01.08.2006 | Наука

Что написано на роду

Названия типа «ген счастья» или «ген ума» (он же «ген слабоумия») отражают понятийную растерянность современной генетики

В повести братьев Стругацких  «Хромая судьба» есть такой эпизод: неприятный персонаж с пафосом диктует секретарше: «...с абстракционизмом в литературе мы должны бороться и будем бороться так же непримиримо, как с абстракционизмом в живописи, в скульптуре, в архитектуре...» «...И в животноводстве!» – завершает этот список герой повести.

Трудно сказать, можно ли найти абстракционизм в животноводстве, но в современной генетике его хоть отбавляй. Из разных стран мира то и дело поступают сообщения об открытии гена какого-нибудь довольно отвлеченного человеческого качества. Только за последние года полтора довелось прочесть об открытии или идентификации «гена альтруизма», «гена лени», «гена религиозности», «гена любви к матери», «гена ума» (он же «ген слабоумия»), «гена долгожительства» и т. д. На этом фоне даже такие наследственные задатки, как «ген курения», «ген поцелуев» или «ген любви к пиву», выглядят приземленно и физиологично. А тем временем статистические исследования доказывают значительную роль наследственности в развитии таких черт характера, как довольство жизнью или, наоборот, склонность к самоубийству – и можно предположить, что скоро мы прочтем про идентификацию «гена оптимизма» или «гена суицида»...

Попробуем разобраться, что же реально делают в организме эти странные гены.

Молекулы-заклинания

Начнем с простого. «Ген любви к пиву» – это просто ген, кодирующий один из рецепторов горького вкуса. Человек с мутантной формой этого гена действительно не будет ощущать главную составляющую вкуса пива, и этот напиток ему, скорее всего, не понравится. Однако обратное неверно: человек может прекрасно ощущать вкус ячменного напитка и при этом на дух не переносить его.

В начале этого года почти одновременно было опубликовано сразу несколько работ, посвященных семейству генов CYP, за которым закрепился титул «генов курения». Из одних следует, что среди заядлых курильщиков преобладают носители нормальной формы гена (в то время как обладатели мутантных версий курят в среднем значительно меньше), а при отказе от курения обладателям нормальной формы гена нужно больше никотиновых пластырей для того, чтобы чувствовать себя комфортно. В то же время другое исследование утверждает, что именно для женщин с мутациями в этом гене курение во время беременности очень сильно повышает риск преждевременных родов.

Если рассматривать CYP именно как «ген курения», то кажется, что данные противоречат друг другу. Все становится на свои места, если вспомнить, что каждый ген – это программа синтеза определенного белка.

В частности, гены CYP кодируют ферменты, обеспечивающие утилизацию никотина в человеческом организме. При мутации, т. е. повреждении гена фермент оказывается неактивным, и никотин дольше живет в теле курильщика, позволяя ему обходиться без новой дозы. Но в организме матери-курильщицы «долгоиграющий» никотин активнее проникает в ткани плода, так что и вредоносный эффект от него оказывается больше. При этом, заметим, ни нормальная, ни мутантная формы гена не побуждают своих обладателей начинать курить – среди тех, кто никогда не курил, соотношение разных вариантов гена близко к среднему для всей популяции.

Из школьного курса биологии мы помним, что ген – это порция наследственной информации, контролирующая определенный признак организма. На самом деле в генах закодированы не признаки, а белки.

По сути, работа гена есть не что иное, как перевод текста из одних символов в другие – столь же однозначный, как перевод электрических сигналов от клавиатуры, на которой я набираю эту статью, в буквы на экране.

Однако белок – это особый текст, своего рода химическое заклинание: будучи «произнесен» (т. е. синтезирован), он может непосредственно воздействовать на материальные объекты. (И точно так же, как в заклинании, ошибка в одной букве может совершенно уничтожить его действие или изменить его самым непредсказуемым образом.) Правда, действие это обычно ограничено способностью что-то сделать с молекулами одного-двух химических соединений: найти, связаться, переставить группы атомов, пропустить молекулу внутрь клетки или вытолкнуть наружу... Как эти простые манипуляции могут повлиять на черты человеческой личности?

Проследить эту связь в самом деле нелегко – в любом, даже самом простом физиологическом процессе участвуют по крайней мере десятки типов белков. Каждый выполняет определенную функцию, необходимую для достижения конечного результата, – как рабочий у конвейера. Однако биохимические «конвейеры» часто ветвятся и пересекаются, так что вывод из строя даже самого важного фермента не всегда означает полное отсутствие конечного продукта – организм может найти обходные пути. И тем не менее иногда связь между чертами характера и индивидуальными особенностями биохимии все же удается проследить.

Как известно, нервный импульс с одного нейрона на другой передается нейромедиаторами – относительно простыми молекулами, выделяемыми в особых точках контакта клеток (синапсах). Когда проходящий по телу нейрону импульс приходит в синапс, веществомедиатор изливается наружу, достигает мембраны другого нейрона и связывается там с белками-рецепторами, изменяющими при этом состояние мембраны. Известны десятки медиаторов, и с каждым из них связан набор специфических белков. Есть ферменты, которые его синтезируют (часто в несколько стадий), есть рецепторы, для которых он предназначен. И обязательно есть какой-нибудь белок, который должен что-то сделать с медиатором после того, как тот сработает (чтобы вернуть рецепторы в рабочее состояние – пока на них «сидит» медиатор, они, как залипшая кнопка звонка, не могут воспринять следующий сигнал). Варианта два: либо это фермент, разрушающий медиатор, либо транспортер, втягивающий его обратно в тот нейрон, из которого он был выброшен. Как раз такой белок-транспортер есть у медиатора серотонина. Он встроен в мембрану, через которую серотонин выделяется, и как только медиатор окажется в синаптической щели (пространстве между мембранами двух нейронов), транспортер начинает таскать его молекулы обратно.

У гена, кодирующего этот белок (его научное имя SLC6A4), известна мутантная форма – «длинный аллель», в котором на 43 нуклеотида больше, чем в обычном. Эта «лишняя строчка» вставлена в регуляторную часть гена, никаких аминокислот она не кодирует и на структуру получающегося белка не влияет. Но ген с такой вставкой оказывается чрезвычайно активным – считывание белка с него идет вдвое интенсивнее, чем с обычного. В результате синаптические мембраны оказываются слишком густо усыпаны такими «хваталками». Это значит, что до нейрона-получателя дойдет меньше медиатора, чем должно, и вероятность его срабатывания будет ниже. Серотониновые нейроны имеются в самых разных отделов мозга, но особенно этот медиатор «популярен» в мозговых структурах, регулирующих эмоциональный тонус. И пониженная проходимость серотониновых синапсов означает, что их обладатель будет чаще пребывать в плохом настроении, впадать в депрессию и т. д. Именно таковы психологические особенности обладателей «длинного» аллеля гена серотонинового транспортера.

Впрочем, носители «длинного» аллеля не несут свою депрессию внутри себя – они скорее менее устойчивы к ударам судьбы. Специальное исследование показывает, что если жизненные беды (потеря работы, неудачи в личной жизни и т. д.) нечасты, то вероятность впадения в депрессию не зависит от генотипа.

По мере учащения неприятностей риск депрессии, естественно, растет в обеих группах – но у обладателей мутантной формы гена он растет гораздо быстрее. Однако разница тут чисто статистическая, что называется, «при прочих равных»: «длинный» аллель может принадлежать непробиваемому оптимисту, которому нипочем любое горе, а нормальный – ипохондрику, готовому повеситься от потери любимой ручки. И это тоже понятно: на эффективность работы серотониновых синапсов влияет не только количество белка-транспортера, но и количество рецепторов (их уже идентифицировано четыре разных типа, кодируемых четырьмя разными генами, а сколько их там всего – бог весть), активность ферментов, которые синтезируют и разлагают этот медиатор, и многое другое. Не говоря уж о том, что психическое состояние человека зависит, мягко говоря, не только от баланса серотонина.

С другой стороны, серотонин используется не только в системе регуляции эмоций. И очень вероятно, что обладатели нормального и «длинного» аллелей различаются не только склонностью к депрессии, но и другими психофизиологическими особенностями – известно, например, что высокая частота его мутантных аллелей обнаружена у профессиональных танцоров. То же самое касается и других генов. Список генетических диковинок, с которого начиналась эта статья, открывали «ген альтруизма» и «ген лени». На самом деле оба этих гена имеют управляют балансом другого нейромедиатора – дофамина, тоже широко использующегося в разных нервных структурах.

Одни исследователи нашли связь между уровнем дофамина и готовностью помочь ближнему – и идентифицированный ими ген немедленно стал «геном альтруизма». Другие увязали тот же медиатор с трудолюбием – но поскольку они сосредоточились на мутантной (т. е. дефектной) форме гена, он получил название «гена лени».

И это еще не самый поразительный пример множественности действия «поведенческих» генов. Еще в 1960-х годах ученые из новосибирского Института цитологии и генетики взялись избавить разводимых на зверофермах чернобурых лисиц от двух очень неудобных черт: врожденного страха перед человеком и сезонности размножения. О технологии идентификации и направленного изменения конкретных генов в ту пору можно было только мечтать, но сибирские генетики управились и без нее: уже через несколько поколений их питомцы ластились к людям и готовы были размножаться круглый год. Но платой за это стали висячие уши, закрученные баранкой хвосты и самое обидное – пегая окраска меха, лишавшая работу всякого практического смысла. В промышленное разведение линия не пошла, но по-прежнему поддерживается в институте, где она была выведена. Сейчас его сотрудники пытаются выяснить, изменения каких именно генов превратили лису во второе издание собаки. Характерно, кстати, что в заметке об этой работе, недавно помещенной одним из информационных агентств, фигурируют «гены человеколюбия».

МАО и трудное детство

В начале 90-х годов в Голландии на прием к врачу пришла женщина, которая собиралась завести ребенка, но боялась, что он родится больным – многие мужчины в разных поколениях ее семьи отличались склонностью к немотивированной агрессии. Медико-генетическое обследование позволило выявить причину потомственного дурного характера – мутацию в гене, кодирующем фермент моноаминоксидазу (точнее, одну из моноаминоксидаз – моноаминоксидазу А). Этот ген расположен в Х-хромосоме, поэтому у женщин его мутация почти никогда не проявляется (для этого нужно, чтобы обе хромосомы несли мутантный ген), но может через них передаваться потомству. У мужчин же Х-хромосома одна, и компенсировать мутантный ген нечем.

Моноаминоксидаза (МАО) тоже принадлежит к числу ферментов, связанных с обменом нейромедиаторов – она расщепляет целый ряд медиаторов. Помимо уже известных нам серотонина и дофамина к ее компетенции относятся адреналин и норадреналин. Мутация, обнаруженная у голландской семьи, состояла в замене всего одного нуклеотида, но этого хватило, чтобы кодон (тройка нуклеотидов), в который входил замененный нуклеотид, превратился в сигнал «конец синтеза». В результате в организме носителей мутации МАО не было вовсе – что и лишило их способности контролировать свое поведение. Позднее это было подтверждено прямыми опытами на мышах: животные с «нокаутированным» (т. е. выключенным) геном МАО отличались крайней агрессивностью, кидаясь на сородичей без всякой видимой причины.

Эта история привлекла внимание исследователей к МАО и ее роли в формировании поведения. Правда, «голландская» мутация оказалась уникальной: людей, у которых вовсе не было бы этого фермента, больше не нашли. Зато обнаружилось, что изрядная доля вполне здоровых людей несет другие мутации этого гена, заметно уменьшающие активность производимого им фермента. Естественно, возникло желание сопоставить их генетический статус с поведением.

В 2002 году были опубликованы данные масштабного исследования, в ходе которого ученые отслеживали судьбу нескольких сот жителей одного новозеландского городка – от рождения до 29 лет. В конце работы у всех участников была определена активность МАО – высокая или низкая. Первоначально под наблюдение было взято около тысячи мальчиков, но за три десятилетия около половины испытуемых по разным причинам вышла из исследования, и активность фермента удалось определить у 442 человек. 279 из них имели нормальный ген, 163 – мутантный. При прямом сравнении этих групп между ними не удалось выявить заметных различий по частоте агрессивных поступков (драки, сексуальные нападения, жестокое обращение с животными и т. д.). Но при более детальном анализе выяснилась интересная вещь: у тех, чье детство проходило в нормальных условиях, склонность к насилию не зависела от уровня активности МАО – и у «нормальных», и у «мутантов» она была одинаково невысока. Примерно такой же она была и у тех, чье детство было тяжелым (под чем подразумевалась как фактическая беспризорность, так и, напротив, чрезмерная строгость воспитателей и постоянные наказания), а активность МАО – высокой. А вот если трудное детство сочеталось с низкой активностью МАО, вероятность эксцессов возрастала раза в два. То есть, как и в случае с геном серотонинового транспортера, в благоприятных условиях оба варианта гена успешно выполняют свои функции, а вот при проверке на прочность «нормальная» версия демонстрирует явное преимущество.

Выходит, что знаменитый Ломброзо был все-таки неправ. «Врожденных преступников» не существует – есть только люди с пониженным запасом прочности к разрушительным воздействиям среды. Но если ребенок растет в семье, где его любят, он вырастает нормальным человеком независимо от того, какая у него моноаминоксидаза.

Результаты новозеландского исследования были затем подтверждены на других группах (причем не только людей, но и обезьян, которым искусственно создавали «трудное детство»). Похожие закономерности обнаружены и для ряда других черт личности и факторов риска. Установлено, например, что носители определенных аллелей некоторых генов подвержены повышенному риску заболевания шизофренией в случае курения марихуаны в подростковом возрасте. У обладателей других аллелей «травка» никак не влияет на риск шизофрении.

Вообще подобная диалектика взаимоотношений наследственности и среды – не новость для медицинской генетики. Давно известен, например, человеческий ген восприимчивости к проказе: у обладателей его мутантной формы риск заболеть примерно впятеро выше, чем у носителей нормальной версии. Но это, естественно, в случае контакта с возбудителем заболевания – лепрозной микобактерией. Без нее проказа, естественно, не разовьется, будь у человека хоть по десять мутаций в каждом «гене проказы».

Поэтому сейчас исследователи предпочитают говорить не о генах той или иной черты (или болезни), а о генах, ассоциированных с нею. Скажем, уже знакомый нам ген серотонинового транспортера SLC6A4 описывается как «ассоциированный с депрессией при неблагоприятных жизненных условиях».

Другой ген, DRD4, кодирующий рецепторы для дофамина, «ассоциирован с тягой к новым впечатлениям и синдромом гиперактивности с нарушением внимания» – эти черты проявляются у обладателей его «длинного» аллеля со вставками в регуляторной области. Кстати, последний синдром успешно лечится тренировками с обратной связью: сосредоточенность или отвлечение внимания четко отражаются на электроэнцефалограмме, и если поставить гиперактивному малышу мультик, который при отвлечении зрителя будет утрачивать резкость изображения, ребенок быстро обучается управлять своим вниманием. Его генотип при этом, как легко догадаться, не меняется.

И все же названия типа «ген счастья» порождены не только тягой журналистов к хлестким названиям или попытками ученых объяснить широкой публике, что же именно они открыли. Эти определения отражают еще и некоторую понятийную растерянность, в которой пребывает современная генетика.

Почти сто лет – с самого своего рождения в 1900 году – эта наука имела дело с почти математически точными и четкими понятиями. Изучаемые ею объекты были строго дискретными, а процессы – почти не подверженными внешним возмущениям. Ген в организме либо есть – либо его нет, аллель может быть либо такой – либо сякой, и всякий организм умирает с теми самыми генами, с которыми он родился. А в середине прошлого века, когда были открыты молекулярные механизмы наследственности, выяснилось, что они устроены как самые настоящие тексты – линейные, состоящие из отдельных «букв» и имеющие однозначное прочтение. Работать с такими структурами – одно удовольствие. итогом этой работы и стали нынешние возможности молекулярной генетики, позволившие ей перейти от изучения процессов хранения, копирования, изменения и переноса наследственной информации к изучению ее реализации.

Но здесь генетику ожидал совсем другой мир. Вместо линейного и стабильного текста – трехмерный, развивающийся во времени организм. Вместо четкой иерархии и однозначных алгоритмов – сложный и прихотливый баланс синтеза-распада, конкуренция альтернатив. Вместо максимальной автономии от внешней среды – гибкие многоуровневые механизмы реагирования и адаптации. Генетика оказалась в положении филолога, который, перевернув очередную страницу изучаемой книги, обнаружил за ней проход в реальный мир, где герои книги действуют во плоти и крови и произносят слова, которых в книге не было.

Понятийный аппарат сегодняшней молекулярной генетики явно отстает от ее собственных технических возможностей. Что и отражается, в частности, в забавных и неправдоподобных прозвищах некоторых изучаемых генов.

Источник: «Что нового в науке и технике» № 7, 2006,