Порой возникают мутации, которые действительно можно назвать суперспособностями. К ним можно отнести и некоторые изменения в последовательности генома у человека.
С мутацией в гене SCN9A ты не будешь чувствовать боли (почти или совсем). Минус такой способности в том, что боль на самом деле полезна. Она сигнализирует о неполадках в организме. Ощущать ее очень важно, особенно если мы болеем всерьез.
Мутация в гене LRP5 может привести к тому, что твои кости станут суперпрочными. «Тяжелая кость» – на самом деле не просто красивая метафора, но и реальность для тех, у кого структура костной ткани более плотная. Правда, тут есть и недостаток – низкая плавучесть: в воде плотные кости тянут вниз.
Мутация в гене CCR5 защитит от заражения одним из самых опасных вирусов нашего времени – ВИЧ (вирус иммунодефицита человека).
Изменения в гене BDKRB2 помогут тебе глубоко нырять в море, и делать это будет куда проще, чем другим.
Есть уникальные мутации, которые сделали виды знаменитыми! Давайте познакомимся с некоторыми из них.
Аксолотль – личиночная стадия небольшого земноводного амбистомы. Без преувеличения удивительное существо! Мало того что умеет размножаться еще личинкой, но и отращивает утраченные конечности. Когда геном аксолотля расшифровали, он оказался в десять раз длиннее человеческого! А за суперспособность к регенерации по большей части отвечают белки семейства рецептора урокиназы и малые некодирующие РНК. Это не те РНК, про которые мы говорили, а другие. Они выполняют регуляторную функцию, а не переносят информацию от ДНК к рибосомам – как это делает матричная РНК.
Тихоходки – микроскопические и удивительно стойкие животные. Чего только ученые с ними не делали! Замораживали, лишали кислорода, облучали радиацией, даже на Луну запустили. Правда, при посадке корабль разбился, и что теперь с пассажирами-тихоходками – загадка. Возможно, преспокойно живут себе на лунной поверхности… Но вернемся к тем, что остались на Земле. Ученые решили расшифровать геном тихоходки и нашли белки, которые защищают клетки организма от последствий излучения и позволяют стойко переносить разного рода испытания.
Есть такое земноводное – сибирский углозуб. Звучит невероятно, но он способен выживать после заморозки (где-то до –55 ℃) и разморозки. Есть даже история об углозубе, которого нашли в вечной мерзлоте, а когда разморозили – он вновь активно бегал и жил! Ему было примерно 90 лет. Такое необычное свойство возникло благодаря криопротекторам. Это вещества, которые оберегают клетки от разрушительного воздействия холода. У углозуба такую роль играет глицерин, который вырабатывается из гликогена в печени. И, конечно, это стало возможным из-за мутаций в геноме.
Вот с такими чудны́ми объектами работают ученые! Рутинный процесс в лаборатории может стать по-настоящему фантастическим, стоит только обнаружить что-то необычное.
Фантастическая работа генетиков
В генетической лаборатории должно быть очень чисто. Просто подмести пол и протереть столы недостаточно. Для работы с ДНК, и особенно с РНК, нужна полная стерильность. Поэтому помещения просвечивают специальными ультрафиолетовыми лампами, а все поверхности обрабатывают спиртом. Специалисты, изучающие ДНК, при входе в лабораторию или специальную комнату обязательно надевают сменную одежду и обувь и ни в коем случае не работают без перчаток.
Поскольку ДНК – молекулы, то при выделении из клетки они ломаются на части. Когда ученый приступает к работе с ДНК, ему в руки попадает не молекула целиком, а ее кусочки. Такие фрагменты ДНК маленькие и легкие. Как и всякие микроскопические частицы, они могут незаметно перемещаться вместе с воздухом, даже если кто-то просто пройдет мимо. Одно легкое дуновение – и ДНК отправится в путешествие по лаборатории, а потом осядет незваной гостьей в пробирке при совершенно другом эксперименте. Отследить ее перемещения практически невозможно. Это может привести к тому, что ученый продолжит работу с ДНК уже не обезьяны, а, например, свиньи. Его эксперимент будет провален.
Такое происходит постоянно – даже с нобелевскими лауреатами. Сванте Паабо, получивший премию Нобеля за новый подход к выделению древней ДНК, признался, что результаты его ранних исследований были ошибочны. ДНК, которую его команда тогда изучала, принадлежала не древним людям, а самим сотрудникам лаборатории. К счастью, они успели это обнаружить и в дальнейшем исключить возможность такого загрязнения. Хорошо, что во всех лабораториях, где работают с ДНК человека, действует строгое правило: ДНК всех сотрудников должна быть известна. Это позволяет избежать загрязнений, чтобы эксперимент не закончился неудачей.
У любого лабораторного прибора есть допустимая погрешность. То есть оборудование, даже самое точное, может ошибаться. Совсем чуточку, но об этом надо помнить. Не исключение и секвенатор – прибор, который позволяет прочитать один или несколько генов, или фрагмент ДНК, или геном целиком. Когда секвенатор определяет нуклеотидную последовательность, исследователь не всегда видит набор известных букв, например TCAGGACT (А – аденин, G – гуанин, Т – тимин, С – цитозин). Некоторые нуклеотиды не определяются, и тогда их обозначают буквой N. Например, последовательность выглядит так: TNNGNACN. Непрочитанные фрагменты восстанавливают разными способами. Этим занимается целая область биоинформатики. Заветная мечта ученых-генетиков – увидеть в полученных после секвенирования файлах с последовательностями как можно меньше букв N. Или чтобы биоинформатики помогли получить максимально точные данные.
О проекте «Геном человека», в ходе которого ученые определяли последовательность генома человека, мы рассказывали в разделе «Открытие ДНК: оказывается, дело не в белках».
Ученые берут нуклеиновые кислоты (ДНК или РНК) для анализа у совершенно разных организмов: вирусов, бактерий, ящериц, лягушек, скатов, китов, мышей и, конечно, человека. Сегодня специалисты пытаются исследовать даже ДНК динозавров.
После того, как у объекта исследования – допустим, человека – взяли кровь из вены, пробирку с ней в специальном холодильнике отправляют в лабораторию. Там извлекают ДНК – чаще всего из лейкоцитов, иммунных клеток. Материалом для анализа может быть и буккальный эпителий – тогда берут мазок с внутренней стороны щеки. В некоторых случаях, например при операции, отщипывают кусочек ткани или фрагмент органа.
Почему для работы с ДНК часто используется именно кровь? Это удобнее всего. Помимо генетического анализа, можно провести биохимический: узнать уровень гемоглобина, лейкоцитов, определить другие общие показатели. Напомним, что ДНК содержится во всех клетках нашего тела. Исключение – эритроциты. Им нужно больше места, чтобы переносить кислород или углекислый газ, вот они и пожертвовали ядром с ДНК.
Ученые и врачи могут выявить генетическую болезнь при помощи нескольких методов. Начнем с самого распространенного – ПЦР-теста. ПЦР – это сокращение от сложного названия «полимеразная цепная реакция». Она позволяет найти в ДНК человека проблемный фрагмент – например, ген, из-за мутации в котором развивается болезнь. Для этого у человека берут образец ткани и выделяют из него ДНК. Это несложно: можно взять образец слюны, крови или, например, потереть ватной палочкой слизистую рта, и на ней останутся клетки. После к ДНК человека добавляются специально подготовленные (искусственно созданные) фрагменты ДНК с мутацией. Если они найдут идентичный, то есть комплементарный, фрагмент, то прикрепятся к нему. А потом этот кусочек с мутацией будет копироваться столько раз, сколько понадобится, чтобы прибор «увидел» его и показал ученому, что болезнь обнаружена. Есть много разных вариантов ПЦР, у каждого свои плюсы и минусы.
Секвенирование позволяет узнать последовательность выделенной ДНК и разгадать тайны, которые она скрывает. Для этого используют специальные приборы – те самые секвенаторы. Как и ПЦР, секвенирование бывает разным: можно прочитать весь геном или только небольшую его часть. ДНК очень длинная, поэтому ее можно поделить на фрагменты, чтобы секвенатор расшифровывал их по отдельности. Когда все будет готово, за дело возьмутся ученые-биоинформатики. Их задача – собрать фрагменты вместе и проанализировать данные.
Есть еще один популярный метод – использование биочипа. На его поверхности множество ячеек, в каждой – разные молекулы, которые помогают найти определенную мутацию. Если в ДНК человека есть мутантный ген, то эти молекулы свяжутся с ним. Прибор покажет, что реакция прошла, а значит, у человека есть такое изменение ДНК.
Эти и другие методы помогают «поймать» мутации, приводящие к болезням у людей. До развития генетических технологий поиск причин мог занимать несколько лет. Теперь же только самые редкие генетические заболевания остаются сложной загадкой для ученых. Обнаруживать более распространенные патологии стало гораздо проще.
Когда врачи знают, чем болен их пациент, они могут подобрать для него подходящее лекарство. Следующим этапом развития генетики в медицине стала разработка специальных лекарств на основе технологии CRISPR (произносится «криспр»), которые действуют на ДНК, то есть на саму мутацию, и пытаются исправить ее на «здоровый» вариант. Но пока создание таких препаратов обходится очень дорого, и пациенты практически не могут их получить. Давайте верить, что в ближайшем будущем получится сделать доступными такие препараты, спасающие от многих генетических заболеваний.