ДНК с круговым движением

Американские ученые русского происхождения показали механизм возникновения тяжелых болезней, связанных с необычным изменением структуры генома. Эти знания важны как для диагностики, так и для поиска лекарств против трех десятков генетических заболеваний человека

ДНК с круговым движением

Года два назад в Бостоне в научной лаборатории мне показали снимок одной американской семьи: здоровая бабуля, рядом — ее дочь с застывшим из-за частичного паралича лицом и внук, который уже не может держать голову. Остальные многочисленные проблемы мальчика на фото не видны. Это — пример страшной нейродегенеративной болезни, атаксии Фридрейха, которая невероятно прогрессирует из поколения в поколение. Причина тому — нарушение генома.

Недавно опубликованные результаты широкомасштабного проекта ENCODE показали, из чего состоит та часть нашего генома, которую раньше называли мусорной (см. «Раздутый аппарат генома», «Эксперт» № 38 за 2012 год). В том числе в этих 99% генома часто попадаются длинные повторы одних и тех же групп нуклеотидов. По одной из версий, эти повторы возникали из-за присущей ДНК «эгоистичности»: она любит себя копировать по поводу и без. Считается, что в некодирующей части генома повторы ничем особым не занимаются. Однако они частенько попадаются и в генах, кодирующих белки, и могут привести к довольно-таки драматическим последствиям. Вопрос в количестве или длине таких повторов. Если их не больше трех-пяти десятков, они, похоже, никак не влияют на работу генов. Если две сотни — могут возникнуть проблемы в пожилом возрасте. Но если еще больше — тогда беда. Удлинение от двухсот повторов до нескольких тысяч приводит к болезни. Молодые люди до 25 лет вдруг начинают страдать от шаткости при ходьбе, частых падений, затем возникают проблемы с сердцем. Еще одна неприятность связана с тем, что в следующем поколении заболевание может принять более тяжелую форму.

Механизм возникновения этой болезни разгадали американские ученые — наши соотечественники: профессор бостонского Университета Тафтса Сергей Миркин в соавторстве с профессором Технологического института Джорджии Кириллом Лобачевым, а также профессорами Института исследований рака имени Эппли при медицинском центре Университета Небраски Юрием Павловым и Полиной Щербаковой. Часть исследований была опубликована в октябре в престижном научном журнале Molecular Cell (вскоре должно выйти продолжение в журнале Cell Reports). По мнению одного из рецензентов, генетическая мощь проведенных исследований ошеломляет.

Сплошное га-га-га

Повторы всего трех нуклеотидов GAA, превращающиеся в длинную цепочку триплетов GAA GAA GAA GAA GAA и т. д. в составе гена, кодирующего белок фратаксин, в норме есть у каждого человека. Фратаксин исполняет транспортную функцию — он выводит из митохондрий трехвалентное железо. Если функция нарушена, к примеру, супердлинными повторами из GAA, митохондрия переполняется катионами железа и, как следствие, свободными радикалами, поражающими самые метаболически активные клетки — нейроны, а также клетки миокарда, сетчатки, костной системы. Сергей Миркин показывает фотографию семьи. Родители практически здоровы: у каждого — промежуточное (порядка 150) число копий GAA-повторов. А двое из троих детей унаследовали от каждого родителя удлиненную версию повтора и в результате получили неизлечимую нейродегенеративную болезнь.

Почему повторы так резко увеличиваются при наследственной передаче? Этот вопрос много лет волнует молекулярного биолога Миркина. Вообще-то структурой повторов в ДНК он заинтересовался, когда еще работал в России. Заниматься этой темой Миркин продолжил в США, куда переехал в 1989 году, хотя было непросто: львиная доля грантов NIH (National Institutes of Health) выдается на проекты, которые потом можно конвертировать в медицину, а для его любимых повторов такой связки не было. Так что сначала Миркин изучал свойства повторов в Университете Иллинойса на небольшие «фундаментальные» гранты. И лишь когда удалось связать распространенную болезнь — синдром ломкой Х-хромосомы — с похожими повторами, пошли гранты NIH.

К этому времени Миркин уже хорошо изучил необычные структуры, образуемые ДНК повторов, и его все больше занимал механизм их удлинения. Разгадку, по его мнению, могло дать понимание генетики нестабильности повторов. Получать направленные мутации, влияющие на этот процесс у человека, по понятным причинам нельзя, зато реально сделать в модельном организме, к примеру в пекарских дрожжах. Но такие быстро делящиеся одноклеточные организмы, как дрожжи, повторы из себя выбрасывают, чтобы те не мешали их росту. И Миркин придумал изящное решение — заставить длинный повтор выключать работу гена, препятствующего росту дрожжей, сделав тем самым удлинение повтора выгодным. Идея была настолько красивой, что никто не решался проверить ее экспериментом. Как шутит Миркин, красивые идеи чаще всего себя не оправдывают. Поверил в нее постдок из России Александр Шишкин, который и провел соответствующие исследования в Университете Тафтса, где Миркин получил престижную должность именного профессора.

[inc pk='1109' service='media']

Эксперименты на генах дрожжей показали, что пороговая длина GAA-повтора, после которой он начинает удлиняться, примерно 50 триплетов, точно как у человека. Чем больше накапливается повторов, тем охотнее ДНК себя удлиняет. Шишкин предположил, что удлинение повторов может быть связано с репликацией — самовоспроизведением ДНК, когда из одной материнской ДНК получаются две дочерние идентичные ДНК. Но как происходит это удлинение? «Представьте себе, — объясняет Сергей Миркин, — несколько дорог сходятся к кольцевому перекрестку. Если, начав движение по кольцу, вы проскочили нужный поворот, придется проехать лишний круг, а если вы и второй раз проскочили, то и третий. Так и в процессе репликации». При репликации двойная спираль ДНК расплетается в месте, где происходит ее самовоспроизведение. Здесь работает сложная молекулярная машина, которую биологи называют репликативной вилкой. Так вот, когда эта вилка достигает места, где находятся повторы, она начинает там путаться и крутиться, как машина на перекрестке с круговым движением. Это связано с особой структурой нуклеотидной нитки с повторами. «Повторы склонны образовывать различные нетипичные структуры, — рассказывает Миркин. — Классическая ДНК — это двойная спираль. Но в местах повторов она может принимать форму шпильки, или тройной спирали, или даже четверной. Как машина, бегающая по кругу, накручивает на спидометр километраж, так и в строящейся во время репликации ДНК накручивается количество повторов». Объяснение получилось красивое, но нужно было выяснить, мутации в каких генах, контролирующих репликацию, могут провоцировать такую экспансию повторов. Миркин — молекулярный биолог, и ему потребовалась помощь генетиков.

Генетики помогли

«В США работает много наших блестящих генетиков, — рассказывает Сергей Миркин, — учеников Сергея Георгиевича Инге-Вечтомова, завкафедрой генетики ЛГУ, одного из лучших мировых специалистов по генетике дрожжей. Сам Сергей Георгиевич — ученик Михаила Ефимовича Лобашёва, чудом уцелевшего во время лысенковского разгрома и написавшего первый учебник по генетике после обструкции».

Миркин обратился к одному из учеников Инге-Вечтомова — Кириллу Лобачеву, профессору Технологического института Джорджии. «Кирилл — генетик от бога, — продолжает Миркин. — Он невероятно энергичен, азартен и в то же время скрупулезен и добросовестен». Главным образом благодаря этим качествам Лобачева и удалось изучить влияние каждого из шести тысяч генов дрожжей на процесс удлинения повторов. Оказалось, из этих шести тысяч только 22 гена непосредственно влияют на процесс удлинения повторов, а 16 из них участвуют в репликации ДНК. Это было блестящим подтверждением репликативной гипотезы.

[inc pk='1110' service='media']

Но связь остальных генов с аппаратом процесса транскрипции (копирования информации с ДНК на РНК) оказалась на первый взгляд неожиданной. Хотя и этому, по-видимому, есть объяснение. Повторы, как правило, удлиняются в делящихся клетках (деление происходит после окончания репликации) в процессе передачи генетической информации от поколения к поколению. Но удлинение повторов наблюдается и в неделящихся клетках — например, в нейронах и клетках сердечной мышцы, где никакой репликации нет. Возможно, там удлинение происходит в процессе транскрипции: РНК-полимераза точно так же, как и ДНК-полимераза, при репликации запутывается в закрученной структуре повторов. Это стало еще одним открытием проведенного исследования. Например, тяжесть проявлений такого страшного заболевания, как хорея Гентингтона, при котором наблюдаются неконтролируемые движения и нарастающие когнитивные и психические расстройства, как раз связана с удлинением повторов в нейронах.

Несмотря на успех исследования, многие вопросы оставались неразрешенными. К примеру, почему в одной семье из поколения в поколение происходит резкое удлинение повторов, а в другой, где родители также являются носителями заболевания, у потомства удлинения повторов не наблюдается. Это свидетельствует о наличии других влияющих на процесс факторов. Чтобы выяснить каких, Миркин позвал еще двух генетиков из той же питерской школы — Юрия Павлова и Полину Щербакову. «Юрий — феноменальный генетик, с широчайшей эрудицией и философским складом ума, — говорит Миркин. — Он предложил изучать мутации в генах ДНК-полимеразы, одной из участниц репликативной вилки, считывающей информацию с нитки ДНК». Потребовались новые скрупулезные эксперименты. В гены, кодирующие ДНК-полимеразу, вносились точечные мутации. «Полина, специалист по мутантным ДНК-полимеразам и их роли в возникновении рака, предложила использовать три конкретные мутации, и, как потом выяснилось, угадала на сто процентов, — восхищается коллегами Миркин. — Все три внесенные в гены ДНК-полимеразы точечные мутации приводили к драматическому увеличению длины повторов!» Исследования помогли объяснить, почему в одних семьях болезнь в поколениях развивается и прогрессирует, а в других нет: если в семье присутствуют еще и скрытые мутации в генах одного из главных действующих лиц репликации — ДНК-полимеразе, — быть беде.

[inc pk='1111' service='media']

Мишени есть, можно искать пули

Все эти процессы были испытаны на модельных организмах — дрожжах. Но ученые полагают, что их результаты можно смело экстраполировать и на другие организмы, в том числе на людей, поскольку механизмы таких базовых клеточных процессов, как репликация и транскрипция, у всех организмов консервативны и сходны. Они также предполагают, что результаты их работы, касающиеся одного заболевания — атаксии Фридрейха, можно отнести и к другим генетическим заболеваниям, связанным с удлинением нуклеотидных повторов. Таких заболеваний как минимум тридцать. Среди них синдром ломкой X-хромосомы, хорея Гентингтона, миотоническая дистрофия, некоторые формы болезни Лу-Герига и другие. Но синдром ломкой X-хромосомы, приводящий к задержке умственного развития, встречается у одного из тысячи новорожденных, притом что его потенциальным носителем является каждый двухсотый человек. Хорея Гентингтона проявляется после 35 лет, когда больной, как правило, уже успевает передать страшное генетическое наследие своим детям.

Фундаментальные знания, полученные в ходе многолетних исследований, через некоторое время можно будет использовать в медицине. Во-первых, при диагностике. «Не за горами день, — говорит Миркин, — когда мы будем знать последовательность генома каждого живущего на Земле человека». Анализ выявленных мутаций позволит выявить риски появления или развития заболеваний и при необходимости обсуждать вопрос, стоит ли при неблагоприятных прогнозах обзаводиться потомством. Во-вторых, знание механизмов означает знание мишеней, в которые могут целиться фармацевты. «Мы знаем, какие гены вовлечены в процесс и какие продукты этих генов могут быть мишенями для лекарств. Соответственно, мы можем начать поиск лекарств против болезней, вызванных удлинением повторов. Мы нащупываем сейчас такие подходы, но это совсем другое направление деятельности, которое находится пока у истоков. Во всяком случае, добытое нами фундаментальное знание вселяет надежду», — говорит Сергей Миркин.

Статьи по теме:
Международный бизнес

Интернет больших вещей

Освоение IoT в промышленности позволит компаниям совершить рывок в производительности

Спецвыпуск

Бремя управлять деньгами

Замедление экономики разводит все дальше банки и реальный сектор

Бизнес и финансы

Номер с дворецким

Карта столичных гостиниц пополнилась новым объектом

Тема недели

От чуда на Хангане — к чуду на Ишиме

Как корейский опыт повышения производительности может пригодиться Казахстану?