Как ДНК играет в испорченный телефон: мутации возникают в мозге человека еще до рождения

Коллектив американских ученых провел тонкую и кропотливую работу: они извлекали ДНК из отдельных нейронов эмбрионов человека и искали в них мельчайшие, «однобуквенные» отличия. Оказалось, что больше половины точечных мутаций появляются уже на ранних стадиях развития эмбриона, что возникают они гораздо быстрее, чем у взрослых людей, и что некоторые из них похожи на мутации в раковых клетках

Не все клетки одинаково полезны

Принято считать, что все неполовые клетки в организме здорового человека генетически идентичны. Грубо говоря, это значит, что если взять две клетки кожи, то мы обнаружим в них одинаковые последовательности ДНК. Однако это утверждение верно лишь до некоторой степени. Если бы инопланетяне, впервые попавшие на Землю, посмотрели на толпу людей, то тоже, вероятно, решили бы, что все люди одинаковы. Но мы-то знаем, что это не так.

Читайте по темі:
Что прививки делают с организмом: ученые раскрыли главный секрет вакцинации

Вот и с клетками так же. Клетки нашего организма в течение жизни накапливают генетические различия. Это явление называют мозаицизмом. Различия могут быть глобальными — например, если в клетке в результате неудачного деления остаются лишние хромосомы. Бывают различия поменьше — например, перемещение подвижных частей ДНК (мобильных элементов) из одной области генома в другую. Но некоторые изменения настолько малы, что их не каждый раз удается обнаружить. Это однонуклеотидные вариации — отличия в одной-единственной букве (нуклеотиде) среди большого текста ДНК. Их относят к точечным мутациям.

Даже минимальное изменение последовательности гена может привести к нарушению его работы. Самый известный пример — серповидноклеточная анемия, при которой замена одного(!) нуклеотида в гене глобина сказывается на последовательности белка гемоглобина. Гемоглобин неправильно сворачивается, отчего несущие его эритроциты принимают форму серпа и хуже переносят кислород. По такому же принципу может происходит опухолевая трансформация: изменение одного нуклеотида может привести к тому, что белок станет работать хуже или, наоборот, лучше. А если этот белок контролирует, скажем, деление клетки, то это может стать причиной развития опухоли.

Читайте по темі:
В Кремниевой долине бум на биохакинг: как люди пытаются «взломать» себя, чтобы стать гениями

Зіпсований телефон

Откуда берутся эти микроскопические ошибки? Во-первых, они неизбежно возникают при копировании ДНК. Представьте, что перед вами положили последовательность длиной в три миллиарда букв (именно столько нуклеотидов составляют геном одной клетки) и предложили к каждой подписать пару (А напротив Т, Г напротив Ц и наоборот) за ограниченное время. Сколько ошибок вы допустите по невнимательности? ДНК-полимераза, занимающаяся репликацией ДНК, ошибается в среднем 6 раз на 10 миллиардов нуклеотидов. То есть при каждом делении клетки возникают одна-две ошибки.

Кроме того, в ДНК могут возникать повреждения под действием других веществ, например активных форм кислорода (эти агрессивные молекулы накапливаются в клетке при окислительном стрессе). С этими повреждениями призваны справляться белки системы репарации. Как правило, они вырезают поврежденный нуклеотид и достраивают новый, ориентируясь на вторую, нетронутую цепь ДНК. Но иногда ошибки могут быть в обеих цепях, так что мутация так и остается в геноме.

Передача наследственной информации чем-то напоминает игру в испорченный телефон. Передавая одно и то же сообщение длиной в миллиарды нуклеотидов из поколения в поколение, клетки стремятся сохранить его нетронутым. Но те, кто играл в испорченный телефон, помнят, что самое увлекательное в этой игре — сверять то, что получилось на выходе, с тем, что было на входе. Этим и занималась группа ученых из клиники Мэйо, Стэнфордского и Йельского университетов: они решили посмотреть, как быстро накапливаются ошибки в развивающемся мозге человека. Их результаты опубликованы в журнале Science, и там можно обнаружить много неожиданных фактов.

Диаграмма, на которой демонстрируется пример мутации, в результате которой цитозин заменился тимином
Изображение: NHS National Genetics and Genomics Education Centre / wikimedia commons / CC BY 2.0

Старение начинается еще до рождения

Исследователи работали с мозгом зародышей человека возрастом от 15 до 21 недели (абортивный материал). Они выделяли клетки-предшественники нейронов из коры больших полушарий эмбрионов и выращивали из каждой отдельную колонию (клон). Дальше выделяли из каждого клона ДНК, секвенировали и сравнивали их друг с другом. Оказалось, что к 20-й неделе развития эмбриона в каждом его нейроне уже накапливается по 200—400 однонуклеотидных вариаций (ОНВ). В том же выпуске Science другая группа исследователей публикует данные подсчета ОНВ в нервных клетках людей в течение жизни. Для сравнения: в нервных клетках новорожденных находят примерно 1000 ОНВ, у взрослого человека (около 45 лет) — 1500 ОНВ, а к старости (80 лет) их число достигает примерно 2500.

Читайте по темі:
Медицина будущего, которое наступило: как в Украине выращивают органы и ткани

Эти результаты переворачивают наши представления о накоплении ошибок в геноме. Вопреки бытующему мнению, согласно которому большинство ошибок в ДНК появляются в течение жизни человека и приводят к неизбежному старению, оказывается, что не менее трети точечных мутаций возникает еще в зародышевом периоде. Теперь же у нас есть основания считать, что все мы появляемся на свет уже в некотором роде подпорченными, а стареть начинаем с самого первого деления оплодотворенной яйцеклетки.

Теперь же у нас есть основания считать, что все мы появляемся на свет уже в некотором роде подпорченными, а стареть начинаем с самого первого деления оплодотворенной яйцеклетки.

Сравнивая наборы ОНВ в клетках, можно сделать вывод о том, насколько рано в ходе развития они возникли. Так, авторы исследования решили сравнить обнаруженные ОНВ в нейронах с «опечатками» в клетках селезенки. Почему именно селезенки? Дело в том, что расхождение предшественников нервной ткани и селезенки происходит довольно рано — примерно на 12-й день развития. Это событие, в ходе которого нейроны и клетки селезенки «расстаются», называется гаструляцией. А предшественники нервной ткани остаются в наружном слое. Среди однобуквенных ошибок в геномах нейронов и клеток селезенки всего 1,4% оказались общими. То есть примерно четыре ОНВ встречалось в каждой клетке до гаструляции. С одной стороны, это не так много. С другой стороны, эти ошибки появились за первые 12 дней развития! То ли еще будет.

А дальше ситуация развивается еще интереснее. Если сразу после оплодотворения ошибки возникают со средней скоростью 0,33 ОНВ в день (4 ошибки за 12 дней), то после гаструляции — уже 1,3 ошибки в день. В период с 15-й по 20-ю неделю в эмбрионе идет активный нейрогенез, то есть предшественники нейронов делятся часто. И здесь скорость появления ошибок достигает уже 5,1 ОНВ в день. Такими темпами к моменту рождения и набегает по тысяче ошибок в каждом нейроне. Затем, к счастью, процесс замедляется, потому что предшественники нейронов делятся все реже и реже. С момента рождения и до старости ошибки копятся равномерно, по разным подсчетам — около 23—36 в год, то есть 0,06—0,1 ОНВ в день.

Инфографика: Анатолий Лапушко / chrdk

Интересно подумать, чем вызван скачок появления точечных мутаций после четвертого месяца развития. Авторы исследования полагают, что причиной тому может быть окислительный стресс: в развивающийся мозг активно прорастают сосуды. Следовательно, возрастает концентрация кислорода. А вместе с тем больше и активных форм кислорода, которые атакуют ДНК. Вероятно, клетки мозга оказываются не готовы к окислительному стрессу и запускают свои системы защиты от него медленнее, чем следовало бы. Также стоит отметить, что данные о числе ошибок в ДНК нейронов у новорожденных похожи на ранее полученные другими группами исследователей данные про ошибки в ДНК других клеток, например стволовых клеток кишечника. Так что нейроны не единственные накапливают в себе ошибки в таком количестве. В других органах, вероятно, происходят те же процессы, что и в мозге.

Ефект метелика

Область применения этих открытий нам еще предстоит осознать. Большинство детей появляются на свет неврологически здоровыми. Означает ли это, что 1000 ошибок, которые несет каждый их нейрон, абсолютно безвредны? К сожалению, нет. Некоторые из обнаруженных ОНВ оказались похожи на мутации, встречающиеся в раковых клетках. Их около 3%, то есть в каждой клетке-предшественнике нейрона у пятимесячного эмбриона может быть до 12 злокачественных ошибок. Понятно, что не все они потом неминуемо приведут к образованию опухолей — какие-то окажутся непригодны для выживания, какие-то погибнут под натиском иммунитета, но так или иначе, все они представляют угрозу.

Кроме того, не так давно было обнаружено, что некоторые наборы ОНВ коррелируют с развитием аутизма, шизофрении и биполярного расстройства. С одной стороны, из этого открытия пока рано делать выводы, так как для каждого ОНВ в отдельности корреляции слишком слабые. И мы не можем однозначно утверждать, что нашли тот самый нуклеотид, замена которого приводит к аутизму и шизофрении. Но с другой стороны, не стоит забывать, что поиск ОНВ у живых людей проводится на клетках крови, а не мозга. То есть таким способом можно выявить только те ОНВ, которые возникли на самых ранних этапах развития, до гаструляции, когда еще не было разделения на клетки нервной и кровеносной систем. Иными словами, наша кровь не всегда позволяет судить о том, что происходит у нас в голове. И, по результатам последних исследований, наш внутренний мир — во всех смыслах этого слова — предстает гораздо богаче и разнообразнее, чем казался до сих пор.

За матеріалами chrdk.ru