В организме что-то сломалось
Сайт Сибирского отделения РАН COPAH.info 3 апреля 2014 г.
Представим достаточно короткие последовательности ДНК — один и тот же набор букв, продублированный определенное количество раз (нормой считается до пятидесяти). В несчастливый момент "ксерокс", по мере надобности воспроизводящий эти последовательности, выходит из строя, и копии начинают множиться с бешеной скоростью. В результате хромосома не выдерживает и, подобно спичке или прутику, ломается.
Ломкие хромосомы ученые заметили достаточно давно: при появлении необходимых методов анализа исследователи увидели, что на нормальном объекте в ряде случаев появляется "дырка". "Сначала долго обсуждали, является она каким-то феноменом или чисто методической погрешностью, пока не обнаружили — дефект проявляется в одних и тех же местах. Сейчас идет изучение явления на молекулярном уровне", — рассказывает заместитель директора Института молекулярной и клеточной биологии СО РАН доктор биологических наук Александр Сергеевич Графодатский.
В настоящее время работами, связанными с изучением синдрома ломкой Х-хромосомы, в ИМКБ СО РАН занимается кандидат биологических наук Дмитрий Владимирович Юдкин. Он два года проработал по этой же тематике в городе Бетесда, который находится под Вашингтоном и где размещены Национальные институты здоровья США. Впрочем, и для сибирских ученых такое направление не является новым — оно связано с хорошо знакомой им медицинской цитогенетикой.
Изначально было понятно: живет себе нормальная, полноценная Х-хромосома. В целом у нее все хорошо и благополучно, однако, вдруг у нее внезапно отламывается кусочек. Если бы это ни на что не влияло — так и, казалось бы, пусть себе, однако, выясняется: от произошедшего зависит развитие наследственной умственной отсталости, что, разумеется, является более чем серьезным результатом крохотного сбоя в работе организма. Конечно же, исследователей интересует: каковы механизмы и причины ломкости, и, как следствие, чем это можно вылечить.
"Суть в том, — объясняет Дмитрий Юдкин, — что на том месте, где хромосома затем деформируется, находится повторенный участок ДНК, и он может увеличиваться в течение жизни человека. То есть, вот все в порядке, его размер обычный, но затем вдруг по каким-то причинам происходит скачок, и участок становится больше нормы, после чего начинает расти. Как только повтор достигает определенной величины, то у хромосомы, где он находится, ломается кончик, что приводит к развитию умственной отсталости. Причем, если у родителей количество повторов не достигло пороговой величины, то они здоровы, а вот ребенок, получая удлиненный вариант, приобретает и соответствующий синдром. Наша задача — определить, почему все это происходит".
Как отмечает Александр Графодатский, одной из наиболее известных личностей, имевших синдром ломкой Х-хромосомы, был король Испании Карл Второй (1661 — 1700 гг.). Он стал последним представителем династии Габсбургов на престоле своей страны, а после его смерти разгорелась печально известная война за испанское наследство. Как потомок многочисленных близкородственных браков Карл обладал множеством врожденных неизлечимых (особенно в те времена) болезней, в том числе и задержками в умственном развитии. При наличии принципа "Не утруждать короля", это отставание никак не компенсировалось. Впоследствии его пытались лечить с помощью экзорцизма, но, как нетрудно догадаться, успехов не достигли. Самым печальным для страны фактом был тот, что Карл Второй правил Испанией в течение тридцати пяти лет, в результате чего она пережила один из самых тяжелых периодов в своей истории.
Строго определенную причину ученые пока назвать не могут, однако, версии, конечно же, есть. В первую очередь процесс связывают с ошибками репликации. То есть, "неправильный" участок содержит определенный набор нуклеотидов (ГЦ-пар), и из-за этого образуются вторичные структуры. Таким образом, ДНК выглядит не как привычная двойная спираль, но имеет "новообразования". За счет нестандартного взаимодействия происходят проблемы с "копированием". Здесь в игру включается система репарации, призванная исправлять все неточности и сбои — но и она начинает работать неправильно, вставляя лишний увеличенный кусок. Белок ошибается, и из-за этого повторы лишь множатся. "Это пока предположения, — подчеркивает Дмитрий Юдкин, — и наши исследования призваны подтвердить их или опровергнуть". Собственно, в ходе своей работы ученые ИМКБ СО РАН посмотрели, как происходит репликация вдоль ломкого участка хромосомы и выяснили: во время деления клетки увеличенный повтор очень плохо удваивается, и в результате там, где происходит разлом, остается недореплицированный сегмент. (Кстати, это открытие стало предметом статьи Дмитрия в одном из самых высокорейтинговых медицинских журналов Human Molecular Genetics).
С другой стороны, на процесс имеет влияние модификация хроматина (комплекса ДНК, РНК и белков, связанного с воплощением генетической информации). Получается, что когда увеличиваются повторы, происходит его дополнительное метилирование (изменение, не нарушающее нуклеотидной последовательности), которое снижает работу нужного гена (разлом проходит по одному из них, отвечающему, как несложно понять, за функционирование головного мозга). "Сейчас мы как раз будем подробно анализировать изменения в составе хроматина, чтобы заниматься подбором молекул-мишеней, на которые можно воздействовать определенными веществами, чтобы остановить модификацию в районе ломкого участка", — комментирует Дмитрий Юдкин.
Разработка именно этого направления может помочь в появлении лекарства. По словам ученого, предотвратить ломкость хромосомы нельзя: нет ни одного метода, который позволял бы лечить это на генном уровне. Тем не менее, раз уж явление связано с молекулярными механизмами, то уже в настоящее время в мире ведутся исследования, направленные на "отключение" изменений в хроматине. Пока результатов, могущих быть использованными, нет — те вещества, что удалось подобрать, как правило, очень токсичны — но теоретически такая возможность существует. Александр Графодатский и Дмитрий Юдкин, дополняя друг друга, говорят: "Перспективный препарат должен применяться с самого рождения. Он не будет изменять геном, но даст человеку возможность нормально жить. Ну, а если обратиться к научной фантастике, то со временем мы будем знать про наш геном если не все, то многое, по крайней мере, по критическим точкам, и при уже известном риске можно каким-то образом произвести воздействие, остановить рост повтора у родителей, чтобы худший сценарий не реализовался".
Александр Графодатский отмечает: в проблематике, связанной с ломкой Х-хромосомой, ученые ожидают значительный прогресс — не в последнюю очередь и потому, что можно вести исследования на экспериментальных моделях (по словам биолога это большая удача). Дмитрий Юдкин поясняет: "Аналогичная вещь вплоть до развития тех же самых последствий есть у мышей. Кроме того, имеется еще и зебрафиш. Не знаю, как у рыб проявляется слабоумие, но повторы у них накапливаются, и точно так же нарушается работа генов. Мы смотрим на изменение структуры мозга, что, кстати, хорошо видно с помощью методов томографии".
Надо добавить: умственная отсталость из-за синдрома ломкой Х-хромосомы возникает, во-первых, с самого рождения ребенка, а, во-вторых, чаще у мальчиков. Здесь работает та же схема, что и с гемофилией: носительницей является женщина, а болезнь проявляется у противоположного пола. Тем не менее, современная наука и медицина позволяет если не предотвратить, то хотя бы предсказать возможные проблемы. "Существует простой анализ: по препаратам крови можно оценить размеры повтора у родителей и вероятность их ребенка приобрести заболевание, — говорит Дмитрий Юдкин. — Это можно и нужно делать! Однако, к сожалению, как правило, родители понимают: что-то не то, когда дитя с умственной отсталостью уже появляется на свет". Впрочем, известная степень риска есть даже при уже имеющемся здоровом отпрыске, ведь "бешеный ксерокс" в организме может включиться в любой момент.
Екатерина Пустолякова
Фото предоставлены Д. Юдкиным