Маленькая хромосома и большие неприятности

Предметом многолетних исследований профессора Терри Элтона, директора Института сердца и легких при университете штата Огайо (США), были возможные причины сердечно‑сосудистых заболеваний. Недавно эти исследования увенчались открытием, которое вызвало напряженный интерес коллег‑специалистов. Группа профессора Элтона обнаружила, что в клетках сердца и мозга определенной группы больных имеет место повышенное (по сравнению с клетками здоровых людей) содержание некоего вида молекул, именуемых «малыми РНК». Вследствие этого, как показали дальнейшие исследования, в клетках сердца и мозга этих больных имеет место недопроизводство определенного белка, именуемого «МеСР2». И именно это недопроизводство, по всей видимости, является причиной болезненных изменений.

Как ни странно, это открытие профессора Элтона не относилось к той области медицины, которой он занимался многие десятилетия. Болезненные изменения, о которых идет речь, не проявлялись в виде сердечно‑сосудистых заболеваний. То были изменения анатомии сердца. Что же касается клеток мозга, то там недопроизводство упомянутого белка находило выражение в нарушении когнитивных функций, проще говоря – в резко пониженном IQ, что тоже, понятно, не имеет отношения к сердечно‑сосудистым болезням. Но именно это сочетание болезненных признаков как раз и вызвало интерес специалистов. Дело в том, что изменения анатомии сердца и пониженный IQ – это часть большого набора признаков, который характеризует тяжелое и неизлечимое генетическое заболевание, именуемое «болезнью Дауна».

Конечно, специалисты поняли это намного раньше, чем мы, – уже в тот момент, когда группа Элтона обнаружила, что гены, которые вызывают перепроизводство упомянутых выше «малых РНК» (в свою очередь, вызывающих белковое недопроизводство), лежат на так называемой 21‑й хромосоме. Словосочетание «двадцать первая хромосома» заставляет немедленно насторожиться любого генетика или грамотного врача, потому что они давно уже знают, что как раз нарушения в передаче этой хромосомы от родителей к потомству вызывают болезнь Дауна. Долгое время этого не знали. Синдром Дауна (то есть сочетание главных характерных признаков этой болезни) был впервые описан еще в XIX веке английским врачом Лэнгдоном Дауном. Будучи одним из первых специалистов по детскому слабоумию, этот врач руководил крупнейшим в Лондоне медицинским приютом для таких детей и был, кстати, первым в Англии и настойчивым борцом за гуманное к ним отношение. В 1866 году он опубликовал классический труд «Замечания об этнической классификации слабоумия», в которой, наряду с другими надуманными «этническими идиотиями», выделил также «монголоидный вид»; под этим названием болезнь фигурировала в медицинских справочниках до 1961 года, пока ее не переименовали в болезнь Дауна. Интересно, что сын Л. Дауна – Реджинальд пошел по стопам отца, заведовал тем же приютом и внес свой вклад в изучение «монголоидизма», обнаружив специфическое для «даунов» изменение формы ладони и расположение линий на ней.

Эта особенность не исчерпывает список симптомов болезни. Болезнь Дауна характеризуется целым рядом физических изменений: низкий рост, короткая шея, особая округлость лица, узкий подбородок и плоская переносица, «монголоидная» складка кожи в углу глаз (эпикантус), выступающий изо рта язык (из‑за малых размеров ротовой полости и утолщения корня языка), необычно широкое расстояние между большим и указательным пальцами ноги, пониженный мышечный тонус и т. д. Но конечно, главным и самым тяжелым являются уже упомянутые изменения анатомии сердца и умственная отсталость, которая колеблется в пределах от малой (IQ 35–50) до умеренной (IQ 50–70), а также нарушения функций щитовидной железы. Больные дети спокойны, добродушны, даже веселы, и некоторые из них впоследствии становятся «почти нормальными» людьми, есть даже список «прославленных „даунов“» (в котором, увы, фигурируют только артисты мюзик‑холлов и кино); но, в принципе, они обречены – средний срок жизни таких больных не превышает 40–45 лет, они часто умирают от лейкемии или рака яичек (хотя, что интересно и загадочно, не болеют никакими другими видами рака), а также от раннего Альцгеймера; мужчины‑«дауны», как правило, бесплодны, а женщины если имеют детей, то почти всегда «даунов».

Болезнь Дауна, как уже сказано, вызвана генетическими причинами; это значит, что ребенок меняется уже на этапе зародышевого развития, и опознать это можно еще во время беременности (хотя даже после родов зачастую трудно сразу сказать, какова будет тяжесть болезни). Частота ее появления у детей резко зависит от возраста матери – от 1 к 2300 в двадцать лет до 1 к 100 в сорок лет. Для родителей это, как говорится, тяжелый крест, поэтому матерям, у которых обнаружен зародыш‑«даун», сразу сообщают об этом. Многие матери отказываются при этом от аборта, обрекая себя (и ребенка) на пожизненную трагедию, потому что лечить генетические заболевания медицина пока еще не умеет. Понятно, что любой намек на продвижение в вопросе о таком лечении вызывает большой интерес (и не только среди врачей), что и произошло в случае недавнего открытия профессора Элтона, которое, говоря предельно осторожно, как будто бы указывает на возможность нового терапевтического подхода к болезни Дауна. Однако прежде чем рассказать, в чем состоит этот новый подход, следует объяснить, какое же конкретно генетическое нарушение вызывает эту болезнь.

Напомним для начала, что молекула ДНК, на которой находятся все наши 20–25 тысяч генов, распределена в каждой из наших телесных клеток по 23 парам отрезков, именуемых хромосомами. Ученые дали им номера в зависимости от длины: хромосомы пары номер 1 – самые длинные, в паре 2 они чуть поменьше, и так далее, до 22‑й пары (23‑я пара – это половые хромосомы, и мы сейчас говорить о них не будем). Раньше думали, что самые маленькие хромосомы – в 22‑й паре, но потом выяснилось, что это не так и что 21‑я хромосома короче, однако номер уже был присвоен, увы. Итак, обе хромосомы 21‑й пары – самые маленькие из всех: они содержат всего по 300–400 генов, состоят из 47 миллионов химических звеньев каждая и составляют лишь 1,5 процента общей длины нашей ДНК (то есть всех хромосом). Тем не менее некоторые гены на них очень важны – например, ген АПОЕ, управляющий производством белка, который, как считается сегодня, вызывает (когда спутывается в клубок) болезнь Альцгеймера. Гены представлены в ДНК несколькими копиями, и вот установлено, что чем больше копий этого гена в 21‑й хромосоме, тем раньше возникает у человека болезнь Альцгеймера. В этом месте вы наверняка вспомнили сказанное выше о ранней болезни Альцгеймера у «даунов», и правильно вспомнили: при этой болезни в клетках имеется лишняя копия 21‑й хромосомы. Этот факт обнаружил в 1959 году другой замечательный врач, француз Жером Лежен, который посвятил свою жизнь изучению болезней, вызванных разными хромосомными аномалиями, и поиском их лечения (он, в частности, говорил, что найти лекарство против болезни Дауна будет легче, чем отправить человека на Луну), и папа Иоанн‑Павел II в 1994 году назначил его первым президентом Папской «Академии Жизни», буквально накануне – ирония судьбы – смерти Лежена от рака.

Строго говоря, первой обнаружила лишнюю хромосому в клетках «даунов» молодой врач Марта Гутье, которой почему‑то пришло в голову посчитать число хромосом у больных детей. А Лежен затем выявил, что эта лишняя хромосома – именно 21‑я. Такая аномалия – три 21‑х хромосомы вместо двух – получила название «трисомии 21». Вообще говоря, бывают и другие виды трисомии: иногда зародыш имеет три 13‑е, или три 18‑е, или три 22‑е и т. п. хромосомы (о половых хромосомах мы здесь не говорим), но все такие случаи кончаются либо спонтанным абортом, либо смертью ребенка в первые же дни жизни. Выживают только дети с трисомией 21, но и они живут, как мы уже говорили, в среднем не более 45 лет. Видимо, дело в размерах лишних хромосом. Лишняя 13‑я или 18‑я хромосома слишком сильно нарушает биохимический баланс клеток, и организм гибнет; лишняя 21‑я хромосома тоже его нарушает – вспомним страшный список симптомов болезни Дауна, – но, будучи самой маленькой, видимо, только нарушает, но не разрушает.

Как возникает такая трисомия? По прихоти биологического случая. Зародыш образуется из зародышевой клетки, получившейся при слиянии отцовского сперматозоида и материнской яйцеклетки, в которых каждая хромосома представлена в единичном экземпляре (чтобы при слиянии получилась нормальная телесная клетка, в которой всех хромосом будет, как и нужно, по паре). Но иногда случается, что в одну из этих половых клеток попадает не одна, а две 21‑х хромосомы, и тогда при слиянии с половой клеткой противоположного пола (имеющей, как и положено, только одну 21‑ю хромосому) зародышевая клетка получает три 21‑е хромосомы: так возникает трисомия 21 и, как следствие, болезнь Дауна. В 90 процентах случаев половой клеткой с парой 21‑х хромосом является женская яйцеклетка, на что указывает уже отмеченная выше зависимость вероятности заболевания от возраста матери.

Бывают и другого рода скверные случайности. Например, когда в одной половой клетке одна 21‑я хромосома, а в другой – полторы, вместе 2,5! А то еще бывает, что одна из 21‑х хромосом прибывает к зародышу лишь частично, к тому же сцепившись с хромосомой какого‑то другого порядкового номера. И каждая такая аномалия сопровождается своими генетическими болезнями – например, в последнем варианте, если кусок 21‑й хромосомы сцепляется с хромосомой номер 12, ребенок имеет повышенную вероятность заболеть острой лейкемией. Напротив, если такое сцепление произойдет с хромосомой номер 14, ребенок родится вполне нормальным, не подверженным особым опасностям, но его потомок будет иметь повышенную вероятность оказаться «дауном». Я же сказал – скверные игры.

Самая интересная с точки зрения биологии ситуация возникает, когда нарушение числа хромосом в клетке происходит не в момент слияния двух половых клеток, а несколько позже, уже на начальных стадиях развития зародыша. В этом случае часть телесных клеток получает три или две с половиной 21‑х хромосом, а другая часть – нормальную пару, причем мера аномалии меняется от клетки к клетке. Такой вид трисомии 21 называется «мозаичным» и тоже сопровождается признаками болезни Дауна, хотя самой разной степени тяжести, от минимальной до тяжелой (впрочем, IQ таких детей в среднем на 10–30 пунктов выше IQ детей с трисомией 21 во всех клетках тела). Вот такие неприятные истории, и всё – из‑за загадочных свойств 21‑й хромосомы.

На первый взгляд даже непонятно, о каком лечении может тут идти речь. В клетках ребенка имеется аномальное число 21‑х хромосом – нельзя же влезть в каждую клетку и извлечь или добавить хромосомы до нормы. Но в действительности дело ведь не в самих хромосомах, а в тех белках, которые производятся по программам генов этих хромосом. В случае болезни Дауна – в тех белках, которые производятся по программам генов 21‑й хромосомы. Можно думать – и так думали до последнего времени, – что наличие в «дауновских» клетках трех 21‑х хромосом вместо нормальных двух ведет к перепроизводству соответствующих белков, что и является основной причиной нарушения биохимического баланса. Открытие профессора Элтона подорвало эту догму – и теперь мы можем понять его значение. Элтон показал, что некоторые белки в «дауновских» клетках не перепроизводятся, а, наоборот, недопроизводятся, и именно это недопроизводство (а не перепроизводство, как ранее считалось) является причиной по крайней мере некоторых когнитивных нарушений, характерных для болезни Дауна.

Может показаться, что тут есть логическое противоречие: как же так, хромосом не две, а три, стало быть, генов этих хромосом тоже больше, а белков производится меньше? Объяснение этого кажущегося парадокса состоит в том, что не все гены заведуют производством белков. Некоторые из них управляют производством разных других молекул, тоже необходимых клетке, в том числе тех «малых РНК», о которых мы говорили в начале этой заметки. Это верно и для генов 21‑й хромосомы. И Элтон действительно обнаружил, если вы помните, что в «дауновских» клетках имеет место перепроизводство этих «малых РНК», чего и следовало ожидать при избытке 21‑х хромосом. А то, что в результате перепроизводства «малых РНК» некоторого белка (МеСР2) в тех же клетках становится меньше, объясняется особенностями «малых РНК». Эти маленькие молекулы (вся их длина – 20–22 химических звена) выполняют в клетках несколько различных важных функций, в том числе функции регулировщиков генной активности. Когда программа развития диктует уменьшить эту активность, то есть уменьшить количество белка, соответствующего данному гену, сразу появляется увеличенное количество «малых РНК», которые разрушают те молекулы, что переносят от генов в клетку программы строительства белков, – и количество этих белков тотчас уменьшается. Именно это происходит в клетках «дауна». Так что никакого парадокса тут нет. Напротив – все логично. А поскольку эти белки управляют активностью генов, которые связаны с развитием нервной системы зародыша, то получается, что недопроизводство МеСР2 отражается на когнитивных способностях будущего ребенка.

Как мы теперь понимаем, ключом ко всей этой цепи событий являются «малые РНК». С их перепроизводства все начинается. И это влечет за собой вопрос – нельзя ли повлиять на этот процесс? Оказывается, можно. Элтон ввел мышам, имевшим мышиный аналог болезни Дауна, новый препарат антагомир, который подавляет работу «малых РНК». И уже через семь дней после инъекции уровень нужного белка в мозгу больных мышей повысился до его уровня у мышей здоровых. Эти результаты указывают на принципиальную возможность предотвращать болезнь Дауна, что называется, «в самом зародыше» до того, как в мозгу и теле будущего ребенка произойдут необратимые изменения, – через подавление малых РНК.

Еще более вдохновляющий результат был недавно опубликован профессором Джин Лоуренс и ее коллегами из Медицинской школы университета штата Массачусетс (США). Чтобы понять его, нужно сделать небольшое отступление. Выше мы говорили о трисомиях – тех печальных случаях, когда наличие лишней хромосомы, вызывая производство лишних белков, ведет к тяжелым заболеваниям. Но оказывается, что лишнее количество того или иного белка может производиться и нормальными клетками, имеющими две, а не три одинаковые хромосомы. Именно это может произойти в любом женском организме. Дело в том, что у каждого человека есть две так называемые половые хромосомы, «женская» X и «мужская» Y. Они называются половыми, потому что определяют пол человека: если эта пара у него разная (X и Y) – это мужчина, а если обе хромосомы пары одинаковы (X и X) – женщина. И в последнем случае, поскольку хромосома X очень велика и содержит много генов, наличие у женщины двух таких хромосом может привести к избыточному производству многих белков, что зачастую вредно для организма. Как говорит поговорка, «все, что слишком, то чересчур», и вот в ходе эволюции были отобраны только такие женщины, у прародительницы которых когда‑то случайно возникла защита против этой аномалии. Вот в чем она состоит. Уже на ранних стадиях беременности во всех клетках женского зародыша образуется особая молекула (ученые обозначают ее XIST), которая тотчас обволакивает одну из Х‑хромосом и полностью, на всю дальнейшую жизнь, выключает ее из работы. Тем самым опасность «лишних белков» оказывается исключенной. И вот теперь группа Джин Лоуренс показала, что та же молекула способна обволакивать и выключать из работы не только вторую X у женщин, но и ту лишнюю хромосому, которая в трисомии 21 вызывает болезнь Дауна.

Показано это было так. Исследователи получили в свое распоряжение стволовые клетки человека, страдающего синдромом Дауна. Эти клетки они размножили на подходящей питательной среде, а затем ввели в них некоторое количество специально созданных биологических молекул, так называемых «сконструированных нуклеаз с цинковыми пальцами». Это диковинное название, в свою очередь, требует небольшого отступления, но оно того стоит. Дело в том, что пока мы с вами занимались своими повседневными делами, ученые тоже не теряли времени и за последние годы разработали способы прямого воздействия на отдельные гены (мы вкратце уже упоминали об этом выше). Они нашли в организме молекулы нуклеазы, которые занимаются «починкой» случайных нарушений структуры хромосомы и способны для этого «разрезать» хромосому или, напротив, «сшивать» ее в нужных местах. На следующем этапе молекулярные биологи нашли пути создания нуклеаз искусственным путем. Затем был сделан еще один шаг: ученые научились конструировать нуклеазы по своему усмотрению – так, чтобы они разрезали хромосому в нужном месте и вставляли в это место нужный исследователям ген или убирали ненужный. Тем самым молекулярная биология сегодня подошла вплотную к тому, чтобы «лечить» генетические аномалии, удалять неисправные гены из любого места любой хромосомы и вставлять вместо них такие же, но нормальные гены.

Так вот, до сих пор все занимались «исправлением» одиночных генов. А группа профессора Лоуренс сделала следующий шаг – применила эту методику к «лечению» целой хромосомы – той «третьей лишней», которая вызывает болезнь Дауна. С помощью одного из четырех ныне существующих видов «сконструированных нуклеаз» (а именно – нуклеазы, молекула которой похожа на ножницы с атомом цинка вместо винтика) они ввели в стволовую клетку, содержащую три 21‑х хромосом, ген XIST, причем нуклеаза была сконструирована так, чтобы ввести этот ген прямиком в одну из трех 21‑х хромосом. Операция оказалась удачной: этот ген заработал, то есть по его программе в клетке стали появляться молекулы XIST. Но главное – эти молекулы стали обволакивать лишнюю 21‑ю хромосому и полностью выключать ее из действия. Иными словами, эта операция привела к устранению трисомии 21!

Правда, пока только в пробирке. Но лиха беда начало – уже это лабораторное достижение позволило ученым сравнить дальнейшие судьбы стволовых нервных клеток, получивших «лечение» и не получивших его. Оказалось, что операция устранила два последствия трисомии 21 на клеточном уровне. Не прошедшие операцию клетки размножались медленнее и дифференцировались (то есть приобретали разную специализацию) плохо, тогда как в прошедших операцию клетках эти «дауновские» дефекты были устранены. Такое вот обнадеживающее начало, – а продолжение я предоставляю вашему воображению.

Закончу этот затянувшуюся главу еще одной приятной новостью. Она касается раннего выявления болезни. Средства такого выявления были известны и раньше, они сводятся к анализу материнской крови во время беременности, но прежние методы страдали двумя существенными недостатками. Во‑первых, эта проба крови требовала «вторжения» в женский организм (конкретней – прокалывания околоплодного пузыря), которое часто приводило к выкидышу. Еще существенней было то, что такой анализ давал уверенный ответ только на продвинутой стадии беременности – во втором триместре, примерно на пятнадцатой неделе.

Вы спросите: почему это недостаток и к тому же существенный? Дело в том, что, как я уже говорил, многие родители, даже узнав о болезни ребенка, зачастую отказываются от аборта. Это особенно характерно для стран с распространенной религиозностью. Например, в США 60 процентов женщин при опросе заявили, что, получив позитивный результат «анализа на синдром Дауна» на пятнадцатой неделе, они ни за что не сделают аборт. А вот против аборта в первом триместре беременности категорически возражают всего 30 процентов женщин.

Так вот, в июле 2013 года авторитетный медицинский журнал «New England Journal of Medicine» опубликовал сообщение о том, что разработан совершенно новый метод «анализа на синдром Дауна», свободный сразу от обоих этих недостатков. Во‑первых, он не требует вторжения в околоплодный пузырь. А во‑вторых, дает уверенный ответ уже на девятой (!) неделе беременности, что резко улучшает шансы на безвредный (для женщины) аборт и тем самым может существенно повлиять на решение родителей. Чувствительность нового метода весьма высока: он верно обнаруживает трисомию в 98 процентах случаев и верно различает трисомии 21, 18 и 13 в 99,5 процента случаев. Как пишет журнал, этот метод, по ряду причин, еще требует доработки, но уже сейчас можно думать, что он произведет подлинную революцию в своей области.