Я с нетерпением ждал завершения секвенирования человеческого генома, чтобы узнать, насколько полученное количество пар оснований в геноме будет близким к числу 72 415 генов. Почему именно эта цифра так магически привлекала и манила меня? Происходило это в связи с событиями и сюрпризами, которые были ранее на проекте «Геном человека». В декабре 1999 года выяснилось, что между двумя важнейшими «вехами» геномной последовательности – отметками «миллиард» и «два миллиарда» пар оснований – находятся результаты анализа первой целиком отсеквенированной хромосомы – под номером 22. Хотя по размерам эта хромосома совсем маленькая – на ее долю приходится всего 1,1 % генома, в ней все равно 33,4 миллиона пар оснований. Детально проанализировав 22-ю хромосому, мы впервые попытались предположить, как может выглядеть весь геном в целом. В журнале Nature был опубликован отклик на это событие. Автор отклика написал, что мы словно «впервые взглянули на поверхность или ландшафт другой планеты». Интересным фактом стала установленная плотность расположения генов в хромосоме. Мы были уверены, что 22-я хромосома позволит нам судить обо всем человеческом геноме – в ее последовательности мы ожидали найти примерно 1,1 % всех человеческих генов. Таким образом, если отталкиваться от стандартной «академической» оценки, согласно которой, у человека около 100 тысяч генов, логично было предположить, что в 22-й хромосоме их обнаружится примерно 1100. В действительности оказалось, что 22-я хромосома содержит вдвое меньше генов: 545. Это был первый «важный звоночек» молекулярным генетикам: человеческий геном далеко не так богат генами, как нам ранее казалось.

Вопрос о количестве генов у человека стал особенно актуальным в связи с определенными событиями. На конференции о геноме человека, состоявшейся в мае 2000 года в лаборатории Колд-Спринг-Харбор, Юэн Бирни (тогда возглавлявший в Сенгеровском институте центр по компьютерномуанализу геномной последовательности) организовал конкурс, который назвал GeneSweep. Это была лотерея, выигрыш в которой зависел от правильного определения числа генов, а результат предполагалось озвучить, когда секвенирование генома будет закончено, то есть в 2003 году или ранее, как получится. Победителем было решено объявить того, чей прогноз окажется ближе всего к фактическому результату. Очевидно, что именно Бирни стал неофициальным букмекером проекта «Геном человека», ведь числа – его стихия. Закончив высшую школу в Итоне, он целый год занимался количественными исследованиями в области биологии и в это время жил в моем доме на Лонг-Айленде, весьма далеко от троп Гималаев и шикарных баров Рио, двух наиболее вероятных мест, где молодой британец предпочел бы провести свободный год перед поступлением в университет. Результатом работы Бирни в Колд-Спринг-Харборе стала публикация двух важных исследовательских работ.

Возвращаемся к нашему научному тотализатору. Исходно Бирни брал доллар за версию, но цена «участия» повышалась после опубликования каждой новой оценки, приближавшей нас к конечному результату. Я оказался в первых рядах, поставив доллар на 72 415. Я выбрал такое число специально, пытаясь попасть в промежуток между «академической» цифрой в 100 тысяч и наиболее точной текущей оценкой генома в 50 тысяч, которая была выведена по итогам секвенирования 22-й хромосомы на тот момент времени. С тех пор минуло уже более 10 лет, а генетики до сих пор спорят о точном количестве генов, но уже совершенно очевидно, что моя оценка получилась крайне завышенной. Так я потерял на угадывании генома доллар.

Пожалуй, не менее важным был вопрос, вызывавший бурю спекулятивных дискуссий и тем для разговоров намного больше, чем просто подсчет числа генов. Вопрос заключался в следующем: чьи именно гены мы секвенируем? Хотя эта информация была конфиденциальной, поскольку в данном случае от заказчиков передачи денег из рук в руки не предполагалось, тем не менее этот вопрос интересовал многих. В рамках публичного проекта все было ясно. Отсеквенированная нами выборка ДНК была получена от множества произвольно выбранных доноров-добровольцев, проживающих в районе города Буффало, штат Нью-Йорк; именно в этом районе происходила и вся обработка материалов: извлечение ДНК, внедрение ее в искусственные бактериальные хромосомы, картирование и секвенирование. Изначально компания Celera заявляла, что ее биоматериал также получен от шести анонимных доноров, представителей разных культур. Однако в 2002 году Крейг Вентер не удержался и поведал всему миру через средства массовой информации, что для секвенирования был использован и его собственный геном. На сегодняшний день эта информация – все, что связывает Вентера с компанией Celera. Руководители этой компании были так обеспокоены, что секвенирование геномов при всей своей гламурности и инновационности в перспективе может оказаться убыточным бизнесом, что переформатировали организацию в фармацевтическую компанию и в 2002 году распрощались со своим основателем. Что до Крейга Вентера, то он основал в Сан-Диего новый институт имени себя, а также еще две амбициозные компании: одна пыталась использовать бактериальные геномы для поиска свежих источников возобновляемой энергии, а вторая, подражая Celera, занимается высокопроизводительным секвенированием отдельных геномов в поисках таких вариантов, которые обеспечивают здоровье и долголетие. Как уже упоминалось ранее, Вентер заявил, что его компания Human Longevity отсеквенирует один миллион человеческих геномов к 2020 году.

Гены хромосомы человека 2: 243 миллиона пар оснований

Теперь, располагая полной последовательностью человеческого генома, мы понимаем, что плотность распределения генов в 22-й хромосоме нисколько не атипична. Если уж на то пошло, 22-я хромосома с ее 545 генами оказалась при своем маленьком размере, скорее, даже насыщена генами, а не бедна ими. В 21-й хромосоме – примерно такого же размера – удалось выделить всего 236 генов. В настоящее время всего известно около 21 тысячи генов в полном наборе человеческих хромосом (22 + X + Y). Пока остается смириться и признать, что мы по-прежнему не знаем, сколько именно генов в человеческом геноме, хотя проект «Геном человека» завершился уже более десяти лет назад. Несколько международных групп, в том числе Национальный центр биотехнологической информации при Национальных институтах здравоохранения, организация Ensembl в Англии и международный консорциум под названием GENCODE, постоянно анализируют и уточняют реестр генов. Последние прогнозы о числе генов, кодирующих белки, варьируют от 19 800 до 22 700 – в среднем получается 21 035. Кроме того, есть еще от 35 тысяч до 40 тысяч генов, кодирующих транскрипты РНК, но не кодирующих сами белки. Ясно одно: окончательное число явно не дотягивает до отметки 50 тысяч, не говоря уж о 100 тысячах генов.

Насколько не дотягивает – покажет время. Поиск генов – нетривиальная задача; области, кодирующие белки, – это просто последовательности А, Г, Т и Ц, «встроенные» в геном посреди других А, Г, Т и Ц; они ничем особо не выделяются. Как вы помните, всего около 2 % генов в геноме человека кодируют белки; все остальное, пренебрежительно именуемое в учебниках «мусорная ДНК», до недавнего времени казалось набором явно нефункциональных отрезков различной длины, многие из которых встречаются неоднократно. Мнение об этом принципиально изменилось в свете данных, полученных в проекте ENCODE (об этом было рассказано в главе 7). Такой «мусор» бывает рассеян даже в самих генах; гены, нашпигованные некодирующими сегментами (интронами), могут занимать обширные участки ДНК, и кодирующие элементы напоминают отдельные городки, расположенные вдоль пустынной молекулярной автомагистрали. Некоторое время самым длинным человеческим геном считался дистрофин (мутации в этом гене вызывают мышечную дистрофию), который простирается более чем на 2,4 миллиона пар оснований. Всего 11 055 из них (0,5 гена) кодируют сам белок; остальная часть гена приходится на 78 интронов (человеческий ген содержит в среднем восемь интронов). Именно из-за такого несуразного устройства генома идентифицировать гены настолько сложно. Но потрясающая воображение длина дистрофина меркнет по сравнению с длиной коннектина (титина), основного белка эластичной решетки цитоскелета и третьего по распространенности мышечного белка. Этот сократительный белок поперечно-полосатых мышц состоит примерно из 33 тысяч аминокислот, и длина его достигает 1 микрометра. Ген, кодирующий титин, расположен во 2-й хромосоме; он простирается почти на 300 тысяч оснований и содержит 363 экзона.

В последние годы поиск человеческих генов значительно упростился, поскольку значительно лучше, чем раньше, изучены геномы мыши, шимпанзе и многих других млекопитающих. Многое стало понятным благодаря знанию процессов эволюции: функциональные части человеческого и мышиного генома весьма схожи (как и геномы всех млекопитающих), за миллионы лет с тех пор, как жил последний общий предок всех видов, они недалеко отошли друг от друга. Напротив, некодирующие области ДНК были «диким полем» эволюции: поскольку они не подпадали под естественный отбор, накопление мутаций в них ничем не сдерживалось (в отличие от кодирующих сегментов). Поэтому мутации накопились там в изобилии, и именно в некодирующих регионах геномы человека и мыши существенно различаются. Поэтому, отыскивая схожие участки в генетических последовательностях у человека и у других млекопитающих, можно эффективно обнаруживать функциональные области, то есть гены.

Идентификация человеческих генов еще более упростилась после того, как был подготовлен черновой вариант генома рыбы-иглобрюха. Ценителям японской кухни эта рыба более известна под названием фугу, в ее организме содержится сильный яд тетродотоксин. Умелый шеф-повар удаляет у рыбы ядовитые органы, так что, пообедав ею, вы можете ощутить лишь небольшое онемение во рту. Тем не менее около 80 человек в год умирают от плохо приготовленной рыбы фугу, а представителям японской императорской семьи законодательно запрещено лакомиться этим деликатесом. В конце 1980-х годов мой давний друг, нобелевский лауреат Сидней Бреннер, всерьез увлекся иглобрюхими, по меньшей мере в качестве генетического материала. Геном фугу в десять раз меньше человеческого, и там гораздо меньше «мусорной» ДНК, чем у нас с вами; приблизительно треть всех имеющихся генов кодирует белки. Под руководством Бреннера примерный вариант генома рыбы фугу удалось выполнить за 12 миллионов долларов – просто находка по меркам секвенирования геномов, бытовавшим в начале 2000-х годов. Число генов, то есть участков генома, кодирующих белки, у фугу составляет 19 200 – примерно столько же, сколькои у человека. Однако интересно, что, хотя число интронов в геноме фугу примерно такое же, как в геноме человека и геноме мыши, сами интроны фугу обычно гораздо короче.

Сравнение ДНК человека и мыши в одном и том же гене. В частности, показан интрон (некодирующая последовательность внутри гена, ограниченная рамкой считывания) и участки двух экзонов (областей, кодирующих белок, синтезируемый геном). В двух последовательностях выделены те основания, которые не изменились в ходе эволюции. Дефис означает утрату основания у человека или у мыши. Общее сходство генетических последовательностей у человека и у мыши демонстрирует, что естественный отбор исключительно эффективно отбраковывает мутации. В интронах, где мутации, как правило, несущественны, разница заметнее, чем в экзонах; ведь экзоны могут влиять на функцию белка

Даже при оценке в 21 тысячу генов или около того создается немного преувеличенное представление о том, насколько сложно устроен человек с генетической точки зрения. Правда, в ходе эволюции некоторые гены породили общности из родственных генов, так получились группы схожих генов, лишь слегка различающихся с функциональной точки зрения. Так называемые совокупности родственных генов возникают случайно, когда при образовании сперматозоида или яйцеклетки фрагмент с хромосомой случайно дублируется и в хромосоме оказывается два экземпляра одного и того же гена. Если одна из копий является функциональной, то вторая копия не отсеивается в ходе естественного отбора и может развиваться в любом направлении, в том числе накапливая мутации. Иногда в результате мутаций ген приобретает новую функцию, как правило тесно связанную с функцией исходного гена. Действительно, многие гены человека являются вариацией на относительно немногочисленные генетические темы. Так, например, геном человека содержит около пятисот генов протеинкиназ, которые составляют около 2 % всех генов. В клетке протеинкиназы регулируют метаболические пути, а также пути сигнальной трансдукции и передачи сигналов внутри клетки. Кроме того, у человека имеется около тысячи генов, отвечающих за обоняние; кодируемые ими белки – это рецепторы запахов, каждый из которых распознает свою пахучую молекулу или свой класс молекул. У мыши также примерно тысяча генов отвечает за запах, но по сравнению с человеком есть различия: мыши адаптировались к преимущественно ночному образу жизни, поэтому сильнее полагаются на обоняние. Естественный отбор среди мышей благоприятствовал самым лучшим «нюхачам», и большинство генов, отвечающих за запах, остались в рабочем состоянии. У человека примерно 60 % этих генов в процессе эволюции успешно деградировали, такие генетические реликты называются «псевдогенами». Возможно, это произошло потому, что мы в большей степени полагались на зрение и нам требовалось меньше обонятельных рецепторов. Вот поэтому естественный отбор и не отсеивал тех мутаций, из-за которых многие из наших обонятельных генов вышли из строя. В результате человек оказался относительно неумелым «нюхачом» по сравнению с другими теплокровными.

Много ли у нас генов по сравнению с другими организмами?

Итак, по набору кодирующих генов мы не дотягиваем даже до обычного травянистого растения. Еще более удручает сравнение с нематодой – это существо состоит всего из 959 клеток (против примерно 30 триллионов клеток у нас), 302 из которых – нервные, образующие изрядно примитивный «мозг» червя (наш мозг состоит из 100 миллиардов нервных клеток). Структурная сложность у человека и у нематоды различается на порядки, однако и у нас, и у этого червячка примерно одинаковое число генов. Как объяснить такое удручающее для человека несоответствие? В действительности же расстраиваться здесь совершенно ни к чему: просто контроль у человека работает гораздо эффективнее.

Готов предположить, что существует корреляция между высоким уровнем интеллекта и немногочисленностью генов. Полагаю, что смышленость – обладание внушительным нервным центром, таким как у нас или даже у плодовой мушки, – обеспечивает сложное поведение, даже если генов сравнительно немного (если число 21 тысяча можно охарактеризовать с точки зрения геномного анализа как «немного»). Человеческий мозг обеспечивает нам огромные сенсорные и нервно-двигательные способности по сравнению с теми, которые доступны безглазой медлительной нематоде, и, следовательно, гораздо более разнообразные варианты поведенческих реакций. У укоренившегося растения возможностей еще меньше: ему требуется иметь «на борту» полный комплект генетических ресурсов для реагирования на любые проявления со стороны факторов окружающей среды. Напротив, организм, обладающий развитым мозгом, может справиться, скажем, с резким похолоданием, воспользовавшись нервными клетками и попытавшись отыскать более приемлемые условия (теплая норка – вполне подходящее место).

Сложной организации позвоночных также могли поспособствовать гены, которые детерминируют процессы роста и дифференцировки и которые довольно часто называют генами-регуляторами (переключателями). Теперь, когда секвенирование генома завершено, можно подробно проанализировать эти регуляторные участки, в которых регуляторные белки связываются с ДНК, включая или выключая прилегающие к ним гены. По-видимому, позвоночные обладают гораздо более многогранными переключающими механизмами, нежели более примитивные организмы. Именно эта гибкая и сложная система генетической координации обеспечивает сложную жизнедеятельность позвоночных. Более того, любой конкретный ген может отвечать за синтез различных белков, и вот почему: либо функционально сочетаются разные экзоны, продуцирующие слегка различающиеся белки, в данном случае мы имеем вариант сплайсинга матричных РНК, который получил название «альтернативный сплайсинг» (белки, получаемые трансляцией таких мРНК, в результате имеют разные аминокислотные последовательности; таким образом, при альтернативном сплайсинге один транскрипт обеспечивает синтез сразу нескольких белков), либо в уже синтезированных белках происходят биохимические изменения.

Когда вскрылась столь неожиданная для исследователей малочисленность человеческих генов, несколько серьезных авторов, которых можно назвать колумнистами, немедленно изложили свои размышления на тему: а так ли важно число генов? Рассуждения были выдержаны в едином ключе. Стивен Джей Гулд (страстный оратор, который, к сожалению, рано ушел из жизни) опубликовал в New York Times статью, где торжествующе объявлял, что немногочисленность генов – «последний гвоздь в гроб редукционизма», хотя редукционизм сейчас – это сложившаяся доктрина, буквально доминирующая во всех биологических дисциплинах. Согласно редукционизму, сложные явления в биологии могут быть полностью объяснены с помощью законов, свойственных явлениям более простым. Иными словами, для того чтобы понять процессы, происходящие на уровне со сложной организацией, сначала требуется уяснить, как устроена система на более простых уровнях, и проследить динамику процессов в восходящем направлении. Таким образом, поняв устройство генома, мы в конце концов узнаем, как происходит «сборка» на организменном уровне. Гулд и его последователи апеллировали к факту об удивительно малом числе генов у человека как к подтверждению того, что восходящий подход не только неработоспособен, но и несостоятелен. Антиредукционисты наоборот настаивали, что уж если в свете такой неожиданной генетической простоты человеческий организм вполне жизнеспособен, то ни в коем случае нельзя подходить к пониманию человека как к совокупности простых процессов. С их точки зрения, малочисленность генов подразумевает, что именно условия развития, а не наследственность максимально влияют на каждого из нас. Короче говоря, это была «декларация независимости против мнимой деспотии наших генов».

Как и Джей Гулд, я вполне признаю, что условия развития и внешней среды существенно влияют на каждого из нас. Однако его взгляд на проблемы наследственности абсолютно неверен: немногочисленность генов у человека никоим образом не отменяет редукционистского подхода к биологическим системам, равно как и не оправдывает логического вывода о том, что гены не играют для нас определяющей роли. Из оплодотворенной яйцеклетки, содержащей геном шимпанзе, как ни крути, обязательно родится шимпанзе, а из оплодотворенной яйцеклетки с геномом человека – человек. Сколько бы мы при этом ни показывали шимпанзе, например по телевизору, концертов классической музыки или сцен насилия, человеком она не станет. Конечно, нам еще предстоит долго разбираться, каким образом информация этих двух очень схожих геномов реализуется в развитие столь непохожих друг на друга организмов, но факт остается фактом: сущность любого организма в большей степени строго запрограммирована в геноме. Я действительно считаю, что открытие малочисленности человеческих генов – 21 тысяча против расчетных 100 тысяч – порадует сторонников биологического редукционизма; ведь гораздо проще классифицировать эффекты 21 тысячи генов, нежели оценивать действие 100 тысяч генов.

Пусть человек и не обладает колоссальным числом генов, тем не менее наш геном действительно большой и запутанный – вспомните хотя бы огромный ген титина. Вернусь к сравнению с червем: по числу генов мы не обходим нематоду даже вдвое, но физически наш геном в тридцать три раза крупнее. Откуда такое несоответствие? Специалисты, занятые поиском генов, описывают человеческий геном как пустыню, по которой рассеяны редкие оазисы генов. Половина нашего генома приходится на повторяющиеся «мусороподобные» последовательности, не выполняющие конкретных функций; 10 % нашего генома состоит из миллиона разбросанных включений одной и той же последовательности, так называемого «элемента Alu»:

Alu-повтор был открыт при обработке ДНК человека рестриктазой Alu, отсюда и название. Запишите этот повтор миллион раз – и тогда сможете оценить масштаб присутствия элементов Alu в нашей ДНК. На самом деле степень повторяемости некоторых последовательностей даже выше, чем может показаться на первый взгляд: последовательности, которые когда-то однозначно идентифицировались как повторы, за многие поколения с накоплением мутаций изменились до неузнаваемости, став элементами того или иного класса повторяющихся последовательностей ДНК. Рассмотрим набор из трех коротких повторов: ATTГ ATTГ ATTГ. Со временем они изменятся под действием мутаций, но если изменения начались недавно, то исходные последовательности еще узнаваемы и выглядят так: AЦTГ ATГГ ГTTГ. Через определенный, но длительный период исходный рисунок будет совершенно утрачен в мешанине мутаций: AЦЦT CГГГ ГTЦГ. Процентное соотношение повторяющихся последовательностей ДНК у многих других видов гораздо ниже, чем у человека: 11 % у горчицы, 7 % у нематоды и всего 3 % у дрозофилы. Наш геном такой крупный во многом из-за того, что в нем накопилось гораздо больше «мусора», чем у многих других видов.

Такие различия в количестве «мусорной ДНК» объясняют застарелый эволюционный парадокс. Тема о количестве мусора в нашей ДНК – одна из самых «горячих» тем в научном сообществе. Вокруг этого вопроса среди ученых разгораются настоящие словесные баталии. В целом считается, что сравнительно сложные организмы должны обладать более крупными геномами, чем относительно примитивные, поскольку первым требуется закодировать больше информации, чем вторым. Действительно, существует корреляция между размером генома и уровнем сложности существа; геном дрожжей больше, чем геном E. coli, но меньше, чем наш. Однако степень таких корреляционных связей очень слабая.

Лук одержал верх: геном луковицы в шесть раз больше, чем геном несущего его человека

Логично было бы предположить, что естественный отбор должен поддерживать максимальную компактность генома. Судите сами: при каждом акте деления клетка должна реплицировать всю свою ДНК; чем больше приходится копировать, тем шире поле для ошибок, тем более энергоемок и длителен процесс репликации. Задача кажется непростой для амебы (или саламандры, или двоякодышащей рыбы). Так почему же ДНК у этих видов так неимоверно разрослась? Имея дело с необычно длинными геномами, можно лишь логически заключить, что какие-то другие факторы отбора должны были нивелировать стимулы к поддержанию компактности генома. Например, крупный геном может быть предпочтителен для видов, обитающих в экстремальной среде. Двоякодышащая рыба живет на стыке воды и суши и может выдерживать длительные засушливые периоды, закапываясь в ил. Возможно, для такого образа жизни требуется более объемная генетическая «матрица», чем для жизни всего в одной экологической среде.

Избыток ДНК обусловлен двумя основными эволюционными механизмами: удвоение генома и пролиферация конкретных последовательностей в геноме. Многие виды, особенно из царства растений, – потомки скрещивания более древних видов. Новый вид зачастую просто объединяет ДНК двух предковых видов и приобретает геном двойного размера. Однако возможны и такие генетические случайности, из-за которых геном может удвоиться и без участия другого вида. Например, один из «старожилов» молекулярной биологии – пекарские дрожжи – содержит примерно 6000 генов. Но, если внимательно присмотреться к этому геному, можно увидеть, что многие гены у дрожжей дублируются: у каждой «особи» ряд генов имеются в парных «разошедшихся» вариантах. Очевидно, на каком-то раннем этапе эволюционного развития дрожжей их геном удвоился. Изначально копии генов были идентичны, но со временем сходство было утрачено.

Еще более благодатным источником избыточной ДНК оказалось приумножение тех генетических последовательностей, которые могут внезапно менять расположение в геноме или плодить многочисленные копии – это так называемые прыгающие гены, мобильные элементы (транспозоны).

Когда Барбара Мак-Клинток впервые объявила об этом открытии в 1950 году, сама идея о мобильных генетических элементах большинству ученых, привыкших к логике Менделя, казалась невероятной. Мак-Клинток была выдающимся специалистом по генетике кукурузы, но ее путь в науке складывался очень непросто. Когда в 1941 году стало понятно, что постоянный контракт в Университете Миссури ей получить не удастся, она прибыла в лабораторию Колд-Спринг-Харбор, где продолжала активно работать до самой смерти в 1992 году в возрасте девяноста лет. Однажды Мак-Клинток сказала коллеге: «Просто поверь в то, что видишь». Именно так она и занималась наукой. Революционную идею, согласно которой мобильные элементы влияют на гены, селективно ингибируя и регулируя их активность, она вывела из простых эмпирических фактов. Изучая генетические механизмы, обусловливающие появление мозаицизма у кукурузы, она заметила, что иногда в процессе развития зерна его цвет меняется. Некоторые зернышки в процессе созревания могли стать пестрыми, например с фиолетовыми пятнышками на желтом фоне. Как объяснить такое внезапное изменение цвета? Мак-Клинток сделала вывод, что некий (мобильный) генетический элемент то внедряется в пигментный ген, то покидает его.

Барбара Мак-Клинток, первооткрывательница мобильных генетических элементов

Только после появления технологий по работе с рекомбинантной ДНК удалось оценить, насколько распространены мобильные генетические элементы; оказалось – это важнейшие компоненты большинства (если не всех) геномов, в том числе нашего. Некоторые наиболее распространенные мобильные элементы – те, что снова и снова обнаруживаются в различных сайтах одного и того же генома, – получили названия, отражающие их кочевую природу. Так, среди десятков мобильных элементов в геноме дрозофилы есть gypsy («цыган»), hobo («бродяга»), looper1 («пяденица») и, что предсказуемо, McClintock. А те, кто изучает простейшее растение вольвокс, нашли у этого организма элемент, крайне активно «прыгающий» по всему геному; его назвали Jordan в честь знаменитого баскетболиста.

В мобильных генетических элементах содержатся последовательности ДНК, кодирующие ферменты, например фермент транспозазу, необходимый для перемещения контролирующих элементов, которые способны «вырезать» и «вставлять» хромосомную ДНК. Благодаря этим ферментам материал «прыгающего» гена оказывается на новых участках хромосом. Если в результате очередного переноса мобильный генетический элемент окажется в мусорной последовательности, на жизнедеятельность организма это не повлияет – просто увеличится количество мусорной ДНК. Если же мобильный генетический элемент окажется в жизненно важном гене и выключит его, то вмешаются факторы естественного отбора: организм может погибнуть или каким-то иным образом лишиться возможности передать видоизмененный ген потомкам. Перемещения мобильных элементов могут как способствовать появлению новых генов, так и видоизменять имеющиеся таким образом, что это оказывается на пользу хозяину. Следовательно, в процессе эволюции мобильные элементы преимущественно способствовали обновлению генома. Любопытно, что в новейшей истории человечества почти не встречается следов активных геномных перемещений; из чего я могу предположить, что наша мусорная ДНК, по-видимому, сформировалась очень давно. Напротив, в геноме мыши есть много активно повторно внедряющихся мобильных элементов – соответственно, геном мыши гораздо динамичнее человеческого. По-видимому, мышам такая активность генов ничуть не мешает; мыши – животные с высоким репродуктивным потенциалом – легко переносят генетические «аварии», связанные с частым попаданием мобильных элементов в жизненно важные регионы генома.

Поскольку большинство основных фактов о работе ДНК были выяснены на материале бактерии E. coli, то можно утверждать, что она обладает беспрецедентным послужным списком в качестве подопытного микроорганизма. Неудивительно, что секвенирование именно генома E. coli было одной из приоритетных задач на ранних этапах проекта «Геном человека». Активнее всех рвался приступить к этой работе Фред Блатнер из Висконсинского университета. Однако выиграть грант ему не удавалось до тех пор, пока не началось реальное финансирование проекта «Геном человека», и тогда ему, заметьте, одному из первых, одобрили грантовую поддержку на проведение секвенирования. Если бы на начальном этапе Блатнер не противился автоматическому секвенированию, то именно в его лаборатории впервые был бы полностью отсеквенирован бактериальный геном. В 1991 году он всеми возможными способами пытался увеличить скорость проведения исследования – увы, он делал это по старинке, за счет подключения к работе большого числа старшекурсников. С автоматизацией опоздал и Уолли Гилберт, которого я за два года до этого уговаривал заняться секвенированием мельчайшего из известных бактериальных геномов – генома внутриклеточного микроорганизма микоплазмы. К сожалению, стратегия секвенирования вручную не получила широкого распространения среди исследователей, и изучение генома Mycoplasma на тот момент времени «приказало долго жить». Однако Блатнер все-таки вовремя одумался и стал активно использовать методы автоматического секвенирования. Результатом его работы стало определение в 1997 году генома E. coli. Было показано, что геном этой бактерии содержит около 4000 генов.

Вот как выглядит фрагмент нашего генома: основные элементы небольшой человеческой хромосомы № 20

Двумя годами ранее состоялось крупномасштабное состязание за расшифровку первого бактериального генома; победу в Institute for Genomic Research праздновала команда, во главе которой стояли Хамилтон Смит, Крейг Вентер и его супруга Клэр Фрейзер. Они отсеквенировали геном бактерии Haemophilus influenzae, той самой, с которой еще двадцать лет назад работал Смит и, соответственно, мог предоставить для этой работы высококачественные библиотеки клонированной ДНК. Мы ведь все помним Смита, этого высоченного шестифутового математика, переметнувшегося в медицинский вуз. Из Haemophilus influenzae он впервые извлек ферменты-рестриктазы, нужные для нарезки ДНК; за это достижение в 1978 году он был удостоен Нобелевской премии по физиологии и медицине. Вентер и Фрейзер работали с ДНК Haemophilus, подготовленной Смитом, используя полногеномный метод дробовика, а именно фрагментации генома на тысячи осколков ДНК, а затем, после обнаружения конкретных перекрывающихся последовательностей, они проводили реконструирование генома по последовательности отдельных фрагментов. Поскольку Вентер давно искал подходящий геном, чтобы попробовать метод дробовика для секвенирования целого генома, то он очень гордился возможностями, которые открывал метод секвенирования H. influenzae. Был еще интересный момент: у H. influenzae был сходный состав по соотношению оснований Г/Ц с ДНК человека. Наконец у Вентера появлялась реальная возможность секвенировать геном свободноживущего организма. Им предстояло отсеквенировать 1,8 миллиона пар оснований. Уже на этапе документирования первых результатов расшифровки генома команда Вентера стала понимать, за какую адову работу они взялись и что им предстоит при секвенировании более крупных геномов. Если напечатать все А, Г, Ц и Т из генома Haemophilus на бумаге формата этой книги, то получится 4000-страничный том. Для каждого из 1727 генов Haemophilus потребовалось бы в среднем по две страницы. Что касается функций этих генов, их удалось однозначно определить лишь для 55 % генома. Например, в процессах энергообеспечения участвуют 112 генов, а на репликацию, починку и рекомбинацию ДНК их требуется минимум 87. Анализируя последовательности, можно предположить, что оставшиеся 45 % генов также функциональны, хотя их функционал не вполне понятен.

По бактериальным меркам геном Haemophilus довольно мал. Мы уже знаем, что размер бактериального генома коррелирует с тем, в насколько разнообразных экосистемах может очутиться тот или иной штамм. Haemophilus относится к тем бактериям, местообитанием которых является единственная и, главное, однородная среда – скажем, кишечник другого живого существа – они вполне обходятся относительно небольшим геномом. Но бактерия, желающая пообщаться с внешним миром, должна быть приспособлена к более разнообразным условиям и уметь на них реагировать. Гибкость таких реакций обычно зависит от того, располагает ли бактерия альтернативными наборами генов; каждый набор заточен под конкретные условия и оперативно включается, как только они наступят.

Не менее интересный организм – Pseudomonas aeruginosa, бактерия, вызывающая у человека серьезные инфекции, крайне опасная для пациентов с муковисцидозом, – обитает в самых разных экосистемах. В главе 5 обсуждалось, как генетически модифицированная форма Pseudomonas aeruginosa стала первым запатентованным живым организмом; интересно, что эта форма была приспособлена к жизни в нефтяных пятнах, среде, даже отдаленно не напоминающей человеческие легкие, где обитает обычная Pseudomonas. В геноме P. aeruginosa 6,4 миллиона пар оснований и примерно 5770 генов. Около 7 % этих генов кодируют факторы транскрипции, то есть белки, включающие и выключающие гены. Возвращаясь к E. coli, добавлю: «репрессор» E. coli, существование которого предсказали в начале 1960-х годов Жак Моно и Франсуа Жакоб (см. главу 3), – именно такой фактор транскрипции. Представлялось важным разбить ДНК на фрагменты определенного размера таким образом, чтобы при случайной выборке из миллионов фрагментов лишь от 20 до 30 тысяч из них статистически представляли собой всю ДНК генома. Вентер продемонстрировал, как мы облегчили процесс сборки генома, применив метод секвенирования спаренных концов к обоим концам каждого фрагмента.

Круг жизни. Карта генома Haemophilus influenzae: 1727 генов в 1,8 миллиона пар оснований

TIGR не остановилась только на изучении Haemophilus. В 1995 году в сотрудничестве с Клайдом Хатчисоном из Университета Северной Каролины в рамках проекта «Минимальный геном» был отсеквенирован геном M. genitalium – представителя микрофлоры мочеполового тракта, который стал подходящим кандидатом из-за своих особенностей. M. genitalium обладает самым маленьким геномом среди свободноживущих организмов: в нем около 580 тысяч пар оснований. Геномы вирусов, конечно, еще меньше, но вирусы представляют собой сложные химические структуры, принадлежат облигатным симбионтам – не способным к автономному существованию организмам. Оказалось, что в относительно короткой последовательности M. genitalium насчитывается 517 генов, из которых 482 кодируют белки, плюс несколько десятков генов, кодирующих РНК. Полный объем генома составляет 580 тысяч нуклеотидных пар. Естественно, возник вопрос: какие из генов являются жизненно важными? Вернер предпринял попытки, пытаясь приблизительно очертить минимальное количество генов, при котором организм продолжает оставаться жизнеспособным. Начались эксперименты, в ходе которых гены M. genitalium поочередно выключались, чтобы проверить, какие из них абсолютно необходимы для жизни, а какие – нет. Анализируя расположение транспозонов в секвенированных геномах, удалось установить, что жизненно необходимыми для организма являются от 265 до 350 генов. В 2006 году группа Вентера сообщила, что у генно-модифицированной бактерии можно отключить 100 генов и это не приведет к фатальным последствиям для жизнеспособности; таким образом, «минимальный геном» стал включать 382 гена. Признаться, этот «минимум» слегка надуман, поскольку микроорганизмы с выключенными генами находились в идеальной питательной среде, где имелись все вещества, необходимые для их жизнеобеспечения. Ситуация с микроорганизмами до смешного похожа на ту, при которой мы объявляем: «почки не являются жизненно необходимым органом, ведь пациент вполне просуществует на аппарате для гемодиализа».

На решение задачи создания синтеза живого организма с нуля путем объединения отдельных очищенных компонентов, так называемой лабораторной микоплазмы, Вентер потратил более десяти лет. Учитывая, что у Mycoplasma 482 белка и молекулы некоторых из них содержатся в клетке в огромном количестве, а другие единичны, задача создания столь невероятно сложной системы казалась мне почти безнадежной. Я, к примеру, с трудом улавливаю сюжет сериала «Игра престолов», где есть всего четверо или пятеро главных персонажей, от лица которых излагаются сюжетные линии; мысль о том, чтобы частично заблокировать сложные взаимодействия между жизненно важными элементами в клетке, буквально взрывает мозг. Ведь живая клетка – это не аккуратная миниатюрная машинка; скорее, это, по образному выражению Сиднея Бреннера, «молекулярный серпентарий».

Вентер твердо верил в то, что мы находимся на заре новой эры, когда можно будет создавать искусственные клетки. Он, конечно, забегал вперед, не желая тратить время на решения комитета по биоэтике, не задумываясь о необходимости хотя бы посоветоваться на тему: а стоит ли так быстро бежать в этом направлении? Люди вроде меня не видят моральной дилеммы в «творении жизни» таким образом, но не все думают как я. Прошло 15 лет от начала первой попытки секвенирования бактериального генома до сборки первой синтетической клетки. Вторая попытка синтезировать бактериальный геном была предпринята в 2010 году. Команда Вентера, преодолев многочисленные технологические и биохимические сложности, вышла на этот этап, для чего переключила внимание с M. genitalium на более крупную Mycoplasma mycoides (несмотря на то что в геноме M. mycoides более миллиона оснований, для работы она оказалась удобным объектом, поскольку растет в лабораторных условиях гораздо быстрее, чем M. genitalium). В качестве прототипа была выбрана хромосома бактерии Mycoplasma mycoides (подвид capri GM12) объемом 1,08 миллиона нуклеотидных пар. Созданный геном получил кодовое обозначение JCVI-syn1.0. Он практически полностью повторял геном одного из штаммов бактерии Mycoplasma mycoides, за исключением нескольких искусственно внедренных генетических маркеров, нескольких удаленных в процессе синтеза незначимых генов и 19 мутаций, возникших в процессе сборки фрагментов ДНК. Искусственные бактериальные хромосомы были спроектированы на компьютере, синтезированы из четырех реактивов, собраны в дрожжевых клетках, перенесены в бактерию и, наконец, трансплантированы в оболочку бактериальной клетки. «Это первый самовоспроизводящийся вид на планете, созданный при помощи компьютера», – объявил Вентер. Клетки с искусственным геномом нормально функционируют и способны к многократным делениям.

Ранее было сказано, что в искусственный генетический код были встроены четыре водяных знака, отчасти для того чтобы развеять окончательные сомнения в том, что эта клетка не человеческая. В водяных знаках значились фамилии сорока шести членов команды, а также подборка цитат, в том числе слова ирландского писателя Джеймса Джойса: «Жить, заблуждаться, падать, торжествовать, воссоздавать жизнь из жизни». Однако наследников Джойса это совершенно не устроило, они направили Вентеру письмо с требованием о приостановке и прекращении деятельности, заявив, что он использовал цитату без разрешения. Команда Вентера также включила в водяные знаки цитату знаменитого физика Ричарда Фейнмана из Калифорнийского технологического института; впоследствии, правда, оказалось, что они ее переврали, переставив слова местами и изменив значение некоторых фраз.

Такой замечательный и успешный проект лишний раз подтверждает истину, давно известную всем молекулярным биологам: основа жизни – это сложная химия и ничего более. Открытие Вентера попало в растиражированные заголовки и предсказуемо вызвало упреки в «посягательстве на божественное», но сам Вентер в большей степени заинтересован в практическом применении синтетической биологии в различных сферах: от производства биотоплива до разработки вакцин. Теперь только прямо противоположный вывод о том, что жизнь не сводится к сумме простейших первоэлементов и процессов, мог бы всерьез взбудоражить современное научное сообщество.

Анализ ДНК уже преобразил микробиологию. До широкого применения методов секвенирования ДНК идентификация бактериальных штаммов напрямую зависела от разрешающей способности приборов: можно отметить, какова форма колонии, растущей в чашке Петри, рассмотреть форму отдельных клеток в микроскоп либо воспользоваться относительно грубыми биохимическими анализами, например окрашиванием по Граму. В таком случае штамм может быть признан грам-положительным или грам-отрицательным в зависимости от структуры его клеточной стенки. Однако с появлением секвенирования ДНК микробиологи вдруг смогли ориентироваться на отличительные признаки, которые однозначно, определенно характеризовали любой конкретный вид. Даже такие штаммы, которые обитают в глубинах океана и поэтому не могут быть выращены в лабораторных культурах (поскольку сложно воспроизвести условия, характерные для их естественной среды обитания), поддаются анализу ДНК – достаточно добыть с глубины нужный образец.

В 2006 году компания TIGR вошла в состав Института Дж. Крейга Вентера. Эта организация до сих пор остается флагманом бактериальной геномики. Вскоре ученые как следует отсеквенировали геномы более ста различных бактерий, в том числе Helicobacter, вызывающую язву желудка, холерный вибрион, Neisseria (возбудитель менингита) и Ch. pneumonia. Самым серьезным конкурентом Институту Дж. Крейга Вентера был Сенгеровский институт. Во главе британского направления стоял Барт Баррелл, работы которого проводились за пределами США, ему в этом плане, можно сказать, повезло; в Америке его скромные научные регалии не позволили бы пробиться в высшую научную лигу. Баррелл занялся наукой сразу по окончании старшей школы и работал ассистентом у Сенгера задолго до того, как секвенирование ДНК стало реальностью; он был одним из немногих, кто получил степень PhD, не имея законченного высшего образования. Прежде чем приступить к работе с бактериями, Баррелл зарекомендовал себя как пионер автоматизации, вооружившись несколькими капиллярными ABI-секвенаторами и обработав с их помощью около 40 % генома пекарских дрожжей, состоящего из 12 миллионов оснований. Это происходило в то время, пока крупный европейский консорциум, занятый секвенированием генома дрожжей, все еще ограничивался ручными методами секвенирования. Позднее усилия группы Баррелла были вознаграждены: именно его команда первой отсеквенировала геном Mycobacterium tuberculosis, возбудителя тяжелого хронического заболевания, которое некогда именовалось «чахотка».

Все перспективы анализа бактериальной ДНК в полной мере удалось реализовать в медицинской диагностике: для эффективного лечения врач должен первым делом идентифицировать возбудителя. Традиционно для этого требовалось культивировать бактерии из инфицированных тканей – это медленный процесс, особенно мучительный, когда нельзя терять ни минуты. Пользуясь таким быстрым, простым и точным анализом ДНК для распознавания микробов, врач мог приступить к адекватному лечению гораздо быстрее. Внедрение этой технологии было буквально навязано практической медицине в интересах национальной безопасности: осенью 2001 года требовалось выявить источник распространения сибирской язвы, зарегистрированный в США. Секвенировав бактерию сибирской язвы из образца, взятого у первой жертвы, исследователи из TIGR получили точный «генетический отпечаток» именно этого штамма. В 2008 году Брюс Айвинс, микробиолог на госслужбе, которого признали главным подозреваемым по этому делу, совершил самоубийство. В 2011 году, когда в Германии из-за смертельной вспышки токсикоинфекции погибло 23 человека, молниеносное секвенирование ДНК позволило выявить опасную бактерию за считаные дни. Сколько жизней при этом было спасено!

По мере того как мы всё больше узнаем о геномах микроорганизмов, вырисовывается поразительная закономерность. Как мы уже знаем, эволюция позвоночных – это история прогрессирующей генетической экономии: благодаря расширению арсенала регуляторных генетических механизмов одни и те же гены становятся все более многофункциональными. Даже если и появляются новые гены, они обычно представляют собой всего лишь вариации на имеющуюся генетическую тему. Напротив, бактериальная эволюция оказалась целой сагой о гораздо более радикальной трансформации; это головокружительный процесс, благоприятствующий импорту или созданию совершенно новых генов, а не доводке того материала, который уже имеется в геноме.

В действительности, рекомбинантная технология стала возможной именно потому, что бактерии превосходно умеют инкорпорировать новые фрагменты ДНК (обычно в виде плазмид). Неудивительно, что и во всей бактериальной эволюции прослеживается драматическая история заимствования генов, уходящая в прошлое. E. coli, безобидная обитательница нашего кишечника (и чашек Петри в наших лабораториях), в результате заимствования генов превращается в убийственные штаммы. Яды, выделяемые одним из штаммов, провоцируют вспышки токсикоинфекций (например, в Шотландии в 1996 году – 21 погибший). Появляются заголовки о «смертоносных гамбургерах». Все дело в обширном межвидовом генетическом «заимствовании» у бактерий.

Как правило, генетический материал передается «по вертикали» – от предков к потомкам. Вышеописанный мной механизм заимствования ДНК именуется «горизонтальным переносом». Если сравнить геномную последовательность обычной E. coli и патогенного штамма, то видно, что в обоих геномах имеется общий генетический «остов», демонстрирующий, что оба штамма относятся к одному и тому же виду, но в ДНК у патогенной бактерии есть множество уникальных дивергентных «фрагментов». В целом у патогена отсутствует 528 генов, имеющихся у обычной бактерии, зато есть 1387 таких, которыми она не обладает. Именно такая замена – 528 на 1387 – позволяет понять, как один из самых безобидных организмов в природе превращается в убийцу. Анализ того штамма E. coli, который спровоцировал смертельную вспышку в Германии в 2011 году, показал, что опасная бактерия приобрела несколько генов антибиотикорезистентности.

Для других патогенных бактерий тоже характерен подобный массовый горизонтальный перенос генов. Так, холерный вибрион, возбудитель холеры, интересен тем, что у него есть две отдельные хромосомы (что нехарактерно для бактерий). Более крупная из них (около трех миллионов пар оснований), по всей видимости, имелась у микроба изначально, и именно в ней содержится большинство генов, жизненно важных для работы клетки. Меньшая хромосома (около миллиона пар оснований) кажется мозаичной, составленной из лоскутков ДНК, заимствованных у других видов. Примечательный и беспрецедентный случай горизонтального переноса генов недавно выявлен у вируса (бактериофага) WO, который обычно гнездится внутри бактерий, обитающих в клетках у насекомых. Секвенировав геном серовара WO, исследователи с удивлением обнаружили, что треть его ДНК не вирусного и даже не бактериального происхождения, а заимствована у насекомых и паукообразных. Поразительно, что в этом генетическом миксе нашелся даже фрагмент гена, кодирующего латротоксин – основное действующее вещество в яде паука «черная вдова». Небанальный вирус WO получил новое прозвище: франкенфаг.

Так уж устроены сложно организованные существа, в особенности такие крупные, как люди, что их внутренний метаболизм, включая биохимический гомеостаз, изолирован от факторов внешней среды. Как правило, чужеродные антигены не могут серьезно на нас повлиять, если мы их не вдыхаем и не проглатываем. В этом причина того, что биохимические процессы у позвоночных протекают практически одинаково. В то же время бактерия гораздо сильнее подвержена химическим перипетиям окружающей среды: колонию может внезапно смыть потоком химических соединений, таких, например, как дезинфицирующий хозяйственный отбеливатель. Стоит ли удивляться, что эти исключительно уязвимые организмы обзавелись удивительно разнообразными биохимическими особенностями. Действительно, двигатель бактериальной эволюции – биохимические инновации, изобретение новых ферментов (или модернизация старых) для всевозможных химических трюков. Один из самых захватывающих и наглядных примеров такого эволюционного принципа наблюдается у группы бактерий, чьи физиологические тайны стали приоткрываться лишь совсем недавно. Речь об «экстремофилах» – микроорганизмах, предпочитающих максимально негостеприимные экосистемы.

Бактерии Pyrococcus furiosus, обнаруженные в геотермальных источниках Йеллоустонского парка, превосходно чувствуют себя в кипящей в воде и замерзают только тогда, когда температура падает ниже 70 °C. Подобные бактерии также обитают в перегретой воде «черных курильщиков» (это горячие источники, расположенные на дне океана; из-за огромного давления вода в них не закипает). Эти бактерии нашли в среде, не уступающей по агрессивности концентрированной серной кислоте, а также в крайне щелочных растворах. Thermoplasm acidophilum – всем экстремофилам экстремофил; латинское название означает, что эта бактерия выдерживает как экстремально высокие температуры, так и низкие значения pH. Некоторые экстремофилы были найдены в нефтеносных породах; оказалось, что они способны получать энергию для метаболических процессов из нефти и других углеводородов. Такие бактерии напоминают миниатюрные автомобильчики. Один из таких видов обитает в породах на полуторакилометровой глубине и ниже, а в присутствии кислорода погибает; неудивительно, что его назвали Bacillus infernus.

Самыми известными микробами, открытыми в последнее время, являются представители вида, наличие которых опровергает одну из ключевых догм биологической науки – убеждение, что вся энергия для жизнеобеспечения поступает к нам от Солнца. Даже B. infernus и нефтеперерабатывающие бактерии не утратили связи с органическим прошлым, ведь миллионы лет тому назад Солнце согревало те растения и животных, которые сегодня превратились в ископаемое топливо. Однако так называемые литоавтотрофы способны извлекать необходимые питательные вещества прямо из пород, de novo образующихся при вулканических процессах. В этих породах (таких как гранит) нет ни следа какой-либо органики; они не содержат ни капли энергии, которая могла бы сохраниться с доисторических солнечных дней. Литоавтотрофам приходится синтезировать собственные органические молекулы из этих неорганических веществ. Они буквально «грызут гранит».

О том, насколько слабо мы представляем себе микробную вселенную в целом, красноречивее всего свидетельствует запоздалое открытие бактериального рода Prochlorococcus, относящегося к планктону; эти одноклеточные бактерии фотосинтезируют, плавая в толще воды. В кубическом миллиметре воды может насчитываться до 200 тысяч таких бактерий – пожалуй, это и есть самый многочисленный вид на планете. Определенно, на долю Prochlorococcus приходится значительный вклад в глобальные пищевые цепи. Тем не менее Prochlorococcus оставался неизвестен вплоть до 1988 года.

Наличие удивительной вселенной микроорганизмов, окружающих нас повсюду, демонстрирует феноменальную мощь естественного отбора, продолжавшегося миллиарды лет. Действительно, историю жизни на нашей планете можно считать «историей бактерий»; более сложные организмы (и мы в том числе) появились совсем недавно, буквально «напоследок» эволюционного пути. По-видимому, жизнь возникла около 3,5 миллиарда лет тому назад именно в бактериальной форме. Первые эукариоты – клетки, чей генетический материал заключен в ядре, – появились примерно 800 миллионов лет спустя, но эти существа оставались одноклеточными на протяжении еще около миллиарда лет. Лишь примерно полмиллиарда лет тому назад произошел настоящий биологический прорыв, в результате которого появились существа, подобные земляному червю, плодовой мушке, а также первый вид, способный читать и записывать ДНК – Homo Sapiens. Доминирование бактерий весьма заметно при реконструкции древа жизни по ДНК – впервые такая модель была построена покойным Карлом Вёзе из Университета штата Иллинойс. Древо жизни – это генеалогическое древо бактерий, где на самых молодых веточках начинают появляться многоклеточные существа. Сегодня идеи Вёзе являются общепризнанными, но поначалу они вызывали серьезное сопротивление в среде биологического истеблишмента. Некоторые следствия, проистекающие из выстроенной схемы эволюционного древа на базе ДНК, принять было непросто. Так, по этим данным выходило, что между растениями и животными нет тесного родства, как считалось ранее; на самом деле ближайшие родственники животных – грибы. Люди и грибы происходят от одного и того же эволюционного корня.

Проект «Геном человека» подтвердил правоту Дарвина в значительно большей степени, чем мог предположить сам Дарвин. Молекулярное сходство в конечном итоге проистекает из того, как именно различные организмы связаны общим происхождением. Успешное эволюционное «изобретение» (мутация или совокупность мутаций, поддержанных естественным отбором) передается от поколения к поколению. По мере того как древо жизни ветвится – существующие эволюционные линии порождают новые (например, рептилии как таковые сохраняются, но от них происходят птицы и млекопитающие), такое «изобретение» в итоге может оказаться в распоряжении самых разнообразных видов-потомков. Например, у 46 % белков, имеющихся у дрожжей, также есть человеческие гомологи. (Грибная) эволюционная линия дрожжей и та линия, от которой в конечном итоге произошли люди, разделились (вероятно) около миллиарда лет тому назад. С тех пор обе линии развивались независимо, каждая по своей эволюционной траектории; фактически с момента жизни нашего с дрожжами общего предка минул один миллиард лет эволюционной активности. Тем не менее за все это время та совокупность белков, которой располагал наш общий предок, изменилась минимально. Как только эволюции удается решить конкретную задачу, например синтезировать фермент, который будет катализировать определенную химическую реакцию, природа жестко придерживается этого направления эволюции. Мы уже знаем, как эволюционная инерция обусловила центральную роль РНК в клеточных процессах. Жизнь (об этом впервые высказался Карл Вёзе) началась в «мире РНК», и наследие тех времен сохраняется по сей день. Такая инерция распространяется и на биохимические особенности: 43 % белков червей, 61 % белков дрозофилы и 75 % грибных белков содержат последовательности, аналоги которых есть и в белках человека.

Сравнение геномов также помогает понять эволюцию белков. Как правило, белковую молекулу можно считать совокупностью из различных участков, так называемых фрагментов аминокислотных цепочек, выполняющих конкурентную функцию либо образующих характерную пространственную структуру. По-видимому, эволюция просто перетасовывает эти участки и создает новые комбинации. Выдающийся пример такого рода – эукариотический организм Oxytricha trifallax, обитающий в стоячей пресной воде. Лора Ландвебер провела интересные и изящные исследования, которые показали, что при спаривании их геном буквально крошится на фрагменты и затем восстанавливается заново. Две клетки Oxytricha сходятся и взаимно обмениваются геномами примерно наполовину (отдают примерно по 18 500 генов). Пока половина генов остается в так называемом рабочем ядре, остаток переходит во второе ядро, состоящее примерно из 100 хромосом. Каждая клетка лишается примерно 90 % новоприобретенной ДНК и остается примерно с 16 тысячами нанохромосом, во многих из которых всего по одному гену. Возможно, такая перестройка генома при рождении новой особи и объясняет, каким образом Oxytricha удалось просуществовать на Земле около двух миллиардов лет. Вероятно, это эволюционный реликт, утраченный всеми существами, кроме Oxytricha.

Предположительно, большинство вариантов белковых молекул, полученных в результате перестановок, структурно случайны, поэтому бесполезны и, соответственно обречены на отбраковку естественным отбором. Очень редко новая комбинация оказывается полезной, тогда возникает новый белок. Примерно 90 % участков, найденных в человеческих белках, также обнаружены в белках дрозофилы и червей. Фактически уникальный человеческий белок не что иное, как пересобранная версия белка дрозофилы.

Такое биохимическое сходство между разными организмами нагляднее всего демонстрируется в ходе так называемых спасительных экспериментов, цель которых – устранить тот или иной белок у одного вида, а затем задействовать соответствующий белок от другого вида, чтобы ликвидировать сложившиеся в ходе патологического процесса или уже имеющиеся дисфункции. Мы уже видели, как эта стратегия применяется в случае с белком инсулином. Поскольку человеческий и коровий инсулин схожи, диабетики выживают, принимая коровий инсулин в качестве заменителя человеческого.

В опыте, напоминающем эпизод из проходного научно-фантастического фильма, исследователи смогли вырастить глаза на лапках у дрозофил, манипулируя конкретным геном, определяющим расположение глаз у этой мушки. Этот ген инициирует работу множества других генов, участвующих в формировании глаза в заданном месте. Аналогичный мышиный ген настолько похож на ген дрозофилы, что будет работать точно так же, если поместить его – к слову, современный генетик делает это мановением руки – в геном дрозофилы, у которой этот ген ранее устранен. Сам факт, что такое возможно, мягко говоря, примечателен. Эволюция разделила предков дрозофил и мышей не менее полумиллиарда лет тому назад. Таким образом – следуя логике, которая применима к формированию эволюционных линий человека и дрожжей, развивавшихся одновременно и независимо друг от друга, – этот ген сохранился на протяжении более миллиарда лет эволюции. Ситуация станет еще более удивительной, если учесть, что мышиный глаз принципиально отличается от глаза дрозофилы как по структуре, так и по оптическим характеристикам. Предположительно, в каждой эволюционной линии глаз адаптировался к решению конкретных задач, но базовый механизм, определяющий местоположение глаза, в совершенствовании не нуждался и поэтому не изменился.

Наиболее отрезвляющим в рамках проекта «Геном человека» было осознание того, как удивительно мало мы знаем о функциях абсолютного большинства человеческих генов. Отсеквенированный геном – это подробный инвентарный список для сборки организма, но в нем не прописано, как именно собрать организм и как он затем будет работать. Чтобы воспользоваться этой добытой с таким трудом информацией, необходимо разработать методы для изучения функций генов в масштабах всего генома.

На заре разработки проекта «Геном человека» быстро сформировалось несколько новых научных дисциплин, получивших незапоминающиеся названия, которые заканчивались на «-омика», по образу «геномики». Две наиболее важные дисциплины именуются протеомика и транскриптомика, наряду с ними существуют еще и гликомика, липидомика, метаболомика и масса других дисциплин с еще более уморительными названиями. Протеомика – это наука о белках, кодируемых генами. Протеомика изучает, где и в каких ситуациях экспрессируются гены, то есть какие гены проявляют транскрипционную активность в конкретной клетке. Если требуется так или иначе понять работу генома в динамике, то есть рассмотреть, как разыгрывается сценарий жизни, то протеомика, транскриптомика и им подобные науки помогут взглянуть на это действо. Проблема состоит в том, что чем больше мы узнаем, тем лучше понимаем, что жизнь – это кинофильм с бесконечным числом кадров.

Ученые давно догадывались, что с биологической точки зрения белок гораздо сложнее, чем линейная последовательность аминокислот, из которых он состоит. Чтобы понять, как работает белок, необходимо разобраться, как именно эта последовательность сворачивается в уникальную трехмерную конфигурацию – такими вопросами и занимается протеомика. Структурный анализ белков по-прежнему выполняется при помощи рентгеновской дифракции: молекула бомбардируется рентгеновскими лучами, которые отражаются от атомов и при рассеянии образуют характерный узор, по которому можно определить трехмерную форму белка. В 1962 году Джон Кендрю и Макс Перуц, с которыми нам в свое время довелось вместе работать в Кавендишской лаборатории, совместно получили Нобелевскую премию по химии за уточнение структур двух белков: миоглобина (участвующего в создании в мышцах кислородного резерва, который расходуется по мере необходимости, восполняя временную нехватку кислорода) и гемоглобина (способного обратимо связываться с кислородом, обеспечивая его перенос в ткани). Это была фундаментальная работа. Рассматривая рентгеновские дифракционные снимки, которые они интерпретировали, я смог понять, насколько же просто (в сравнении с белками) устроена ДНК!

Протеомика: трехмерная структура белка BCR-ABL, вызывающего рак. Слияние двух генов, вызванное хромосомной аномалией, приводит к синтезу этого гибридного белка, вызывающего пролиферацию клеток и провоцирующего одну из форм лейкемии. Сиреневым показан препарат Gleevec, селективный ингибитор BCR-ABL (см. главу 14). Работа с такой трехмерной моделью помогает при разработке лекарств. (В структурной модели BCR-ABL не демонстрируются детали атомов или отдельных аминокислот, тем не менее компоновка белка передана точно.)

Представление об объемной структуре белка значительно облегчает работу химиков-фармацевтов, занятых поиском новых действенных лекарств (терапевтическая функция многих препаратов основана на ингибировании действия определенных белков). В нашем все более специализированном и автоматизированном мире фармацевтических исследований появились компании, предлагающие услуги по определению структуры белка, словно белок – штампованная конвейерная продукция. Теперь такая работа выполняется проще, чем во времена Перуца и Кендрю: появились более мощные рентгеновские облучатели, автоматизировалась запись данных, сами компьютеры стали гораздо быстрее, а их программы – интеллектуальнее. Поэтому расшифровка структуры белка теперь может занимать не годы, а считаные недели. В конце 2015 года в «базе данных белков» содержались атомные структуры более 26 тысяч человеческих белков.

Однако сплошь и рядом трехмерная структура как таковая ничего не говорит о функции белка. Напротив, важные подсказки можно получить, изучая, как именно неизвестный белок взаимодействует с белками-партнерами, ранее известными. Простой способ идентификации таких взаимодействий (BiFC) заключается в следующем: в условиях in vitro известный белок соединяем с неизвестным, обработанным флюорохромной меткой, флюорохром подбираем таким образом, чтобы испускаемое излучение было видимым в ультрафиолете. Остается обнаружить флуоресцентные сигналы заметной интенсивности взаимодействующих белковых комплексов. В таком случае можно предположить, что и внутри клетки два этих белка должны взаимодействовать. BiFC-подход существенно облегчил визуализацию сайтов белковых взаимодействий на субклеточном уровне.

В идеале, чтобы знать «сценарий» жизни и видеть, как разворачивается действие «фильма» под названием жизнь, требуется открыть все мельчайшие изменения в составе белка, происходящие в процессе развитияособи, от оплодотворения до зрелой особи. На протяжении этого процесса действует множество белков, некоторые оказываются специфичны для конкретного этапа развития, поэтому в каждой фазе роста предстоит увидеть в действии различные совокупности белков. Например, гемоглобин зародыша и взрослой особи слегка различаются. Аналогично каждая разновидность ткани синтезирует собственные профильные белки.

Наиболее надежный способ отсортировать различные белки из имеющегося образца ткани – по-прежнему все тот же проверенный метод гельфореза с использованием двумерных гелей для разделения белковых молекул на основе различий их электрического заряда и молекулярной массы. Разделенные таким образом несколько тысяч белковых проб также можно проанализировать при помощи метода масс-спектрометрии, позволяющего исследовать состав белка на основании определения отношения массы к заряду ионов, образующихся при ионизации представляющих интерес компонентов пробы. Таким образом можно определять молекулярную последовательность каждой аминокислоты. Прошло более десяти лет после завершения проекта «Геном человека», а приблизительная карта человеческой протеомы еще не была построена. В 2014 году два консорциума наконец-то достигли этой цели. Проанализировав 30 разных тканей, они смогли каталогизировать 84 % белковых продуктов человеческого организма. В ходе этой работы были открыты сотни новых белков, в том числе продукты длинных, протяженных межгенных некодирующих РНК. С большой долей уверенности можно говорить, что каталог протеомики незаменим для понимания человеческого генома, хотя господствующая на сегодняшний день точка зрения – что информация передается от генома к РНК (транскриптома) и далее к белкам (протеома). Благодаря наличию новых данных, выложенных в открытый доступ, фармацевтические компании получили данные для работы на десятилетия вперед.

По сравнению с высокопроизводительной протеомикой, где применяются дорогое оборудование и автоматизация в промышленном масштабе, практическая транскриптомика на деле оказалась гораздо дешевле и проще: функционирование всех генов в геноме можно отследить, измеряя относительное содержание продуктов матричной РНК (мРНК) каждого из белков. Если вам интересно, какие гены экспрессируются, скажем, в клетках человеческой печени, вы выделяете образец мРНК из тканей печени. Получается «снимок» популяции мРНК в печеночной клетке: самые активные гены, транскрибируемые чаще всего и продуцирующие множество молекул мРНК, будут представлены более многочисленной популяцией, но если ген транскрибируется редко, в образце окажется всего несколько экземпляров его мРНК.

Ключом к транскриптомике стало на удивление простое изобретение под названием «ДНК-микрочип». Представьте себе стеклянную пластину размером 12,8 × 12,8 мм, на которую в виде сетки нанесены десятки или сотни тысяч крошечных точечных отверстий (они вытравлены в стекле). В эти отверстия с помощью микропипетки вносим последовательности ДНК от конкретного гена, они составят матрицу, в которой будет локализован один из генов человеческого генома. Критически важно, что мы знаем, где именно на этой пластине локализован каждый ген ДНК. Компания Affymetrix, расположенная близ Стэнфорда, смогла изготовить еще более миниатюрные чипы, вытравив их на кремниевой пластине такого размера, что применяются в небольших компьютерах. Так и получился «ДНК-чип». Ученый Марк Чи, основавший Affymetrix, также был сооснователем компании Illumnia, ставшей крупнейшим поставщиком на рынке таких микрочипов.

При помощи стандартных биохимических методов можно помечать печеночные мРНК химическим флуоресцентным маркером, так что вышеупомянутые белки обязательно будут флуоресцировать в ультрафиолете. На следующем этапе во всем своем великолепии проявляется вся сила и простота метода: просто сливаем наш образец мРНК на микрочип, где нас уже ждет миниатюрная пластинка с отверстиями, в которые уже внесены конкретные гены. Те самые связи, что возникают при спаривании оснований и удерживают вместе две нити двойной спирали, заставят каждую молекулу мРНК прикрепиться к тому гену, которому она комплементарна. Комплементарность точна и совершенно безошибочна: мРНК от гена X закрепится лишь в том отверстии в микрочипе, где находится ген X. На следующем этапе остается зарегистрировать флюоресценцию мРНК. На каких-то участках мы не увидим флюоресценции, и это будет обозначать, что комплементарной ему мРНК в образце не было. Следовательно, можно сделать вывод о том, что активной транскрипции этого гена в печеночных клетках не происходит. В то же время многие участки заметно флуоресцируют, некоторые – особенно интенсивно; это означает, что к ним прикрепилось множество молекул мРНК. Вывод: мы выявили очень активный ген. Таким образом, при помощи единственного экспериментального анализа мы идентифицируем все без исключения гены, активные в клетках печени. Такие молекулярные обзоры стали реальностью благодаря успешности проекта «Геном человека» и новому мировоззрению, которое проект привнес в биологию: исследователи больше не удовлетворяются изучением разрозненных фрагментов, они рассматривают полную картину генома во всей его великолепной красоте. Стоит ли удивляться тому, что Пэт Браун из Стэнфорда, один из ведущих практикующих специалистов, использующих этот метод, считает ДНК-микрочипы «новой разновидностью микроскопа».

Еще один эпохальный метод для изучения различных межбелковых взаимодействий ряд исследователей именует «интерактом». Название обозначает полный набор взаимодействий между молекулами в отдельнойклетке. Интерактом включает как непосредственные физические контакты между белками (белок-белковые взаимодействия), так и непрямые взаимодействия генов, это как минимум дважды гибридный метод. В 1989 году его разработал генетик из Университета штата Нью-Йорк в Стоуни-Брук Стэн Филдс, специализирующийся на инновационных научных технологиях, способных простимулировать научные открытия. В таком двухгибридном анализе смешиваются и стыкуются пары белков, и все происходит не на инертной матрице, а в живой дрожжевой клетке. Метод заключается в том, чтобы проанализировать взаимодействие белков in vivo в дрожжах путем связывания интересующих белков A и B с разделенными ДНК-связывающим и ДНК-активационным доменами некоторого активатора транскрипции. Конструкция «белок A + ДНК-связывающий домен» называется наживкой (bait), а конструкция «белок B + активационный домен» называется жертвой (prey). Если белки A и B взаимодействуют, то из двух фрагментов собирается функциональный активатор транскрипции, который запускает транскрипцию репортерного гена (например, вырабатывающего некий флуоресцентный белок), иначе репортерный ген не транскрибируется и сигнал не наблюдается, или, если конкретнее, когда интересующие нас белки связываются друг с другом, то активируется репортерный ген, обеспечивающий рост дрожжей.

Транскриптомика качественно расширила наши возможности в охоте на гены, провоцирующие болезни: технология микрочипов позволила выявить химическую основу конкретных заболеваний, показала различия между здоровыми и пораженными тканями как функцию экспрессии генов. Логика проста. Выполняем на микрочипе анализ экспрессии генов в обычной ткани и в раковой, находим разницу между двумя результатами, смотрим, какие гены экспрессируются в одной ткани и не экспрессируются в другой. Стоит нам определить, работа каких генов дает сбой, то есть либо недостаточна, либо чрезмерно активна, к примеру в раковой ткани, и уже можно определить мишень, а затем атаковать ее при помощи таргетной молекулярной терапии, а не неселективной химиотерапией и облучением, ведь известно что эти методы губят как больные, так и здоровые клетки.

Те же технологии позволяют различать разные формы одной и той же болезни, например раковой опухоли. Стандартная микроскопия, делающая возможной цитологические и гистологические исследования, не всегда годилась для решения такой задачи: разновидности рака, которые выглядят схоже на первый взгляд врача, могут критически различаться на молекулярном уровне. Браун, комментируя прежнюю точку зрения, в соответствии с которой все виды рака в конкретной ткани имеют один и тот же корень, говорил: «Все равно что думать, будто у любой желудочной боли одна и та же причина. Понимая различия, мы можем эффективнее лечить все эти виды рака». Например, исследования с применением ДНК-микрочипов показали чрезмерную экспрессию рецептора тирозинкиназы под названием FLT3 при некоторых формах лейкемии; такие исследования не только позволили повысить точность диагностики, но и простимулировали разработку нескольких ингибиторов FLT3, которые кажутся перспективными с клинической точки зрения.

Майкл Уиглер из лаборатории Колд-Спринг-Харбор взял на вооружение метод, при котором аккумулируется не РНК, а ДНК раковых клеток и тем самым составляется профиль генетического разнообразия опухолей. Многие виды рака обусловлены переупорядочиванием хромосом – подобное может происходить, если сегменты хромосомы случайно дублируются и возникает избыток генов, кодирующих те белки, что стимулируют клеточный рост (см. главу 14). Другие виды рака возникают из-за утраты генов, кодирующих белки-репрессоры клеточного роста. Работая по методу Уиглера, врачи делают биопсию раковых и здоровых тканей одного и того же человека. ДНК раковой ткани химически помечается красным красителем, а ДНК здоровой ткани – зеленым. Микрочипы ДНК, заправленные всеми известными человеческими генами, обрабатываются смесью из двух образцов. Как и мРНК в стандартном эксперименте с микрочипами, помеченные молекулы ДНК связываются с комплементарными последовательностями в матрице. Гены, амплифицируемые в раковых клетках, дают заметное красное окрашивание (поскольку с этим участком связывается гораздо больше молекул с красным красителем, чем с зеленым), а гены, утраченные в раковых клетках, выглядят на микрочипе как зеленые пятна (поскольку «красным молекулам» там не с чем связываться). Такие эксперименты значительно расширили список известных генов, провоцирующих рак груди и другие онкологические заболевания.

Всякий раз, когда мы беремся за лечение конкретной болезни человека, понимаем, что в значительной степени мы, по сути, бродим в потемках. Мы могли бы значительно ускорить продвижение к сути проблемы, то есть приблизиться к пониманию того, в чем именно заключается проблема и как ее разрешить, разобравшись, как именно происходит экспрессия наших генов, когда организм работает в условиях физиологической нормы. Полностью представив в динамике, как именно работает каждый из нашей 21 тысячи с лишним генов при нормальном развитии от оплодотворенной яйцеклетки до полноценной взрослой особи, мы получили бы отправную точку для понимания патогенеза любой болезни. Для дальнейшего продвижения вперед нужно достроить карту человеческой «транскриптомы». Это следующий этап постижения тайн «священного Грааля» генетики. Эксперименты с ДНК-микрочипами сыграли ключевую роль в работе по созданию полной картины активности человеческих генов, эта техника проторила путь РНК-секвенированию – адаптации высокопроизводительного изучения последовательностей.

Изучение экспрессии генов при помощи ДНК-микрочипов в ходе жизненного цикла дрожжей продемонстрировало, какая ошеломительно сложная молекулярная динамика присуща клетке при делении. В процессе участвует более восьмисот генов, и каждый активируется в строго определенный момент клеточного цикла. Здесь мы, опять же, можем сталкиваться с эволюционным «упрямством» из разряда «не чинить то, что работает»: некий биологический процесс, который однажды успешно сформировался, скорее всего, так и будет опираться на все те же базовые молекулярные механизмы до тех пор, пока не прекратится жизнь на Земле. Насколько мы можем судить, те самые белки, что управляют развитием дрожжевой клетки в ее жизненном цикле, играют весьма схожую роль в клетках человека.

В конце концов, цель всех этих «-омик» (ген-, проте-, транскрипт- и прочих) – построить полную, детализированную до отдельных молекул картину, показывающую, как формируются и функционируют живые существа. По мере того как такой холистический подход, именуемый «системной биологией», привлекает все более пристальное внимание, можно задуматься даже о компьютерном моделировании поведения отдельной клетки «in silico».

Как мы убедились, даже примитивнейшие биологические процессы отличаются огромной сложностью, и, несмотря на внушительный прогресс, достигнутый после завершения проекта «Геном человека», перед нами по-прежнему стоят не менее важные задачи. Молекулярные основы развития – это захватывающее путешествие от яйцеклетки до взрослой особи, записанное четырьмя буквами генетического алфавита, – пока лучше всего изучено на плодовых мушках, но это начало большого пути.

Разумеется, дрозофилу активно использовали в генетических исследованиях еще со времен Т. Х. Моргана. Тем не менее в последующие периоды постоянных инноваций Drosophila melanogaster оставалась для генетиков настоящей «генетической золотой жилой». В конце 1970-х годов Кристиана Нюсслайн-Фольхард по прозвищу Янни, работавшая в Европейской молекулярно-биологической лаборатории в Гейдельберге, и Эрик Вишаус развернули яркий амбициозный проект по изучению дрозофилы. Они вызывали у мушек мутации при помощи химических соединений, а затем изучали нарушения на очень ранних эмбриональных стадиях развития насекомого. Традиционно генетики, разрабатывавшие «золотую жилу» мутаций дрозофилы, работали с имаго – как, например, Морган, обнаруживший, что в случае мутаций могут выводиться мушки с белыми (а не красными) глазками. Нюсслайн-Фольхард и Вишхаус, сосредоточившись на эмбрионах, не только были обречены на долгие годы глазного напряжения за микроскопами в поисках этих неуловимых мутантов – они устремились в terra incognita. Однако их труды были с лихвой вознаграждены. Анализ выявил несколько групп генов, закладывающих фундаментальные «чертежи» организма при развитии мушиной личинки.

Более универсальный «месседж» их работы заключался в том, что генетическая информация организована иерархически. Нюсслайн-Фольхард и Вишхаус заметили, что на некоторых мутантах опыты отражались на широкой совокупности признаков, а на других – более ограниченно; из этого они сделали верный вывод о том, что гены, оказывающие «ковровый» эффект, действуют на ранних этапах развития, то есть находятся на вершине иерархии генетических переключений. А гены, оказывающие более ограниченный эффект, включаются позднее. Они открыли каскад факторов транскрипции: одни гены включают другие, которые, в свою очередь, включают третьи и так далее. Действительно, подобное иерархическое включение генов – важнейший механизм для построения сложных организмов. Ген, продуцирующий биологический аналог кирпича, наделает огромную кучу таких кирпичей, если пустить процесс на самотек; однако при верной координации он поможет выстроить сначала стену, а затем здание.

Нормальное развитие требует, чтобы клетки «знали», в какой части организма находятся. В конце концов, клетка, расположенная на кончике крыла мушки, должна развиваться в соответствии с иными моделями, чем клетки, входящие в состав нервных узлов. Первый вопрос, который возникает относительно такой ключевой «позиционной» информации, прост: как же развивающийся эмбрион дрозофилы узнает, «что и куда поставить»? Где будет голова, а где крыло? Белок bicoid, продуцируемый одним из генов материнской особи, распределяется так, что в разных частях эмбриона его концентрация варьируется. Такой эффект именуется «градиент концентрации»: содержание белка максимально в головной части и уменьшается по мере перемещения к хвостовой. Следовательно, градиент концентрации bicoid «сообщает» всем клеткам эмбриона, в какую часть организма им встать по оси «голова – хвост». Дрозофила развивается сегментами: все ее тело состоит из члеников; при этом у всех члеников много общего, но каждый обладает и собственными уникальными чертами. Во многих отношениях головной сегмент структурно похож на грудной (средняя часть тельца насекомого), но в первом есть специфические «головные» органы, например глаза, а во втором – «грудные», например лапки. Нюсслайн-Фольхард и Вишхаус нашли группы генов, задающие характеристики различных сегментов. Так, гены группы «pair-rule» кодируют факторы транскрипции – генетические переключатели, экспрессируемые в перемежающихся сегментах. При мутациях в этих генах у эмбриона возникают пороки развития в каждом втором сегменте.

Клеточное деление. Хромосомы в клетке (синие) дублируются, а затем выстраиваются вдоль особого «веретена» (зеленое), после чего присваиваются дочерним клеткам. Высокотехнологичные приемы визуализации помогают воплотить на экране монитора блистательный «хромосомный вальс», обеспечивающий самораспространение жизни

В 1995 году Нюсслайн-Фольхард и Вишхаус совместно получили Нобелевскую премию по физиологии и медицине за свои революционные исследования. В отличие от большинства лауреатов они оба продолжили активную лабораторную работу, а не укрылись в просторных кабинетах, увешанных дипломами. Для Вишхауса наука по-прежнему притягательна: «Поскольку эмбрионы красивы, а в клетках происходят замечательные вещи, я каждый день иду в лабораторию с прежним энтузиазмом». Вишхаус провел детство в Бирмингеме, штат Алабама, и в ту пору мечтал стать художником. Однако, будучи второкурсником в Университете Нотр-Дам, он нуждался в деньгах и поэтому взялся за одну из самых вонючих и низменных работенок в науке: готовить корм для подопытных популяций дрозофилы, выращиваемой для лабораторных исследований (это мерзкая желатиноподобная масса, состоящая в основном из черной патоки). Большинство из тех, кто служил шеф-поваром для нескольких сотен тысяч снующих неприятных насекомых, скорее всего, на всю жизнь их возненавидели. Но с Вишхаусом все вышло совершенно наоборот: он посвятил жизнь изучению дрозофилы и секретов ее развития.

Нюсслайн-Фольхард родилась в семье немецких художников и была одной из тех студенток, кто преуспевает во всем, за что бы они ни брались, а всем прочим абсолютно не занимается. Ее усердная работа по исследованию генетики развития полна достижений, которых хватило бы и на две научные карьеры, но после получения Нобелевской премии она переключила свое внимание на изучение развития совершенно другого животного – Danio rerio (вид пресноводных лучеперых рыб семейства карповых). Эта новая работа может раскрыть многие секреты, связанные с онтогенезом позвоночных. На торжественном мероприятии, состоявшемся в 2001 году в честь столетия Нобелевской премии, я поразился, что среди всех этих седовласых ученых мужей присутствовала всего одна женщина. Она была уже десятой женщиной, получившей Нобелевскую премию по естественным наукам (с тех пор еще семь женщин были удостоены такой чести в Стокгольме).

Личинки дрозофил. Слева – нормальная особь, у нее пара выступающих мохнатых усиков. Справа – мушка-мутант с антеннапедией, ее усики видоизменились и превратились в полностью сформированные лапки

На торжестве по поводу столетия Нобелевской премии – незабываемое собрание лауреатов прошлого и настоящего – присутствовал также ныне покойный Эд Льюис из Калифорнийского технологического института, получивший премию совместно с Нюсслайн-Фольхард и Вишхаусом. Он тоже давно занимался генетическим контролем развития дрозофил, но его особенно интересовали мутации, вызывающие замену одной из структур тела на другую в процессе индивидуального развития, – гомеотические мутации. Результаты их работы самые причудливые: развивающийся сегмент ошибочно принимает себя за соседний. Долгая и кропотливая работа Льюиса с Hox-генами, в которых случаются такие мутации, – пример следования настоящим ценностям, редкий в нашу эпоху, когда повестка дня науки часто зависит от различных причуд и финансовых проблем.

О гомеотических мутациях известно, что они разрушают гены, кодирующие факторы транскрипции (генетические переключатели), – и эффект может быть катастрофическим. Мутация «антеннопедия» приводит к тому, что у мушки начинают расти лапки там, где должны расти усики. Две полностью сформированные ножки торчат у нее прямо из головы. Не менее странно выглядит мутация «двугрудости». Как правило, из одногогрудного сегмента у мушки растет пара крылышек, а из следующего сегмента по направлению от головы к хвостовой части выходят два маленьких отростка-стабилизатора, так называемые «жужжальца». У двугрудой мушки из сегмента для жужжалец ошибочно начинают расти крылышки, поэтому у мушки, которой нужно два крылышка, их оказывается четыре, причем вторая пара так же полностью сформирована, как и первая.

Если гены, регулирующие характеристики сегментов, работают правильно, то благодаря им в каждом членике тела оказываются органы, которые там и должны быть. На головном сегменте растут усики, на грудном – крылышки и лапки. Но при гомеотических мутациях характеристики члеников перепутаются. Таким образом, при антеннопедии головной сегмент «считает себя» грудным, и из него исправно растут лапки, а не усики. Тем не менее обратите внимание: хотя лапка и выросла не в том месте, это все равно совершенно полноценная лапка. Вывод: при антеннопедии затрагивается целая группа генов. В нормальном случае должна работать группа, формирующая усики, а при генетическом расстройстве срабатывает та, что формирует лапку, но координация в рамках самой этой группы не нарушается, пусть даже эти гены активируются не в том месте и не в то время. В данном случае, опять же, видно, как гены, расположенные на высоком уровне онтогенетической иерархии, контролируют судьбу многих и многих других генов, расположенных ниже. Любой библиограф вам подтвердит, что иерархическая организация упрощает хранение и поиск информации. В такой каскадной структуре изменения в группе из считаных генов могут повлечь далеко идущие последствия.

Выше в этой главе мы отмечали, какое удивительное сходство сохранилось в процессе эволюции между генами мух и мышей. Совершенно неудивительно, что Hox-гены, ответственные за план строения тела у мушек и сохранившиеся исключительно хорошо, управляют формированием тела и у человека. У нас 39 Hox-генов, распределенных по четырем генетическим кластерам в разных хромосомах. При возникновении мутаций как минимум в десяти из этих генов проявляются пороки формирования конечностей и другие расстройства развития – от полидактилии (появление лишнего пальца на руке или на ноге) до нарушений в развитии ствола мозга и гениталий. В 1998 году педиатр из Сиэтла Майкл Каннингем описал случай с маленькой девочкой, страдавшей редким синдромом, при котором ухо напоминает по форме вопросительный знак. Синдром известен не только из-за характерного вида ушей, но и из-за того, что нижняя челюсть у больной морфологически совершенно не отличалась от верхней. Пятнадцать лет спустя ученые описали мутации в паре генов, провоцирующих такое расстройство, причем оба они расположены в иерархии выше Hox-гена.

Итак, мы вступили в новую эпоху исчерпывающего понимания биологии, чему поспособствовал невозможный ранее проект «Геном человека». Любопытно, что теперь, оказавшись непосредственно на переднем крае следующего научного фронтира (теперь речь идет о генетике развития), мы вновь вернулись к старым добрым дрозофилам. Пока у нас нет другого пути, кроме как назад в будущее, поскольку, даже имея в распоряжении весь геном человека, мы по-прежнему не представляем себе программ и подсказок, согласно которым выполняются действующие в нем инструкции. В конце концов, мы должны понять сценарий человеческой жизни в таких же подробностях, в каких знаем сценарий жизни дрозофилы. Будет разработано полное описание закономерностей экспрессии человеческих генов (транскриптома), получен подробный каталог действий всех белков (протеома). Перед нами во всей красе и сложности предстанут чертежи каждого из нас, и мы поймем, как действует каждая из бесчисленных молекул нашего организма.

Но ученые, написав такую картину, на этом не остановятся. Они уже собираются ее переписывать и готовят вставки. Международный консорциум под руководством Джефа Бёке из Нью-Йоркского университета уже движется к созданию синтетического генома дрожжей – это прелюдия к написанию человеческого генома с чистого листа. Исследователи, не готовые удовлетвориться вентеровским брендом «синтетическая геномика» и мощными инновационными инструментами редактирования генов, такими как CRISPR (см. главу 12), уже достраивают сам генетический алфавит. Ученые из Скриппсовского исследовательского института в Сан-Диего под руководством Флойда Ромсберга успешно внедрили пару синтетических оснований (творчески названных X и Y) в геном бактерии E. сoli, одним мановением руки увеличив генетический алфавит на 50 %. Стивен Беннер с коллегами достигли в своей лаборатории схожего успеха через пятьдесят лет после того, как впервые стали вычерчивать искусственные нуклеотиды в блокноте. Беннер свои вставные элементы ДНК называет P и Z. Ромсберг говорит: «Дело даже не в том, что я якобы считаю, что жизнь нуждается в более разнообразной генетической информации, а в том, чему мы можем научиться на этом опыте, какие лекарства можем разработать, чтобы расширить возможности клеток». В соответствии с веянием времени он основал компанию, занятую синтезом искусственной ДНК, которая поведет эволюцию на новую, неизведанную территорию.

На фото: барбекю в каменном веке и в наши дни. Сверху – художественная реконструкция стоянки неандертальцев, существовавшей в Восточной Европе около 35 тысяч лет тому назад. Снизу – аналогичная сцена из сравнительно недавнего прошлого. Намного ли мы отличаемся от неандертальцев? Сегодня в связи с проведенными исследованиями наши знания о ДНК неандертальцев, фрагменты которой сохранились в геноме у многих из нас, значительно расширены