С самых древних времен люди задумывались над вопросом о том, как особенности живых организмов передаются их потомкам. Разрабатывались самые разные теории, иногда очень остроумные и не противоречащие многим фактам, но по-настоящему материальные основы наследственности начали проясняться лишь 45 лет назад, когда Дж. Уотсон и Ф. Крик расшифровали строение ДНК. Оказалось, что в этой скрученной двойным жгутом гигантской молекуле записаны все признаки организма.
Каждая прядь молекулы ДНК представляет собой цепочку из четырех типов звеньев - нуклеотидов, повторяющихся в разном порядке. Нуклеотиды обычно считают парами, как сапоги или перчатки, потому что в молекуле ДНК две цепочки и их нуклеотиды соединены поперечными связями попарно. Четыре сорта нуклеотидов, четыре "буквы" позволяют записать генетический "текст", который прочитывается механизмом синтеза белка в живой клетке. Группа из трех стоящих подряд нуклеотидов, действуя через довольно сложный передаточный механизм, заставляет рибосому - внутриклеточную частичку, занимающуюся синтезом белков, - подхватывать из цитоплазмы определенную аминокислоту, следующие три нуклеотида через посредников "диктуют" рибосоме, какую аминокислоту ставить в цепочку белка на следующее место, и так постепенно получается молекула белка. А белки - не только основной строительный материал живого организма: многие из них - ферменты - управляют процессами в клетке. Так что информации, записанной в ДНК тройками пар нуклеотидов, достаточно для построения нового организма со всеми его особенностями.
Еще задолго до открытия всех этих (и многих других) молекулярных тонкостей, изучая передачу наследственных признаков при скрещивании, биологи поняли, что каждый признак определяется отдельной частицей, которую назвали геном. Удалось понять, что гены лежат в ядре клетки, в хромосомах. А после открытия роли ДНК и механизма синтеза белков стало ясно, что ген - это участок цепочки ДНК, на котором записано строение молекулы определенного белка. В некоторых генах всего 800 пар нуклеотидов, в других - около миллиона. У человека около 80-90 тысяч генов. Набор генов, присущий организму, называется его геномом.
В последние годы зародилась новая отрасль генетики - геномика, изучающая не отдельные гены, а целые геномы. Достижения молекулярной биологии и генной инженерии дали человеку возможность читать генетические тексты - сначала вирусов, бактерий, дрожжевых грибков. А сейчас впервые удалось полностью прочитать геном многоклеточного животного - обитающего в почве микроскопического червячка длиной около миллиметра. В лабораториях мира полным ходом идет расшифровка генома человека. Эта международная программа была начата в 1989 году, тогда же благодаря инициативе и энергии выдающегося биолога, ныне покойного академика А. А. Баева, к программе подключилась и Россия. В феврале этого года в Черноголовке под Москвой прошла конференция "Геном человека-99", посвященная десятилетию начала этих работ и памяти их инициатора, руководившего российской частью программы первые пять лет. Сейчас в разных странах мира, в лабораториях, разделивших между собой "фронт работ" (всего надо прочитать около трех миллиардов пар нуклеотидов), ежедневно расшифровывается более миллиона нуклеотидных пар, причем темп работ все ускоряется.
Об успехах и перспективах геномики рассказывает публикуемая статья.
Как это было
Биология, по всеобщему признанию, заняла доминирующее положение среди естественных наук во второй половине уходящего века. В конце 1998 года эта точка зрения получила новое мощное подтверждение: завершена восьмилет няя работа по расшифровке строения генома (совокупности генов и межгенных участков) многоклеточного животного, круглого червя, нематоды, имеющего латинское название Caenorhabditis elegans.
Хотя это очень маленький червь, скорее червячок, с него без всякого преувеличения начинается новая эра в биологии. Геном этой нематоды состоит из 97 миллионов пар нуклеотидов ДНК, округленно 0,1 миллиарда пар. Геном человека, согласно большинству оценок, - 3 миллиарда нуклеотидных пар. Разница в 30 раз. Однако именно эта работа, о которой идет речь, окончательно убедила даже самых закоренелых скептиков, что расшифровка строения всего генома человека не только возможна, но и достижима в ближайшие годы.
Расшифровка, или, как говорят биологи, секвенирование, генома C. elegans была осуществлена по совместному проекту двумя исследовательскими группами: из Центра геномного секвенирования Вашингтонского университета (США) и Сенгеровского центра (Кембридж, Англия). В журнале "Science" от 11 декабря 1998 года опубликована серия статей, подробно рассказывающая об этой поистине грандиозной работе. Число авторов этой работы столь велико, что журнал не опубликовал списка, отослав читателей к Internet, а авторов назвал просто "Консорциум секвенаторов C. elegans". Это, вероятно, первый случай в истории науки, когда открытие с самого начала и с согласия авторов как бы становится анонимным. Эту работу можно с полным правом считать знаковой, символизирующей "индустриальную" науку. Зримый символ современной науки, где огромные финансовые вложения, роботизация, автоматизация, менеджмент, дисциплина, координация играли определяющую роль, оттеснив на этом этапе роль интеллекта и творческой изобретательности отдельных участников проекта.
Будет справедливым напомнить о том, кто первым обратил внимание на C. elegans как на объект исследования. В середине 1960-х годов Сидней Бреннер, выдающийся молекулярный генетик, внесший огромный вклад в изучение генетического кода, работал в знаменитой лаборатории молекулярной биологии в Кембридже в Англии (в ней трудились нобелевские лауреаты Ф. Крик, Дж. Кендрю, М. Перутц, А. Клуг и другие знаменитые исследователи). После работы над кодом С. Бреннер решил посвятить себя изучению нервной системы и путей ее возникновения и формирования. Он обратил внимание на малюсенького червя (C. elegans), состоящего всего из 959 клеток, из которых 302 нейроны, нервные клетки. Замечательным свойством нематоды была ее прозрачность: можно следить за поведением и судьбой каждой отдельной клетки! Сидней Бреннер привлек в свою "нематодную" лабораторию талантливых молодых исследователей, сделавших немало важных открытий. Многие из них стали "мотором" проекта секвенирования, который был реализован в Сенгеровском центре.
Естественно, расшифровать геном таких гигантских размеров, как у названной нематоды (напомню: 97 миллионов пар нуклеотидов ДНК), невозможно без огромной подготовительной работы. Ее в основном завершили к 1989 году. Прежде всего была построена физическая карта всего генома нематоды. Физическая карта представляет собой небольшие участки ДНК известной структуры (маркеры), расположенные на определенных расстояниях один от другого.
И вот с 1990 года началось само секвенирование. Его темп составлял в 1992 году 1 миллион пар нуклеотидов в год. Если бы такой темп сохранился, на расшифровку всего генома понадобилось бы почти 100 лет! Ускорить работы удалось простейшим способом - число исследователей в каждом центре возросло примерно до 100. Люди и аппараты работали круглосуточно, производительность каждой машины была увеличена за счет большего числа дорожек, на которых секвенировали фрагменты ДНК.
По мере того, как раскрывалась нуклеотидная последовательность ДНК C. elegans, пришлось расстаться с двумя заблуждениями. Во-первых, оказалось, что генов у нее не 15 тысяч, как предполагали вначале, а 19099. Во-вторых, надежда на то, что гены сосредоточены в середине хромосом, а к концам сильно редеют, оправдалась лишь отчасти, гены распределены вдоль хромосом относительно равномерно, хотя в центральной части их все-таки больше.
Если у дрожжей функция половины генов в геноме неизвестна (так называемые молчащие гены), то у червя эта доля еще больше: из 19 тысяч генов 12 тысяч остаются пока загадочными.
Два исследовательских центра, решившие гигантскую по сложности задачу, приобрели уникальный опыт - и в ходе получения самих результатов, и в ходе их осмысления, хранения и переработки. Поэтому неудивительно, что обе группы недавно заявили, что они готовы раскрыть структуру половины генома человека, то есть выполнить работу в 15 раз большую по объему, чем то, что было сделано на геноме червя. И это реально. Приведу такие цифры. Сейчас во всем мире в день расшифровывается более 1 миллиона пар нуклеотидов - столько, сколько за весь 1992 год. Скорость возросла в 365 раз!
Значение секвенирования генома нематоды, конечно, выходит далеко за рамки того, что можно назвать полигоном для расшифровки генома человека. C. elegans - первый многоклеточный организм, геном которого раскрыт практически полностью. Можно напомнить: два года назад был расшифрован первый геном эукариотического организма - дрожжей, то есть организма, клетки которого содержат оформленные ядра. (К эукариотам относятся все высшие животные и растения, а также одноклеточные и многоклеточные водоросли, грибы и простейшие. Дрожжи, согласно биологической систематике, относятся к одноклеточным грибам.) Иначе говоря, за два года был пройден путь от генома одноклеточного до генома многоклеточного организма. Биологи знают, это гигантская дистанция на лестнице эволюции и, следовательно, на пути усложнения геномов. Поразительно, как невероятно быстро пройден этот путь!
Сравнивая теперь геномы бактерий (известно уже более 20 геномов) с геномами дрожжей и нематоды, биологи-эволюционисты имеют уникальную возможность сравнивать не отдельные гены и даже не генные ансамбли, а целиком геномы - такой возможности в биологии еще десять лет назад просто не существовало, об этом только мечтали. В ближайшие месяцы, когда полученные огромные объемы информации начнут осваивать и осмысливать, следует ждать появления принципиально новых концепций в теории биологической эволюции.
Новые данные и перспективы биологии
Каковы же ближайшие перспективы, открывающиеся сейчас в биологии? Вот самые очевидные. У человека только в пять раз больше генов, чем у нематоды. Следовательно, по крайней мере около 20% генома человека должно иметь родственников среди известных теперь генов C. elegans. Это в громадной степени облегчает поиск новых генов человека. Функции еще не известных генов нематоды изучать несравненно легче, чем аналогичные гены у человека. Гены червя можно легко изменить (мутировать), одновременно следя за изменениями структуры гена и свойств организма. Таким путем можно выявлять биологическую роль генных продуктов (то есть белков) у червя, а затем экстраполировать эти данные на другие организмы, в первую очередь на человека. А можно угнетать активность генов (например, с помощью особых молекул специфических РНК) и следить, как меняется поведение организма. Этот путь тоже раскрывает функции неизвестных генов и, разумеется, сильнейшим образом повлияет на изучение генома человека и других высших организмов.
Биологов всегда интригует вопрос: как регулируется работа генов? Хотя мы знаем об этом очень много, наши знания получены в основном на отдельных генах, а потому не дают цельной картины регуляции работы всего генома как единого целого. Сейчас бурно развивается техника так называемых биочипов (по аналогии с микрочипами в кибернетике). Это маленькие пластинки, на которые с помощью прецизионных приборов в тысячи точек, на строго фиксированных расстояниях одна от другой, наносят микроскопические количества фрагментов ДНК.
Такой микрочип может, например, содержать все 19000 генов нематоды - по одному гену в каждой точке, и его можно использовать для того, чтобы определить, какие гены работают в данной клетке червя, а какие молчат. Разумеется, здесь возможно использовать клетки на любой стадии развития и из любой части тела червя. В результате исследователь получит информацию о функциональном состоянии всех генов любой клетки на любой стадии развития червя. Опыты уже начаты, есть все основания не сомневаться, что еще в текущем году мы узнаем о первых результатах. Это будет действительно революционным прорывом для биологии развития. Помимо совершенной микротехники эти опыты требуют и совершенных компьютерных программ, чтобы полученные фактические данные можно было осмыслить и интерпретировать.
Методика биочипов открывает новую стратегию в решении одной из сложнейших в биологии проблем - проблемы взаимосвязи сигнальных регуляторных путей. Основная трудность заключается в том, что взаимодействие белковых продуктов многих генов происходит одновременно, причем комбинации белков меняются не только во времени, но и в клеточном пространстве. В результате изучение отдельных генов и их продуктов (что в основном делалось до сих пор) нередко было неэффективным.
Каково соотношение областей в геноме C. elegans, кодирующих синтез белков (экзоны) и не кодирующих (интроны)? Компьютерный анализ показывает, что экзоны и интроны занимают в геноме нематоды примерно равные доли (27 и 26%), остальное (47%) приходится на повторы, на межгенные участки и т. д., то есть на ДНК с неизвестными науке функциями.
Если сравнить по этим данным дрожжевой геном и геном человека, то станет очевидным, что в ходе эволюции доля кодирующих участков в расчете на весь геном резко уменьшается: у дрожжей она очень высока, а у человека очень мала. Об этом знали сравнительно давно, но сейчас названные соотношения приобрели не только количественную меру, но и структурную основу. Мы приходим, на первый взгляд, к достаточно парадоксальному выводу. Эволюция у эукариот от низших форм к высшим сопряжена с "разбавлением" генома - на единицу длины ДНК приходится все меньше информации о структуре белков и РНК и все больше информации "ни о чем", то есть для нас непонятной, непрочитанной.
Это одна из больших загадок биологической эволюции. По поводу "лишней" ДНК существуют самые разные предположения, зачастую прямо противоположные по смыслу. Много лет назад Ф. Крик, один из отцов двойной спирали ДНК, назвал эту "лишнюю" ДНК "эгоистической", или "мусорной". Он считал ее издержкой эволюции, накапливающейся в геноме в результате неполного совершенства генетических процессов, "балластом", платой за совершенство остальной части генома. Возможно, что некоторая небольшая "эгоистическая" доля в ДНК человека и других высших организмов действительно относится к такому типу. Однако теперь стало ясно, что основная доля "эгоистической" ДНК сохраняется в эволюции и даже увеличивается, потому что она дает ее обладателям эволюционные преимущества.
Классическим примером "эгоистической" ДНК служат так называемые короткие повторы участков ДНК (Alu-элементы, альфа-сателлитные ДНК и другие). Как выяснилось в последние годы, их структура абсолютно консервативна, то есть мутации, нарушающие "правила", установленные природой для этих элементов, не сохраняются, они "отбрасываются" отбором. Структурное постоянство - мощный аргумент в пользу идеи о том, что такие участки являются отнюдь не "эгоистическими", а это очень важная часть ДНК для жизни вида. Другое дело, что мы еще не знаем, в чем конкретно состоит ее биологическая роль.
Геномика человека и будущее человечества
Сегодня почти каждый день широкая пресса США и западноевропейских стран сообщает о все новых и новых генах человека и об их функциях или связи с теми или иными заболеваниями. В 1998 году правительство США истратило на проект по изучению генома человека 300 миллионов долларов, а частные компании, прежде всего биотехнологические, - даже больше этой суммы. По крайней мере 20 самых развитых стран мира имеют свои национальные программы по изучению генома человека.
Сейчас геномная программа уже доказала свое выдающееся значение для развития наших знаний о жизни в целом. Интересно вспомнить, как эти идеи были встречены в момент их первоначального обсуждения и создания программы. Научное сообщество тогда разделилось на две части: одна встретила идею геномной программы с энтузиазмом, тогда как другая - со скепсисом, недоверием и подозрительностью. Среди этой второй группы были и выдающиеся ученые, например, лауреат Нобелевской премии Дэвид Балтимор, один из отцов обратной транскрипции. Основное возражение противников: создание геномной программы направлено на то, чтобы привлечь большие финансовые средства (и тем самым отобрать их у других направлений биологии), а не получить новые знания.
Истекшие 10 лет показали, что новый уровень понимания биологических проблем, сложившийся благодаря результатам геномных исследований, уже сейчас с лихвой оправдал все организационные усилия и финансовые вложения. Более того, стало ясно, что добытая информация не могла быть получена простой поддержкой сотен отдельных исследовательских групп, даже высококвали фицированных и хорошо оснащенных. Но вместе с тем теперь мы понимаем, что 10 лет назад трудно было оценить глубину и широту влияния геномики (области биологии, изучающей геномы) человека на биологию в целом.
Один из сильных аргументов против геномной программы состоял также в том, что "индустриализация" биологии приведет к утрате ее творческого потенциала, исчезновению "малой" биологии - небольших исследовательских групп, возглавляемых талантливыми, оригинально мыслящими исследователями, которые не захотят пойти работать на "фабрики секвенирования ДНК". Среди ученых, придерживавшихся таких взглядов, был, например, и Брюс Олбертс, нынешний президент Национальной академии США.
Безусловно справедливо, что одно из основных звеньев геномной программы - секвенирование, которое в столь гигантском масштабе достижимо только индустриальными методами. Однако само достижение этой фазы требовало больших интеллектуальных усилий, новой приборной базы, новых методов, новых инструментов исследования. Здесь требовалось творческое усилие отдельных ученых. И это творческое начало как необходимый компонент индустриализации было недооценен о скептиками.
Разработанные в геномике человека идеи и методы имеют универсальное значение и применимы для решения огромного круга биологических проблем, далеко отстоящих от собственно генома человека. Напомним только о некоторых из них.
Для картирования генома (обязательная стадия исследований, предшествующая секвенированию) разработаны высокоэффективные техники, такие, как радиационные гибриды (коллекции клеток, в которых удалены разные небольшие фрагменты каждой из хромосом), или искусственные дрожжевые хромосомы, содержащие огромные фрагменты хромосом человека, бактериальные и фаговые векторы, позволяющие размножить (клонировать) фрагменты ДНК человека... Новые техники в совокупности позволили построить детальную карту генома человека, которая к концу 1998 года содержала более 30 тысяч маркеров, создававших детальную карту генома.
Быстро прогрессировала техника секвенирования (например, многоканальный капиллярный электрофорез резко ускорил и удешевил расшифровку первичной структуры ДНК), созданы компьютерные программы, позволяющие находить гены в расшифрованных участках ДНК.
Важно подчеркнуть, что вся эта приборная база и методология в полной мере может применяться к любым геномам, от бактерий до сельскохозяйственных животных и растений.
Пожалуй, от развития геномики человека в настоящее время выиграла больше всего микробиология, поскольку уже расшифровано более 20 полных геномов, в том числе возбудителей многих опасных болезней (туберкулеза, сыпного тифа, язвы желудка и других). Можно с уверенностью утверждать, что без геномного проекта эти данные были бы получены гораздо позже и, вероятно, в гораздо меньшем объеме. Знание геномной структуры патогенных бактерий очень важно для создания вакцин (причем рационально сконструированных), для диагностики и других медицинских целей. Велико влияние геномики и на медицинскую генетику, которая занимается генодиагностикой наследственных болезней, генетическими основами предрасположенности ко многим распространенным болезням.
Частные компании, кредитовавшие проект,
получили тысячи патентов на новые гены,
фрагменты ДНК, новые методики и
т. д. Это имеет как бы двойной эффект. С одной
стороны, геномика получает мощный
дополнительный импульс к развитию, а с другой -
коммерциализация геномики ведет к тому, что
многое из полученной информации фирмы
засекречивают, особенно по геномике
микроорганизмов, заставляя и некоторых ученых
поступать аналогичным образом.
Геномные методы идентификации личности, разработанные и практически реализованные в геномике человека, имеют далеко идущие последствия для общества. Действительно, криминалистика получила в свое распоряжение абсолютно надежный метод доказательства виновности или невиновности человека. Для такого геномного анализа (его часто называют геномной дактилоскопией) достаточно одной капли крови, одного волоса, кусочка ногтя, следов пота, спермы, слюны, перхоти и т. д. Сегодня в мире тысячи людей осуждены или оправданы только на основании геномного анализа. Идентификация родственных связей людей решает сейчас проблемы отцовства и материнства, проблемы наследования прав и имущества между родственниками и неродственни ками, если эти вопросы возникают.
Огромный интерес вызывает вторжение геномики в историю человечества, этнографию, лингвистику и другие области гуманитарного знания. В эту орбиту уже вовлечены и такие биологические науки, как антропология и палеонтология, теория эволюции. Многие спорные вопросы истории цивилизаций в древние времена будут, скорее всего, решены не историками, а геномоведами. Например, уже сейчас ясно (хотя эти работы начались совсем недавно), что происхождение и миграцию многих народов в мире (и, конечно, в том числе в России) легче всего будет проследить по геномным маркерам, которые дают количественную и однозначную информацию.
Программа "Геном человека", как уже говорилось, - программа общечеловеческая. Каждая лаборатория, в какой бы стране она ни находилась, вносит в нее посильный вклад. И как только кому-то удается раскрыть структуру нового гена, эта информация немедленно поступает в Международный банк данных, доступный каждому исследователю. Без преувеличения надо сказать, что развитие информатики играет поистине огромную роль в успехе мировой геномной программы.
В России по этой программе работают около 100 исследовательских групп. Есть оригинальные работы, получившие международное признание (только в прошлом году участники программы опубликовали более 70 статей в международных журналах). Первые пять лет главным в программе было картирование, иначе говоря - расстановка "опознавательных значков", попытка понять: где, в какой части хромосомы ученые находятся - подобно тому, как географы прошлого составляли первые карты Земли.
Теперь акцент сместился, и исследователи пытаются уже определить функции отдельных генов. Это переход от "индустриальной науки", требующей прежде всего оборудования, к науке интеллектуальной. И на этом этапе мы надеемся преуспеть. "Массовое производство" было нам недоступно прежде всего из-за недостатка финансирования, а кроме того - русские ученые никогда не любили механическую работу.
***
Оглядываясь на 10 лет назад, можно увидеть, что значение геномики было недооценено, а ее влияние оказалось гораздо шире и глубже, чем ожидалось. Ясно также, что создание геномного проекта было огромным достижением для биологов всего мира, так как впервые поставило биологию в ряд тех наук, которые способны реализовать глобальные проекты с огромным не только общенаучным, но и практическим выходом. Сравнивая геномный проект с проектом освоения космического пространства (программа полетов к Луне и Марсу, программа околоземных станций), видно, что биологическая программа, будучи во много раз дешевле, по своему влиянию на жизнь людей не только не уступает, но и в конечном итоге, безусловно, превзойдет достижения космических программ, поскольку окажет влияние в XXI веке почти на каждого жителя Земли.
