МИФ 1. СУПЕРГЕРОИ МУТАНТЫ
Представьте себе, что вы попали в аварию, врезались в грузовик, который перевозил радиоактивные отходы, вы извалялись в этой радиоактивной жиже, и уже чувствуете изменения в своём теле, и думаете: «Сейчас я стану супер-героем!». Или супер-мутантом, одна из версий, которые часто показывают в кинематографе или в компьютерных играх. Но должен вас разочаровать, что всё будет немножко не так. Если вы смешаетесь с некоторой условной радиоактивной жижей, источником радиации, то у вас, в ваших клетках будут накапливаться мутации и некоторые из этих клеток, как доблестные самураи дабы не вызвать у вас рак, покончат жизнь самоубийством. Если этих клеток будет очень много, то вы умрёте. А если этих клеток будет очень мало, то через некоторое время вы умрёте от рака. Это печальная история, предостерегающая вас: не пытайтесь стать черепашками нинзя.
Но могут быть более аккуратные, более тонкие вмешательства в ДНК, которые позволят вам стать другим супер героем, ну например человеком пауком, которого укусил радиоактивный паук. У него была явно меньше доза радиации. Или, например, что-то более актуальное — если вас укусит генно-модифицированный комар, это то о чём сейчас переживают жители штата Флорида. Потому что там есть план выпустить генно-модифицированных комаров, которые не оставляют потомства, они будут скрещиваться с самками, самки потомства не оставят и в итоге все комары, которые разносят вирус Зика, все вымрут и будет замечательно. Ну вот люди бояться того, что их покусают комары, боятся того, что видимо они станут человеком-комаром. Но, опять же, так генная инженерия к счастью или к сожалению не работает, ничего с вами от этого не случится.
Но, правда, учёные смогли сделать козу-паука. Это не совсем правильная фотография, в том смысле, что коза-паук ничем внешне не отличается от обычной козы. Но у паука есть ген, который кодирует белок паутины. Паутина — прочный и лёгкий материал, прочнее и легче, чем кевлар, из которого делают бронежилеты. Из него можно делать ещё и биоразлагаемые нити. Паука вы особо не надоите, а вот из козы получите в молоке большое количество этого белка.
Именно это сделала канадская компания Nexia. Это вполне себе реальность, может быть когда-нибудь до человека-паука тоже дойдут. С невероятным Халком немного попроще ситуация, потому что генные инженеры уже проделали половину этого пути.
Есть вот такие замечательные зелёные кролики, правда они зелёные только в условиях освещения ультрафиолетом: в них есть флюоресцентные зелёные белки из медуз и поэтому они будут не всегда зелёными. И есть вот такие супер-накачанные мышки, у них есть мутация в гене, который ограничивает рост мышечной ткани, поэтому они будут накачанные не только когда злятся, а постоянно, поэтому с двумя вот этими ограничениям мы уже в общем-то близки к получению Мега Халка, он будет постоянно накачанный, но не всегда зелёный.
Ну, а что касается циклопа, то вопрос о том, можно ли стрелять лазерами из глаз это скорее вопрос к физикам.
Но в принципе в природе циклопы встречаются, вот овечка-циклоп и, глядя на нее, вы сразу думаете, либо это жертва каких-то злобных экспериментов учёных, либо она побывала в Чернобыле. Но прикол в том, что это даже не мутант.
Всё что делала эта овечка, точнее даже не она, а её мама, это ела натуральную, без ГМО эко-био травку. В этой натуральной травке есть вещество, оно называется «циклопамин» и оно подавляет работу одного гена. Не мутирует, просто подавляет его работу и если это происходит в процессе развития организма, то есть когда он развивается в утробе матери, то тогда возникает такой дефект. Но в принципе тот же самый дефект можно сделать и с помощью мутации.
И были эксперименты на мышах, когда им выключали этот ген (этот ген называется Sonic Hedgehog или «ёжик Соник», если переводить на русский) и это приводит вот к такой мутации. В общем мутации – это изменения ДНК. Изменения нуклеотидной последовательности ДНК. И я кратко напомню, что вообще такое ДНК.
Вот у нас есть ДНК, двойная спираль, молекула передающая наследственную информацию. ДНК присутствует в наших хромосомах, а хромосомы находятся в ядрах наших клеток, клеток у нас триллионы, поэтому, на самом деле, у нас в каждой клетке есть полный набор ДНК. За исключением некоторых отдельных типов клеток эритроцитов, или тромбоцитов, где ядра нет. Молекула ДНК представляет собой двойную спираль, и каждая из двух цепочек молекулы ДНК – это полимер, это такой текст, состоящий из четырёх типов букв или нуклеотидов. На химическом языке они называются аденин, тимин, цитозин, гуанин, А, T, C и G. И эти нуклеотиды в двойной спирали расположены всегда таким образом, что А стоит напротив Т, а G стоит напротив С. Это называется принцип комплементарности, и это правило позволяет молекуле ДНК удваиваться. Она должна удваиваться каждый раз перед тем как клетки поделятся. И вот двойная спираль разделяется на две одиночные нити и дальше напротив А ставится T, напротив G ставится С и получаются две идентичные молекулы ДНК. Почти идентичные, потому что ещё будут в этом процессе возникать некоторые мутации. И дальше у вас есть, как на слайде, некоторые хромосомы, и есть некоторые участки, такие как бы параграфы в этом большом длинном тексте, которые мы называем генами.
Чаще всего мы называем генами те участки ДНК, что кодируют белки. Белки бывают очень разными. Вот например, есть белок, какого-нибудь зрительного пигмента. И если у вас есть такой белок, и он определённого вида, то у вас будут карие глаза, как у меня, а если у вас другой белок или этого белка нет, то у вас будет другой цвет глаз. Другой пример: может быть белок, который осуществляет какую-нибудь ферментативную реакцию в вашем теле, например превращает этанол в ацетальдегид, или ацетальдегид в уксусную кислоту, конечный продукт метаболизма этанола. И в зависимости от того какой у вас будет вариант гена, кодирующего тот или иной фермент, вы будете либо очень быстро напиваться, либо медленно, у вас будет разная степень похмелья.
Ну и третий пример того, что может сделать белок. Есть белки, которые регулируют работу большого количества генов. То есть они сами связываются с ДНК и говорят: вот эти гены сейчас будут работать, а вот эти гены сейчас работать не будут. В зависимости от условий, от того где клетка сейчас находится, в какой части тела она находится, такие гены могут регулировать процесс развития. То, что вы видели с геном «ёжик Соник», это такой ген регулирующий развитие. Вот некоторые другие примеры: ген Антеннапедия, мутация в нём приводит к тому, что у мухи дрозофилы вместо антенн вырастают ноги на голове.
Или, есть, например такой ген, который называется Pax6. Он по сути говорит клеткам, что вы находитесь в глазу и вам нужно превращаться в клетки глаза. Если этот ген не работает, то у самых разных организмов — от мухи дрозофилы и до человека — это приводит к нарушениям развития глаза.
Сейчас я кратко покажу вам, как читают последовательности ДНК, для того, чтобы узнать где возникли у кого-то мутации.
Вот берут нуклеотиды четырёх типов, и к каждому приделывают метку своего цвета, вот это ДНК-полимераза, фермент, который удваивает молекулы ДНК. Всё происходит здесь, также, как происходило бы в клетке. ДНК-полимераза берёт, хватает нуклеотиды и присоединяет один к другому в растущей цепочке молекулы ДНК, то есть одноцепочечную молекулу превращает в двухцепочечную. Единственное чем отличается данная система от того, что происходит при делении клетки, здесь эти метки присутствуют, но эти метки ни на что не влияют. Так вот, эту ДНК-полимеразу помещают в очень узкий объём такого фотодетектора, куда постоянно залетают эти самые нуклеотиды с этими разными метками, но залетают очень ненадолго и практически не засвечивают этот фотоэлемент. Но если залетает правильный нуклеотид, который сейчас нужно присоединить, то есть С напротив G, или А напротив Т, тогда фермент ДНК-полимераза (тоже белок) хватает этот нуклеотид и удерживает его. Если раньше у нас возникал просто такой «шум» и залетали нуклеотиды ненадолго и немножко засвечивали фотоэлемент, то теперь, если залетает правильный нуклеотид он засвечивает надолго, и вы видите такую вспышку оранжевым — это он присоединяет С. ДНК-полимераза его долго держит, и это время нужно для того, чтобы произошла химическая реакция и нуклеотид присоединился к растущей цепочке ДНК. Дальше нуклеотид присоединяется, а метка отваливается и уплывает и всё повторяется заново. То, что вы сейчас видите — ровно это и происходит с очень высокой точностью. То, что происходит внутри наших клеток, когда они удваивают свою ДНК. Но вот такой же подход, чтение ДНК в реальном времени, позволяет нам узнать, каков этот генетический текст: у меня, у вас, у кого-то ещё в приборе. В данном случае это прибор компании Pacific biosciences, это не самый распространённый метод чтения цепочки ДНК, но самый легко иллюстрируемый.
Так вот. Уже из того, что я сказал, можно подойти к следующему мифу.
МИФ 2. МУТАЦИИ НЕ СЛУЧАЙНЫ
Мутации не случайны, есть какой-то план, где говорится, где должны возникать те или иные мутации. Вот пример свежей новости. Вышла статья в научном журнале, его немножечко переврали журналисты издательства Хайптэк… ой, то есть ХайТэк :-)
Заголовок: В ДНК обнаружен квантовый таймер мутаций. Там написано, что мутации не случайны, по данным этого исследования. Если вы возьмёте оригинальную публикацию, там нет ни слова ни про квантовые, ни про случайные, ни про таймер, а на самом деле там показано вот что:
Вот посмотрите на верхние две картинки, вот это буква А напротив Т и буква С напротив G. Это то, как должно быть в нормальной двойной спирали ДНК, а это собственно структура этих нуклеотидов. И у каждого из этих нуклеотидов есть типичная форма, а есть нетипичная форма, то есть таутомер, изомер. То есть химическая структура та же, но, например, протон может перескочить из одного места в другое. Вот если посмотрите на Гуанин на рисунке Б (левый ряд, вторая сверху картинка) то вы можете заметить, что вот там тоже буква G, водород перебежал от азота на синенькую. Посмотрите, перебежал от азота к кислороду из-за этой таутомерной формы, которая может спонтанно образоваться в клетке. Этот нуклеотид G может взаимодействовать с Т, также как он взаимодействовал в норме с С, то есть возникает неправильное спаривание двух нуклеотидов. Этот механизм мутогенеза предполагался уже очень давно, но вот недавно было доказано, что «да» — этот механизм работает и он является одним из существенных факторов для возникновения мутаций. Когда мы говорим о том, что мутации случайны, это значит ровно следующее: мутация может произойти где угодно, в любом участке этого текста. Вот у вас есть некоторые текст – геном, и опечатка может появится где угодно. И второе: что мы не можем в общем-то предсказать, где она возникнет.
Но это не значит, что вероятность всех мутаций абсолютно одинакова. Какие-то мутации происходят чаще, чем другие. Вот один из классических примеров очень часто возникающих мутаций, в частности у человека.
Вот есть контекст, слово СG: цитазин, за ним идёт гуанин. Так оказывается, что в клетках СG часто подвергается некоторой химической модификации с помощью специального фермента, который приделывает к этому С метильную группу: CH3, вот вторая картинка, он превращается в 5-метил-цитозин. И этот 5-метил-цитозин по своей химической формуле достаточно похож на Т-тимин, другой нуклеотид, и часто возникает спонтанная химическая реакция при которой этот 5 метил цитозин превращается в тимин. Поэтому во много раз увеличена вероятность мутации СG в ТG. А этот фермент, который приделывает эту метильную группу, он на самом деле не хочет вызывать мутации. Он просто пытается регулировать работу генов. Если где-то участок ДНК заметилирован с помощью этих CH3 групп, тогда ген может выключиться, в некоторых случаях. Вот мы с коллегами изучали, есть ли другие контексты, которые влияют на вероятность мутации у человека. И оказалось, что есть.
Мы нашли шесть штук, например T в С чаще мутирует в контексте АТАG. А почему это происходит — мы уже не знаем. В первом случае механизм известен, во втором – нет. То есть в принципе те нуклеотиды, которые находятся в молекуле ДНК рядом с определённым нуклеотидом, могут повлиять на вероятность мутации в этом нуклеотиде.
МИФ 3. МУТАЦИИ МОЖНО ИЗБЕЖАТЬ
Третий миф заключается в том, что если мы не будем бегать по Чернобылю, если мы не будем есть канцерогены, то тогда у нас мутаций не будет. Короткий ответ такой: мутации возникают неизбежно, потому что есть просто спонтанные мутации. Есть ошибки удвоения ДНК: когда ДНК полимераза прикрепляет каждый последующий нуклеотид ДНК, иногда она присоединяет неправильно — некоторые механизмы я уже описал. Есть ферменты, которые умеют чинить ДНК, но они тоже не безупречны, иногда они «исправляют наоборот». Вот у вас возникла какая-нибудь мутация, допустим С поменялось на Т, и у вас в одной цепи стоит С, в другой Т, и механизм починки не знает: это С напротив G должно быть, или А напротив Т? И он «лепит» один из двух вариантов. И иногда это будет неправильный вариант.
Есть, тем не менее, химические мутагены. Всякие вещества, которые увеличивают вероятность мутаций. Если вы не будете загорать, то вы будете меньше подвержены УФ излучению, и поэтому у вас будет меньше вероятность рака кожи. Есть вирусы, которые умеют встраивать свой наследственный материал в ДНК наших клеток — это тоже источник мутаций. Ну и избежать можно разве что каких-нибудь генных инженеров: не давать им себя генно-модифицировать. Вирусов тоже в некоторой степени можно избежать, если вы будете сидеть в стерильном боксе и никого к себе не подпускать, чтобы на вас не чихнули. В некоторой степени можно меньше загорать и не употреблять какие-нибудь мутагены, например курение увеличивает риск рака лёгких. Потому что там есть вещества, которые способствуют развитию мутаций. Но источники мутации — они, в общем-то, неизбежны.
На практике это происходит следующим образом: в каждом поколении у людей возникает, например, от 40 до 80 принципиально новых мутаций, которых не было ни у мамы, ни у папы. На самом деле ничего страшного в этом нет, потому что большинство из этих мутаций ни к чему не приводит, и это очень маленький вклад на фоне размеров всего нашего генома. То есть представьте себе: у вас текст на три миллиарда букв и при каждом копировании этого текста — 40-80 опечаток. Ну в принципе можно пережить. Откуда мы вообще знаем, сколько мутаций возникает?
Потому что были работы, когда брали и читали геном мамы, папы и ребёнка, и таких троек брали много, и смотрели — где там мутации возникли? И ещё оказалось в этом исследовании, что если отец более пожилой, то у его ребёнка будет больше мутаций. А, если мать более пожилая, то это почти не сказывается на количестве мутаций… Почему? Потому что у женщин яйцеклетки уже все сформированные, к определённому возрасту, и они больше не появляются, а у мужчин постоянно происходит сперматогенез и предшественники половых клеток постоянно делятся. И чем вы старше, тем больше делений произошло в ваших клетках, а как мы уже знаем — деление клеток является существенным источником новых мутаций.
Аналогично нельзя избежать, к сожалению, тех мутаций, которые возникают в обычных клетках нашего тела и потенциально могут приводить к онкологическим заболеваниям. В принципе большинство мутаций, которые происходят в обычных клетках, ни к чему не приводят. Но из-за того, что клеток очень много (у нас триллионы клеток), какая-то клетка может получить ту нежелательную мутацию, из-за которой она потенциально может стать предшественником раковой клетки, а потом уже и раковой клетки. И у нас есть механизмы, которые защищают клетки от того, чтобы они становились раковыми. Есть специальные гены, кодирующие специальные белки, они их отслеживают: вот накопила клетка повреждения ДНК, если накопила критическое количество, то тогда механизм запускается, который говорит клетке «убей себя». Это называется запрограммированная клеточная смерть или «апоптоз». Поэтому очень многие раковые заболевания у людей связаны с тем, что сначала портится этот механизм клеточного самоубийства, а уже потом начинают накапливаться другие мутации. И запускается эволюционный процесс: те клетки, которые в силу каких-то мутаций более активно размножаются, дают больше потомства, они получают эволюционное преимущество над другими клетками. И дальше у их потомков возникают другие мутации, а из них отбираются те, которые ещё более активно делятся. Потом в какой-то момент возникают метастазы и это всё может привести в итоге к смерти. Интересно, что в некоторых случаях вот такие клетки, супер-раковые клетки, «мегаприспособленные», учатся преодолевать границы одного тела и могут перескакивать с одного организма на другой. Это инфекционные раки. Их известно не очень много, например вот этот.
У тасманийского дьявола есть рак, который передаётся через укусы. Похожий пример известен и у собак. Называется «венерическая саркома собаки». Этот рак передающийся половым путём. Сразу хочу всех успокоить: у людей инфекционных раков пока не обнаружено. Поэтому можно не переживать. Но в природе такое бывает.
МИФ 4. НЕ БЫВАЕТ ПОЛЕЗНЫХ МУТАЦИЙ
Дальше. Все мутации о которых я говорил, они были в основном какие-то неприятные. Рак, или глаз лишний, глаз недостающий или ещё что-то в этом роде. Но на самом деле — есть достаточно много примеров мутаций, которые достаточно полезные. И начну я с примера неслучайной мутации, которая происходит у каждого из нас, точнее в большом количестве происходит у каждого из нас при формировании иммунной системы.
У нас есть 20000 генов примерно, и соответственно у нас должно было быть 20000 разных белков. А на самом деле у нас только разных антител миллион. Белков, которые связывают самые разные молекулы на поверхности бактерий, вирусов, позволяют нам отличать чужеродные патогены внутри нашего тела, позволяют их связывать и впоследствии их уничтожать. Откуда берётся миллион разных антител? Потому в предшественниках клеток иммунной системы есть запрограммированный механизм такого специального мутагенеза. Он называется – рекомбинация. Это когда некоторые участки ДНК нарезаются, сшиваются вместе, комбинируются, образуются принципиально новые гены. И вот так у разных клеток иммунной системы образуются свои гены, образующие разные антитела. Ну, это такая экзотика, а в реальности, когда мы говорим про мутации, которые происходят у разных организмов и передаются из поколения в поколение, то тоже можно привести некоторые интересные примеры. Ну, нам всем ближе люди, поэтому я буду говорить о полезных мутациях у людей, например есть такой ген, называется FoxO3A.
Этот ген кодирует некоторый белок, который регулирует работу большого количества разных генов в клетке. Так получается, что когда этот белок работает чуть более активно, а это бывает в силу некоторой мутации в этом белке, то у нас запускается работа многих генов, которые помогают клетке избегать самых разных повреждений. Люди, у которых есть определённый вариант этого гена FOXO3A, имеют намного больше шансов стать долгожителями, то есть прожить больше 80-ти лет. Поэтому, если вы обладаете носителем такой мутации, то я вас поздравляю. Второй пример, у наших далёких предков с возрастом возникала проблема с усвоением молока – лактозная нетолерантность. Потом, с развитием животноводства, оказалось, что полезно всё-таки уметь усваивать молоко, и поэтому начали закрепляться мутации, которые позволяют людям во взрослом возрасте усваивать молоко. И сейчас таких мутантов среди нас полно.
А третий пример из Африки. ВИЧ убивает людей, но у некоторых людей есть мутация, которая делает так, что ломается белок, с которым ВИЧ взаимодействует, для того, чтобы проникнуть в клетку иммунной системы. И в этом случае человек не заражается ВИЧ, или имеет сильно ниже вероятность заразиться. Появляются устойчивые к ВИЧ люди, тоже такие мутанты. И четвертый пример, есть такой синдром, называется синдром Жильбера, при котором повышается уровень билирубина в крови. Это может приводить к некоторым нежелательным эффектам, типа нарушение пищеварения, особенно после переутомления. Но оказывается, что людей с таким дефектом почему то реже умирают. И я недавно узнал, что у меня есть такая мутация, и я обрадовался. Вообще то, что мы реже умираем, это, конечно не точно, но есть исследования в пользу этого.
Другой пример принципиально важных мутаций, играющих важную роль в эволюции, это дупликация генов — и я проиллюстрирую их на примере слонов.
Вот слоны они очень большие, соответственно их клетки очень много делились, они ещё очень долго живут. Возникает вопрос: почему они все не превратились в гигантскую раковую опухоль? Клетки-то ведь много делятся. Но оказывается, что у них тот ген, который говорит клетке “убей себя”, если накопились мутации, он удвоен, он присутствует в лишней копии. Это значит, что нужно больше мутаций для того, чтобы вывести из строя программу самоуничтожения клеток. И это снижает риск развития рака и компенсирует большое количество деления клеток у слона.
Вот точно также дуплицироваться могут другие гены. Например, есть какой-нибудь ген, отвечающий за какой-нибудь фермент. Фермент, который проводит какую-то важную химическую реакцию. Если этот ген поломается, то этого фермента у вас не будет и вы будете не жизнеспособны. А теперь представьте себе, что ген дуплицировался, в этом случае одна копия может оставаться неизменной, а другая может подвергаться мутагенезу и эволюционировать. Очень часто за счёт таких дупликаций возникают новые варианты каких-то генов, не с нуля, а на основе чего-то, что было раньше. Это очень важный механизм в эволюции, и мы с коллегами тоже изучали, насколько это играет роль в эволюции генома человека.
И оказалось, что у людей много примеров, когда гены дуплицировались — ну не у нас, а у наших предков — и эти дупликации приводили к тому, что в итоге одна копия не менялась, а другая накапливала большое количество изменений и предположительно меняла свою функцию.
Исправление дефектов в ДНК это тоже в общем-то мутации. Как странно это бы не звучало. И генная инженерия часто занимается именно этим. Не вносит даже новые мутации, а исправляет старое. И самый известный пример — это использование системы CRISPR/Cas9 для того, чтобы редактировать ДНК людей.
Была история, когда китайские учёные генно-модифицировали человеческие эмбрионы, для того чтобы устранить некоторый генетический дефект. Пока что ГМО-людей никто не получил, но в перспективе можно будет какие-то дефекты исправлять. А вот эта технология CRISPR/Cas9 была украдена учёными у бактерий. У бактерий есть система противовирусной защиты, которая очень похожа на компьютерный антивирус. Вот есть вирус, он впрыскивает свой наследственный материал в клетку бактерии, и иногда это приводит к инфекции. Иногда бактериальная клетка погибает, размножает вирусы и так далее.
Но иногда бактерия берёт и кусочек ДНК этого вируса сама встраивает в специальное место своего генома, которое называется CRISPR-кассетой. Это такое пополнение противовирусной базы данных, и вот здесь находятся маленькие фрагменты разных вирусов. С которыми бактерия или её предки сталкивались на протяжении своей эволюционной истории. Затем бактериальная клетка может производить маленькие копии РНК, не ДНК, одноцепочечные копии вот этих вот вирусных фрагментов. А затем с помощью этого специального белка Cas9, с помощью такого полицейского (он такой полицейский, который по отпечаткам пальцев ищет преступников), этот белок берёт такую маленькую затравочку и по ней ищет полноразмерные вирусные частицы. И их разрезает.
И вот как это примерно выглядит в атомно-силовом микроскопе. Вот эта штука жёлтая — это белок Cas9 разрезает ДНК, вот эта ниточка — это ДНК, и сейчас она отрежется и поплывёт. Вы увидели, как это происходит в природе, это не выдумки учёных, которые скрывают что-то. Этот противовирусный иммунитет бактерии можно перенести, например, к растениям или даже к клеткам человека. В случае с растениями — получали растения, устойчивые к некоторым вирусам, потому что у них есть бактериальная система противовирусного иммунитета. Которая им просто меняют эти затравочки, чтобы они распознавали не вирусы бактерий, а вирусы растений. И тоже самое можно сделать (и уже было сделано в пробирке) для ВИЧ. ВИЧ встраивает свой наследственный материал в клетку иммунной системы человека, а мы туда вносим такие «молекулярные ножницы», и это в будущем может стать перспективным подходом в борьбе с этой инфекцией.
К сожалению у нас снова закончились блоки, но не отчаивайтесь, ссылка на вторую часть поста скоро появится здесь, а самые нетерпеливые могут дочитать эту стенограмму в нашем паблике ВК