Было настолько раннее и безлюдное утро, что даже встреча с пьяным человеком в это время казалась странной. Еще более удивительно было увидеть в этот час пьяную, немолодую, нелепо одетую женщину. Она шла по улице виляющей из стороны в сторону походкой, и всем, кто ее тогда видел, она казалась именно пьяной, даже постовому, дежурившему рядом со зданием суда, который сделал ей замечание, чтобы та в свои годы не позорилась. На самом деле Леонора Векслер не была пьяна. Ее начинал одолевать злой рок, который уже свел в могилу нескольких ее родственников прямо у нее на глазах – участь, которая, как она надеялась, ее минует.

Вскоре после описываемого эпизода, в 1968 году, Милтон Векслер, бывший муж Леоноры Векслер, должен был отпраздновать в Лос-Анджелесе свое шестидесятилетие вместе с двумя дочерями: Элис (ей было 26 лет) и Нэнси (23 года). Однако, как оказалось, семья собралась вместе не только ради торжества. Милтон сообщил дочерям, что их пятидесятитрехлетняя мать страдает болезнью Хантингтона, разрушительным неврологическим расстройством, вызывающим прогрессирующую деградацию функций мозга: больные постепенно забывают абсолютно все и о близких, и о себе самих. Они также теряют контроль над собственными конечностями. Сначала нарушается походка, как в случае Леоноры, но по мере нарастания деградации больной также начинает совершать непроизвольные конвульсивные движения. Выражаясь научной терминологией, болезнь Хантингтона – наследственное заболевание, при котором у людей среднего возраста появляются периодические мышечные подергивания или спазмы и происходит постепенная дегенерация мозговых клеток, приводя к хорее, атетозу и ухудшению интеллектуальных функций. Лекарств, способных отсрочить это неуклонное движение к смерти, не было.

Элис и Нэнси вспомнили, что трое их дядюшек, братьев Леоноры, умерли в молодости, как и отец самой Леоноры, Абрахам Сейбин. Они уже понимали, что болезнь Хантингтона – наследственная. Милтону выпала тяжелая доля ответить на их естественный вопрос: «А какова вероятностьтого, что то же самое случится с каждой из нас?» Ответ отца был: «Пятьдесят на пятьдесят».

Болезнь, о которой мы говорили выше, открыл Джордж Хантингтон. Сам он родился в семье врачей и вырос в Ист-Хэмптоне на Лонг-Айленде, где еще мальчиком сопровождал отца на обходах больных. Получив диплом врача в Колумбийском университете, Хантингтон на несколько лет вернулся к семейной практике на Лонг-Айленде, а затем перебрался в Помрой, штат Огайо. В 1872 году он представил в Медицинской академии Мейджса и Мейсона в расположенном неподалеку Миддлпорте свою статью, озаглавленную «О хорее». Термин «хорея» происходит от греческого слова, означающего «танец»; с XVII века врачи называли этим словом болезни, при которых у больных наблюдались конвульсивные движения.

В статье молодого врача был мастерски описан синдром, позже получивший название «хорея Хантингтона», а ныне известный как «болезнь Хантингтона». В статье признавалось, что эта болезнь наследственная: «Если болезнь проявилась у одного или у обоих родителей, то один или более их отпрысков также неизбежно заболеют. Болезнь не минует ни одного поколения. Вступив в свои права, она остается у человека на всю жизнь». Иными словами, болезнь Хантингтона является наследуемой по доминантному типу. Также было очевидно, что она в равной степени поражает как мужчин, так и женщин, то есть ее ген находится где-то в двадцати двух неполовых хромосомах (аутосомах).

Тогда, в 1968 году, о болезни Хантингтона было известно не так много: она наследственная, необратимо прогрессирует, убивая нервные клетки в конкретных зонах мозга. Милтон Векслер основал Фонд по борьбе с наследственными заболеваниями (HDF) для сбора денег на исследование болезни Хантингтона и привлечения к ней внимания властей. Его дочь Нэнси активно участвовала в работе фонда. В 1970-е годы, когда стало очевидно, что для прогресса в работе необходимо лучше изучить генетику заболевания, она полностью взяла работу фонда в свои руки.

В Венесуэле есть озеро Маракайбо, на берегах которого царит жестокая нищета и к тому же гораздо чаще, чем обычно, встречается болезнь Хантингтона. В 1979 году Нэнси Векслер приступила к сбору образцов ДНК у крестьян и стала записывать родословные местных жителей, чтобы построить генеалогию всех местных жителей, пострадавших от этой болезни. Понимая, что в будущем недуг может поразить и ее, Нэнси Векслер заботилась о людях, живших в деревянных хижинах на сваях прямо над водой. При ходьбе эти люди раскачивались, как пьяные, точно как ее мать. Местные жители называли Нэнси Векслер «Катира» за длинные светлые волосы. Америко Негретте, ее венесуэльский коллега, впервые написавший о случаях болезни Хантингтона на берегах озера Маракайбо, рассказывает, что она превратила местных жителей в свою огромную семью, всякий раз приветствуя их «без наигранности и позерства, при встрече с венесуэльцами ее глаза просто лучились нежностью».

Цель экспедиций Нэнси Векслер заключалась в том, чтобы в конце концов найти ген, отвечающий за болезнь Хантингтона. Однако как генеалогия жителей Маракайбо могла помочь выявить виновника? Векслер и другие специалисты по генетическим болезням знали, что с людьми придется работать так же, как Морган и его ученики более века назад работали с дрозофилами. В эпоху секвенирования ДНК Векслер с коллегами могли отслеживать генетические маркеры в семейной родословной, то есть через несколько генетических скрещиваний, просто проанализировав ДНК в нескольких поколениях. Успехи в изучении патогенеза этой болезни начались за год до того, как Векслер приступила к своим генеалогическим исследованиям. Как и во многих других случаях научных прорывов, здесь не обошлось без интуитивной прозорливости.

В процессе работы над этой проблемой сформировался ежегодный ритуал: небольшая компания аспирантов из Университета штата Юта вместе с научными руководителями отправлялась на горный курорт Альта в горах Уосач-Маунтин на интенсивный семинар по своим профильным исследованиям (и, конечно, для того чтобы покататься на лыжах). Обычно к ним присоединялись двое-трое маститых ученых из других университетов, чтобы конструктивно покритиковать данные, предоставляемые каждым из волнующихся аспирантов. В 1978 году среди таких «тузов науки» были Дэвид Ботстейн из Массачусетского технологического института и Рон Дэвис из Стэнфорда.

Известные ученые, прибывшие на горный курорт, были весьма неординарными личностями. Дэвид Ботстейн был «склонен говорить и думать исключительно быстро, причем зачастую делал то и другое одновременно». Рон Дэвис – спокойный и сдержанный. В тот апрель в Юте Ботстейн и Дэвис, несмотря на полное несходство их темпераментов, обоюдно пришли к общему заключению. Они слушали доклад одного из аспирантов, ученика Марка Школьника – молодой человек с сожалением рассказывал о скудости генетических маркеров при бесплодном выискивании гена той или иной болезни. В этот момент Ботстейн и Дэвис обменялись взглядами и внезапно одновременно осознали истину. Хотя они специализировались на изучении дрожжей, оба одновременно догадались, как картировать человеческие гены! Новые ультрасовременные методы работы с рекомбинантной ДНК позволяли применить при изучении человека точно такой же генетический анализ, что уже использовался при картировании генов у других видов, но именно Ботстейн и Дэвис первыми реализовали на практике возможности этого метода в изучении генетики человека.

Методологическая находка Ботстейна и Дэвиса, ныне именуемая как «анализ сцепления», позволяет определить положение неизвестного генаотносительно известных генов-ориентиров. Принцип прост. Например, было бы непросто найти на карте США незнакомый для вас Спрингфилд, штат Масачусетс, если бы вы больше ничего не знали об этом городе, кроме названия. Если же я вам подскажу, что город Спрингфилд находится на половине пути между Нью-Йорком и Бостоном (двумя городами-ориентирами, обозначенными на карте), задача значительно упростится. Анализ сцепления позволяет проделать с генами то же самое: он выявляет связи между известными генетическими маркерами и неизвестными генами. Этот метод успешно зарекомендовал себя при работе с плодовыми мушками, использование его у человека представляло определенные трудности, поскольку у человека было известно очень мало генетических маркеров. Но Ботстейн и Дэвис осознали, что проблему возможно решить, используя достижения молекулярной биологии.

Маркерами в ДНК, на которые они обратили внимание, были те самые полиморфизмы длин рестрикционных фрагментов. ПДРФ, Restriction fragment length polymorphism, RFLP – способ исследования геномной ДНК путем разрезания ДНК с помощью эндонуклеаз рестрикции и дальнейшего анализа размеров образующихся фрагментов (рестриктов) путем гель-электрофореза (электрофореза ДНК). Напомню, что большинство ферментов-рестриктаз режут ДНК только в том месте, где встречают конкретную палиндромную последовательность. Если генетическая «буква» в этом месте изменится, то фермент больше не сможет разрезать ДНК в прежнем месте. Чаще всего эти повторы, которых в нашем геноме миллионы, встречаются в мусорной ДНК и потому в практическом отношении не имеют функционального эффекта.

После семинара в Альте Ботстейн, Дэвис и Школьник вместе с Рэем Уайтом, тогда работавшим в Университете штата Массачусетс, стали исследовать феномен полиморфизма длин рестрикционных фрагментов. В 1980 году на основе материала, полученного в процессе их сотрудничества, была написана эпохальная статья, открывшая новую страницу в молекулярной генетике человека. В статье был предложен четкий план того, как при помощи ПДРФ-маркеров можно построить карту маячков-маркеров в каждой человеческой хромосоме. Дэвид Ботстейн с коллегами вычислили, что 150 ПДРФ, равномерно распределенных по всему геному, вполне хватит, чтобы выявить мутантные гены, вызывающие болезнь. Собирая образцы ДНК в семьях, состоящих из нескольких поколений, в которых болезнь поражает предков и потомков, можно поочередно отследить закономерности наследования ПДРФ, отыскивая именно те гены, из-за которых болезнь сохраняется в семьях и которые показывают расположение мутантного гена.

В 1983 году Хелен Донис-Келлер (в ту пору жена Дэвида Ботстейна) основала Отдел генетики человека в бостонской компании Collaborative Research, Inc. Она стремилась построить карту сцепления ПДРФ в масштабах всего человеческого генома. Через четыре года после описываемых событий она опубликовала результаты своей работы в статье, метко названной «Карта генетических сцеплений в геноме человека». На этой карте было 403 маркера (гораздо больше, чем по исходной оценке Дэвида Ботстейна), охватывавших добрых 95 % генома. Та первая карта не была совершенной; например, некоторые хромосомы имели четко установленное место, расположение других подвергалось сомнению. Тем не менее возможность составления такой карты показала, что картирование всего генома осуществимо, что было важным достижением тех лет.

Генетическое картирование гена, отвечающего за болезнь. Для удобства показаны всего два поколения и лишь несколько индивидов. Чтобы анализ обладал статистической мощностью, в нем необходимо учесть большое число родственных индивидов

По мере того как работа по созданию подробной генетической карты набрала обороты, Дэвид Хаусман (David Houseman) из Массачусетского технологического института был готов начать работу, которую Ботстейн на данном этапе считал невыполнимым делом. Дэвид Хаусман поставил себе цель: локализовать ген болезни Хантингтона. Решить эту амбициозную задачу он поручил Джиму Гузелле, только что получившему звание PhD в лаборатории Хаусмана. Поначалу Ботстейн был настроен пессимистично, это было связано с отсутствием маркеров, необходимых для работы: ПДРФ хорошо выглядели только на бумаге, на тот момент работа по их сбору и анализу только началась. К 1982 году у Джима Гузелле было всего 12 ДНК-маркеров. Нэнси Векслер тем временем вернулась на Маракайбо и пыталась уточнить ранее собранную генеалогию: выяснить, кто и с кем вступал в брак, состояние здоровья их детей, кто кому приходился кузеном. Всего в одном семейном генеалогическом дереве, которое удалось выстроить Векслер, насчитывалось 17 тысяч имен! Помню одно из собраний, состоявшееся в Колд-Спринг-Харборе в октябре 1982 года, когда Джим Гузелла представил свои самые новые данные. Ни один из первых пяти маркеров не давал даже намеков на находку сцепления между генами, и меня не покидала мысль, что вся эта работа напоминает поиски иголки в стоге сена, а Джим Гузелла пока вытащил из стога всего несколько соломинок. Когда он завершил свою речь словами: «Обнаружение гена болезни Хантингтона – всего лишь дело времени», я про себя добавил: «Безусловно, только очень долгого времени».

Но удача любит смелых. К изумлению Гузеллы и всех прочих, двенадцатый маркер, обозначенный G8, оказался связан с болезнью Хантингтона. Впервые ген человеческой болезни удалось найти в хромосоме, не опираясь на данные о сцеплении с полом и не обладая никакими исходными знаниями о биохимической основе расстройства. Внезапно открылась новая научная перспектива: нам показалось, что в конце концов удастся проанализировать все те генетические дефекты, которые были бичом рода человеческого с начала времен его существования. Оказалось, что полиморфизмы длин рестрикционных фрагментов – очень действенный диагностический инструмент. После обнаружения гена болезни Хантингтона на конце короткого плеча 4-й хромосомы наши мощные методы клонирования генов, определенно, позволят выделить сам этот ген – это лишь дело времени, причем весьма недалекого.

Болезнь Хантингтона творит свое черное дело уже со взрослыми людьми. Мы знаем, что очень часто генетические болезни поражают детей, и они тем более ужасны, поскольку их жертвы практически не имеют шансов порадоваться этой жизни. Часто после постановки диагноза можно с суровой определенностью описать всю дальнейшую жизнь ребенка. Именно такая ситуация складывается с миодистрофией Дюшенна – прогрессирующим заболеванием, которое истощает мышцы, вызывает затруднения при движениях с детского возраста, которые прогрессируют с течением времени. Миодистрофия Дюшенна сцеплена с полом: вызывающая это заболевание мутация локализуется в X-хромосоме. Женщин, имеющих хромосому с такой мутацией, обычно спасает от болезни вторая, нормальная копия этого гена в другой X-хромосоме. Однако если хромосома с мутантным геном передается сыну, то мальчик заболеет миодистрофией Дюшенна, так как не имеет второй X-хромосомы с нормальной копией гена. Когда ребенку будет около пяти лет, родители заметят, что ему сложно встать с пола или подняться по лестнице. Примерно к десяти годам он окажется в инвалидной коляске. Вероятнее всего, больной умрет в подростковом возрасте либо проживет чуть больше двадцати лет.

В конце 1970-х годов цитогенетики (ученые, изучающие хромосомы под микроскопом) обнаружили аномалию в коротком плече X-хромосомы, встречающейся у тех считаных девочек, которые подвержены миодистрофии Дюшенна. Речь идет об участке Xp21. Анализ сцепления, выполненный Бобом Уильямсоном из Медицинской школы при больнице Святой Марии в Лондоне, а также его коллегой Кей Дэвис (в замужестве Дейм), подтвердил, что все дело в участке Xp21. Тем временем генетики-клиницисты воспользовались полиморфизмами длин рестрикционных фрагментов в качестве диагностического инструмента, позволяющего определить, кто из членов той или иной семьи (не исключая этапа внутриутробного развития) несет такую мутацию. Например, если у женщины есть мутация, провоцирующая миодистрофию Дюшенна, то ее сын с вероятностью 50 % заболеет этим недугом. Впервые в истории с помощью метода ПДРФ врачам удалось внутриутробно определить риск рождения ребенка с генетическим заболеванием.

Такой метод диагностики впервые представили в 1978 году сотрудники Калифорнийского университета в Сан-Франциско Юэт Кан и его коллеги. Они использовали сцепленные ПДРФ для диагностики плода с β-талассемией. ДНК для анализа забиралась либо из амниотической жидкости, в которой присутствуют клетки плода, либо из плаценты. Такая процедура называется «биопсия хориона». Правда, точность этого метода не составляла 100 %, поскольку, если вы помните из первой главы, при возникновении яйцеклеток хромосомы подвергаются рекомбинации. Если такая перестановка генетического материала происходит между ПДРФ и интересующим нас геном, то результат биопсии получится неверным, отсюда и погрешность. Она составляет при раннем обнаружении миодистрофии Дюшенна около 5 % и является неизбежным следствием рекомбинации. Но результаты пренатальной диагностики целиком и полностью зависели от выявления конкретного гена, а не от маячковых маркеров.

Брюс Брайер, чья частичная делеция X-хромосомы позволила идентифицировать ген миодистрофии Дюшенна. Брюс погиб в автокатастрофе в возрасте семнадцати лет, но прожил относительно полноценную жизнь и даже был отличным органистом.

Ген миодистрофии Дюшенна удалось идентифицировать благодаря мальчику по имени Брюс Брайер, у которого в коротком плече X-хромосомы не хватало очень большого фрагмента. Этот участок был таким большим, что Брюс страдал не только миодистрофией Дюшенна, но и еще тремя другими генетическими заболеваниями. В 1985 году Лу Кункель из Гарвардской медицинской школы рассудил, что мог бы воспользоваться ДНК Брюса, чтобы выделить нормальный ген из ДНК здорового мальчика. Кункель осознал, что вся ДНК Брюса должна быть и у здорового мальчика, а те фрагменты, которые есть у здорового мальчика, но отсутствуют у Брюса, и несут разгадку. Воспользовавшись рекомбинантной технологией, Лу Кункель извлек из нормальной ДНК ту часть, которая была у Брюса, и стал изучать отличающиеся фрагменты, по его мнению, именно в них должен был находиться ген миодистрофии Дюшенна.

Полностью тайна заболевания была разгадана Тони Монако, аспирантом Лу Кункеля. Оказалось, что последовательность pERT87 отсутствует у пятерых мальчиков, страдающих миодистрофией Дюшенна; она располагалась очень близко к искомому гену, иногда даже входила в его состав. Теперь гену уже можно было дать подходящее название: дистрофин. Несколько лет этот ген считался самым крупным в геноме человека, поскольку в нем очень много больших интронов, но затем дистрофин уступил первенство гену, кодирующему другой мышечный белок и не менее удачно названному «титин».

Эти новые знания были немедленно использованы для пренатальной диагностики миодистрофии Дюшенна. Однако, несмотря на то что функция дистрофина была исследована на протяжении десятилетий, мы по-прежнему не в силах эффективно лечить или облегчать течение миодистрофии Дюшенна. Именно это удручает в текущем положении дел: генетика позволяет идентифицировать и понять болезнь, но пока в большинстве случаев не позволяет исправить генетические ошибки. Подобные истории связаны и с болезнью Хантингтона, и с муковисцидозом, и с другими наиболее серьезными генетическими расстройствами. По сравнению с разработкой препарата, позволяющего блокировать известную мишень, лечение генетического заболевания – вызов совершенно иного плана: здесь требуется добавить недостающие гены или заменить нефункциональные. В случае с миодистрофией Дюшенна речь идет как раз о том, как доставлять достаточно крупный белок к мышцам.

Среди некоторых наиболее перспективных методов борьбы с миодистрофией Дюшенна рассматривается возврат к методу генетической терапии, который ранее считался совершенно безнадежным, об этом мы поговорим далее в главе. Исследователи пробуют организовать доставку дистрофина в мышечные волокна при помощи вирусов – речь идет либо о полноценном гене, либо о его уменьшенной версии. Другой метод больше подходит тем немногим пациентам с миодистрофией Дюшенна, которые страдают от иной мутации: она преждевременно блокирует трансляцию транспортной РНК дистрофина. Биотехнологические компании, например PTC Therapeutics, разрабатывают препараты, позволяющие рибосоме миновать ложные стоп-сигналы для получения полноценной коммуникации, на основе которой выстраивается полноценный белок. В 2016 году компания Sarepta Therapeutics получила одобрение Управления по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов (FDA) на препарат этеплирсен, увы, это лекарство предназначено для лечения немногих пациентов, а его клиническая эффективность остается до конца невыясненной. Наконец, Кей Дэвис и ее коллеги из Оксфордского университета разработали метод замены недостающего дистрофина, искусственно усиливая экспрессию родственного гена, который называется утрофин. Этот метод хорошо работает на мышиных моделях с миодистрофией Дюшенна, пока ведутся клинические испытания.

Наиболее интенсивные поиски генов наследственных болезней пришлись на 1980-е годы, когда врачи пытались побороть одно из самых распространенных генетических заболеваний – муковисцидоз. Охота за геном муковисцидоза вышла особенно примечательной по двум причинам: впервые коммерческая компания участвовала в картировании гена человеческой болезни, и впервые развернулось жестокое соперничество среди ученых, причастных к этому направлению исследований.

При муковисцидозе в легких у больного скапливается густая слизь, затрудняющая дыхание. Клетки, выстилающие легочные трубки, не могут элиминировать слизь, в которой размножаются бактерии, поэтому человек страдает от инфекций верхних и нижних дыхательных путей. До открытия антибиотиков ожидаемая продолжительность жизни при муковисцидозе составляла не более десяти лет; сегодня выживаемость значительно увеличилась, многие пациенты разменивают свой четвертый и даже пятый десяток. В Северной Европе муковисцидоз встречается с частотой примерно один случай на 2500 человек. Эта болезнь наследуется по рецессивному принципу: человек заболевает, лишь если у него сразу две мутантные копии гена. Мутантный ген муковисцидоза встречается примерно у каждого 25-го жителя Северной Европы, то есть на удивление часто. Существует гипотеза, что его носители обладают селективным «преимуществом гетерозигот», например как защита от малярии, которую дает серповидноклеточная анемия. Вероятно, муковисцидоз уберегал носителя от инфекционных заболеваний, свирепствовавших в Европе в XVII–XVIII веках, например от туберкулеза и холеры.

Лап-Чи Цуи родился в Шанхае, вырос и выучился в Гонконге, а в США приехал в 1974 году, уже будучи аспирантом. Цуи освоил молекулярную генетику, изучая вирусы, а затем в 1981 году перебрался в Торонто, где стал работать над проблемой муковисцидоза, кропотливо выискивая любые ПДРФ в семьях, страдающих этой болезнью. Но не только Цуи искал ген муковисцидоза: в то же самое время поисками занимались Боб Уильямсон в Лондоне и Рэй Уайт в Юте, в их распоряжении была подробная генеалогическая информация, собранная церковью мормонов. Метрики мормонов, именуемые «Анналы предков», позволяют их современным потомкам отдать должное почившим предкам, прожившим жизнь вне церкви или умершим до ее основания (церковь мормонов существует с 1830 года). Подробная запись данных у мормонов преследовала вполне определенную цель – воссоединить семьи в вечности. Для нас это тот самый случай, когда нужды генетики и религии так замечательно совпали.

Лап-Чи Цуи добился первых успехов в 1985 году, когда нашел связь между патентованным набором ПДРФ, открытым для использования с целью анализа генов муковисцидоза, и непосредственно самим геном муковисцидоза. Уильямсон и Уайт буквально дышали ему в затылок. Их статьи были одновременно опубликованы в журнале Nature, и в этих работах сообщалось, что ген муковисцидоза локализован в длинном плече седьмой хромосомы, а ближайший маркер отстоит от него примерно на миллион оснований.

Следующий этап обещал быть еще тяжелее, если вы помните, поиски происходили за пять лет до запуска проекта «Геном человека». Миллион оснований по-прежнему оставался огромным промежутком для клонирования «генетиков-навигаторов». Поэтому Лап-Чи Цуи объединился с Френсисом Коллинзом, экспертом по молекулярной генетике, который в ту пору работал в Мичиганском университете, а впоследствии успешно сменил меня на посту директора проекта «Геном человека».

Лап-Чи Цуи, искатель генов

Френсис Коллинз разработал методы «прыжков» между двумя известными полиморфизмами длин рестрикционных фрагментов. В 1989 году, после двух лет работы, Цуи и Коллинз смогли идентифицировать кандидатный ген, кодирующий мембранный белок, известный своей ролью в функционировании потовых желез у человека; известно, что у больных муковисцидозом эти железы не работают. Секвенирование гена и поиск мутаций в обеих его копиях у пациентов с муковисцидозом завершились успехом: оказалось, что у большинства больных отсутствует участок ДНК длиной в три основания, а в достаточно большом по размерам белке муковисцидоза не хватает всего одной аминокислоты. Такого дефицита аминокислоты оказалось достаточно, чтобы полностью нарушить естественную укладку белка и доставку его к клеточной мембране. На эту единственную мутацию приходится 70 % всех случаев муковисцидоза. Кроме описанного дефекта зарегистрировано еще более тысячи связанных с ним мутаций. Такое изобилие патологических вариантов значительно усложнило гено-диагностику муковисцидоза.

В то время как генетическое сообщество праздновало удачное картирование и выделение гена муковисцидоза, Нэнси Векслер, Дэвид Хаусман, Джим Гузелла и их коллеги все занимались поисками гена болезни Хантингтона. Ушло десять лет работы, в которой участвовало 150 ученых со всего мира, пока «зловредный» ген наконец не был засечен: консорциумученых выделил его на критически важном участке 4-й хромосомы в позиции 4p16.3, который назвали IT15 («интересный транскрипт 15»). Генетический дефект, приводящий к хорее Хантингтона, обусловлен экспансией нестабильного тринуклеотидного кодона CAG, кодирущего глутамин, который транслируется в протеине как полиглутаминовый повтор. У здорового индивида встречается меньше 35 последовательных CAG, а у пациентов с болезнью Хантингтона таких фрагментов множество. CAG – это генетический код аминокислоты глутамина. У страдающих болезнью Хантингтона структура белка хантингтина может быть самой разной, так как из-за полиморфизма гена в белке содержится разное количество остатков глутамина. Молекулярная масса хантингтина в основном зависит именно от количества остатков глутамина. Вероятно, такое различие влияет на работу белка в клетках мозга; его молекулы могут образовывать внутри клетки «липкие белковые комочки», и из-за этого клетка погибает. Такое любопытное увеличение последовательностей повторяющихся тринуклеотидов лежит в основе патогенеза многих других неврологических заболеваний, в том числе при синдроме фрагильной X-хромосомы и при спиноцеребеллярной атаксии (spinocerebellar ataxia, SCA). Однако мы до сих пор не вполне понимаем, почему клетки мозга становятся уязвимы для подобных причудливых мутаций.

Несмотря на то что на поиск генов, отвечающих за генетические расстройства – болезнь Хантингтона, миодистрофию Дюшенна и муковисцидоз, – уходит немало времени, по генетическим меркам это «простые» болезни. Они возникают из-за мутации единственного гена и практически не зависят от условий окружающей среды. Таких расстройств существует огромное число, только в современной генетической базе данных перечислено более тысячи, хотя общепопуляционно их число невелико, и каждое из них встречается лишь в отдельных семьях.

Гораздо более распространены «сложные», или полигенные, расстройства, к которым относится множество самых известных недугов: астма, шизофрения, депрессия, врожденные пороки сердца, гипертензия, диабет и рак. Они возникают из-за взаимодействия множества генов, каждый из которых в отдельности оказывает лишь незначительный эффект. Причем для полигенных расстройств обычно характерна еще одна проблема: такие группы взаимодействующих генов могут провоцировать предрасположенность к определенному заболеванию, но разовьется оно или нет, зависит от условий окружающей среды. Допустим, у вас есть набор генетических вариантов, предполагающий склонность к алкоголизму. Однако ваша судьба в этом направлении, а именно ответ на вопрос, станете ли вы алкоголиком, зависит от того, как вы отреагируете на источник возможной болезни, то есть на алкоголь. То же касается и астмы: «хорошим» летом, когда в воздухе мало пыльцы и спор, никаких симптомов астмы у вас может и не быть, несмотря на генетическую предрасположенность к этому заболеванию.

Сложные взаимодействия генов и окружающей среды наиболее очевидны в онкологии. Как будет рассказано в главе 14, рак по сути своей – генетическое расстройство, возникающее из-за мутаций в нескольких генах и в итоге приводящее к возникновению злокачественных клеток. Есть два варианта возникновения раковых мутаций. Некоторые передаются по наследству. Всем известна фраза «это у них семейное», и если некоторые социальные признаки, характеризуемые таким образом, например католицизм, не всегда передаются по наследству, некоторые виды рака неизбежно наследуются. Множество раковых мутаций возникает и в ходе нормальной жизнедеятельности. ДНК может быть повреждена из-за ошибок в работе ферментов, отвечающих за репликацию или починку генетической молекулы, либо вследствие побочных эффектов при нормальных химических реакциях в клетке. Многие виды рака возникают из-за наших же глупых пристрастий к канцерогенам: например, нам нравится жариться под ультрафиолетом или выкурить сигарету. Смысл в том, что ДНК легко повреждается, но именно мы в силах свести эти поломки к минимуму, осознанно организуя свою личную и социальную жизнь.

В 1974 году Мэри-Клэр Кинг (прославившаяся изучением родства между человеком и шимпанзе и работой с «Лас Абуэлас») перебралась в Калифорнийский университет в городе Беркли, где целиком посвятила себя поискам гипотетического гена, вызывающего рак груди. На тот момент до разработки метода, использующего полиморфизм длин рестрикционных фрагментов, оставалось еще шесть лет, но Кинг взялась собирать информацию о семьях, у членов которых в раннем возрасте развивался рак груди (и яичников). Она рассудила, что эти заболевания вполне могут иметь наследственную природу. Скептики были убеждены, что рак груди слишком сильно зависит от факторов окружающей среды и генетический анализ в данном случае бесполезен. Непоколебимая Мэри-Клэр Кинг продолжала уточнять свой набор данных и к 1988 году, проанализировав более 1500 семей, собрала доказательства в пользу того, что ген предрасположенности к раку груди действительно существует.

Завершив анализ сцепления более сотни маркеров ДНК, Кинг поразила все медицинское сообщество, когда в 1990 году объявила, что нашла в 17-й хромосоме участок полиморфизма длин рестрикционных фрагментов, ассоциированный с раком груди в подгруппе, состоящей из 23 семей ее выборки. На эти 23 семьи суммарно пришлось 146 случаев рака груди. Прислушавшись к предположению одного из своих аспирантов, Мэри-Клэр Кинг совершила открытие: в тех семьях, где рак груди начинал развиваться в сравнительно юном возрасте, вероятность наследования гена предрасположенности к этому виду рака была выше. Таким образом, выяснено, что ген расположен в хромосоме на участке 17q21 и при его мутации риск заболеть раком груди у женщины сильно возрастает. После публикации статьи Кинг в журнале Science в 1990 году началась гонка – кто первым выделит сам этот ген, названный BRCA1 (ген кодирует рак груди первого типа), а также развернулись не завершившиеся до сих пор споры о коммерческом использовании генов.

Выделение гена BRCA1 неизбежно обещало быть событием планетарного масштаба. Мэри-Клэр Кинг стала работать вместе с Френсисом Коллинзом, незадолго до этого идентифицировавшим ген муковисцидоза. В сентябре 1992 года представительница одной большой семьи со множеством случаев рака груди, назову ее Анна, рассказала Барбаре Уэбер, сотруднице Коллинза, что ей назначена профилактическая мастэктомия, хотя у нее не было никаких признаков рака. Не в силах больше выносить неопределенность, Анна решилась на такой радикальный превентивный шаг. Однако Барбара Уэбер сделала ей анализ сцепления ДНК и пришла к выводу, что Анна не унаследовала патологического гена BRCA1: она рисковала заболеть раком груди не больше, чем любая другая женщина, не имеющая такого семейного анамнеза. Но этот вывод был сделан в контексте ведущегося исследовательского проекта, причем было заранее оговорено, что такие предварительные данные не будут использованы для клинической диагностики.

Однако Уэбер и Коллинз решили, что просьба Анны перевешивает такую регламентацию. Они сообщили женщине, что та почти не рискует, и она с огромным облегчением отказалась от операции. Неудивительно, что исследователи чувствовали себя обязанными оказать такую же услугу и другим членам ее семьи, если те их об этом попросят. Одна из женщин этой семьи, которая, как оказалось, тоже практически не рисковала, уже перенесла профилактическую двустороннюю мастэктомию пятью годами ранее. Она отнеслась к долгожданному диагнозу философски: рассудила, что благодаря операции смогла пять лет прожить спокойно. Сегодня доказано, что профилактическая мастэктомия действительно снижает смертность от рака среди женщин, входящих в группу риска; аналогично при удалении яичников в возрасте до сорока лет снижается вероятность как рака яичников, так и рака груди. Генетический анализ может помочь женщине принимать решения, которые для нее в буквальном смысле являются вопросом жизни и смерти.

Кинг и Коллинз столкнулись с жесткой конкуренцией в погоне за геном BRCA1. Марк Школьник из штата Юта, генетик, участвовавший в прорывных исследованиях сцеплений, совместно с Уолли Гилбертом основал компанию Myriad Genetics (Уолли Гилберт еще не растерял предпринимательского духа даже после непростых времен, пережитых в компании Biogen). Бизнес-план Myriad был таков: воспользоваться массивом данных о родословной мормонов и на основе этой информации картировать и изолировать ген BRCA1. Myriad Genetics одержала победу в четырехлетней гонке, опередив конкурентов на считаные недели и опубликовав в журнале Science статью об эпохальном открытии гена рака груди BRCA1. Во главе команды поисковиков из Myriad стоял молодой биолог-молекулярщик Александер (Саша) Кам, внук великого Лайнуса Полинга. Это был сокрушительный удар для Мэри-Клэр Кинг, но она и не думала отступать, продолжая дополнять длинный список мутаций BRCA1, зафиксированных в тех семьях, которые она изучала. В 1997 году была одобрена патентная заявка Myriad Genetics на этот ген, и компания воспользовалась этим, чтобы стать монополистом в области анализов на BRCA1. Не менее интенсивная гонка развернулась при поисках второго гена рака груди BRCA2, локализованного в 13-й хромосоме. На этот раз группа ученых из Института онкологических исследований в Великобритании заявила, что обогнала Myriad Genetics, но патент на данную последовательность успели подать обе группы.

Уже был понятен коммерческий потенциал этих генов. Риск возникновения рака груди к семидесятилетнему возрасту у носительницы гена BRCA1 или BRCA2 из-за накопления мутаций в этих генах достигал 80 %. Более того, те же самые мутации в 45 % случаев также повышают риск возникновения рака яичников. Женщины из семей, в которых наследуются такие мутации, должны как можно раньше узнавать, есть ли у них дефектный вариант первого или второго гена. Широко известно, на какие действия пошла актриса Анджелина Джоли: в таких случаях приходится делать мучительно тяжелый, но потенциально спасительный выбор. Выборочная двусторонняя мастэктомия у женщин, подверженных высокому риску возникновения рака груди, позволяет снизить число случаев такого рака на 90 %. В то же время генетический скрининг помогает выявить в таких семьях индивидов с нормальными генами; и женщина, у которой нет мутации, сможет успокоиться, осознав, что никакого повышенного риска для нее нет.

За двадцать лет Myriad Genetics помогла тысячам женщин принять информированные решения о здоровье, возможно, спасшие многим жизнь. Тем не менее компанию из Солт-Лейк-Сити часто приводят в качестве примера порочной практики, возникающей, когда коммерция подмешивается к науке. Ведь как ни рассуждай, компания Myriad десять с лишним лет наживалась на своей глобальной монополии на анализ гена BRCA1, заявляя, что вправе зарабатывать деньги таким образом, чтобы вернуть миллионы долларов, потраченные на поиск генов и разработку анализа. Вопрос надоставить по-другому. Сколько денег вправе таким образом заработать компания? Ее тестирование на наличие наследственного рака молочной железы и яичников (BRAC Analysis) стоит более трех тысяч долларов, при том что Myriad Genetics вдобавок к этому держала в строгой тайне обширную базу данных по мутациям BRCA, собранную ими за двадцать лет.

После нескольких бурных разбирательств между компаниями с пациентами в мае 2009 года Американский союз защиты гражданских свобод (ACLU) подал от имени этих нескольких пациентов иск против компании Myriad Genetics и Ведомства по патентам и товарным знакам США. Как уже было рассказано мной в главе 8, в 2013 году Верховный суд единогласно постановил, что успех Myriad, позволивший компании почти двадцатью годами ранее выделить ген BRCA1 и разработать анализ для его диагностики, нельзя считать изобретением. Такой вердикт сразу же развязал руки другим диагностическим компаниям, в том числе Ambry Genetics, Gene by Gene и Pathway Genomics, которые стали оспаривать монополию Myriad и запустили производство собственных бюджетных исследований, проверявших сразу два гена: BRCA1/2. В настоящее время все (или практически все) юридические вопросы между сторонами улажены.

В 1990-е годы, одновременно с разработкой проекта «Геном человека» анализ сцепления генов помог выявить ряд других раковых генов, в том числе вызывающих нейрофиброматоз (болезнь, которой страдал Джозеф Кэри Меррик, «человек-слон»), рак прямой кишки и рак простаты. Также были картированы гены, вызывающие редкие наследственные формы болезни Альцгеймера и болезни Паркинсона. Тем не менее при всей внешней эффективности поиск по принципу «ген за геном» получался медленным и трудоемким, каждое исследование зависело от того, удастся ли найти подходящие семьи для анализа. Существует и другая стратегия: искать небольшие изолированные популяции, где та или иная болезнь встречается очень часто. В природе сложно найти более крошечную и изолированную популяцию, чем население острова Тристан-да-Кунья.

Тристан-да-Кунья – это вулканический остров, его крутые и негостеприимные берега вздымаются посреди моря. Он представляет собой просто клочок суши площадью всего 98 квадратных километров посреди Южной Атлантики и считается одним из самых отдаленных мест на планете. Первое постоянное поселение на острове состояло из служащих британского гарнизона, который высадился на него в 1816 году, чтобы помешать французским войскам устроить там базу для вызволения императора Наполеона из ссылки на острове Святой Елены, расположенном на расстоянии 2,5 тысячи километров к северу. В дальнейшем население острова росло эпизодически: в какой-то части острова обосновались немногочисленные поселенцы, где-то – выжившие после очередного кораблекрушения. По неофициальной переписи 1993 года, численность населения острова составляла всего 301 человека. Именно в тот год группа сотрудников Торонтского университета отправилась на остров, чтобы изучить отдаленные результаты медицинских исследований, в которых островитяне участвовали еще в 1961 году, когда из-за проснувшегося на острове вулкана все население острова временно эвакуировали в Англию. Самым удивительным оказалось то, что в анамнезе более чем у половины беженцев была астма.

Пожалуй, самая отдаленная обитаемая территория на планете: вид на остров Тристан-да-Кунья с близлежащего необитаемого острова

Современное исследование ученых из Торонто, включавшее 282 островитянина, также показало, что у 161 человека (57 %) наблюдаются симптомы астмы. Канадцы подняли генеалогию всех местных семей – потомков первых 15 поселенцев. По всей видимости, астму занесли на остров две женщины, обосновавшиеся здесь в 1827 году, после чего население значительно возросло, но фактически представляло собой одну расширенную семью. В более крупной и смешанной популяции астма, вероятно, могла бы быть вызвана различными наборами аллелей, но на острове такого события произойти не могло в силу изолированности. Именно из-за разнородности тяжело выделить генетические первопричины сложных заболеваний. Остров дал фантастические возможности для проведения исследований.

Далее команда медиков из Торонто стала работать совместно с компанией Sequana из Сан-Диего, основанной специально для поиска генов, вызывающих патологические процессы. Впоследствии представители Sequana заявляли, что обнаружили в 11-й хромосоме два гена, провоцирующих предрасположенность к астме. Далее было проведено исследование, в ходе которого были изучены примерно 2 миллиона фрагментов у тысяч астматиков; исследование позволило предположить, что наиболее распространенные генетические факторы риска связаны с 17-й хромосомой, а конкретно – с иммунными факторами. Тем временем канадские активисты заявили, что компания совершила «акт биопиратства», «нарушив основополагающие права тех людей, у которых брали образцы ДНК», то есть принцип добровольного информированного согласия. Пока до социального извержения было далеко, но первый толчок в обществе уже произошел.

Буря, разразившаяся по поводу «биопиратства» Sequana, не шла ни в какое сравнение с ураганом, налетевшим на Кари Стефанссона (Kári Stefánsson) и его компанию deCODE Genetics несколько лет спустя. Кари Стефанссон решил, что для исследования тоже нужно найти отдаленный остров, но более густонаселенный, чем Тристан-да-Кунья, у обитателей которого можно было бы сразу определить несколько патологических генов. Так сложилось, что Кари Стефанссон родился именно на таком острове.

Родина Кари Стефанссона – Исландия, по площади примерно как штат Кентукки, но население всей страны составляет примерно 323 тысячи человек, что в 13 раз меньше, чем в этом штате. В IX–X веках остров заселили викинги, которые привезли с собой женщин, похищенных в Ирландии во время набегов. Поэтому Исландия была интересна для предприимчивого охотника за генами сразу по нескольким причинам. Во-первых, население Исландии исключительно однородно: практически все жители происходят от тех самых первых поселенцев, со времен викингов в страну мало кто иммигрировал. Во-вторых, имеются метрики всех родившихся в стране жителей с 1838 года, кроме этого реестра, есть и подробные генеалогические архивы, уходящие в прошлое на много поколений. Стефанссон утверждал, что может проследить собственную родословную на тысячу лет в прошлое, вплоть до легендарного исландского поэта и воина Эгилля Скаллагримссона, одного из героев исландских саг. В-третьих, в Исландии с 1914 года действует государственная служба здравоохранения, поэтому медицинские карты всей нации есть в наличии, они хранятся в строгом порядке, и их можно изучать.

Кари Стефанссон, невролог с гарвардским дипломом, интересовался сложными генетическими расстройствами, в частности рассеянным склерозом и болезнью Альцгеймера. Понимая, что его соотечественники – идеальная популяция для подобных исследований, он стал сооснователем компании deCODE и взялся за соотношение реестров медицинских (уже имеющихся) с реестрами генетическими. Стефанссон решил собрать максимально полную базу данных для поиска генов. На это у него имелось официальное разрешение от исландского парламента.

В 2000 году deCODE получила двенадцатилетнюю лицензию на создание и эксплуатацию Исландской медицинской базы данных. Генеалогические сведения были общедоступны, но в базу данных попадала информация из медицинских карт лишь тех островитян, которые на это согласились. В дальнейшем такие заверения жителей не спасли deCODE от широкого общественного осуждения относительно приватности генетических данных.

Большинство исландцев одобрили миссию компании, а также потенциальный положительный эффект для небольшой экономики своей страны. После завершения проекта «Геном человека» компания deCODE стала одной из самых успешных и плодовитых в плане открытий генетических организаций, открывшей аллели, ответственные за развитие десятков сложных, генетически ассоциированных нарушений: сердечных заболеваний, остеопороза, депрессии, шизофрении, инсульта и рака. Компания взяла на вооружение технологию ДНК микрочипов, позволившую генетикам отследить сотни тысяч однонуклеотидных полиморфизмов в рамках единого исследования ассоциаций, охватывающего весь геном. Момент истины для полногеномного поиска ассоциаций (GWAS) наступил в 2007 году, когда в журнале Nature была опубликована знаковая статья от фонда Wellcome Trust Сенгеровского института. В этой статье были опубликованы результаты исследования, проведенного с участием около 17 тысяч человек. Результатом этого исследования было выявление аллелей, вызывающих семь распространенных заболеваний, в том числе депрессию, болезнь сердца и болезнь Крона. На сегодняшний день уже существуют воспроизводимые опыты, доказывающие ассоциацию более 10 тысяч вариантов всевозможных патологических состояний с генетическими признаками: кардиологических расстройств, фибрилляции предсердий, многих видов рака, артрита, волчанки, целиакии, причем этот список далеко не полон.

Одновременно со стремительным падением стоимости полногеномного секвенирования и ее приближением к отметке в тысячу долларов росли амбиции ученых, планировавших крупномасштабные популяционные исследования. Речь шла уже не об идентификации отдельных генов, а об обеспечении проекта комплексного геномного здравоохранения. Примеры таких проектов ранее уже существовали: рассмотренный выше FarGen (Фарерские острова), Genomics England (финансируемая правительством Великобритании программа по секвенированию ДНК 100 тысяч пациентов), Precision Medicine Initiative (Инициатива в сфере точной медицины) в США. Первое поколение исследователей генома, включающее академические и коммерческие организации, зачастую сосредоточивалось на изучении одного гена или одного заболевания. Сегодня секвенирование ДНК и анализ геномов настолько усовершенствовались, что медицинские и фармацевтические компании могут вынашивать идеи крупномасштабных проектов по секвенированию геномов сотен тысяч человек в поискахмельчайших генетических мутаций, влияющих на наш разум, состояние организма и долголетие.

В 2015 году президент Обама официально объявил в Белом доме о старте проекта «Инициатива в сфере точной медицины»

Хотя сегодня мы значительно лучше представляем себе генетическую подоплеку распространенных болезней, чем до реализации проекта «Геном человека», пока мы выиграли лишь одну битву, но не войну в целом. С 2007 года были достоверно установлены ассоциации примерно с сотней генов и других участков генома, при которых у человека могут развиться воспалительные заболевания кишечника. Эта информация оказалась очень полезной, но встал другой вопрос: какие гены наиболее важны? Теперь исследователям требовалось проанализировать список наиболее актуальных и интересных «генов-подозреваемых», и практически каждый из этих генов может стать потенциальной терапевтической мишенью. Хуже того, почти половина ассоциаций, которые можно воспроизвести экспериментально, находятся вне генов, в плохо изученных «пустынных» регионах генома. В некоторых случаях такие генетические варианты нарушают работу регуляторных участков, влияя на работу генов, расположенных очень далеко. Более того, совокупность всех генов, которые ассоциированны с тяжелыми соматическими заболеваниями, например болезнью Крона или диабетом, составляет малую долю всех генетичеких изменений у конкретного человека. Эта досадная неопределенность часто именуется термином, напоминающим заглавие детективного романа: «скрытая наследуемость». Мне грустно об этом говорить, но генетические находки не так хорошо помогают нам понять биологию заболеваний, как нам хотелось. Еще один пример – шизофрения, проблема, крайне актуальная для моей семьи. Однако генетические исследования этой болезни весьма сумбурны. В 1988 году группа лондонских ученых объявила, что в ходе анализа сцеплений им удалось картировать доминантный ген шизофрении, расположенный в 5-й хромосоме. Результаты этого исследования были опубликованы в журнале Nature, равно как и результаты дальнейших исследований, безапелляционно развенчавших это заявление. Давайте перенесемся вперед на двадцать пять лет: представители нового поколения исследователей объединились, чтобы проанализировать миллионы последовательностей у тысяч пациентов в поисках таких аллелей, которые связаны с риском развития шизофрении. На начальном этапе исследований в нем участвовало шесть тысяч пациентов, затем 20 тысяч, но увеличение испытуемых не приблизило нас к пониманию проблемы. Расширенное исследование 110 тысяч больных и добровольцев из контрольной группы показало, что на подобные ассоциации указывает около сотни маркеров ДНК. Наиболее сильный маркер связан с геном четвертого фактора системы комплемента (C4), более известного своей ролью в реализации протективных свойств врожденного иммунитета, но, что весьма интересно, выполняющего совершенно иную функцию, приводя к мутациям, изменяющим нейронную сеть и влияющим на синаптическую пластичность, необходимое условие для обучения и памяти. По-видимому, чем активнее этот ген, тем выше риск развития шизофрении.

Вполне возможно, что это и есть ключевая подсказка о сути патогенетического пути развивития шизофрении, но позволит ли она фармацевтам подступиться к созданию лекарства от этой болезни? Я отчаянно надеюсь, что так и будет. Все, о чем я сейчас говорю, всего лишь одно из проявлений фундаментальной проблемы, которая касается исследования всевозможных генетических заболеваний: как редких, так и распространенных. Как только мы найдем все или почти все аллели, обусловливающие эти болезни, возникнет другой вопрос: что делать дальше?

Иногда генетические болезни можно излечить без помощи новейших препаратов или специальной терапии, а просто поняв базовую причину такого заболевания. Возьмем, к примеру, один из наиболее изученных врожденных дефектов метаболизма, тот самый, из-за которого на некоторых продуктах, особенно на бутылках с газировкой, мелким шрифтом предупреждают: содержит фенилаланин. Фенилаланин – это аминокислота (один из основных первокирпичиков, слагающих белки), которая не усваивается людьми с генетическим расстройством под названием фенилкетонурия (ФКУ).

Эта история началась в Норвегии в 1934 году. Молодая мама была полна решимости выяснить, что же не так с двумя ее детьми четырех и семи лет, которые, казалось бы, родились совершенно здоровыми. Старший был плохо приучен к горшку и едва выговаривал несколько слов, а уж о полноценных предложениях не шло и речи. Врач и биохимик Асбьерн Феллингвыявил у этих детей любопытную биохимическую аномалию: у них в моче было слишком много фенилаланина. Асбьерн Феллинг обнаружил еще тридцать четыре таких случая в двадцати двух семьях по всей Норвегии и понял, что столкнулся с генетическим заболеванием.

На сегодняшний день уже известно, что ФКУ обусловлена мутацией в гене фенилаланингидроксилазы – это фермент, преобразующий фенилаланин в другую аминокислоту, тирозин. Это редкое наследственное заболевание, имеющее аутосомно-рецессивный путь передачи, в Северной Америке встречается примерно 1 раз на 10 тысяч человек. У детей, страдающих этой болезнью, фенилаланин накапливается в крови, тормозит развитие мозга и приводит к тяжелому отставанию в умственном развитии. Предотвратить заболевание просто: дети с ФКУ вырастают нормальными, если с самого рождения живут на диете, бедной фенилаланином, то есть с минимальным содержанием белка и без искусственно подслащенных напитков. Принципиально важно как можно раньше, лучше после рождения выяснить, рискует ли ребенок заболеть ФКУ. Роберт Гатри разработал простой анализ крови, позволяющий определить уровень фенилаланина, и неустанно продвигал его, пока анализ не вошел в стандартную практику медицинского скрининга. С 1966 года в США у каждого новорожденного берут анализ крови из пятки и проверяют уровень фенилаланина. Тест Гатри, при котором не проверяется ни единой «буквы» ДНК, ежегодно позволяет выявить у миллионов младенцев редкие генетические заболевания, в том числе ФКУ. До появления этого анализа 1 % всех случаев умственной отсталости в США связывали с ФКУ; теперь выявляется всего несколько случаев в год.

К сожалению, не по всем болезням и не во всех штатах проводится такой скрининг. В 2005 году Джим Келли, бывший квотербек в команде «Буффало Биллз» (американский футбол), и его жена Джил потеряли сына Хантера, который скончался от редкого генетического расстройства – болезни Краббе. Подобное заболевание показано в фильме «Масло Лоренцо», оно поддается лечению при условии ранней диагностики. Семья Келли основала фонд «Надежда Хантера», позволивший собрать миллионы долларов на исследование болезни Краббе и более полный скрининг новорожденных. Однако в масштабах такого огромного государства, как США, лишь в Нью-Йорке и еще нескольких штатах младенцев обязательно проверяют на болезнь Краббе, что является весьма постыдным фактом.

Через пятьдесят лет после появления теста забора крови из пятки у новорожденных Роберт Грин и его коллеги из Гарвардской медицинской школы запустили Baby Seq – рандомизированное клиническое исследование, в рамках которого планируется отсеквенировать геномы более сотни новорожденных и отследить в них 1700 заболеваний, начинающихся в детском возрасте. Для Гарварда это всего лишь небольшое клиническое исследование, но оно даст возможность совершить огромный скачок в оценке пользы от всеобщего скрининга новорожденных.

На 1950-е годы пришлось активное развитие цитогенетики – изучения хромосом под микроскопом. В диагностической практике этот подход показал, что при нарушении числа хромосом, когда их больше или меньше нормы, неизбежно возникают тяжелейшие болезни. Проблемы связаны с дисбалансом числа генов, то есть с отклонением от нормы «по два гена от каждого». Подобные расстройства не передаются по наследству, как миодистрофия Дюшенна или муковисцидоз, но все равно являются по сути генетическими; они возникают спонтанно при сбоях в клеточном делении и при образовании дефектных сперматозоидов и яйцеклеток.

Наиболее известная из таких болезней – синдром Дауна. Названа болезнь в честь Джона Лэнгдона Дауна, который в 1866 году впервые описал его характерные клинические признаки. «…Это [внешнее сходство] столь выраженное, что, если посадить таких детей бок о бок, сложно поверить, что они из разных семей». Девяносто лет спустя французский врач Жером Лежен обнаружил, что у детей с синдромом Дауна по три экземпляра одной хромосомы (впоследствии выяснилось, что лишняя 21-я хромосома). Среди генетиков-профессионалов такое расстройство именуется «трисомия 21».

Трисомия 21 (синдром Дауна). Кариотип (полный набор хромосом), взятый у мужчины с синдромом Дауна. Обратите внимание на лишнюю 21-ю хромосому

Чем старше мать, тем выше риск синдрома Дауна. Когда матери 20, вероятность родить такого ребенка составляет примерно 1:1700, когда 35 – уже 1:400, а в 45 достигает 1:30. Именно поэтому многие старородящие женщины выбирают пренатальную диагностику, позволяющую определить, есть ли у плода тройная 21-я хромосома. Сегодня такой анализ входит в стандарт обследования беременных женщин старше 35 лет.

В Великобритании 30 % беременностей с синдромом Дауна обнаруживается при плановом тестировании у 5 % самых старородящих женщин. Этот метод выделяется своей высокой эффективностью по соотношению «число обнаруженных случаев на каждый потраченный фунт стерлингов», но что насчет остальных 70 % случаев синдрома Дауна? Неинвазивные методы являются альтернативными умеренно рискованным технологиям: амниоцентезу и биопсии хориона, – меняют профиль пренатальной диагностики. В конце 1990-х годов различные исследователи, в частности Деннис Ло из Китайского университета в Гонконге, показали, что ДНК плода можно обнаружить в плазме крови матери. Десять лет спустя Ло и группа ученых из Стэнфордского университета под руководством Стивена Квейка независимо показали, что анализ такой ДНК позволяет выявить трисомию 21. Процедура под названием «неинвазивное пренатальное тестирование» (NIPT) относительно проста: исследователь секвенирует 5–10 миллионов коротких произвольно взятых фрагментов ДНК из материнской плазмы, а затем сличает их с соответствующими хромосомами. Если в ДНК плода обнаруживается лишняя 21-я хромосома, то из 21-й хромосомы будет больше фрагментов, чем из других. Аналогично обнаруживаются трисомии и в других хромосомах, в частности в 13-й или 18-й. Такие трисомии вызывают соответственно синдром Эдвардса и синдром Патау, тяжелые генетические расстройства; ребенок с такими болезнями обычно умирает спустя несколько недель или месяцев после рождения. Другие трисомии летальны на пренатальном этапе, так прерывается около 30 % беременностей, и около половины подобных случаев прерывания беременности связаны с теми или иными хромосомными аберрациями.

Точность и эффективность метода неинвазивного пренатального тестирования (NIPT) была доказана в ходе клинических исследований, и первый клинический анализ по такому методу диагностики был выставлен в 2011 году. Вскоре появились и другие, и NIPT стал стандартной диагностической пренатальной процедурой, которую обычно проходят на первых 10 неделях беременности. Увы, этот метод не абсолютно точен. В 2014 году в Атланте был зафиксирован первый «ложноотрицательный» результат NIPT: ребенок родился с синдромом Дауна, хотя диагностика показала, что плод здоров.

Пока скрининг ДНК плода, взятой из плазмы материнской крови, позволяет выявить лишь ограниченный набор генетических расстройств.

Флуоресцентное окрашивание, позволяющее определить число хромосом. Ядро клетки (синее) анализируется на присутствие 10-й хромосомы (голубая) и 21-й хромосомы (розовая). Слева показан нормальный кариотип, в котором по два экземпляра обеих этих хромосом; справа – кариотип, соответствующий синдрому Дауна (три 21-х хромосомы)