LF

генетика


Наследуемость успехов в учебе определяется не только интеллектом


Международная группа генетиков и психологов на выборке из более чем 6000 пар близнецов выяснила, какие факторы определяют высокую наследуемость результатов экзаменов, сдаваемых английскими учениками после окончания средней школы. Оказалось, что в наследуемость результатов экзаменов вносит вклад не только общий интеллект, но и многие другие признаки, формирование которых также существенно зависит от генов. Это означает, что врожденные особенности более важны для достижения успехов в учебе, чем принято считать. Значительное влияние генетических факторов на успехи в учебе указывает на важную роль развития индивидуальных программ обучения, учитывающих врожденные особенности детей.

Оценки, которые молодые люди получают в средней и старшей школе, важны для их будущего и во многих государствах определяют возможности для выбора высшего учебного заведения, что может существенно повлиять и на дальнейшую их судьбу. Так от каких же личных качеств и от каких условий среды зависят успехи школьника в учебе?

Классический способ отдельно изучить влияние генетических факторов и факторов внешней среды — это исследование большого числа пар близнецов. Как известно, близнецы могут быть однояйцевыми (развившимися из одной оплодотворенной яйцеклетки) или двуяйцевыми (происходящими из двух разных яйцеклеток). Однояйцевые близнецы обладают одним и тем же наследственным материалом, то есть генетически идентичны. Двуяйцевые близнецы имеют около половины одинаковых генов — то есть генетически сходны не более, чем родившиеся в разное время братья и сестры. Если близнецы растут в одной семье, то можно считать, что условия среды для них одинаковы, но у однояйцевых близнецов при этом одинаковы еще и гены, а у двуяйцевых близнецов половина генов различается.

Если по какому-то признаку однояйцевые близнецы сходны между собой значительно больше, чем двуяйцевые, можно говорить о значении наследственных различий в формировании этого признака. На основании изменчивости по данному признаку у однояйцевых и двуяйцевых близнецов можно рассчитать степень наследуемости такого свойства (см. также Heritability). К примеру, наследуемость роста составляет 76%, а наследуемость цвета глаз — почти 100%. Таким образом, цвет глаз зависит почти исключительно от генов, а вот на рост влияют также и факторы внешней среды (хотя их влияние в этом случае слабее, чем влияние генов). Подробнее об исследовании наследуемости близнецовым методом (см. Twin study) можно прочитать в заметках Александра Маркова Доверчивость и благодарность — наследственные признаки («Элементы», 07.03.2008) и При выборе спутника жизни от генов зависит, чего мы хотим, но не что получаем («Элементы», 03.02.2012).

Ранее при исследовании индивидуальной изменчивости результатов экзаменов GCSE (General Certificate of Secondary Education), которые сдают английские дети после окончания средней школы, было выявлено, что наследуемость этих результатов удивительно высока — она составляет 62% (см. C. M. Haworth, O. S. Davis and R. Plomin, 2013. Twins Early Development Study (TEDS): a genetically sensitive investigation of cognitive and behavioral development from childhood to young adulthood). На днях в журнале PNAS была опубликована статья, в которой анализировались причины такой высокой наследуемости оценок.

По результатам масштабного анкетирования, в котором приняли участие 6653 пары близнецов (2362 пары однояйцевых близнецов, 2155 пар двуяйцевых одного пола и 2136 пар двуяйцевых разного пола), а также их родители, была получена большая база данных, включающая значения 83 параметров для каждого из детей. Параметры были поделены на 9 категорий, таких как общий интеллект (в эту группу входили тест Равена и тест на словарный запас), самоэффективность (интерес к изучаемым предметам, удовольствие от процесса учебы, самооценка, отношение к основным предметам; см. Self-efficacy), личные качества (экстраверсия, доброжелательность, сила воли), самочувствие (в психологическом смысле — счастье, удовлетворенность жизнью), проблемы с поведением (по версии детей и по версии родителей), здоровье, условия в школе и условия дома по оценке ребенка. Авторы статьи посчитали наследуемости различных параметров, их корреляции между собой (то, насколько один признак зависит от других), а также вклады параметров в наследуемость оценок за экзамены — как по отдельности, так и в сумме.

Сравнение значений этих параметров для пар однояйцевых и двуяйцевых близнецов показало, что наследуемость оценок за экзамены выше, чем наследуемость общего интеллекта, и, соответственно, определяется не только им. Оказалось, что другие исследованные параметры в совокупности вносят примерно такой же вклад в наследуемость оценок за экзамен, как и общий интеллект. Из девяти исследованных групп параметров лишь две — удовлетворенность условиями дома и здоровье ученика — не вносили вклад в наследуемость оценок (рис. 2).

Рис. 2. Вклад параметров 9 групп в наследуемость результатов экзаменов GCSE
Наследуемость успехов в учебе определяется не только интеллектом
Рис. 2. Вклад параметров 9 групп в наследуемость результатов экзаменов GCSE. Вклад параметров каждой группы отмечен на соответствующем столбике красным. Видно, что только удовлетворенность средой дома и здоровье ученика не вносят ощутимого вклада в наследуемость оценок за экзамен GCSE. График из обсуждаемой статьи в PNAS

Остальные факторы, как оказалось, коррелируют друг с другом и в значительной степени зависят от генов, из-за чего существенно зависят от генов и оценки школьников за экзамен GCSE (рис. 3). Таким образом, наследуемость результатов экзаменов связана не только с тем, что общий интеллект существенно зависит от генов, но также и с целой сложной системой признаков, которая тоже формируется в значительной степени под воздействием генов.

Рис. 3. Влияние 9 групп факторов на результаты экзаменов GCSE
Наследуемость успехов в учебе определяется не только интеллектом
Рис. 3. Влияние 9 групп факторов на результаты экзаменов GCSE. Длина планки отображает корреляцию параметров соответствующей группы и оценок (например, параметры из группы «здоровье» в меньшей степени коррелируют с оценками за экзамен, чем параметры из группы «самоэффективность»). Красный цвет означает вклад генетических факторов, голубой — влияние общей для близнецов среды, темно-синий — влияние факторов среды, отличающихся для близнецов. График из обсуждаемой статьи в PNAS

Нужно отметить, что экзамены GCSE сдаются школьниками в конце двухгодичного курса обучения, и оценка зависит не только от итогового теста, но и от результатов выполнения заданий в ходе всего курса, в том числе — и от самостоятельного исследования, которое может выполняться индивидуально или в группе. Таким образом, можно говорить о высокой наследуемости не просто умения решать тесты, но и хорошо учиться, в том числе и самостоятельно.

В случае, если условия среды одинаковы для всех, генетические различия выходят на первый план. Это означает, что стремление унифицировать и стандартизировать образовательные программы и методики обучения может привести к неожиданным последствиям, когда фактически все дети окажутся в неравных условиях из-за различных врожденных способностей. «Общество, основанное на генетическом превосходстве одних над другими — это жестокое общество» — пишет Юлия Ковас, наша соотечественница, входящая в число авторов исследования.

Ученые считают, что результаты этого исследования говорят в пользу необходимости развития индивидуальных программ обучения, которые будут учитывать природные особенности каждого ребенка. Надо уходить от традиционных представлений о том, что в плохой успеваемости ребенка виноват он сам, поскольку был недостаточно усерден, или родители, которые плохо его воспитали. Усердие и воспитание, несомненно, имеют большое значение, но их нужно корректировать с учетом значительной роли генов, на которые мы не можем повлиять. Только в таком случае может быть достигнуто настоящее равенство возможностей.

Другой важный результат исследования наследуемости — это выявление параметров, которые в наименьшей степени зависят от генов, но при этом значительно влияют на успехи в учебе. В их числе — удовлетворенность средой дома и в школе, а также хорошее самочувствие с психологической точки зрения. В соответствии с данными исследования, на эти параметры легче всего повлиять, чтобы добиться улучшения успехов в учебе.

Близнецовый метод позволяет вычислить наследуемость признаков, но ничего не говорит о том, каков механизм проявления этого генетического влияния (какие конкретно гены влияют на формирование признака?). По отношению к высокой наследуемости успехов в учебе этот интересный вопрос еще только предстоит исследовать.

E. Krapohl et al. The high heritability of educational achievement reflects many genetically influenced traits, not just intelligence // Proceedings of the National Academy of Sciences. October 21, 2014. V. 111. No 42. P. 15273-15278. Doi:10.1073/pnas.1408777111.

Источник

Болезнь Альцгеймера: ген, от которого я без ума.

В начале XX века с помощью немецкого психиатра Алоиса Альцгеймера мир узнал о существовании новой нейродегенеративной болезни. И хотя долгое время исследователи не воспринимали генетическую предрасположенность в качестве важного фактора для развития болезни Альцгеймера, вскоре ситуация изменилась. Однако и сейчас о природе этого заболевания идут ожесточенные споры: кто же во всем виноват — β-амилоид или APOE4?

Однажды в 1991 году невролог Уоррен Стриттмэттер (Warren Strittmatter) попросил своего руководителя — директора Дьюковского университета Аллена Роузеса (Allen Roses) — взглянуть на результаты своего эксперимента. Стриттмэттер изучал бета-амилоид (Aβ) — основной компонент молекулярных сгустков, обнаруженных в мозге людей с деменцией альцгеймеровского типа*. Он искал в спинномозговом ликворе белки, связывающиеся с амилоидом, и в результате наткнулся на аполипопротеин Е (ApoE), который, вроде бы, не имел прямой связи с развитием болезни.

Профессор Роузес сразу понял, что его коллега нашел нечто важное. Двумя годами ранее ими было обнаружено, что экспрессия некоторых генов из хромосомы 19 способствует развитию деменции, а поскольку Роузес знал, что ген, кодирующий ApoE, также находится на этой хромосоме, его молниеносно осенила идея участия ApoE в развитии болезни Альцгеймера (БА).

В организме человека есть три варианта гена APOE, кодирующих изоформы белка Е2, Е3 и Е4, и Роузес решил выяснить их влияние на развитие болезни Альцгеймера. Для определения отдельных аллелей нужно было провести полимеразную цепную реакцию (ПЦР). Так как ученый имел весьма скромный опыт работы с ПЦР, он хотел привлечь в свою команду нейрофизиологов, но получил отказ: хотя они и были заняты охотой за генами, которые лежат в основе болезни Альцгеймера, АРОЕ показался им неподходящим кандидатом. Роузес вспоминает, как позже в лаборатории ходили разговоры: «…начальник совсем потерял голову от своих безумных идей».

Но Роузес не сдавался. Он попросил помощи у своей жены, генетика Энн Сондерс (Ann Saunders), которая использовала ПЦР в своих исследованиях. Она только что родила дочь и была в декретном отпуске, и потому они заключили соглашение. «Она сделала все эксперименты, пока я присматривал за ребенком», — говорит профессор. В течение трех недель супруги собрали данные, которые в дальнейшем легли в основу серии знаковых публикаций. Они выяснили, что аллель APOE4 способствует развитию БА.

Сегодня, двадцать лет спустя, APOE4 остается ведущим фактором риска для наиболее распространенной формы деменции. Наследование одной копии APOE4 вчетверо повышает риск возникновения заболевания, двух копий — в 12 раз (рис. 1). Однако данные Роузеса в основном не воспринимали всерьез или критиковали. Впоследствии, даже когда мнение об ApoE поменялось, большинство ученых все равно продолжали работать с β-амилоидом, как бы «зациклившись» на классике. Но некоторые лаборатории все равно исследовали ApoE, несмотря на равнодушие финансирующих учреждений и научного сообщества и на отсутствие ресурсов, необходимых для проведения масштабных экспериментов.

Долгое время было неизвестно, какие функции белок ApoE выполняет в головном мозге, и постепенно эта головоломка стала интересовать многих нейрофизиологов. Интерес к липопротеинам продолжал расти, — отчасти потому, что клинические испытания лекарств, нацеленных на β-амилоид, часто заканчивались неудачей. Многие исследователи начали скрупулезно изучать белок ApoE4 и, как следствие, привлекли внимание фармацевтических компаний. «Амилоидные подходы» постепенно перестали использовать, зато начали разрабатывать препараты, направленные на аполипопротеин.

«Несмотря на отсутствие уверенных доказательств, амилоидная гипотеза стала в свое время сильным научным постулатом», — говорит Завен Хачатурян, президент некоммерческой компании «Предотвратим Болезнь Альцгеймера» (Prevent Alzheimer’s Disease 2020) и бывший координатор деятельности, связанной с исследованием БА в Национальных институтах здоровья США. До недавнего времени, по его словам «никто не пытался задать фундаментальный вопрос — правильно ли мы определили основную предпосылку болезни?».

Жесткая конкуренция.

Существуют разные доводы относительно того, почему открытие Роузеса было проигнорировано. Многие сходятся во мнении, что генетик выбрал неудачное время для обнародования своих результатов. В 1991 году Джон Харди (John Hardy) и Дэвид Олсоп (David Allsop) предложили «гипотезу амилоидного каскада». Они утверждали, что болезнь Альцгеймера является результатом аномального накопления β-амилоидных бляшек в тканях мозга. Научное сообщество поддержало предложенную идею, которую вскоре начали активно финансировать.

Но Роузес не подписался под этой теорией: «…амилоиды являются одними из многих веществ, которые формируют бляшки; в конечном итоге они разрушают клетки и вызывают атрофию мозга. У меня и мысли не было, что это было причиной деменции». Говоря так, он, возможно, хотел скрыть возможную связь ApoE/Аβ, и случайно создал конкуренцию между двумя гипотезами за финансирование. К сожалению, Роузес так и не получил гранты для работы с ApoE.

Были и технические препятствия для изучения ApoE. Белок входит в состав различных липопротеинов плазмы крови и является довольно сложной фармакологической мишенью при работе с головным мозгом. ApoE имеет липофильную часть и поэтому при биохимическом анализе может агрегировать с другими молекулами. Работа с такими белками требует глубокого понимания биохимии липопротеинов и методик работы с ними.

Амилоид же, наоборот, был легкой мишенью. После двух десятилетий тщательных наблюдений был создан ряд лекарств, которые изменяют метаболизм Аβ, но они до сих пор не оправдали ожиданий. Из шести препаратов, проходивших клинические испытания на больных со II или III стадией заболевания в 2012 году, половина сразу же отпала из соображений безопасности или отсутствия эффективности. И эта ситуация происходит на фоне старения населения, шаткости системы здравоохранения и нехватки лекарств для болезни Альцгеймера. «Количество неудачных испытаний, направленных на лечение деменции Альцгеймера, резко возросло», — говорит Леннарт Мак (Lennart Mucke), директор Гладстонского института неврологических заболеваний (Калифорнийский университет, Сан-Франциско). — «Это действительно пошатнуло фармацевтическую индустрию».

Три оставшихся препарата, которые нацелены на β-амилоид, в настоящее время проходят испытания на больных, а также на людях с высоким риском БА, у которых еще не развились симптомы. Позитронно-эмиссионная томография показала, что мозг подопытных с высоким риском развития БА отличается от здорового мозга за десятилетия (!) до того, как начинает накапливаться β-амилоид или разрушаться нейроны. В результате исследований, которые будут проводиться в течение следующих шести лет, ученые поймут, способны ли данные лекарства отсрочить наступление заболевания или нет. Среди исследователей и представителей фармацевтической индустрии появилось ощущение, что это — последний шанс для амилоидной гипотезы. На фоне этих сомнений ApoE вновь оказался в центре внимания.

По словам Мака, если испытания закончатся неудачей, ученые будут отчитываться перед инвесторами, предоставляя все данные доклинических и ранних клинических испытаний. Он надеется, что исследователи АроЕ вскоре получат большое преимущество. Несмотря на препятствия в этой области, у ученых продолжает крепнуть подозрение, что именно ApoE4 является предпосылкой для возникновения болезни. Этот факт подтверждают группы Мака и Гольцмана (Holtzman) в опытах на трансгенных мышах, которые несут в себе изоформы ApoE человека.

Скорее всего, ApoE участвует в развитии БА двумя различными путями, один из которых — амилоид-зависимый. И у животных, и у человека ApoE4 способствует отложению Aβ в мозговом веществе, в то время как ApoE3 считается «нейтральной» изоформой, а ApoE2 — «защитной» формой, уменьшающей накопление бляшек. «Это достаточно убедительные данные», — говорит Хольцман.

Другой механизм не предусматривает взаимосвязи с амилоидом. Когда нейроны находятся в состоянии стресса, они экспрессируют ApoE для своего восстановления. «Плохая» форма — ApoE4, — как правило, разрушается на токсичные фрагменты, которые повреждают митохондрии и модифицируют цитоскелет.

Оценить вклад этих двух механизмов в риск развития болезни Альцгеймера крайне сложно, говорит Хольцман, но он и его коллеги считают, что трансформация вредоносной изоформы ApoE в «нейтральную» может стать перспективным подходом для лечения БА. В Гладстоне исследователи начали изучать этот вопрос, и уже найдены небольшие регуляторные молекулы, которые трансформируют ApoE4 в ApoE3-образный белок и тем самым снижают аномальную фрагментацию первого. В культуре клеток даже низкие концентрации этих молекул могут уменьшить разрушение митохондрий и дисфункцию нейронов. В настоящее время эти молекулы проходят испытания на животных, и если они в конечном счете окажутся безопасными и эффективными, врачи будут назначать их пациентам, предрасположенных к БА, так же, как статины — больным с высоким уровнем холестерина и с повышенным риском сердечно-сосудистых заболеваний.

Более чем достаточно.

Такие препараты могут быть эффективными и для лечения других болезней. «Митохондриальная гипотеза достаточно логично и лаконично объясняет, к чему приводит экспрессия ApoE4», — говорит Мак, — «не только в контексте болезни Альцгеймера, но, возможно, также и при других заболеваниях». Существует доказательство того, что появление этой изоформы — возможный фактор риска также при болезни Паркинсона и эпилепсии. Данный белок также связывают с развитием деструктивных процессов после черепно-мозговой травмы и ускоренным развитием ВИЧ-инфекции. Пятнадцать биотехнологических компаний уже сотрудничают с Гладстоном для разработки лекарственных веществ, действующих по схожему принципу.

Несмотря на отсутствие грантов на исследования ApoE, Роузес никогда не сдавался. Но через несколько лет, когда его группа обнаружила связь между ApoE и болезнью Альцгеймера, он устал от постоянного денежного противостояния и оставил науку. Проработав в фармацевтической индустрии десять лет, в течение которых он не переставал исследовать ApoE, в 2008 году он снова возвращается в Дьюковский университет.

В 2009 году его группа описала участок некодирующей ДНК с геном TOMM40, который располагается рядом с APOE на девятнадцатой хромосоме. Этот участок ДНК (сокращенно — 523) варьирует по длине и, в зависимости от этого, может определять уровень экспрессии генов TOMM40 и АРОЕ.

По словам Роузеса, это было важное открытие, так как белок, кодируемый геном TOMM40 — Tom40, — является необходимым для «здоровых» митохондрий. Tom40 образует канал во внешней митохондриальной мембране, через который импортируются белки, необходимые для нормального деления этой органеллы. «Мы знали о существовании такого механизма в течении 10 лет», — говорит ученый, — «но то, что он приводит к болезни Альцгеймера, мы и не подозревали».

Роузес продолжал утверждать, что участок 523 можно использовать для разработки терапии и более точного предсказания болезни. Подавляющее большинство людей рискует встретиться со своим Альцгеймером, если только проживет достаточно долго, а ведь носителями аллеля APOE4 являются только 25% населения. Значит, тест на носительство этого аллеля никогда не будет до конца точным предиктором. Но генотипирование по обоим генам — АРОЕ и TOMM40 — может существенно увеличить точность, говорит Роузес. В его лаборатории открыли, что APOE3 — наиболее частая изоформа — обычно наследуется вместе или с коротким, или с очень длинным участком 523. И у носителей двух аллелей APOE3 возраст наступления заболевания будет зависеть от конкретного варианта участка 523, наследуемого вместе с APOE.

Некоторым лабораториям удалось найти доказательства, подтверждающие гипотезу Роузеса, однако у других повторить исследования на TOMM40 так и не удалось, и возникли сомнения в реальности влияния этого гена на риск развития БА. Однако Роузес не сомневается в правильности своих гипотез и считает, что геномные исследования, не подтвердившие его результатов, обладали недостаточной силой для выявления сцепливания TOMM40 и болезни Альцгеймера.

Роузес надеется, что вскоре он сможет подкрепить свои результаты клиническими исследованиями, которые будут проводиться в основанной им компании Zinfandel Pharmaceuticals. Вместе с японской фармацевтической компанией Takeda Зинфандель в настоящее время финансирует фазу III клинических испытаний (под названием TOMMORROW), призванную проверить идеи Роузеса на деле. TOMMORROW должна оценить риски развития БА в зависимости от возраста пациента и вариантов APOE и TOMM40. Для запуска программы будут отобраны около 6000 здоровых пожилых людей, и исследования будут продолжаться около 5 лет.

Программа будет также исследовать возможность того, что пиоглитазон — препарат для лечения пациентов с сахарным диабетом 2 типа, — в малых дозах будет задерживать развитие БА у лиц, отнесенных к группе высокого риска развития болезни Альцгеймера. Проверка этой идеи вызвана тем, что опубликованы результаты опытов на животных и даже на людях, которые говорят о способности пиоглитазона предотвращать или уменьшить патологию и симптомы, связанные с болезнью Альцгеймера. Роузес думает, возможный механизм этого — стимуляция деления митохондрий.

Даже если получить мощное лекарство против болезни Альцгеймера так и не удастся, толк в этих испытаниях все равно будет: научившись задерживать развитие БА хотя бы на два года, можно уменьшить число больных в США через 50 лет на 2 млн. человек, что очень и очень неплохо. Кроме того, результаты этих испытаний заставят исследователей всего мира по-новому взглянуть на деменцию. Такое сложное расстройство, как болезнь Альцгеймера, нельзя изучать только с одной стороны, — пусть и включающей ApoE4 или еще что-нибудь. По-видимому, нейрофизиологи близки к тому, чтобы признать ограниченность своих прежних взглядов и частично пересмотреть их, направив исследования по новым дорожкам, в конце которых будет разгадка проблемы, лишающей нас ума. #medica_mente


Рисунок 1. Носители аллеля APOE4 более подвержены развитию болезни Альцгеймера по сравнению с теми, кто унаследовал две копии аллеля APOE3.

Рисунок 2. Две расходящиеся гипотезы о том, как АроЕ способствует болезни.

 




Исследователи заявляют, что создали так называемые «зомби»-клетки, которые продолжают работать после того, как умрут. В отличие от классических кино-мертвецов, эти клетки выполняют свои функции даже лучше, чем при жизни.
Если поместить клетки в раствор кремниевой кислоты, они приобретут способность выдерживать гораздо большие температуру и давление, чем живые. Технически это означает, что можно сохранить любой ценный биологический материал, «превратив» его в ископаемое.

Учёные считают, что зомби-клетки могут быть использованы в коммерческом производстве топливных элементов, сенсорных технологий, а в будущем, возможно, и в нанотехнологиях. К сожалению, пока что очень сложно создать подобную структуру в нанометровом масштабе, по крайней мере 3D-структуру подобного рода сделать не удалось.
Кремний с древних времен известен своим жёстким свойствами — он содержится, например, в песке и кварце. Когда живые клетки помещаются в кремниевую кислоту, то обретают дополнительную твёрдость. Если же клетки нагреть до 400°С, то органические части испаряются, а остаётся только «слепок» — объёмная копия ранее живой клетки. Для химии и биологии такие зомби-клетки означают возможность создания форм, не только похожих на свои живые эквиваленты, но и способных выполнять их работу.

Учёные из научно-исследовательского института Скриппса (TSRI) в Калифорнии модифицировали бактерию E. coli, введя в код её плазмидной ДНК два новых комплементарных соединения, не встречающихся в природе. Так научная группа получила первый в мире полусинтетический живой организм и навсегда изменила генетику. Одним из авторов работы указан наш соотечественник — научный сотрудник Денис Малышев. Он учился в Московском химическом лицее, после чего окончил Российский химико-технологический университет им. Д. И. Менделеева и эмигрировал в США.

Современных биологов и биохимиков вполне можно считать программистами. Ведь они освоили самый низкоуровневый язык, который только можно представить, — генетический код. Прямое вмешательство в него похоже на реверс-инжиниринг. Оно стало возможным совсем недавно и совершило настоящий переворот в биотехнологиях.

 

Норман Борлоуг спас миллиард людей от голодной смерти с помощью селекции (фото: guim.co.uk).

Норман Борлоуг спас миллиард людей от голодной смерти с помощью селекции (фото: guim.co.uk).

Примерно до восьмидесятых годов XX века селекционеры действовали вслепую, опираясь на внешние признаки и закономерности их наследования. Даже таким неоптимальным способом порой совершались удивительные по своим масштабам достижения. К примеру, лауреата Нобелевской премии Нормана Эрнеста Борлоуга называют «отцом Зелёной и Белой революции» за то, что он смог вывести сорта пшеницы и риса с исключительной урожайностью. По данным ООН, это уже спасло от голодной смерти около миллиарда человек и помогло сохранить само существование Мексики, Индии и Пакистана.

Иногда метод проб и ошибок приводил к досадным просчётам. Например, кроме повышения урожайности картофеля и томатов новых сортов, в них повышался уровень содержания токсинов, типичных для всего семейства паслёновых. Такие сорта забраковывались, но никто не мог вернуть годы потраченного времени. Проблема сдерживания генетики состоит именно в страхе перед сложными технологиями, а не в опасности самой изменённой ДНК. Ведь абсолютно любой организм (кроме своего собственного) является для нас генетически чужеродным.

Новые биотехнологические методы позволяют избежать подобных ошибок, сразу внося в генотип контролируемые изменения. Помимо растений, этот метод широко применяется у бактерий, поскольку, кроме собственной ДНК, они содержат ещё и удобную для работы плазмидную. Модифицированные штаммы превращаются в завод по производству сложных белков, наиболее востребованных в медицине. Среди них есть инсулин, эритропоэтин, интерферон и другие. По данным ВОЗ, один только генно-инженерный инсулин спасает от тяжёлых осложнений и смерти сотни миллионов человек во всём мире. 

 

Схема получения инсулина методами генной инженерии (по материалам: discoveryandinnovation.com).

Схема получения инсулина методами генной инженерии (по материалам: discoveryandinnovation.com).

Сегодня качество нашей жизни напрямую зависит от того, как быстро мы сможем разобраться в деталях синтеза белка и научиться управлять этим процессом. Простых методов изменения генома уже недостаточно: требуется расширять сам язык генетического программирования, вводя в него новые операторы. Именно это и сделали в институте Скриппса, объединив результаты научных работ по данной теме за более чем двадцатилетний период.
 
В природе нуклеиновые кислоты всех живых существ содержат только четыре азотистых основания: гуанин (G), аденин (А), тимин (Т) и цитозин (С) в ДНК, плюс неметилированную форму тимина (урацил — U) в РНК. Каждый участок из трёх последовательно расположенных оснований формирует кодон, в котором и зашифрована команда на синтез определённой аминокислоты, либо сигналы «старт/стоп».

 

Схема кодирования аминокислот в ДНК (изображение: mpnforum.com).

Схема кодирования аминокислот в ДНК (изображение: mpnforum.com).

При большом химическом разнообразии аминокислот как группы веществ, белки любого живого организма состоят всего из двадцати L-альфа-аминокислот. Их положение определяет структуру протеинов и их биологические свойства.

Данный код характеризуется избыточностью: некоторые аминокислоты могут кодироваться разными способами. Например, к синтезу аргинина внутри клетки приведёт запись CG*, где * — любое третье основание. Поэтому, несмотря на трёхбуквенную систему, в процессе биосинтеза белка образуются не 64=43, а всего двадцать разных вариантов аминокислот. Редко встречающиеся селеноцистеин, пирролизин и другие «нестандартные» альфа-аминокислоты не нарушают этого правила. Они выпадают из общего списка, так как образуются иначе — путём модификации одной из основных аминокислот уже после её синтеза.

В лабораторных условиях, помимо AT(U)GC, можно использовать и другие кодирующие молекулы — такие как d5SICS и dNaM. Добавление всего пары синтетических соединений к стандартному набору азотистых оснований фактически создаёт новый генетический алфавит. С его помощью можно закодировать биосинтез уже не двадцати, а ста семидесяти двух аминокислот. Число новых вариантов белка, который можно синтезировать из них, становится просто астрономическим.

 

Всего два новых соединения расширяют диапазон биосинтеза возможных аминокислот с 20 до 172 (изображение: cen.acs.org).

Всего два новых соединения расширяют диапазон биосинтеза возможных аминокислот с 20 до 172 (изображение: cen.acs.org).

«В принципе, мы могли бы кодировать совершенно новые белки, сделанные из не встречающихся в природе аминокислот, — поясняет руководитель группы Флойд Ромсберг (Floyd E. Romesberg). — Это дало бы нам бо́льшую власть, чем когда-либо. Мы могли бы адаптировать технологию для создания белковых терапевтических и диагностических средств, лабораторных реагентов и многого другого. Такие аспекты применения, как наноматериалы, тоже возможны».

Синтетические нуклеотиды d5SICS и dNaM связываются через гидрофобные взаимодействия, в то время как природные образуют водородные связи. Это не мешает использовать их для расширения генетического алфавита, но создаёт ряд преодолимых трудностей.

 

Сравнение связей синтетических (d5SICS-dNaM) и природных (C-G) нуклеотидов (изображение: nature.com).

Сравнение связей синтетических (d5SICS-dNaM) и природных (C-G) нуклеотидов (изображение: nature.com).

Экспериментальный штамм бактерий с изменённым генотипом содержит эти два новых нуклеотида и сохраняет жизнеспособность, однако пока не даёт потомства самостоятельно. Для размножения модифицированных бактерий требуется ряд ручных манипуляций с раствором — таких как добавление фосфатных соединений, получаемых из водорослей.

«Важно отметить, что это также обеспечивает контроль над системой, — говорит Денис Малышев. — Наши новые нуклеотиды могут поступать в клетку только при помощи белков-переносчиков. Без них клетка вернётся к стандартному набору ATGC, а соединения d5SICS и dNaM исчезнут из её генома».
 
Авторы исследования рассчитывают, что в дальнейшем найдётся способ создать полностью синтетический и способный к размножению штамм бактерий. Для этого требуется аналогичным способом расширить «алфавит» РНК и, возможно, изменить сами рибосомы.

материал с computerra.ru