— Наши гены полны молекулярной белиберды!
— Завещание Говарда Хьюза
— Стоимость проекта — 3 миллиарда долларов!
— Возможно ли гадание по ДНК?
Спрятавшиеся фразы
Конец XX века был ознаменован двумя научными штурмами, которые объединили в одну команду коллективы ученых многих стран мира. Первый рывок связан с выходом человека в космос. Второй — с началом проекта по расшифровке генома человека, то есть, по определению всех его нуклеотидных последовательностей в ДНК. Оба эти проекта имеют много общего. С одной стороны, они впечатляют своей масштабностью. С другой стороны, и глобальные космические исследования, и тотальное молекулярно-генетическое препарирование ДНК человека вызывают немало критики. Окупает ли себя картинка, которая открывается человечеству с покоряемых им научных вершин, те расходы, которые тратятся специалистами на ее получение?
Ученые, непосредственно вовлеченные в реализацию подобных проектов, всегда найдут аргументы «за» поддерживание своих исследований, а для того, чтобы найти аргументы «против», надо быть экспертом. Например, руководитель геномной программы США Ф. Коллинз выступает с впечатляющими прогнозами, что дадут на протяжении первых десятилетий XXI века исследования генома человека. Речь идет и о генной терапии, и о профилактических мерах, снижающих риск многих опасных заболеваний, об успешном лечении многих форм рака, и о генной коррекции на стадии всего лишь нескольких зародышевых клеток эмбрионов человека. Более того, по его оценкам, уже в первой половине XXI века станет возможным расшифровка генотипа отдельного индивида, и эта процедура будет относительно недорогой, не превышающей одну тысячу долларов США.
Подобным утверждениям вполне можно поверить, коль скоро в ведущем научном журнале Nature уже публикуется информация о полной расшифровке нуклеотидных последовательностей отдельных хромосом человека.
Что в подобных заявлениях соответствует реальным ожиданиям, а что является лишь рекламным трюком, направленным на привлечение внимания общественности к соответствующим научным разработкам? Для того чтобы оценить долю реальных результатов в подобных декларациях, надо снова вспомнить школьные азы биологии и проследить историю рождения проекта «геном человека».
В 1953 г. два молодых исследователя — Джеймс Уотсон и Френсис Крик выяснили, как устроена «самая главная молекула» нашего организма, которую образно можно уподобить таинственной кощеевой игле, хранившейся в яйце, спрятанном за семью печатями в ларце. Так же глубоко и надежно оказались запрятаны в клетке молекулы ДНК. Свитые в тугие спирали хромосом, они хранятся в ядре каждой клетки тела. В молекулах ДНК, которые писатель Ю. Чирков образно сравнил с магнитофонной лентой, на которой записана величественная симфония жизни, зашифрована информация об устройстве всех белков организма. Неудивительно, что во второй половине XX века биологи с энтузиазмом взялись за изучение этой информации.
Наш соотечественник биолог Владимир Яковлевич Александров как-то остроумно заметил, что для биологических исследований нужно выбирать «наиболее болтливые объекты». Так оно и происходит на практике. Не случайно основы генетики были получены при изучении мух дрозофил, а не африканских слонов. С быстро размножающимися двукрылыми удобно работать, а «рассказать» о законах наследственности они могут не меньше, чем любое другое существо. Именно поэтому биологи в первую очередь взялись за изучение ДНК, выделенной из наиболее просто устроенных объектов — вирусов и бактерий. Вскоре эта работа увенчалась полной расшифровкой генома некоторых столь просто устроенных объектов.
Например, полная запись нуклеотидной последовательности генома вируса фХ174 укладывается всего в 180 строк, в каждой из которой по 30 знаков. Иначе говоря, ее можно напечатать всего лишь на трех стандартных листах машинописи. Геном человека, представленный в таком виде, занял бы невообразимо толстый том толщиной более чем в полмиллиона страниц!
Ясно, что работа по его расшифровке в 60-х и 70-х годах XX века была не по силу ни одной самой современной биологической лаборатории. Более того, до конца 80-х годов XX века никто из биологов и не ставил перед собой такой задачи. Дело в том, что нуклеотидные последовательности ДНК человека — отнюдь не сплошь информационные «откровения», прочитав которые можно получить ценную информацию о множестве новых неизвестных белков с интригующими функциями. В геноме человека примерно 30–50 % этих последовательностей представляют собой унылые и ничего не значащие повторы нуклеотидов, напоминающие бормотание умственно отсталого пациента. Это означает, что, решая задачу «в лоб» — то есть, расшифровывая все последовательности нуклеотидов человеческой ДНК подряд, около половины времени и средств придется потратить практически впустую!
Более того, вскоре выяснилось, что гены, кодирующие белки высших организмов и человека в частности, бывают нередко буквально разорванными на несколько частей, между которыми находятся согни ничего не значащих нуклеотидных последовательностей. Такие «бессмысленные» участки ДНК называют нитронами. Если сравнить ДНК с литературным текстом, то ситуация выглядит при этом следующим образом. Сначала идет осмысленная фраза. За ней следует несколько страниц полной буквенной белиберды, которую можно получить, случайно ударяя по клавишам пишущей машинки. И лишь далее попадается второй осмысленный кусочек текста. К примеру, строка из всем известного стиха «Идет бычок, качается…», будет выглядеть при этом так:
Идеткпсрстьывлвагфыпвсбычокпнешщрьвспнкачаетсяиамргул
Попробуйте-ка выделить из этой последовательности букв полезную информацию! Примерно с такой задачей и сталкиваются молекулярные биологи, расшифровывающее последовательности ДНК «буква за буквой».
Почему гены человека устроены именно так — вопрос сложный, и здесь останавливаться на нем не стоит. Важно другое — читая текст, знакомые строки вычленить из массива случайного сочетания букв все-таки удается. В случае с ДНК сделать это неизмеримо труднее, поскольку не известно, кодирует данное сочетание нуклеотидов какой-либо белок или нет.
Существует и еще одна трудность. Даже выделив последовательность нуклеотидов, точно соответствующую одному гену, пока очень сложно предсказать, как будет выглядеть пространственная конфигурация соответствующего белка. А ведь именно от нее зависит биологическая активность каждого белка. Аналогия тут проста. Если половинки кусачек соединить как-нибудь иначе, то успешно работать таким инструментом будет невозможно. Примерно такая же ситуация и с белками. Вспомните процесс варки яиц. Под воздействием температуры происходит денатурация белка. Он меняет свою пространственную форму и полностью утрачивает биологическую роль, а ведь последовательность его аминокислот осталась прежней!
Поэтому биологи до последнего времени шли другим путем. Они сначала изучали клеточные белки, в первую очередь те, которые играют важную биологическую роль, а потом уже искали в ДНК соответствующие этим белкам гены. Данная стратегия прекрасно себя оправдала, поскольку именно таким способом к сегодняшнему дню было выделено и изучено множество важнейших генов человека.
Завещание сумасшедшего миллиардера
Так и шел бы дальше естественным образом процесс постепенного накопления сведений о человеческих генах, если бы в дела ученых не вмешалась смерть одного-единственного человека. Речь идет об американском миллиардере Говарде Хьюзе, основателе игровой империи Лас-Вегаса. Создававший и воплощавший в жизнь глобальные проекты, он окончил свои дни сумасшедшим затворником, патологически опасавшимся микробов, и поэтому запрещавший убирать комнату отеля, в которой провел последние годы своей жизни. В завещании Хьюз выделил астрономическую сумму в 4 миллиарда долларов для генных исследований. Денежный поток, который был ютов влиться в финансирование генетических экспериментов в США, казался настолько мощным, что его представлялось трудным разделить на тысячи мелких ручейков, способных вертеть научные колеса отдельных лабораторий. Большим деньгам надо было найти масштабное применение! Необходимо было придумать нечто глобальное, способное поглотить этот финансовый Монблан.
Так родился глобальный проект «Геном человека», задача которого — определить все нуклеотидные последовательности человеческой ДНК, в которых, по современным оценкам ученых, спрятана информация примерно о тридцати тысячах генов. В США авторитетная комиссия специалистов сочла такую грандиозную задачу вполне выполнимой. Отказываться от такой кучи денег в силу любых соображений было явно глупо. Стоимость реализации проекта была оценена в 3 миллиарда долларов, а время его выполнения должно было уложиться в 15 лет. К работе над столь грандиозной задачей были привлечены не только американские ученые, но и сот рудники молекулярно-биологических лабораторий многих стран мира, в том числе и в России.
Неудивительно, что среди ученых нашлось немало специалистов, выразивших горячее желание поучаствовать в щедро оплачиваемых разработках. Оппонентов, которые решались бы при этом публично подвергать острой критике проект, находилось немного. Тем не менее, они были. Например, лауреат Нобелевской премии Дэвид Балтимор прямо утверждал, что проект «Геном человека» не имеет научной ценности и является лишь «уловкой для добывания денег», хотя на общественность он может производить благоприятное впечатление, благодаря своей масштабности.
Ему вторил наш соотечественник, директор Института белка, академик РАН Александр Сергеевич Спирин, который был ярым противником реализации проекта. Он утверждал, что расшифровка всей нуклеотидной последовательности ДНК человека — задача скорее техническая, чем научная. «Сосредоточение больших интеллектуальных сил и материальных средств на подобной проблеме обескровит науку и может затормозить ее развитие в других, оригинальных областях. Целое поколение научной молодежи будет фактически выведено из сферы творчества», — так комментировал Спирин в конце XX века сложившуюся ситуацию корреспондентам «Известий».
Не вызывает сомнений, что возникающие в процессе реализации проекта технические проблемы удается решать. Уже во второй половине 80-х годов японская фирма «Сейко инструменты и электроника» создала секвенатор — прибор, способный практически без вмешательства человека определять нуклеотидные последовательности кусков ДНК. Вначале скорость его работы была сравнима со скоростью работы квалифицированного сотрудника лаборатории, однако со временем интенсивность работы новых вариантов подобных автоматических дешифраторов начала возрастать.
Деньги и нуклеотиды
Несмотря на технический прогресс, ускоряющий работу над проектом «геном человека», сама целесообразность подобного проекта, рожденного колоссальными деньгами далекого от биологических исследований человека, по-прежнему вызывает сомнение. В самом конце XX в. биологи уже определили нуклеотидные последовательности ДНК 21-й хромосомы человека. Была проделана титаническая работа по выяснению взаимного положения более чем 33,5 миллионов азотистых оснований. И каков же результат? Они обнаружили 127 уже известных науке генов (смысла в повторном определении их локализации нет никакого) и более согни участков ДНК, которые теоретически могут быть генами, кодирующие неизвестные белки. Ни о строении, ни о функции этих гипотетических белков пока ничего не известно.
Тем не менее, когда подобные результаты обсуждаются в прессе, произносится много умных фраз о важности именно 21-й хромосомы, поскольку еще с 1959 г. известно, что ее лишняя копия приводит к синдрому Дауна. Это безусловно так, только расшифровка всех ее нуклеотидных последовательностей не дает ровным счетом ничего для понимания, почему ее удвоение приводит к тяжел мм порокам в развитии ребенка. Гораздо выгоднее работать с отдельными генами, кодирующими уже известные науке белки.
Подобная ситуация возникает просто потому, что генеральное направление исследований заранее определено выделенными на них деньгами, и теперь надо во что бы то ни стало доказать, что шкурка стоит выделки. При этом масса сомнительных вопросов остается вообще за рамками публичного обсуждения в прессе. Например, совершенно не ясно, о расшифровке генома какою именно человека идет речь. Люди различных рас и национальностей отличаются по наборам генов, кодирующих варианты сходных белков. Следовательно, для того, чтобы составить представление о геноме человека как биологического вида, необходимо собрать информацию обо всех вариантах генов в пределах отдельных популяций. А это усложняет работу на порядок, если не более.
Со школьной скамьи известно, что парные, так называемые гомологичные хромосомы способны обмениваться своими участками. Это происходит во время образования половых клеток. В результате дополнительно увеличивается разнообразие, лежащее в основе формирования уникальности каждой отдельного индивида. Следовательно, проанализировав 21-ю хромосому, полученную от другого человека, можно получить сходные, но все же иные последовательности нуклеотидов.
Наконец, некоторые гены, в частности кодирующие белки антител, формируются благодаря почти случайному комбинированию отдельных «кусочков» в процессе эмбрионального развития организма, поэтому у каждого человека они отличаются определенным своеобразием. Может ли в этой ситуации вообще идти речь о полной расшифровке генома человека, если у каждого представителя Homo sapiens набор его генов по-своему уникален?
Генные авгуры
Не вызывает сомнения, что в ближайшем будущем будут определены нуклеотидные последовательности всех 23 хромосом человека. Более того, американскому руководителю геномной программы США Ф. Коллинзу вполне можно верить, когда он предсказывает в обозримом будущем возможность достаточно быстрого определения нуклеотидных последовательностей ДНК каждого желающего с толстым кошельком в кармане. Не вызывает сомнения, что важность обладания такой информацией будет убедительно подтверждена множеством умных слов, высказанных по этому поводу в околонаучной прессе. Наверняка найдутся и тысячи желающих, готовых расстаться с немалой суммой, чтобы получить на магнитном носителе строчки, включающие несколько миллиардов азотистых оснований, сочетание которых таит в себе основу их биологической индивидуальности.
Почти со 100 %-ной уверенностью можно предсказать, что неизбежно возникнут фирмы-толмачи, которые будут на основе полученных данных определять вероятность различных заболеваний, возможную продолжительность жизни, природные склонности клиента, хотя подобный анализ можно сделать уже сейчас на основе анализа его родословного древа. Зато с какой наукообразной таинственностью будет обставлен ритуал суперсовременного гадания по ДНК!
Подобная ситуация недобросовестной эксплуатации научных результатов уже возникла в криобиологии, изучающей возможности временного замораживания живых объектов. С низшими организмами вроде бактерий такой трюк успешно проходит. Удается его проделать и с отдельными клетками вроде сперматозоидов животных. Однако пока разморозить и оживить теплокровное животное не способна ни одна лаборатория мира. Все его клетки неизбежно гибнут в процессе заморозки. Тем не менее, в США уже существует множество фирм, предлагающих за большие деньги замораживать покойников, увещевая при этом родственников, что в будущем наука, возможно, справиться с проблемой их разморозки и оживления. Вот тогда-то хранящиеся в жидком азоте бренные останки и смогут научным образом воскреснуть!
Возможность подобного шарлатанства может возникнуть и в результате реализации программы «геном человека», которая неизбежно приведет к появлению «генных авгуров», говорящих на мало понятном для неспециалистов языке, и берущихся делать за хорошую плату всевозможные прогнозы на основе нуклеотидных последовательностей ДНК их клиентов.
Подводя краткий итог обсуждению проекта «Геном человека», можно с уверенностью утверждать, что огромным деньгам, которые на него тратятся, можно было бы найти гораздо более достойное применение в рамках любых других научных биологических и медицинских разработок. Однако, как говорится, «хозяин — барин». Никто не собирается пересматривать целесообразность вложения огромных завещанных Хьюзом денег в проект «Геном человека». Остается лишь утешаться тем, что в нашей стране проблема влияния частного капитала на глобальные направления развития науки возникнет, наверняка, еще нескоро.