Книга: Мусорная ДНК. Путешествие в темную материю генома

Сплайсинг и болезни

Сплайсинг и болезни

Чтобы хоть как-то ощутить, представить степень этой сложности, рассмотрим одну группу генетических заболеваний. В их числе — форма слепоты, именуемая пигментным ретинитом и затрагивающая примерно одного человека из каждых 4 тысяч. Как правило, все начинается в подростковые годы, с ухудшения ночного зрения. С годами зрение быстро падает. Это происходит оттого, что постепенно отмирают клетки глаза, воспринимающие свет⁵. В среднем 1 из 12 случаев обусловлен мутацией в каком-то из 5 белков, участвующих в определенной стадии сплайсинга^6,7,8,9. Данная мутация вызывает нехватку лишь клеток сетчатки, а не других клеток организма, которые также полагаются на процесс сплайсинга. Это показывает, что процессы контроля сплайсинга обладают высокой специфичностью по отношению к клеткам и генам. Пока механизмы, лежащие в основе этой специфичности, нам не понятны.

Врачам известна весьма острая форма карликовости, при которой носителю отклонения свойственны и другие не совсем обычные характеристики и особенности — слишком сухая кожа, слишком редкие волосы, склонность к припадкам, затруднения при обучении. Дети с таким заболеванием почти всегда умирают, не дожив до 4 лет¹⁰. Оно является весьма редким практически везде, кроме общины амишей штата Огайо: 8% членов общины — носители этой болезни. Дело в том, что мутация, вызывающая данное заболевание, имелась у того небольшого количества семейств, которое и основало когда-то общину. Эту болезнь не обнаруживают в других группах амишей (скажем, в Пенсильвании), основанных другими семьями. Когда удалось выявить мутацию, вызывающую это заболевание, исследователи сначала решили, что она изменяет нуклеотидную последовательность гена, кодирующего какой-то белок, который образуется в результате сплайсинга. Однако теперь известно, что на самом деле это изменение нарушает трехмерную структуру той мусорной ДНК, которая образует часть сплайсосомы¹¹. В отличие от ситуации с пигментным ретинитом, такой дефект в функционировании сплайсосомы вызывает весьма широкий диапазон симптомов. Вероятно, при этом происходит ошибочный сплайсинг множества различных генов.

Заболевания у человека происходят не только из-за неполадок в аппаратуре сплайсинга. Недуги могут возникать и из-за того, что сами гены, кодирующие белки, обладают мутациями в местах (сайтах), которые играют важную роль при контролировании сплайсинга РНК данного конкретного гена. Некоторые ученые настаивают, что до 10% наследственных болезней человека обусловлены мутациями в этих сплайсинговых сайтах (такие сайты показаны на рис. 17.5 как последовательности из двух нуклеотидных оснований)¹².

Вот пример действия такого механизма. В одной семье у двух младенцев возникла неизлечимая диарея уже в первые дни после рождения. Медперсоналу как-то удалось стабилизировать ситуацию, но диарея продолжалась много месяцев, и один из детей умер в семнадцати месячном возрасте. Когда геномы детей секвенировали, обнаружилась мутация в сплайсинговом сайте гена, меняющая одну из ГУ-последовательностей, показанных на рис. 17.5. В результате клеточная сплайсинговая аппаратура без необходимости «пропускала» один из участков, кодирующих аминокислоты. По сути, этот участок просто исключался из процесса синтеза белка, и получающийся белок больше не мог выполнять свою работу¹³.

Саркома Капоши — форма рака, которая впервые привлекла внимание общественности, когда обнаружилось, что она широко распространена среди больных СПИДом. СПИД вызывется вирусом иммунодефицита человека (ВИЧ) — (HIV, the human immunodeficiency virus). Инфицирование этим вирусом приводит к подавлению иммунной системы. Саркому Капоши вызывает другой вирус. Он получил название HHV-8. Обычно наша иммунная система держит этот вирус под контролем, но если ее функционирование серьезно нарушено, HHV-8 может утвердиться в организме и спровоцировать саркому Капоши.

Вирус HHV-8 широко распространен среди жителей Средиземноморья, однако у них редки случаи саркомы Капоши, а у маленьких детей ее почти никогда не обнаруживали. Поэтому медики очень удивились, когда одна турецкая семья привела врачам двухлетнюю дочку, на губе у которой имелись образования, характерные для данной разновидности рака. Они быстро и агрессивно росли, и девочка умерла всего спустя 4 месяца после того, как ей впервые поставили диагноз.

Все тесты девочки на ВИЧ давали отрицательный результат. Ее родители были близкими родственниками — двоюродным братом и сестрой. Ученые принялись искать генетические причины, которые могли бы объяснить нарушение иммунного отклика на HHV-8 у этой девочки.

Проведя секвенирование ДНК образцов биоматериала, полученных у умершей, специалисты выявили мутацию в сайте сплайсинга, находящемся в определенном гене. Мутация меняла АГ на АА, а значит, сплайсосома больше не могла определить, в каком месте она должна разрезать молекулу РНК. В результате мусорная область, которую следовало удалить, оставалась в составе молекулы информационной РНК. Это нарушало нуклеотидную последовательность, создавая стоп-сигнал на значительно более «раннем» отрезке информационной РНК, чем необходимо, что, в свою очередь, не позволяло рибосоме сделать белок требуемой длины (он получался гораздо короче). А поскольку данный белок как раз и нужен для поддержания эффективной иммунной реакции на вирусы наподобие HHV-8, ребенок с такой мутацией оказался весьма подверженным саркоме Капоши¹⁴.

Хотя мутации сплайсинг-сайтов встречаются сравнительно часто, причиной генетических заболеваний чаще становятся мутации тех участков генов, которые кодируют аминокислоты. Одни мутации вызывают проблемы из-за того, что вводят стоп-сигналы, мешающие рибосомам синтезировать белки нужного размера на основе матриц информационной РНК. Другие мутации способны изменять генетический код, побуждая ген кодировать не ту аминокислоту, какую следует. К примеру, триплет ЦАЦ кодирует аминокислоту гистидин, а триплет ЦАГ — глутамин, другую аминокислоту. Но ученые предполагают, что до 25% мутаций, вызывающих замену аминокислоты таким путем, влияют также и на сплайсинг ближайших участков информационной РНК. В некоторых случаях причиной болезни может служить не единичная замена аминокислоты сама по себе, а то изменение, которое вносит исходная нуклеотидная замена в характер сплайсинга информационной РНК.

Однако в большинстве случаев очень трудно продемонстрировать, что это действительно так. Даже если ученые сумеют показать, что изменение в РНК приводит и к нарушению картины сплайсинга, и к замене аминокислоты, как определить, какой из этих эффектов вызывает симптомы болезни? Что служит их причиной — сам белок, где в определенном месте одна аминокислота заменена на другую, или еще и то, что белок возник в результате непривычного сплайсинга?

Природа сама предоставила нам свидетельства того, что иногда мутация в кодирующем участке способна вызывать болезнь посредством влияния на сплайсинг, а не посредством замены аминокислоты. Существует весьма необычное заболевание, названное прогерией Хатчинсона-Гилфорда в честь двух ученых, которые впервые его выявили. Слово «прогерия» означает «раннее старение», и эта ее форма невероятно опасна. Она встречается крайне редко, затрагивая примерно одного ребенка из 4 миллионов¹⁵.

Родившиеся с этим недугом поначалу кажутся совершенно здоровыми, но уже в течение первого года жизни их рост резко замедляется, а потом и вовсе останавливается. У детей начинают проявляться многие симптомы старости: редеют волосы, наступает облысение, тело становится жестче. Хотя у них все-таки не развиваются некоторые заболевания, свойственные пожилому возрасту (скажем, болезнь Альцгеймера), зато возникают серьезные сердечно-сосудистые заболевания. Именно от них несчастные дети умирают еще в раннем подростковом возрасте: летальный исход становится следствием инфаркта или обширного инсульта.

В 2003 году специалисты выявили генетическую мутацию, которая вызывает прогерию Хатчинсона-Гилфорда. У каждого из обследованных пациентов обнаружилась новая мутация (мутация de novo), то есть такая, которая спонтанно возникла в яйцеклетке или сперматозоиде кого-то из родителей. Невероятно: у 18 пациентов, не связанных близким родством (всего обследовали 20) мутация оказалась совершенно одинаковой¹⁶.

Последовательность ГГЦ в определенном гене мутировала и в результате сменилась на ГГТ. Этой мутации подверглась одна из тех областей гена, которые занимаются кодированием аминокислот. Может показаться, что перед нами сравнительно обычный, «лобовой» случай мутации, заменяющей одну из аминокислот в белке. Так что первым делом, разумеется, следует посмотреть на генетический код и выяснить, что же кодируют эти две последовательности. ГГЦ, нормальная последовательность, кодирует простую аминокислоту глицин. Однако ГГТ, мутантная последовательность, кодирует (внимание!) глицин же. Да-да, ту же самую аминокислоту!

Дело в том, что генетический код наделен определенной избыточностью. Как мы уже знаем, наш геном записан при помощи всего четырех букв — А, Г, Т и Ц (в РНК вместо буквы Т — буква У). Блоки из 3 букв (триплеты) используются для кодирования той или иной аминокислоты. Из 4 букв можно составить 64 трехбуквенные комбинации. Три из этих комбинаций — стоп-сигналы, приказывающие рибосоме больше не добавлять аминокислоты в белковую цепочку, которую она выстраивает. Остается 61 комбинация для кодирования аминокислот. Но наши белки содержат в общей сложности лишь 20 различных аминокислот. Поэтому некоторые аминокислоты можно кодировать несколькими различными трехбуквенными наборами. Одна крайность: глицин кодируется триплетами ГГА, ГГЦ, ГГГ и ГГТ (ГГУ). Противоположная крайность: аминокислоту метионин кодирует лишь комбинация АТГ (АУГ).

Но если при прогерии Хатчинсона-Гилфорда не меняется аминокислотная последовательность, кодируемая мутантным геном, что же вызывает такое резкое изменение фенотипа при этом заболевании? Вновь обратимся к рис. 17.5. Последовательность из двух нуклеотидных оснований, находящаяся в начале каждой промежуточной области гена, такова: ГТ. Но у страдающих этой болезнью нормальный триплет ГГЦ меняется на ГГТ, и участок, кодирующий аминокислоту, получает ненужный дополнительный сигнал сплайсинга. На фоне всех остальных сигналов сплайсинга в этой области генома такое неверное размещение ГТ действует весьма сильно. Сплайсосома разрезает информационную РНК в области, кодирующей аминокислоты, а не в мусорной области. Участки, кодирующие аминокислоты, соединяются неправильно, что приводит к потере примерно 50% аминокислот, которые должны располагаться на конце синтезируемого белка. В результате сам белок не обрабатывается должным образом и начинает вносить сумятицу в работу клеток. Мы пока точно не знаем, каким образом это приводит к необычному старению, которое мы наблюдаем у детей, страдающих данным заболеванием. Наиболее убедительное предположение на данный момент: в ходе таких процессов нарушается механизм поддержания нормального функционирования клеточного ядра. Это может приводить к изменениям в экспрессии генов и к разрушению ядра. Вероятно, некоторые гены и некоторые типы клеток чувствительнее к таким процессам, чем другие.

Есть еще одно детское заболевание — спинальная мышечная атрофия. При этой болезни нервные клетки, управляющие мышцами, постепенно отмирают, что приводит к деградации мышц и утрате подвижности. Существует целый ряд различных форм этого заболевания. При самой острой его разновидности средняя ожидаемая продолжительность жизни детей с этим недугом очень мала — меньше 18 месяцев¹⁷. Для генетического заболевания оно распространено сравнительно широко: в Великобритании примерно один человек из 40 является его носителем, а значит, около полутора миллионов британцев несут в себе одну дефектную копию соответствующего гена. По счастью, для развития симптомов болезни требуются две мутантные копии гена, а не одна¹⁸.

Спинальная мышечная атрофия возникает в результате удаления (делеции) гена SMN1 или прекращения его нормального функционирования. Если мы посмотрим на человеческий геном, нас может удивить, что такое изменение способно вызвать столь мощный эффект, поскольку в геноме имеется и другой ген, кодирующий тот же белок. Этот ген именуется SMN2. Отсюда очевидный вопрос: раз уж они кодируют один и тот же белок, почему ген SMN2 не может служить компенсацией поврежденного или утраченного гена SMN1 ?

Тут почти такая же история, как с прогерией Хатчинсона-Гилфорда. Видите ли, ген SMN2 слегка отличается от гена SMN1. Речь идет об изменении в ДНК-последовательности одного из участков, кодирующих аминокислоты. Аминокислотная последовательность из-за этого не меняется, поскольку речь идет об одном из триплетов, которые кодируют аминокислоты по принципу избыточности (то есть о тех случаях, когда одну аминокислоту может кодировать не один триплет). Зато меняется один из сайтов, помогающих рибосомам определять, в каком месте проводить сплайсинг молекулы информационной РНК¹⁹. Нет, сам сплайсинг-сайт не меняется. Меняется один из сайтов, влияющих на то, где происходит сплайсинг. В результате возникает «пропуск» на участке, кодирующем аминокислоту, и синтезируется белок, не обладающий нужными функциями. Поэтому ген SMN2 не может стать компенсацией гена SMN1, чья работа нарушена. Белок, вырабатываемый при нормальной деятельности гена SMN1, требуется для нормальной работы сплайсосом. В сущности, мутация в одном гене приводит к общим проблемам в сплайсинге информационных РНК, которые удалось бы преодолеть, если бы потенциальный ген-компенсатор не имел собственных проблем со сплайсингом.