Как гены человека наносят на карту

Введение

Генетика человека как фундаментальная, так и прикладная наука. Как фундаментальная наука - это область генетики, которая изучает законы наследственности и изменчивости у самых интересных организмов - человеческих существ. Научные результаты, полученные при этом, ценны для нас не только в теоретическом плане. Вот почему генетика - это также и прикладная наука. Важность ее для благополучия человечества очень велика, успехи, достигнутые в этой области, приносят ученым большую радость, чем новые сведения, полученные в чисто теоретических или чисто прикладных исследованиях.

По данным Всемирной организации здравоохранения, около 2,5% новорожденных появляются на свет с различными пороками развития. При этом 1,5-2% из них обусловлены преимущественно неблагоприятными внешними (экзогенными) факторами, а остальные имеют преимущественно генетическую природу. Генетические факторы пороков развития отражают так называемый общий генетический груз популяции, который проявляется более чем у 5% населения планеты. Примерно 1% генетического груза приходится на генные мутации, 0,5% - на хромосомные мутации, около 3-3,5% соответствует болезням с выраженным наследственным компонентом (диабет, атеросклероз, ишемическая болезнь сердца, некоторые опухоли и т.д.). Если к этому добавить, что около 40-50% ранней младенческой смертности и инвалидности с детства обусловлены наследственными факторами и примерно 30% коек в детских стационарах заняты детьми с наследственной патологией, становится понятной безусловная необходимость правильной и рационально организованной ранней диагностики врожденных и наследственных болезней (пренатальной диагностики). Знания в области генетики позволили бы не только установить диагноз еще до рождения, но и предотвратить появление на свет детей с тяжелыми, неисправимыми пороками развития, с социально значимыми смертельными генными и хромосомными болезнями.

Число генных болезней, доступных молекулярной диагностике, уже превышает 1000 и продолжает быстро увеличиваться. Созданы и постоянно совершенствуются все новые эффективные и достаточно универсальные методы ДНК-диагностики, такие, как метод полимеразной цепной реакции (ПЦР), автор которой – американский ученый Кэй Муллис отмечен Нобелевской премией 1994 года, метод гибридизации, увековечивший имя его создателя Эд. Саузерна (1975 год), и методы ДНК-секвенирования (анализ первичной последовательности нуклеотидов в цепочке ДНК), разработанные П. Сэнджером.

Несколько лет назад начались исследования по международной программе "Геном человека", объединившей усилия ученых многих стран. Конечная цель ее – создать подробную карту человеческого генома, то есть полного набора его генов. А цель предлагаемого реферата гораздо более скромная: пробившись сквозь завесу заумных терминов (в каковом отношении генетика – дисциплина неудобоваримая даже для самих генетиков), ввести читателя в курс одного из величайших научных проектов века.

География генома

До сих пор возможности науки позволяли составлять разве что генетические карты совсем простеньких организмов, вроде кишечной палочки. Если всю последовательность ее генов, составляющих единственную замкнутую хромосому, распечатать на бумаге в столбик мелким шрифтом, присвоив каждому гену короткое имя из трех-четырех букв, получится книжица страниц в 300 обычного формата. А если так же поступить с человеческим геномом – итоговый труд займет 200 томов по 1000 страниц каждый.

Ныне эта необъятная "библиотека" напоминает скорее свалку книг: большинство листов не заполнено, остальные перепутаны, и вообще далеко не всегда ясно, какой том за каким идет. Известно, что геном человека насчитывает около 80000 генов, состоящих в сумме примерно из 3 млрд. пар нуклеотидов (так называется мономер двойной спирали ДНК, подобно тому как аминокислота – мономер белковой молекулы). Локализовано же всего 7000 генов – меньше 10%. Для некоторых районов генома, представляющих особый интерес, составлены довольно детальные карты, для остальных – весьма приблизительные либо вовсе никаких.

Карты генома, как и географические, можно строить в разном масштабе, с различным уровнем разрешения – последний зависит от точности метода анализа. Существует две разновидности карт генома – собственно генетические, получаемые косвенными методами, и физические – результат прямого исследования молекулы ДНК. Максимально возможная степень детализации – с точностью до пары нуклеотидов (далее п.н.). Иными словами, самая крупномасштабная карта – полная последовательность нуклеотидов с указанием, где кончается один ген и начинается следующий. Но это предел мечтаний, и пока до него далеко. А то, чем мы сегодня располагаем, - главным образом мелкомасштабные карты всех 23 пар человеческих хромосом с расстоянием между отдельными маркерами – мельчайшими "различимыми на местности объектами" – 7-10 млн. п.н.

Начнем с карт, составляемых при помощи косвенных методов изучения генома.

Карты генетического сцепления

Прежде всего заметим, что человеческая ДНК состоит, строго говоря, не только из генов. Ген, или экзон, - это экспрессируемый участок молекулы ДНК, иначе говоря, ее отрезок, на котором, как на станке, "штампуются" молекулы того или иного белка. Но подавляющее большинство нуклеотидных последовательностей в ДНК – интроны, не кодирующие ничего. Не всегда ясно, зачем они нужны и что делают, но – явно нужны и делают, иначе бы их не было.

Карта генетического сцепления составляется так. Сначала нужно выбрать маркеры – какие-нибудь признаки организма, о которых точно известно, что они наследственные, а не "благоприобретенные". Правда, признак годится на роль маркера, лишь если по нему имеются различия между индивидами и если эти различия легко выявить. Скажем, цвет глаз, или группа крови, или предрасположенность к некоей болезни.

После того как маркеры выбраны, начинается анализ их наследования. У генов есть одно любопытное свойство – они могут рекомбинировать, т.е. перераспределяться. Либо в процессе развития сперматозоидов и яйцеклеток цепочка ДНК случайным образом разрывается и воссоединяется в разных местах, либо просто две хромосомы, составляющие пару (гомологичные), обмениваются соответственными участками. В обоих случаях получается новое сочетание признаков – те, что обычно наследуются совместно, разделяются.

Так вот, известна закономерность: чем ближе друг к дружке расположены два гена на хромосоме, тем труднее им "распрощаться" при рекомбинации – один "тянет" за собой другой. На этом и основано построение карт сцепления. Чем реже происходит рекомбинация между данными двумя признаками-маркерами, тем меньше расстояние между генами, их кодирующими.

Правда, таким путем можно выяснить лишь взаимное расположение "действующих" геном (экзонов) – вернее, вычислить расстояние между ними на хромосоме по частоте рекомбинаций. Установлено, что если последняя равна 1%, дистанция между генами составляет примерно 1 млн. п.н., или 1 Мб (одну мегабазу – последнее слово и означает "миллион оснований", т.е. нуклеотидов). Одна мегабаза "на местности" соответствует 1 сМ на карте (одной сантиморганиде – название этой единице дали честь великого генетика Т.Х. Моргана).

Но аналогичным способом можно картировать и интроны. Для них маркерами обычно служат так называемые сайты узнавания. Дело в том, что существуют специальные ферменты, предназначенные для разрезания ДНК, - рестриктазы. Это белковые молекулы особого устройства. Грубо говоря, они попросту "шинкуют" ДНК, режут на отрезки, но не как попало, а в определенных местах. Всякая рестриктаза может опознать лишь одну стандартную последовательность из нескольких нуклеотидов. Последняя и становится сайтом узнавания для фермента. А уж как тот "покромсает" ДНК, зависит от того, сколь густо она "усеяна" сайтами узнавания. Молекулы рестриктазы химически связываются с ними и в этих местах рвут цепь ДНК.