идеальных методов не бывает. Какова степень достоверности результатов? Можно ли самому, без помощи медицинского генетика и лечащего врача, разобраться в результатах анализа? Доступен ли он по своей стоимости? Действительно ли «сбудется» генетическое «гадание», если сулит в будущем болезни и печали? Стоит ли мнительному человеку искушать судьбу и проходить генетическое тестирование, а потом переживать? Или есть случаи, в которых тестирование необходимо? Эти вопросы стали предметом дискуссии «Геном и индивидуальное генотипирование», состоявшейся 1 марта 2012 года в редакции журнала «Наука и жизнь» в рамках медиаклуба «Высокие технологии».

Оценить объёмы информации

Мы стремительно и вместе с тем незаметно - благодаря компьютерным технологиям - привыкли к огромным объёмам информации. Сначала шутили, что в одном мегабайте содержится 1024 килобайта информации, а не 1000, потом и не заметили, как терабайтные накопители стали повседневными атрибутами нашей жизни. Ещё восемь лет назад считалось, что расшифровать полный геном хотя бы одного человека - трудновыполнимая задача, для решения которой все молекулярные биологи мира на несколько лет должны объединить свои усилия, а государства - потратить на этот проект миллиарды долларов. Сегодня созданы приборы - секвенаторы, способные справиться с этой задачей за четыре дня. Стоимость такого анализа примерно 5000 долларов, причём она стремительно снижается и, по прогнозам специалистов, уже к концу этого года составит 1000 долларов.

Когда стартовал масштабный международный проект по расшифровке генома человека - а это было более 20 лет назад, - никто и представить себе не мог, какое количество информации предстоит проанализировать и осмыслить (хотя для анализа была выбрана ДНК небольшого числа анонимных доноров и был «реконструирован» некий комбинированный геном). К 2003 году проект в основном завершился, а в 2006 году в журнале «Nature» была опубликована последовательность ДНК «последней хромосомы». Изначально предполагалось, что в геноме человека порядка 200 тысяч генов, но, как выяснилось благодаря данному проекту, их всего лишь 20-25 тысяч (1,5% от всей ДНК клетки). Однако и это немало: работы по интерпретации полученных данных находятся в самой начальной стадии.

«Проект “Геном человека” позволил ответить на многие вопросы, но и породил новые, связанные с тем, как использовать полученную информацию. Каждый человек генетически неповторим, уникален, - считает кандидат медицинских наук Наталья Жученко, доцент кафедры медицинской генетики Первого московского государственного медицинского университета им. И. М. Сеченова. - Кроме того, все приобретённые человеком свойства, в том числе и здоровье, на 70% зависят от внешней среды и лишь на 30% - от генотипа. Наследственные болезни составляют 1,5% от всех заболеваний».

Геном - эпигеном - вариом - …?

Чтобы понять, в чём ключевые индивидуальные отличия ДНК, и проанализировать вариабельность (изменчивость) генома, потребовались дополнительные исследования. В частности, в 1999 году был начат бессрочный проект «Эпигеном человека», в котором изучают роль метилирования ДНК в работе генов. Процесс метилирования ДНК происходит в организме постоянно, количество метилированной ДНК с возрастом и под воздействием факторов внешней среды возрастает, а это в свою очередь существенным образом сказывается на активности генов.

В 2002 году в рамках проекта HapMap (от англ. haploid - гаплоид и map - карта) генетики начали изучать сходство и различия между людьми, сравнивая одиночные замены «букв» ДНК (нуклеотидов) в их геномах. Замена одной-единственной «буквы» ДНК чаще всего не влияет на работу гена, но известен ряд генетических заболеваний, при которых от такой замены возникают серьёзные нарушения биохимических процессов в организме.

И наконец, совсем недавно, в 2011 году, стартовал проект «Вариом человека», который ставит задачей изучение генетического разнообразия людей. К 2015 году планируется собрать обширную базу данных (и обеспечить обмен ими) об изменчивости генов для 1 млн случаев генетических заболеваний. Особые надежды участники проекта возлагают на то, что в процессе его реализации возникнет понимание природы так называемых мультифакторных заболеваний (МФЗ). Особенность таких заболеваний в том, что их клинические симптомы проявляются только при совместном действии генетических факторов и условий внешней среды. Мультифакторные заболевания контролируются целой группой генов, поэтому иногда их называют полигенными. Среди них - диабет, рак, атеросклероз, ишемическая болезнь сердца, бронхиальная астма, остеопороз и другие распространённые болезни, в лечении и профилактике которых мы пока не достигли желаемых успехов. Проявления этих болезней, кроме всего прочего, зависят от возраста и пола человека.

Очевидно, до полного понимания того, как генетические признаки (генотип) реализуются во внешних признаках (фенотип), нам все ещё далеко, но некоторые несомненные успехи благодаря исследованиям генома уже достигнуты.

Геномика - подспорье в диагностике и лечении

Использование данных генетического тестирования - основная стратегия современной медицины, и уже идёт активный процесс внедрения этих новейших достижений в клиническую практику. «На базе клиники Первого московского государственного медицинского университета им. И. М. Сеченова мы выполнили более 1000 таких исследований для пациентов с различной патологией, - говорит Наталья Жученко и тут же уточняет: - Но такое тестирование может рекомендовать только лечащий врач. Интерпретация результатов тестирования должна осуществляться в тесном контакте с медицинским генетиком. Ведь основная задача - не напугать пациента, а сохранить запас его здоровья!»

По определению академика РАМН В.С. Баранова, «гены предрасположенности - это мутантные гены (или аллели - различные формы одного гена), которые совместимы с рождением и жизнью, но при определённых неблагоприятных условиях способствуют развитию того или иного заболевания».

Генетическое тестирование с целью выявления наследственной предрасположенности к мультифакторным заболеваниям, ранняя профилактика которых особенно важна, в России только начинается. В Западной Европе и Америке список таких заболеваний включает 75 нозологических форм, в России их пока 25, но наши учёные активно работают в данном направлении.

Ряд заболеваний «ходят рука об руку»: это так называемые синтропии - неслучайное сочетание у индивидуума двух болезней и более. В 2006 году был идентифицирован 21 ген «сердечно-сосудистого континуума», к которому относят гипертонию, коронарную болезнь, дислипидемию, инсульт, ожирение, метаболический синдром и сахарный диабет 2-го типа. Современные технологии позволяют провести генетическое тестирование для выявления предрасположенности к этим патологиям.

Принципы диагностики заболеваний с использованием достижений геномики Наталья Жученко проиллюстрировала на примере остеопороза - заболевания, которое часто обнаруживается уже на поздних его стадиях, драматичных частыми переломами костей. Иногда врач способен заметить болезнь на более раннем этапе и назначить клиническое обследование, с помощью которого можно определить плотность костной ткани и измерить уровень кальция и фосфора в моче и крови. Генетическое тестирование помогает принять превентивные меры. Есть надёжные маркеры заболевания - гены VDR3 (рецептор витамина D), COL1A1 (коллаген 1-го типа), CALCR (кальцитонин), ESR1 (эстрогеновый рецептор), BGLAP (ген остеокальцина).

Дефицит витамина В 9 - фолиевой кислоты - приводит к ряду серьёзных проблем со здоровьем, в том числе к врождённым дефектам (дефект нервной трубки - ДНТ; незаращение губы - хейлосхизис; расщелина нёба - палатосхизис). Эта взаимосвязь была обнаружена ещё в 50-е годы прошлого века. Недавние исследования показали, что, если женщина принимает препараты фолиевой кислоты до зачатия и в течение первого триместра беременности, это помогает предотвратить 50-70% случаев возникновения таких дефектов.

С дефицитом фолиевой кислоты сопряжён и риск возникновения ишемической болезни сердца. Препараты фолиевой кислоты помогают снизить уровень гомоцистеина в крови (повышенное содержание этой аминокислоты в крови приводит к повреждению внутренней стенки коронарных артерий, делая более вероятными процессы образования холестериновых бляшек и тромбов.) Кроме того, уровень гомоцистеина, как правило, бывает повышен и у людей с почечной недостаточностью.

Но если рассматривать проблему на молекулярном уровне, то недостаток фолиевой кислоты влияет на процесс метилирования ДНК. Кроме того, у людей, плохо усваивающих фолиевую кислоту, может быть нарушена работа одного из ферментов «фолатного цикла» - метилентетрагидрофолатредуктазы (MTHFR). В человеческой популяции присутствует множество «вариантов» (аллелей) гена MTHFR. От того, какие из «вариантов» достались от родителей по наследству, зависит эффективность усвоения фолиевой кислоты организмом. Замена всего лишь одной «буквы» ДНК в гене MTHFR может серьёзно нарушить этот процесс.

В этом случае генетическое тестирование поможет выявить первопричину нарушения усвоения фолиевой кислоты и устранить возможные последствия, скорректировать диету, вовремя назначить необходимые препараты.

Генетическая диета

Ещё один пример практической пользы генетического тестирования - с его помощью можно подобрать оптимальную диету. Развивается новое направление диетологии, получившее название «нутритивная геномика». В настоящее время достаточно хорошо изучено, как химические компоненты пищи (прямо или косвенно) влияют на геном человека, изменяя работу генов. Другими словами, при определённом генотипе диета может оказаться важным фактором риска возникновения некоторых заболеваний. Существует целый ряд генетических маркеров, например генов, регулирующих метаболизм жиров (APOE, APOCIII, PON1, NOS3); отвечающих за усвоение кальция и других минеральных компонентов питания (VDR, CALCR); контролирующих кровяное давление (ACE, AGT, AGTR1, AGTR2,
BDKRB2) и множество других, которые врач может учитывать при составлении индивидуальной «генетической» диеты.

В процессе эволюции у людей выработались определённые биохимические особенности, связанные с традиционно употребляемой пищей. Пищеварительные ферменты и другие белки, участвующие в усвоении пищи, очень разнообразны, они обладают широким наследственным полиморфизмом. Зная генетические особенности конкретного человека, можно прогнозировать правильный рацион питания. Особенно актуально такое тестирование для заболеваний, которые стали встречаться в нашей жизни всё чаще и достаточно трудны в диагностике. Речь идёт о целиакии - непереносимости белков пшеницы (глютенов) и о лактазной недостаточности - неспособности усваивать молочный сахар, лактозу, которая содержится в молочных продуктах. Оба этих заболевания приводят к серьёзным нарушениям процесса пищеварения и влияют на усвоение других питательных веществ.

Кроме того, важный вклад в правильное усвоение пищи вносят и микроорганизмы-симбионты, обитающие в кишечнике. Генетическое тестирование поможет установить, правильно ли они работают, и в случае необходимости дать рекомендации, как скорректировать проблему. Иногда мы можем и не догадываться, что причина чувства усталости и мышечной слабости не заболевание, а «неправильные» микроорганизмы.

Какой генотип - такие и лекарства

На разных людей лекарства действуют по-разному. Один и тот же препарат может быть очень эффективным, малоэффективным, а в некоторых случаях даже оказывать негативный эффект. Это зависит не только от возраста пациента, рациона питания, приёма других медикаментов, сопутствующих заболеваний, но и от генетически обусловленных биохимических особенностей данного человека, влияющих на метаболизацию лекарственного препарата в организме.

Фармакогенетика (раздел генетики, который изучает различия в ответе организма человека на приём лекарственных препаратов) возникла более полувека назад, но лишь недавно благодаря геномным исследованиям получила надёжный метод предсказания возможных побочных эффектов действия лекарств. В 2007 году Всемирная организация здравоохранения сертифицировала и официально одобрила первый и пока единственный предиктивный (упреждающий) генетический тест на антикоагулянтный (препятствующий образованию тромбов) препарат варфарин. Это один из самых эффективных и в то же время опасных препаратов, побочное действие которого может стать причиной серьёзных нарушений в организме.

Генетики считают, что эффективность действия лекарств определяется не одним геном, а целой ассоциацией определённых форм генов. Если генетическое тестирование, проведённое перед тем, как назначать препарат, предсказывает слабый или даже отрицательный ответ организма на его действие, то врач может подобрать другой, более уместный в данной ситуации. В мире проводится множество исследований, направленных на изучение влияния генетического полиморфизма на эффективность действия лекарств. Такие сведения есть и о других препаратах помимо варфарина. Достаточно убедительными, например, выглядят генетические прогнозы, которые следует принимать во внимание при назначении метопролола - препарата, обладающего гипотензивным и антиаритмическим действием.

Фармакогенетика активно развивается, и, очевидно, в скором будущем к назначению новых эффективных сильнодействующих препаратов можно будет подходить более взвешенно, с учётом индивидуальных генетических особенностей пациента.

Гены и спорт

«Раньше считали, что судьбу человека определяют звёзды. Теперь мы знаем, что она записана в генах», - процитировал Джеймса Дьюи Уотсона, одного из первооткрывателей структуры ДНК, Олег Глотов, кандидат биологических наук, ведущий научный сотрудник НИИАГ им. Д. О. Отта СЗО РАМН (Санкт-Петербург), научный сотрудник Санкт-Петербургского государственного университета.

Вместе с братом-близнецом Андреем Олег ещё со школьной скамьи интересовался генетикой человека. Поступив в университет, братья стали активно заниматься спортом и достигли определённых успехов. Так гармонично сложилось, что областью их научных интересов стала спортивная генетика. С 2002 года они проводят исследования, направленные на изучение физических способностей человека и генетической предрасположенности к различным видам спорта. Самопознание является частью этих исследований. Олег Глотов довольно успешно занимался гиревым спортом, но, протестировав себя с помощью генетических маркеров, понял, что ему больше подходит лёгкая атлетика: обнаружил в себе задатки стайера.

Каковы научные основы предрасположенности к различным видам спорта? Важной вехой в развитии спортивной генетики считается работа английского биолога Хьюмена Монтгомери, который примерно 15 лет назад провёл первые исследования по генетическому тестированию спортсменов. Монтгомери исследовал ДНК альпинистов, покорявших семи- и восьмитысячные вершины без кислородных масок, наиболее выносливых солдат британской армии и обычных, среднестатистических англичан, не страдающих сердечно-сосудистыми заболеваниями. В 1989 году, основываясь на результатах своих исследований, Монтгомери опубликовал в научном журнале «Nature» статью, в которой сообщал, что ген ACE - ангиотензин-превращающего фермента - отвечает за выносливость спортсменов. Фермент с таким сложным названием участвует в регуляции просвета кровеносных сосудов, что в конечном итоге влияет на артериальное давление и сказывается на эффективности кровоснабжения скелетных мышц.

Активность ангиотензин-превращающего фермента (АСЕ) в тканях организма определяется «вариантами» (полиморфизмом) гена этого фермента, которые обозначают как I (от англ. insertion - вставка) и D (от англ. deletion - утрата). Так вот оказалось, что наиболее вынослив генотип I/I. Именно такой генотип, как показывают исследования братьев Глотовых, «располагает» к лучшим достижениям среди велогонщиков и бегунов на длинные дистанции. Генотип D/D оптимален для спринтеров, борцов, тяжелоатлетов.

Спортивные качества лишь на 25-30% определяются условиями внешней среды. Основной вклад вносит генетика.

В настоящее время идентифицировано более 200 генов, ассоциированных с наследственными физическими способностями человека. Среди них 27 генов «выносливости», 14 генов «мышечной силы, быстроты реакции и координированного ответа», 10 генов «повышенной работоспособности» и 13 -свидетельствующих о наличии противопоказаний к занятиям спортом. Генетическое тестирование позволяет провести предварительный отбор детей с выраженными наследственными спортивными способностями. Кроме того, основываясь на результатах тестирования, можно составлять индивидуальные тренировочные программы профессиональных спортсменов. И ещё один немаловажный момент: тестирование позволяет выявить людей с наследственными противопоказаниями к занятиям спортом и предотвратить нежелательные для здоровья последствия.

Олег и Андрей Глотовы принимают активное участие в разработке «генетического паспорта спортсмена». «В нашем распоряжении есть более 30 генетических маркеров, которые позволяют оценить генетические задатки и дать конкретные практические рекомендации», - говорит Олег.

В настоящий момент генетические паспорта получили известные российские спортсмены Андрей Аршавин, Николай Валуев, Нина Абросова, Юлия Березникова. Весной 2011 года при Всероссийской федерации тенниса был сформирован Координационный генетический совет, в состав которого вошли пять ведущих генетических центров страны.

Геномные технологии для истории, криминалистики и жизни в России

Геномные технологии имеют огромное значение для проведения различных экспертиз. Так, в 2008 году был принят Федеральный закон Российской Федерации «О государственной геномной регистрации в Российской Федерации», согласно которому началось создание федеральной базы данных геномной информации в рамках МВД РФ. Исследовательская группа биологов из девяти ведущих научно-исследовательских центров под руководством директора Института общей генетики им. Н. И. Вавилова, члена-корреспондента РАН Николая Янковского обследовала 17 популяций общей численностью 1156 человек из различных регионов России - европейской части, Северного Кавказа, Волго-Уральского региона, Сибири. Среди них - представители различных языковых групп и антропологических типов, в том числе коми, марийцев, хакасов, башкиров, татар, чувашей, даргинцев, аварцев, лезгинов, украинцев, белорусов, а также городское русское население Москвы, Белгорода, Орла, Оренбурга, Ярославля и Томска.

Анализ ДНК в медико-криминалистической экспертизе проводят в два этапа. Сначала анализируют ДНК из образцов, а затем сравнивают её с ДНК подозреваемых или родственников. Если генотипы не совпали, значит, исследуемые образцы не принадлежат предполагаемому человеку (с некоторой вероятностью). Если же генотипы совпали, то нужно учесть вероятность их случайного совпадения. Для этого сопоставляют данные генетического анализа с генетическими маркерами так называемых референтных групп людей, которые используют в качестве стандарта. А сведения о референтных группах берут из специализированных баз данных.

Пока в нашей стране в качестве стандарта используют генетическую базу данных США. Но исследование учёных Института общей генетики им. Н. И. Вавилова РАН выявило значительные отличия российских популяций населения от американских. Как рассказала ведущий научный сотрудник лаборатории анализа генома Института общей генетики им. Н. И. Вавилова РАН Светлана Боринская, работа по созданию федеральной базы геномной информации помогла установить личность преступника, совершившего террористический акт в аэропорту Домодедово в январе 2011 года. «Нам прислали на экспертизу ДНК террориста, мы сравнили со своей базой данных. Результаты генетического анализа указывали на определённое село на Кавказе», - пояснила она.

Методы ДНК-анализа использовали и при идентификации останков членов царской семьи Романовых. Данные работы, выполненные под руководством доктора биологических наук Е. И. Рогаева, заведующего лабораторией молекулярной генетики мозга Научного центра психического здоровья РАМН, в 2009 году были опубликованы в научных журналах «PNAS», «Science», «Acta Naturae».

Сети из ДНК

Очертив круг вопросов, на которые сегодня в состоянии ответить геномика, и обозначив подводную часть айсберга, побуждающую некоторых генетиков в отчаянии восклицать: «Генетическая информация в хромосоме живёт какой-то своей бурной жизнью, которую нам предстоит ещё осознать!», обратим взоры к тем, кто, заглядывая в будущее, готовит почву для систематизации накопленных данных.

Недавний выпускник МФТИ Сергей Мусиенко, пройдя интенсивный курс обучения в Singularity University - образовательном центре, основанном в самом центре Кремниевой долины, в Калифорнии, на базе NASA, - в 2011 году организовал стартап по созданию социальных сетей на основе результатов генотипирования, который назвал «Primerlife». Недавно проекту был официально присвоен статус резидента IT-кластера Сколково.

Цель проекта - объединить людей по принципу сходства результатов анализа ДНК.

На основе анализа генома, считает Сергей Мусиенко, люди вполне могли бы объединиться в группы по интересам. «Если верить растущему числу научных сообщений о том, что молекулярные биологи выявляют гены предрасположенности к различным заболеваниям, спортивным достижениям и даже обнаружили “ген способности к биржевым спекуляциям”, то, - говорит лидер проекта, - люди захотят объединиться в социальные группы, им это свойственно».

Сергей Мусиенко понимает и этические стороны, которые следует учитывать при создании такого проекта. В качестве негативной иллюстрации он привёл сюжет фильма «Гаттака»: «Сдал кровь на анализ - и потом всю жизнь работай уборщиком. Этого быть не должно. В США, например, уже случались прецеденты, и правительство приняло акт “О запрете дискриминации по результатам генетического анализа”».

В настоящий момент финансирование проекта ещё не началось, разработчики пока используют личные сбережения, но продвинулись они уже значительно - начат закрытый этап бета-тестирования. Первая версия продукта выйдет на английском языке.

На встрече этот проект активно обсуждали исследователи, журналисты, представители бизнес-сообщества. В частности, всех заинтересовал вопрос о том, не приведёт ли создание таких генетических сервисов к обратному результату - десоциализации населения в целом. Мнения разделились. Очевидно, в данном случае только практика может стать критерием истины. Мы же с нетерпением будем наблюдать за бурным развитием новой отрасли биомедицины.

В организме человека примерно 75 триллионов клеток. Все молекулы ДНК одной клетки содержат около 3,3 миллиарда пар нуклеотидов. Если построить цепочку из этих молекул, получится нить длиной 2 метра. Общая длина всех молекул ДНК в организме человека составляет примерно 10 11 километров!

Известно, что острый, а тем более хронический стресс повышает риск развития сердечно-сосудистых, онкологических и некоторых психических заболеваний. Не так давно было обнаружено, что у людей с определённым генотипом (учёные назвали его генотипом IL6 GG-174) в условиях стресса значительно повышается риск возникновения сердечно-сосудистых и онкологических заболеваний, а также болезни Альцгеймера. Без стресса этот генотип не проявляется. Кроме того, генетически предопределённый тип реакции на психологический стресс увеличивает до 30% опасность развития гипертонии.

Видеоматериалы к статье - на портале журнала«Наука и жизнь» в разделеВидео»

Мероприятия медиаклуба «Высокие технологии» поддерживает фонд «Сколково».

Информационный партнёр - телеканал «Просвещение».