ДНК обычно сравнивают с книгой, где записана инструкция по сборке организма. Логично заключить, что одному человеку — одна инструкция. Это же подразумевается, когда говорят, что кому-то достались хорошие (или плохие) гены: было бы странно, если бы печень унаследовала одни, а мозг — другие. Но именно так иногда и происходит, причем подобные случаи встречаются намного чаще, чем можно подумать, пишет Карл Циммер в своей книге.
На 500 страницах Циммер рассказал еще много чего интересного. К примеру, у каждого из нас возникает где-то 10 квадриллионов новых мутаций, которые делают клетки отличными друг от друга, а иногда превращают их в раковые; как на отдельные особи и виды, на наши клетки действует отбор, и они образуют что-то вроде генеалогических деревьев; эмбрионы способны слиться в одно целое, и тогда родится ребенок, генетически представляющий собой двух разных людей.
На английском языке "Она смеется, как мать. Могущество и причуды наследственности" появилась полтора года назад и в прошлом декабре попала, кажется, во все итоговые списки лучших научно-популярных книг. С тех пор она уже немного устарела: китайский биолог Цзянькуй Хэ объявил о рождении двойняшек с отредактированными генами, то же самое собирается проделать россиянин Денис Ребриков. Впрочем, генной модификации Циммер тоже касается, и его книга поможет решить, как вообще относиться к самой многообещающей и одновременно жутковатой технологии последних десятилетий.
Генетические различия, создаваемые мозаицизмом между клетками одного человека, значительно меньше, чем между двумя людьми. Если я сравню клетки своих левой и правой руки, они не окажутся генетически идентичны, но будут значительно больше похожи друг на друга, чем на любую клетку моего брата Бена. Однако соматическая мутация с заменой одного-единственного основания может сильно повлиять на состояние нашего здоровья, ускользнув при этом от лучших медицинских тестов. Чтобы диагностировать обычное наследственное заболевание, которое присутствует уже на стадии зиготы, генетики могут проанализировать ДНК из любой клетки пациента. Но при мозаицизме одна клетка не может отвечать за все остальные.
В 2013 году врачи детской больницы Люсиль Паккард при Стэнфордском университете в калифорнийском городе Пало-Альто узнали, насколько неприятным может быть мозаицизм, когда Сици Цой родила своего третьего ребенка, дочку Астрею. Первый признак, говорящий о наличии у плода проблем, заметили на 30-й неделе беременности. Акушер уловил нечто необычное в его сердцебиении. "Удар был длинный и короткий, опять длинный и опять короткий", — объясняла мне Цой.
У врачей появилось опасение, что у Астреи может быть наследственное заболевание под названием "синдром удлиненного интервала QT". В норме, когда сердце бьется, в мышце происходит периодическое изменение электрического заряда, вызывающее ее сокращение. После каждого биения ионы проходят через ионные каналы в клетках, чтобы могло произойти следующее изменение заряда. Примерно один из двух тысяч новорожденных появляется на свет с нарушенными ионными каналами. У кого-то каналов недостаточно, у других они имеют неправильную форму, что может препятствовать перемещению ионов. Эти нарушения могут замедлить восстановление заряда сердечной мышцы, так что промежутки между ударами удлиняются и нарушается точная хореография электрических волн сердца. Без лечения нестабильность, возникающая при синдроме удлиненного интервала QT, иной раз оказывается смертельной.
Точно диагностировать этот синдром у Астреи можно было бы только после ее рождения — когда появилась бы возможность закрепить электроды на грудной клетке малышки. Пока же врачи Цой наблюдали за пренатальным развитием Астреи, делая дважды в неделю эхокардиограмму и УЗИ, чтобы следить за ее сердцебиением удаленно. Чем дольше медики могли продлить беременность, тем здоровее была бы Астрея после рождения.
Но на 36-й неделе врач заметил подозрительное скопление жидкости вокруг сердца Астреи. Это могло быть признаком сердечной недостаточности. Было принято решение об экстренном кесаревом сечении.
Когда Цой очнулась в больничной палате после операции, она ожидала, что медсестра принесет ей Астрею. Шли часы, но дочку так и не приносили. Цой попросила своего мужа Эдисона Ли сходить в отделение интенсивной терапии для новорожденных. Вернувшись, тот сказал, что вокруг Астреи столпилось столько докторов, что ему даже не удалось на нее взглянуть.
На следующий день к Цой пришел ее врач с бумагой для подписи. "Тогда я поняла — у девочки что-то серьезное", — рассказывала Цой. Доктор объяснил, что у Астреи действительно тяжелая форма синдрома удлиненного интервала QT, и вскоре после рождения у нее произошла остановка сердца. Цой было нелегко разобраться в медицинской терминологии, но ей стало ясно, что хирурги собираются оперировать сердце Астреи, которой всего один день от роду, чтобы спасти ей жизнь.
После того как Цой и Ли подписали согласие, хирурги имплантировали Астрее кардиовертер-дефибриллятор. Когда ее сердечный ритм выходил из-под контроля, дефибриллятор давал электрический разряд, чтобы ее сердце "перезагрузилось" и снова билось в правильном ритме.
В бригаде врачей, работавших с Астреей, был детский кардиолог Джеймс Прист из Стэнфордского медицинского центра наследственных сердечно-сосудистых заболеваний. Прист отправил кровь Астреи на генетический анализ, чтобы узнать, удастся ли найти причину ее синдрома удлиненного интервала QT. Вместо поиска конкретной мутации Прист заказал так называемую панель: анализ мутаций в разных генах, о которых уже было известно, что они связаны с синдромом удлиненного интервала QT. Результаты такого теста могли рассказать Присту, какой тип ионных каналов нарушен в сердце Астреи. Одни каналы перекачивают ионы натрия, другие — калия. Чтобы подобрать наилучшее средство для лечения синдрома удлиненного интервала QT, нужно знать, в чем конкретно проблема.
Однако кардиолог хорошо понимал ограничения такого анализа. Во-первых, он медленный. Может пройти несколько месяцев, прежде чем придут результаты, и будет упущен жизненно важный период, в течение которого Астрее помогало бы правильно подобранное лекарство. Во-вторых, как было известно Присту, у 30% пациентов с синдромом удлиненного интервала QT в этом анализе генетические ошибки вообще не выявляются. В то время ученые знали отнюдь не все гены, мутации в которых могли приводить к синдрому удлиненного интервала QT. Таким образом, почти треть пациентов оставалась в так называемом генетическом чистилище.
В 2013 году Прист с коллегами начал проводить у некоторых своих пациентов полногеномное секвенирование, чтобы лучше понять их заболевания. Вместо того чтобы проверять по одному гену за раз, исследователи хотели взглянуть на все гены скопом. Когда Прист обсудил случай Астреи со своими коллегами-учеными, все они решили, что секвенирование генома может оказаться быстрее и информативнее, чем стандартный анализ. Но также они понимали, что нет никаких гарантий успешности такого эксперимента.
Прист поговорил с Цой и Ли, объяснив, что он хочет сделать. "Геном каждого человека похож на книгу из 23 глав. У вас есть две копии каждой главы, одна от вашего отца, а другая от матери. Полногеномное секвенирование проверяет все. Оно выявляет пропущенные главы, абзацы, каждое слово с ошибкой", — рассказывал Прист.
Цой и Ли дали свое согласие, и Прист взял немного крови у Астреи, которой тогда было три дня от роду. Он отправил кровь в компанию Illumina, где спешно принялись за работу. Спустя шесть дней Прист получил все первичные данные. Он установил программу, чтобы собрать из коротких фрагментов полный геном Астреи, а затем занялся поиском мутаций, которые могли вызвать синдром удлиненного интервала QT.
Конечно, у Астреи были миллионы вариаций, но Прист практически сразу заинтересовался одним конкретным геном. У нее имелась редкая мутация в одной копии гена scn5a. Он кодирует натриевые каналы в сердце, и к тому же Прист уже сам обнаружил ранее, что у другого пациента мутация именно в этом участке вызвала синдром удлиненного интервала QT. "Я был поражен до глубины души, — рассказывал Прист, — лучше и не придумаешь".
На следующий день Прист сообщил Цой и Ли о своем открытии. Астрее, которой исполнилось всего десять дней, назначили лечение для восстановления работы натриевых каналов. Затем Прист вернулся к ее геному, чтобы завершить дело, подтвердить диагноз и описать результаты.
И тут все рассыпалось.
Специалисты из компании Illumina секвенировали геном Астреи так же, как мой и тысяч других людей. Они разрушили ее лейкоциты и нарезали ДНК, которая была внутри. Затем они с использованием ПЦР сделали много копий этих фрагментов и определили в них последовательность нуклеотидов. С помощью своей компьютерной программы Прист увидел, где в геноме Астреи располагались прочитанные фрагменты. Поскольку фрагментов было много, около 40 из них выстроились в каждом участке ее ДНК. В среднем примерно половина фрагментов относилась к одной копии гена, а вторая половина — к другой. Прист нашел мутацию в гене scn5a в восьми из 34 фрагментов. Такой расклад не был идеальным распределением 50 на 50, но Прист решил, что этого достаточно. Он предположил, что одна из копий гена scn5a содержит мутацию, вызывающую заболевание.
После полногеномного секвенирования Прист провел более целенаправленное исследование ДНК Астреи. Он выделил ген scn5a из нескольких лейкоцитов малышки и сделал миллионы копий этих участков, чтобы можно было их подробно изучить. Он рассчитывал, что нормальная и мутантная версии дадут распределение 50 на 50. Однако Прист вообще не обнаружил мутации. Картина выглядела так, будто он исследовал двух разных младенцев, одного со смертельной мутацией, а другого без нее. Он вспоминал: "Это меня просто ошеломило".
Прист заинтересовался, нет ли чего-нибудь необычного в генах родителей Астреи, что могло ввести его в заблуждение. Но ни у Цой, ни у Ли не имелось никаких признаков наличия синдрома удлиненного интервала QT. У них никогда не было проблем с сердцем, и Прист убедился, что их ЭКГ без отклонений. Оставалась вероятность, что кто-то из них был носителем лишней сломанной копии гена scn5a. Иногда возникает мутация, при которой ген случайно удваивается, но с его дополнительной копии невозможен синтез белка. Может быть, Астрея унаследовала такой псевдоген scn5a, а Прист ошибочно принял его за работающую версию гена? В таком случае найденная мутация в scn5a не имела бы никакого отношения к проблемам с сердцем у Астреи и Прист вернулся бы к исходной точке. Ему пришлось бы заново начать поиск причины синдрома удлиненного интервала QT.
Чтобы найти этот псевдоген, Прист взял на анализ ДНК Цой и Ли. Вместо того чтобы секвенировать весь геном, он определил последовательность только у белок-кодирующих генов. И опять остался ни с чем. Ни у кого из родителей Астреи не было псевдогена scn5a.
Наконец Прист рассмотрел самый крайний вариант — мозаицизм у Астреи. Может быть, мутация в гене scn5a присутствовала лишь в некоторых ее клетках, а в других такой мутации не было? Чтобы изучить эту вероятность, Прист отправил кровь девочки Стивену Квейку — ученому из Стэнфордского университета, разработавшему способ секвенирования генома из одной клетки. Он мог, не смешивая ДНК, взятые из множества клеток Астреи, проверить каждую.
Квейк со своей группой проанализировал 36 клеток крови Астреи. В трех из них исследователи обнаружили мутацию в одной из копий гена scn5a. В других 33 клетках обе копии гена были нормальными.
Тест, проведенный Квейком, подтвердил, что кровь Астреи мозаична. Чтобы получить более полное представление о ее мозаицизме, Прист с коллегами взял на анализ также ее слюну и мочу. Теперь у исследователей были образцы клеток девочки, произошедших из трех зародышевых слоев. (Кровь образуется из мезодермы. Слизистая оболочка рта родом из эктодермы. А мочевыводящие пути развиваются из энтодермы.)
Ученые обнаружили, что во всех трех типах тканей клетки с мутацией в гене scn5a составляли 7,9–14,8%. Другими словами, Астрея была мозаичной от начала до конца. Она стала такой, будучи всего лишь шариком из клеток, еще до образования трех зародышевых слоев. Одна из клеток этого эмбрионального шарика оказалась мутантной и при делении передала мутацию своим потомкам. Клетки, унаследовавшие сломанный ген scn5a, в итоге попали во все три зародышевых слоя.
К тому времени как Прист с коллегами разгадал мозаичную природу Астреи, она достаточно хорошо восстановилась после операции, так что Цой и Ли забрали ее домой. Лекарства, рекомендованные Пристом, помогали держать под контролем синдром удлиненного интервала QT, и малышка жила жизнью счастливого младенца. Но однажды, когда Астрее было семь месяцев, у Цой зазвонил телефон.
"Звонила врач и спрашивала, все ли у Астреи в порядке", — рассказывала Цой. Цой ответила, что Астрея сейчас прямо около нее. Играет с игрушками.
Оказалось, что в сердце Астреи сработал дефибриллятор. Врачи мгновенно узнали об этом, поскольку получили от него соответствующее сообщение. Нужно было доставить Астрею в больницу как можно скорее. "Я даже не сразу поняла, о чем речь", — вспоминала Цой.
Когда стэнфордские врачи осмотрели Астрею, они обнаружили, что ее сердце опасно увеличено — это еще одна проблема, связанная с мутацией в гене scn5a. Чтобы выжить, малышке нужно было новое сердце. Вскоре после того, как Астрею привезли в клинику, ее сердце остановилось, и врачи боролись за жизнь девочки, присоединив к сердцу механический насос для поддержания его работы.
"В ту ночь, когда она чуть не умерла, я подумала, что если ей это слишком тяжело или слишком больно, то пусть уйдет", — признавалась Сици Цой.
Астрея справилась, и силы ее восстановились. А спустя несколько недель оказалось доступным донорское сердце. Астрее провели трансплантацию, и через некоторое время она вернулась домой. Первые месяцы были тяжелыми для всей семьи, Астрею постоянно тошнило. Но все-таки она поправилась. Ей необходимо трижды в день принимать препараты, препятствующие отторжению, но в остальном ей вернули детство. Девочка снова и снова слушает песенки из мультфильма "Холодное сердце". Она даже может кувыркаться вместе со своей сестрой.
Когда Астрее сделали пересадку сердца, Прист получил возможность раз и навсегда выяснить, виноват ли в ее заболевании мозаицизм. После извлечения органа из тела девочки хирурги передали несколько фрагментов мышцы Присту для изучения. Он с коллегами выяснил, что в правой части сердца мутантный ген scn5a содержали 5,4% клеток. В левой части — 11,8%. Маленькие вкрапления мутантных клеток были смешаны с обычной тканью. Прист и его сотрудники создали компьютерную модель этого сердца с соответствующим количеством мутантов и заставили его биться. Оно сокращалось почти так же нерегулярно, как и сердце Астреи.
У Астреи больше нет мозаичного сердца, но остальное ее тело — по-прежнему генетическая смесь. Однако ген scn5a с мутацией больше не опасен для жизни девочки. Присту остается только гадать, сколько других случаев синдрома удлиненного интервала QT связаны с таким же мозаицизмом, как у Астреи. "Вряд ли я еще когда-нибудь в жизни столкнусь со столь же интересным случаем", — говорит он.