Хромосома 9
Болезни
На хромосоме 9 лежит хорошо известный ген — ген группы крови. Задолго до того как появился генетический фингерпринт, в криминалистике широко использовалось определение группы крови. Если на месте преступления были пятна крови, то с помощью сравнительного анализа можно было установить, совпадает ли группа крови пятен с группой подозреваемого. Если группы были разными, с человека снималось подозрение, если одинаковые — это ничего не доказывало, так как вероятность случайного совпадения очень высока. Поскольку судьи и присяжные никогда не были сильны в науке, на неопределенности данных о группе крови можно было сыграть как в сторону защиты, так и в сторону обвинения. В 1946 году суд Калифорнии признал Чарли Чаплина отцом нескольких незаконнорожденных детей, несмотря на полное несоответствие их групп крови, оправдываясь тем, что эти данные ненадежны. В наши дни определение группы крови в криминалистике уходит в прошлое, уступая место более совершенному методу установления идентичности человека и родственных связей по изменчивым минисателлитам (см. предыдущую главу). Точное определение группы крови гораздо важнее в медицине, поскольку переливание крови другой группы или пересадка органов могут оказаться фатальными. Кроме того, определение группы крови может много рассказать нам об истории миграции племен древних людей, хотя и тут были открыты более интересные гены, что отодвинуло анализы крови в антропологии на второй план. Но с 1990 года интерес к белкам группы крови вновь возрос. Их изучение пролило свет на эволюцию генов и причины генетического разнообразия людей.
Наиболее известная и широко используемая система анализа крови позволяет разделить всех людей на четыре группы. Эта система впервые была предложена в 1900 году, и сразу же возникли три разных принципа именования групп, что до сих пор вносит путаницу. По системе Мосса (Moss) группа крови I — это то же самое, что группа IV по системе Янского (Janský). Предпочтение было оказано номенклатуре австрийского первооткрывателя групп крови Карла Ландштейнера (Karl Landsteiner): вместо номеров используются буквы O, A, B и AB. Венский врач Ландштейнер первым описал, что происходит после переливания крови не той группы: «lytischen und agglutinierenden Wirkungen des Blutserums» — слипание и разрушение клеток крови. Но взаимосвязи между группами крови не так-то просто было объяснить. Люди с группой A могут быть донорами для людей с группами крови A и AB, с группой B — для B и AB. Кровь группы AB можно переливать только людям с этой же группой крови, а вот кровь группы O — всем, это универсальные доноры. Эти группы крови встречаются по всему миру независимо от расовой или национальной принадлежности людей. Так, в Европе примерно у 40% населения группа крови O, еще у 40% — A, у 15% — B и у 5% — AB. Похожие соотношения и на других континентах, за исключением коренного населения Америки, преимущественно имеющего группу крови O. (Только у североканадских индейцев встречается группа крови A, а у эскимосов — AB и B.)
Лишь в 20-х годах прошлого столетия стало ясно, что группы крови наследуются генетически, а сами гены были открыты только в 90-х годах. Группы A и B связаны с наличием двух «кодоминантных» версий одного и того же гена, а группа O представляет собой рецессивный фенотип, связанный с серьезной мутацией этого гена. Ген лежит на хромосоме 9 в конце длинного плеча. Полный «текст» гена состоит из 1062 «букв», разделенных на шесть коротких и один длинный экзон («абзац»). Экзоны гена разбросаны по хромосомному локусу длиной 18 000 «букв». Это средней длины ген, в середине которого находятся пять интронов разной длины. Ген кодирует белок галактозил-трансферазу — фермент, катализирующий одну из биохимических реакций.
Версии гена A и B отличаются друг от друга всего по семи нуклеотидам, причем три из них синонимичны, т. е. мутация не ведет к изменению соответствующей аминокислоты в белке. Остальные четыре мутации в позициях 523, 700, 793 и 800 приводят к изменению белка. У людей с группой крови A в этих позициях находятся «буквы» C, G, C и G; а у людей с группой B — G, A, A, C. Но это не абсолютная закономерность, у ряда людей встречаются промежуточные формы гена, а у некоторых людей с группой A в конце гена пропадает еще одна «буква». Но этих незначительных изменений вполне достаточно, чтобы иммунная система человека отличала конечные белки и отвечала аллергической реакцией на чужую группу крови.
У людей с группой O ген отличается единственной мутацией от гена группы A, но в этот раз вместо замены «буквы» происходит ее выпадение (делеция). В позиции 258 отсутствует «буква» G, но результат этой мутации сокрушительный. Делеция нуклеотида приводит к так называемому сдвигу рамки считывания, в результате чего весь «текст» гена, следующий за мутацией, превращается в полную галиматью. (Если бы природа использовала генетический код, предложенный в 1957 году Фрэнсисом Криком (Francis Crick), то мутаций со сдвигом рамки считывания не существовало бы.) Генетический код считывается словами по три буквы без пробелов и знаков препинания. Например, возьмем ряд трехбуквенных слов: раз был так рад где вас нет бал тут шел там вал. Я согласен, не очень познавательно и совсем не поэтично. Но дело не в этом. Заменим в первом слове р на т: таз был так рад… По крайней мере стало не хуже. Удалим первую букву, но при условии, что слова остались трехбуквенными: азб ылт акр адг дев асн етб алт утш елт амв. Теперь уже не только смысла фразы, но и слов понятных не осталось. Именно это и произошло с геном ABO у людей с группой крови O. Если из этого гена и получается какой-то белок, то своих каталитических функций он не выполняет.
Но что же при этом изменяется в человеке, кроме группы крови? Люди с группой O во всех сферах жизни чувствуют себя ничуть не хуже, чем люди с другими группами крови. Онкологические заболевания у них возникают не чаще, они показывают такие же результаты как в спорте, так и в искусстве. Даже в дни разгула евгеники никто не призывал стерилизовать людей с не той группой крови. Группа крови социально и политически нейтральна и от группы крови абсолютно ничто не зависит.
Становится интересным, почему, если группа крови абсолютно нейтральна, в ходе эволюции сложилось современное соотношение людей с разными группами крови? Было ли чистой случайностью то, что у всех коренных жителей Америки группа крови O? На первый взгляд, это хорошее доказательство теории нейтральной эволюции, предложенной в 1968 году Мотоо Кимурой (Motoo Kimura). Основная идея теории состоит в том, что ошеломляющее генетическое разнообразие живых организмов стало возможным потому, что мутации во многих генах совершенно нейтральны и возникают не в результате естественного отбора, а в результате его отсутствия. Дрейф генов от общего предка происходит по тем же принципам случайности, по которым капля чернил растекается по промокательной бумаге. Если бы мы вернулись на миллион лет назад, то обнаружили бы многочисленные генетические отличия между нами и нашими предками, но в большинстве случаев эти отличия оказались бы совершенно нейтральными во всех отношениях.
Приверженцы «нейтральной» и «селективной» эволюции поначалу приняли друг друга в штыки, но когда пыл угас, многие ученые сошлось во мнении, что большинство мутаций, которые мы наблюдаем, совершенно никак себя не проявляют. Чем больше наука постигала строение белков, тем очевиднее становилось, что мутации затрагивают, как правило, те области белков, которые лежат далеко от биологически активных центров, поэтому никак не могут повлиять на химическую активность белка. В одном белке, известном еще у животных кембрийского периода, отмечено 250 генетических изменений у представителей всего животного мира. Но только шесть из них как-то влияли на его активность.
И все же в отношении групп крови мы теперь знаем, что в действительности они не так нейтральны, как казалось ранее. Какой-то смысл они все же несут. С 1960-х годов стали поступать факты о взаимосвязи группы крови и диареи. Оказалось, что расстройство желудка у детей с группами крови A и B чаще вызывают кишечные палочки, относящиеся к разным серогруппам. В конце 1980-х стало известно, что люди с группой крови O более чувствительны к возбудителю холеры. Десятки последующих исследований не только подтвердили эту зависимость, но добавили дополнительные детали. Оказывается, что у людей с группами крови A, B и AB чувствительность к возбудителю также была специфичной для своей группы. Наиболее устойчивыми были люди с группой крови AB, затем с группой A, а затем — с группой B. Но все они гораздо устойчивее к холере, чем люди с группой крови O. Несмотря на то что люди с группой AB практически невосприимчивы к этому кишечному заболеванию, я бы все же не рекомендовал им пить воду прямо из луж Калькутты — можно подхватить какую-нибудь другую заразу. Однако было установлено, что микроб Vibrio cholerae у таких людей не вызывает даже расстройства желудка.
Пока неизвестно, как именно организм людей с группой крови AB противостоит этой заразной и смертельно опасной инфекции. Но в данном случае мы видим очень интересный пример естественного отбора. Как известно, в геноме человека все хромосомы представлены парами. Следовательно, у людей с группой крови А два гена AA, у людей с группой крови В — BB. Представим себе город, населенный людьми с группами крови A, B и AB. Предположим, что холера является эндемичным заболеванием для этого города. Ген А лучше противостоит возбудителю холеры, чем ген B. Поэтому дети с генотипом AA будут выживать в большем числе, чем дети с генотипом BB. Ген В постепенно ушел бы со сцены, если бы наиболее устойчивыми не были дети с генотипом AB. Но если даже у отца и матери будет группа крови AB, только половина детей унаследуют ее, а у остальных детей будет генотип AA или BB (последние окажутся наиболее чувствительными к холере). Наиболее удачная комбинация генов не может закрепиться в поколениях.
Теперь представим город, у всех жителей которого генотип AA. В город приехали переселенцы с генотипом BB. Если холера не убьет их сразу, то от смешанных браков родятся дети с генотипом AB — более устойчивые к заболеванию, чем все остальные жители города. Другими словами, преимущество в популяции получают обладатели редкой версии гена. Поэтому ни одна из версий гена не может исчезнуть: чем реже становится ген А или В, тем больше преимуществ получают его обладатели. Пропорции генов в популяции будут колебаться вокруг определенного оптимального значения. Такое явление получило название частотной селекции. Наверное, именно с точки зрения частотной селекции проще объяснить генетическое многообразие мира живых организмов.
Хорошо, мы нашли объяснение присутствию в популяции людей генов A и B. Но если ген O однозначно делает людей более чувствительными к холере, почему же эта версия гена не исчезла в ходе эволюции? Ответ может быть связан с влиянием другой страшной болезни — малярии. Люди с группой крови O немного более устойчивы к возбудителю малярии, чем люди с другими группами крови. Есть намеки на то, что и раковые опухоли у них возникают реже. Видимо, этих положительных качеств от обладания гена О было достаточно, чтобы он не исчез в результате естественного отбора, несмотря на повышенную чувствительность к холере у его обладателей. Три версии гена пришли к шаткому балансу пропорций в популяции людей.
Связь между мутациями в генах и чувствительностью к инфекционным заболеваниям впервые была обнаружена в 1940 году аспирантом из Оксфорда кенийского происхождения Энтони Аллисоном (Anthony Allison). Он предположил, что распространенность генетического заболевания крови серповидной анемии может быть связана с широким распространением малярии в этих районах. Мутация серповидной анемии, которая ведет к повреждению красных кровяных телец крови, часто вызывает смертельный исход, если дефектные гены находятся на обеих хромосомах. Одна копия гена не смертельна, хотя также ухудшает физиологические показатели больного. Но зато люди с одной копией дефектного гена совершенно устойчивы к малярии. Аллисон убедился в этом, взяв пробы ДНК у людей, населяющих наиболее маляриеопасные районы Западной Африки. Была установлена четкая закономерность — чем чаще случаются вспышки малярии в данном районе, тем чаще у людей выявляется дефектный ген серповидной анемии. Этот ген также выявлен у афроамериканцев, чьи предки жили в западной Африке. Сегодня им приходится дорогой ценой платить за то, что позволило их предкам выжить под натиском страшной болезни. Другая форма генетически обусловленной анемии — талассемия, встречающаяся в средиземноморских странах и Юго-Восточной Азии, также возникла и закрепилась под прессингом возбудителя малярии.
Гемоглобина крови, замена единственной «буквы» в котором ведет к серповидной анемии, оказался далеко не единственным геном, зависимым от малярии. Видимо, этот ярчайший пример — лишь вершина айсберга. Была описана еще дюжина генов, мутации в которых возникли и закрепились при участии в селекции малярийного плазмодия. Но и малярия не единственна в своем роде. По крайней мере в двух генах мутации были обусловлены повышением устойчивости к туберкулезу, в частности, мутация в гене рецептора витамина D. Эту же мутацию также связывают с предрасположенностью к остеопорозу. «Представляется вполне вероятным, — пишет Эдриан Хилл (Adrian Hill) из Оксфордского университета, — что естественный отбор по признаку устойчивости к туберкулезу был причиной массового распространения гена, ведущего к остепорозу костей».
Затем были получены сведения, что мутация в гене, ведущая к муковисцидозу, защищает организм от сальмонеллезов, в частности — от брюшного тифа. Муковисцидоз — это страшное заболевание, поражающее легкие и кишечник, но возникает оно только в том случае, если на обеих хромосомах 7 будет поврежден ген CFTR Наличие одного дефектного гена не ведет к генетическому заболеванию, но предохраняет от кишечных инфекций, вызываемых бактериями рода Salmonella. Дело в том, что эти бактерии распознают на поверхности клеток кишечника белок, кодируемый геном CFTR, и используют его для проникновения внутрь клеток. Если половина белков будет повреждена в результате замены «букв» в гене CFTR, микробу станет не к чему прицепиться. Брюшной тиф, свирепствуя в средние века и убивая всех людей с нормальной версией важного для человека белка, способствовал закреплению и распространению мутантной версии. Но поскольку два дефектных гена вели к быстрой смерти, частота мутации в популяции людей закрепилась на определенном уровне.
Примерно у каждого пятого человека на Земле водорастворимый белок группы крови (кодируемый геном А или В) не проникает в слюну и другие тканевые жидкости из-за мутации в другом гене. Эти люди чаще страдают от одних инфекционных заболеваний, таких как менингит, грибковые инфекции и инфекционные воспаления мочевыводящих путей, но зато они более устойчивы к гриппу и другим респираторным вирусам. Куда ни посмотри, причиной генетической вариабельности оказываются инфекционные заболевания.
Страшные эпидемии и моры, косившие наших предков на протяжении сотен тысяч лет, — чума, оспа, корь, тиф, грипп, сифилис, скарлатина и прочие неизлечимые инфекции — оставили след не только в нашей истории, но и нашем геноме. Мутации, которые делали наших предков хоть немного устойчивее к этим инфекциям, закреплялись в результате естественного отбора. Но за невосприимчивость к инфекционным болезням приходилось платить свою цену — от принесения в жертву части популяции, как в случае с серповидной анемией, до неудобств с переливанием крови.
Несмотря на то что тысячи лет инфекционные болезни были бичом человечества, до недавнего времени значение инфекций недооценивалось. Многие болезни, которые принято было связывать с загрязнением среды, вредной профессией или неправильной диетой, теперь рассматриваются как результат хронических инфекционных заболеваний, вызываемых ранее неизвестными бактериями и вирусами. Наиболее ярким примером является история с язвенной болезнью. Многие фармацевтические компании заработали огромные капиталы на разработке и продаже медикаментов, устраняющих симптомы язвы, тогда как для полного излечения достаточно было правильно подобрать антибиотики. Оказалось, что язву вызывает микроорганизм Helicobacter pylori. Заражение обычно происходит в детском возрасте и именно инфекция ведет к язве, а не переедание, стрессы и жизненные неудачи. Также много свидетельств о том, что заболевания сердца связаны с инфицированием хламидиями и вирусом герпеса. Выявлены вирусы, ведущие к артритам, и даже такие заболевания, как хроническая депрессия и шизофрения, связывают с активностью редкого нейротропного вируса болезни Борна, который обычно вызывает заболевания у лошадей и кошек. Вероятно, не все эти взаимосвязи подтвердятся будущими исследованиями. Вполне возможно, что больные органы привлекают микробов, и инфекция становится вторичным, а не первичным фактором. И все же, известно, что склонность к заболеваниям сердца также передается по наследству. Возможно, что связь нужно искать не между генами и сердцем, а между мутацией и устойчивостью к определенной инфекции.
Если в геноме отпечатались свирепствовавшие эпидемии, то по генетическим различиям разных народов можно судить о том, какие именно заболевания были бичом для наших предков. Тот факт, что у американских индейцев преимущественно была группа крови O, может свидетельствовать о том, что первопоселенцы Америки не сталкивались с холерой и другими острыми кишечными заболеваниями, по крайней мере до появления европейцев. Хотя и в Старом Свете холера была не таким уж распространенным заболеванием, не считая эндемичных очагов в долине реки Ганг. Только в 1830 году эпидемия холеры распространилась на всю Европу, Африку и Америку. Наверное, нам следует поискать другое, более убедительное объяснение превалирования группы O у коренного населения Америки, тем более что у предков индейцев, как стало известно в результате изучения древних мумий в Северной Америке, захороненных еще до открытия Америки Колумбом, группа крови была A и B. Создается впечатление, что гены A и B были выдавлены из популяции индейцев каким-то другим фактором, характерным только для американского континента. Вполне возможно, что в роли этого поршня выступил сифилис — болезнь, родиной которой многие ученые считают Америку (дискуссии продолжаются, но явные признаки сифилиса были обнаружены на скелетах индейцев, умерших до 1492 года, тогда как нет ни одного достоверного свидетельства о сифилисе в Европе до этого времени). Люди с группой крови O немного менее чувствительны к сифилису, чем люди с другими группами крови.
Узнав о связи между группой крови и холерой, мы готовы принять еще более удивительные зависимости. Представьте себе, что вы уважаемый профессор. И вот однажды вы попросили своих студентов, юношей и девушек, носить несколько дней тенниски, не пользуясь дезодорантами и духами, а затем принести эти тенниски вам. Наверное, студенты подумали бы, что вы переутомились или шутите над ними. Они бы еще более удивились, если бы вы предложили аудитории понюхать грязную одежду и выбрать ту тенниску, запах у которой в подмышечной области больше всего им понравился. Не пора ли вызывать врача? Но настоящие ученые лишены предрассудков и ложной брезгливости. Именно такой эксперимент провели Клаус Ведекинд (Claus Wedekind) и Сандра Фюри (Sandra Füri). Они обнаружили, что мужчины и женщины больше всего предпочитают (или считают менее противным) запах представителей противоположного пола, которые генетически наиболее далеки от них. Ведеркинд и Фюри обратили внимание на ген MHC, лежащий на хромосоме 6. Белок этого гена участвует в определении иммунной системой организма своих и чужих белков. Ген оказался чрезвычайно изменчивым. В опытах на мышах ученые обнаружили, что самка мыши отдает предпочтение самцам, у которых ген MHC максимально отличается от ее собственного гена, о чем она судит по запаху мочи самца. Ведеркинд и Фюри задумались, а не сохранилось ли у людей чутье на альтернативный генотип. Оказалось, что женщинам также больше нравился запах тех мужчин, которые наиболее сильно отличались от них генетически. Только женщины, принимающие противозачаточные таблетки, не могли определить, какой запах им нравится, — известно, что контрацептивы ослабляют обоняние. Ведеркинд и Фюри пришли к выводу: «Нет запаха, одинаково хорошего для всех. Все зависит от того, кто нюхает».
Данный эксперимент на мышах интерпретировали обычно в том плане, что предпочтение генетически отдаленного партнера закрепилось генетически, поскольку предупреждает имбридинг— близкородственное скрещивание, ведущее к проявлению рецессивных генетических заболеваний. Но такие предпочтения можно объяснить также в свете наших знаний о группах крови. Как вы помните, наиболее устойчивые к холере дети появлялись в семьях, где у одного из родителей был генотип AA, а у другого — BB. Подобная параллельная эволюция характерна и для многих других пар генов, в том числе и для гена MHC, который является ключевой фигурой в развитии устойчивости ко многим заболеваниям. В таком случае сочетание в геноме разных вариантов гена, обеспечивающих устойчивость к максимально широкому спектру инфекционных заболеваний, вполне объясняет эволюционно закрепленное стремление друг к другу партнеров с разными генотипами.
Когда мы говорим о геноме, не следует представлять его как картину, в которой отражается только наша история. Геном продолжает изменяться. Различные версии генов достигают своего пика и теряют популярность, что происходит часто в результате смены прессинга со стороны одних заболеваний в пользу других. О, это достойное сожаления стремление человека к стабильности и вера в уравновешенность всего, что нас окружает! Но геном невозможно остановить в его развитии. Когда-то экологи также верили в постоянство климата и стабильность биосферы: дуб — дерево Англии, пихта — дерево Норвегии. История показала, что все меняется, и значительно быстрее, чем мы того ожидаем. Оказалось, что экология, как и генетика, не находятся в статичном состоянии. Напротив, постоянные изменения являются характерной их чертой.
Первым, кто осознал в полной мере естественное непостоянство генома человека, был Холдейн (J. B. S. Haldane), который пытался разгадать причину варьирования генов в популяции. Еще в 1949 году он предположил, что стабильная изменчивость генов человека может быть результатом селективного давления со стороны паразитов. Теорию развил индийский коллега Холдейна — Суреш Джаякар (Suresh Jayakar). В 1970 году он доказал, что гены в популяции людей находятся в постоянном циркулярном развитии, когда доминирующие болезни ведут к селекции генов, ослабляющих влияние данной болезни, но открывающих двери другим заболеваниям. И так цикл за циклом до бесконечности. В 1980 году австралиец Роберт Мэй (Robert May) показал, что даже в простой искусственной системе «хозяин-паразит» не наступает равновесия. Численности паразита и организма-хозяина постоянно волнообразно изменяются. Мэй стал одним из родоначальников теории хаоса. И наконец, англичанин Уильям Хамильтон (William Hamilton) описал генетическую эволюцию с помощью стройной математической формулы, в основе которой лежит постоянное соревнование между паразитами и их хозяевами, что ведет, по словам Хамильтона, к «вечному движению множества генов».
В 70-х годах прошлого века, так же, как это случилось в физике на полстолетия раньше, мир определенности, стабильности и детерминизма в биологии рухнул, уступив место новым теориям динамики, развития и неопределенности. Геном, который удалось вскрыть и прочитать нашему поколению, — это всего лишь снимок вечно изменяющегося документа, у которого никогда не будет последнего издания.
