Куда и как прячутся гены предрасположенности к астме?
marina_fr
Можно ли предсказать предрасположенность человека к определённым болезням? Биологи и медики пытаются этого добиться. В последние несколько лет получили широкое распространение так называемые genome-wide association studies (GWAS).
Подавляющее большинство генов человека уже известно, прочтена их нуклеотидная последовательность, причём не только кодирующая часть, но и находящиеся рядом с ней участки, которые могут играть какую-либо роль в регуляции активности гена. Стало возможным довольно быстро выяснить, какие именно мутации в определённых местах (локусах) отличают конкретных индивидов. Обычно исследователи фокусируются при этом на генах (не только их кодирующей, но и регуляторной части). Преимущественно их интересуют при этом точечные мутации, состоящие в замене одного нуклеотида на другой, более масштабные перестройки генома вроде, скажем, повторения участка, содержащего целый ген, изучаются редко. Интервалы между генами, многократные повторы, в том числе находящиеся на концах хромосом и рядом с центромерой, выпадают из поля зрения генетиков. Это неудивительно - размер человеческого генома всё-таки три миллиарда нуклеотидов, всё не охватишь. А в повторяющихся участках и разобраться куда сложнее. Представьте себе, что вы пытаетесь сориентироваться на плантации, где рядами сидят ёлочки одного возраста - понять, где именно вы находитесь, невозможно.
Охвачены в GWAS оказываются тысячи людей, как здоровых, так и страдающих определёнными заболеваниями. Естественно, получающийся массив данных огромен. Но современные методы обработки информации позволяют после этого посмотреть, какие генетические варианты связаны с теми или иными болезнями. См., например,
http://www.nature.com/nature/journal/v447/n7145/abs/nature05911.html
http://mfreidin.medgenetics.ru/Papers/Gabriel/10092306.pdf
Эти исследования уже дали много интересных результатов. Но выясняется, что существенная, часто бОльшая часть наследственной изменчивости остаётся необъяснённой, её нельзя пока приписать влиянию каких-то конкретных локусов. Дело в том, что методами классической генетики (исследования родственников, близнецов) уже был оценен вклад наследственности в предрасположенность к различным заболеваниям. И во многих случаях он должен быть существенно больше, чем следует из данных GWAS. Это явление получило название «missing heritability» или «hidden heritability». Оно наблюдается для множества уже давно изучаемых генетиками признаков - от роста до предрасположенности к шизофрении. Иначе говоря, возможности молекулярной биологии огромны, а результаты пока не так значительны.
Для «missing heritability» возможны несколько отнюдь не взаимоисключающих объяснений.
Во-первых, существенный вклад в наследственную изменчивость могут вносить не охваченные методом генетические вариации, например, отличия в межгенных областях, в многократно повторяющейся ДНК. Обычно неизученными оказываются также отличия по перестройкам крупных участков генома, скажем, вариации в числе копий гена (тут можно ссылку на аутизм).
Во-вторых, даже на тысячах испытуемых статистика плохо работает с редкими генетическими вариантами, которые встречаются с частотой не 40% и даже не 5%, а вообще, возможно, всего несколько раз на выборку. Между тем именно среди них может быть много сравнительно «новых» мутаций, которые ещё не отсеяны естественным отбором и способны причинить существенный вред своему носителю.
В третьих, влияние нескольких генетических вариантов далеко не всегда можно просто суммировать, есть эффекты, связанные с их взаимодействием. Естественно, статистика способна оценить и эти эффекты, но необходимые для такой оценки выборки огромны.
В четвёртых, определённый наследственный вариант может оказывать значительное влияние на развитие заболевания, но влияние это будет разным в разных условиях.
Обзор C.Ober и D.Vercelli в №3 журнала Trends in Genetics за этот год посвящён одному из возможных объяснений этого явления - разному влиянию одного и того же генетического варианта на предрасположенность к болезни в разных условиях.
Проблема рассматривается авторами на примере астмы, заболевания, частота которого стремительно растёт сейчас в развитых странах, особенно с ростом урбанизации и вестернизации. Сейчас астмой болеют уже более 300 млн. людей во всём мире. Резкое учащение астмы и других аллергических заболеваний заставило занимающихся этой проблемой исследователей выдвинуть так называемую гипотезу «гигиены». В её современном виде гипотеза гигиены выглядит так. Есть разные пути развития иммунных реакций, связанные с разными типами лимфоцитов, продукцией разных типов антител и т.д. Между ними должен поддерживаться определённый баланс, если какой-то из путей начинает преобладать, то иммунный ответ становится неадекватным, могут развиться, скажем, аллергические болезни. Раньше баланс настраивался в раннем детстве, при контакте младенца с микробами, паразитами и другими источниками естественных антигенов. Нынешние младенцы со всем этим (включая и приятные вещи вроде парного молока) контактируют всё меньше. Баланс нарушается, например, при астме чрезмерен вклад в иммунный ответ лимфоцитов типа Th2. Иными словами, чистота - отнюдь не во всех отношения залог здоровья.
Раньше контакт младенца с кошками, собаками, животными на ферме вызывал у педиатра настороженности, даже если аллергических заболеваний у ребёнка пока не было. Теперь, наоборот, считается, что иметь домашнее животное для предотвращения этого рода болезней даже полезно. Но ведь у некоторых детей возникает аллергия на шерсть животных!
В чём тут дело? Во многих случаях, видимо - в генотипе конкретного ребёнка. Так, в ходе целого ряда исследований была установлена роль генетических вариантов в промоторе гена CD14, то есть в участке, с которого начинается его считывание. Этот ген работает в клетках иммунной системы. Различия в промоторной области не так велики - в определённом месте может стоять нуклеотид Т или нуклеотид С. Но один из вариантов способствует развитию астмы у детей, которые во младенчестве часто и помногу контактировали с животными, другой - у тех, которые с животными практически не контактировали. Если контакт был, но умеренный, то никакой связи астмы с генотипом по этому локусу не наблюдалось.
Подобные зависимости могут сильно «смазать» результаты даже массовых исследований. Например, исследование астмы у сельских детей центральной Европы не выявило тех закономерностей, которые были обнаружены в предыдущих работах, выполненных преимущественно на городских популяциях. Применяя более «мягкие» критерии достоверности, удалось-таки выявить локусы, влияющие на заболеваемость астмой. Для большинства из них характер влияния точно так же, как для вариантов в промоторе CD14, отличался в зависимости от того, контактировал ли младенец с животными.
Ещё один возможный источник несогласованности результатов, характерный для подобных исследований - статистика хорошо работает для вариантов, частота которых близка к 50%, и гораздо хуже - для всех остальных. При этом в разных популяциях частота тех же самых генетических вариантов может различаться. И статистика в одной популяции влияние заметит, а в другой - нет.
Столь же неоднозначным действием обладают варианты гена (HLA)-G при материнской астме (она в разной степени повышает вероятность астмы у ребёнка). Вариабельный нуклеотид (G или С) расположен уже не в промоторе, а на 3’-конце гена. Это тоже важный участок, где связываются регулирующие активность гена микро-РНК. Один из вариантов защищает от астмы детей больных матерей, но несколько повышает вероятность заболевания детей, мать которых здорова.
Другой провоцирующий астму фактор - табачный дым в доме. К сожалению, локусов, определённые варианты которых могут сделать вред от него вполне ощутимым, более чем достаточно. Тем не менее, относительная сила влияния просмолённой атмосферы зависит от генотипа младенца. Поэтому и появляются отговорки вроде «у N над колыбелькой дымили, а вырос здоровенький».
Во всех рассмотренных выше случаях мы встречаемся с «честной» генетической вариабельностью, пусть и неоднозначно влияющей на предрасположенность. Но не надо забывать, что иногда передача признаков от родителей потомству может происходить и за счёт эпигенетических механизмов, иначе говоря, не как результат вариаций самой последовательности нуклеотидов в ДНК.
Один из таких механизмов - изменение уровня метилирования ДНК, то есть наличия добавочных метильных групп у определённых нуклеотидов. Во многих, хотя и не во всех случаях, метилирование гена, особенно его промоторных областей, снижает его активность. Оказывается, на этот процесс могут влиять и факторы окружающей среды. Скажем, диета. Ставить опыты на человеке, конечно, нельзя. Но вот у беременных мышей диета, содержавшая много доноров метильной группы, утяжеляла течение аллергических дыхательных заболеваний. Предрасположенность к развитию соответствующих заболеваний передавалась и потомству. При выяснении того, метилирование каких генов оказывает это вредное влияние, исследователи особо выделили роль гена транскрипционного фактора Runx3. Транскрипционные факторы играют ключевую роль в регуляции активности генов большого числа генов сразу. А Runx3 влияет и конкретно на развитие дыхательных аллергий.
Итак, астма даёт нам хороший пример того, что при изучении генетики распространённых заболеваний человека не следует забывать о взаимодействии наследственных и средовых факторов.