"Геном человека": на пороге революции в медицине
|
Великий русский биолог Н.Тимофеев-Ресовский писал: "В удивительном по своей стройности и сложности индивидуальном развитии многоклеточных организмов, к каковым относится и организм человека, с высокой точностью в должное время в должном месте происходит должное". К сожалению, врачам приходится иметь дело с исключениями из этого правила, верного для здорового организма. Диагностика, лечение и профилактика наследственных и врожденных заболеваний и пороков относятся к самым актуальным задачам медицинской генетики. Большинство современных подходов к их решению базируется на результатах молекулярно-генетических исследований, объединенных в программу "Геном человека" - самый крупномасштабный международный биологический проект. Затраты на исследования по этой программе в мире составляют более 400 млн $ в год, а ее общая стоимость соизмерима со стоимостью программы полета на Луну. Мы попросили прокомментировать интересные для медиков результаты и перспективы реализации этого проекта заведующего лабораторией анализа генома Института общей генетики им. Н.И.Вавилова РАН профессора Николая ЯНКОВСКОГО и научного сотрудника этой лаборатории кандидата биологических наук Светлану БОРИНСКУЮ.
ДНК-диагностика входит в практику Изучение генома направлено на выявление всех генов человека, установление их функций и взаимодействий в норме и при нарушениях, приводящих к болезням. Полностью геном человека должен быть прочитан к 2003 году, сейчас над этим работают разными методами, конкурируя друг с другом, международный консорциум государственных научных центров и частная биотехнологическая компаний "Селера", основатель которой К.Вентер первым объявил в прошлом году о "черновом" прочтении (секвенирование) генома. Конечная цель обоих конкурентов - определение последовательности всех 3 млрд нуклеотидов, из которых состоит геном человека. При этом число ошибок не должно превысить 300 тыс. (не более одной ошибки на 10 тыс. нуклеотидов). Пока прочитанные участки ДНК человека не соединены в единую последовательность, и точность прочтения на порядок ниже необходимой. Кроме понимания фундаментальных законов жизни открытия геномики приносят заметную практическую пользу. Фармацевтические компании вкладывают огромные средства в геномные исследования. По предсказанию Френсиса Коллинза, возглавляющего американскую программу исследований генома человека, уже в первой половине наступившего века лечение самых разных недугов будет основано на использовании синтетических генных продуктов, которые станут изменять работу заболевших клеток и органов в нужном направлении (см. табл.). Первыми практическими результатами реализации программы "Геном человека" явились принципиально новые подходы к диагностике и лечению наследственных моногенных заболеваний. Если известно, какие именно генные мутации приводят к заболеванию, то их можно тестировать на любой стадии развития организма еще до появления первых признаков заболевания. Возможность ранней диагностики позволяет провести профилактическое лечение и не дать болезни проявиться. Например, при заболеваниях обмена веществ (фенилкетонурия, болезнь Вильсона - Коновалова) профилактикой является специальная диета. Если болезнь смертельная и неизлечимая (например, миодистрофия Дюшенна), то дородовая ДНК-диагностика позволяет врачам дать рекомендацию о прекращении беременности на ранних сроках. В России сейчас живет около 1,5 млн инвалидов по причинам генетической природы. Это не только страдания самого больного и его семьи, но и огромный груз для общества. Лечение большинства этих болезней оказывается малоэффективным. Ежегодные затраты бюджета на медицинское и социальное обеспечение таких больных в нашей стране превышают расходы на среднее образование всех здоровых детей. В то же время затраты и экономический эффект от дородовой диагностики наследственных заболеваний соотносятся как 1:400. За последние годы профессором Н.Кулешовым (Медико-генетический научный центр РАМН) в практику здравоохранения в России внедрена ДНК-диагностика, в том числе дородовая. В настоящее время в нашей стране действуют четыре крупных медико-генетических центра (в Москве, С.-Петербурге, Томске, Уфе), которые имеют возможность провести диагностику около 30 самых распространенных наследственных заболеваний. А всего из 4 тыс. известных наследственных болезней для 200 найдены гены, мутации в которых приводят к развитию заболевания. Гены болезни Альцгеймера Одним из тяжелых заболеваний, для которого найдены определяющие его развитие гены (хотя, конечно, еще далеко не все), является болезнь Альцгеймера (БА), неизлечимая на сегодняшний день. Она поражает в основном людей преклонного возраста и неуклонно прогрессирует - человек теряет эмоциональную стабильность, перестает ориентироваться в окружающей обстановке, узнавать близких. Через несколько лет после начала заболевания неизбежно наступает смерть больного, который к тому времени находится в тяжелом беспомощном состоянии. Среди естественных причин смертности БА стоит на четвертом месте. В мозгу больных были обнаружены мелкие бляшки, состоящие из так называемого амилоидного белка, окруженные дегенерирующими нейронами. Выяснение механизма образования бляшек при БА многое сказало бы о сходных изменениях, лежащих в основе возрастных изменений памяти и интеллектуальных способностей у пожилых людей. Для этого необходимо знать, каким образом нарушены функции больных клеток, как изменены белки и кодирующие их гены. Доктор биологических наук Е.Рогаев с зарубежными коллегами и сотрудниками Научного центра психического здоровья РАМН провел серию исследований и установил, что один из генов, ответственных за развитие БА, находится на общем для всех больных участке хромосомы 14. Для того чтобы найти сам ген в этом районе, были использованы банки генов. Так называют фрагменты хромосомы, встроенные в специальные молекулы-векторы, которые можно легко размножить в клетках дрожжей или бактерий. В банке генов были найдены фрагменты хромосомы, соответствующие исследуемому участку. Размер каждого фрагмента составляет около 1 млн пар нуклеотидов, и их легче анализировать, чем целую хромосому. Анализ фрагментов хромосомы позволил определить район, в котором должен находиться искомый ген. Все гены из этого района выделили и установили их полную нуклеотидную последовательность. В одном из них были найдены мутации, встречающиеся только при БА. Очень похожий ген найден на хромосоме 1. Гены назвали пресенилинами. Люди с такими мутациями пресенилинов заболевают к 30-60 годам, и никакие условия среды, к сожалению, не могут предотвратить или остановить болезнь. Удалось установить некоторые функции белков-пресенилинов - они помогают амилоидному белку обрести "рабочую форму". Пресенилины участвуют также в созревании нейронов в другом процессе, который привлекает внимание многих ученых, - запрограммированной смерти клеток (апоптоз). Еще один ген, влияющий на развитие БА, найден на хромосоме 19. Он кодирует белок аполипопротеин Е, поэтому сам ген называется apoE. Видимо, он связан с регенерацией нервных тканей. Показано, что присутствие одного из аллелей этого гена неблагоприятно для восстановления после травм головы, анестезии или инсульта. При БА этот аллель встречается гораздо чаще, чем у здоровых. Возможно, он является не столько причиной развития слабоумия, сколько фактором, затрудняющим регенерацию повреждений ЦНС (особенно, если присутствует в копиях гена на обеих хромосомах), независимо от того, по какой причине они возникли - генетической или в результате травмы. Хотя данный аллель является фактором риска при БА, в отличие от мутаций пресенилинов его присутствие не обязательно вызывает заболевание. Выявление генов болезни Альцгеймера дает возможность диагностировать ее еще до появления каких-либо симптомов и даже до рождения. Кроме того, выяснение механизмов развития заболевания помогает разрабатывать новые препараты, которые действуют на причину болезни, а не на симптомы. Для этого работу мутантного гена изучают на специально полученных культурах клеток и трансгенных животных. В таких экспериментах можно подобрать лекарства, влияющие на разрушительное действие мутантных генов, например препараты, которые останавливают гибель клеток. Компьютер вместо пробирки В течение 100 лет изучение генов основывалось на экспериментах in vivo и in vitro. Появившиеся в 60-е годы компьютеры были лишь вспомогательным средством для обработки и хранения данных. С конца 80-х началось создание баз данных, в которых хранится информация о миллионах последовательностей нуклеотидов в ДНК и РНК или аминокислот в белках, и они еще ждут обработки и последующего практического применения. Компьютерный анализ превратился в самостоятельную область науки - биоинформатику. Исследования in silico, то есть в компьютере, уже привели к расшифровке многих "слов" генетического текста - команд, записанных в ДНК и управляющих жизнью клетки. Для такой расшифровки используют специально разработанные программы, например для статистического анализа распределения нуклеотидов в ДНК. Без компьютерных биоинформационных технологий развитие геномных исследований было бы невозможным. Компьютерный поиск генов особенно важен для исследования генома человека, так как в этом случае методы классической генетики имеют ограниченное применение - ведь человек, в отличие от мух-дрозофил, не может быть объектом генетических экспериментов. Впрочем, результаты экспериментов, поставленных на животных, могут быть применимы и для человеческого генома. Наиболее важные участки генома относительно мало изменяются в процессе эволюции, и их функции, установленные в экспериментах на мышах или мухах, оказываются такими же и у человека. Однако экспериментальный поиск одного гена занимает недели и месяцы работы целой лаборатории. Компьютерные методы позволяют сделать это за считанные минуты, если просеквенирована ДНК организма и есть хорошие алгоритмы поиска. Созданием таких алгоритмов и занимается биоинформатика. Кстати, Россия в этой области не только не отстает, но и зачастую опережает западные страны, и работы наших ведущих специалистов в этой области имеют мировую известность. Различные программы используют для поиска генов, регуляторных сигналов в ДНК, предсказания структуры и функций белка, его локализации в клетке, для реконструкции метаболизма. Реконструкция метаболических реакций, происходящих в разных клетках и тканях, будет одним из следствий расшифровки генетической информации человека. Этика + генетика = ГенЭтика Исследования в области генома человека порождают ряд серьезных этических проблем. Не за горами время, когда каждый из нас сможет иметь свой генетический паспорт. Но кто и с какой целью имеет право проводить генетическое тестирование людей? Как должна храниться и использоваться полученная информация? Кто может иметь к ней доступ? Не сомнений в том, что ДНК-тестирование может проводиться только с согласия индивида. Необходимо его согласие и на то, как будут использоваться полученные в результате тестирования данные. На международной конференции "Проблемы генЭтики", прошедшей в Лиссабоне в июне 2000 года, обсуждался вопрос, кому должна быть доступна информация о генетическом тестировании. Должна ли она быть доступна членам семьи тестируемого (ведь эти данные могут иметь важное значение для их здоровья и благополучия родных)? Как быть с неизлечимыми заболеваниями, которые могут диагностироваться генетическими методами? Человек имеет право знать о том, что его ожидает, но он имеет такое же право отказаться от этого знания. К сожалению, уровень информированности общества о достижениях и перспективах генетики пока крайне низок. Так, в западных странах около трети опрошенных считают, что генетически модифицированные помидоры вредны, потому что содержат гены, а обычные хороши тем, что в них генов нет. Опрос, проведенный фондом "Progress Educational Trust" (Великобритания), показал, что на вопрос "О каких достижениях биологии вы слышали?" ответы расположились в следующем порядке: дети из пробирки (90 проц.), клонирование (87 проц.), генноинженерные методы получения растений и животных (69 проц.), генетическое тестирование заболеваний (67 проц.), генотерапия (42 проц.). Между тем по значимости для практики эти достижения располагаются в обратном порядке. Поэтому так важно довести до сознания людей реальное положение дел, чтобы не было страха, возникающего из-за недостатка информации. Обществу надо бояться не достижений науки, а того, как эти достижения используются. Наука не может открыть что-нибудь обратно, будь то атомная энергия или геном человека. Так что жить с новыми возможностями человечеству придется, и ключевые вопросы этики будут все больше выступать на первый план. Но это вопрос уже не к науке, а к обществу. Подготовил Федор СМИРНОВ. |