Время генома: Как генетические технологии меняют наш мир и что это значит для нас: читать книгу онлайн полностью и бесплатно

Многим врачам, так же как и мне, трудно выговорить название гена, мутация в котором вызывает болезнь Гоше, – ген лизосомальной глюкоцереброзидазы, – поэтому знакомьтесь с более удобным сокращенным именем и официальным названием этого гена: GBA.

GBA – один из тех генов, которые ученые называют генами домашнего хозяйства. Главная «домашняя обязанность» GBA – утилизация определенного типа отработанных жировых клеточных отходов, научное название которых – глюкозилцерамиды. Когда GBA не работает, глюкозилцерамиды (сокращенное называние GL-1) накапливаются в макрофагах селезенки, заставляя ее увеличиваться в 10 раз. У некоторых пациентов при определенных мутациях болезнь также может вызывать увеличение печени, нарушения в работе клеток костного мозга, кожи, легких и – в особо серьезных формах – головного мозга, то есть нарушения могут быть во всех местах, где работают GBA и макрофаги патрулируют и поглощают отходы других клеток.

Почти через 100 лет после открытия, сделанного Гоше, родился Наполеон Джексон. Он вырос и получил образование на одном из идиллических островов Карибского архипелага. Его предки поселились здесь на семейной ферме так давно, что уже никто не помнил те времена. За долгие годы он и его семья пережили много тропических штормов.

Будучи молодым человеком, Наполеон переехал в окрестности Нью-Йорка в поисках возможности стать актером и музыкантом и в надежде на светлое будущее. Но он точно прибыл туда не ради холодной погоды, к которой так и не смог привыкнуть. В 30 с чем-то лет он переехал с женой и детьми в Нью-Джерси и, чтобы прокормить семью, устроился на работу в качестве технического служащего в одну из больниц Верхнего Ист-Сайда в Манхэттене – районе, который местные жители называют «аллеей больничных уток» из-за большого количества медицинских учреждений.

Я встретил его в клинике через несколько дней после того, как гигантский ураган «Сэнди», образовавшийся в тропиках, обрушился на окрестности Нью-Йорка. Ужасный шторм ударил по Нью-Йорку и штату Нью-Джерси с такой яростью, какую я никогда раньше не видел. Это был самый мощный ураган на Атлантике, и он навсегда изменил пейзаж нашего города. Десятки тысяч деревьев были вырваны ветром. Целые поселки смыты наводнением или, как это случилось на Статен-Айленде, сожжены пожаром. Погибли сотни жителей.

Ураган обрушился и на мой собственный дом в Уэстчестере, на 11 дней лишив меня электричества, тепла и чуть ли не надежды. В то утро, когда Наполеон пришел в клинику, я чувствовал себя помятым, замерзшим и бессильным в городе, пережившем «Сэнди», – городе без метро, городе, похожем на сцену «Манхэттен опять в руинах» из фильма-катастрофы.

Однако мой новый пациент был в еще худшем состоянии. Наполеон был измотан – за последние несколько дней он спал всего одну ночь. Его форма была очень грязной и мятой, штаны порваны. Он побывал в аду во время урагана, и ему посчастливилось выжить.

Он страдал от загадочной болезни, которая изматывала его. У него болели кости. А при осмотре лечащий врач обнаружил, что его селезенка была огромной и настолько распухшей, что казалось, вот-вот разорвется, залив его внутренности, как лопнувший воздушный шарик с водой. Это несчастье легко могло произойти, если бы Наполеон, допустим, поскользнулся на мокром полу больничного подвала, где провел долгую ночь во время урагана, неприметно, с полной отдачей, спасая людей.

Неподалеку от клиники, в которой Наполеон обратился ко мне, располагается Медицинский центр Лангон при Нью-Йоркском университете, который встретился с катастрофой лицом к лицу, когда ураган «Сэнди» обрушился на побережье. Больничные подвалы, лифтовые шахты и нижние этажи были затоплены водой Ист-Ривер, поднявшейся на высоту более трех метров. Из строя вышли резервные генераторы, и почти вся больница лишилась электроэнергии, в том числе хирургическое отделение, отделения интенсивной терапии и реанимации новорожденных, где живут и иногда умирают самые слабые больные. Пациентов, в том числе недоношенных детей, подключенных к почти разряженным аппаратам жизнеобеспечения, преодолевая девять пролетов по скользким ступеням, выносили в темноте на улицу, где бушевал шторм. Наполеон был одним из многих героев, которые мужественно боролись в этом районе на протяжении целой ночи. Подвалы манхэттенской больницы, где он работал, также были затоплены. Замерзшие и измученные, он и его коллеги сражались с безжалостным Атлантическим океаном всю ночь. Неоднократно рискуя жизнью, они успешно спасли той ночью многих людей, иначе воды Ист-Ривер смыли бы пациентов Медицинского центра Лангон в океан.

Первые симптомы заболевания появились у Наполеона несколькими годами ранее, когда обычный анализ крови показал низкий уровень тромбоцитов – клеток крови, останавливающих кровотечение. Хотя иногда из-за этого возникали синяки, в том числе точечные синяки петехии, которые образовывались на кончиках пальцев во время игры на гитаре, он не обратил на это внимания, и это никак не повлияло на его работу и личную жизнь.

Как и у первой парижской пациентки Гоше, селезенка Наполеона была наполнена раздувшимися макрофагами. Из-за малого количества тромбоцитов и увеличенной селезенки возникло предположение о лейкемии, и лечащий врач направил его на биопсию костного мозга. Врач-патолог не нашел клеток, чьи ядра были бы похожи на ядра раковых клеток, поэтому лейкемию исключили. В костном мозге имелись другие отклонения: клетки крови были более морщинистые, чем обычно, и они были наполнены микроскопическими пузырьками, называемыми вакуолями. Однако, хотя эти результаты были явно ненормальными, для постановки диагноза они были столь же мутными, как Ист-Ривер после урагана. К счастью, поскольку раковых клеток найдено не было, Наполеона не мучили неспецифической цитотоксической химиотерапией. На самом же деле из-за особенностей работы GBA его костный мозг был наполнен макрофагами, поэтому появились анемия и быстрая утомляемость.

При дальнейших обследованиях внимательный гематолог, выясняя причину снижения количества тромбоцитов, заметил, что родители Наполеона были дальними родственниками, потому что родились и выросли на одном и том же острове в Карибском море. Острова называют божьим даром для генетиков, потому что на них больше вероятность обнаружить рецессивное генетическое заболевание, которое создает проблемы, если человек получает две копии этого гена – по одной от каждого родителя. На островах из-за их изоляции и поскольку иногда жители стремятся вступать в брак только с членом своей группы, например в религиозной общине, вероятность, что носители одного и того же вредоносного гена (все мы несем от 2 до 5 таких генов) вступят в брак, выше, чем в неизолированных сообществах, таких как большой город.

Этот дотошный гематолог предположил, что у Наполеона может быть синдром Германски – Пудлака – редкое рецессивное наследственное заболевание, при котором в костном мозге накапливается другой вид клеточного мусора, больше похожий на кусочки вощеной бумаги. Кроме того, один из предков Наполеона был альбиносом с очень светлой кожей, светлыми волосами и светлыми глазами, а синдром Германски – Пудлака может проявляться таким образом.

Тем не менее Наполеону не сделали генетический анализ на синдром Германски – Пудлака, потому что эти анализы не оплачивались его медицинской страховкой. Почему? Синдром Германски – Пудлака не считается страховым случаем, поскольку для него нет лечения. Компания заявила, что, хотя результаты анализа помогут Наполеону узнать о своем будущем и будущем его семьи, они практически никак не повлияют на медицинский уход за ним{2}.

Мы попытались опротестовать это решение. Я лично встретился с врачом, работавшим в страховой компании, обслуживающей Наполеона, чтобы обсудить этот случай. Я рассказал ему историю и наши выводы, но страховщик нам отказал, найдя вежливый способ назвать меня ученым-выскочкой, который заказывает слишком много тестов для своих пациентов, – «доктор Дон Кихот», один из тех, которые гоняются за диагностическими «ветряными мельницами» и разоряют нашу систему здравоохранения (однако при этом не упомянул стоимость страховых взносов). Мы безуспешно пытались найти исследовательскую лабораторию, которая заинтересовалась бы изучением тромбоцитов Наполеона с помощью электронной микроскопии: так тоже можно было бы поставить диагноз, не платя за обследование. Клинические исследования с бесплатным генетическим анализом встречаются очень редко, и, думаю, вам бы не хотелось, чтобы врачи считали вас настолько интересным случаем.

Не только селезенка, но и печень Наполеона была увеличена. Его мать и брат страдали от болезни Паркинсона, и это повышало вероятность того, что у Наполеона болезнь Гоше. (Считается, что болезнь Гоше может вызывать паркинсонизм, потому что «скомканная бумага» откладывается в микроглии – макрофагах нервной системы.) Чтобы попытаться разобраться в симптомах Наполеона, его направили к гастроэнтерологу, и он сосредоточил внимание на печени, которая настолько увеличилась, что заняла почти весь живот и почти касалась селезенки. Печень не разорвется так же легко, как нежная селезенка. Это позволяло безопасно провести любые инвазивные процедуры, которые помогли бы подтвердить или опровергнуть наличие возможных заболеваний. Мы подозревали еще одну наследственную болезнь – гемохроматоз, когда железо в опасных количествах накапливается в печени и других органах.

Гастроэнтеролог провел биопсию печени. Это было что-то вроде диагностического подбрасывания монеты. Если бы выпал «орел», мы нашли бы накопление восковидного мусора в печени, как при болезни Германски – Пудлака. Если «решка» – мы бы нашли белые пенистые макрофаги, указывающие на болезнь Гоше. Если бы монета легла на ребро, нужно было бы начинать все с нуля.

Под микроскопом клетки печени Наполеона выглядели сильно поврежденными. Некоторые из них были замещены липкими белково-углеводными волокнами, которые играют в нашем организме роль изоленты. Врачи называют это научным термином фиброз. Патолог не смог сказать, было ли это последствием воздействия какого-то токсина (например, химических веществ на работе) или же причина была генетическая. Таким образом, результаты оказались весьма неопределенными.

Но был еще один важный аспект, на который обратил внимание патолог: в печени присутствовали пенистые макрофаги, характерные для болезни Гоше, и это навело нас на точный диагноз.

Поскольку для этого диагноза существовало лечение, страховая компания согласилась оплатить «доктору Дон Кихоту» генетическое исследование Наполеона для подтверждения болезни Гоше. Мы взяли кровь и отправили в лабораторию проверить ген GBA. Там призвали на помощь генетического «ученика чародея» – так мы называем полимеразную цепную реакцию (ПЦР), чтобы сделать миллион копий GBA гена Наполеона. ПЦР была разработана в 1983 г. Кэри Муллисом и Майклом Смитом с коллегами. При высокой температуре двойная спираль ДНК разрушается. Затем при понижении температуры однонитевые праймеры (маленькие синтезированные фрагменты ДНК, взаимодополняющие определенные области генома) ищут и находят участок с подходящей для них последовательностью нуклеотидов. Очищенный фермент, называемый ДНК-полимераза, добавляет новые элементы (А, Ц, Т и Г) к концам праймеров, и генетическая последовательность образца реплицируется. Этот цикл повторяется много раз, и только что синтезированные фрагменты сами становятся матрицами для синтеза, поэтому процесс усиливается в геометрической прогрессии, как при расщеплении атомов.

На следующем этапе ДНК секвенируют – это повторение процесса синтеза, но теперь есть А, Ц, Т и Г, окрашенные специальной флуоресцирующей меткой, которая реагирует на свет аргона, показывая, где какой нуклеотид. В конце концов секвенатор ДНК, анализируя огромное множество нуклеотидных последовательностей, определяет, где находится каждый фрагмент этой мозаики, и мы получаем ответ.

В случае с Наполеоном мы нашли мутацию, которую искали. У него было две копии мутировавшего гена, который его родители получили, вероятно, от общего дальнего предка, поскольку их семьи жили на одном и том же острове в Карибском море. Произошла замена только одной из 536 аминокислот в белке GBA, но этого оказалось достаточно, чтобы Наполеон тяжело заболел.

Эта мутация в GBA уже неоднократно обнаруживалась прежде. Известно, что впервые она появилась около 50 поколений назад, в период Раннего Средневековья, у человека, который был евреем по национальности. Происхождение этой мутации легко проследить до того времени, анализируя аллели этого гена у разных этнических групп сегодня. Каждый раз, когда сперматозоид и яйцеклетка сливаются, родительские геномы объединяются и перемешиваются. Изучив нынешние аллели и насколько эти аллели различаются у разных этнических групп, мы можем определить историю той или иной мутации. В настоящее время эта мутация, вызывающая болезнь Гоше, распространилась по всему миру и чаще всего (но не всегда) встречается у евреев.

Если мутация возникает у человека, принадлежащего к определенной этнической группе, в которой принято вступать в брак внутри этой группы – как, например, у евреев, – мутация будет распространятся внутри группы. Это иногда называют эффектом основателя.

Мутации в других генах, например в гене BRCA1, связанном с риском рака молочной железы, про который мы поговорим позднее, часто встречаются как у евреев, так и у некоторых людей испанского происхождения, которые, предположительно, могут быть потомками одного конверсо. Конверсо – это евреи, которые были вынуждены перейти в католицизм во время Испанской инквизиции в XVI в., спасаясь от аутодафе. Таким образом, можно предположить, что у Наполеона был дальний предок с такой мутацией, который бежал на Карибские острова в Новом Свете и передал мутацию своим детям. Она передавалась из поколения в поколение, пока двое его потомков не нашли друг друга и не стали счастливыми родителями Наполеона.

Однако есть вероятность, что такая же мутация возникла в семье Наполеона случайно, не связанная ни с каким конверсо. Независимо от произошедшего много веков назад по случайному совпадению поменялась та же аминокислота, и активности белка хватило, чтобы носители гена выжили.

Мутация, которая была обнаружена у Наполеона, частично препятствует GBA производить «уборку» организма. Ни у людей, ни у животных не было найдено такой мутации GBA, которая бы полностью выключала работу этого белка, но позволяла носителю выжить. Следовательно, полная утрата работоспособности GBA несовместима с жизнью.

Теперь, когда диагноз прояснился, Наполеон начал лечиться. Принцип лечения болезни Гоше понятен каждому, кому доводилось наводить чистоту в доме. Если в гене GBA есть мутация и синтезируемый белок неспособен в полной мере заниматься уборкой, вы получаете помощника – молекулярную горничную. Вы приглашаете работников с навыками белка GBA, которые помогут избавиться от скомканной бумаги, скопившейся в клетках.

Изготовление белка GBA для пациентов с болезнью Гоше – биотехнический эквивалент высокого кулинарного искусства с бюджетом более $400 000 в год. Его приготовление похоже на приготовление клеточного рагу в огромных емкостях. Хотя обычно его делают из животных клеток, есть вегетарианская версия белка GBA, полученного из моркови. Когда «рагу Гоше» готово, его отжимают и процеживают так, чтобы остался только GBA. Если использовать только немодифицированный GBA, то около 95 % белка не попадет в макрофаги, которые в нем нуждаются. В процессе подготовки GBA покрывают специальными сахарами, к которым у макрофагов есть особые рецепторы, чтобы макрофаги их съели; кроме того, добавляют и некоторые другие ингредиенты, включая антиоксиданты, консерванты и стабилизаторы, которые, кстати, содержатся еще и в чипсах. Потом вы вводите эту смесь в кровь, и ее поедают макрофаги в селезенке, костном мозге и в других органах, где она нужна. GBA – белок очень трудолюбивый, поэтому достаточно восстановить всего 10 % GBA, чтобы обеспечить работу клетки.

Наполеону начали колоть заменитель GBA каждые две недели – в этом случае заменитель был сделан с помощью клонированного гена в клетках животных, а не моркови. Поскольку имелся однозначный результат генетической диагностики, а медицинская литература отлично подтверждала преимущества метода, страховая компания не стала возражать против дорогостоящей ферментозаместительной терапии. Молекулярная горничная начала уборку мусора, который накапливался в организме с самого рождения. За несколько месяцев миллионы крошечных вспененных вакуолей, загромождавших его костный мозг, печень и селезенку, были переварены макрофагами.