Ciemna materia genomu

To, co wiemy o podstawowych prawach dziedziczenia, zaczęło nabierać kształtu w ogrodzie klasztornym na Morawach w połowie XIX wieku, kiedy Gregor Mendel cierpliwie krzyżował rośliny grochu w ciągu kilku lat, rozdzielając potomstwo według ich odrębnych cech. cechy i odkryli matematyczne podstawy współczesnej genetyki. Od czasu ponownego odkrycia dzieła Mendla sto lat temu, słownictwo dotyczące dziedziczenia Mendla — geny dominujące, geny recesywne i ostatecznie pojęcie genów chorobowych w naszej epoce — nadało kolor każdej rozmowie o biologii na temat genetyki. Przesłanie sprowadza się do jednej przesłanki: unikalną mieszankę cech fizjologicznych i ryzyka chorób (łącznie znanych jako fenotyp) można odczytać w dokładnej sekwencji zasad chemicznych lub liter w Twoim DNA (twój genotyp).

Czegoś brakuje: Genetyk Joseph Nadeau znajduje przykłady tego, co nazywa dziwnymi efektami genetycznymi, które mogą pomóc wyjaśnić tajemnicę braku dziedziczności.

Ale co, jeśli – z wyjątkiem przypadków niektórych rzadkich zaburzeń jednogenowych, takich jak choroba Taya-Sachsa – założenie pomija znaczną część dziedziczenia? A jeśli sekwencja DNA danej osoby wyjaśnia tylko część historii o jej dziedzicznych chorobach i cechach, a my musimy znać sekwencje DNA rodziców, a może nawet dziadków, aby zrozumieć, co się naprawdę dzieje? Przed Projektem Ludzkiego Genomu i erą powszechnego sekwencjonowania DNA te pytania wydawałyby się absurdalne dla badaczy przekonanych, że wiedzieli lepiej. Ale współczesna genomika natrafiła na mendlowską ścianę.

Ta historia była częścią naszego wydania ze stycznia 2011

• Zobacz resztę numeru
• Subskrybuj

Zakrojone na dużą skalę badania genomiczne w ciągu ostatnich pięciu lat nie wykazały głównie wspólnych genów, które odgrywają główną rolę w złożonych ludzkich chorobach. Na przykład z cukrzycą typu 2 powiązano ponad trzy tuziny określonych wariantów genetycznych, ale łącznie odkryto, że wyjaśniają one około 10 procent dziedziczności choroby — proporcję zmienności danej cechy, którą można raczej wyjaśnić genetycznie. niż przez wpływy środowiska. Wyniki były podobne w przypadku chorób serca, schizofrenii, wysokiego ciśnienia krwi i innych powszechnych dolegliwości: tajemnica stała się znana jako brakujący problem dziedziczności. Francis Collins, dyrektor National Institutes of Health, czasami niechętnie odnosił się do ciemnej materii genomu – analogii do ogromnych ilości niewidzialnej masy we wszechświecie, którą astrofizycy wywnioskowali, ale od dziesięcioleci starali się ją znaleźć.

Joseph H. Nadeau poszukiwał mechanizmów, które mogą odpowiadać za brakujące elementy dziedziczności. I prawie wszędzie, gdzie spojrzy, znajduje nieoczekiwane sposoby dziedziczenia.

Nadeau, który do niedawna był kierownikiem katedry genetyki na Uniwersytecie Case Western Reserve w Cleveland, a obecnie jest dyrektorem ds. badań i spraw akademickich w Instytucie Biologii Systemów w Seattle, przeprowadził badania wykazujące, że na pewne cechy myszy mają wpływ określone ciągi wariantów. DNA, które pojawiło się na chromosomach ich rodziców lub dziadków, ale nie pojawia się samodzielnie. Genetyka transgeneracyjna, jak nazywa te niezwykłe wzorce dziedziczenia, częściowo mieści się pod parasolem tradycyjnej epigenetyki – idei, że zmiany chemiczne wywołane ekspozycją i doświadczeniami środowiskowymi mogą modyfikować DNA w sposób, który albo tłumi normalnie wokalny gen, albo przywraca głos gen, który został wyciszony. Naukowcy zaczęli odkrywać, że zmiany te są dziedziczne, nawet jeśli zmieniają tylko wzór ekspresji genów, a nie rzeczywisty kod genetyczny. Jednak zarówno bardziej niepokojące, jak i głębsze jest sugerowanie, tak jak on, że geny, które nosił przodek, ale ich nie przekazywał, mogą wpływać na cechy i choroby w kolejnych pokoleniach.

Rozważmy wyniki eksperymentu opublikowanego przez Nadeau i jego koleżankę Vicki R. Nelson w sierpniu ubiegłego roku. Stworzyli szczep wsobny myszy, a następnie porównali dwa zestawy samic, które były genetycznie identyczne, z wyjątkiem jednej małej różnicy: jeden zestaw miał ojca, którego chromosom Y pochodził z innego szczepu myszy i zawierał inny zestaw wariantów genetycznych. To w ogóle nie powinno mieć wpływu na myszy-córki, ponieważ samice nie dziedziczą chromosomu Y. Ale obecność tego nieodziedziczonego DNA w poprzednim pokoleniu wywarła głęboki wpływ na wiele z ponad 100 cech badanych w dwóch zestawach potomstwa płci żeńskiej, których własne DNA było dokładnie takie samo. Wyniki te, jak stwierdzili Nelson i Nadeau, sugerują, że międzypokoleniowe efekty genetyczne rywalizują z konwencjonalną genetyką pod względem częstotliwości i siły.

W oddzielnej, ale równie niepokojącej linii eksperymentów Nadeau i jego współpracownicy odkrywają, że wpływ danego genu zależy od wszystkich innych genów go otaczających. Nadeau nie jest jedynym naukowcem, który zidentyfikował te złożone interakcje gen-gen, ale on i jego koledzy stworzyli unikalny zestaw genetycznie zmodyfikowanych myszy, który daje im i innym naukowcom niespotykanie precyzyjne narzędzia do analizy tych sytuacyjnych genetyki, aby pokazać, w jaki sposób warianty w molekularne sąsiedztwo genu wpływa na jego zachowanie.

Takie odkrycia, zebrane razem, mogą rzucić światło na problem brakującej dziedziczności, ale za cenę obalenia dominacji tradycyjnych koncepcji Mendla na temat działania dziedziczenia. Pewnego popołudnia, siedząc na zewnętrznym pokładzie Instytutu Biologii Systemów, przeżuwając kanapkę, gdy wodnosamoloty schodziły w stronę panoramy Seattle, Nadeau przypomniał sobie, że wygłosił przemówienie na ten temat na konferencji kilka lat temu i odkrył później, że wybitna Ivy League Obecny genetyk, którego odmówił podania nazwiska, po prostu nie mógł wyrzucić z głowy heretyckich idei. Podszedł do mnie po rozmowie, wspominał Nadeau, i powiedział: „To nie może być prawda u ludzi'. Wpadłam na niego następnego dnia przy śniadaniu, a on powiedział: „To nie może być prawda u ludzi'. A potem, kiedy spotkanie się skończyło, wpadłem na niego na lotnisku, a on podszedł do mnie i powiedział: „To nie może być prawda u ludzi.” Lub jak powiedział kiedyś Nadeau inny czołowy naukowiec zajmujący się genomami na spotkaniu w Europie , Jeśli efekty międzypokoleniowe zdarzają się u ludzi, mamy przechlapane.

Innymi słowy, odkrycie, że jego odkrycia dotyczą ludzi, oddzieliłoby sekwencję DNA danej osoby od jej cech, poddając w wątpliwość wiele pracy wykonanej przez naukowców w celu znalezienia genetycznych źródeł złożonych chorób i opracowania leków, które na nie działają. W czasach, gdy firmy odpłatnie analizują DNA klientów, pomysły te znacznie utrudniałyby interpretację medyczną wyników i znacznie bardziej skomplikowałyby ocenę podczas próby postawienia diagnozy lub obliczenia ryzyka choroby.

Eric J. Topol, który kieruje badaniami genomicznymi w Scripps Research Institute w La Jolla w Kalifornii, zgadza się, że genomika nagle stała się dużo bardziej skomplikowana. Mówi, że dzieje się wiele nie-Mendlowskich rzeczy, i musimy rozwiązać wiele rzeczy, które nie mają nic wspólnego z sekwencją DNA.

GENETYKA RUICYJNA
W 2009 r. grupa naukowców z Holandii opublikowała oszałamiające badanie dotyczące genetyki ludzkiego wzrostu – oszałamiające, ponieważ nie udało się znaleźć znacznego elementu genetycznego w jednej z najbardziej oczywistych dziedzicznych cech człowieka. Grupa przeanalizowała 54 niedawno zidentyfikowane lokalizacje genetyczne, które według analizy statystycznej były głównymi czynnikami wpływającymi na wzrost, i odkryła, że ​​wszystkie razem stanowią tylko 4 do 6 procent wariancji wzrostu u tysięcy badanych.

Brakująca dziedziczność w badaniu wzrostu jest typowym przykładem wielu ostatnich raportów badawczych, w których badania genetyczne na dużą skalę, znane jako badania asocjacyjne całego genomu, zidentyfikowały wiele genów (lub przynajmniej sąsiedztw genetycznych), które są statystycznie powiązane z cechą biologiczną, taką jak wzrost lub choroba taka jak otyłość, ale w tajemniczy sposób wyjaśniają jej skłonność do rodzinnego życia. Interesujące w odkryciach Nadeau jest to, że chociaż zmniejszają one znaczenie pojedynczych genów i sekwencji DNA jednostek, badania zachowują – i pod pewnymi względami zwiększają – znaczenie historii rodziny, ponieważ nawet warianty genetyczne, które mają rodzice i dziadkowie nie przechodzą przez DNA wydają się wpływać na cechy ich dzieci lub wnuków.

Nadeau, który jest siwowłosy i wesoły, bada to, co czasami nazywa dziwnymi wynikami genetycznymi, odkąd wyrafinowane technologie sekwencjonowania stały się dostępne około 10 lat temu. Niektóre z tych wyników zostały zasugerowane przez tradycyjną epigenetykę, która zaczęła śledzić zmiany przenoszone z pokolenia na pokolenie u zwierząt, mimo że podstawowa sekwencja DNA pozostaje taka sama. (Na przykład naukowcy odkryli, że szczury, których sprawność poznawcza została poprawiona przez czynniki środowiskowe, mogą przekazać tę poprawę potomstwu.) Ale tam, gdzie ta dziedzina zwykle koncentruje się na chemicznych modyfikacjach DNA, praca Nadeau rozszerza pojęcie epigenetyki o efekty genetyczne które mogą być przenoszone przez różne czynniki molekularne: kwasy rybonukleinowe (lub RNA), które wywierają silne działanie regulacyjne na DNA.

Kluczowy dowód na ogólne poglądy Nadeau na niekonwencjonalne sposoby dziedziczenia wyrósł z projektu rozprawy doktorskiej, którą jeden z jego studentów rozpoczął około 2001 roku. W długiej tradycji błędnych porad doktorskich wszyscy mówili Man-Yee Lam, że jej projekt jest nudny, pochodny i nie warto robić; przez pięć czy sześć lat nic w jej wynikach nie wskazywało na coś innego. Projekt skupiał się na nowotworach zarodkowych jąder. Dopiero dużo później stało się jasne, że eksperyment stanowił pierwszą rygorystyczną demonstrację efektu międzypokoleniowego, pokazując, że zmienność genetyczna u rodzica – nawet jeśli nie została przekazana potomstwu – może radykalnie zmienić ryzyko choroby u tego potomstwa.

Lam postanowiła sprawdzić, czy uda jej się zidentyfikować interakcje między kilkoma genami modyfikującymi — interakcje, które zwiększyłyby podatność na raka jąder u myszy. Znalazła wiele takich interakcji (niektóre dość silne), ukończyła swoją pracę magisterską i ukończyła szkołę. Następnie, gdy grupa zaczęła zapisywać wyniki do publikacji, zauważyli coś bardzo osobliwego: efekty wystąpiły również u niektórych zwierząt kontrolnych wyhodowanych z tej samej pierwotnej populacji. Innymi słowy, samce, które zostały wyhodowane tak, aby nie dziedziczyły mutacji chorobowych, nadal miały statystycznie istotny wzrost ryzyka zachorowania na raka jąder, po prostu dlatego, że rodzice posiadali określony wariant genetyczny. Wyniki sugerują, że u rodziców mogą znajdować się plamy DNA, które wpływają na cechy dzieci, nawet jeśli dzieci nie odziedziczyły tego fragmentu rodzicielskiego DNA.

Jeszcze przed publikacją w 2007 roku Nadeau zaczął opisywać wyniki – do zdecydowanie mieszanych recenzji. Mówi: „Gdyby byli genetykami, były wszelkiego rodzaju [zarzuty] techniczne” lub „Nie jest w porządku mówić o tym publicznie. To też jest zbyt skomplikowane — to też… wszystko !” Jeden nawet powiedział: „Próbujesz zrujnować genetykę?”

CAŁKOWICIE SZALONY
Nadeau nie próbuje oczywiście zrujnować genetyki, ale inny główny cel jego badań, obejmujący interakcje gen-gen u genetycznie zmodyfikowanych myszy, również kwestionuje założenia współczesnych Mendlowców. Podczas gdy konwencjonalne badania genomiczne zakładają, że wiele pojedynczych genów niezależnie przyczynia się do złożonych chorób, grupa Nadeau badała, w jaki sposób geny mogą współpracować w celu wywołania choroby lub, co zaskakujące, jej stłumienia. Niektóre warianty genetyczne neutralizują inne geny chorobowe, tak więc podatność danej osoby na chorobę może bardziej zależeć od połączonego wpływu wszystkich genów w tle niż od genów choroby na pierwszym planie.

Jeśli zjawisko to jest powszechne, ma istotne implikacje dla medycyny. Chociaż na poszukiwanie genów chorobotwórczych rutynowo przeznacza się ogromne zasoby, badania nad interakcjami gen-gen – głównie u myszy, ale coraz częściej u ludzi – sugerują, że identyfikacja ochronnych i neutralizujących wariantów genetycznych, które przeciwdziałają skutkom patologicznych zaburzeń warianty. Zrozumienie biologii tych ochronnych wariantów może zaoferować nowe sposoby zapobiegania chorobom i ich leczenia. Mechanizmy, poprzez które wywierają swoje działanie, mogą nawet stanowić podstawę dla nowych leków.

Aby przeprowadzić swoje eksperymenty, Nadeau i jego współpracownik, pionier genomiki Eric Lander, zmodyfikowali 22 podszczepy powszechnie badanego szczepu myszy o nazwie Black 6, systematycznie zastępując inny chromosom w każdej myszy odpowiadającym mu chromosomem z innego szczepu, znanego jako A/J. Ideą całego tego mieszania i dopasowywania było stworzenie wysoce kontrolowanego systemu do badania interakcji gen-gen, po części w celu określenia, w jakim stopniu dany gen przyczynia się do dziedziczenia choroby lub cechy. Upuszczając obcy chromosom, utrzymując wszystko inne na stałym poziomie, naukowcy mogli obliczyć wpływ każdego nowo wprowadzonego genu. Gdy Nadeau i jego koledzy wstawiali jeden chromosom po drugim na skądinąd stabilnym tle, a następnie mierzyli efekty genetyczne, odkryli, że stopień, w jakim jakikolwiek gen wpływa na dziedziczność danej cechy, był dramatycznie większy niż przewidywałyby bardziej konwencjonalne badania genomiczne . Wynika z tego, że siła – i, jak odkrył Nadeau, działanie – genów chorób musi się zmieniać wraz z kontekstem stworzonym przez inne geny na innych chromosomach.

Aby zilustrować, jak skomplikowany jest ten pomysł, Nadeau zeskakuje z krzesła i podbiega do tablicy w swoim biurze, gdzie szybko szkicuje, jak te całkowicie zwariowane, zależne od kontekstu efekty mogą działać nawet w obrębie pojedynczego chromosomu. Eksperymenty koncentrują się na wariancie genetycznym, który zidentyfikowali na chromosomie 6 u myszy A/J, który całkowicie chroni zwierzę przed otyłością. Kiedy wrzucą chromosom do myszy Black 6, one również są chronione przed otyłością. Ale to nie jest takie proste. Kiedy badacze wszywają kawałek DNA ze szczepu A/J do dużej części chromosomu 6 u myszy Black 6, powstałe myszy są otyłe. Kiedy odcinają część DNA Black 6 i zastępują go większą ilością DNA A/J, gen odporności staje się aktywny i myszy są szczupłe. Ale kiedy dodają jeszcze więcej DNA A/J do tego hybrydowego chromosomu, gen odporności ponownie się wyłącza. Ta genetyka włączania i wyłączania trwa nawet wtedy, gdy naukowcy dodają lub odejmują bardzo małe fragmenty chromosomu 6. W rzeczywistości, bez względu na to, jak mały fragment DNA, skubanie go naprzemiennie nadaje i usuwa odporność na otyłość. Powód nie jest znany, ale większe przesłanie jest takie, że efekt każdego wariantu wydaje się zależeć od jego genetycznego otoczenia. Cały czas widzimy ten efekt, mówi Nadeau. Cały czas! Wszędzie, w każdej cesze, na którą patrzymy.

Grupa Nadeau zaczęła również używać tych genetycznie zmodyfikowanych myszy do badania efektów transgeneracyjnych związanych z otyłością. W badaniach opublikowanych kilka miesięcy temu David Buchner, badacz z Case Western Reserve, wykazał, że jeden ze szczepów, który posiada wariant genetyczny, który nadaje odporność na otyłość, może przekazać tę odporność potomstwu, które nie dziedziczy wariantu. Obecność genu odporności w linii ojcowskiej – czy to u ojca, czy u dziadka – wystarczyła do zahamowania otyłości wywołanej dietą i zmniejszenia apetytu u myszy, które były genetycznie predysponowane do tycia.

ZDROWE GENY
Czy ludzie mogą również doświadczać nie-Mendlowskich form dziedziczenia, zwłaszcza złożonej interakcji gen-gen, którą Nadeau wciąż znajduje u myszy?

Kilka lat temu Eric Topol podjął systematyczną próbę zbadania genetyki osób starszych, które cieszyły się szczególnie dobrym zdrowiem. Badacze wyszukali osoby, które spełniły szereg rygorystycznych kryteriów: musieli mieć co najmniej 80 lat, być wolni od chorób przewlekłych i nie przyjmować długoterminowych leków.

Topol początkowo podejrzewał Mendlowskie wyjaśnienie ich powodzenia w medycynie: doszedł do wniosku, że udało im się uniknąć dziedziczenia wariantów genów lub alleli, o których wiadomo, że są związane z chorobą. Nadeau myślał inaczej. W rzeczywistości przewidział, że osoby biorące udział w badaniu będą posiadać zmutowane geny związane z chorobą, jak wszyscy inni; Podejrzewał, że tym, co zapewniało ich niezwykłe zdrowie, były złożone interakcje gen-gen, które obserwował u myszy, gdzie pewne warianty genetyczne w tle mogły neutralizować skutki patologicznych mutacji. Pierwotne założenie – a Eric i ja trochę się o to założyliśmy – jest takie, że kiedy je zsekwencjonują, będą wolne od genów powodujących choroby, wspomina Nadeau. Mój argument był taki, że mają taki sam ładunek mutacji powodujących choroby, jak wszyscy inni, ale mają też warianty, które tłumią te choroby.

Badania wciąż trwają i okazuje się, jak przewidział Nadeau, że setki badanych posiada tyle samo genów powodujących choroby, co członkowie grupy kontrolnej, która w tym przypadku składa się z osób, które zmarły ponad dekadę. temu. Zgodnie z konwencjonalną genetyką Mendla, ludzie, którzy noszą allele ryzyka, powinni być bardziej podatni na choroby. I rzeczywiście, konwencjonalne testy genetyczne wskazywałyby na podwyższone ryzyko chorób, których nigdy nie rozwinęły. Ale wyniki Topola wskazują, że nie można zmierzyć wpływu żadnego wariantu choroby, chyba że wiesz, jakie inne warianty są w tle, potencjalnie obejmujące te, które albo modyfikują geny choroby, albo chronią przed nimi. Tak więc Nadeau i Topol opowiedzieli się za systematycznym poszukiwaniem genów modyfikujących i alleli ochronnych, które neutralizują szkodliwe skutki wariantów związanych z chorobą, których wszyscy szukali.

Może to zabrzmieć jak dramatyczna przerwa, ale Nadeau mówi, że te wyjątki od wzorców Mendla nie powinny dziwić. Mendel wybrał cechy, dzięki którym mógł uzyskać prostą genetykę, wyjaśnia. To, co powiedział Mendel, jest prawdą. Ale to nie jest cała prawda.

Stephen S. Hall jest pisarzem mieszkającym w Nowym Jorku, którego ostatnie książki obejmują: Mądrość: od filozofii do neuronauki oraz Rozmiar ma znaczenie , który wyjaśnia genetykę i biologię wzrostu.

ukryć