М. Франк-Каменецкий:
С расшифрованным геномом предстоит большая работа
- Когда говорят: "Геном человека полностью расшифрован", то, как правило, добавляют слова "практически" или "почти". Что стоит за этими оговорками? Как нужно понимать: "Расшифрован почти полностью"?
- Геном в действительности расшифрован на 95, а может быть, даже на 98 процентов, но то, что осталось, - это, так сказать, бессмысленные тексты: длинные последова тельности нуклеотидов, где много раз повторяется один и тот же "мотив", например АГГ, АГГ, АГГ, АГГ, АГГ... Думаю, что если в книге встретится несколько страниц с подобной абракадаброй, то никто не станет их читать.
- Но все-таки их как-то отметят. Для завершения общей картины.
- То, что в геноме человека пока не прочитано, наверняка скоро прочитают, но общей картины это не изменит. И к выполненной гигантской работе мало что добавит. Напомню, предметом изучения были две как бы параллельные молекулярные цепочки огромной длины (по атомным масштабам, разумеется), соединенные друг с другом и свитые в двойную спираль, уже привычно именуемую молекулой ДНК. Каждая из цепочек двойной спирали - это некий химический текст, записанный различными комбинациями из четырех нуклеотидов - аденина (А), гуанина (Г), тимина (Т) и цитозина (Ц). Этими комбинациями нуклеотидов, или, условно говоря, четырех букв: А, Г, Т, Ц, подробно и точно записано, как должен быть устроен человеческий организм и как он должен функциони ровать. Вот эта запись в ДНК как раз и называется геномом человека, она разделена на 23 части и упрятана в 23 особые белковые структуры - хромосомы. Полный набор хромосом имеется в каждой нашей клетке. И еще одно напоминание: в каждой нити ДНК примерно 3,2 миллиарда нуклеотидов, чтобы разместить текст, состоящий из 3,2 миллиарда букв, нужно 2000 книг по 500 страниц каждая. Думаю, что такое сравнение поможет представить себе весь тот гигантский объем работ, который нужно было выполнить, чтобы сказать: "Геном человека расшифрован полностью".
- Почти полностью...
- Поразительный факт: лишь 5 процентов человеческого генома несут полезную информацию, остальные 95 процентов - это, как полагают, "мусор", накопившийся за время эволюции. Так вот, есть основания полагать, что содержательная, информативная часть генома расшифрована полностью, без всяких оговорок.
- В прессе сообщалось, что расшифровка генома одновременно завершена двумя разными группами исследователей. Трудно представить себе такую абсолютную одновременность, кто-то, наверное, все-таки был первым?
- Мне бы не хотелось гигантскую исследовательскую работу и столь важное для человека и человечества научное достижение сводить к каким-то спортивным соревнованиям, которые оценивает судья со свистком и секундомером. Расшифровку действительно независимо вели две большие группы, которые часто называют именами двух американцев, - это группа Фрэнсиса Коллинза, директора Геномного центра Националь ного института здоровья, а также руководителя международного проекта "Геном человека", и группа Грэга Вентера, создателя и руководителя фирмы "Селера Геномикс". В первую группу входят университетские лаборатории, в основном английские и американские, их работы финансируются бюджетом, различными фондами и в порядке благотвори тельности одной крупной британской компанией. Общая стоимость проекта - около трех миллиардов долларов. Вторая исследовательская группа - это сама вентеровская фирма, ее финансовая основа - частный капитал. Фирма начала расшифровывать геном человека заметно позже, но она шла вслед за своими университетскими коллегами, благодаря большим финансовым возможностям использовала самое современное оборудование и выполнила работу в более короткий срок.
- Частный капитал все-таки оказался эффективнее...
- Да, но расшифровка генома, сделанная университетскими учеными, находится в Интернете, ею может совершенно бесплатно воспользоваться любая исследовательская группа, чтобы решать свои биологические или медицинские задачи. А для того чтобы получить расшифровку "Селеры Геномикс", каждый пользователь должен заплатить 16 миллионов долларов. Кстати, когда президент США Клинтон и премьер-министр Великобритании Блэр заявили, что расшифровка генома, сделанная мировым сообществом ученых в рамках международного, или, лучше сказать, межгосударственного, проекта, будет общедоступной, то акции фирмы "Селера Геномикс" в тот же день упали почти на 30 процентов.
- Кто же платит 16 миллионов за то, что можно получить бесплатно?
- В основном крупные фармацевтические фирмы, для которых эта сумма, видимо, не столь уж страшна и для которых "Селера Геномикс" чем-то более привлекательна.
- Давайте вернемся к содержательной стороне великой научной победы. Можно ли считать, что работа закончена, и выполнившие ее научные коллективы могут сворачиваться, что они все, что нужно, уже сделали?
- Ни в коем случае, впереди непочатый край работы. Создававшаяся годами, хорошо оснащенная мощнейшая исследовательская машина не останется без дела еще многие годы или даже десятилетия. Во-первых, нужно расшифровать геном многих животных и растений, здесь нас наверняка ждут не только практические результаты, но уверен - и принципиально важные открытия. Во-вторых, еще предстоит очень большая работа с уже расшифрованным геномом человека.
- Но что еще здесь нужно выяснять, если геном уже прочитан и точно известно чередование четверки нуклеотидов А, Г, Т, Ц по всей длине человеческой ДНК?
- Прочитанное чередование нуклеотидов для каких-то участков столь длинного "текста" (мы только что отметили - в нем 3,2 миллиарда "букв") наверняка нужно уточнить, для каких-то - проверить или перепроверить. Не забудьте: ДНК расшифровывалась сравнительно небольшими кусками, после чего решалась сложнейшая задача - нужно было их состыковать, правильно найти места соединения. Из песни, как известно, слова не выкинешь, и нужно прямо сказать, что информация, полученная и той и другой группой, в целом еще достаточно сырая. В ней нужно разбираться и разбираться, чтобы понять тонкие механизмы, лежащие в основе самой нашей жизни и нашего здоровья. Еще предстоит точно установить, какие участки ДНК действительно являются генами, то есть описанием конкретных белков, составляющих наш организм. Для многих белков уже точно установлены участки ДНК, в которых хранится "чертеж" данного белка. Для других их еще предстоит найти. А может быть, по ранее не прочитанным участкам генома удастся найти в организме новые белки. Или, наоборот, - по молекулярной структуре белка найти ген, с которого этот белок считывается. Одним словом, можно надеяться, что новые данные будут поступать от обеих групп, расшифровавших геном. А для этого нужно работать и работать. Ведь даже из полностью известной молекулы ДНК человека выделить сами гены значительно сложнее, чем, скажем, из ДНК бактерий.
- Почему?
- Потому, что ген человека имеет так называемую мозаичную структуру: участки, в которых записано устройство белка, чередуются с очень похожими, но совершенно бессмысленными участками. В дальнейшем на одной из промежуточных стадий синтеза белка в живой клетке эти бессмысленные участки будут вырезаны и выброшены. Для определения смыслового участка ДНК гена исследователи должны это сделать сами, что не так-то просто. Вот одна из многих трудностей предстоящей большой и сложной работы.
- Что уже сделано по части точного описания молекулярной структуры отдельных генов и что еще предстоит сделать?
- Утверждается, что уже несколько тысяч генов расшифровано, то есть известна последовательность составляющих нуклеотидов.
- А всего сколько генов в нашем геноме?
- Есть разные оценки. Предполагается, что в геноме человека может быть от 40 до 100 тысяч генов. Уже сам этот разброс говорит о том, как много человеку еще предстоит узнать о самом себе. Кстати, не все гены используются для синтеза белка, небольшая их часть участвует в изготовлении других биологически значимых молекул.
- Сколько же времени уйдет на то, чтобы довести до полной ясности расшифрованный геном человека?
- Кто-то считает, что целое столетие. Но, думается, лет через 15 или, может быть, 20 основные задачи будут решены. Как бы там ни было, сделано главное: геном человека расшифрован, и это событие такого масштаба, как, например, открытие периодического закона строения химических элементов Менделеева. Можно не сомневаться, что на основе знаний о геноме будут развиваться важнейшие направления фундаментальной биологии и практической медицины.
Е. Шахнович:
Конфигурацию десятка тысяч белков еще предстоит установить
- Как сообщают официальные справочники, сфера ваших научных интересов - пространственная организация белков. Что стоит за этими словами?
- Пространственная структура белковых молекул, или, образно говоря, их архитектура, - это действительно главная тема наших исследований. Но не единственная. В последние годы широкой публике много рассказывают о молекуле наследственности, о ДНК. Поэтому даже люди, далекие от биологии, знают, что ДНК - это двойная спираль, свитая из двух длинных многоатомных нитей. Что же касается белка, то многим он представляется смесью каких-то хаотически переплетенных длинных молекул, которые в жидкой фазе образуют яичный белок, а в твердой - рыбу или мясо.
А между тем каждая белковая молекула, которая появляется на свет в виде длинной многоатомной нити, потом сама сворачивается в сложную трехмерную фигуру, отдаленно напоминающую замысловатый морской узел. При этом все белковые молекулы одного какого-либо типа, например все молекулы белка миоглобина или все молекулы белка интерферона, сворачиваются совершенно одинаково и имеют в итоге совершенно одинаковое пространственное строение - архитектуру. Подобно, скажем, пластмассовым солдатикам, выскакивающим из штамповального станка. А у белковых молекул разного типа архитектура совершенно разная - она всегда приспособлена для решения той задачи, которую выполняет данный белок.
- У меня сразу появилось множество вопросов. Почему белковые молекулы сворачива ются? Почему однотипные молекулы сворачиваются одинаково? Какие силы их сворачива ют? И как та или иная архитектура помогает белковым молекулам выполнять свои задачи?
- Начну с конца и в качестве ответа приведу конкретный пример - молекулу белка гемоглобина. Это тот самый гемоглобин, об уровне которого вам сообщает анализ крови и который выполняет исключительно важную работу - двигаясь с потоками крови, он забирает из легких кислород и разносит его по всему организму. Поэтому низкий уровень гемоглобина в крови говорит о том, что организм недополучает кислород. В центре молекулы гемоглобина находится так называемый гем - соединение, содержащее атом железа. Когда гемоглобин проходит через легкие, железо присоединяет к себе кислород, когда же гемоглобин попадает в ткани, железо этот кислород отдает им. Кстати, окисленное железо имеет красный цвет (вспомните налет ржавчины на железных предметах), и поэтому наша кровь красная.
- Но для чего нужна гемоглобину столь сложная архитектура? Ведь работает только атом железа?
- Сейчас мы к этому подойдем. Для начала напомню: любая белковая молекула представляет собой цепочку из сравнительно небольших молекулярных блоков, именуемых аминокислотами. Всего для строительства белков используется 20 типов аминокислот, и белки различаются, во-первых, количеством аминокислотных блоков, во-вторых, их последовательностью, то есть тем, в каких комбинациях различные аминокислоты входят в белковую цепь. Как видите, белок по строению напоминает ДНК. В ДНК все определяет последовательность нуклеотидов, в белке - последовательность аминокислот. Более того, определенный участок ДНК - ген - как раз и указывает, какой должна быть последовательность аминокислот в данной белковой молекуле - она строится по "слепку" с гена. И если в ген вкрадывается какая-то ошибка, то белок получается "неправильный" - с неправильной аминокислотной последовательностью. В этом первопричина огромного множества наследственных заболеваний.
Последовательность аминокислот определяет также пространственную структуру белковой молекулы, которую сворачивают электрические и чисто химические взаимодей ствия. Но есть и другие силы. Поскольку белки "работают" в водной среде, в частности в межтканевой или внутриклеточной жидкости, в крови или в лимфе, то они стараются "упрятать" свои водоотталкивающие (гидрофобные) участки куда-нибудь внутрь, а легко смачиваемые (гидрофильные) - оставить снаружи. Так и возникают сложные белковые клубки. У разных белков разные аминокислотные последовательности и, значит, разное чередование водоотталкивающих и водопритягивающих аминокислот. Поэтому архитектура у разных белков получается различная, а у однотипных белковых молекул - одинаковая.
Теперь я могу, как обещал, пояснить, для чего нужна белкам такая сложная пространственная конструкция. Возьмем все тот же гемоглобин - белок средних размеров (в его молекуле около 150 аминокислот). Гемоглобин никогда не работает в одиночку, а всегда образует "рабочую бригаду" из четырех молекул. Связав четыре молекулы кислорода, гемоглобин сразу же формирует закрытую конструкцию, из которой кислород выйти не может. А прибыв к "месту назначения", четыре молекулы гемоглобина высвобождают кислород. Так работает молекулярная транспортная система высокой надежности - никаких потерь груза при перевозке.
- Поразительная белковая машина - просто какой-то молекулярный самосвал с автоматическим управлением. Как вы думаете, может быть, что такая сложная машина появилась не сама собой, ее создал Главный Конструктор?
- В нашем организме работает множество других белковых машин, в том числе и более сложные. В клетке, например, есть белковый агрегат с красивым названием "шаперон", по форме он напоминает ведерко. Это своего рода ОТК - отдел технического контроля: он проверяет пространственную структуру белковых молекул. Бывает, что некоторые молекулы сворачиваются неправильно. Шаперон узнает их, втягивает в свое "ведерко", разворачивает в исходную молекулярную нитку и выбрасывает на свободу - дает им еще одну попытку свернуться правильно.
Что же касается Главного Конструктора, то о нем наверняка вспоминал каждый, кто сталкивался с биологическими молекулярными шедеврами. Я - не исключение. Но только ученому думать об этом долго не стоит: нам надо делать свое дело, вникать в природу вещей и пытаться понять, что как устроено, как работает и как ломается.
- А что плохого в том, что белковая молекула свернулась чуть-чуть иначе?
- За этим могут последовать очень серьезные неприятности, в частности тяжелые заболевания. Можно привести пример - серповидную анемию: из-за генетической ошибки молекулы гемоглобина не могут образовать свои обычные квартеты, вместо этого они сотнями и тысячами объединяются в длинные нити, которые растягивают эритроцит - он становится длинным и изогнутым, как лунный серп.
Как сейчас полагают, болезнь Альцгеймера - тоже в какой-то степени результат отклонений в архитектуре белка. В результате ошибок в аминокислотной последова тельности некоторых белков (амилоидных) их гидрофобные (водоотталкивающие) аминокислоты оказываются не внутри белкового клубка, а снаружи. Дефектные молекулы, подобно жирным пятнышкам на поверхности воды, склеиваются одна с другой гидрофобными частями, образуя со временем бляшки на коре головного мозга. Они-то и приводят к тяжелым симптомам, характерным для этой болезни. Дефектные молекулы появляются не очень часто, бляшки растут медленно и долго, поэтому болезнь Альцгеймера в основном проявляется в преклонном возрасте.
- А много ли мы вообще знаем о пространственной структуре белка? И как добываются эти знания?
- Уже для нескольких сотен белков точно установлена их пространственная конфигурация, но эти белки составляют лишь малую часть того, что нужно знать, - в организме человека их десятки тысяч.
Знания об архитектуре белков добываются нелегко. Чтобы получить какие-либо полезные результаты, нужно понять не только, как выглядит белковая конструкция, но и как она возникает, в каком порядке и с какой скоростью сворачивается, какие в этом процессе возможны нарушения. Для этого сначала проводятся глубокие теоретические исследования, по отрывочным и косвенным экспериментальным фактам строятся теоретические модели, делаются расчеты, проверяются различные варианты свертывания, моделируются силы, действующие при этом на молекулу, различные сценарии свертывания моделируются на компьютерах. Наконец, когда появляется правдоподобный вариант структуры, его отдают биохимикам-экспериментаторам, и они выносят приговор.
- Сегодня много говорят о полной расшифровке генома человека. Открывает ли это новые возможности для вашей области?
- Бесспорно, да. Мы получим массу важной для нас информации, которой раньше просто не существовало. Кроме того, могут появиться новые интересные задачи в связи с новыми направлениями биологии и медицины, которым должны дать толчок полная расшифровка генома и последующее его осмысление.
- Как вы себе представляете новые направления?
- Это может быть, например, индивидуальное генетическое обследование: вы приходите к врачу, и вам анализ крови делают на геномном уровне. Или проводится массовая проверка определенного участка генома, ответственного за какое-либо заболевание или за предрасположенность к нему. Потом может последовать поиск возможностей как-то устранять дефекты в генах - генная терапия.
Помимо этого есть миллион вопросов, к которым мы наконец-то сможем подобрать ся. Чем конкретно, так сказать биохимически, человек отличается от обезьяны? Какие гены и, следовательно, какие белки ответственны за особенности нашего поведения? Какие черты характера мы получаем от родителей, как они записаны в геноме и с помощью каких белков реализуются? Как шла эволюция, как происходило ветвление ее путей, в результате каких мутаций? Что, например, конкретно изменилось в геноме волка, когда от него отошла ветвь собаки? Наконец, на новую ступень должно подняться изучение всей системы: геном - белки - клетки - многоклеточные образования - организм - популяция _ экосистема. Мы знаем многое о каждом из этих огромных миров, но, честно говоря, пока это - лишь фрагменты, до полной картины еще далеко.
Расшифровка генома человека не только открыла новые возможности и новые подходы к нашему продвижению в неизвестное. Она стала еще и мощным вдохновляющим импульсом для науки.
