Глава десятая

Картирование, или Следствие ведут знатоки генетики

Яблочко от яблони недалеко падает, но далеко катится.

Народная мудрость.

Картированием (по-английски этот термин звучит как «mapping») называют определение локализации и взаиморасположения различных генов на хромосоме (на молекуле ДНК), завершающееся построением соответствующей карты.

Картирование опирается на два столпа – на линейный характер расположения генов в хромосомах и на стабильность их расположения. Дисциплинированные гены располагаются организованной цепочкой, строго друг за другом, и не имеют обыкновения переходить с места на место. Где природа поставила ген, там он и стоит. Как говорится, где родился – там и пригодился.

Обычно сначала рассказывается о сущности какого-либо метода или процесса, а затем уже – о сфере его применения и практической пользе. Мы сейчас поступим иначе – начнем с конца.

Международный научно-исследовательский проект Человеческий Геном (сокращенно – HGP от английского «The Human Genome Project»), целью которого было определить последовательность нуклеотидов в ДНК человека и идентифицировать все гены в человеческом геноме, стал крупнейшим международным проектом в биологии. Проект начался в 1990 году, а закончился в 2003-м, но работы по уточнению некоторых участков ведутся и по сей день.

Вопрос: зачем понадобилось столь доскональное исследование генома? Чистого знания ради или же от проекта ожидали какой-то практической пользы? И вообще – зачем так важно знать, где именно в хромосоме находится ген?

Очень важно, это раз.

В науке ничто не делается «чистого знания ради», поскольку «чистого знания», то есть знания, которое в том или ином виде реализуется на практике, не существует. Любое знание находит свое применение, а генетическая карта человека – это просто бесценный дар для медиков.

Да – бесценный. Потому что позволяет внедрить новые методы профилактики, диагностики и лечения заболеваний.

Что было раньше? В лечении заболеваний врачи шли «с конца», примерно так, как идем сейчас мы с вами. Диагностировали заболевание и делали вывод о том, что оно вызвано каким-то генным нарушением. Предсказывать можно было только в отношении наследственных болезней, да и то не всегда – ведь речь шла только о предрасположенности.

Имея на руках генную карту пациента, врач может проводить точную диагностику заболеваний и делать обоснованные выводы о возможности развития того или иного заболевания в будущем. Мутации многих генов проявляются не сразу при рождении, а дают знать о себе в процессе жизни, но видны-то они сразу же, еще на стадии эмбрионального развития. И обнаружение мутации в конкретном гене – это вам не жалобы на головокружение, причину которых замучаешься выяснять, поскольку головокружение – весьма «расплывчатый» симптом, могущий встречаться при многих заболеваниях. А мутация гена – это очень четкий симптом, не знающий толкований. Зная, где именно произошла мутация и что именно изменилось, можно с точностью сказать, синтез какого белка будет нарушен и какой будет степень этого нарушения.

Точность, полнота и своевременность диагностики – вот что такое расшифровка генома!

Мужчина и женщина решили завести ребенка. Сравнение их генетических карт позволит врачам сделать вывод о том, какие болезни могут проявиться у ребенка, то есть в ряде случаев диагностику можно проводить еще до рождения! Не абсолютную, поскольку по моделям генотипа абсолютную диагностику провести невозможно (модель есть модель), но достаточно достоверную.

Появившаяся сравнительно недавно клеточная трансплантология, она же – клеточная терапия, успешно применяется в различных отраслях медицины. Суть этого метода заключается в пересадке (трансплантации) клеток в больной организм с лечебной целью. Про терапию стволовыми клетками все, наверное, слышали?

Клеточная трансплантология успешно применяется для восстановления поврежденных тканей и органов в лечении наследственных, онкологических, сердечно-сосудистых, нервных и аутоиммунных заболеваний.

К чему мы вспомнили о клеточной трансплантологии? А к тому, что когда-то врачи умели пересаживать пациентам только органы, потом начали пересаживать клетки… Скоро дело дойдет и до массовой пересадки генов. «Массовой» в том смысле, что делаться эти пересадки будут в каждой больнице. И это не красивая мечта, а практически – реальность. Генные карты уже есть, синтезировать нужные фрагменты ДНК генетики умеют, и метод генной хирургии, а точнее – генной трансплантологии создан и применяется на практике, осталось только доработать его.

Лечение болезни заменой «дефектного» мутировавшего гена на полноценный будет наиболее эффективным из всех способов лечения, поскольку оно позволит устранять самую что ни на есть первопричину болезни.

Генная карта позволяет создавать клеточные модели для экспериментального изучения различных заболеваний, причем эти модели будут абсолютно точными. Даже не зная всех аспектов клинической апробации нового лекарственного препарата, можно понять насколько исследования с участием людей сложнее, дороже (а зачастую и длительнее), чем «точечные» исследования на клетках. А ведь генная карта также позволяет создавать полноценные компьютерные модели!

Короче говоря, не зря ученые в течение четырнадцати лет совместными усилиями расшифровывали геном человека и продолжают уточнять полученную информацию до сих пор. Мало какое знание о человеческом организме может сравниться по своей значимости с расшифрованным геномом.

Продолжительность расшифровки генома может удивить непосвященных. Четырнадцать лет? Да еще и в лабораториях разных стран? Это при современных-то возможностях науки? Чем они там на самом деле занимались? Бюджеты попиливали втихаря?

Не попиливали, не волнуйтесь. Работали не покладая рук. В разных лабораториях, в разных странах. И то, что уложились с расшифровкой в четырнадцать лет – это просто подвиг. Даже при современных возможностях науки?

Дело в том, что микроскоп, даже самый наисовременнейший, является плохим помощником в деле расшифровки генома. Кое-какую информацию современные электронные микроскопы ученым дали, но объем и значимость этой информации можно сравнить с картой, созданной древнегреческим ученым Клавдием Птолемеем во втором веке до нашей эры.

Раскройте современный атлас и сравните то, что увидите, с картой Птолемея. Вроде бы контуры похожи, но далеко не совсем. И мелких деталей на карте Птолемея не разглядеть…

Электронная микроскопия – всего лишь один из методов картирования генов, причем не самый главный. Впрочем, самого главного метода в картировании и не существует.

Методы картирования делятся на три группы. К физическим методам, помимо электронной микроскопии, относится электрофорез – направленное движение заряженных коллоидных частиц или ионов под действием внешнего электрического поля. Электрофорез позволяет разделять нуклеиновые кислоты и белки на фракции, поскольку молекулы с различным весом под воздействием тока движутся с различной скоростью. Метод электрофореза весьма чувствителен и подходит не только для разделения смесей, но и для определения длин молекул и их фрагментов с точностью до одного нуклеотида. Длина рассчитывается по скорости движения отрицательно заряженной молекулы ДНК (или ее фрагмента) к положительному полюсу в специальной гелевой среде.

Генетические методы, анализирующие проявление различных признаков при скрещивании, позволяют оценить сцепление генов, то есть нахождение их на одной хромосоме, а также оценить частоту рекомбинаций сцепленных генов и сделать вывод о их удаленности друг от друга. Чем дальше друг от друга находятся гены в хромосоме, тем выше частота рекомбинации. Расстояние между генами на карте хромосомы измеряется в условных единицах, которые называются единицами карты. Одна единица карты между двумя генами равна одному проценту рекомбинаций между ними.

У человека вместо экспериментального скрещивания анализ проводится на основании семейного генетического анамнеза – сведений о проявлении признаков у предков и потомков.

Мутантный ген можно использовать в роли маркера, помогающего определить местоположение данного гена (по-научному месторасположение гена называется локусом) и выявлять сцепленные с ним гены.

Генетические методы – это скрупулезный анализ огромного материала. Быстро такие дела не делаются.

Большинство цитогенетических методов картирования основано на уже знакомом вам из пятой главы явлении гибридизации нуклеиновых кислот. К исследуемому материалу – одинарным нуклеиновым цепочкам с неизвестной (или предполагаемой) последовательностью нуклеотидов – добавляют так называемый ДНК-зонд – нуклеиновую цепочку с известной последовательностью (фрагмент ДНК или РНК). Затем смотрят, произошла ли гибридизация цепочек. Если произошла, значит исследуемая цепочка комплементарна зонду.

Молекулы ДНК очень длинные. Сначала нужно выделить из молекулы фрагмент для изучения. (Материал для исследований также получают цитогенетическими методами, вспомните хотя бы про метод гибридизации соматических клеток). Затем надо последовательно добавлять к полученному фрагменту различные зонды и смотреть, с каким именно произойдет гибридизация… Представьте, сколько придется провозиться со всеми хромосомами. А ведь полученные результаты надо обязательно перепроверить в месте их получения, а затем, для достоверности, подтвердить в другой лаборатории. То есть фактически объем работы удваивается.

Вот вам и четырнадцать лет расшифровки.

ПОСТСКРИПТУМ. Существует такой цитогенетический метод картирования генов, как рестрикционное картирование. Суть его заключается в использовании рестрикционных ферментов (рестриктаз), которые разрезают молекулы ДНК на различные фрагменты. На первый взгляд может показаться, что рестриктазы просто нарезают длинные молекулы на более удобные для изучения фрагменты, но на самом деле все гораздо сложнее.

Рестриктазы – «умные» ферменты. Они способны распознавать определенные последовательности нуклеотидов (определенный участок ДНК), расщеплять нуклеотидную цепь внутри участка узнавания или же рядом с ним.

На основании свойств используемых рестриктаз и анализа «нарезки», то есть полученных фрагментов молекулы ДНК, генетики создают так называемые рестрикционные карты, на которых отмечают относительное расположение участков, вырезанных различными рестриктазами. Затем рестрикционную карту сравнивают с генетической картой и, при необходимости, вносят в последнюю уточнения.

Рестрикционное картирование – не простая, а умная нарезка молекулы на фрагменты!