Геном крысы должен знать каждый!

Геном крысы должен знать каждый!

А. Чубенко (with a little help of my friend).

Крыса стала третьим млекопитающим с полностью расшифрованным геномом после человека и мыши.

Полное секвенирование генома еще одного вида по нынешним временам – все еще крупное событие, несмотря на то, что счет таких видов – от бактерий до человека – идет уже на сотни.

Короткая статья [Nature 428, 475-476 (02 April 2004); doi:10.1038/428475a] огромного международного коллектива ученых – Rat Genome Sequencing Project Consortium  – вызвала бурный восторг в самых разных группах населения планеты: от коллег-генетиков до журналистов. Действительно, завершение этого проекта имеет огромное научное и практическое значение. Специалисты уже наверняка изучили все, что об этом было написано и в промежуточных отчетах, и за неделю, прошедшую после звездного часа Проекта – отчета о завершении работы. Больше и компетентнее всего об этом пишут на http://www.genome.org/ – желающие могут найти там информацию из первых рук, предназначенную для специалистов. А эта статья адресована мирным обывателям, которые еще не осознали значения расшифровки генома крысы для каждого из нас.

Генотип и фенотип

Генотип проявляется в фенотипе

под воздействием окружающей среды

(азбучная истина)

Ген – понятие двусмысленное. С одной стороны, это участок хромосомы, кодирующий последовательность аминокислот в одном из белков (на самом деле из правила «один ген – один белок» много исключений, но в первом приближении этого достаточно). В геноме человека около 30.000 генов, у мыши и крысы – примерно по 25.000. С другой стороны, гены и их сочетания проявляются в видимых невооруженным глазом или понятных только при сложных исследованиях разнообразнейших признаках организма: от папиного носика до переданной от дедушки через маму гемофилии.

Многие из фенотипических проявлений генома могут быть сочтены, измерены и взвешены. Это относится, например, к индивидуальным вариациям какого-нибудь из видовых признаков. Особи одного и того же вида даже по размерам могут различаться в несколько раз. Представьте себе стоящих рядом здоровых и нормальных пигмея из Конго и шведа из Швеции. Или лиц любой национальности, больных наследственными заболеваниями – трехфутового лилипута, у которого нарушен синтез гормона роста, и восьмифутового баскетболиста, у которого синтез этого гормона в несколько раз выше нормы. Или искусственно выведенных тойтерьера и ирландского волкодава, бесшерстную и персидскую кошку, мраморного телескопа и золотого вуалехвоста... Многие проявления генотипа в фенотипе различаются еще сильнее, формально – в бесконечное число раз: например, активность какого-нибудь фермента может меняться от полного отсутствия до величины, во много раз превышающей среднюю для данного вида. Определение генов по их проявлениям в фенотипе – способ старый, как сама генетика. Но до разработки автоматических секвенаторов каждый ген надо было долго ловить вручную. В конце ХХ века картирование генов стало превращаться в сложную, трудоемкую, но все более рутинную и чисто техническую работу.

Первые практические результаты сегодняшних достижений геномики появятся, по самым оптимистическим оценкам, лет через десять. Полная расшифровка генома крысы – это еще один крупный шаг к переходу от теории к практике.

На самом деле «полная» – это не совсем точно. В данном случае, как (в среднем) и в остальных, геном раскодировали на 90%. Но остальные 10% – это главным образом «белый шум», бессмысленные последовательности из сотен и тысяч одинаковых нуклеотидов и другие не имеющие большого значения мелочи. А в целом карта крысиных генов готова к работе. Начать придется с закрашивания на ней белых пятен.

Анализ связи между генами и индивидуальными особенностями их владельца осложняется множеством факторов. В каждой клетке организма имеется абсолютно одинаковый набор генов – и при расшифровке генома на карту наносятся все последовательности нуклеотидов на всех хромосомах, а потом начинается самое интересное – разобраться, какой ген отвечает за какой признак. Но тело человека составляют примерно 350 типов тканей, и в клетках каждой из них активна только часть генов, а остальные отключены. Около 5% генома у каждого из трех видов составляют различные вспомогательные гены, действие которых проявляется опосредованно – например, блокирует гены, не нужные в данной ткани. 5.000 человеческих генов вообще нужны и активны только во время развития эмбриона, а в клетках взрослого организма они блокированы.

Еще одна сложность – то, что большинство свойств любого организма определяется не одним геном, а их комплексом. Даже такой простой и понятный на вид признак, как цвет кожи, у человека определяют пять пар генов. Но, несмотря на сложности, белых пятен на генных картах становится все меньше.

Функции многих генов в геномах различных живых существ, в том числе человека и крысы, определены с точностью до нуклеотида. В частности, у человека точно известны десятки генов, мутации в которых вызывают различные наследственные заболевания. В основном это относится к так называемым моногенным болезням, причиной которых обычно является только что упомянутое отсутствие одного из ферментов из-за мутации в гене, кодирующем этот белок. Огромное число генов, нарушения в которых являются причинами различных болезней, до сих пор остаются неизвестными. Тем более что генетически запрограммированной может быть не тяжелая и проявляющаяся при рождении аномалия, а определяемая несколькими, возможно, даже десятками генов предрасположенность к определенному заболеванию, нарушениям работы иммунной системы (и вызванных этим аллергии, аутоиммунным заболеваниям, чувствительности к инфекциям), и т.п. По достаточно осторожным оценкам, половина всех хронических болезней, которыми каждый человек обзаводится к пенсии, имеет наследственно обусловленную природу.

Крыса – родственник человека

Родственников не выбирают

(азбучная истина)

Геном крысы похож на человеческий и мышиный не только по числу генов. С точки зрения эволюции, грызуны и приматы – довольно близкие родственники. Сейчас данные палеонтологии можно подтвердить методами генетического анализа. При сравнении мышиного и человеческого геномов исследователи насчитали в них 80% идентичных генов. Анализ генома крысы показал, что у крыс, мышей и людей общих генов – целых 90%! Уточнить данные позволило именно то, что теперь можно сравнить геномы не двух, а трех видов млекопитающих, и точнее различить гены от псевдогенов – бездействующих участков хромосом. А все различия людей, мышей и крыс друг от друга обеспечивают 10% генов, индивидуальных и неповторимых для каждого из трех наших видов.

Если подумать, то ничего удивительного в нашем сходстве с грызунами нет. Мы, млекопитающие, все до одного произошли от мелкой ящерки по фамилии Териодонт (по-русски – Зверозубый) около двухсот миллионов лет назад. А ветки грызунов и приматов на эволюционном древе разошлись всего 30 миллионов лет назад. По предварительным данным анализа наших геномов, после отделения от общего с приматами предка в геноме родов крыс и мышей семейства мышиных произошло примерно 300 значительных перестроек – изгибов и расхождений ветвей эволюции. Со времени разделения близких родственников – крыс и мышей – между ними накопилось около полусотни таких изменений. Эти результаты сравнения трех геномов позволяют предположить, что эволюция грызунов протекала примерно в три раза быстрее эволюции человека – во всяком случае, если скоростью эволюции считать такой формальный признак, как скорость изменения генов в штуках за миллион лет.

Крыса – друг человека

Млекопит млекопиту –

друг, товарищ и брат

(азбучная истина)

Давайте не будем сейчас припоминать крысам средневековые эпидемии чумы и нынешние неприятности от наших подвальных и помоечных соседей. Лабораторные крысы имеют с ними намного меньше общего, чем ученые в белых халатах с лицами БОМЖиЗ.

Крысы – это универсальные подопытные животные. С начала XIX века их используют в качестве моделей для изучения механизмов возникновения и способов лечения различных заболеваний, влияния на организм лекарств, вредных веществ и других научных экспериментов. Rattus norvegicus, обычная серая крыса (у нас ее еще называют пасюком, а в переводах часто сохраняют английское название – «бурая» или «коричневая»), стала предком множества чистых линий лабораторных крыс.

Комментарий Перлофила для «чайников». Чистая линия – это полученная путем многократного близкородственного скрещивания популяция животных-близнецов. Их выводят специально для того, чтобы ставить на них ученые эксперименты.

Реакции обычных животных одного вида и даже одной популяции на одно и то же воздействие могут очень сильно различаться. Например, одним представителям рода Homo sapiens чашечка кофе помогает заснуть, а другим гарантирует бессонницу. Чтобы получить достоверные данные о действии на организм каких-либо факторов, используя, как двести лет назад, крыс, наловленных на помойке, пришлось бы потратить в десятки раз больше сил, времени и всего остального. Животные из чистых линий имеют настолько похожие наборы генов и, соответственно, физиономических, физиологических, биохимических и прочих свойств, что еще немного – и это были бы уже однояйцовые близнецы или клоны. Стандартные, насколько это возможно для живых существ, особенности их организмов обеспечивают стандартный ответ на внешние воздействия. К сожалению, чаще всего это совсем не чашечка кофе.

Вы знаете, как испытывают влияние различных лекарств на улучшение физического состояния у здоровых и больных? В числе прочего – по времени, которое сможет проплавать до утопления животные (здоровые или с искусственно вызванной болезнью) из опытной группы, получавшей испытываемый препарат, по сравнению с контрольной группой. А что стоИт за гинеколого-эндокринологическим термином «крысиная единица»? Это «наименьшее количество эстрогенов, способное вызвать ороговение влагалищного эпителия у кастрированных самок крыс» (Энциклопедический словарь медицинских терминов). А что такое «полулетальная доза»? Это такая концентрация химического вещества, количество болезнетворных микробов, доза ионизирующего облучения и т.п., от которого улетает в лучший мир половина подопытных животных. Постепенно снижая дозу, можно выяснить безопасную и только после этого переходить к опытам на собаках, обезьянах и других дорогостоящих моделях. И так далее. Не подумайте только, что я «зеленый» или придурок из общества PETA,  готовый убить человека за то, что он носит кроличью шапку (хотя все нормативные акты о гуманном отношении к лабораторным животным я всенародно одобряю).

Комментарий автора – для супер-чайников и Перлофила. «Летальный – это не от слова «летать». Это от латинского «letalis» – «смертельный». А ты изгаляйся в своей рубрике!

Многие исследования вообще были бы невозможны без специально выведенных чистых линий грызунов – в том числе с врожденной предрасположенностью к множеству «человеческих» болезней, от артроза и ожирения до эпилепсии и язвы желудка.

В XX веке более распространенными лабораторными животными стали мыши. При похожих на крысиные (и, соответственно, человеческие) биохимии и физиологии они меньше (и, соответственно, дешевле), и к тому же быстрее размножаются. На них удобнее ставить генетические эксперименты, получать чистые линии с заданными наследственными свойствами для различных исследований и т. д. К тому же клонировать мышей, в отличие от крыс, почему-то оказалось относительно простым делом. Поэтому линий генетически модифицированных мышей сейчас, наверное, уже больше, чем выведенных традиционными методами. Вот этим, например, коллеги из Осаки (Япония) вставили в хромосомы общеизвестный GFP – зеленый флуоресцентный белок от медузы (эта процедура так популярна, что лет через десять ее наверняка будут делать студенты на лабораторной практике по генной инженерии).

Крыс обычно используют в тех исследованиях, где имеют значение их более крупные размеры (например, их удобнее оперировать, чем мышей) и бОльшая физиологическая схожесть с человеком – в том числе при проверке эффективности и токсичности лекарственных препаратов. И хотя биологи и врачи всегда стараются по возможности проводить испытания на культурах клеток и тканей или компьютерных моделях (это не только гуманно, но и быстрее и дешевле), в большинстве медицинских исследований опыты ставят на животных. Возможно, особенно в сочетании с еще одним недавним достижением – первой успешной работой по клонированию крысы осенью 2003 года, крысы опять отвоюют у мышей сомнительное удовольствие быть самыми популярными лабораторными животными.

Крыса – модель человека

Ни одна система не может построить полную модель самой себя

или другой системы, равной себе по степени сложности

(азбучная истина)

Собственно расшифровка генома – это грандиозная подготовительная работа к дальнейшим исследованиям. Фактически в ее результате мы получаем текст из десятков тысяч букв – из трех нуклеотидов каждая. Второй, тоже подготовительный, этап – найти в тексте генома знаки препинания, заглавные буквы и пробелы (последовательности нуклеотидов, кодирующих начало и конец гена и другую служебную информацию). После этого надо разделить геном на отдельные гены, отсеять зерна от плевел (гены от псевдогенов) и перевести эту гору информации с языка хромосом (4 буквы, 64 слова) на язык последовательностей аминокислот в белках (20 букв, теоретически бесконечное количество слов, фраз и книг). Только теперь можно заняться неизмеримо более сложной работой – сопоставлением полученной информации с тем, что уже известно, и дальнейшим анализом функций каждого из опознанных генов.

С расшифровкой генома крысы наука получила дополнительные возможности для изучения того, как именно генотип проявляется в фенотипе. Зная нуклеотидную последовательность гена, можно определить, какую функцию выполняет кодируемый им белок в норме, как нарушается эта функция в результате мутаций, какие мутации приводят к проявлению каких заболеваний. Сравнение таких данных, полученных для разных видов, позволит и уточнить информацию о связи различных болезней с наследственными факторами у человека, и точнее моделировать на животных человеческие болезни и методы их лечения.

Крысы болеют практически всеми болезнями, от которых страдают люди. Но при использовании крыс в качестве лабораторных моделей необходимо учитывать заметные различия между людьми и крысами, причем размеры головы или наличие рук или хвоста в данном случае – не самое главное. Для медицины и фармакологии намного важнее значительно более мощная у мышей и крыс, чем у человека, система ферментов, обеспечивающих разложение токсинов (наверное, у тараканов эти системы ферментов развиты еще лучше – травить крыс трудно, но питаться дустом они так и не научились). Эти ферменты кодирует определенная группа генов (так называемые гены P450). Как и гены, отвечающие за различия в иммунной, репродуктивной, обонятельной системах, P450 относятся к особым, уникальным для каждого из трех расшифрованных геномов семействам генов, для которых характерны многократные повторы. Соответственно, признаки, за которые отвечают эти гены, выражены сильнее, чем у вида, у которого данный признак кодируется только одним геном. Гены P450 крысы меньше, чем мышиные, отличаются от аналогичного семейства генов человека – значит, испытывать действие лекарств лучше все-таки на крысах, а не на мышах. Дальнейшие исследования наших геномов позволят (среди множества других открытий!) точнее учесть разницу в системах детоксикации, а возможно, и получить чистые линии крыс, у которых эта система будет меньше отличаться от человеческой.

Скорость секвенирования генов с каждым годом растет, а стоимость – падает. Каждый новый геном позволит еще на шаг приблизиться к недостижимому идеалу – полному моделированию живых систем.

Включая и нас с вами.