Охота за генами
Марк Маккарти, Оксфордский университет: «В основном мы обнаруживаем, что для любого заболевания существует ноль или, в лучшем случае, один или два гена, оказывающих большое влияние на его развитие. Затем существует набор генов — возможно, от пяти до десяти, — оказывающих среднее воздействие в 10 или 20 процентах, и сотни генов с еще меньшим эффектом»
В конце 1970-х годов Нэнси Векслер, дочь американского врача, начала искать генетическую мутацию, вызывающую болезнь Хантингтона. Мать и дяди Векслер страдали этим заболеванием, и она знала, что унаследовала его с вероятностью 50 %. Она рассуждала, что если найти дефект, то это позволит людям в ее положении узнать, вынесен ли им генетический смертельный приговор. Также это может привести к разработке лечения.
Узнав о том, что в Венесуэле есть семья с высокой частотой болезни Хантингтона, Векслер в 1979 году отправилась на озеро Маракайбо, где она собрала образцы крови у более чем 500 человек. Она отправила образцы своему коллеге Джиму Гуселле для генетического анализа. Его команда сравнивала ДНК здоровых людей и людей, страдающих болезнью Хантингтона, и к 1983 году поиски свелись к короткому плечу хромосомы 4. Но для идентификации гена, производящего белок хантингтин, понадобилось еще десятилетие.
Сделанное в 1993 году открытие стало первой большой победой генетики заболеваний, но оно потребовало огромных затрат времени и труда. Проект занял 14 лет, и хотя в результате был разработан метод, позволяющий выявить заболевание (Векслер решила не проводить такой анализ для себя), вылечить эту болезнь по-прежнему невозможно. К тому же мутация Хантингтона лежала на поверхности. Она оказывает катастрофический эффект, является аутосомной доминантной и наследуется по менделевским законам. Это означает, что по сравнению с другими генами ее найти просто. Гены, не так явно влияющие на болезни, обнаружить будет сложнее.
Анализ сцепления
Ген болезни Хантингтона обнаружили при помощи анализа сцепления, который до недавнего времени считался наиболее эффективным методом определения влияния генов на заболевания. Он основывается на том, что благодаря рекомбинации расположенные рядом на хромосоме гены обычно наследуются вместе.
Сначала ученые отбирают некоторое число однонуклеотидных полиморфизмов (снипов) — последовательностей ДНК, отличающихся в одной «букве». Они станут маркерами, расположенными вдоль генетического кода на определенном расстоянии друг от друга. Затем эти маркеры ищут в семьях, в которых есть генетическое заболевание — например, болезнь Хантингтона. Если маркер встречается у людей, страдающих исследуемым заболеванием, но не у здоровых членов семьи, то он должен лежать вблизи мутации, которую теперь можно обнаружить и секвенировать. Поскольку у членов семьи ДНК очень похожа, обычно достаточно рассмотреть пару сотен маркеров у нескольких десятков человек.
Однако данный метод применим только к относительно редким заболеваниям, вызванным мутациями с сильными эффектами, как в случае болезни Хантингтона или BRCA1. Чтобы найти более тонкие воздействия на болезни, требуется рассмотреть значительно большее число людей. Необходимо выйти за пределы семьи и изучать неродственников с менее похожей ДНК. И для получения статистики данного гена придется исследовать сотни тысяч генетических маркеров. До недавнего времени этот процесс был дорогостоящим, продолжительным и практически невыполнимым.
«Мы вошли в новую эру широкомасштабной генетики, которую еще несколько лет назад было невозможно и представить» Питер Доннелли
Полногеномный поиск ассоциаций
Сейчас анализ сцепления стал гораздо проще благодаря двум новым инструментам, перевернувшим генетику. Первый инструмент - это ДНК-микрочип, позволяющий одновременно искать в человеческой ДНК миллионы вариаций. Второй - карта гаплотипов (НарМар), завершенная в 2005 году схема, показывающая, какие сегменты генома, или гаплотипы, обычно наследуются вместе.
Первый этап нового метода, получившего название «полногеномный поиск ассоциаций», состоит в отборе 500 000 снипов, отмечающих каждый гаплотип. Затем ДНК-чипы используются для поиска этих маркеров у тысяч людей, страдающих определенным заболеванием, скажем, диабетом 2-го типа, и у такого же числа здоровых контролей. Любые маркеры, которые чаще встречаются в какой-либо из групп, исследуют более подробно и определяют части генома, связанные с повышенным или пониженным риском заболевания.
Красота этого метода заключается в том, что он может дать совершенно неожиданные результаты. Если вариант повышает риск заболевания более чем на 20 %, полногеномный поиск ассоциаций его найдет, даже если раньше этот ген ни в чем не подозревался. Например, вариант гена FTO вызывает у мышей срастание пальцев. В 2007 году один из первых полногеномных поисков ассоциаций, проведенный компанией Wellcome Trust Case Control Consortium (ССС), показал, что у людей ген FTO повышает риск ожирения.
В начале 2007 года наука почти не знала распространенных генетических вариантов, влияющих на болезни. Но уже к весне 2008 года, когда полногеномный поиск ассоциаций заработал, было идентифицировано более 100 генов. Компания ССС обнаружила варианты, связанные с сердечно-сосудистыми заболеваниями, ревматическим артритом, болезнью Крона, биполярным расстройством и обоими типами диабета, а также ожирением и ростом. Другие команды нашли варианты, влияющие на рак груди, рак простаты, сердечные приступы и рассеянный склероз. Постоянно публикуются новые интересные данные. Даже осторожные ученые в открытую заявляют о прорыве в нашей способности читать и понимать геном. По отдельности эти варианты оказывают слабое воздействие, повышая риск на 10-70%. Однако, если их объединить с другими вариантами, эффект может быть значительным. Помимо этого, они еще и очень распространены: варианты, идентифицированные ССС, встречаются у 5-40 % представителей европеоидной расы. Поскольку болезни, с ними связанные, проявляются часто, они влияют на сотни миллионов жизней.
Генетика перешла на новый уровень. Когда-то она ограничивалась нахождением мутаций, оказывающих катастрофическое влияние, но на очень небольшое число людей. Теперь она отслеживает варианты, оказывающие частичное воздействие, но на распространенные заболевания. Можно назвать это демократизацией генома.
ДНК-чипы
Исследовательские проекты типа ССС не появились бы без изобретения ДНК-чипов. ДНК-чип — это матрица, на которую нанесены сотни тысяч микроскопических фрагментов ДНК, каждый из которых соответствует определенному снипу. Когда исследуемый образец ДНК попадает на чип, любая последовательность, совпадающая со снипом, свяжется с соответствующим участком матрицы. Благодаря чипам можно одновременно искать сотни тысяч генетических маркеров и находить снипы, содержащиеся в исследуемом образце.
Проект «1000 геномов»
Одним из следующих этапов охоты за генами, влияющими на наше здоровье, является международный проект по картированию целых геномов более 1000 человек, ставший доступным благодаря новым технологиям. Проект позволит ученым обнаружить и описать все генетические варианты, встречающиеся по крайней мере у одного человека из 100. Это каталог генома. Если маркерный снип показал, что часть генома может быть связана с заболеванием, генетики смогут тут же найти все распространенные варианты в этой области хромосомы и определить, есть ли там гены, влияющие на наблюдаемый эффект.