Эксперименты с днк человека. Самые невероятные генетические эксперименты

1. Первое скрещивание подобного типа было успешно проведено в лаборатории Шанхая в 2003 году. Команда ученых использовала генетический материал человека и кролика . Зародыши развились до этапа формирования стволовых клеток, чего и добивались ученые: такой материал требовался для того, чтобы в перспективе выращивать человеческие органы. Это не первый случай, когда ученые решались на подобные эксперименты. Исследователи из США пытались провести похожий опыт гораздо раньше, но их эксперимент не увенчался успехом.

2. Некоторые исследователи утверждают, что в далеком 1967 году китайские ученые уже проводили опыты по созданию пугающего гибрида. Целью экспериментов было оплодотворение самки шимпанзе человеческой спермой. Однако в планы ученых вмешалась разгоревшаяся в Китае культурная революция, и проект был приостановлен. И это к лучшему: потенциальная жизнь такого существа обречена на пожизненное заключение в стенах экспериментальных лабораторий.

3. Клиника Мэйо в Миннесоте использовала генетический материал человека и успешно создала первую гибридную свинью . Цель эксперимента — изучить, как будут взаимодействовать клетки человека и свиньи. В результате ученые вывели новое животное, которое, впрочем, ничем внешне не отличалось от своих собратьев. Но группа крови была уникальной: в природе ничего подобного еще не было.

4. В 2009 году российские и белорусские генетики совместно модифицировали коз для производства грудного молока человека. В перспективе трансгенные козы помогут создавать лекарственные средства и продукты питания из нового молока, по составу близкого к человеческому. Вскоре после этого команда китайских ученых использовала целое стадо крупного рогатого скота для похожих экспериментов. Цель состояла в том, чтобы получить возможность конвейерного производства грудного человеческого молока. Появится ли диковинка в супермаркетах — узнаем в ближайшем будущем.

5. Одна из самых больших идей в мире биотехнологий сегодня — это возможность выращивания животных с человеческими органами , которые могли бы быть донорами для больных по всему миру. Однако во многих странах столь не гуманное отношение к живым существам порицается. Профессор Хиромицу Накаучи покинул Японию и переехал в США, чтобы работать над подобным проектом. Пока ученым удалось вырастить мышиные органы в теле крысы. Тем не менее, это прогресс, и Накаучи настаивает, что с каждым днем ​команда ученых все ближе подходит к заветной цели.

6. В 2010 году в Институте биологических исследований Salk создали мышь с печенью, практически идентичной человеческой . С помощью этого эксперимента ученые изучали малярию и гепатиты В, С, которыми могут болеть лишь человек и шимпанзе. Эксперименты на родственных человеку животных вызывают бурную реакцию общественности, а мыши с человеческими органами позволяют ученым избежать эту проблему. Ученые полагают, что их исследования приведут к новым прорывам в медицине.

7. В 2007 году в Йельском университете провели терапию с помощью трансплантации стволовых клеток человека. В результате обезьяны, страдавшие болезнью Паркинсона , смогли ходить, есть и двигаться лучше, чем это было раньше. Однако с этической точки зрения эксперимент вызывает множество непростых вопросов. Человеческие клетки «мигрировали» в мозг обезьян, фактически изменив особенности функционирования головного мозга. Такие опыты неизбежно заставляют ученых задуматься: где пролегает та грань, после которой вмешательство в чужой организм приводит к изменению самой его сущности?

Вернуть молодость и остановить старение вполне реально: для этого необходимо изменить свой генетический код.

Попытки обмануть природу

Вернуть ушедшую молодость и остановить старение вполне реально: для этого необходимо изменить свой генетический код и стать генетически модифицированным человеком. К такому выводу пришли ученые в США, которые замахнулись на эксперимент, состоявшийся впервые в истории человечества. А в качестве первого шага ввели генетический материал в вену добровольной участнице этого исследования, 44-летней американке Элизабет Пэрриш – биотехнологу по профессии и руководителю научно-медицинской компании.

По замыслу экспериментаторов, новый геном должен проникнуть внутрь ядра каждой клетки и запустить там необратимые процессы, которые останавливают старение и омолаживают организм. Таким образом авторы исследования хотят, насколько возможно, добиться эффекта «вечной молодости» и отключить программу старения у ДНК.

«Это попытка повернуть вспять биологические часы, вмешавшись в структуру генома человека» – уверяют ученые, которые надеются, что в будущем их метод станут использовать все молодые люди - по принципу прививки, которую делают один раз в жизни.

Тем временем несколько лет назад другие американские ученые объявили, что готовы создать генномодифицированного человека-мутанта, состоящего из генов 11 животных и насекомых. «Геном человека можно и нужно изменять, - говорят они. - Например, «подсадить» астронавту ген от бактерии, которая выдерживает уровень радиации в 7 раз выше смертельного…».

Чем все это чревато, и каковы шансы на успех? Свое мнение об этом высказал Александр Лаврин , писатель, драматург, автор 16 художественных и документальных книг, в том числе фольклорного исследования «Хроники Харона. Энциклопедия смерти».

- Александр Павлович, есть мнение, что попытки вернуть себе вечную молодость – это погоня за призраком. Мол, у нас внутри тикают биологические часы, и когда завод в них кончается, или садятся батарейки, ничего с этим уже не поделаешь…

В организме существует не одна программа старения и умирания, а несколько. Это как на минном поле – если не сработала первая мина, то взорвется другая или третья. Природа специально поставила такой ограничитель, чтобы живые существа, в том числе и человек, не могли стать бессмертными. Программа старения была вписана в нашу генетическую информацию для того, чтобы снизить внутривидовой накал борьбы за выживание и предоставить ареал обитания новым организмам с измененным генетическим кодом. То есть даже если вы и прожили до 120 лет, эта мина рано или поздно все равно сработает, «часовая бомба» взорвется… Это все – попытки обмануть природу. А она не такая уж дура.

- Имеют ли они хоть какой-то шанс на успех? Можно ли повернуть вспять свое биологическое время?

Вспять не повернешь, но, скорее всего, возможно замедлить процессы старения. Даже и без подобных опытов, благодаря тому, что развивается медицина, появляются новые эффективные лекарства и стимуляторы, люди в развитых странах живут все дольше. В США, Израиле, Германии средняя продолжительность жизни с 1900 года выросла на целых 40 лет!

- Но вы сами подчеркнули, что это не из-за вмешательства в генетику…

Вмешательства в геном, даже если они и удадутся, вряд ли дадут человечеству нечто большее, чем новое детище Франкенштейна – правда, с вероятным иммунитетом к любым болезням и неограниченным сроком годности. Люди во всем мире выступают против генетичеки модифицированных продуктов, а тут нам предлагают генетически модифицированного человека. Что с ним станет, как и почему он будет жить? Да и будет ли? Пока реальных доказательств тому нет. Это лишь одна из экстравагантных теорий омоложения, но клинически, на человеке, она не подтверждена.

С другой стороны, понятно, почему ученые все-таки идут на такое экспериментирование, несмотря на риски и запреты. Их главная цель – победа над старостью. Если им удастся внедриться в геном и исправить ход биологических часов клетки, то замедлятся метаболизм и половое созревание, а скорость реагирования нейронов мозга, наоборот увеличится, а значит, возрастут и объемы памяти.

- Чем такой эксперимент грозит его добровольной участнице? Насколько сильно она рискует? И какие вообще могут быть негативные последствия от радикального вмешательства в генетическую природу человека?

Могут возникнуть патологии, которые сейчас невозможно предусмотреть. Когда вы без спросу влезаете в ДНК, то, разумеется, не в состоянии предвидеть всего.

Не исключено, что отважная американка добьется общего (и наверняка временного) улучшения своего самочувствия, но одновременно повредит какой-нибудь другой механизм, регулирующий жизненно важные процессы – то есть сломает, так сказать, «организм в организме». Мы, конечно, уже основательно изучили геном человека, но еще не умеем его «чинить». Наглядный пример: мастер-часовщик, скажем, способен разобрать механизм остановившихся часов, почистить его, заменить пару деталей, и часы снова заработают. Но с биологическими часами у человека пока так не получается.

То есть эксперименты по внедрению в клетку определенных веществ или элементов чужого генома, конечно, проводятся, но нет доказательств, будто то же самое можно сделать со всеми клетками организма. Проблема в том, что клетки головного мозга, сердца, нервной системы, эпидермиса – очень разные типы «ячеек» для строения и жизнедеятельности всех организмов. К каждой из них нужно искать свой подход. Это задача невероятной сложности, которая может оказаться под силу только огромному научному коллективу, возможно, десяткам научных институтов по всему миру. Она явно не по плечу одной женщине. То, что делает Элизабет Пэрриш - хорошо, но хорошо только в том смысле, что научное сообщество нужно время от времени будоражить «безумными» идеями.

- Так все-таки, что больше влияет на старение – наши биологические часы или образ жизни, качество медицинского обслуживания, отсутствие стрессов?

Думаю, что тут совокупность факторов. Старение неизбежно, но его можно отодвинуть, а молодость продлить, если исключить ряд факторов неблагоприятного воздействия окружающей среды.

- То есть против природы идти нельзя, можно только ее подкорректировать…

Да, можно. Но не все в силах человека, и даже человечества в целом. Даже основатель компании Apple Стив Джобс или президент Венесуэлы Уго Чавес не смогли справиться со своим недугом. Никакие самые лучше врачи, самые большие деньги и административные возможности их не спасли. И не только их…

По сути, реально бессмертны сейчас только живые существа типа ленточных червей. Вот они действительно способны бесконечно размножаться и делиться, и при известном допущении это можно воспринимать как бессмертие.

Все остальные попытки достичь его не принесли результата – ни применение стволовых клеток, ни клонирование. Хотя сил человеческих на эту проблему уже потрачено было немерено. Эликсир бессмертия, к примеру, изобретали в течение многих веков. В VIII в. китайский император Сюань Цзун принял разработанный его алхимиками «эликсир бессмертия», отравился им и умер. В том же Китае считалось, что тайной такого снадобья владеют даосские монахи. По легенде, основатель философской системы дао Чжан Даолан якобы изготовил заветный эликсир, сумел на какое-то время вернуть себе молодость и дожил в районе Тибета до 122 лет.

- Но в случае с Элизабет Пэрриш речь идет не о бессмертии, а всего лишь о борьбе со старостью и дряхлением…

Большинство современных геронтологов считают, что человек умирает рано не из-за генов, а из-за вредного воздействия внешней среды. То есть, видовая продолжительность жизни человека больше связана не с генетическим запасом, а с тем, что большинство людей обречены жить в неблагоприятных условиях. Чем лучше условия – тем длиннее жизнь. В тех же Соединенных Штатах за последние 40 лет число людей, достигших 100-летнего возраста увеличилось в 7-8 раз. Сейчас там живет около 62 тысяч долгожителей, возраст которых больше века. По прогнозам, до ста лет дотянет один из 2 тысяч ныне живущих американцев, а до 95 лет - один из 2,5 тысяч граждан США. Это очень высокие показатели.

В теориях же омолаживания и замедления старения недостатка нет. Например, метод ФПГ - физически полезного голодания. Ряд ученых полагают, что для долголетия нужно выводить шлаки, то есть осуществлять постоянную профилактику очистки организма. Нестандартные эксперименты в этой области проводил, в частности, биолог Сурен Аракелян, который взял старых японских кур и «назначил» им 7-дневный курс ФПГ с одновременным введением антистрессового препарата. Отжившие свой век птицы преобразились: у них выросли новые перья, исчез гребень, голос стал почти цыплячьим, резко повысилась двигательная активность. То же самое Аракелян сделал с коровами и свиньями, продолжительность жизни которых якобы выросла в 3 раза.

Механизм этого феномена, как считает сам ученый, выглядит так: при физиологически полезном голодании организм как бы становится на капитальный ремонт, во время которого из клеток выводится натрий, а на его место из межклеточного пространства попадает калий. То есть, всего лишь замена одного химического элемента на другой, похожий, дает удивительный эффект. Секрет в том, что натриевые соли способствуют консервации органических веществ. При обычном питании все продукты жизнедеятельности в клетках как бы консервируются, в том числе и шлаки - главная причина старения.

Кстати, не исключено, что сам Сурен Аракелян тоже омолодился в процессе своих экспериментов и поэтому прожил долгую жизнь - сейчас ему 89 лет.

Крупнейший американский ученый в области биохимии, кристаллограф, лауреат двух Нобелевских премий Лайнус Полинг считал, что использование определенных комплексов витаминов тоже способствует продолжительности жизни. А российский физик и химик, академик Николай Эмануэль, изучив особенности старения полимеров, пришел к выводу, что они очень напоминают признаки надвигающейся старости в живых организмах. Похоже на фотопленку: наступает срок, она мутнеет, теряет гибкость, образуются трещины.

Существует не одна теория, объясняющая так называемый «предел (или лимит) Хейфлика» . Еще в 60-е гг. профессор анатомии Калифорнийского университета Леонард Хейфлик обнаружил границу числа делений соматических клеток, которая составляет примерно 50-52 деления. Клетки начинают проявлять признаки старения, когда приближаются к своему «полтиннику». Такое число деления записано в ядре ДНК. И его, к сожалению, не изменить. Во время экспериментов ядро клетки, которое делилось уже 40 раз, пересаживалось в молодую клетку, делившуюся всего раз 5-10. Но через 10 делений молодая клетка все равно погибала…

Ученые объясняют это, в частности, накоплением случайных повреждений гена при репликации клетки. Суть в том, что при каждом клеточном делении действуют факторы среды: дым, радиация, химикаты, продукты распада клеток, мешающие точному воспроизведению ДНК в следующем поколении. В организме есть много ферментов, следящих за копированием клетки и устраняющих неполадки. Однако все их они «отловить» не в состоянии. В итоге повреждения ДНК накапливаются и приводят к неправильному синтезу белков, а затем становятся причиной болезней старения.

Но человек в этом плане зависит в значительной степени не от генов, а от набора своих болезней. Три главных заболевания, из-за которых умирают современные люди – инфаркт миокарда, инсульт и онкология. Как бы мы ни старались модифицировать свои гены, от этих угроз здоровью и жизни никуда не деться… Дело не только в генетически запрограммированном старении клеток, но и в эффективности системы клеточной защиты - чтобы мембраны клетки не пропускали определенные вредные вещества, не позволяли разрушать ее раньше времени.

Возможно, внутрь клетки надо вводить не генный материал, а вещества, которые «ремонтируют» ДНК. Для этого в ряде случаев, например, используется пигмент бета-каротин, комплексы витаминов, фермент супероксиддисмутаза и другие антиоксиданты.

- Чем могут быть опасны для обычных людей генетически модифицированные индивидуумы?

Кто же это знает? Может, у них будет меняться сознание, появятся проблемы с психикой. В их организме могу возникнуть и модифицироваться новые вирусы, перед которыми медицина окажется бессильна… Появится, по сути, принципиально новое существо, а значит, и новые типы болезней. Вспомните истории с возникновением СПИДа, «птичьего гриппа», лихорадки Эбола: вдруг, будто ни с того ни с сего, они начинали развиваться с невероятной скоростью, а потом захватывали целые регионы. Так же и здесь - вместе с изменением клетки станут меняться и микроорганизмы, штаммы вирусов. В итоге, мы получим целый букет заболеваний, которые до сих пор не были известны. А можем и не получить. Это генетическая рулетка.

Есть и другая точка зрения: скажем, человечеству в будущем угрожают пандемии гриппа, поскольку этот вирус быстро мутирует. А если учесть, что скорость мутаций возбудителя СПИДа выше в десятки раз, то в будущем ВИЧ наверняка приобретет воздушно-капельный путь передачи. Чтобы защитить человека от этого, нужен очень мощный искусственный иммунитет. Без внедрения в геном создать его невозможно…

- Получается палка о двух концах: на одной чашке весов «вечная молодость», а на другой, увы…

Так бывает всегда. С одной стороны, изобрели радикальные лекарства - прививки от оспы, пенициллин, антибиотики, спасшие немало жизней. Но одновременно цивилизация «дарит» нам и новые типы болезней, в том числе и тех, которые не лечатся никак и ничем, ни за какие деньги и ни в каких лучших современных клиниках - вроде, например, болезни Альцгеймера.

- Значит, экспериментируя с генами, мы каждый раз открываем ящик Пандоры?

Можно сказать и так. При изменении генома человека неизбежно преобразуется и его иммунная система. И не исключено, что некоторые вирусы и заболевания, с которыми она пока что справляется, взломают эту защиту, а человечество получит очередную пандемию. Так стоит ли останавливать время? опубликовано

беседовал Владимир Воскресенский

Как давно люди изменяют гены организмов?

Люди начали вмешиваться в геномы других организмов примерно 14 000 лет назад. Можно сказать, что генная модификация - древнее, традиционное занятие. Разумеется, поначалу это делалось путём искусственного отбора: люди разводили животных и растения с нужными характеристиками, и эти характеристики изменялись, когда те или иные гены передавались по наследству. Так мы, например, превратили волка в домашнюю собаку. Первым целенаправленно генно-модифицированным организмом была скромная бактерия E. Coli, изменённая учёным Стенли Коэном в 1973 году. Коэн использовал технику молекулярного клонирования, когда в клетку вносится чужеродный генетический материал. Долгое время это оставалось основным способом генной модификации. Сейчас же гены научились изменять напрямую. В основном используют три технологии (названные по белковым молекулам, в них задействованным): ZFN, TALEN и недавно появившаяся CRISPR - последняя значительно эффективнее всего, что использовалось раньше.

Что такое CRISPR?

Если говорить совсем просто, CRISPR позволяет учёным изменять гены с невиданной точностью, эффективностью и гибкостью (впрочем, работает технология всё ещё не идеально). За последние несколько лет с CRISPR проделали много экспериментов: от создания обезьян-мутантов до предотвращения вируса ВИЧ в человеческих клетках.

CRISPR - защитный механизм, который давно существовал во многих бактериях. Учёные обнаружили его ещё в 1980-е. CRISPR - это последовательности в ДНК бактерии, которые совпадают с ДНК опасных для бактерий вирусов. CRISPR запоминает вирусы, чтобы узнавать их и защищаться. Вторая часть этого защитного механизма - связанные с CRISPR белки Cas, которые могут обрезать ДНК и удалять атакующие вирусы.

Есть много разновидностей белков Cas, но самый известный - Cas9. Вместе они создают систему CRISPR/Cas9, которую для простоты как раз называют CRISPR. Можете догадаться, как работает генная модификация с помощью CRISPR: Cas9 обрезает ДНК, а CRISPR «объясняет» белку, что именно и как резать. Учёным достаточно просто задать Cas9 правильную последовательность - и можно вырезать и вставлять части ДНК, как хотите, почти как в биологическом Photoshop. Можно даже восстановить неправильный ген, вставив в клетку с помощью CRISPR здоровую копию. Проблема в том, что Cas9 всё ещё иногда режут не там, где надо, поэтому CRISPR относительно опасен.

Что сделали в Китае?

18 апреля группа учёных из Университета Сунь Ятсена опубликовала исследование в журнале Protein & Cell. Они использовали CRISPR, чтобы изменить ДНК «нежизнеспособных» (тех, из которых не могли вырасти люди) человеческих эмбрионов. Учёные пытались заменить в эмбрионе ген, который вызывает болезнь крови бета-талассемию. Другими словами, они попытались вылечить генетическое заболевание, которое передаётся по наследству. Они использовали CRISPR на 86 эмбрионах; из них всего 71 пережил эксперимент и лишь малая часть этих эмбрионов были излечены от болезни. Тем не менее китайские учёные показали, что CRISPR можно использовать на людях - и это вызвало споры и скандалы в научном сообществе. Например, выяснилось, что журналы Science и Nature отказались печатать исследование по этическим соображениям. Директор американского Национального института здоровья заявил , что деньги института (полученные от государства) никогда не будут использованы на подобные исследования и что с геномом человека нельзя экспериментировать. Многие журналисты написали о том, что подобные эксперименты приведут к тому, что мы будем проектировать и моделировать детей, генетически модифицируя эмбрионы - и ничем хорошим это не закончится.

Что? Проектируемые дети?

Именно. Это вывод, к которому пришли многие. Исследование из Университета Сунь Ятсена - первый шаг к тому, что мы будем жить в реальной версии фильма «Гаттака», где люди изменяют гены будущих детей, чтобы те были умнее, сильнее и красивее, и в обществе происходит раскол, потому что не все могут позволить себе такую модификацию. С одной стороны, делать такой вывод - значит заходить слишком далеко. CRISPR позволяет изменять всего один ген, и от одного гена в человеческом организме зависит не очень многое: скажем, можно поменять цвет глаз. С другой стороны, есть исследования, показывающие, что и одного гена достаточно, чтобы сделать млекопитающее умнее . Так или иначе, для того чтобы эту технологию можно было использовать практически, понадобятся долгие годы испытаний. Также CRISPR можно использовать для излечения болезней. Генной инженерией можно победить тысячи заболеваний, от болезни Альцгеймера до кистозного фиброза.

Какие тут есть проблемы?

Этические, общественные, медицинские, какие угодно. Во-первых, даже если много лет оттачивать технику CRISPR на бактериях, птицах, грызунах и других организмах, всегда остаётся шанс, что для человека это изменение будет иметь опасные последствия, которые мы увидим, только когда ребёнок родится и начнёт расти. Рисковать детьми - это попросту аморально. Во-вторых, возникает вопрос, насколько позволительно изменять ДНК человека, не спросив его самого об этом (да, это парадокс, учитывая, что гены изменяются до рождения, но как к этому отнесётся сам человек, когда вырастет?). В-третьих, действительно есть опасность, что генная модификация будет доступна только богатым и привилегированным, и даже если они не будут создавать умных, красивых и сильных детей, они как минимум будут здоровее. Это невероятно сложная тема - и к ней нужно подойти очень внимательно и осторожно. Напоследок надо сказать ещё одно: технология CRISPR, разумеется, может быть использована (и уже была использована) не только для экспериментов над людьми.

Согласно третьему закону Менделя, сегрегация двух разных пар аллелей происходит независимо друг от друга; все возможные зиготы по двум парам аллелей формируются при свободной рекомбинации. При скрещивании гетерозиготы АаВЬ и гомозиготы aabb образуются в равных пропорциях четыре типа особей.

192 3. Формальная генетика человека

Вскоре после переоткрытия законов Менделя Бэтсон, Сандерс и Пеннет (1908) нашли исключение из этого правила у Lathyrus odoratus. Одни комбинации встречались чаще, а другие - реже, чем ожидалось. В некоторых случаях в потомстве чаще встречались родительские типы (в нашем примере АВ - отцовское растение, а ab-материнское), в других случаях-два других типа Аb и аВ.

Создавалось впечатление, что у каждого из родителей аллельные гены либо притягиваются, либо отталкиваются. Бэтсон и др. предложили для первого случая термин «притяжение», для второго - «отталкивание». Морган (1910) указал, что притяжение и отталкивание отражают расположение двух генов на одной или на гомологичных хромосомах. Он ввел термин «сцепление». Притяжение означает, что у дважды гетерозиготного родителя гены А и В расположены на одной хромосоме , отталкивание означает, что они расположены на гомологичных хромосомах . Для обозначения положения генов

в фазах притяжения и отталкивания чаще употребляются термины цис и транс соответственно. При полном сцеплении потомство может быть только двух типов. Однако в большинстве случаев обнаруживаются все четыре типа, хотя два из них – в меньшем количестве. Морган объяснил это явление обменом хромосомными участками между гомологичными хромосомами во время мейотического кроссинговера. Он обнаружил также, что частота кроссинговера зависит от расстояния между локусами двух генов на хромосоме. Используя в качестве аналитического инструмента рекомбинационный анализ, Морган и его коллеги успешно локализовали большое количество генов у дрозофилы. Их результаты были подтверждены, когда в начале 30-х гг. Гейтц, Бауэр и Пэйнтер открыли гигантские хромосомы у некоторых двукрылых и сопоставили данные о локализации конкретных генов, полученные косвенными методами, со структурными перестройками определенных хромосом. С тех пор анализ сцепления проведен для огромного количества видов.

Сцепление и ассоциация. Иногда предполагают, что сцепленные гены в популяции должны ассоциировать, т. е. хромосомные комбинации АВ и ab (притяжение) должны обнаруживаться чаще, чем комбинации Аb и аВ (отталкивание). Однако для популяции со случайным скрещиванием это не так. Даже при тесном сцеплении повторяющийся во многих поколениях кроссинговер будет приводить к равномерному распределению в популяции всех четырех комбинаций АВ, ab, Ab, аВ. Как правило, ассоциация генетических признаков не указывает на сцепление, а вызвана другими причинами.

Однако это правило имеет исключения. Некоторые комбинации тесно сцепленных генов на самом деле встречаются чаще, чем ожидается при равномерном распределении. Такое «неравновесие по сцеплению» впервые было постулировано у человека для групп крови Rh (разд. 3.5.4) и доказано для главного комплекса гистосовместимости (МНС), особенно для системы HLA (разд. 3.5.5), а также для ДНК-полиморфизмов. Неравновесие по сцеплению имеет две причины.

1. Исследуемая популяция образовалась из двух популяций, различающихся частотами аллелей А, а и В, b, а время, прошедшее с момента смешения, недостаточно для полной рандомизации.

2. Высокая частота определенных ал-

3. Формальная генетика человека 193

дельных комбинаций сцепленных генов поддерживается естественным отбором.

Детальнее эти вопросы будут обсуждаться в связи с системой МНС (разд. 3.5.5) и при обсуждении ассоциации между HLA и разными заболеваниями (разд. 3.7.3).

3.4.2. Анализ сцепления у человека: классический метод родословных

Прямое обследование родословных. У человека анализ сцепления классическими методами, разработанными на дрозофиле, невозможен, поскольку невозможны прямые скрещивания. В ряде случаев некоторую информацию дает анализ родословной. Например, сцепление можно исключить, если один из генов локализован в Х-хромосоме, а другой - в аутосоме, и напротив, сцепление можно с высокой вероятностью утверждать, если оба гена расположены в Х-хромосоме. Выявление сцепления в этом случае может быть затруднено, если гены далеко отстоят друг от друга и разделяются кроссинговером. Это справедливо и для аутосомных генов. Гены, находящиеся в одной хромосоме, называют синтенными. При этом неважно, можно ли формально продемонстрировать сцепление при семейном анализе или нет. Чтобы выявить кроссинговер, нужно исследовать либо большую родословную, либо несколько небольших родословных. На рис. 3.23, А приведена родословная, в которой одновременно наследуются цветовая слепота (на красный и зеленый цвет30380, 30390) и гемофилия. Сибсы мужского пола в группах риска либо имеют оба признака, либо здоровы. Гены находятся в фазе притяжения (или цис -положении). В родословной на рис. 3.23, Б наблюдается противоположная картина: здесь гены находятся в фазе отталкивания (или транс положении). В родословной на рис. 3.23, В кроссинговер должен произойти дважды в материнском ооците. Либо мать несет два мутантных аллеля в цис -положении, и второй и третий сыновья окажутся кроссоверами; либо у нее два мутантных аллеля в транс -положении, и тогда кроссоверами будут первый и четвертый сыновья. К сожалению, информация о цветовом зрении деда со стороны матери отсутствует, а именно она и могла бы разрешить этот спорный вопрос. В настоящее время имеется весьма подробная карта Х-хромосомы человека (разд. 3.4.3, рис. 3.28).

Сцепление аутосомных генов в некоторых случаях может быть установлено простым обзором обширной родословной. На рис. 3.24, А изображена большая родословная, в которой хорея Гентингтона сегрегирует вместе с ДНК-маркером G8, выявляющим Hin dIII-полиморфизм в соот-

194 3. Формальная генетика человека

3. Формальная генетика человека 195

ветствующем фрагменте генома человека . В этой родословной наследуется четыре аллельных варианта маркера G8: А, В, С и D. Ген болезни Гентингтона неизменно проявляется у носителей аллеля С. Только одна женщина (VI. 5, указана стрелкой) еще не заболела. Вероятно, это случится позже. Данная родословная указывает на тесное сцепление гена хореи Гентингтона и ДНКмаркера G8: было выявлено несколько кроссоверов, доля которых (т.е. фракция рекомбинантов) оказалась не выше 4%. На рис. 3.24, Б показана родословная с сегрегацией эллиптоцитоза (овальная форма эритроцитов) и комплекса генов системы резус (Rh). Почти все члены семьи с эллиптоцитозом имели комплекс CDe; выявлено лишь два исключения (II.9; 11.11). Многие непораженные сибсы имели другие комбинации. При анализе этой родословной можно сделать вывод о наличии сцепления между локусом Rh и эллиптоцитозом. Такой вывод подтверждается другими родословными. Эти примеры показывают, что тип фазы аллелей двух анализируемых локусов (цис- или транс -положение) обычно можно установить с большой точностью, а рекомбинанты относительно легко идентифицируются, если для анализа доступны (по крайней мере) три поколения и много сибсов.

Статистический анализ. В большинстве случаев анализ сцепления намного труднее. Обширные родословные, подобные приведенным на рис. 3.24, - не правило, а исключение. Большинство семей состоит только из родителей и детей. В этом случае проблема заключается в том, что фаза сцепления обычно неизвестна: двойная гетерозигота может быть АВ/ab (цис) или АЬ/аВ (транс). Когда аллели распределены в популяции равномерно, оба типа ожидаются примерно с одинаковыми частотами. Индивиды АВ/ab будут формировать гаметы в отношении

С другой стороны, у гетерозиготы Аb/аВ гаметы формируются в отношении

Если два указанных типа имеют примерно равные частоты, то средняя частота всех четырех типов гамет в популяции будет

и все четыре типа гамет оказываются с одинаковыми частотами независимо от вероятности рекомбинации 9. Сцепление не приводит к какой-либо ассоциации аллелей А, В или a, b в популяции. Должен быть найден какой-нибудь другой критерий сцепления, который не зависит от фазы двойных гетерозигот.

Такой критерий должен быть основан на распределении детей в сибствах. В браках АВ/ab (цис -положение) большинство детей должны иметь аллельные комбинации своих родителей; в браках лиц Аb/аВ (транс-положение) большинство детей будут иметь новые аллельные комбинации. Как измерить эти отклонения от равномерного распределения внутри сибств и использовать их для установления сцепления и определения вероятности рекомбинации? Первым предложил такой метод Бернштейн (1931) . В настоящее время для установления сцепления обычно используют метод «лод-баллов», разработанный Холдейном и Смитом (1947) , а также Мортоном (1955 и далее) . Его принцип заключается в следующем.

Вычисляется вероятность Р 2 того, что имеющиеся семейные данные соответствуют случаю двух несцепленных, свободно рекомбинирующих генов. Аналогично определяется вероятность P 1 того, что те же семейные данные соответствуют случаю двух сцепленных генов с частотой рекомбинации 9. Отношение этих двух вероятностей есть отношение правдоподобий, которое выражает шансы за и против сцепления. Это отношение P 1 (F/Q)/P 2 (F/(1 / 2))должно быть вычислено для каждой семьи F.

Пусть, например, один из супругов (муж) имеет генотип двойной гетерозиготы

196 3. Формальная генетика человека

по паре аллелей А,а и В,b, а второй (жена)-генотип двойной гомозиготы по двум рецессивным аллелям этих генов аа, bb. Кроме того, пусть двое сыновей в этой семье являются, подобно отцу, двойными гетерозиготами, т.е. они унаследовали от отца аллели А и В. Если гены сегрегируют независимо, то вероятность такого события равна 1 / 2 1 / 2 = ¼. Если гены тесно сцеплены, то в отсутствии кроссинговера вероятность такой родословной может быть вычислена следующим образом. Гены находятся либо в фазе притяжения АВ/ab, и тогда вероятность совместной передачи двум сыновьям составляет 1 / 2 (передача комбинации ab также имеет вероятность 1 / 2)> либо в фазе отталкивания Аb/аВ, и тогда передача обоих доминантных аллелей одному сыну предполагает наличие кроссинговера, т. е. при тесном сцеплении и отсутствии кроссинговера вероятность совместной передачи в условиях фазы отталкивания равна 0. Следовательно, суммарная вероятность передачи комбинации аВ обоим сыновьям равна 1 / 2 и отношение правдоподобий составляет P 1 /P 2 = (1 / 2)(1 / 4) = 2 в пользу тесного сцепления. Таким же способом можно вычислить аналогичные отношения правдоподобий для любой степени сцепления.

Для удобства используется логарифм отношения правдоподобий "log odds" (логарифм шансов):

В этой фомуле P(F|Q) означает вероятность семьи F, когда частота рекомбинации равна 0. Преимущество в использовании логарифмов вместо самих вероятностей состоит в том, что z i любой вновь обследованной семьи просто суммируется с предшествующим результатом, давая для всех обследованных семей.

В уравнении (3.3) подразумевается, что частота рекомбинантов одинакова для обоих полов. Поскольку существуют половые различия в уровнях рекомбинации , то для реальных данных величина z должна быть вычислена отдельно для каждого из полов:

где θ-частота рекомбинации у женщин, а θ"-у мужчин.

Из определения отношения правдоподобий следует, что с увеличением числителя повышаются шансы в пользу наличия сцепления. В терминах логарифмов это означает, что, чем больше величина z, тем лучше обосновано наличие сцепления. Обычно лод-балл z ≥ 3 рассматривается как доказательство сцепления. При вычислении шансов необходимы небольшие поправки на доминирование и регистрацию родословных с редкими признаками, но здесь мы не будем касаться этого вопроса .

Лод-балл z(θ, θ ") для всей выборки семей равен сумме лод-баллов отдельных семей. Для упрощения вычислений в первом приближении можно положить θ = θ". Когда наличие сцепления уже установлено, можно тестировать половые различия.

Лод-баллы. Существует большое число таблиц лод-баллов, публиковавшихся вместе с правилами их применения. В работе с достаточно обширными родословными рекомендуется использовать алгоритм, предложенный Оттом . В идеальном для исследователя браке один из супругов должен быть двойной гетерозиготой, т.е. гетерозиготой по двум разным генам, а второй – гомозиготой по этим же генам. С другой стороны, есть семьи, которые не дают никакой информации для вывода о сцеплении:

а) в которых ни один из родителей не является двойной гетерозиготой;

б) в которых не выявляется никакой сегрегации;

в) в которых фазы двух генов у супругов неизвестны и, кроме того, имеется лишь один ребенок.

Большинство исследований по сцеплению основаны на анализе либо двух часто встречающихся в популяции генетических маркеров, либо какого-то частого маркера и редкого наследственного заболевания. Благоприятные возможности установить

3. Формальная генетика человека 197

сцепление между двумя редкими генами вряд ли когда-либо реализуются. Идеальная родословная для изучения сцепления включает три поколения и много брачных пар с большим числом детей . Сибства большого размера встречаются в западных странах все реже. Альтернативный подход заключается в тестировании большого числа малодетных семей. Хотя в большинстве случаев выборки такого типа содержат слишком мало данных о сцеплении, но иногда в очень больших выборках можно выявить некоторую новую информацию о сцеплении.

Программа LIPED - компьютерная программа, которая дает оценки максимального правдоподобия параметров сцепления на основе всех данных о родословных. Эта программа вычисляет наиболее вероятные генотипы членов родословной и использует эти данные для получения наиболее вероятного значения частоты рекомбинации. Поскольку скорость компьютера намного превышает скорость ручных расчетов, программа LIPED стала стандартным инструментом в изучении сцепления у человека .

Как уже упоминалось в разд. 2.1.2.4, длина генетической карты генома человека составляет примерно 25,8 морганид. Если считать, что в гаплоидном геноме содержится примерно 3,5·10 9 нуклеотидных пар, то 1 сМ соответствует ≈ 1,356·10 6 нуклеотидных пар (или 1356 т. п. н.). Однако, как будет обсуждаться ниже, распределение сайтов кроссинговера в различных хромосомах не является равномерным.

Когда установлено сцепление и получена максимально правдоподобная оценка 9, необходимо решить вопрос о возможной гетерогенности этого параметра. Например, если имеется сцепление между полиморфным маркером и локусом редкого доминантного признака, то тест на гетерогенность сцепления может оказаться полезным для выявления генетической гетерогенности синдрома (если сцепление справедливо только для некоторой части семейного материала). В приложении 9 приведены два численных примера: для сцепления средней степени и для отсутствия сцепления (или независимой рекомбинации).

Вероятности рекомбинации и генетическая карта. Когда сцепление между несколькими локусами уже установлено, следующий шаг заключается в оценке расстояния между этими локусами на генетической карте. Эти расстояния выражаются в морганидах (или сантиморганидах). Одна сантиморганида (сМ) соответствует 1% рекомбинации (θ = 0,01), если анализируются короткие участки хромосом. Для больших расстояний между локусами необходима поправка на двойной кроссинговер. Для этого были предложены разные методы вычисления так называемой картирующей функции . С помощью специального графика (рис. 3.25) для заданной частоты рекомбинации θ расстояние по карте можно определить непосредственно.

Аутосомное сцепление, половые различия и влияние возраста родителей. Сцепление аутосомных генов у человека впервые было выявлено для локуса системы эритроцитарных антигенов Лютеран и локуса секреции антигенов системы АВО. Несколько лет спустя удалось установить сцепление между локусами системы Rh и эллиптоцитозом (16690). Эти данные использовали для выявления генетической гетерогенности эллиптоцитоза, поскольку не все семьи с этим синдромом обнаруживали сцепление. Впоследствии сцепление было показано для локуса системы АВО и локуса доминантного

198 3. Формальная генетика человека

ногте-надколенного синдрома (16120). В этом случае впервые удалось выявить половые различия по частоте рекомбинации у человека: расстояние на генетической карте составляло 8 сМ у мужчин и 14 сМ у женщин. Аналогичные половые различия были установлены для пары локусов Lu/Se (мужчины: 10 сМ; женщины: 16 сМ), для пары АВО/Ak (аденилаткиназа) (мужчины: 12 сМ; женщины: 19 сМ), для пары HLA-PGM 3 (мужчины: 15 сМ; женщины: 3 сМ). Как мы уже говорили, при анализе сцепления теперь используют полиморфизм по длине рестрикционных фрагментов. В некоторых случаях, например для длинного плеча хромосомы 13, этот метод позволил подтвердить более высокую частоту кроссинговера у женщин . Однако имеются литературные данные и о том, что уровень рекомбинации может быть выше у мужчин. Такой вывод сделан, например, для дистальной трети короткого плеча хромосомы 11 .

Более высокая частота рекомбинации у самок была обнаружена также и для мыши . Эти результаты подтверждают сформулированное Холдейном еще в 1922 г. правило, согласно которому кроссинговер чаще происходит у гомогаметного пола (т. е. ХХ),чем у гетерогаметного (т.е. XY). Например, у самцов дрозофилы кроссинговера нет вовсе.

В свое время имела место продолжительная дискуссия относительно влияния возраста родителей на уровень рекомбинации. Имеющиеся данные на мышах свидетельствуют о том, что с возрастом частота рекомбинации у самок снижается, а у самцов повышается. Вейткамп (1972) для восьми тесно сцепленных локусов у человека обнаружил значимое увеличение частоты рекомбинаций с возрастанием порядкового номера беременности, что указывает на влияние возраста родителей (оно было одинаковым и у женщин, и у мужчин). Зависимость частоты рекомбинации от возраста родителей характерна для пар локусов Лютеран/секретор и Лютеран/миотоническая дистрофия (16090), а для пар локусов АВО/ногте-надколенный синдром и Rh/PGD такое влияние обнаружено не было. Вероятно, частота рекомбинаций разных локусов в мейозе зависит от возраста по-разному .

Как следует из публикаций, цитогенетические данные о частоте хиазм у 204 мужчин свидетельствуют о небольших (или нелинейных) изменениях с возрастом . Для женщин подобные цитогенетические данные отсутствуют. Расхождения между данными формально-генетического анализа сцепления и цитогенетическими данными о частоте хиазм не находят пока четкого объяснения.

Морфологические маркеры хромосом. Пары или кластеры сцепленных аутосомных генов (группы сцепления) невозможно соотнести с конкретными хромосомами на основе использования только формально-генетического анализа родословных. Впервые собственно локализация гена в определенной хромосоме у человека была осуществлена следующим образом .

В длинном плече первой хромосомы у человека часто обнаруживается вторичная перетяжка вблизи центромеры. Примерно в 0,5% случаев в популяции эта перетяжка оказывается намного тоньше и длиннее, чем в норме. Такие варианты наследуются доминантно. Если один из гомологов первой пары хромосом обнаруживает аномальный фенотип, то предполагается, что он несет аллель (фактор деспирализации). Имеются данные о тесном сцеплении между локусом группы крови Даффи и локусом Un-1: θ = 0,05. С другой стороны, ранее было установлено сцепление между локусами Даффи и врожденной очаговой катаракты (11620). Следовательно, группу сцепления из трех локусов: катаракты, Даффи и Un-1 можно соотнести с первой хромосомой или «приписать» ее к этой хромосоме.

Другая возможность локализации гена на конкретной хромосоме связана с анализом делеций. Например, если ген, для которого известна доминантная мутация, оказывается утерянным вследствие делеции, то отсутствие этого гена может детерминировать фенотип, сходный с тем, который обусловливает доминантная мутация. Когда делеция достаточно велика по размеру и захватывает участки, смежные с данным локусом, можно ожидать, что в

3. Формальная генетика человека 199

фенотипе будут представлены дополнительные симптомы. В 1963 г. у умственно отсталого ребенка с двусторонней ретинобластомой была обнаружена делеция в длинном плече одной из хромосом группы D (как выяснилось позже – хромосомы 13). Делеция 13ql4 была найдена и в ряде других случаев с ретинобластомой и дополнительными аномалиями. У больных ретинобластомой без дополнительных симптомов делеция обычно не наблюдалась. Из приведенных фактов следует, что локус ретинобластомы относится к хромосоме 13.

Другой, по-видимому чаще используемый, подход основывается на количественном исследовании ферментативной активности в случаях с хромосомными аномалиями. Большинство ферментов характеризуются четко различимым эффектом дозы гена, т.е. гетерозиготы по ферментативной недостаточности обнаруживают примерно 50%-ную ферментативную активность. Сходный эффект дозы гена можно ожидать и в том случае, когда ген теряется вследствие делеции. Такой подход к картированию использовался для большого числа генетических маркеров. Чаще всего результат оказывался отрицательным, но такого рода «исключающее картирование» полезно тем, что может сузить область вероятной локализации генов-маркеров. Следует, правда, учесть, что на основе этого подхода были сделаны и неправильные выводы, поскольку наличие «молчащего» (нулевого) аллеля, т.е. непроявляющейся мутации, может имитировать эффект делеции.

Если верно, что гетерозиготы и моносомики обнаруживают эффект дозы гена, то вполне реально ожидать наличие такого же эффекта и у трисомиков. Первые исследования активности ферментов при синдроме Дауна (трисомия по 21-й хромосоме), казалось бы, подтвердили такой вывод. Однако, чем больше ферментов включали в анализ, тем больше среди них обнаруживали таких, которые следовало бы отнести к 21-й хромосоме (активность большинства изученных ферментов оказалась повышенной). Кроме того, у больных с синдромом Дауна обнаружилось неожиданное увеличение активности Х-сцепленного фермента G6PD. Отсюда следует, что количественные изменения ферментативной активности у трисомиков in vivo могут быть связаны с нарушениями регуляции активности генов, локализованных в разных хромосомах.

Тем не менее все большее число случаев эффекта дозы генов описывается для трисомных и моносомных клеток, культивируемых in vitro (разд. 4.7.4.3). Остановимся лишь на одном примере. Активность фермента фосфорибозилглицинамид-синтетазы (GARS) изучалась в нескольких случаях частичной моносомии и частичной или полной трисомии 21. Эти исследования были стимулированы предшествующими данными о наличии эффекта дозы гена для этого фермента. При регулярной трисомии коэффициент превышения по отношению к норме составил 1,55. В других случаях соотношения были: 0,99 для моносомии 21q21®21 pter; 0,54 для 21q22 ® 21qter-моносомии; 0,88 для 21q21 ® 21pter-триcoмии и 1,46 для 21q22.1-трисомии. Анализируя эти данные, можно прийти к выводу о возможной локализации гена GARS в субсегменте 21q22.1 . Некоторые другие примеры приведены в табл. 4.27 и приложении 9. Использование разных вариантов хромосомной морфологии (таких, как упомянутая выше вторичная перетяжка на хромосоме 1) и эффекта дозы гена для картирования - путь медленный и недостаточно надежный. Новый метод картирования, основанный на гибридизации клеток, привел к большим успехам в этой области.

Генетическая инженерия представляет собой новейший инструмент биотехнологии, который позволяет получать требуемые качества организма с помощью манипуляций с генами и внедрением их в другие организмы. Получение генетически модифицированных культур, овощных и зерновых, производство человеческого инсулина, выведение новых пород животных и новых видов растений – все это результаты применения генной инженерии.

Громкие генетические эксперименты

Съесть и привиться от гепатита В? Индийские ученые не так давно опубликовали свои работы по созданию такого сорта бананов. Заодно были проведены аналогичные эксперименты и с другими фруктами и овощами, но в итоге выбор остановили на . Новый сорт бананов является носителем ослабленного штамма вируса гепатита В. По замыслу ученых, попав в организм вместе со сладким лакомством, вирус должен вызвать соответствующую реакцию организма и способствовать формированию иммунитета.

Еще дальше пошли британские исследователи, которые предлагают лечить рак куриными яйцами! Особая порода кур, чьи гены смешаны с человеческими, содержит в своем организме белок, являющийся противораковым препаратом. Таким образом, яйца, которые на большую часть состоят из этого , могут вполне заменить собой дорогостоящие противораковые лекарства.

Известно, что ни одна искусственная молочная смесь для младенцев не способна заменить собой грудное молоко, уступая ему как в полезных, так и в питательных свойствах. Китайские генетики провели эксперимент, следствием которого стало появление коровьего молока, почти идентичного молоку кормящих матерей. Добавление клонированных генов человека в ДНК коровьего эмбриона призвано было вывести новую породу коров, дающих «человеческое» молоко.

Корова дает «мамино» молоко, а коза – молоко с шелком! Американский ученый выделил ген паука, отвечающий за создание нитей паутины, и скрестил его с геном коз. В итоге козлята, родившиеся от этой козы, сохранили ген, ответственный за производство шелка.

Капуста, убивающая насекомых-вредителей ядом скорпиона, отнюдь не выдумка , а результат работы китайских генетиков. Рыбка, которая растет не по дням, а по часам – итог генного эксперимента по внедрению в организм лосося сразу двух генов: от быстро растущей чавычи и налима, растущего в любое время года. В итоге получен вид лосося, который имеет размер вдвое больше обычного и растет в два раза быстрее, и этот сорт рыбы официально разрешен к употреблению в пищу.

Все эти ставшие широко известными генетические эксперименты призваны были сделать жизнь человека лучше и удобнее, обеспечив его дешевыми и легко получаемыми продуктами и лекарствами. Однако ученые до сих пор спорят, насколько