Вот вам подсказка для еще одной викторины. Какая связь существует между шестипалыми голландцами, которые испытывают затруднения при покупке перчаток, и одной из величайших фигур в американской литературе XX столетия? Ну? Сдаетесь? Видите ли, в 1930-е годы один капитан подарил Хемингуэю котенка. На передних лапах у него оказалось не по 5 пальцев, а по 6. В доме Хемингуэев теперь живет около 40 потомков этого котенка, и примерно у половины из них 6 пальцев на каждой из передних лап. В Сети полно фотографий этих симпатяг3. Выглядят они одновременно и очень мило, и слегка устрашающе. Лишний отросток напоминает большой палец человеческой руки, и из-за него кошки приобретают какой-то неприятно-пронырливый вид.
Та же научная группа, выявившая изменение в энхансерной области генома шестипалых людей, показала: эта же область изменена и у хемингуэевских кошек. Встраивая данный энхансер в геном другого зверька, они подтвердили, что такое изменение сказывается на экспрессии упомянутого морфогена. У подопытного животного наблюдалась сверхэкспрессия морфогена, и на каждой передней лапе формировался лишний палец. Забавно: эффект продемонстрировали, встроив кошачью ДНК в мышиный эмбрион. Оригинальная игра в кошки-мышки4.
Кошки с избыточным количеством пальцев на передних лапах обнаруживались и в других странах, не исключая и Великобритании. У британских кошек-шестипалок наблюдается изменение в том же энхансере, однако это несколько иное изменение. Оно располагается за две пары нуклеотидных оснований от «хемингуэевского» и затрагивает мотив из трех пар нуклеотидных оснований, сохраняющийся практически неизменным в ходе эволюции. Энхансерная область, влияющая на возникновение лишних пальцев на передних/верхних конечностях кошек и людей, имеет в длину примерно 800 пар нуклеотидных оснований, и основная ее часть почти неизменна на всем протяжении эволюционного древа от рыб до человека. Это заставляет предположить, что система контроля развития конечностей — очень древняя.
Морфогены и развитие лица
Морфоген, отвечающий за формирование пальцев, играет важнейшую роль и в других процессах развития. Среди них — формирование структуры лица и передней части мозга. Эффект каких-то нарушений здесь может оказаться сравнительно слабым, приведя всего лишь к возникновению заячьей губы. Однако при более серьезном нарушении экспрессии данного морфогена лицо и мозговые структуры будут складываться совершенно аномальным образом. В наиболее острых случаях младенцы появляются на свет с единственным глазом, который к тому же расположен посреди лба, и в их мозге присутствуют опаснейшие дефекты. Такие дети не выживают.
Весь этот спектр симптомов описывается как проявление болезни, именуемой голопрозэнцефалией5. Показано, что в семьях, где наблюдается этот недуг, мутации подверглись разные гены, кодирующие белки. Многие из этих генов участвуют в процессах регуляции морфогена, который требуется для нормального пальцеобразования. В отдельных случаях мутирует сам ген, кодирующий белок-морфоген. Развивающийся эмбрион вырабатывает лишь половину нормального количества морфогена, поскольку функционирующий белок синтезируется лишь одной хромосомой, а не двумя. Аномалии, наблюдаемые у больных этим недугом, показывают: очень важно, чтобы уровни содержания морфогена достигали определенных пороговых значений в ключевые моменты развития эмбриона.
Не все мутации, вызывающие голопрозэнцефалию, удалось идентифицировать. Специалисты изучили ДНК примерно 500 страдающих этим заболеванием. Они обнаружили неожиданное изменение в одной из областей мусорной ДНК у одного младенца с острой формой этой болезни. Речь идет об изменении единственного основания (с Ц на Т) в области, которую отделяют от упомянутого морфогенного гена более чем 450 тысяч пар нуклеотидных оснований6.
Эта замена Ц на Т произошла в блоке из 10 пар нуклеотидных оснований, который не менялся очень долго, с тех пор, как наши давние предки отделились от предков лягушек более 350 миллионов лет назад. А значит, можно заключить, что этот «мусорный» фрагмент, явно имеет какую-то функцию. В данном энхансере основание Ц связывает белок, служащий транскрипционным фактором[46]. Транскрипционные факторы — белки необычные: они умеют распознавать определенные ДНК-последовательности (обычно в промоторах) и связываться с ними. Связывание транскрипционных факторов с промотором играет важнейшую роль при включении гена. Ключевой транскрипционный фактор для энхансера может соединяться с упомянутым мотивом из 10 пар нуклеотидных оснований, когда ДНК содержит Ц в нужном положении — но не когда в этом положении оказывается основание Т.
Такая замена Ц на Т, происходящая в данном энхансере, не наблюдалась в контрольной группе из 450 здоровых добровольцев. Вполне возможно, что именно это изменение стало причиной проблем у пациента, о котором шла речь выше. Однако важно помнить, что оно наблюдалось лишь один раз среди примерно такого же количества пациентов, страдающих этим заболеванием. Болезнь не коснулась матери ребенка. Как и ожидалось, в обеих хромосомах матери основание Ц занимало свое нормальное положение. Как ни странно, у отца младенца имелась такая же генетическая последовательность в данном энхансере, как и у ребенка. Иными словами, в одной хромосоме на обсуждаемом нами месте находилось основание Ц, а в другой — основание Т. Однако отец ребенка не демонстрировал никаких симптомов голопрозэнцефалии.
Это может показаться сильным доводом против гипотезы о значимости замены Ц на Т, но ситуация не настолько очевидна. У членов семьи, где наблюдается голопрозэнцефалия, часто проявляются немалые различия в симптомах, даже если вызвавшая их мутация затронула сам морфогенный ген. До 30% членов семей, где наблюдается такая мутация, не демонстрируют вообще никаких симптомов данной болезни, а у остальных симптомы могут быть весьма различны в зависимости от конкретного больного. Первая ситуация называется вариабельным проникновением, а вторая — вариабельной экспрессивностью.
К сожалению, это классические примеры того, как биологи идентифицируют явление, дают ему красивое название и перестают о нем думать. Да, ученые описали наблюдаемые явления при помощи тех фраз, которые приведены выше. Только вот пока не очень-то понятно, почему это происходит. В этой удивительной сфере мы пока еще разбираемся слабо. Возможно, существуют другие тонкие геномные вариации, компенсирующие у некоторых людей влияние таких изменений ДНК. Возможно, при таких вариациях активизируются другие энхансеры, тем самым резко усиливая экспрессию морфогена. Возможно, у некоторых людей происходит и своего рода эпигенетическая компенсация, как бы подталкивающая экспрессию ключевых генов в нужном направлении. А возможно, речь идет о комбинации перечисленных факторов — и других, которые мы пока не выявили.
Однако если мы имеем дело с неопределенной ситуацией такого рода (один из родителей и ребенок имеют одно и то же генетическое изменение, но проявляют разные симптомы), жизненно необходимо выстроить дополнительные линии доводов в поддержку любой гипотезы, касающейся влияния такой замены нуклеотидного основания. Исследователи, выявившие замену Ц на Т в энхансере, именно это и проделали. Они проверили эффект замены на мышах. Удалось показать: когда Ц находится в упомянутом положении, соответствующий участок мусорной ДНК действует как энхансер экспрессии морфогена. Но когда на смену Ц приходит Т, эта область больше не действует как энхансер, и содержание данного морфогена в мозгу так и не достигает нужного уровня.
Морфогены и поджелудочная железа
Участие морфогена в формировании лишних пальцев или в развитии всевозможных форм голопрозэнцефалии — не единственный пример, когда причиной какого-то заболевания человека становится изменение в регуляторной области ДНК. Вот, к примеру, панкреатический агенез — болезнь, при которой поджелудочная железа развивается неправильно. У детей, родившихся с этим заболеванием, часто наблюдаются острые формы диабета7. Дело в том, что именно поджелудочная железа вырабатывает инсулин — гормон, позволяющий нашему организму регулировать уровень сахара в крови.
В большинстве семей, где наблюдается панкреатический агенез, отмечается мутация одного определенного транскрипционного фактора[47],8, но у некоторого количества таких семей мутирует другой транскрипционный фактор[48],9. Однако известно много случаев, когда ребенок рождается с необъяснимым панкреатическим агенезом (то есть никого среди его родных это заболевание не коснулось). Как правило, мы считаем, что такие ситуации возникают случайно: может быть, вследствие какого-то нарушения развития, вызванного реакцией организма на воздействие не опознанного нами фактора среды. Но постепенно стало очевидно, что большинство таких ситуаций (казавшихся спорадическими) возникает в семьях, где родители больного ребенка являлись родственниками друг друга (обычно — двоюродным братом и сестрой). Значит, мы имеем дело с близкородственным браком и так называемым генетическим родством. Когда генетическое родство связано с повышенным уровнем заболеваемости наследственными недугами, мы обычно ищем какое-то генетическое изменение, причем такое, при котором обе копии хромосомы несут на себе одну и ту же вариацию. Причины, по которым такие заболевания более распространены у детей, рожденных в близкородственном браке, схематически показаны на рис. 15.1.
Рис. 15.1. Вверху показано, что для носителя редкой генетической мутации сравнительно мала (со статистической точки зрения) вероятность встретить другого носителя такой же мутации среди населения в целом. Однако в собственной семье куда вероятнее повстречать человека, который тоже унаследовал эту мутацию (ситуация проиллюстрирована внизу). Вот почему редкие рецессивные заболевания (такие, при которых каждый из родителей является бессимптомным носителем одного мутантного гена) встречаются чаще, когда родители пациента — близкие родственники (скажем, двоюродные брат и сестра).