Мусорная ДНК. Путешествие в темную материю генома - Несса Кэри

Однако в большинстве случаев очень трудно продемонстрировать, что это действительно так. Даже если ученые сумеют показать, что изменение в РНК приводит и к нарушению картины сплайсинга, и к замене аминокислоты, как определить, какой из этих эффектов вызывает симптомы болезни? Что служит их причиной — сам белок, где в определенном месте одна аминокислота заменена на другую, или еще и то, что белок возник в результате непривычного сплайсинга?

Природа сама предоставила нам свидетельства того, что иногда мутация в кодирующем участке способна вызывать болезнь посредством влияния на сплайсинг, а не посредством замены аминокислоты. Существует весьма необычное заболевание, названное прогерией Хатчинсона-Гилфорда в честь двух ученых, которые впервые его выявили. Слово «прогерия» означает «раннее старение», и эта ее форма невероятно опасна. Она встречается крайне редко, затрагивая примерно одного ребенка из 4 миллионов15.

Родившиеся с этим недугом поначалу кажутся совершенно здоровыми, но уже в течение первого года жизни их рост резко замедляется, а потом и вовсе останавливается. У детей начинают проявляться многие симптомы старости: редеют волосы, наступает облысение, тело становится жестче. Хотя у них все-таки не развиваются некоторые заболевания, свойственные пожилому возрасту (скажем, болезнь Альцгеймера), зато возникают серьезные сердечно-сосудистые заболевания. Именно от них несчастные дети умирают еще в раннем подростковом возрасте: летальный исход становится следствием инфаркта или обширного инсульта.

В 2003 году специалисты выявили генетическую мутацию, которая вызывает прогерию Хатчинсона-Гилфорда. У каждого из обследованных пациентов обнаружилась новая мутация (мутация de novo), то есть такая, которая спонтанно возникла в яйцеклетке или сперматозоиде кого-то из родителей. Невероятно: у 18 пациентов, не связанных близким родством (всего обследовали 20) мутация оказалась совершенно одинаковой16.

Последовательность ГГЦ в определенном гене мутировала и в результате сменилась на ГГТ. Этой мутации подверглась одна из тех областей гена, которые занимаются кодированием аминокислот. Может показаться, что перед нами сравнительно обычный, «лобовой» случай мутации, заменяющей одну из аминокислот в белке. Так что первым делом, разумеется, следует посмотреть на генетический код и выяснить, что же кодируют эти две последовательности. ГГЦ, нормальная последовательность, кодирует простую аминокислоту глицин. Однако ГГТ, мутантная последовательность, кодирует (внимание!) глицин же. Да-да, ту же самую аминокислоту!

Дело в том, что генетический код наделен определенной избыточностью. Как мы уже знаем, наш геном записан при помощи всего четырех букв — А, Г, Т и Ц (в РНК вместо буквы Т — буква У). Блоки из 3 букв (триплеты) используются для кодирования той или иной аминокислоты. Из 4 букв можно составить 64 трехбуквенные комбинации. Три из этих комбинаций — стоп-сигналы, приказывающие рибосоме больше не добавлять аминокислоты в белковую цепочку, которую она выстраивает. Остается 61 комбинация для кодирования аминокислот. Но наши белки содержат в общей сложности лишь 20 различных аминокислот. Поэтому некоторые аминокислоты можно кодировать несколькими различными трехбуквенными наборами. Одна крайность: глицин кодируется триплетами ГГА, ГГЦ, ГГГ и ГГТ (ГГУ). Противоположная крайность: аминокислоту метионин кодирует лишь комбинация АТГ (АУГ).

Но если при прогерии Хатчинсона-Гилфорда не меняется аминокислотная последовательность, кодируемая мутантным геном, что же вызывает такое резкое изменение фенотипа при этом заболевании? Вновь обратимся к рис. 17.5. Последовательность из двух нуклеотидных оснований, находящаяся в начале каждой промежуточной области гена, такова: ГТ. Но у страдающих этой болезнью нормальный триплет ГГЦ меняется на ГГТ, и участок, кодирующий аминокислоту, получает ненужный дополнительный сигнал сплайсинга. На фоне всех остальных сигналов сплайсинга в этой области генома такое неверное размещение ГТ действует весьма сильно. Сплайсосома разрезает информационную РНК в области, кодирующей аминокислоты, а не в мусорной области. Участки, кодирующие аминокислоты, соединяются неправильно, что приводит к потере примерно 50% аминокислот, которые должны располагаться на конце синтезируемого белка. В результате сам белок не обрабатывается должным образом и начинает вносить сумятицу в работу клеток. Мы пока точно не знаем, каким образом это приводит к необычному старению, которое мы наблюдаем у детей, страдающих данным заболеванием. Наиболее убедительное предположение на данный момент: в ходе таких процессов нарушается механизм поддержания нормального функционирования клеточного ядра. Это может приводить к изменениям в экспрессии генов и к разрушению ядра. Вероятно, некоторые гены и некоторые типы клеток чувствительнее к таким процессам, чем другие.

Есть еще одно детское заболевание — спинальная мышечная атрофия. При этой болезни нервные клетки, управляющие мышцами, постепенно отмирают, что приводит к деградации мышц и утрате подвижности. Существует целый ряд различных форм этого заболевания. При самой острой его разновидности средняя ожидаемая продолжительность жизни детей с этим недугом очень мала — меньше 18 месяцев17. Для генетического заболевания оно распространено сравнительно широко: в Великобритании примерно один человек из 40 является его носителем, а значит, около полутора миллионов британцев несут в себе одну дефектную копию соответствующего гена. По счастью, для развития симптомов болезни требуются две мутантные копии гена, а не одна18.

Спинальная мышечная атрофия возникает в результате удаления (делеции) гена SMN1 или прекращения его нормального функционирования. Если мы посмотрим на человеческий геном, нас может удивить, что такое изменение способно вызвать столь мощный эффект, поскольку в геноме имеется и другой ген, кодирующий тот же белок. Этот ген именуется SMN2. Отсюда очевидный вопрос: раз уж они кодируют один и тот же белок, почему ген SMN2 не может служить компенсацией поврежденного или утраченного гена SMN1 ?

Тут почти такая же история, как с прогерией Хатчинсона-Гилфорда. Видите ли, ген SMN2 слегка отличается от гена SMN1. Речь идет об изменении в ДНК-последовательности одного из участков, кодирующих аминокислоты. Аминокислотная последовательность из-за этого не меняется, поскольку речь идет об одном из триплетов, которые кодируют аминокислоты по принципу избыточности (то есть о тех случаях, когда одну аминокислоту может кодировать не один триплет). Зато меняется один из сайтов, помогающих рибосомам определять, в каком месте проводить сплайсинг молекулы информационной РНК19. Нет, сам сплайсинг-сайт не меняется. Меняется один из сайтов, влияющих на то, где происходит сплайсинг. В результате возникает «пропуск» на участке, кодирующем аминокислоту, и синтезируется белок, не обладающий нужными функциями. Поэтому ген SMN2 не может стать компенсацией гена SMN1, чья работа нарушена. Белок, вырабатываемый при нормальной деятельности гена SMN1, требуется для нормальной работы сплайсосом. В сущности, мутация в одном гене приводит к общим проблемам в сплайсинге информационных РНК, которые удалось бы преодолеть, если бы потенциальный ген-компенсатор не имел собственных проблем со сплайсингом.

Манипулирование сплайсингом в лечебных целях

Как мы видели в главе 7, при мышечной дистрофии Дюшенна, заболевании, быстро истощающем мышцы и переносимом в X-хромосоме, мутирует ген, кодирующий белок дистрофин. Этот ген имеет необычайно большие размеры — почти 2,5 миллиона пар нуклеотидных оснований. В нем около 80 участков, кодирующих аминокислоты. Эти участки должны положенным образом проходить сплайсинг и процессинг. Особенно важно это из-за того, что дистрофин — белок долгоживущий, а значит, любое изменение, которое повышает вероятность его неверного сплайсинга, будет влиять на клетку в течение длительного времени. Но наличие 78 интронов в этом массивном гене означает, что для него высок риск как спонтанных, так и наследуемых мутаций, способных влиять на сплайсинг. Почему? Просто из-за того, что сама немалая величина гена и большое количество в нем промежуточных областей создают для таких мутаций массу возможностей: попросту говоря, есть масса мест, где могут происходить мутации. В одном обзоре это описано довольно ярко и при этом информативно: «Массивный ген дистрофина (2,4 Мб), основную часть которого составляют его 78 интронов, так и напрашивается на неприятности со сплайсингом, которые и происходят у одного младенца из каждых 3 тысяч, рождающихся живыми»20.

Итак, в некоторых случаях причиной мышечной дистрофии Дюшенна становятся погрешности сплайсинга. Однако часто это заболевание вызвано попросту отсутствием важнейших областей гена, а значит, и молекул белка, в нем закодированного. Впрочем, в последние годы забрезжила надежда на создание эффективных методик лечения этого пока неизменно летального недуга. Как ни странно, речь идет о разработке препаратов, способствующих аномальному сплайсингу дистрофинового гена у мальчиков с этим заболеванием.