Глобальные проблемы

Международный проект "геном человека"

В.Н. Сойфер
Профессор, заведующий лабораторией молекулярной генетики Университета Дж. Мейсона, Фэйрфакс (Вирджиния), США, генеральный директор Международной соросовской программы образования в области точных наук
(4, 1999) © "Экология и жизнь"

"...Но прежде прибери в комнатах, вымой окна, натри пол, выбели кухню, выполи грядки, посади под окнами семь розовых кустов, разбери семь мешков фасоли: белую отбери от коричневой, познай самое себя"

Е.Л. Шварц. "Золушка"

Наверное, самым трудным для Золушки в заданиях злой и коварной мачехи было: "Познай самое себя!" Все остальное трудно, но понятно - действия привычные, выдумывать ничего не надо, только поспевай... А что значит: "Познай самое себя"? Узнать, как ты движешься, думаешь или дышишь, когда перебираешь фасоль? А может быть, первый шаг к настоящему пониманию человека - узнать, как он воспроизводит себе подобных?

Когда несколько американских ученых в 1986-1987 годах принялись неслыханно дерзко уговаривать руководителей Министерства энергетики США выделить несколько миллиардов долларов на фантастический проект: узнать строение всех генов человека - это был правильный шаг к познанию самих себя. Узнав строение генов, можно было посягнуть и на то, чтобы вторгнуться реально в понимание процессов мышления и реагирования на стимулы, приходящие из окружающей среды и т.д. Как только проект, названный "Геном человека", был объявлен, начались новые муки: множество людей во всем мире, причем не просто обыватели, а профессора и руководители институтов, стали его резко критиковать, называя его "завиральным", нереальным и попросту глупым. Вложенных средств он не оправдает, усилий потребует столько, что все ученые, забросив остальные дела, справиться с ним не смогут и т. п. Деньги затея поглотит, а толку все равно не будет. Рановато еще к этому приступать, твердили эти знатоки, наука не созрела для решения таких задач, технических возможностей не создано, лучше прекратить с самого начала нелепую выдумку, а деньги пустить на действительно реальные проекты.

Если бы на этом настаивали специалисты по ядерной физике или физической химии, было бы понятно, ведь из-за "Генома человека" приостановили другие дорогие проекты, прежде всего в области физики. Но в хоре протестов выделялись и голоса биологов, особенно из Западной Европы и СССР. Правда, в СССР были и другие ученые, в частности, академик А.А. Баев, которые сразу же постарались включиться в международный проект и извлечь из него максимальную пользу.

И вот прошло 10 лет с момента официального старта проекта. Чего же удалось достичь? К концу 1999 г. расшифровано свыше двух десятков геномов. Но насколько близки мы к пониманию строения всех генов человека? И что эти данные могут дать самому человеку?

СКОЛЬКО ГЕНОВ В ЧЕЛОВЕЧЕСКОМ ОРГАНИЗМЕ?

В любой соматической клетке человека 23 пары хромосом. В каждой из них по одной молекуле ДНК. Длина всех 46 молекул почти 2 м.

У взрослого человека примерно 5х1013 клеток, так что общая длина молекул ДНК в организме 1011 км (почти в тысячу раз больше расстояния от Земли до Солнца). В молекулах ДНК одной клетки человека 3,2 млрд.пар нуклеотидов. Каждый нуклеотид состоит из углевода, фосфата и азотистого основания. Углеводы и фосфаты одинаковы во всех нуклеотидах, а азотистых оснований - четыре . Таким образом, язык генетических записей четырехбуквенный, и если основание - его "буква", то "слова" - это порядок аминокислот в кодируемых генами белках. Кроме состава белков в геноме (совокупности генов в одинарном наборе хромосом) записаны и другие любопытные сведения. Можно сказать, что Природа (в результате эволюции или Божьего промысла) закодировала в ДНК инструкции о том, как клеткам выживать, реагировать на внешние воздействия, предотвращать "поломки", иными словами, - как развиваться и стареть организму.

Любое нарушение этих инструкций ведет к мутациям, и если они случаются в половых клетках (сперматозоидах или яйцеклетках), мутации передаются следующим поколениям, угрожая существованию данного вида.

Как представить себе 3 млрд. оснований зримо? Чтобы воспроизвести информацию, содержащуюся в ДНК единственной клетки, даже самым мелким шрифтом (как в телефонных справочниках), понадобится тысяча 1000-страничных книг!

Сколько же всего генов, то есть последовательностей нуклеотидов, кодирующих белки, в ДНК человека? Года три назад полагали, что около 100 тыс., затем решили, что не более 80 тыс. В конце 1998 г. пришли к выводу, что в геноме человека 50-60 тыс. генов. На их долю приходится только 3% общей длины ДНК. Роль остальных 97% пока не ясна.

ЧТО ТАКОЕ "ГЕНОМ ЧЕЛОВЕКА"?

Цель проекта - выяснить последовательности азотистых оснований и положения генов (картирование) в каждой молекуле ДНК каждой клетки человека, что открыло бы причины наследственных заболеваний и пути к их лечению. В проекте заняты тысячи специалистов со всего мира: биологов, химиков, математиков, физиков и техников. Это один из самых дорогих научных проектов в истории. В 1990 г. на него потрачено 60 млн. долл., в 1991 г. - 135 млн., в 1992-1995 гг. - от 165 до 187 млн. в год , а в 1996-1998 гг. только США израсходовали 200, 225 и 253 млн.

Интерес к уже полученным результатам огромен: самые цитируемые в 1998 г. авторы (не только в генетике или биологии, но во всех областях науки) Марк Адамс и Крэйг Вентер из Института исследований генома в штате Мэриленд (США) - частной компании, занимающейся только составлением "генных карт".

ВЕХИ ПРОЕКТА

Проект состоит из пяти основных этапов:

• составление карты, на которой помечены гены, отстоящие друг от друга не более, чем на 2 млн. оснований, на языке специалистов, с разрешением 2 Мб (Мегабаза - от английского слова "base" - основание);
• завершение физических карт каждой хромосомы с разрешением 0,1 Мб;
• получение карты всего генома в виде набора описанных по отдельности клонов (0,005 Мб);
• к 2004 г. полное секвенирование ДНК (разрешение 1 основание);
• нанесение на карту с разрешением в 1 основание всех генов человека (к 2005 г.). Когда эти этапы будут завершены, исследователи определят все функции генов, а также биологические и медицинские применения результатов.
  

ТРИ КАРТЫ

В ходе проекта создают три типа карт хромосом: генетические, физические и секвенсовые (от англ. sequence - последовательность). Выявить все гены, присутствующие в геноме, и установить расстояния между ними - значит локализовать каждый ген в хромосомах. Такие генетические карты помимо инвентаризации генов и указания их положений ответят на исключительно важный вопрос о том, как гены определяют те или иные признаки организма. Ведь многие признаки зависят от нескольких генов, часто расположенных в разных хромосомах, и знание положения каждого из них позволит понять, как происходит дифференцировка (специализация) клеток, органов и тканей, а также успешнее лечить генетические заболевания. В 20-е и 30-е годы, когда создавалась хромосомная теория наследственности, выяснение положения каждого гена привело к тому, что на генетических картах сначала дрозофилы, а затем кукурузы и ряда других видов удалось отметить особые точки, как тогда говорили, "генетические маркеры" хромосом. Анализ их положения в хромосомах помог снабдить генетические карты хромосом человека новыми сведениями. Первые данные о положении отдельных генов появились еще в 60-е годы. С тех пор они множились лавинообразно, и в настоящее время известно положение уже десятков тысяч генов. Три года назад разрешение генетической карты составляло 10 Мб (для некоторых участков - даже 5 Мб).

Другое направление исследований - составление физических карт хромосом. Еще в 60-е годы цитогенетики стали окрашивать хромосомы, чтобы выявить на них особые поперечные полосы. После окрашивания полосы было видно в микроскоп. Между полосами и генами удалось установить соответствие, что позволило изучать хромосомы по-новому. Позже научились "метить" молекулы ДНК (радиоактивными или флуоресцентными метками) и следить за присоединением этих меток к хромосомам, что значительно повысило разрешение их структуры: до 2 Мб, а потом и до 0,1 Мб (при делении клеток). В 70-е годы научились "разрезать" ДНК на участки специальными (рестрикционными) ферментами, распознающими короткие отрезки ДНК, в которых информация записана в виде палиндромов - сочетаний, читаемых одинаково от начала к концу и от конца к началу. Так возникли рестрикционные карты хромосом. Использование современных физических и химических методов и средств улучшило разрешение физических карт в сотни раз.

Наконец, разработка методов секвенирования (изучения точных последовательностей нуклеотидов в ДНК) открыла путь к созданию секвенсовых карт с рекордным на сегодня разрешением (на этих картах будет указано положение всех нуклеотидов в ДНК).

ДВА ПОДХОДА

Число хромосом и их длина различны у разных биологических видов. В клетках бактерий всего одна хромосома. Так, размер генома бактерии Mycoplasma genita-lium 0,58 Мб (в нем 470 генов), у бактерии кишечной палочки (Escherichia coli) в геноме 4200 генов (4,2 Мб), у растения Arabi- dopsis thaliana - 25 тыс. генов (100 Мб), у плодовой мушки Droso-phila melanogaster - 10 тыс. генов (120 Мб). В ДНК мыши и человека 50-60 тыс. генов (3000 Мб). Конечно, для составления карт столь разных объектов одни и те же методы неприменимы, поэтому используют два разных по методологии подхода. В первом делят ДНК на небольшие куски и, изучив их по отдельности, воссоздают всю структуру, Этот подход увенчался успехом при составлении сравнительно простых карт. Для более сложных геномов эффективнее второй подход. В этих случаях неразумно делить молекулу ДНК на короткие куски, удобные для детального изучения. Их оказалось бы так много, что путаница в последовательностях была бы неразрешимой. Поэтому, принимаясь за расшифровку, молекулу делят, наоборот, на как можно более длинные куски и сравнивают их в надежде найти общие концевые участки. Если это удается, куски объединяют, после чего процедуру повторяют. С совершенствованием компьютеров и математических методов обработки информации объединенные по такому принципу куски становятся все крупнее, постепенно приближаясь к целой молекуле. Этот подход, в частности, позволил составить генетическую карту 3-й хромосомы дрозофилы.

КЛАДЕЗЬ НОВЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

Важный аспект проекта "Геном человека" - разработка новых методов исследований. Еще до старта проекта был развит ряд весьма эффективных методов цитогенетических исследований (теперь их называют методами первого поколения). Среди них: создание и применение упомянутых рестрикционных ферментов; получение гибридных молекул, их клонирование и перенос участков ДНК с помощью векторов в клетки-доноры (чаще всего - кишечной палочки или дрожжей); синтез ДНК на матрицах информационной РНК; секвенирование генов; копирование генов с помощью специальных устройств; способы анализа и классификации молекул ДНК по плотности, массе, структуре.

В последние 4-5 лет благодаря проекту "Геном человека" разработаны новые методы (методы второго поколения), в которых почти все процессы полностью автоматизированы. Почему это направление стало центральным? Самая маленькая хромосома клеток человека содержит ДНК длиной 50 Мб, самая большая (хромосома 1) - 250 Мб. До 1996 г. наибольший участок ДНК, выделяемый из хромосом с помощью реактивов, имел длину 0,35 Мб, а на лучшем оборудовании их структура расшифровывалась со скоростью 0,05-0,1 Мб в год при стоимости 1-2 долл. за основание. Иными словами, только на эту работу понадобилось бы примерно 30 тыс. дней (почти век) и 3 млрд. долл.

Совершенствование технологии к 1998 г. повысило производительность до 0,1 Мб в день (36,5 Мб в год) и понизило стоимость до 0,5 долл. за основание. Использование новых электромеханических устройств, которые к тому же потребляют меньше реактивов, позволит уже в 1999 г. ускорить работы еще в 5 раз (к 2003 г. планируется довести скорость расшифровки до 500 Мб в год) и уменьшить стоимость до 0,25 долл. за основание (для человеческой ДНК еще дешевле).

ГЕНЫ В БАНКЕ

За последние шесть лет созданы международные банки данных о последовательностях нуклеотидов в ДНК разных организмов (GenBank / EMBL / pBJ) и о последовательностях аминокислот в белках (PIR / SwissPot). Любой специалист может воспользоваться собранной там информацией в исследовательских целях. Решение о свободном доступе к информации далось нелегко. Ученые, юристы, законодатели немало потрудились, чтобы воспрепятствовать намерениям коммерческих фирм патентовать все результаты проекта и превратить эту область науки в бизнес.

РЕЗУЛЬТАТЫ

Изученные гены человека. За 1995 г. длина участков ДНК человека с установленной последовательностью оснований увеличилась почти в 10 раз. Но хотя прогресс был налицо, результат за год составил менее 0,001% от того, что предстояло сделать. Но уже к июлю 1998 г. было расшифровано почти 9% генома, а затем каждый месяц появлялись новые значительные результаты. Изучив большое число копий генов в виде сДНК и сопоставив их последовательности с участками хромосомной ДНК, к ноябрю 1998 г. расшифровали 30 261 ген (примерно половина генома).

Функции генов. Результаты завершенной части проекта позволяют судить о роли двух третей генов в образовании и функционировании органов и тканей человеческого организма. Оказалось, что больше всего генов нужно для формирования мозга и поддержания его активности, а меньше всего для создания эритроцитов - лишь 8.

Другие организмы. Когда составлялась программа исследований по проекту, решили сначала отработать методы на более простых моделях. Поэтому на первом этапе реализации проекта изучили 8 разных представителей мира микроорганизмов, а к концу 1998 г. - уже 18 организмов с размерами генома от 1 до 20 Мб. В их числе представители многих родов бактерий: архебактерии, спирохеты, хламидобактерии, кишечная палочка, возбудители пневмоний, сифилиса, гемофилии, метанобразующие бактерии, микоплазмы, риккетсии, цианобактерии. Как уже упоминалось, завершен генетический анализ одноклеточного эукариота - дрожжей Saccharomy-ces cerevisae и первого многоклеточного животного - червя C. elegans.

Повреждения генов и наследственные болезни. Из 10 тыс. известных заболеваний человека около 3 тыс. - наследственные болезни. Они необязательно наследуются (передаются потомкам). Просто вызваны они нарушениями наследственного аппарата, то есть генов (в том числе в соматических клетках, а не только в половых). Выявление молекулярных причин "поломки" генов - важнейший результат проекта. Число изученных болезнетворных генов быстро растет, и через 3-4 года мы познаем все 3 тыс. генов, ответственных за те или иные патологии. Это поможет разобраться в генетических программах развития и функционирования человеческого организма, в частности, понять причины рака и старения. Знание молекулярных основ заболеваний поможет их ранней диагностике, а значит, и более успешному лечению. Адресное снабжение лекарствами пораженных клеток, замена больных генов здоровыми, управление обменом веществ и многие другие мечты фантастов на наших глазах превращаются в реальные методы современной медицины.

Молекулярные механизмы эволюции. Зная строение геномов, ученые приблизятся к разгадке механизмов эволюции. В частности, такого ее этапа, как деление живых существ на прокариоты и эукариоты. До последнего времени к прокариотам относили архебактерии, по многим признакам отличающиеся от других представителей этой группы микроорганизмов, но также состоящие всего из одной клетки без обособленного ядра, но с молекулой ДНК в виде двойной спирали. Когда год назад геном архебактерий расшифровали, стало ясно, что это отдельная ветвь на эволюционном древе.

ЗАДАЧИ НА БУДУЩЕЕ

С учетом постоянного наращивания темпов работ руководители проекта заявили в конце 1998 г., что проект будет выполнен гораздо раньше, чем планировалось, и сформулировали задачи на ближайшую перспективу:

Помимо этих целей, официально включенных в международный проект, поддерживаемый США и рядом других стран на правительственном уровне, некоторые исследовательские центры объявили о задачах, которые будут решаться в основном за счет грантов и пожертвований. Так, ученые Калифорнийского университета (Беркли), Орегонского университета и Центра Ф. Хатчинсона по исследованию рака начали расшифровку генома собаки.

ЧТО ДАЛЬШЕ?

Главная стратегическая задача на будущее - изучить вариации ДНК (на уровне отдельных нуклеотидов) в разных органах и клетках отдельных индивидуумов и выявить эти различия. Обычно одиночные мутации в ДНК человека встречаются в среднем на тысячу неизмененных оснований. Анализ таких вариаций позволит не только создавать индивидуальные генные портреты и, тем самым, лечить любые болезни, но и определять различия между популяциями и регионы повышенного риска, делать заключения о необходимости первоочередной очистки территорий от тех или иных загрязнений и выявлять производства, опасные для геномов персонала. Впрочем, наряду с радужными ожиданиями всеобщего блага эта грандиозная цель вызывает и вполне осознанную тревогу юристов и борцов за права человека. В частности, высказываются возражения против распространения генетической информации без разрешения тех, кого она касается. Ведь ни для кого не секрет, что уже сегодня страховые компании стремятся добыть такие сведения всеми правдами и неправдами, намереваясь использовать эти данные против тех, кого они страхуют. Компании не желают страховать клиентов с потенциально болезнетворными генами или заламывают за их страховки бешеные суммы. Поэтому конгресс США уже принял ряд законов, направленных на строгий запрет распространения индивидуальной генетической информации.

Какие прогнозы сбудутся: оптимистические или пессимистические - покажет ближайшее будущее...

Глобальные проблемы