Вся правда о мутациях ДНК

Одним из приоритетных направлений научно-технологического развития Российской Федерации в настоящее время является персонализированная медицина. Это подход, включающий методы профилактики, диагностики и лечения заболеваний, основанные на индивидуальном подходе и учете особенностей конкретного пациента — генетических, т.е. заложенных еще до рождения при рекомбинации генетического материала, метаболических, т.е. связанных с обменом веществ, и др. [1]

Индивидуальные генетические различия представляют здесь особенный интерес, поскольку, как стало известно после завершения проекта по расшифровке генома человека и обработки полученных данных учеными всего мира, генетические факторы играют роль в развитии множества заболеваний, значительная часть которых до того считались обусловленными влиянием среды. Среди генетически обусловленных заболеваний — такие, как атеросклероз, ишемическая болезнь сердца [2] и инсульт [3], возрастные нейродегенеративные заболевания и многие другие.

Переход к персонализированной медицине предполагает не только развитие методов диагностики, но и формирование нового подхода к хранению информации о каждом пациенте. Так, чтобы иметь возможность провести анализ генома на наличие врожденных факторов предрасположенности к заболеваниям или других индивидуальных особенностей, необходимо иметь доступ к генетическому материалу пациента. Однако здесь врач может столкнуться со следующей проблемой: генетический материал в течение жизни претерпевает изменения.

Известно, что на протяжении жизни человека возникают тысячи мутаций, то есть закрепленных в геноме изменений структуры ДНК. Повреждения ДНК, т.е. разрывы, замены структурных элементов и т.д., возникают и того чаще, но в клетке в норме существуют системы репарации, т.е. восстановления повреждений, и благодаря их работе большая часть потенциальных мутаций не закрепляется в клетке. Однако и тех, что обходят системы защиты, порой оказывается достаточно, чтобы привести к патологии или нейтральным образом изменить какой-то из признаков организма. Большая часть изменений — нейтральна, только 1% мутаций приносит явный вред, полезные изменения возникают и того реже. Во многом это связано с тем, что значительная часть генома человека находится в неактивном состоянии и не несет работающих генов, а содержит «мусорные» или регуляторные участки, изменения в которых мало на что влияют. Тем не менее, все эти мутации приводят к тому, что геном человека к концу жизни уже значительно отличается от того, который существовал при рождении. Кроме того, все еще существуют участки генома, функции которых до конца не изучены, поэтому нельзя однозначно сказать, не повлияют ли возникшие в них изменения на дальнейшую жизнь организма и его потомства.

Скорость возникновения и накопления мутаций различается в разных тканях и органах. К примеру, в одной нервной клетке мозга (нейроне) у человека возникает одна мутация раз в две недели. Таким образом, к восьмидесяти годам среднестатистический нейрон несет в себе около 2400 мутаций [4].

В клетках половой системы мутационный процесс идет не столь интенсивно, т.к. организм должен передать наследственный материал как можно более точно. Тем не менее, и здесь в процесс воспроизводства закрадываются ошибки: так, известно, что новорожденный ребенок получает около 70 мутаций, которых не было у родителей, причем 80% приходят от отца, и 20% от матери. Посчитано, что каждый год жизни отца прибавляет его возможным детям в среднем 1,5 мутации. Для матери этот коэффициент составляет 0,37 [5, 6]. Это связано с тем, что яйцеклетки формируются в эмбриональный период, а сперматозоиды — в течение всей жизни, поэтому последние более подвержены действию вредных факторов.

Установлено, что мутагенез начинается еще во внутриутробном развитии, и с течением жизни постепенно усиливается, т.к. накапливаются повреждения в системах репарации клетки, а также в механизмах апоптоза, т.е. «выбраковки» необратимо поврежденных клеток.

На ранних этапах эмбрионального развития на одну новую клетку приходится в среднем 1,3 мутации, во взрослом же состоянии — до 5,1 [4].

Причинами мутаций могут являться как нарушения процесса копирования ДНК в клетках, так и действие внешних факторов — так называемых мутагенов. К ним относятся электромагнитные излучения самых разных частот, в частности, ультрафиолет и радиация, множество химических соединений, токсины природного происхождения, а также вирусы, в ходе заражения нарушающие целостность генома. Полностью защитить человека от них не представляется возможным, т.к. тогда его пришлось бы содержать в искусственной стерильной среде, без солнечного света, содержащего ультрафиолет и т.д. Следовательно, в концепциях персонализированной медицины следует учитывать тот факт, что геном пациента не является константой. В свете этого представляется разумным отбирать образцы ДНК для хранения и последующего анализа в начале жизни, т.е. при рождении младенца, а в течение жизни дополнять эти данные путем скрининга наиболее проблемных участков.

Есть несколько направлений современных медико-генетических исследований, которые в ближайшем будущем могут составить основу геномного подхода в персонализированной медицине.

Это, во-первых, собственно генетический скрининг, то есть изучение последовательности ДНК с целью выявления вредных мутаций, предрасположенности к заболеваниям или риска возникновения наследственных заболеваний у потомства. Полногеномное секвенирование, т.е. установление последовательности ДНК всего генома человека, с каждым годом становится все более доступной и распространенной технологией.

В Исландии материал для подобного исследования уже сдали около 100 000 человек, что составляет треть населения страны [7].

Во-вторых, это возможность выращивания in vivo, т.е. «в пробирке», донорских органов, подходящих для трансплантации данному конкретному пациенту, а также технологии генотерапии. Концепция генотерапии предполагает внесение изменений в генетический аппарат клеток для исправления имеющихся врожденных дефектов. Показана ее эффективность при лечении заболеваний крови, остеопороза, атеросклероза и др. [8]

В-третьих, это уже активно использующиеся сейчас технологии ЭКО (экстракорпорального оплодотворения), а также технологии репродуктивного клонирования, для которых пока не существуют регулирующей законодательной базы, но они вполне могут получить распространение в дальнейшем.

Все эти направления предъявляют высокие требования к качеству используемого генетического материала. Особенно это касается репродуктивных технологий, т.к., как уже было сказано выше, даже в клетках половой системы с возрастом накапливаются мутации. Очевидно, что чем раньше будет отобран материал, тем ближе он будет к первоначальному состоянию.

1. Ginsburg, G. S., & Willard, H. F. (2009). Genomic and personalized medicine: foundations and applications. Translational research, 154(6), 277-287.

2. Мешков А.Н., Стамбольский Д.В., Никитина А.А.и др. Генетические факторы риска развития ишемической болезни сердца у пациентов с семейной гиперхолестеринемией.-Кардиология.-2005.-N7.-С.10-14.

3. Кузнецова Т. Ю., Фирсов А. А. Роль генетической предрасположенности в инсульте //Медицинский альманах. – 2013. – №. 1 (25).

4. Lodato M. A. et al. Aging and neurodegeneration are associated with increased mutations in single human neurons //Science. – 2018. – Т. 359. – №. 6375. – С. 555-559.

5. Марков А. Число мутаций у детей зависит от возраста обоих родителей / https://elementy.ru/novosti_nauki/433114/Chislo_mutatsiy_u_detey_zavisit_ot_vozrasta_oboikh_roditeley

6. Jónsson H. et al. Parental influence on human germline de novo mutations in 1,548 trios from Iceland //Nature. – 2017. – Т. 549. – №. 7673. – С. 519.

7. Palmer K. M. Why Iceland is the world's greatest genetic laboratory/https://www.wired.com/2015/03/iceland-worlds-greatest-genetic-laboratory/

8. Verma I. M. et al. Gene therapy: promises, problems and prospects //Genes and Resistance to Disease. – Springer, Berlin, Heidelberg, 2000. – С. 147-157.

Эпигенетика для вас

Установленным является факт того, что в течение жизни меняется не только генетический материал человека, но и его эпигенетическая составляющая, а именно картина метилирования, от которой зависит, какие гены находятся в активном состоянии, а какие «выключены». Исследования показывают, что в течение 11 лет жизни у человека паттерн метилирования изменяется на 5-20 % (см. в частности, [1]). С определенной картиной метилирования связывают вероятность развития рака [2]; кроме того, метилирование довольно точно коррелирует с биологическим возрастом и процессом старения [3].

Технологии изучения метилирования, такие, как, например, бисульфитное секвенирование, со временем дешевеют, и можно ожидать, что число исследований, связывающих паттерны метилирования с разными заболеваниями, в ближайшее время будет только расти. Вполне вероятно, что в медицине будущего метилирование будет использоваться как значимый маркер [7]. Возможность оценить эпигенетические изменения, накопленные в течение жизни, и сравнить их с «исходным материалом», может оказаться крайне важной.

Изучение эпигенетических паттернов, то есть картины активности генов, уже сейчас применяется, в частности, в онкологии — на основании этих данных выбирается оптимальная стратегия химиотерапии. Аутоиммунные заболевания, которые в своих клинических проявлениях иногда сложно отличить от инфекционных, также диагностируют с помощью эпигенетических исследований [5]. Однако чтобы определить, связано ли некое заболевание или состояние с мутациями либо с эпигенетическими изменениями, нужно иметь точку отсчета, относительно которой будут оцениваться изменения. У нынешних взрослых пациентов такой возможности нет, поскольку на момент их рождения не существовало ни широко доступных технологий для изучения генома и эпигенома, ни концепций, предполагающих подобные анализы. Тем не менее, сейчас, когда направление развития биомедицины в сторону молекулярной генетики и эпигенетики достаточно очевидно, мы можем создать такую возможность для будущих пациентов.

Наличие «эталонного образца» ДНК позволит в будущем:
1.

Определить, связано ли данное конкретное заболевание или состояние с мутацией или с эпигенетической модификацией путем сравнения свежего образца с эталонным, а также отличить (провести дифференциальную диагностику) заболевания, связанные с иными факторами.

2.

В любой момент, используя данный образец, определить, имеются ли у пациента генетические формы предрасположенности к определенным заболеваниям. Во-первых, наличие базы данных образцов позволит сделать данный анализ без повторного забора крови; во-вторых, использование именно эталонного образца снижает вероятность ложноположительного результата за счет единичных мутировавших клеток, по сравнению с образцом, взятым у взрослого (т.н. мозаицизм, то есть, случаи, когда популяция клеток состоит частично из мутировавших, частично из немутировавших клеток [6]).

3.

Оценить влияние среды на организм пациента: т.к. эпигенетическая картина работы генов отражает, в том числе, и влияние факторов на пациента, врач будущего сможет, сравнивая изменения, произошедшие в эпигеноме, выдать рекомендации по изменению образа жизни, диетам, применению определенных препаратов и добавок.

4.

Разработать персонализированную ДНК-вакцину для генной терапии конкретного заболевания.

В заключении хотелось бы еще отметить следующий момент. Именно технология хранения при комнатной температуре кажется выгодной с точки зрения эпигенетических исследований, потому что существуют данные о том, что длительное (несколько лет) хранение при -20°С приводит к нарушению картины метилирования [7].

1. Bjornsson H. T. et al. Intra-individual change over time in DNA methylation with familial clustering // Journal of the American Medical Association – 2008. – Т. 299. – №. 24. – С. 2877-2883.

2. Feinberg A. P., Tycko B. The history of cancer epigenetics //Nature Reviews Cancer. – 2004. – Т. 4. – №. 2. – С. 143-153.

3. Gregory Hannum, Justin Guinney, Ling Zhao, Li Zhang, Guy Hughes. Genome-wide Methylation Profiles Reveal Quantitative Views of Human Aging Rates // Molecular Cell. —2012. – Т. 49, вып. 2. — С. 359—367.

4. Bibb K., Arya R., Saldanha S. N. Future Challenges and Prospects for the Role of Epigenetic Mechanisms in Cancer Management //Epigenetic Mechanisms in Cancer. – Academic Press, 2018. – С. 345-372.

5. https://www.bbc.com/russian/features-48673648

6. Frank S. A. Somatic evolutionary genomics: mutations during development cause highly variable genetic mosaicism with risk of cancer and neurodegeneration //Proceedings of the National Academy of Sciences. – 2010. – Т. 107. – №. suppl 1. – С. 1725-1730.

7. Schröder C., Steimer W. gDNA extraction yield and methylation status of blood samples are affected by long-term storage conditions //PloS one. – 2018. – Т. 13. – №. 2. – С. e0192414.