Вариация числа копий

Мэттью Херлс: «Каждый из нас несет уникальный профиль потерь и приобретений целых участков ДНК. Мы начали признавать, сколь огромный вклад это явление вносит в генетические различия между людьми»

Стало общим местом, что на генетическом уровне люди похожи на 99,9 %. Картирование человеческого генома показало, что хотя он содержит три миллиарда пар оснований, только 3 миллиона из них, или 0,1 %, различаются. Такие однобуквенные изменения называются однонуклеотидными полиморфизмами, или снипами (от английской аббревиатуры SNP). Незначительные генетические различия приводят к большим последствиям.

Однако эта оценка генетических различий оказалась неверной. Снипы — не единственные изменчивые участки ДНК. Целые гены и фрагменты генов могут быть удвоены, удалены, перевернуты и вставлены в геном. Новый тип изменчивости открыли в 2006 году. Он очень распространен и оказывает отнюдь не меньшее влияние на биологию и здоровье человека, чем снипы.

Такая вариация числа копий, которую иногда называют структурной вариацией, показывает, что среднее генетическое различие между двумя людьми вовсе не 0,1 %, как было рассчитано по снипам. На самом деле оно выше — 0,3 %. Это частично объясняет, почему такое небольшое число снипов дает столь огромное разнообразие: наши знания об изменчивости генома были неполными. Это открытие заставило пересмотреть, как ДНК делает каждого из нас — и наш вид - уникальным.

Дупликации и делеции

Согласно стандартной модели генетики, каждый из нас наследует две копии генетической последовательности, по одной от каждого родителя. Однако исследовательская группа под руководством Мэттью Херлса из компании Wellcome Trust Sanger и Чарлза Ли из Гарвардской медицинской школы показала, что это упрощенный взгляд. Начав изучать геномы 270 человек, участвовавших в проекте составления карты гаплотипов, они обнаружили, что парадигма двух копий не универсальна.

Примерно в 12 % генома огромные участки ДНК, размером от 10 000 до 5 миллионов пар оснований, иногда повторялись или отсутствовали. У большинства людей есть по две копии этих последовательностей, но у некоторых либо одна, либо ее вовсе нет, а у кого-то их несколько — случается, до десяти копий. Участки ДНК могут быть вставлены в стандартные места или задом наперед. Геномы очень различны не только по составу, но и по структуре.

Давно известно, что некоторые фрагменты человеческой ДНК иногда удваиваются (дуплицируются) или удаляются (что приводит к делециям), - так, удвоение хромосомы 21 приводит к синдрому Дауна. Однако считалось, что подобные изменения редки и всегда влекут за собой серьезные последствия. Сейчас же стало ясно, что такие вариации широко распространены. Более того, они встречаются чаще, чем снипы.

Иногда такая структурная вариация обходится без последствий — как и в случае снипов, генетическая функция никак не изменяется. Но бывает, что вариация связана с измененной физиологией или восприимчивостью к определенным заболеваниям. Вариации могут объяснить различия между видами: с учетом вариации числа копий мы сходны с шимпанзе только на 96 или 97 %, а не на 99 %, если считать по буквенному составу генома.

«Насколько нам известно на сегодняшний день, вариация числа копий является наиболее распространенной причиной аутизма» Артур Боде, Медицинский колледж Бейлора

Число копий и болезни

Наиболее интересные последствия вариации числа копий связаны с болезнями. Теперь, когда ученые знают об этом феномене, начинает появляться все больше информации о связи здоровья с делециями, дупликациями, вставками и инверсиями (переворачиванием участков ДНК задом наперед).

Некоторые африканцы несут несколько копий гена CCL3L1, являющегося одним из наиболее интересных примеров этого явления. Люди с высоким числом копий менее восприимчивы к ВИЧ. Пока точно неизвестно, почему и как это происходит, но предполагается, что дополнительные копии стимулируют синтез белка, необходимого для сопротивления ВИЧ. Это может дать новые подходы в борьбе с вирусом.

Другой пример связи между вариацией числа копий и болезнью - гены FCGR3B, малое число копий которых делает людей более восприимчивыми к аутоиммунному заболеванию волчанке. У пациентов с немелкоклеточным раком легких часто встречаются повторы гена EGFR. У людей из Юго-Восточной Азии часто встречаются множественные копии гена, делающие их устойчивыми к малярии. Исследование структурной вариации генов, работающих в мозге, показало возможные связи с 17 заболеваниями нервной системы, включая болезни Паркинсона и Альцгеймера.

Вариация числа копий также приоткрывает завесу тайны над генетическим происхождением двух наиболее загадочных заболеваний, связанных с генетикой, — шизофренией и аутизмом. Исследования близнецов и семей показали, что эти болезни наследуемые, однако поиск генетических вариантов и мутаций не дал результатов. Недавние исследования под руководством Джонатана Себата из лаборатории в Колд-Спрингс-Харбор показали, что эти заболевания могут быть связаны с вариацией числа копий, особенно спонтанными случаями, происходящими среди людей без семейной истории этих нарушений.

Делеции и дупликации в определенных «горячих точках» генома чаще встречаются у детей с расстройствами аутического спектра, чем у других людей. У многих наблюдаются вариации, отсутствующие у их неаутичных родителей. В случае шизофрении группа Себата показала, что вариации числа копий встречаются у 15 % людей, у которых болезнь развилась во взрослом возрасте, и у 20 %, у которых болезнь проявилась в подростковом возрасте. Для сравнения, в контрольной группе эта цифра составила всего 5%. Многие изменения числа копий, участвующих в обоих расстройствах, могут быть уникальными для конкретного человека, что может объяснить, почему было так сложно найти генетические корни этих состояний.

Эти открытия меняют взгляд ученых на генетическое разнообразие. Как сказал Херлс, «изменчивость, которую ученые наблюдали раньше, была лишь верхушкой айсберга, тогда как его основная часть скрыта под водой». Этот огромный запас изменчивости только начинает раскрывать свои секреты, но наука знает, что он существует.

Изучение вариации числа копий

Первая волна полногеномного поиска ассоциаций, нового инструмента нахождения генов, влияющих на заболевания, имела дело только со снипами. Осознание, что вариации числа копий не менее важны, изменило подход к исследованиям. В апреле 2008-го компания Wellcome Trust объявила грант в 30 миллионов фунтов стерлингов на финансирование второй фазы проекта «Случай-контроль», который исследует два десятка заболеваний. Исследователи намерены не только изучать снипы, но и искать вариации числа копий.

Неизведанная генетическая территория

Проект «Геном человека» не дал нам исчерпывающую карту генетического кода. Он дал лишь усредненную последовательность, с которой ученые могут сравнивать ДНК отдельных людей и других видов. Исследования вариации числа копий обнаруживают часто встречающиеся участки ДНК, отсутствующие в этом среднем геноме. В работе 2008 года изучено всего восемь геномов, но было найдено 525 новых последовательностей, которые иногда встраиваются в генетический код. Еще большее число остается неоткрытым.