Глава 38
Читая «Книгу жизни» Проект генома человека

У человека примерно 22 000 генов (точное число все еще продолжают определять). Как мы смогли это узнать?

Только благодаря тому, что ученые в лабораториях по всему миру совместно работают над Проектом генома человека. Огромный амбициозный замысел подсчитать наши гены, используя последовательность ДНК, и ответить на все остающиеся вопросы замаячил впереди после того, как Крик и Уотсон открыли структуру ДНК. «Последовательность» в данном случае обозначает позицию в хромосоме каждой из трех миллионов базовых пар молекул, из которых составлен наш геном.

Это колоссальное количество молекул аденина и тимина, цитозина и гуанина, вплетенных в двойную спираль, находящуюся в ядре каждой из наших клеток.

Если открытие ДНК дало нам «секрет жизни», то Проект генома человека позволяет нам прочесть «книгу жизни». Узнать, каков этот геном, за что отвечает каждый ген, от цвета волос до формы пальца на ноге. А также о многих вещах, которые не так легко увидеть: Инструкции для единственной оплодотворенной клетки разделиться на две, потом на четыре и затем продолжать, пока не получится сформированный ребенок в матке. О контроле биологических программ в клетках, которые производят протеины вроде того же инсулина, чтобы регулировать уровень сахара в крови. Об управлении программами для химикалий в мозгу, переносящих послания от одного нерва к другому.

Проект генома человека стартовал в 1990 году, и предполагалось, что он будет завершен в 2005-м. Но пятью годами ранее, 26 июня 2000 года случилась необычная вещь, настоящий научный спектакль. Под громкие фанфары, в лучах телевизионных камер президент США и премьер-министр Великобритании объявили, что первый набросок проекта завершен. Политиков в этот момент сопровождали ученые, собственно делавшие работу, но присутствие мировых лидеров показывало, насколько большое значение придается геному человека.

Понадобилось еще три года (до 2003-го), чтобы создать новую, лучшую версию этой книги жизни, заполнить особенно большие бреши и исправить ошибки. И даже в этом случае удалось завершить дело на два года раньше, большей частью потому, что методы и технологии стремительно эволюционировали, особенно все, связанное с компьютерами.

Проект генома человека был бы невозможен без десятилетий исследований, последовавших за открытием ДНК. После прорыва Крика и Уотсона в 1953-м самой важной вещью стало «клонировать» нити ДНК, получить больше копий той части молекулы, которую вы хотели изучать. В 1960-х молекулярные биологи обнаружили, что это можно сделать с помощью энзимов и бактерий.

Энзимы – это протеины, которые в зависимости от их индивидуальной структуры могут делать великое множество вещей. В опытах их применяли для выполнения естественной энзимной задачи: разрезать ДНК на маленькие кусочки.

Затем эти кусочки особым образом помещали внутрь бактерий.

Бактерии размножаются очень быстро, и по мере того, как модифицированная бактерия создает свои копии, она создает и копии вставленной в нее секции ДНК. Эти копии, или клоны, затем можно преспокойно извлечь и использовать для дальнейших исследований. Процесс вызвал немалое воодушевление, но это оказалось только начало.

Целые клетки могут быть клонированы точно так же, как и кусочки ДНК, овца Долли оказалась первым млекопитающим, клонированным с помощью клетки взрослого животного (она появилась на свет в 1996-м и умерла 2003-м). Техники клонирования продолжают развиваться, и по сей день остаются одной из передовых областей молекулярной биологии.

После того как ученые получили большое количество «отрезков» ДНК для экспериментов, они взялись за проблему последовательности ДНК, попытались раскрыть порядок базовых пар в молекуле. Этой работой занялся молекулярный биолог из Кембриджа (Англия) Фредерик Сенгер (1918–2013). Он уже получал Нобелевскую премию в 1958 году за открытие порядка аминокислот инсулина.

Одно из важнейших отличий между аминокислотами и ДНК состоит в том, что молекула ДНК намного длиннее и в ней находится намного большее число базовых пар, чем аминокислот в протеинах. И в то же время аминокислоты менее похожи одна на другую, а базы ДНК большей частью напоминают друг друга, и это усложняет задачу их сортировки.

Базируясь на собственных ранних работах и на трудах коллег. Сенгер нашел способ маркировать короткие отрезки ДНК с помощью радиоактивных меток, химикалий и энзимов. Он адаптировал различные биохимические техники, дабы разделять аденин, тимин, цитозин и гуанин. Чтобы добиться этого, английский ученый использовал тот факт, что как химические соединения они имеют немного отличные химические и физические свойства.

Наилучшие результаты были получены с помощью процесса, именуемого электрофорезом.

Чтобы убедиться, что результаты верные. Сенгер и его коллеги изготовили каждый образец нити несколько раз и сравнили результаты. Это был очень затратный с точки зрения времени, повторяющийся и скучный процесс. Но используя множество коротких отрезков длинной молекулы, отмечая места, где они начинаются и заканчиваются, ученые смогли подобрать пряди и произвести читабельную последовательность ДНК.

В 1977 году они достигли первого успеха в чтении генома живого организма. Пускай он был скромным, бактериофаг, именуемый phi x 174 (бактериофаги – вирусы, которые поражают бактерии, и phi х 174 часто использовался в качестве инструмента в лабораториях молекулярных биологов).

В 1980-м Сенгер получил вторую Нобелевку за свою выдающуюся работу.

Следующим объектом для чтения генома тоже стал лабораторный организм. Молекулярные биологи продолжали свои исследования, и не важно, насколько тяжело было получить читабельную последовательность ДНК. Инновации в области компьютерной техники помогали анализировать шаблоны расположения базовых пар на коротких прядях.

Ученые упорствовали, они понимали, что если смогут понять, какие точно гены есть у организма и какой протеин производится какими генами, то станет возможным добраться до фундаментальных истин относительно устройства и формирования живого существа от оплодотворенного яйца до взрослого индивидуума.

Плодовая мушка была очевидным кандидатом для подобных исследований. Томас Хант Морган и его группа еще до пятидесятых годов открыли многие ее шаблоны наследственности и создали нечто вроде грубой генной карты. Другим кандидатом оказался маленький круглый червь Caenorhabditis elegans, длиной всего в миллиметр, он состоит из 959 клеток, включая простую нервную систему.

Он может выглядеть не самым приятным из домашних животных, но он был любимой лабораторной зверушкой Сиднея Бреннера (род. 1927) на протяжении многих лет. Бреннер переехал в лабораторию молекулярной биологии Кембриджа из Южной Африки в 1956-м, и в 60-х годах он начал заниматься эмбрионом своего червя, изучая его крупные, легко различимые клетки. Он полагал, что сможет определить в точности, какая из клеток превратится в какую именно часть тела взрослой особи. Он надеялся, что если сможет раскрыть геном червя, то получит возможность связать гены с тем, как сформировавшееся животное осуществляет повседневные функции.

В процессе работы Бреннер и его коллеги узнали много нового об обычной жизни клеток червя, и обнаружили, что клетки делают помимо прочих одну очень важную вещь: умирают, когда им приходит время умирать. Растения и животные постоянно производят новые клетки, вспомните о своей коже, о том, как она отслаивается в ванной, если потереть. Именно таким образом мы избавляемся от омертвевших клеток, и новые, молодые занимают их место.

Такой процесс рождения-умирания внутри организма является универсальным законом природы, и гены регулируют процесс. Именно по этой причине раковые клетки столь опасны: они не знают, когда настает время умирать, и именно поэтому так важно научиться влиять на ген, сбоящий в тот момент, когда он говорит клетке, что все, пора прекратить деление (этим занимаются в большей части программ по борьбе с раком).

Бреннер и двое его коллег получили Нобелевскую премию в 2002 году, и это за работу со скромным червем.

К этому времени один из этих коллег. Джон Салстон (род. 1942) стал лидером команды британских ученых, принимавшей участие в Проекте генома человека, а сам проект сделался одним из символов науки XXI века.

Во-первых, он был очень дорогим, и в нем оказались задействованы тысячи людей. Современный ученый крайне редко трудится в одиночку, и вполне нормально, когда у научной статьи дюжины или даже сотни авторов. Любая работа может потребовать многих индивидуумов с разными навыками. Много времени прошло с тех пор, как Уильям Гарвей в одиночку работал над устройством сердца или Лавуазье использовал жену в качестве ассистента.

Последовательностью ДНК человека занимались несколько больших лабораторий, они разделили работу на части, нуждались в сотрудничестве и кооперации и в том, чтобы все соответствовало общим высоким стандартам. Поддерживать лаборатории в нужном состоянии, обеспечивать всем необходимым было очень затратным делом, и требовалось щедрое финансирование. В США его обеспечивали спонсируемые правительством организации, такие как Национальные институты здоровья, в Британии правительство выдавало гранты, и впоследствии в дело вступил большой исследовательский благотворительный фонд «Уэллком Траст». Власти Японии и Франции спонсировали лаборатории меньшего масштаба, сделав проект по-настоящему международным.

Во-вторых, проект – и, несомненно, вся современная наука – был бы невозможен без компьютеров. Ученым необходимо анализировать огромные объемы информации по мере того, как они изучают каждый отрезок ДНК и пытаются определить, где он начинается и заканчивается. Для людей это могло бы стать невыполнимой задачей, но вычислительные машины делают все быстро.

Многие научные проекты включают людей, занимающихся исключительно компьютерами и программным обеспечением, а не плодовыми мушками или катодными трубками.

В-третьих, современная наука – большой бизнес и на ней делается не меньшее количество денег, чем тратится на нее. Проект генома человека превратился в гонку между публично финансируемыми исследователями и частной компанией, основанной американским предпринимателем Крейгом Вентером (род. 1946). Он сам, будучи хорошим ученым, помог разработать оборудование, способное ускорить процесс изучения ДНК. Он хотел стать первым, кто декодирует геном человека, запатентовать свое открытие и собирать деньги с ученых и фармацевтических компаний, которые будут использовать его информацию.

Конечным результатом стал компромисс, полный геном человека свободен для использования, но отдельные способы применения сведений о нем могут быть запатентованы, и получившиеся в результате лекарства или методики тестирования можно продавать. И, само собой, люди сегодня платят за то, чтобы получить собственную последовательность ДНК, надеясь, что эти знания помогут им сохранять здоровье и избежать болезней в будущем.

И в конце концов Проект генома человека яркий пример «рекламной шумихи», окружающей сегодня некоторые области науки. Ученые должны конкурировать за финансирование, которого не хватает на всех, и иногда преувеличивать значение собственных исследований, чтобы получить грант. Журналисты раздувают это дело, придавая историям лоска и драматизма, поскольку обычная наука скучна и неинтересна. Каждое объявление об открытии или прорыве заново возбуждает всеобщие ожидания.

Но знание можно добывать, только работая без устали, и новые способы терапии предлагаются очень часто, наука продвигается вперед маленькими шагами день за днем. Требуется много времени, чтобы стали видны побочные эффекты того или иного лекарства, и поднятая СМИ шумиха редко попадает в цель.

И все же возможность прочесть геном человека – колоссальное достижение, поскольку мы теперь намного лучше понимаем природу таких вещей, как здоровье и болезни. Когда-нибудь эти знания помогут нам найти лекарства от рака, сердечных болезней, диабета, слабоумия и других «убийц» нашего времени.

Мы все можем жить более здоровым образом в результате этой важной работы, к которой причастны ученые из многих научных областей и разных стран.