Наука в фокусе, Мануал по геному
В «мусорной» ДНК ученые нашли регуляторы и переключатели генов. Таким образом, считает Надежда Маркина, сделан большой шаг к тому, чтобы получить «руководство пользователя» человеческим геномом.
В научных кругах несколько лет назад ходила байка, что Господь, создавая человека, действовал как настоящий программист. Программа обычно занимает гораздо меньше объема, чем комментарии к ней. В геноме оказалось то же самое. Лишь спустя десятилетие после прочтения человеческой ДНК «по буквам» ученые начали разбираться в «комментариях» к ней. Они нашли в геноме миллионы регуляторов работы генов, выяснили, как они действуют, и получили массу информации о генетических заболеваниях.
В начале сентября 2012 в научном мире случилась сенсация — одновременно вышли 30 с лишним статей с результатами одного проекта под названием ENCODE.
Подобного всплеска молекулярно-генетических публикаций не случалось уже давно. Cуть проекта состоит в том, что ученые исследовали ту часть ДНК, которую часто называют «мусорной» (junk DNA), — она не содержит генов, а значит, не кодирует белков. Было непонятно, для чего она нужна. Но «мусор» оказался поистине золотым.
Прочитан — не значит расшифрован
В 2000 году мир узнал о том, что ученые прочитали геном человека. Точнее, тогда они получили «черновик», а о полном прочтении объявили в 2003 году. В СМИ для этой работы использовали слово «расшифровка генома», хотя это не совсем корректно описывает результат многолетней работы международного консорциума. То, что получили, — это не «расшифровка», а самая настоящая «шифровка». Исследователи секвенировали человеческую ДНК, то есть распознали последовательность из 3 млрд букв (А, С, T, G), обозначающих составные «кирпичики» ДНК — нуклеотиды. Двойная спираль молекулы, в которой закодирована наша наследственная информация, превратилась в длинную телетайпную ленту с буквами, некоторые из которых складывалась в «слова» — гены. Но слов-то оказалось относительно немного — количество генов в геноме человека ученые оценивают в 20–25 тыс. Эта цифра совсем не поражает в сравнении, например, с мухой дрозофилой, у которой 14 тыс. генов. А у крошечного пресноводного рачка дафнии насчитали более 30 тыс. генов — на сегодня он остается чемпионом в этой номинации. Но мы-то посложнее устроены, чем дафния, один мозг человеческий чего стоит! Стало ясно, что особенность генетического устройства человека не в количестве, а в качестве. Собака зарыта, таким образом, не в самом наборе генов, а в тонкой и сложной регуляции их работы.
Доктор биологических наук, биоинформатик Михаил Гельфанд заметил как-то в нашем с ним разговоре, что секвенированный геном — лишь найденный папирус, на котором виден непонятный текст. Но мы не знаем, что на нем написано, не можем перевести на свой язык. То есть мы не понимаем, как работает геном: почему в одних клетках включаются одни гены, в других клетках — иные (и благодаря этому клетки нашего организма разные), почему одни гены работают только в эмбрионе, а по мере развития человека вместо них начинают работать другие и т. д. Сами гены, как оказалось, занимают всего 1–2% длины молекулы ДНК. Конечно, ученые догадывались, что не всё просто, природа не может быть настолько расточительна, и «мусорная» ДНК для чего-то очень нужна. Но чтобы это показать, нужно было сделать много работы, которая под силу только большому международному консорциуму. Это и стало целью проекта ENCODE (Encyclopedia of DNA Elements), в котором участвуют более 400 исследователей, участники 32 научных групп.
Геномная «темная материя»
Как генетики изучали ДНК, которая не делает белков? Во-первых, они убедились в том, что с некодирующих участков генома тоже образуется РНК. Основную роль в этой работе сыграла группа лаборатории Колд-Спринг-Харбор под руководством профессора Томаса Джинджераса (Thomas Gingeras). Именно она доказала, что три четверти человеческой ДНК образует РНК, хотя большая часть этой РНК не несет информации для синтеза белков клетки. Доктору Джинджерасу и его коллегам удалось описать тысячи неизвестных ранее РНК, которые обеспечивают генную регуляцию.
Во-вторых, они пометили ДНК особым ферментом (DnaseI), который прикрепляется к определенным местам молекулы. Это и оказались регуляторные участки, которые связываются с белками — транскрипционными факторами — и через них влияют на работу генов. Одни из них расположены непосредственно рядом с генами, другие — совсем далеко от них.
Дирижеры генного оркестра
Итак, на 25 тыс. генов в ДНК обнаружилось около 4 млн регуляторных участков. Каждый ген взаимодействует с множеством регуляторов. «Большинство людей представляют геном линейно — 3 млрд нуклеотидов, вытянутых в линию, — говорит Марк Герштейн (Mark Gerstein), профессор биоинформатики на отделении молекулярной биофизики и биохимии Йельского университета (США). — Но это не так. Геном — трехмерный объект». По его словам, «мы как будто открыли коммутационный отсек и увидели спутанный клубок проводов. И теперь мы пытаемся распутать этот клубок и разобраться, куда ведут провода». В статье в Nature Марк Герштейн и его коллеги пишут про сложную пространственную сеть, в которую объединены транскрипционные факторы, которые регулируют работу генов на разных уровнях: среди них есть топ-регуляторы, регуляторы среднего и низшего звена.
Ученые работали с большим разнообразием клеток — всего они изучили 147 типов клеток, взятых из многих тканей на разных стадиях их развития. Оказалось, что команда регуляторов, которые дирижируют генным оркестром, меняется с типом клетки и со временем. Для разных клеток исследователи создали карты активных регуляторных участков. Именно в этом ключ к пониманию того, что клетки развиваются и проходят дифференцировку от стволовых к специализированным, именно поэтому нервные клетки не похожи на мышечные и т. д.
«Полученные карты генома разных клеток можно сравнить с картами, которые нам дает Google Maps, — объясняет Эрик Лэндер (Eric Lander), президент Broad Institute (объединенный институт, в состав которого входят Массачусетский технологический институт, Гарвардский университет и институт Уайтхеда). — По сравнению с ними результаты предшествующего проекта «Геном человека» давали нам взгляд на Землю из космоса. По этим снимкам невозможно определить, где проходят трассы, каков на них трафик в данное время дня, они не укажут вам на лучшие рестораны в округе или на больницы в этом городе на берегу реки». Теперь же, продолжая сравнение, по геному стало возможно «ездить с навигатором».
Болезни — чаще поломка не генов, а регуляторов
В последнее десятилетие ученые активно исследуют генетическую природу различных заболеваний. Этому помогает широкогеномное генотипирование — GWAS (genome wide association study). В группе больных и в группе здоровых людей сравнивают генетическую вариабельность, или однонуклеотидный полиморфизм (SNIP) — точечные мутации, выражающиеся в замене одного нуклеотида другим. И выявляют ассоциации каких-то мутаций с болезнью. Иногда удается связать болезнь с определенными генами.
Трудность состоит в том, что только 15% этих вредных мутаций приходится на гены, и тогда можно понять, что именно ломается. А 85% мутаций попадает не на гены, а на ту самую межгенную «темную материю», о которой ученые до недавнего времени почти ничего не знали. «Большинство изменений, которые связаны с болезнями, лежат не в самих генах, а в переключателях», — говорит Майкл Снайдер (Michael Snyder), исследователь из Стэнфордского университета (США). Поэтому работы по расшифровке генома пока дают очень малый эффект для диагностики и лечения.
«Многие исследователи находили участки человеческого генома, мутации в которых вызывают болезни, — объясняет Джоб Дэккер (Job Dekker), профессор отделения биохимии и молекулярной фармакологии Медицинской школы Массачусеттского университета (США). — Во многих случаях эти участки не содержат генов, и понять причину патологии трудно. Данные ENCODE показывают, что многие из этих мутаций затрагивают регуляторные элементы генов, и в некоторых случаях мы можем найти, какие гены регулируются этими элементами. Таким образом, мы можем лучше понять генетические основы болезни».
Разбираясь в том, какие регуляторы ломаются и работу каких генов они нарушают, удалось обнаружить неожиданные связи между, казалось бы, далекими по природе заболеваниями, пишут авторы статьи в Nature. Например, одна мутация в регуляторном участке изменяет работу нескольких генов, что может привести к рассеянному склерозу, волчанке, ревматоидному артриту, болезни Крона, глютеновой болезни.
«Самый главный выход проекта — в предоставлении громадного массива данных для сравнительного анализа функциональных карт, — считает Юрий Лебедев. — Проведение такого анализа крайне важно для развития медицины, поскольку его результаты могут ответить на вопрос, что изменится в геноме больных клеток по сравнению с геномом здоровых. Если мы возьмем ДНК из клеток двух типов, например клеток раковой опухоли легкого и неповрежденных клеток легкого (поверхностный эпителий альвеол), у них можно сравнить профиль метилирования или связь с транскрипционными факторами — и профили будут разными. Если этот результат получен не на одном пациенте, а на многих, он может стать диагностическим признаком».
Таким образом уже удалось найти мутации, которые связаны с развитием рака, — подавляющее число мутаций в раковых клетках появляются опять-таки не в генах, а в зоне «темной материи». Об этом говорит д-р Марк Рубин (Mark Rubin), специалист по генетике рака простаты из Медицинского колледжа Вейл Корнелл в Нью-Йорке. Его группа обнаружила мутации в ключевых генах, связанные с раком простаты, которые, однако, было невозможно компенсировать лекарствами. Теперь ясно, какие участки «темной материи» нарушают работу этих генов — появились новые мишени для лекарственной терапии.
Марк Герштейн считает, что результаты проекта ENCODE найдут применение в области персональной геномики: «В будущем каждый человек будет располагать собственным секвенированным геномом и сможет использовать эту информацию для получения персональной медицинской помощи. Индивидуальные генетические карты будут использованы для оценки индивидуального риска развития тех или иных болезней и для разработки индивидуальной схемы лечения».