Молекулярная генетика

Генетика человека – это наука о наследственности человека и его наследственной изменчивости. Наследственность это, по-простому, то, почему мы оказываемся похожи на родителей, а наши дети на нас. Наследственная изменчивость это новые варианты признаков, которые появились в данном поколении, а затем проявляются у потомков (хотя, возможно, не у всех). Геном человека – это наследственная информация (генетический текст), записанная в молекулах ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота). В этой молекуле текст записан четырьмя буквами – А, Т, Г и Ц. Это первые буквы названий молекул нуклеотидов Аденин, Тимин, Гуанин и Цитозин, линейная последовательность которых в молекуле ДНК и составляет генетический текст человека, как и любого другого организма. Каждый из нас получил свой генетический текст от родителей. Длина текста, полученного от мамы – 3 миллиарда букв-нуклеотидов. Примерно столько букв в подшивке газеты «Известия» за 30 лет. Такая же длина генетического текста, который мы получаем от папы.

Длина молекул ДНК, получаемых от каждого родителя, составляет примерно 1,5 метра, если эти молекулы ДНК вытянуть и соединить конец одной молекулы с началом другой. Взрослый человек состоит из приблизительно 5х10¹³ клеток. Общая длина всех молекул ДНК в клетках ОДНОГО человека в тысячу раз превышает расстояние от Земли до Солнца.

↑Мутации генеративные и соматические

Для передачи текста от одного поколения к другому генетический текст копируется. При этом в копии текста обнаруживаются случайные ошибки, изменяющие генетический текст родителя. Это замены, вставки, утраты или перестановки одной или многих букв. Такие изменения генетического текста называются мутациями. Мутации это проявление изменчивости на молекулярном уровне. Мутации соматические потомству не передаются. Мутации генеративные потомству передаются. Мутант это клетка или организм несущий мутацию. Потомки мутанта будут наследовать мутацию, только если она произошла в той клетке тела, из которой затем образуется клетка половая. Изменчивость, определяемая мутацией в половой клетке, называется наследственной, в отличие от изменчивости, которая проявляется у дамы после посещения парикмахерской и ее детям не передается.

Доставшийся ребенку генетический текст отличается от родительского примерно сотней новых мутаций (замен «букв»). В каждом поколении возникает своя сотня мутаций, и разнообразие генетических текстов людей возрастает. Поэтому генетические тексты двух разных людей не идентичны, а «папин» и «мамин» текст отличается примерно двумя миллионами мутаций в каждом из нас. Лишь сотня из этих мутаций отсутствовала у бабушки и дедушки, а возникла непосредственно в клетках наших родителей. Все остальные это «старые» мутации, многие из которых возникли у наших прямых предков более 1 млн. лет назад. Число таких «старых» мутаций у людей было оценено после того как был расшифрован генетический текст отдельного человека и для него стало возможным напрямую сравнить мамин текст с папиным.

Другими словами, лишь пару сотен мутаций Вы получили собственно маминых и папиных. Два миллиона других мутаций, хотя и пришли к Вам тоже через папу и маму, но возникли они не в клетках их тела, а в клетках их прямых предков, в том числе тогда, когда они еще и людьми-то не были. Человека ведь когда-то на земле не было, а мама и бабушка у каждого Вашего прямого предка была всегда, иначе Вы не появились бы на свет. Таким образом, в половых клетках в 10 000 раз больше «старых» мутаций, чем новых, а состояние окружающей среды, которым мы обоснованно недовольны и с которыми СМИ обычно связывают появление мутаций, не имеет отношения буквально к 99.99% мутаций, унаследованных нами от предков. Поэтому практически все наследуемые различия между людьми, лежащие в основе биологической индивидуальности каждого человека, вызваны не новыми мутациями, а комбинацией «старых» мутаций, полученных ими от предков.

↑Организация хромосом и генетика пола

Про структуру молекул ДНК. Чтобы длинная молекула ДНК не спуталась, она намотана на белковые бусины, которые в свою очередь, свернуты в более плотные структуры. Плотно свернутая молекула ДНК упакована в белковый футляр и называется хромосома. У человека во всех клетках, кроме половых, имеется 46 хромосом, или 23 пары – по одной каждого типа от мамы и от папы. Самой длинной хромосоме присвоен номер один, а остальные пронумерованы по убыванию размера. Одна из 23 пар содержит не одинаковые хромосомы. Это так называемые половые хромосомы – Х и Y (произносится - икс и игрек). Присутствие Y-хромосомы (генотип ХY) предопределяет развитие зародыша по мужскому пути, а отсутствие (генотип ХХ) – к развитию по женскому пути. Только одна из каждой пары хромосом попадает в половую клетку. Мать может передать ребенку только Х-хромосому, половой хромосомы другого типа у нее нет. Пол ребенка определяется половыми клетками отца. Они двух типов: содержат либо Х-хромосому (оплодотворение таким сперматозоидом приводит к рождению девочки), либо Y-хромосому (в этом случае родится мальчик). Соотношение половых хромосом в соматических клетках отца 1Х:1Y, задает такое же соотношение детей по полу – мальчиков и девочек рождается примерно поровну.

Хромосомные системы определения пола могут быть разными в разных группах позвоночных. Например, у птиц: пол цыпленка определяется различающимися по составу хромосом половыми клетками курицы, а не петуха. У всех млекопитающих одинаковая система хромосомного определения пола, что указывает на то, что эта система сложилась еще тогда, когда все будущие разнообразные виды млекопитающих (человек, кит, летучая мышь) были представлены только одним общим для них предковым видом. Эволюционно Х-хромосома всех млекопитающих, включая человека, является предковой для Y хромосомы. Y-хромосома человека в несколько раз меньше, чем Х-хромосома, хотя исходно они были одинаковыми по размеру. Поэтому, бытует мнение, что Y-хромосома в ходе дальнейшей эволюции может вообще исчезнуть. Но даже если она уменьшится еще в тысячу раз, это не изменит саму систему хромосомного определения пола человека, как одного из видов млекопитающих. Ведь для запуска развития зародыша по мужскому пути достаточно всего одного гена из Y-хромосомы. Этот ген называется SRY. Кроме того, следует помнить о разнице в масштабах времени для эволюционных процессов разного уровня.. Y-хромосома уменьшается уже пару сотен миллионов лет, из которых она уменьшается в человеке, как таксономическом роде, пару миллионов лет, а в человеке, как таксономическом виде – пару сотен тысяч лет. Так что еще немало осталось…

↑Аутосомы, хромосомные перестройки и опухолевые заболевания

Только половые хромосомы X и Y имеют отношение к определению пола ребенка. Все остальные 22 пары хромосом человека нужны для формирования индивида каждого пола, но не имеют отношения к определению пола. Эти 22 пары хромосом человека называются аутосомы. Хромосомы примерно одинакового размера различают по относительному положению перетяжки белкового «футляра» (центромера) и по окраске (РИС). Метод, называемый «дифференциальным окрашиванием», дает набор полосок, похожий на штрих-код, что позволяет распознать не только любую хромосому, но и ее фрагменты. Метод FISH (флуоресцентная гибридизация in situ) позволяет окрасить каждую хромосому в свой цвет. Специфическими реагентами для окрашивания являются фрагменты данной хромосомы, не встречающиеся в других хромосомах и набор разных флуоресцентных красителей.

Окрашивание применяют при анализе хромосомных мутаций. Это такие мутации, которые изменяют не отдельную букву генетического текста, а целые блоки текста - фрагменты хромосом. Фрагмент хромосомы может быть утрачен (такая мутация называется делеция), удвоен (дупликация), перевернут (инверсия) или перемещен на другую хромосому (транслокация). Хромосомные мутации в половых клетках часто приводят к гибели организма уже на стадии эмбрионального развития. Хромосомные мутации в клетках тела сформированного организма (такие клетки называют соматическими) не приводят к его гибели, но могут приводить к появлению опухолей. Например, транслокация фрагмента хромосомы 9 на хромосому 22 приводит к образованию гибридного гена, вызывающего рак крови - хронический миелолейкоз.

Рак - неконтролируемое деление клеток тела сформированного организма, это болезнь генома. Точнее, рак это очень много разных болезней, объединенных этим общим названием, но имеющих разные молекулярно-генетические причины. Первопричиной появления любой опухоли (группы не котролируемо делящихся клеток) обязательно является изменение или утрата части генетического текста (чем бы оно ни было вызвано) в единичной соматической клетке. При этом утрачивается функция одного из генов, относящегося к одной из трех групп. Это группа генов, удерживающих клетки от неконтролируемого деления (пролиферация), группа генов, приводящих к самоубийству клетки в определенных условиях (апоптоз), и группа генов, препятствующих неконтролируемому перемещению клеток в организме (метастазирование). Мутантная клетка дает группу потомков – клон. Рак это болезнь эта многостадийная. Следующая стадия начинается с того, что в одной из клеток первичного клона происходит изменение или утрата части генетического текста из другой, ранее не затронутой группы генов, дефект которых приводит к опухоли. Генов, дефект которых может привести к раку, много. В каждом из них утрата функции может быть вызвана тысячами разных конкретных мутаций. Поэтому, если ДНК диагностикум на возникновение рака и появится, то она будет связана, скорее всего, с технологиями общегеномного анализа. Принципиально возможно создание такого диагностикума на основе анализа изменений в работе генов.

↑Проект «Геном человека»

Полностью генетический текст человека был прочтен в 2001 г. Это были черновики, содержавшие многие ошибки. Результаты были опубликованы в самых престижных научных журналах «Nature» и «Science». В этих статьях количество соавторов – около 500 человек. Когда работа приближается к получению большого массива данных – это всегда работа больших коллективов ученых и проект «промышленного» масштаба.

Проект « Геном человека», как и всякий большой научный проект, основан на реализации оригинальных методов и идей, а главное – новых представлений о природе, высказанных отдельными людьми в ходе фундаментальных научных исследований, проводившихся вовсе не для достижения каких-либо практически или коммерчески значимых результатов. Но эти практические результаты не могли бы быть получены без тысяч «бесцельных» фундаментальных работ, проведенных в течение десятилетий, предшествовавших началу работ по проекту «Геном человека». Многие десятки таких фундаментальных работ отмечены Нобелевской премией. Например, Дж. Уотсон и Ф. Крик установили структуру ДНК, А. Корнберг выделил белки нужные для синтеза (репликации) ДНК, Ф. Сенгер создал метод определения последовательности букв-нуклеотидов в ДНК, основанный на контролируемом синтезе в пробирке (in vitro) молекулы ДНК.

↑Секвенирование ДНК

На рисунке (Рис ) показан результат определения последовательности букв генетического текста по методу Ф. Сенгера. Эта процедура называется «секвенирование ДНК» - определение последовательности нуклеотидов, каждый из которых светится (флуоресцирует) своим цветом. В каждой позиции (от 1 до 600) присутствует пик одного из 4-х цветов, соответствующей присутствию в данной позиции текста буквы А, Т, Г или Ц. Последовательность цветов пиков соответствует последовательности букв генетического текста. Эти «цветные» буквы присоединяются последовательно одна за другой во вновь синтезируемую нить ДНК. Последовательность букв в строящейся «окрашенной» нити дополнительна (как ключ к замку) последовательности букв в матричной цепи. Буква А в новой нити встроится только напротив буквы Т в матричной нити, а Т – напротив А. Соответственно, Г будет стоять только напротив Ц, а Ц – напротив Г. Поэтому последовательность букв в синтезированной нити ДНК однозначно отражает эту последовательной в матричной нити ДНК из исследуемого организма. Фермент, который осуществляет реакцию синтеза ДНК, называется ДНК-полимераза.

За один запуск синтеза молекулы ДНК определяли последовательность около 200, а сейчас – около 1000 букв из 3 миллиардов, составляющих наш генетический текст. Поэтому проект потребовал определения последовательности нуклеотидов в десятках миллионов отдельных фрагментов ДНК и единый длинный текст восстанавливали по перекрыванию текстов в секвенированных фрагментах. Перед секвенированием каждый фрагмент молекулы ДНК накапливали и выделяли как химически чистое вещество. Для этого получали вначале так называемую «рекомбинантную ДНК»: фрагмент человеческой ДНК соединяли с фрагментом ДНК носителя, способного размножаться в клетках бактерии. Рекомбинантные молекулы вводили в бактериальную клетку и там размножали в требуемых количествах. Размножение фрагмента ДНК можно также проводить in vitro (в пробирке) с помощью фермента ДНК-полимеразы. За один цикл синтеза из одного двунитевого фрагмента ДНК образуется два таких же двунитевых фрагмента. В каждом цикле число фрагментов удваиваится. Такую реакцию синтеза называют ПЦР (Полимеразная Цепная Реакция).

«Чистовое» прочтение последовательности нуклеотидов в геноме человека было закончено через 3 года – в 2004 г., через полвека после открытия структуры ДНК Уотсоном и Криком. «Чистовой» генетический текст содержит последовательность 2,85 млрд. букв. Вероятность ошибки по техническим причина в нем – 1 на 100 000 позиций.

↑Гены, РНК и белки человека

Компьютерный и экспериментальный анализ всего генетического текста человека показал, что он подразделен на многие десятки тысяч генов. Ген это отрезок ДНК, кодирующий отдельную инструкцию для выполнения определенной функции в клетке или в целом организме.

Хотя каждый грамотный человек слышал слова «ген» и « генетика», твердое представление о том, что гены являются основой всего живого, есть лишь у половины людей, а представители другой половины не уверены, что гены обязательно нужны или вообще считают, что это что-то вредное.

Ген это фрагмент молекулы ДНК. Каждый ген имеет определенные координаты в едином генетическом тексте молекулы ДНК, то есть букву с определенным номером, с которого этот ген начинается и букву, которой он заканчивается. Этот отрезок ДНК, ген, является матрицей, с которой снимается отпечаток – молекула РНК. Длина большинства генов человека составляет от нескольких сотен до нескольких тысяч букв. Но есть и гены карлики размером в немногие десятки букв, и есть гены гиганты размером больше двух миллионов букв.

Основная часть генов человека (больше 40 тысяч) кодирует молекулы РНК, выполняющие свои функции непосредственно. Список генов этого типа составлен лишь в последние годы и увеличился почти в сто раз после определения всего генетического текста человека. Функции генов этого типа (структурные, каталитические и регуляторные) для большинства этих генов не известны в деталях. В последние годы накоплено много данных об их роли в нормальном развитии организма и в нарушениях функций клетки при различных заболеваниях.

Меньшая часть генов человека (20 - 25 тысяч) кодирует молекулы РНК, с которых синтезируется белок. Хоть человек и считает себя венцом природы, белок-кодирующих генов у него немногим больше чем у крошечного червя нематоды (19 600) или у плодовой мушки – дрозофилы (13 600). У некоторых организмов белок-кодирующих генов больше, чем у человека, например, у кукурузы их около 50 тысяч. А вот размер генома, т.е. количество ДНК на клетку, отличается у разных видов значительно сильнее (например, у лилии ДНК в 30 раз больше, чем у человека).

Белки выполняют в клетке различные функции. Одни белки человека являются строительными блоками (например, амелогенин – структурный белок зубной эмали). Некоторые преобразуют одни вещества в другие (например, алкогольдегидрогеназа выполняет каталитическую функцию, превращая радующий нас этанол в отравляющий нас ацетальдегид). Многие белки являются регуляторами (например, белки-онкогены и онкосупрессоры включают и выключают другие гены, запускающие или останавливающие процесс роста опухоли).

↑Генетическое разнообразие и эволюция

Отличия генетических текстов человека и его ближайшего родственника в мире животных — шимпанзе, на порядок больше, чем генетические различия между двумя людьми. ДНК двух людей отличаются в среднем одной буквой из тысячи. ДНК человека и шимпанзе отличаются одной буквой из ста. Представляется более удивительным, что 99 из 100 букв у нас с шимпанзе совпадают. Для сравнения: папина и мамина ДНК в клетке морского обитателя, оболочечника, отличается в каждой тридцатой букве. Если степень родства и время существования последнего общего предка определять только на уровне ДНК, то мы с шимпанзе, хоть и относимся к разным видам, но выглядим как более близкие родственники, чем этот оболочечник со своим родным братом…

Выяснив, в каких участках ДНК возникли различия между предками шимпанзе и человека линии человека, можно сделать предположение о том, изменение каких генов «сделало нас людьми». Некоторые из них уже известны. Например, это мутации, инактивирующие сотни генов обонятельных рецепторов. Запахи в жизни человека играют гораздо меньшую роль, чем у шимпанзе и у других животных. Возможно, ослабление этого канала получения информации у человека компенсируется большей ролью и развитием других каналов, например, зрительного. В линии человека также утратил активность один из нескольких генов коллагена — белка, образующего шерсть и волосы. Среди других мутаций в линии человека особый интерес вызывают те, которые связаны с работой мозга. Найдены мутации в генах, которые контролируют размеры мозга. Показано, что в линии человека быстро эволюционировал ген, влияющий на формирование зоны мозга, задействованной в обучении речи. Этот ген был найден при исследовании семьи, в которой неспособность освоить грамматику и правильно составлять фразы передавалась как наследственная черта. Дальнейший анализ структуры этого гена у разных видов животных показал, что он эволюционно стабилен, и только в линии человека произошли важные изменения. Наличие возможно тысячной доли генов, которые делают нас людьми, не исключает того, что по признакам, кодируемым остальными генами, наша эволюция шла, идет и будет идти точно также как она идет у всех других животных.

Как быстро в эволюционном масштабе можно изменить какие-либо признаки у человека – вопрос отдельный. Возможно, что более сложные признаки эволюционно более пластичны и могут меняться многими разными путями и быстрее, чем признаки простые, генетически жестко детерминированные. Академик Д.К. Беляев в Новосибирске в Институте цитологии и генетики вел работу по одомашниванию лис. Всего за 20 поколений произошли очень заметные изменения их поведения. Эти изменения оказались закреплены физиологически, биохимически и генетически. По поведению лисы стали похожи на собак. Они ластятся к человеку и приветливо машут хвостом, потявкивают, уши у них повисли. Эти признаки, которые до начала селекции не наблюдались у лис, стали проявляться у многих особей уже после первых пяти поколений искусственного отбора. Отбор был жестким. По простому говоря, не машешь хвостом селекционеру – размножаться не дают. Несомненно, такой результат это НЕ проявление вновь возникших мутаций, а сдвиг уже существовавшего генетического разнообразия, имевшегося даже в столь небольшой группе лис, с которой велась работа. Человек, как и лиса, млекопитающее. Генетическое разнообразие и у нас не маленькое – вспомните про два миллиона отличий между Вашими собственными папиными и мамиными хромосомами. Для человека 20 поколений – это 400 лет, что совсем не много по сравнению с 100-200 тыс. лет, прошедших со времени появления Homo sapiens в его современном анатомическом виде. Так что для массового распространения каких-то признаков, которые мы считаем специфически человеческими, могло понадобиться не так уж и много времени. Вероятно, в эволюционном масштабе потребуется немного времени и для того, чтобы эти специфически человеческие признаки в линии человека практически исчезли… 

↑Почему клетки в организме разные

Что и как делает геном, чтобы из одной клетки появился целый человек с структурно и функционально разными клетками? Несколько десятков тысяч миллиардов клеток, из которых составлен взрослый человек, не одинаковы, а составляют более 200 разных типов тканей и органов совсем не похожих друг на друга как, например, клетки крови, кости и мозга. При этом геном остается во всех клетках взрослого организма таким же, как и в исходной оплодотворенной яйцеклетке (кроме нескольких специализированных типов клеток – половых и клеток иммунной системы). Еще ярче эта неодинаковость клеток заметна при развитии насекомого – оно даже само на себя перестает быть похожим несколько раз за жизнь. Яйцо, гусеница, куколка и бабочка имеют один и тот же геном, это один и тот же индивид, но выглядящий по-разному, потому что на разных стадиях существования этого индивида работает разный набор инструкций (генов). У человека в каждой клетке присутствует один и тот же геном, но может проявляться разный набор наблюдаемых признаков (фенотип). Это происходит потому, что один и тот же ген работает по-разному в разных органах и тканях, а также на разных стадиях индивидуального развития организма. 

↑Как изучают работу генов

Как изучают работу генов? Для этого экспериментально определяют, работает ли ген как матрица для синтеза РНК в клетках. Фрагмент ДНК определенного гена длиной в несколько десятков букв нуклеотидов прикрепляют к микроплощадке. На каждой площадке – кусочек только одного гена. Группа таких микроплощадок с ДНК объединенных на общей подложке называется микробиочип. Фрагмент этого гена представлен лишь одной из двух нитей ДНК – той, которая является матрицей для синтеза РНК с этого гена. Такие участки ДНК и РНК «слеплены» друг с другом как ключ с замком и называются комплементарными (дополнительными). Все молекулы РНК в исследуемых клетках метят флуоресцентной краской. Если ген в данной ткани или данных условиях работает, это приводит к появлению его РНК в клетках и флуоресцентно меченная РНК будет «светиться». Раствор с огромным количеством разных меченных РНК наносят на микробиочип. РНК, как ключ с лампочкой, находит микроплощадку со своим «замком», «залипает» на него и эта микроплощадка начинает светиться. Это и считается сигналом работы гена в исследованной клетке. Если площадка «не светится», значит, соответствующий ей ген в исследуемой ткани молчит.

Приятно отметить, что первый в мире патент на микробиочипы принадлежит нашей стране – коллективу академика Андрея Мирзабекова. Хотя предназначались они тогда, в первую очередь, не для исследования работы генов, а для выявления разных вариантов генетического текста в исследуемых биологических образцах.

Оказалось, в клетках каждой ткани человека работает в данный момент лишь несколько процентов от всех генов. Часть работающих генов в клетках разных тканей общая, часть – разная, а основная часть генов вообще не работает. Почему? Представьте себе, что будет, если гены в клетках мышц станут вдруг работать как, например, гены в клетках кости? А наследственное заболевание с таким проявлением известно, причем смертельное: все мышцы взрослого человека с годами медленно костенеют и он гибнет от удушья…

Самое большое количество разных генов работает в мозге. Почему? Конкретного ответа на этот вопрос сегодня нет. Но, вероятно, думаем мы генами, только пока не знаем, как именно. Но уже сегодня знаем, что если работу генов мозга блокировать, то блокируется как запоминание, так и вспоминание. Но, что бы ни происходило с ДНК и РНК в мозге, и как бы это ни влияло на то, что мы помним, потомству это не передастся. Ведь потомство человека, как известно, появляется не из клеток мозга, правда, без них тоже ничего не получится…

↑Молекулярная генетика, геномика и медицина

Как связано наше знание генетики с пониманием основ нашего здоровья и проблемами его сохранения? Можно ли предсказать, а тем более вылечить или предотвратить болезнь на основе знания генетического текста индивида? Распространенность и значение заболеваний с наследственной предрасположенностью огромно. Например, болезни сердечно-сосудистой системы являются ведущими по распространенности и самая частая причина смертей в мире, опухоль молочной железы – причина 20% женских смертей среди белого населения. Больных астмой в мире около 150 миллионов, а число приступов мигрени за год - 1,4 миллиарда.

Генетический текст каждого из нас уникален. Не было, нет и не будет двух одинаковых людей на Земле, кроме случаев вегетативного размножения у человека – идентичных близнецов и клонов. ДНК папиной и маминой хромосомы отличаются у Вас, в среднем, по одной букве на каждые 1250 позиций, что составляет около 2,1 млн. различий между папиным и маминым генетическим текстом в каждом из нас. А всего к настоящему времени найдено несколько более 10 миллионов различий при сравнении фрагментов геномов нескольких тысяч разных индивидов.

↑Наследственные болезни и ДНК диагностика

Вероятность того или иного заболевания зависит от наследственной предрасположенности данного человека к этому заболеванию и от влияния факторов среды. Люди с разными вариантами генетического теста имеют разную вероятность возникновения данного заболевания. Для одной группы болезней и генетически обусловленных состояний, таких как гемофилия (несвертываемость крови) и дальтонизм (цветовая слепота), ведущими являются факторы наследственности. В этих случаях достаточно изменения единичной буквы в тексте одного единственного гена, чтобы болезнь возникла и проявилась, а условия среды не компенсируют наследственный дефект. Исследования идентичных (однояйцевых) близнецов показывают, что если один из пары близнецов болен, то и второй болен практически всегда, даже если близнецы были разделены в раннем детстве и воспитывались в разной среде. То есть именно особенности генетического текста индивида в случае таких болезней практически полностью предопределяют их появление. Проявление таких признаков в поколениях точно соответствует закономерностям, обнаруженным еще Грегором Менделем при исследовании гороха.

Предсказание заболеваний, основанное на индивидуальных особенностях генетического текста, возможно и целесообразно как раз для таких «просто наследуемых», «Менделирующих» заболеваний. Найдено более 2000 генов человека, дефект которых приводит к таким болезням. Подавляющее большинство таких болезней проявляется уже в детстве. Частота встречаемости больных по каждому из этих заболеваний значительно менее 1 на 1000 человек, а общее число людей, которые ими больны в мире, составляет, вероятно, около 10 миллионов. Для этих болезней созданы ДНК-диагностикумы, позволяющие выявить те изменения в молекуле ДНК, которые приводят к возникновению болезни. Это одно из главных практических достижений программы «Геном человека». Диагностика позволяет предсказывать появление такой болезни по особенностям генетического текста даже до рождения ребенка. Это особенно важно в отношении тех болезней этой группы, которые приводят к гибели ребенка практически неотвратимо. В таких случаях прерывание беременности является драматическим, но частым выбором родителей, ведь следующая беременность с вероятностью 75% приведет к рождению не больного ребенка. Наиболее ярким примером такого применения ДНК диагностики является 20 кратное падение частоты рождения детей больных бета-талассемией (тяжелое заболевание крови) на Сардинии за 25 лет применения соответствующей программы. Теоретически, такие болезни можно искоренить полностью.

↑Мультифакторные заболевания

К другой группе наследственных болезней человека относится большинство случаев сердечно-сосудистых и нейродегенеративных заболеваний, заболеваний иммунной системы и ряда других. Эти заболевания характеризуется тем, что больные чаще, чем здоровые, несут определенные варианты генетического текста. Достоверно более высокая частота заболевания не означает, что каждый носитель «рискового» варианта генетического текста болен, и, наоборот, отсутствие «рискового» варианта не означает, что все такие индивиды не затронуты данным заболеванием, хотя частота заболевания среди них достоверно ниже. Вариантов генетического текста, предрасполагающих к данному заболеванию, может быть не один, и не два, а гораздо больше. Наследственные болезни этой группы называют мультифакторными. Это означает, что развитие болезни зависит не от одного, а от нескольких наследственных факторов. Отсутствие 100%-ной связи носительства данного генетического текста с появлением данной болезни указывает на то, что в развитии болезни определенную роль играют и факторы среды. В основном мультифакторные наследственные заболевания это заболевания людей зрелого возраста. Причем у человека пожилого таких болезней может быть и не одна. Число таких болезней на порядок больше, чем ранее описанных «менделирующих» заболеваний, то есть болезни этой группы наиболее распространены и составляют основную проблему для здравоохранения.

Один из примеров такой болезни – шизофрения. Количественный вклад наследственности и среды в появление данного заболевания определяют при исследовании пар идентичных близнецов. Даже если генотипы индивидов одинаковы, наблюдаемые у них признаки, в том числе болезнь, могут не совпадать. Для идентичных близнецов, из которых один болен шизофренией, второй оказывается больным в среднем в четырех из пяти пар. В одной паре из пяти один близнец болен, а второй – здоров, даже если они и выросли они вместе. Это несовпадение одинаковых наследственных особенностей с разным проявлением внешне наблюдаемых признаков приписывают различиям во влиянии среды, хотя определить, в чем заключаются эти микроразличия, мы сейчас не умеем. Близнецовые исследования позволяют измерить вклад наследственности, хотя генетический механизм, поврежденный при заболевании, может оставаться неизвестным. Конечно, 80% совпадения в проявлении болезни у идентичных близнецов указывает на очень большой, но все же не фатальный вклад наследственности. Поэтому достоверность предсказания развития болезни по данным ДНК-диагностики, в том числе по знанию абсолютно всех особенностей генетического текста у данного человека, не сможет превысить коэффициент совпадения по проявлению этой болезни у генетически идентичных близнецов. Поэтому, чтобы ни сулила реклама, призывающая пройти ДНК диагностику, и как бы ни был велик вклад наследственности в развитие заболеваний этой группы, у каждого человека с наследственной предрасположенностью к такой болезни есть шанс не заболеть.

↑Фармакогенетика и фармакогеномика

Изучение генетического разнообразия людей лежит в основе понимания причин молекулярно-генетических различий между внешне сходными заболеваниями, а также причин разной реакции разных людей на лекарства. Этот раздел генетики называется «фармакогенетика». В настоящее время индивидуальные особенности генетических текстов людей выявляют с помощью ДНК микрочипов, в которых присутствуют фрагменты ДНК, соответствующие полумиллиону наиболее частых встречаемых вариантов генетического текста.

Знание генетического текста индивида позволит в будущем предположить, какой этап обмена веществ у человека поврежден, т.е. лекарство против какого слабого звена необходимо давать именно данному человеку, а также в каком количестве ему нужно давать данное лекарство, чтобы активная форма лекарства продержалась в организме необходимое время. Лечить нужно не болезнь, а больного. Знание генетического текста и его связи с развитием заболевания открывает эру индивидуализированной, персонализированной медицины. Такая медицина будет предсказательной и потому превратится в медицину профилактическую, ведь предотвратить заболевание полезнее, легче и дешевле, чем его лечить.

Раздел геномики, изучающий изменение работы генома в ответ на лекарственное воздействие называют фармакогеномикой. Изменение работы генома в ответ на действие инфекционного агента является способом молекулярно-генетической диагностики заболеваний. При этом выявляют группы генов, координированно изменяющих при заболевании активность своей работы (то есть интенсивность образования РНК копий с данного гена). Изменение активности части из таких генов может являться причинным для возникновения и развития заболевания. Оно может быть также причинным для проявления устойчивости к заболеванию и излечению от данной болезни. Использование в фармакологии таких генов или их продуктов (РНК, белков) может в будущем заменить все лекарства.

↑ДНК идентификация человека

Еще одним важным применением молекулярной генетики является ДНК-идентификация человека. С 2008г. в России введен закон о «Государственной геномной регистрации». Процедура применяется для опознания погибших в войнах, катастрофах, установления отцовства. ДНК идентификации особенно важна при расследовании тяжких преступлений, т.к. эти преступления в 80% случаев рецидивные. Если новое преступление совершено рецидивистом, то его личность можно выявить с помощью ДНК идентификации. Для этого предварительно необходимо создать и пополнять базу данных об особенностях генетического текста преступников, позволяющих при следующем преступлении идентифицировать индивида по ДНК из биологического образца, обнаруженного на месте преступления (кровь, волосы, слюна и другие). ДНК в биологическом образце может сохраняться в некоторых случаях очень долго. Так, профессору МГУ Е.И.Рогаеву удалось секвенировать ДНК неандертальца и мамонта, останки которых пролежали в земле более 25 тысяч лет. Кстати, сравнение мтДНК мамонтов и слонов показало, что мамонты, как и индийские слоны, являются потомками слонов африканских. В Институте общей генетики РАН Е.И.Рогаев успешно провел работу по идентификации второго захоронения царских останков, предположительно принадлежавших семье императора Николая II, а также перепроверил результаты работы с останками из первого захоронения. Эта работа была проведена со следовыми количествами ДНК, соответствующими ее содержанию всего в нескольких клетках, причем эта ДНК была сильно поврежденной за 90 лет хранения в далеко не оптимальных условиях. ДНК идентификация костных останков предположительно принадлежащих Николаю II была проведена при сравнении с ДНК из пятна крови Императора на рубашке, которая хранится в Государственном Эрмитаже, С.-Петербург. Кровь на рубашку попала после покушения на царя в Японии. Е.И. Рогаев исследовал образец крови с рубашки и показал идентичность индивидуальных особенностей ДНК из этого пятна крови и из костных останков. Эта экспериментальная работа была опубликована в докладах Американской академии наук, куда была представлена Джеймсом Уотсоном, лауреатом Нобелевской премии за открытие структуры ДНК. Венцом молекулярно-генетических исследований останков царской семьи явилось обнаружение в костных останках царевича Алексея мутации, являвшейся причиной гемофилии у царевича. Эта мутация была найдена после секвенирования одного из генов, необходимых для свертывания крови, и оказалась ранее не описанной заменой всего одной буквы из трех миллиардов его генетического текста.