Игра в ассоциации

Три истории из мира медицинской генетики

Иллюстрация: "All about milk" (1919) / The Library of Congress

Мы уже рассказывали о том, что с помощью персональной геномики можно узнать о нашем происхождении, и говорили о личном опыте генетического тестирования. Другая огромная область применения персональной геномики — изучение генетики различных медицинских и физиологических особенностей: от склонности к облысению и ожирению до предрасположенности к тяжелым заболеваниям. В широком смысле слова все это можно назвать медицинской генетикой, о ней и пойдет сегодня речь.

Для начала разберемся с тем, как ученые устанавливают связи между генетикой и физиологическими особенностями организма. Основной способ изучения таких связей — полногеномный поиск ассоциаций, или GWAS (Genome-Wide Association Studies). Цель GWAS заключается в поиске статистической ассоциации между генетическими признаками — например, разными вариантами одного гена — и фенотипическими признаками — например, заболеваниями или типом конституции. Для поиска таких ассоциаций сравнивают геномы двух групп людей: носителей исследуемого признака и контрольной группы. Всех этих людей генотипируют с помощью микрочипов, определяющих миллионы известных однонуклеотидных полиморфизмов. Если выясняется, что какой-то вариант полиморфизма чаще встречается у людей с заболеванием, то такой вариант считают «ассоциированным» с этим заболеванием — а точнее, с повышенным риском этого заболевания.

Поиск ассоциаций не обязательно должен быть полногеномными: бывают и исследования, фокусирующиеся всего на одном или на нескольких участках генома. Однако принцип всегда один: определить коэффициент риска, показывающий, насколько чаще конкретный полиморфизм встречается у людей с заболеванием, чем у людей без него. Именно с такими коэффициентами и работают компании, занимающиеся direct-to-consumer-геномикой (то есть предлагающие анализ генома обычным людям, а не ученым). Потребителей генотипируют по полиморфизмам, для которых уже установлены ассоциации с признаками и болезнями (обычно в генетическое тестирование входит несколько сотен полиморфизмов), и сообщают им, насколько вероятность возникновения у них этих признаков выше или ниже, чем у популяции в целом.

Проблема, однако, в том, что у человека очень мало признаков и заболеваний, которые наследуются по простым законам Менделя — то есть демонстрируют очевидную корреляцию мутации с болезнью. К ним относятся моногенные заболевания, определяющиеся «поломкой» в одном гене. Это, например, фенилкетонурия — нарушение метаболизма аминокислоты фенилаланина — или известная всем по школьным учебникам гемофилия. Для диагностики таких болезней или определения факта носительства достаточно проверить наличие мутации в конкретном гене (и это, конечно, тоже входит в генетическое тестирование). Однако большинство признаков являются комплексными, то есть определяются работой многих генов, которые еще и по-всякому взаимодействуют между собой и с внешними факторами.

Поэтому самое сложное — это интерпретация полученных данных. Связаны ли обнаруженные полиморфизмы с механизмом возникновения заболевания? Начиная с каких значений коэффициент риска можно считать статистически достоверным? Если сделать порог достоверности слишком высоким, можно потерять генетические варианты со слабым, но реально существующим эффектом. Если сделать его слишком низким, то все будет ассоциировано со всем. И наконец, что делать пациенту и его врачу с такой информацией: стоит ли риск развития болезни рисков, связанных с ее профилактикой (например, с удалением молочной железы)? А если болезнь неизлечима — стоит ли вообще знать о риске ее возникновения?

Всеми этими вопросами занимается медицинская генетика — это огромная область знаний, где пересекается и традиционная медицина, и молекулярная биология, и биоинформатика, и биоэтика. Сколько-нибудь подробно рассказать о ней в одном тексте, конечно, невозможно. Но можно вспомнить несколько историй о необычных генах и полиморфизмах, которые отличают нас друг от друга и влияют на нашу жизнь.

История первая: BRCA и Анджелина Джоли

Гены BRCA прославились благодаря Анджелине Джоли, которая весной 2013 года, обнаружив у себя повышенный генетический риск рака молочной железы, сделала превентивную мастэктомию. В статье, опубликованной в The New York Times и вызвавшей огромный резонанс, актриса рассказала о своем решении: у нее обнаружили мутацию в гене BRCA1, которая многократно повышает риск возникновения рака молочной железы и рака яичников. В случае Джоли врачи оценили эти риски как 87 процентов для рака молочной железы и 50 процентов для рака яичников. История актрисы привела к «эффекту Анджелины Джоли»: только в Великобритании число женщин, записавшихся на генетическое тестирование, выросло в 2,5 раза в июне—июле 2013 года. Позже, в 2015 году, Джоли провели операцию по удалению яичников.

Что же это за гены — BRCA? Свое название они получили от английского «breast cancer susceptibility gene» (подверженность раку молочной железы), и их всего два: BRCA1 и BRCA2. Это гены-супрессоры опухолевого роста: в нормальном (не мутированном) состоянии такие гены регулируют клеточный цикл, предотвращая неконтролируемый рост клеток. Если в результате мутаций активность этих генов снижается или блокируется, клетки могут пойти по пути злокачественного роста — то есть образовать опухоль.

В генах BRCA1 и BRCA2 известны сотни мутаций, и далеко не все из них опасны, а некоторые просто еще не изучены. Мутации в генах BRCA — не единственная причина возникновения рака молочной железы: они выявляются всего у 5–10 процентов женщин с раком молочной железы и 10–15 процентов женщин с раком яичников. Однако у женщин, унаследовавших «опасные» мутации, риск возникновения рака молочных желез и рака яичников повышается многократно: примерно в 5 и в 10–30 раз, соответственно. Примерно — потому что риск зависит от вида мутации и неодинаков для разных этнических групп. Мутации в генах BRCA также повышают, хотя и не так сильно, риск возникновения других злокачественных опухолей — например, рака шейки матки и поджелудочной железы в случае BRCA1 и рака желудка и желчного пузыря в случае BRCA2. У мужчин с вредными мутацими в генах BRCA тоже сильно повышается риск возникновения рака молочной железы. Впрочем, поскольку частота этого рака у мужчин очень низкая, абсолютный риск возникновения опухоли у мужчин с мутациями в итоге оказывается равным или даже более низким, чем у женщин без мутаций.

Несмотря на то, что мужчины не попадают в группу риска, надо понимать, что носителем опасной мутации может быть любой человек, а ребенок с вероятностью 50 процентов наследует ее от родителя любого пола. Поэтому врачи рекомендуют проходить генетическое тестирование на мутации генов BRCA женщинам, у которых есть история рака молочной железы/яичников не только по материнской, но и по отцовской линии. Также тестирование советуют евреям ашкенази, у которых мутации в генах BRCA встречаются гораздо чаще, чем у других этнических групп. Ну а что делать, если тестирование на опасные мутации показало положительные результаты — решать каждому самому. Разумеется, после консультации с врачом-генетиком.

История вторая: LCT и история Европы

Большинство населения нашей планеты не может пить молоко и есть молочные продукты. Причина — в неспособности переваривать лактозу, основной углевод молока. У людей с непереносимостью лактозы стакан свежего молока может вызвать кишечные колики, вздутие живота, диарею и даже рвоту. И все это из-за небольшой молекулы лактозы, которая в неизменном виде не может проникать в клетки кишечника и поэтому накапливается в его просвете. В результате организм осмотически теряет воду, а в кишечнике начинают размножаться бактерии, умеющие переваривать лактозу. Токсины и газы, которые выделяют бактерии, вызывают вздутие живота и другие неприятные симптомы.

Как же тогда с молоком справляются младенцы? И почему одни взрослые пьют сколько угодно молока (в Европе таких подавляющее большинство), а другие не могут позволить себе даже мороженое? Дело в том, что у младенцев, а также у части взрослых, в кишечнике синтезируется фермент лактаза, который расщепляет молекулу лактозы на две составные части: глюкозу и галактозу. А эти простые сахара уже без проблем усваиваются нашим организмом. 

У большинства млекопитающих лактаза синтезируется только в детстве, когда детеныш питается материнским молоком. После этого синтез отключается, ведь лактозы нет нигде, кроме молока, а молока взрослые животные не пьют. Именно поэтому, кстати, поить молоком пойманных в лесу ежиков — не самая хорошая идея. Ежик от молока не откажется, но пользы оно ему не принесет. То же самое относится и к кошкам, хотя некоторые из них способны переваривать небольшие количества лактозы (кстати, ученые пока толком не понимают, почему). У большинства людей лактаза с возрастом также перестает синтезироваться. Происходит это лет в пять-семь. Но откуда же тогда берутся люди, способные пить молоко?

Оказывается, у некоторых людей синтез лактазы продолжается в течение всей жизни. Это связано с мутацией в регуляторной области гена лактазы. Эта точечная мутация (то есть замена одного нуклеотида на другой) делает регуляторную область более привлекательной для белка, который, связываясь с ней, запускает считывание гена — синтез лактазы. Способность переваривать лактозу во взрослом возрасте — доминантный признак: у людей, гетерозиготных по гену устойчивости, синтезируется вдвое меньше лактазы, чем у гомозигот, но этого вполне хватает, чтобы успешно переваривать молоко.

Все европейцы, способные пить молоко, обязаны этим одной мутации, которая, по оценкам генетиков, возникла в Европе около 7 тысяч лет назад и оттуда проникла на восток до самой Индии. В Африке же способность пить молоко определяется другими, независимо возникшими нуклеотидными заменами, которых генетики насчитывают как минимум три. То есть способность пить молоко независимо возникала в разных частях мира не меньше четырех раз. При этом, однажды возникнув, устойчивость к лактозе распространялась с удивительной скоростью: в некоторых восточно-африканских этнических группах оно стало практически повсеместным всего за 3 тысячи лет. Это говорит о том, что признак этот подвергался очень сильному положительному отбору. В чем же было эволюционное преимущество способности пить молоко?

Вопрос это особенно интересен потому, что, как выяснили археологи, уже около 10 тысяч лет назад в Европе и Малой Азии умели делать сыр. Это стало известно благодаря находкам глиняных горшков с дырочками, которые использовались в качестве сита для процеживания сквашенного молока. При чем же тут лактоза? А при том, что при молочнокислом брожении бактерии рода Lactobacillus переваривают лактозу, выделяя молочную кислоту. Творог, который получается в результате такого брожения, уже не содержит опасного вещества и его могут есть даже люди, не имеющих мутаций устойчивости. То есть человек научился избавляться от лактозы в молочных продуктах сам — гораздо раньше, чем генетика догнала технологию.

Недавно ученые наконец приблизились к ответу на вопрос о том, что дала людям способность пить молоко. Если посмотреть на карту распространенности устойчивости к лактозе в Европе, видно, что с юго-востока на северо-запад количество людей, способных пить молоко, увеличивается. По тому же вектору в Европе распространялось и фермерство, а вместе с ним и молочное хозяйство. В Малой Азии первых туров одомашнили уже 10 тысяч лет назад, до Балкан молочное хозяйство дошло 8 тысяч лет назад, а Скандинавии и Британии достигло еще спустя 2 тысячи лет. Сопоставив данные популяционной генетики и археологии, ученые показали, что устойчивость к лактозе распространялась в результате заселения новых территорий: в быстрорастущей движущейся популяции частота полезной мутации становится все выше там, куда движется эта популяция, а не там, откуда она пришла. Поэтому в скандинавских странах, куда фермерство добралось позже всего, распространенность устойчивости к лактозе составляет 90–95 процентов.

Сегодня первое место по способности переваривать молоко принадлежит Нидерландам, где с этим справляются 99 процентов населения. Совсем немного от Нидерландов отстает Дания. В России лактозная устойчивость есть примерно у 70–80 процентов людей. Совсем плохо дело обстоит в Юго-Восточной Азии: там молоко могут переваривать всего 2-5 процентов людей. И, наконец, среди американских индейцев молоко не может пить никто.

История третья: PrP и каннибалы

Народ форе живет в Папуа — Новой Гвинее. Их численность составляет всего около 20 тысяч человек, и до 1950-х годов они почти не контактировали с внешним миром и не знали денег. Тем не менее, этот изолированный народ имеет непосредственное отношение к генотипированию. Какое — мы узнаем чуть ниже.

Форе стали известны благодаря эпидемии болезни куру, которая была обнаружена австралийскими колонизаторами в начале 1950-х и достигла своего пика в 1960-х, унеся больше 1000 жизней. Куру — неизлечимое неврологическое заболевание, название которое на языке форе означает «дрожь», поскольку главные его симптомы — тремор и порывистые движения головой. Куру часто называют также «смеющейся болезнью» в связи с патологическими приступами смеха, которыми страдают больные. Среди других симптомов куру — нарушение координации и депрессия. На последней стадии появляются язвы, больной не может говорить и не реагирует на внешние стимулы. Клиническая стадия куру длится около года и заканчивается смертью.

Куру относится к классу трансмиссивных губчатых энцефалопатий. Все они характеризуются прогрессирующей деградацией нейронов головного мозга, что приводит к тяжелым нарушениям двигательной и умственной активности. «Губчатой» такая энцефалопатия называется потому, что в коре больших полушарий образуется множество отверстий, делающих мозг похожим на губку, а «трансмиссивной» — потому что ею можно заразиться при контакте с инфекционными агентами.

Агенты в данном случае — это исключительно интересные штуки. Это не бактерии, и не вирусы, а прионы (от английского protein — белок и infection — инфекция) — белки с аномальной третичной структурой, которые контактируя с гомологичными нормальными белками вызывают их превращение в прионы  (что-то вроде зомби-апокалипсиса, но в мире белков). Накапливаясь в клетках, прионы формируют белковые агрегаты, которые вызывают поражение и в конечном счете отмирание тканей. Интересно, что прионные агрегаты чрезвычайно стабильны и не поддаются денатурации, поэтому уничтожить их или хотя бы сдержать их размножение очень трудно. На сегодняшний день все прионные заболевания остаются неизлечимыми и приводят к смерти. Самые известные из них — болезнь Крейтцфельдта—Якоба и фатальная семейная бессоница.

Все прионы образуются из белка PrP — обычного мембранного белка, который кодируется геном PRNP. Белок PrP синтезируется в основном в клетках нервной системы, но в низкой концентрации он встречается и во многих других тканях. Его функции пока точно не известны. Нормальная изоформа этого белка называется PrPC, а аномальная инфекционная — PrPSC. Превращение нормального белка PrPC в аномальный прионный белок PrPSC может происходить тремя путями: в результате заражения (например, при поедании зараженной пищи), наследственным путем (при получении мутантной копии гена от одного из родителей) или спонтанно (в результате соматической мутации или спонтанного изменения конформации нормального белка).

В случае куру болезнь распространилась среди народа форе через ритуальный каннибализм. Мозг и внутренние органы умерших от куру считались ценным источником энергии. Несмотря на то, что обычно форе не ели людей, погибших от болезней, куру они считали не заболеванием, а скорее душевным недугом, вызванным порчей или проклятием. При этом среди женщин и детей болезнь куру встречалась в 8–9 раз чаще, чем среди мужчин: считалось, что поедание человеческой плоти делает мужчин слабее в драках. После того, как австралийские колониальные власти запретили каннибализм на Папуа — Новой Гвинее, эпидемия куру постепенно сошла на нет. Но еще в начале 21-го века были отмечены отдельные случаи заболевания, потому что инкубационный период куру может длиться до 50 лет.

Так при чем же тут генотипирование? А при том, что в 2009 году американские ученые показали, что некоторые люди могут есть мозги зараженных куру без всякого риска для здоровья. Оказалось, что один из вариантов гена прионного белка PRNP ассоциирован с резистентностью к куру и другим прионным заболеваниям. Этот генотип встречается в тех областях Папуа — Новой Гвинеи, где болезнь куру встречалась наиболее часто и не найден ни у больных куру, ни в популяциях, не знакомых с этой болезнью. То есть появление этого варианта PRNP представляет собой отличный пример недавнего отбора в человеческой популяции. А люди, обладающие таким генотипом, могут есть столько мозгов, сколько захотят.

Подобных историй можно рассказать еще очень много. Одна из многочисленных баз полиморфизмов, SNPedia, на сегодняшний день содержит уже более 75 тысяч полиморфизмов, ассоциированных с заболеваниями и физиологическими особенностями организма. Такие базы непрерывно пополняются за счет новых данных об ассоциациях. Так что, имея даже результаты одного генотипирования, вы можете узнавать о себе что-то новое буквально каждый день.

Иллюстрация: "All about milk" (1919) / The Library of Congress

Софья Долотовская

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.