Геном человека

Джон Салстон: «Единственный разумный подход к последовательности генома человека — это признать, что она является общим наследием человечества и принадлежит нам всем»

Джон Салстон

По мере того как в 1980-х годах секвенирование ДНК открывало гены человека, фокус интересов ученых сместился в сторону еще большего завоевания. Если наука благодаря картированию нескольких коротких последовательностей ДНК получила огромный объем знаний о биологии и заболеваниях, то, что же можно будет узнать, прочитав весь геном нашего вида?

Когда секвенирование производилось вручную, проект по расшифровке человеческого генома казался не более чем фантазией. Но с развитием автоматизированных методов влиятельные ученые начали доказывать, что это возможно. В 1986 году нобелевский лауреат Ренато Дульбекко обратился к правительству США с просьбой поддержать проект, потенциально способный дать толчок исследованиям рака. В Британии Сидней Бреннер, будущий нобелевский лауреат, точно так же обратился к Европейскому союзу.

Министерство энергетики США, которому было поручено исследовать влияние радиации на ДНК, вскоре перехватило эстафету. В своем отчете 1986 года они написали: «Знание человеческого генома сыграет такую же важную роль в дальнейшем прогрессе медицины и других биологических наук, как знание человеческой анатомии сыграло в современном состоянии медицины». Но другие ученые и институты, включая Национальный институт здоровья США, относились к затее скептически. Некоторые считали задачу слишком амбициозной и дорогостоящей. Другие думали, что она отнимет интеллектуальный и финансовый капитал у других, более реалистичных генетических исследований.

Проект «Геном человека»

К концу десятилетия решение было принято. В 1990 году при поддержке правительств и благотворительных организаций был запущен проект «Геном человека». Его главой стал Джеймс Уотсон. Цель проекта состояла в том, чтобы определить каждую из 3 миллиардов пар оснований, которыми записана генетическая инструкция человечества. Организаторы предполагали, что проект займет 15 лет и потребует 3 миллиарда долларов США, по одному доллару на каждую «букву» ДНК.

Проект был настолько масштабным, что никто не ожидал конкуренции. Однако в 1998 году, когда общественный консорциум расшифровал всего 3 % кода, у него появился соперник в частном секторе. Крейг Вентер, генетик, идентифицировавший больше генов, чем кто-либо еще, заключил сделку в 300 миллионов долларов с основным производителем аппаратов для секвенирования ДНК. Вентер собрался получить свою версию генома.

Крейг Вентер

Взяв на вооружение собственный метод, названный «секвенирование целого генома методом дробовика», компания Вентера Celera («Селера») пообещала расшифровать геном всего за два или три года, задолго до запланированной даты завершения публичного проекта. Уотсон выиграл первое великое соревнование генетической эры и определил структуру ДНК. Теперь началась новая гонка, ставшая примером одного из самых жестких соперничеств в науке.

Разные методы, разные идеологии

Геном человека слишком велик, чтобы его можно было прочитать за раз. Его необходимо расщепить на фрагменты, с которыми могут работать секвенаторы, и конкурирующие команды подошли к этой проблеме по-разному. Общественный проект разбил геном на крупные куски по 150 000 пар оснований, клонировал тысячи копий в бактериях и картировал положение клонов на хромосомах. Затем каждый клон был разбит на меньшие фрагменты, секвенирован и собран заново путем соотнесения перекрывающихся конечных участков. Секвенированные клоны картировали обратно в хромосомные положения для получения полного кода.

Метод был точным, но очень медленным. В компании Celera, название которой с латыни переводится как «скорость», решили, что будет проще пропустить стадию картирования и собрать весь геном из маленьких фрагментов. Этот «метод дробовика» ранее использовался для секвенирования бактерий и вирусов, но многие эксперты сомневались, что он сработает для человеческого генома, размер которого более чем в 500 раз превышает размер секвенированных к тому моменту геномов. Однако Вентер доказал эффективность этого метода, расшифровав генетический код старой подруги генетики — плодовой мушки, и переключился на человека. Хотя Вентер и заставил своих инвесторов смириться с тем, что он опубликует геном в открытом доступе, он все равно был главой бизнес-организации.

В Celera надеялись продавать доступ к подробной генетической базе данных, оснащенной программным обеспечением, позволяющим находить новые гены и разрабатывать лекарства. Университетским ученым разрешалось просматривать данные бесплатно, но они должны были бы платить отчисления с любых коммерческих продуктов, разработанных в результате использования базы данных. Для Джона Салстона, главы британской ветви общественного проекта, это было ересью. Для него Вентер был чем-то вроде генетического пирата, пытающегося приватизировать нечто, принадлежащее всему человечеству. Хотя Вентер всегда утверждал, что геном нельзя запатентовать, ученые боялись, что Celera попытается его приватизировать. Проект «Геном человека» ускорил темп, надеясь заблокировать любые попытки предъявить права на владение геномом, опубликовав данные в общественном доступе до того, как закончат их конкуренты.

«Мы изучаем язык, на котором Бог создал жизнь» Билл Клинтон

Соглашение о ничьей

Вентер завершил работу первым, но общественный проект ненамного от него отстал, и Вентер согласился на ничью. Важную роль в шатком перемирии сыграло вмешательство президента США Билла Клинтона. В апреле 2000 года Клинтон объявил, что, по его мнению, геном должен быть общественным достоянием. В результате курсы акций биотехнологических компаний, включая Celera, резко начали падать. В ужасе от таких непредвиденных последствий, Клинтон решил возместить ущерб, примирив два лагеря. Он договорился о совместном объявлении окончания расшифровки и официально признал вклад Вентера.

Celera выполнила свои обещания и опубликовала геном. Их база данных, оборудованная дополнительными инструментами, оказалась настолько полезной, что на нее подписалось большинство научных институтов и фармакологических компаний. Однако ускорение общественного проекта положило конец любым попыткам запатентовать геном. В 2004 году Вентер разошелся во мнениях со своими инвесторами и покинул Celera. Его геном был добавлен в базу генетических последовательностей GenBank, где он доступен всем и каждому без каких-либо ограничений. Геномная война закончилась, и острая конкуренция пошла человечеству на пользу. Благодаря дополнительному стимулу геном был секвенирован значительно быстрее, чем кто-либо мог предположить еще десятилетие назад.

Чей геном?

Проект «Геном человека» и компания Celera использовали генетический материал нескольких доноров: ДНК выделяли из крови женщин и спермы мужчин. В геноме Celera использовались пять человек: два белых мужчины и три женщины — афроамериканского, китайского и латиноамериканского происхождения. Как оказалось впоследствии, донорами-мужчинами были Крейг Вентер и Хэмилтон Смит. В общественном проекте использовалась ДНК двух мужчин и двух женщин. Несмотря на то, что они сохранили анонимность, известно, что один из них был мужчиной из Буффало, штат Нью-Йорк, кодовый номер RP11, чьи образцы использовались чаще всего из-за высокого качества.

Публикация данных: палка о двух концах?

Ежедневно публикуя новые данные, проект «Геном человека» надеялся предупредить патентование генетического кода компанией Celera. Стратегия сработала, но у нее были последствия. Исследователи Celera могли скачать плоды трудов своих соперников для исправления собственной последовательности. Многие другие компании так и поступили. Как заметил Крейг Вентер, публикация привела к размножению генетических патентов, поскольку коммерческие компании изучили общедоступные результаты и заявили права на наиболее интересные гены.

Уроки генома

Когда гонка по расшифровке человеческого генома достигла финишной прямой, конкурирующие стороны смогли согласиться в одном: «книга человека» будет содержать очень много генов.

Как показал Крейг Вентер, у плодовой мушки примерно 13 500 генов. Проект Джона Салстона по расшифровке генома круглого червя Саеnorhabditis elegans дал около 19 000 генов. Предполагалось, что человеческая жизнь настолько сложна, что для записей инструкций к ней понадобится значительно больше генов. Ученые сошлись на цифре 100 000, хотя одна биотехнологическая компания заявила, что им удалось описать 300 000 человеческих генов.

Публикация в 2001 году двух «черновых» геномов преподнесла сюрприз. Анализ показал, что геном человека содержит всего 30-40 тысяч генов, и эта оценка с тех пор только уменьшается. К моменту работы над этой книгой последний подсчет закрепил за человеком 21 500 генов - немногим больше, чем у рыбки данио, и чуть меньше, чем у мыши. Биологическая сложность организма и число генов, кодирующих белки, между собой не связаны.

Один ген, много белков

С тех пор как в 1940-х опыты Джорджа Бидла и Эдварда Тейтема показали, что гены производят белки, утверждение «один ген — один белок» стало мантрой молекулярной биологии. Однако существуют сотни тысяч человеческих белков и всего лишь десятки тысяч генов. Мантра была неправильной. Гены и белки более гибкие, чем предполагалось. Отдельные гены могут содержать рецепты для множества различных белков, что во многом объясняется их структурой. Как упоминалось в главе 9, инструкции для синтеза белков несут только отдельные участки генов - экзоны. Перед производством белков информация от некодирующих участков — интронов удаляется из матричной РНК, и экзоны сшиваются вместе.

Джордж Бидл

Экзоны можно соединить различными способами, и такой «альтернативный сплайсинг» означает, что один ген может задавать множество белков. Некоторые гены дают только части белка, которые затем объединяются с другими белковыми молекулами, образуя разнообразные ферменты. Белки также могут модифицироваться в клетке после синтеза. Как результат, формируется популяция белков, или протеом, который куда более разнообразен, чем можно предположить на основе числа генов.

Малое число человеческих генов также показывает, что «мусорная ДНК» - то есть та часть ДНК, что не кодирует белки и составляет от 97 до 98 % всей ДНК человека, - может играть более важную роль, чем представлялось ранее. Некоторые некодирующие области дают особые формы РНК, служащие клеточными «гонцами» (см. главу 48). Они выполняют функцию переключателей, регулирующих активность генов, или же направляют склейку белков, сплайсинг. Однако немалая часть мусорной ДНК и в самом деле является мусором (см. главу 45), хотя некоторые ее части необходимы для регуляции работы генов и играют не меньшую роль в физиологии, чем сами гены.

Эдвард Тейтем

Различия между видами

Когда геном человека сравнили с геномами других видов, стало ясно, что очень небольшое число человеческих генов уникально: у большинства генов есть аналоги в других организмах. Примерно 99% генов мы делим с шимпанзе, 97,5% — с мышами. Естественный отбор не благоприятствует изменениям ради изменений, и поэтому гены, нормально выполняющие свою функцию, сохраняются эволюцией. Очень похожий код, дающий очень похожий белок, будет выполнять такую же функцию в родственном виде. Например, у человека и свиней гены инсулина очень похожи, поэтому свиной инсулин можно использовать для лечения диабета. Эволюция редко избавляется от генов или создает новые, поэтому, оглядываясь назад, не стоит удивляться, что у большинства млекопитающих примерно одинаковое число генов.

Вместо этого по ходу эволюции несколько генов объединяются для выполнения новой функции. Некоторые приобретают небольшие мутации, специфичные для данного вида. Например, ген человека FOXP2 имеет аналогу шимпанзе и мышей, но человеческая версия отличается от шимпанзе в двух местах, а от мышей - в трех. Эти маленькие изменения могли сыграть роль в эволюции речи: люди с дефектами FOXP2 страдают расстройствами речи.

Многие различия межу людьми и другими животными объясняются не тем, что у нас есть особые гены, а тем, что наши аналогичные гены были чуть-чуть изменены и работают чуть-чуть иначе. Другие различия, по-видимому, отражают изменения в регуляторных областях ДНК- и РНК-сообщениях, которые они посылают.

Различия между людьми

Люди, очевидно, еще более генетически похожи друг на друга, чем человек и шимпанзе. Считается, что 99,9 % последовательности генома универсальны и одинаковы у всех людей на планете. Мы несем одинаковые гены, за исключением редких случаев, когда один или несколько генов были удалены. Однако 0,1 % неодинаковой ДНК достаточно для разнообразия: при 3 миллиардах пар оснований в геноме это дает 3 миллиона мест, по которым люди могут различаться.

Такие различия выражаются в случайной замене одной «буквы» ДНК на другую. Места, в которых это происходит, называются однонуклеотидными полиморфизмами, или снипами (от английской аббревиатуры SNP). Многие снипы не оказывают никакого влияния: как было сказано в главе 9, генетический код избыточен, поэтому некоторые мутации не изменяют аминокислотную последовательность белков. Другие, однако, вносят изменения в гены и, следовательно, строение белков или изменяют регуляцию синтеза белков.

Снипы являются основным генетическим механизмом различий между людьми. Некоторые оказывают незначительное влияние на нашу жизнь, изменяя цвет глаз или волос. Другие более коварны и могут напрямую вызывать заболевания или изменять метаболизм таким образом, что мы становимся более уязвимыми к определенным условиям. Снипы отвечают за разнообразие человеческой жизни.

Насколько закончен геном?

Большинство людей думают, что секвенирование человеческого генома было завершено либо в 2000 году, когда об этом объявили на пресс-конференции в Белом доме, либо в 2001 году, когда конкурирующие группы опубликовали свои данные. Однако были получены только рабочие варианты, полные дырок: оставалось расшифровать еще почти 20% кода. Даже в предположительно «окончательной» версии 2003 года не хватало примерно 1 % кодирующих белки участков и еще большей доли некодирующей мусорной ДНК. Работа по заполнению пробелов продолжается, но последовательности определенных участков, включая центромеры в середине хромосом и теломеры на их концах, до сих пор не картированы. Они содержат очень много повторяющихся последовательностей, которые современные методы считать не способны.