Геном

Болезнь Хантингтона была первым описанным при­мером доминантного генетического заболевания людей. В отличие от алкаптонурии, которая возникает, только если обе копии гена повреждены, для возникновения бо­лезни Хантингтона достаточно того, чтобы лишние повто­ры оказались только на одной хромосоме. Есть сведения, что болезнь развивается быстрее с более сильными прояв­лениями расстройств и с тенденцией к накоплению новых повторов, если ген унаследован от отца.

В конце 1970-х годов одна целеустремленная женщина ре­шила бросить вызов болезни Хантингтона. События разви­вались так. Вдова Вуди Гатри вскоре после его смерти осно­вывает Комитет по борьбе с хореей Хантингтона. В этот комитет входит доктор Мильтон Векслер (Milton Wexler). Жена и три его шурина страдают болезнью Хантингтона. Дочь Векслера, Нэнси, знает, что с вероятностью в 50% она унаследовала этот страшный ген, поэтому поиск гена Хантингтона стал смыслом ее жизни. Ей советовали не то­ропиться. Сейчас искать ген все равно, что искать иголку в стоге сена. Это бессмысленно. Через несколько лет тех­ника и методы станут более совершенными, тогда это и станет возможным. На что Нэнси отвечала: «Если у вас бо­лезнь Хантингтона, у вас нет нескольких лет, чтобы ждать». Прочитав в журнале публикацию венесуэльского доктора Америко Негретте (Americo Negrette), она в 1979 году вы­летает в Венесуэлу в сельскую местность, затерянную на бе­регу залива Маракайбо (Lake Maracaibo), где находятся три деревни — Сан Луис (San Luis), Барранкитас (Barranquitas) и Лагунета (Laguneta). Огромный и почти отрезанный от моря залив Маракайбо расположен в западной части Венесуэлы за горами Кордильера-де-Мерида (Cordillera de Merida).

Среди жителей этих отрезанных от мира деревень, ко­торые приходятся друг другу родственниками, широко рас­пространена болезнь Хантингтона. По преданию болезнь пришла в XVIII веке с заезжим моряком. Нэнси Векслер уда­лось проследить родословную семей, страдающих болезнью Хантингтона, вплоть до начала XIX столетия, до женщины по имени Мария Консепсион (Maria Conception). Она жила в Пуэблос-де-Агуа (Pueblos de Agua) — маленькой деревуш­ке, стоящей на сваях над водой. Векслер насчитала 11 ООО прямых потомков этой женщины в восьми поколениях, из которых в 1981 году в живых было 9 ООО. На момент прибы­тия Векслер 371 из них страдали болезнью Хантингтона, и еще у 3 600 был риск с вероятностью не менее 25% заболеть этой болезнью, поскольку хотя бы один из дедушек или одна из бабушек стали ее жертвой.

Векслер принялась за работу с невероятным энтузиаз­мом, который можно понять, так как у нее самой был риск заболеть болезнью Хантингтона. «Невыносимо смотреть на многочисленных детей, — пишет она, — полных надеж­ды и ожиданий счастливой жизни, несмотря на бедность и безграмотность, несмотря на опасную и изматывающую работу мальчиков, ловящих рыбу в маленьких лодочках на неспокойном озере, и хрупких девушек, держащих на сво­их плечах дом и заботящихся о больных родителях, тогда как безжалостная болезнь лишает их родителей, дедушек и бабушек, тетушек и дядюшек, племянников и племянниц. Они все такие первозданно жизнерадостные, пока болезнь не вонзит в них свои когти» (Wexler N. 1992. Clairvoyance and caution: repercussions from the Human Genome Project. In: The code of codes. Ed. D. Kevels, L. Hood. p. 211-243. Harvard University Press).

Векслер начала перебирать стог сена в поисках иголки. Прежде всего она взяла анализ крови у 500 человек: «жар­кий, шумный день забора крови». Образцы крови она посы­лает для анализа в лабораторию Джима Гуселлa (Jim Gusella) в Бостоне. Он начинает поиск специфических генетиче­ских маркеров — случайно выбранных участков ДНК, ко­торые могут быть, а могут и не быть, специфичными для больных людей. Фортуна улыбнулась ему, и в середине 1983 года он не только нашел маркерную последовательность, но и выяснил, что данная последовательность находится на длинном плече хромосомы 4. Ему удалось определить, что где-то среди этих 3 млн пар нуклеотидов хромосомы лежат те, с которыми связано возникновение болезни. Вскоре он смог сократить область поиска до 1 млн нуклеотидов. Стог сена стал меньше, но все еще был большим. И через восемь лет точное местонахождение гена все еще оставалось тай­ной. «Было чрезвычайно сложно разобраться в этих терно­вых зарослях на вершине хромосомы 4, — пишет Векслер. — Наверно, также сложно, как взобраться на Эверест» (см. ссылку на Wexler N. 1992 в предыдущем абзаце).

Упорство рано или поздно приводит к победе. В 1993 го­ду ген, наконец, был найден, его текст прочитан и мутация, ведущая к болезни, определена. Ген кодирует белок под названием хантингтин. Белок был открыт уже после гена, отсюда его название. Повтор «слова» CAG в середине гена ведет к тому, что в середине белка появляется длинная це­почка из аминокислоты глутамина (в генетическом коде CAG означает глутамин). В случае с болезнью Хантингтона чем больше глутамина в цепочке, тем быстрее развивается болезнь (Hantington's Disease Collaborative Research Group. 1993. A novel gene containing a trinucleotide repeat that is ex­panded and unstable on Hantington's disease chromosomes. Cell72: 971-983).

Несмотря на полученные сведения, о причинах возник­новения болезни ничего неизвестно. Если ген поврежден, то почему он справляется со своими функциями первые 30- 70 лет жизни? Можно предположить, что мутантная форма хантингтина постепенно накапливается в клетках, пока не приводит к коллапсу. Так же происходит, например, в слу­чае с болезнью Альцгеймера и коровьим бешенством — на­копление липких сгустков мутантного белка внутри клеток приводит к их смерти, вероятно, вследствие апоптозиса — запрограммированного самоубийства клеток. При болезни Хантингтона поражаются в первую очередь клетки моз­га, управляющие координацией движений, что приводит к дрожанию рук, а затем — к параличу (Goldberg Y. R et al. 1996. Cleavage of hantingtin by apopain, a proapoptotic cys- tein protease, is modulated by the polyglutamine tract. Nature Genetics 13: 442-449; DiFiglia M. et al. 1997. Aggregation of huntingtin in neuronal intranuclear inclusions and dystrophic neurites in brain. Science277: 1990-1993).

К удивлению, оказалось, что проблемы с зациклива­нием «слова» CAG не ограничиваются только болезнью Хантингтона. Было открыто еще пять неврологических наследственных заболеваний, связанных с «нестабильны­ми повторами CAG» в совершенно разных генах. Одно из этих заболеваний — церебральная атаксия. Еще удивитель­нее был результат эксперимента, в котором последователь­ность многократно повторяющихся нуклеотидов CAG встав­лялась в гены мышей, подобранные случайным образом. Во всех случаях проявлялась картина нервного расстройства, напоминающая болезнь Хантингтона. Таким образом, длин­ные повторы CAG могут вызывать неврологические заболе­вания, в каком бы гене они не находились. Позже было уста­новлено, что дегенеративные расстройства психики могут вызывать повторы других слов, начинающихся с С и закан­чивающихся на G. В итоге к шести известным болезням, вызываемым повторами CAG, добавились другие болезни из той же серии. Так, в начале одного гена на половой хро­мосоме X было обнаружено более 200 повторов слов CCG и CGG, что приводит к заболеванию, известному как «ломкая хромосома X» — меняющееся по проявлениям, но вполне характерное для других перечисленных выше заболеваний расстройство психики. (До 60 повторов считается нормой, но в некоторых случаях число повторов достигало тысячи.) Повтор слова CTG от 5 до 1000 раз в одном из генов на хро­мосоме 19 ведет к миотонической дистрофии. Еще дюжину наследственных болезней человека связывают с повторяю щимися нуклеотидными триплетами. Все их объединяют в группу так называемых пол иглутаминовых болезней. Во всех случаях синтезируемые белки имеют свойство сбиваться в комки и накапливаться в клетках, что приводит к их смер­ти. Отличия в симптомах связаны с тем, что разные гены включаются в работу в разных органах человеческого тела (Kakiuza А. 1998. Protein precipitation: a common etiology in neurodegenerative disorders. Trends in genetics 14: 398-402).

Что же такого особенного в «слове» C*G, кроме того, что оно означает глутамин? Разгадка пришла с открытием феномена, называемого «ожидаемая репликация». Было известно, что в некоторых случаях болезни Хантингтона у детей от больных родителей болезнь обостряется и на­чинается в более молодом возрасте, поскольку у них в хро­мосоме число повторов возрастает. Феномен ожидаемой репликации состоит в том, что чем больше повторов, тем с большей вероятностью число повторов еще более увели­чится в следующем поколении. Известно, что нуклеотиды C*G в однонитчатой ДНК, которая образуется как раз во время репликации, образуют так называемые булавочные ушки — петли, в которых комплементарные нуклеотиды С и G, разделенные одним нуклеотидом, расположенным между ними, образуют связь. Петля разрывается, только когда белок, осуществляющий репликацию, уже прошел этот триплет. В результате белок может быть отброшен на­зад, и триплет будет скопирован повторно (Bat О., Kimmel М., Axelrod D. Е. 1997. Computer simulation of expansions of DNA triplet repeats in the fragile-X syndrome and Hantington's disease .Journal of Theoretical Biology 188: 53-67).

Приведем простой пример. Если повторить нуклеотид- ный триплет шесть раз - CAG CAG CAG CAG CAG CAG, - нетрудно будет посчитать число повторов и скопировать их. Но если повторов много - CAG CAG CAG CAG CAG CAG CAG CAG CAG CAG CAG CAG CAG CAG CAG CAG CAG CAG CAG CAG CAG CAG CAG CAG CAG CAG CAG CAG CAG CAG CAG CAG CAG CAG CAG CAG, - я готов поспорить, что вы наверняка собьетесь, считая их. Примерно то же про­исходит с белком, выполняющим репликацию ДНК. Чем больше повторов, тем более вероятна ошибка копирования. Альтернативная (или дополнительная) гипотеза состоит в том, что ферменты системы исправления ошибок реплика­ции в случае многочисленных повторов могут сами ошибать­ся и вместо того чтобы исправлять, создают новые ошибки (Schweitzer J. К., Livingston D. М. 1997. Destabilisation of CAG trinucleotide repeat tracts by mismatching repair mutations in yeast. Human Molecular Genetics & 349-355).

Возможно, что причина проявления .болезни в преклон­ном возрасте состоит в феномене постепенного накопле­ния повторов. Лаура Манджарини (Laura Mangiarini) в го­спитале Гая в Лондоне работала с трансгенными мышами, в геном которых была встроена часть гена Хантингтона более чем с сотней повторов. Оказалось, что у взрослых мышей в клетках число повторов еще больше увеличилось. В некоторых случаях было обнаружено до 10 новых повто­ров CAG. Впрочем, число повторов осталось неизменным в клетках мозжечка — отделе мозга, контролирующем дви­жения. Клетки мозжечка прекращают делиться вскоре по­сле рождения, поэтому репликация в них не происходит.

Ошибки накапливаются, только когда клетки делятся и хромосомы удваиваются. В клетках мозжечка человека число повторов даже уменьшается, но увеличивается в дру­гих клетках организма. Новые повторы CAG появляются в клетках, из которых развиваются сперматозоиды, что объ­ясняет установленную зависимость между временем прояв­ления болезни у детей и возрастом отца. (Кроме того, те­перь известно, что мутации в сперматозоидах происходят примерно в пять раз чаще, чем в яйцеклетках. Это связа­но с тем, что сперма образуется в результате интенсивно­го деления клеток, тогда как яйцеклетки образуются лишь однажды.) (Mangiarini L. 1997. Instability of highly expanded CAG repeats in mice transgenic for the Hantington's disease mutation. Nature Genetics 15: 197-200.)