2. Практическая польза знания последовательности генома человека для медицины

Первыми практическими результатами реализации программы «Геном человека» явились новые знания о природе многих моногенных заболеваний человека, прежде всего знания о гене, ответственном за то или иное заболевание, и о спектре мутаций, повредивших этот ген в той или иной популяции. Эти знания помогли разработать принципиально новые подходы к диагностике и лечению моногенных заболеваний. Например, знание конкретных мутаций позволяет выявлять их практически на любой стадии развития организма еще до появления первых признаков заболевания. Ранняя диагностика, в свою очередь, позволяет провести профилактическое лечение и предупредить проявление болезни. Например, при заболеваниях обмена веществ, таких как фенилкетонурия, профилактикой является специальная диета. При наличии однотипных мутаций генов семейной гиперхолестеринемии доказано влияние курения на выраженность заболевания. Если болезнь неизлечима, в частности миодистрофия Дюшенна, то дородовая ДНК-диагностика позволяет дать выбор относительно прерывания беременности на ранних сроках или продолжения беременности.

Важно понимать, что клонирование генов, отвечающих за моногенные заболевания, было возможно и в догеномную эру, например с помощью позиционного клонирования или таких методов «прямой» генетики, как полимеразная цепная реакция (ПЦР) с вырожденных праймеров. Однако определение полной геномной последовательности человека позволяет достичь результатов намного быстрее, например, ускорить исследование от хромосомного локуса размером несколько миллионов пар нуклеотидов, сцепленного с геном болезни, до конкретного гена, служащего ее причиной. Именно таким способом в «геномную эру» были впервые клонированы многие гены, ответственные за развитие моногенных синдромов, сопровождающихся высокой вероятностью развития опухолей.

К сожалению, генетическая природа наиболее распространенных заболеваний оказалась гораздо сложнее, чем представлялось в начале геномной эры. Такие болезни, как сердечно-сосудистые заболевания, ожирение или болезнь Альцгеймера, имеют не однозначную, а только статистическую ассоциацию с определенными вариантами определенных генов. Некоторые работы принесли большие разочарования. Так, медики из Бостонского Бригемского госпиталя исследовали 101 генетический вариант, носители которого имеют, согласно различным исследованиям, повышенный риск развития заболеваний сердца. Ученые попытались решить обратную задачу — в группе, состоящей из 19 тыс. женщин, предсказать развитие у них сердечно-сосудистых заболеваний, основываясь на генотипе. Их наблюдали в течение 12 лет. К сожалению, ни один из опробованных генетических маркеров не дал статистически достоверных предсказаний, прежний метод изучения семейного анамнеза оказался более надежным.

Похожим образом обстоят дела и в лечении ожирения. Несмотря на то, что многие генетические варианты ассоциированы с ожирением, однозначных соответствий между каждым идентифицированным вариантом и ожирением до сих пор не обнаружено. Конечно, нет правил без исключений, которым является мутация в гене лептина. Однако эта мутация препятствует половому созреванию, а следовательно, не может распространяться в популяции, поэтому является весьма редкой. Тем не менее, обнаружено большое количество генных вариантов, в той или иной степени предрасполагающих к ожирению. Каждый из них более часто встречается у тучных, нежели у худых. Оказалось, что многие худощавые люди являются носителями одной или даже двух копий гена, предрасполагающего к ожирению, однако не набирают вес. Очевидно, сложные фенотипы, такие как ожирение, определяются взаимодействием множества генов и генных вариантов, и проблема не может быть решена, пока все эти варианты не будут описаны и учтены.

Одним из наиболее перспективных современных методов, применяемых для идентификации локусов, контролирующих сложные признаки, является метод полногеномного анализа ассоциаций GWA (Genome Wide Association). Разработка этого метода была бы невозможной без знания полной нуклеотидной последовательности генома человека, а также всех аллельных вариантов этой последовательности. При проведении полногеномного анализа ассоциаций сотен тысяч однонуклеотидных полиморфизмов SNP, распределенных по всему геному, типируют в группах больных и здоровых людей. При этом отпадает необходимость собирать большие коллекции ядерных семей, так как в этих исследованиях используются просто большие группы больных и здоровых индивидуумов — по нескольку тысяч людей в каждой группе. Анализ ассоциации между распределением генотипов и фенотипов позволяет установить связь между аллельной вариацией в некотором регионе генома и исследуемым заболеванием. В частности, полногеномный анализ ассоциаций позволил выявить ряд новых аллельных вариантов, вносящих вклад в развитие сахарного диабета 1-го и 2~го типа, а также воспалительного заболевания кишечника и некоторых опухолей.

Таким образом, теоретическое и практическое значение расшифровки генома человека невозможно переоценить. Обнаружение большого количества однонуклеотидных полиморфизмов (как нейтральных, гак и ассоциированных с различными медицинскими проблемами) показало, что человечество гораздо более разнообразно на молекулярном уровне, чем представлялось в догеномную эру. Классический взгляд на геном вида как на совокупность большого числа «хороших» аллелей и небольшого числа «плохих» «мутантных» оказался не полон, и теория нейтральности Мотоо Кимуры (Motoo Kimura) получила окончательное экспериментальное подтверждение. Более того, разнообразие встречающихся в популяциях человека генетических вариантов стерло границу между понятиями «полиморфизм» и «мутация». Полиморфизм, который по определению должен быть нейтральным, в другом генетическом окружении может вносить вклад в приспособленность организма и эту нейтральность утрачивать. Классическим примером такого полиморфизма является мутация, обусловливающая серповидноклеточную анемию.

Оказалось, что доля ДНК, кодирующей белки, в геноме необычайно мала — не более 1,5%, вся остальная ДНК или транскрибируется в некодирующую РНК, или не транскрибируется вовсе. Геном оказался сложной системой со своей внутренней жизнью, большую роль в которой играют некодирующая ДНК и некодирующие РНК. Было показано, что большинство генов человека подвержено альтернативному сплайсингу, повышающему разнообразие белков по сравнению с разнообразием генов. Более того, многие гены оказались удивительно эволюционно консервативными: за всю историю существования всех многоклеточных организмов они почти не изменились.

Расшифровка генома человека позволила перейти от изучения индивидуальных генов, определяющих развитие заболеваний, к изучению генных ансамблей и сетей, связанных с развитием тех или иных клинически значимых фенотипических признаков.