Аутоиммунная погрешность генетического кода
Вероятность аутоиммунных болезней зависит от одной генетической буквы в гене иммунного рецептора.
Одни и те же гены у разных людей могут отличаться. Чтобы понять, что о чем тут речь, нужно вспомнить, что ген – это кусок ДНК, а ДНК – это двуцепочечная полимерная молекула, составленная из множества строительных блоков под названием нуклеотиды.
Каждый нуклеотид представляет собой азотистое основание, соединенное с молекулой сахара и остатком фосфорной кислоты. Сахар и фосфорная кислота нас сейчас не интересуют, а вот азотистые основания – очень даже да, ведь именно они и есть те самые «буквы» генетического кода, числом четыре: аденин (А), тимин (Т), цитозин (Ц), гуанин (Г). Чередование этих «букв» позволяет закодировать информацию о любых белковых молекулах, о каких-то служебных регуляторных молекулах РНК; определенные последовательности А, Т, Г и С позволяют управлять активностью генов и т. д.
Нуклеотиды могут взаимодействовать друг с другом, но при том предпочитают строго определенных партнеров: так, аденин очень хорошо взаимодействует с тимином, а гуанин – с цитозином. И если мы посмотрим на двойную спираль ДНК, то увидим, что обе ее цепочки связаны друг с другом именно межнуклеотидными связями, так что напротив А в одной цепочке стоит Т, а напротив Г – Ц; то есть нуклеотиды и цепи ДНК соединены по принципу комплементарности (не путать с комплиментарностью).
Можно было бы ожидать, что ген какого-то белка у всех людей будет с одинаковой последовательностью нуклеотидов, и если у одного человека, скажем, стопятидесятый нуклеотид этого гена будет А, то и у всех остальных людей там тоже будет А. Однако все на самом деле не так – гены отличаются по одному или нескольким нуклеотидам, и, например, у 70% людей стопятидесятый нуклеотид какого-нибудь гена будет А, а у 30% здесь будет стоять Г (с учетом комплементарности цепей ДНК, напротив Г в другой цепи той же самой молекулы ДНК будет стоять Ц).
Такие вариации по нуклеотидам называются однонуклеотидным полиморфизмом (SNP – single nucleotide polymorphism), и они есть не только в тех участках ДНК, которые кодирую белки, но вообще везде: в регуляторных последовательностях, в межгенных участках, которые как будто ни для чего не нужны и т. д. Появляются нуклеотидные замены по разным причинам, которые мы сейчас обсуждать не будем – нам важно то, что они есть, и сохраняются в человеческой популяции достаточно долго. Влияют ли они на работу генов? Бывает, что нет – нуклеотид-то поменялся, но, например, на функции белка это никак не отразилось. Но бывает и наоборот, когда замена генетической буквы ощутимо сказывается на жизни клетки и всего организма.
Сейчас у нас на руках есть огромное количество генетической информации о людях по всему миру: методы сиквенса (чтения) ДНК постоянно совершенствуются, становятся дешевле и проще, так что молекулярно-генетический анализ становится чуть ли не рутинной клинической процедурой. Сравнивая геномы в поисках однонуклеотидных вариантов, можно понять, какие из них коррелируют с частотой той или иной болезни.
Исследователи из Института молекулярной биологии им. В. А. Энгельгардта, Института общей генетики им. Н. И. Вавилова и МФТИ занимались «буквенными» заменами, которые встречаются в одном из иммунных генов, который кодирует рецептор интерлейкина-2 (IL2R). По названию понятно, что задача рецептора – взаимодействовать с сигнальным иммунным белком интерлейкином-2. Оба они, рецептор и сам интерлейкин, регулируют активность иммунных клеток, и если сигнал от рецептора будет слишком интенсивный – например, из-за того, что клетка насинтезирует себе слишком много рецепторных молекул – то возрастает риск аутоиммунных расстройств: переактивированные иммунных клетки начинают атаковать «своих».
Логично было бы предположить, что некоторые нуклеотидные вариации в гене рецептора IL2R могут быть связаны с аутоиммунными заболеваниями. Необходимо подчеркнуть, что речь идет не только о нуклеотидных заменах в том куске ДНК, в котором непосредственно записана информация о рецепторном белке, но и о тех заменах, которые попадают в близлежащие регуляторные области. Такие регуляторные фрагменты ДНК влияют на активность гена – иными словами, от них сильно зависит, сколько молекул белка будет в итоге собрано.
Марина Афанасьева и ее коллеги отобрали шесть нуклеотидных вариантов, которые относятся к гену IL2R и с которыми связывают такие аутоиммунные заболевания, как рассеянный склероз, ревматоидный артрит, болезнь Крона, язвенный колит и т. д. Из всех вариантов нуклеотидного полиморфизма исследователи в конце концов остановились на одном: в одной из позиций в ДНК рядом с геном у разных людей встречались две разные «буквы» – либо А, либо Г.
У большинства здесь стоит Г, но у некоторых здесь стоит А, и, по статистике, люди с Г реже болеют аутоиммунными болезнями. Мы говорили, что такие расстройства могут возникать из-за повышенной активности гена IL2R – рецептора становится слишком много, и иммунные клетки становятся слишком активными. Тот участок ДНК, где встречались варианты А/Г, регулировал транскрипцию самого гена. Транскрипция – это синтез на гене РНК-копии, на которой потом специальные молекулярные машины будут собирать уже собственно белковую молекулу. Если транскрипция идет очень активно, то и РНК получается много, и, следовательно, в клетке окажется много белка (на самом деле, есть и другие механизмы регуляции, из-за которых РНК может быть много, а белка – мало, но про них мы сейчас говорить не будем).
Синтез РНК выполняют специальные ферменты, у которых есть свои белки-регуляторы. Некоторые белки-регуляторы, сев на ДНК, притягивают за собой РНК-синтезирующие ферменты. Чем активней и прочнее регуляторы усаживаются на ДНК, тем больше получится молекул РНК. Но взаимодействие белков-регуляторов с ДНК зависит от определенных последовательностей в самой ДНК: некоторые из этих последовательностей больше нравятся белкам, некоторые – меньше. Иными словами, все зависит от молекулярного «взаимопонимания» между регуляторной последовательностью нуклеотидов в ДНК и белками-регуляторами транскрипции.
В случае гена IL2R тот вариант регуляторной ДНК-последовательности, в котором есть буква А, меньше «нравится» белкам-регуляторам, чем более обычный вариант с буквой Г. Белки-регуляторы транскрипции с большей охотой работают с Г-последовательностью, и, соответственно, в таком случае получается больше иммунного рецепторного белка – и, как следствие, вероятность аутоиммунных болезней становится повыше.
Выводы, сделанные на основе биоинформатического анализа нуклеотидных последовательностей и сродства к ним белков-регуляторов, удалось подтвердить в экспериментах с клеточными культурами: в клетках, которых снабжали Г-версией регуляторной нуклеотидной последовательности, действительно получалось больше рецепторного белка, чем у клеток с А-последовательностью.
В целом результаты исследования, опубликованного в PLoS ONE, наглядно демонстрируют важность тщательного генетического анализа для прогнозирования тех или иных медицинских неприятностей. Нельзя утверждать, что одна-единственная генетическая «буква» может вызвать аутоиммунное расстройство (хотя есть примеры болезней, которые как раз и возникают из-за единичных «буквенных» замен в геноме) – однако фактор «буквы» стоит учитывать среди прочих, если мы хотим достоверно предсказать вероятность той или иной болезни.
