Гены и судьбы

Глава 5 Нить Ариадны

А теперь пришла пора поговорить о хромосомах, тех самых хромосомах, которые популярности ради иногда называют «нитью бус», где каждая бусинка — ген; тех хромосомах, что изучаются уже более столетия и цитологами, и генетиками. Пожалуй, только такое объединение сил и позволило ученым проникнуть в глубину организации столь сложной и совершенной структуры, как хромосома. Нетрудно понять, сколь непрост и долог был этот путь познания.

Для современного биолога та парадигма, гласящая, что клетка возникает только из клетки путем ее деления, а каждое ядро из ядра тоже путем соответствующего деления ядра, равно как хромосома появляется только путем удвоения структуры и продольного расщепления индивидуальной хромосомы, является непреложной истиной.

Иными словами, никто из ученых наших дней просто не может допустить мысли о том, что клетки и их составные элементы могут возникать спонтанно. Между тем к столь определенному заключению биологи пришли не сразу. Например, создатели клеточной теории (это было 150 лет назад) Т. Шванн и М. Шлейден были убеждены, что клетки образуются de novo из «бесструктурного вещества», названного ими цитобластемой. И только в 1855 году крупнейший немецкий патолог Рудольф Вирхов сформулировал свое знаменитое положение «каждая клетка из клетки». Правда, и это положение подвергалось всевозможным дополнениям и опровержениям, иногда даже абсурдным вроде теории О. Б. Лепешинской о возникновении клеток из неклеточного живого вещества. Но правильность положения Р. Вирхова выдержала самую строгую проверку временем и оказала большое, а главное, благотворное влияние на развитие учения о хромосоме.

В последующие 30 лет лучшие ученые разных стран «штурмовали» клетку и ядро. Два года назад научная общественность мира отмечала своеобразный юбилей — столетие со дня введения термина «хромосома». Слово это в переводе с греческого языка означает «окрашенное тело». И никакого другого смысла в него не вкладывали. Это был чисто описательный или морфологический подход к обнаруженной структуре ядра. Хромосомы получили такое название за их способность к интенсивной окраске кислыми красителями.

Автором термина «хромосома» стал анатом Берлинского университета Вильгельм Вальдейер. Это не единственная его (и не самая большая) заслуга перед наукой. В анатомии и гистологии, которым он отдал долгие годы и где сделал много открытий, некоторые образования получили его имя (например, вальдейерское лимфоидное кольцо в носоглотке). Представьте себе, каким же образованным человеком был В. Вальдейер. Он делал открытия в анатомии человека и одновременно хорошо понимал тонкую структуру клетки.

Представления о строения ядра к началу 80-х годов прошлого века были уже довольно определенными. В 1882 году был открыт процесс непрямого деления клетки. Его назвали сначала кариокинезом, а затем за ним закрепился существующий до настоящего времени термин «митоз». Термин «хроматин» к этому времени уже был известен. Вот почему в своей знаменитой статье «О кариокинезе и его отношении к процессу оплодотворения» В. Вальдейер счел нужным написать, что он вводит термин «хромосома» для тех образований, которые Т. Бовери называл «хроматиновыми элементами». С истинно немецкой пунктуальностью В. Вальдейер проанализировал в своей работе 210 источников литературы, включая труды таких знаменитых в то время биологов, как Э. Бальбиани, Т. Бовери, В. Флемминг, О. Гервиг, В. Ру, Э. Страстбургер, А. Вейсман и многие другие.

Правда, термин «хромосома» прижился не сразу. Как только хромосомы не называли и до введения термина В. Вальдейером, и даже после: ядерными петлями, кариосомами, ядерными сегментами, идантами и т. д. Но только термин «хромосома» оказался столь удачным, что навсегда вошел в науку как точный и достаточно объемлющий в смысловом отношении.

Наиболее важной характеристикой хромосомы В. Вальдейер считал ее продольное расщепление. А это значит, что он рассматривал хромосомы с точки зрения передачи каких-то свойств из клетки в клетку. Интересно отметить, что в своей работе он уже ссылался на статью Фридриха Мишера об открытии «нуклеина», о чем мы уже говорили в предыдущей главе. Это значит, что химическая природа наследственного вещества уже стала предметом горячего обсуждения биологами.

Между тем законы Менделя все еще «лежали» в забвении. И цитологи по-своему, своими собственными методами пытались штурмовать проблемы наследственности. Так, немецкий биолог Оскар Гертвиг, наблюдая оплодотворение яиц морского ежа, предположил, что их ядра содержат наследственное вещество, составные части которого полностью расщепляются в промежутке между делениями. К этому же выводу (и в тот же период) пришел немецкий ученый Т. Бовери, об открытиях которого мы уже рассказали.

Большой вклад в хромосомную теорию наследственности в конце XIX века внес Август Вейсман, о котором мы уже также упомянули в предыдущей главе. Однако только после переоткрытия законов Менделя два ученых — Т. Бовери в Германии и В. Сеттон в США — независимо друг от друга показали параллелизм поведения хромосом при оплодотворении с наследованием признаков по законам Менделя.

Строго говоря, с этого момента (1902 г.) и начинается логическое формирование хромосомной теории наследственности, основной вклад в которую внесли Т. Морган и его школа, начиная с их работ на дрозофиле (1909 г.).

Достижения биологии XIX века в клеточной теории, создание концепции решающей роли хромосом в наследственности могут и должны рассматриваться современной наукой не только как большое достижение в области биологии, но и как неоценимый вклад в копилку общечеловеческих знаний. Исторический процесс методологического прогресса, новые теоретические концепции, экспериментальные наблюдения, парадигмы и научные «революции» позволили науке совершить крутой поворот от виталистических теорий жизни, доминировавших в ней тысячелетия, к материалистическому ее пониманию. С исторической точки зрения подобный поворот в начале века не менее важен, чем сенсационный бум, сопровождавший становление и развитие генной технологии, возникшей на основе расшифровки структуры ДНК.

Итак, самостоятельный путь изучения хромосом (не через генетику) и их роли в передаче наследственных признаков шел посредством наблюдения за поведением ядер в мужских и женских зародышевых клетках при оплодотворении. И уже казалось, что только на основе этого могут быть сформулированы основные положения хромосомной теории. Однако столь долгожданное событие смогло произойти лишь после того, как гибридологические и цитологические представления о наследственности образовали некий неразрывный конгломерат. Здесь-то и выяснилось, что некоторые представления о наследственности не выдерживают проверку столь строгого объединенного «досмотра». Одним из первых рухнуло предположение, будто новый организм получает от каждого из прародителей гены в полном наборе, как единое целое. Наряду с уменьшением наследственного материала наполовину, наблюдаемым при образовании зародышевой клетки, происходит довольно странная на первый взгляд перекомбинация. Наборы наследственных признаков индивида как бы собираются заново из разных частей: что-то берется от дедушки по отцовской линии, что-то от бабушки по материнской.

Сегодня, оглядываясь на столетний период развития генетики, можно без каких-либо натяжек сказать, что изучению хромосом в истории естествознания уделялось ничуть не меньше внимания, нежели генам. В ряде же случаев именно благодаря познанию тонкой структуры хромосом становились очевидными свойства и строение генов.

Но о какой бы странице из «летописи» познания хромосом ни заходила речь, о функциональной ли морфологии, о строении ее отдельных участков, это всегда был захватывающе интересный научный поиск. Однако самый заметный успех в расшифровке организации функционирования хромосом, безусловно, связан с усовершенствованием электронно-микроскопических, авторадиографических и цитогенетических методов.

Разумеется, книга, которую вы сейчас читаете, отнюдь не учебное пособие для самообразования, и потому я останавливаюсь в ней только на тех ключевых моментах развития знаний о хромосомах, которые по характеру собственной профессиональной деятельности мне наиболее близки. А именно — на изучении хромосом человека.

Путь, пройденный цитогенетикой человека, полон исследовательского и личностного драматизма. Впервые о хромосомах человека упомянул в 1892 году В. Флемминг, рассказывая о своих исследованиях по делению клеток в роговице глаза. Проделывая эту работу, ученый насчитал в метафазах от 22 до 28 «хроматиновых тел». Большая же часть последующих исследований хромосом человека до 50-х годов выполнена другими авторами на семенниках. Дело в том, что именно они оказываются наиболее благодатным материалом для исследователей, поскольку в тканях семенника клетки делятся интенсивно. В них легко отмечается наличие и митотических, и мейотических делений. Напомню, что при митозе хромосомы удваиваются и клетка делится, сохраняя в дочерних клетках полный набор хромосом (двойной) и, соответственно, генов. Под мейозом понимается деление зародышевых клеток, во время которого число хромосом уменьшается наполовину. Объектом таких исследований всегда являлись живые ткани, полученные во время операций на семенниках.

И вот в результате многочисленных кропотливых наблюдений их авторы, независимо друг от друга (и без какого-либо давления со стороны авторитетов!), приходят к заключению, что у человека 48 хромосом.

Назовите данный вывод парадоксом, коллективным заблуждением, одним словом, как хотите, только это неправильное положение «подтверждалось» на протяжении более трех десятилетий. В этих же работах женский пол определяли двумя хромосомами X (икс), а мужской — XY (икс, игрек). А вот это наблюдение было правильным.

Особую страницу в истории познания хромосом человека занимают работы советских ученых в 30-х годах нашего столетия. Они-то изучали хромосомы не только в семенниках, но и в яичниках, а также в эпителиальных клетках. Больше того, именно наши генетики начали (это было уже в 1934 году) использовать культивирование лейкоцитов — метод, занявший в последующем ведущую роль в цитогенетике человека. Это они окончательно доказали, что у мужчин половые хромосомы разные (так называемый гетероморфный пол), первыми стали использовать измерение длины хромосом для их идентификации. Но столь блестяще развивающиеся исследования прерываются репрессивными мерами: в 1937 году медико-генетический институт, концентрировавший и возглавлявший эти работы, просто-напросто закрывается. Аргументацией для закрытия были выбраны будто бы идеологические ошибки.

Через много лет после только что описанных событий крупнейший английский специалист по генетике человека Л. Пенроуз напишет, что «если бы эти лаборатории в СССР продолжали работать, то большинство их открытий по кариотипу человека, сделанных в течение последних девяти лет, могли бы появиться на двадцать лет раньше». Термин «кариотип» означает полный набор хромосом.

Между тем в других странах аналогичные исследования не прекращались ни на один день, так что к 40-м годам нашего столетия вопрос о числе хромосом у человека считался окончательно решенным. Все учебники и монографии единодушно утверждали: их 48! Именно из-за столь большого количества, да еще плотности расположения в метафазе (средней стадии деления), хромосомы человека долгое время считались весьма и весьма неблагоприятным (или неблагодарным) объектом углубленного цитологического исследования. Этим, вероятно, и объясняется тот факт, что работы по их изучению обрели новый импульс лишь после появления новых методов изучения хромосом млекопитающих. Три методических приема определили дальнейший прогресс в этой области.

Первый из них связан с тем, что обработка гипотоническим раствором изучаемого материала приводит клетку к набуханию и к большему отделению хромосом друг от друга.

Второй метод позволял разрешить еще одну проблему, возникавшую при изучении хромосом, — увеличить количество делящихся клеток. Решалась она довольно просто. Ученые стали использовать колхицин — алкалоид, не препятствующий вступлению клеток в деление, но останавливающий его на стадии метафазы. Другими словами, применение колхицина значительно увеличивает число клеток, пригодных для наблюдения. К тому же колхицин усиливает конденсацию хромосом, и они легче разделяются.

Наконец, в-третьих, еще один методический прием оказался очень полезным при исследовании хромосом. Им оказалось культивирование клеток. Как вы уже знаете, использование этого метода для изучения хромосом человека было предложено советскими учеными еще в 30-х годах. Но пришла пора, и метод все же был взят всемирной наукой на вооружение.

Так что с начала 40-х годов, то есть на протяжении 15–20 лет, хромосомами человека ученые не занимались, поскольку вопрос о кариотипе человека считался решенным. И вдруг…

Это произошло в 1956 году. В печати появляется сообщение молодого американского ученого Д. Тио и известного шведского цитолога А. Левана (работа была выполнена в лаборатории А. Левана). Они утверждали, что у человека не 48, а 46 хромосом (их исследование было выполнено на культуре клеток от эмбрионов человека с применением новой техники — с использованием колхицина и обработки клеток гипотоническим раствором). Можете себе представить, сколь лихорадочно сотни ученых засели за микроскопы!

Открытие Д. Тио и А. Левана действительно оказалось сенсационным, а главное, оно коренным образом меняло многие уже сложившиеся генетические представления. Но почему именно они, а не кто-либо другой смогли осуществить его? Разве идея использования новых методов для изучения кариотипа человека никого до них не осеняла?

В том-то и дело, что приходила она на ум многим. Но как приходила, так, увы, и уходила, а Тио просто работал, не откладывая проверки своей гипотезы на завтра. Работал, выполняя обычное будничное дело, поскольку и колхинизация клеток (остановка деления), и гипотонизация (набухание клетки) входили в цитологическую практику. А работающий всегда побеждает.

Победил и он. Так что примите мой совет, адресованный всем молодым исследователям: не откладывайте на завтра воплощение идей, проверку предположений, догадок, прозрений. Помните, в большом научном мире всегда отыщется человек, мыслящий синхронно с вами, думающий о тех же проблемах. Кто из вас станет лидером — покажет время, терять которое — значит, неизменно уступать приоритет.

И не воспринимайте, пожалуйста, это мое искреннее пожелание как очередное назидание, которые так любят раздавать представители старшего поколения младшему. Ничего подобного я не имел в виду, делясь с вами этими рассуждениями. В подтверждение чего расскажу одну любопытную историю, которой лично со мной поделился известный английский цитогенетик Чарльз Форд.

Дело происходило в середине 50-х годов, когда новая техника приготовления препаратов для изучения хромосом себя уже утвердила. Ч. Форд изучал тогда мейоз у животных и готовил препараты из гипотонизированных клеток. Препараты от животных получились высокого качества, и Ч. Форд подумывал об изучении мейоза у человека с помощью новых методов. Тем более что обстоятельства складывались самые благоприятные, во время одной операции в больнице университета, в котором он работал, была произведена биопсия (прижизненно взят кусочек) семенника человека, и Ч. Форду передали этот материал для исследования. Занятый в этот момент какой-то другой работой, он положил кусочки ткани в холодильник, чтобы завтра, когда дел окажется поменьше, обработать их по новой методике, позволяющей объективно подсчитать число хромосом. Но завтра оказались другие дела, и не менее срочные, а послезавтра возникли свои заботы, появились свои обстоятельства. Одним словом, история затянулась на несколько месяцев… И вдруг… Он читает статью Д. Тио и А. Левана. Разумеется, тут же были забыты все дела, еще вчера казавшиеся столь неотложными, извлечены из рефрижератора кусочки семенника и незамедлительно обработаны. То, что увидел ученый в микроскоп, буквально потрясло его: в клетках отчетливо просматривались 23 пары хромосом! Что же оставалось делать Ч. Форду? Единственное: дополнить имеющийся материал полученными данными и вместе с другим цитогенетиком, Д. Хамертоном, опубликовать его, подтвердив тем самым открытие Д. Тио и А. Левана. Но первооткрывателем, как вы сами понимаете, он уже не стал, оказавшись лишь в числе тех, кто повторяет открытие других.

Между тем события в медицинской генетике шли своим чередом. А через три года после публикации работы Д. Тио и А. Левана пришло время удивить мир французским ученым Ж. Лежену, Р. Тюрпену и М. Готье, обнаружившим у детей с болезнью Дауна лишнюю хромосому. Далее открытия следовали одно за другим, и чуть ли не ежемесячно в печати появлялись сенсационные публикации. Так, английские ученые сообщили, например, миру о том, что они обнаружили три формы болезней, возникающих из-за нарушений количества половых хромосом: это прежде всего так называемый синдром Шерешевского-Тернера у девочек (у них 45 хромосом, недостает одной X-хромосомы), затем синдром Клайфельтера (мужчины с лишней X-хромосомой) и, наконец, так называемый синдром трипло-X (при нем у женщин не две, а три X-хромосомы).

Выявление хромосомных болезней все продолжалось и продолжалось… Удивительно ли, что очень скоро врачи-практики узнали, что некоторые болезни, наблюдаемые ими у своих пациентов, связаны с изменением числа определенных хромосом, а некоторые с тем, что у больного недостает какой-то части хромосомы или, наоборот, она представлена в избытке.

Иными словами, в 1959–1960 годах изучение хромосомных болезней человека вступило в новую фазу и на повестке дня встал вопрос об унификации номенклатуры хромосом. Дело в том, что в микроскопических препаратах можно определить не только число хромосом, но и их длину, а также еще некоторые особенности. В каждой хромосоме есть так называемая первичная перетяжка, или центромера, определяющая правильное расхождение хромосом по дочерним клеткам во время деления. По расположению центромеры различают так называемые метацентрические (или равноплечие) хромосомы, у которых центромера расположена в середине, субметацентрические (неравноплечие) — у них центромера смещена от центра, и акроцентрические (центромера находится на конце хромосомы рядом с ее концевой частью, называемой теломерой).

И все же единомыслия по поводу вопроса, как различать (идентифицировать) хромосомы, в науке не существовало. Вот почему в 1960 году крупнейшие цитогенетики разных стран собираются в городе Денвере (США) для выработки критериев определения различия и номенклатуры хромосом. Речь шла, разумеется, не об индивидуальной идентификации всех хромосом (в тот период эта задача была еще нерешаемой), а лишь о распределении их по группам. Было определено 7 таких групп. И только первые три хромосомы оказалось возможным распознать как индивидуальные. На конференции возник довольно смешной курьез: как, какими буквами обозначать короткие и длинные плечи хромосом?

Дело в том, что, внеся в изучение хромосом солидный вклад, представители сразу нескольких стран заявили свои права на то, чтобы эти обозначения носили их символы. Именно это чуть и не разъединило единомышленников. Так, английские и американские ученые предложили обозначать короткие и длинные плечи хромосом буквами s и l, соответственно английским терминам: (s — short, l — long), французы же считали, что их вклад в изучение хромосом не меньший и поэтому обозначение плеч должно основываться на символах p и g — от французских слов (маленький — petit, и большой — grand). Но в конце концов единогласие оказалось достигнутым. Было решено обозначать короткие плечи буквой p, как бы отдавая дань уважения вкладу французских коллег в изучение хромосом, а для длинного плеча выбрали не английский и не французский символы, а отдали предпочтение статистическому символу q. Известно, что p и q часто используются в статистике для обозначения альтернативных состояний. Так было принято удовлетворившее всех решение, а принятыми символами пользуются до сих пор для обозначения хромосомных плеч.

Я уже сказал, что все хромосомы были распределены по 7 группам и обозначены буквами латинского алфавита А, В, С, D, E, F, G. Классификация эта получила название Денверской. Позже она претерпела некоторые изменения на конференции в Лондоне (1963 г.) и на III Международном конгрессе по генетике человека в Чикаго (1966 г.). Этими принципами идентификации хромосом и руководствовалась генетика человека вплоть до начала 70-х годов.

Однако невозможность индивидуального распознавания хромосом все больше тормозила дальнейший прогресс в цитогенетике человека, и потому многочисленные поиски новых методов изучения хромосом человека не прекращались. Они шли в лабораториях Стокгольма и Парижа, Москвы и Лондона. Большинство из них сводилось к тому, чтобы выявлять специфическое строение хромосом по их длине (линейная дифференцировка). С этими поисками связывались особые надежды, поскольку предыдущие попытки найти качественные различия между хромосомами в пределах группы не давали результатов. Три группы ученых (Швеция, Франция, СССР) пошли по разным путям поиска решения данной проблемы, и эти, столь различные, дороги привели их через год-другой к общей цели — проблема была решена.

Вот как блестяще с ней справился крупный советский ученый А. Ф. Захаров. Он предложил не просто метод окраски хромосом, как это сделали шведские и французские исследователи, а сочетал его с воздействием на клетки определенного вещества (бромдезоксиуридина). Это вещество, с одной стороны, включается в хромосому при ее репликации (репродукции), а с другой — уменьшает способность хромосом к окрашиванию. Поскольку каждая хромосома имеет свой временной «рисунок» репликации (разные участки реплицируются в разное время), то, вводя бромдезоксиуридин в строго определенное время, можно выявить районы с ранней и поздней репликацией. Чередование таких участков по длине хромосомы строго индивидуально для каждой из них. Именно это и позволило А. Ф. Захарову уверенно идентифицировать индивидуальные хромосомы и их районы.

Не буду далее продолжать анализ механизма явления, представляющего интерес только для профессионала-генетика, а расскажу лучше об этом человеке, воплотившем в себе, на мой взгляд, все черты истинного ученого. Мне выпало счастье много работать с Александром Федоровичем и дружить с ним. К глубочайшему сожалению, он рано (в возрасте 58 лет) ушел из жизни. Это был удивительно преданный науке человек. И чрезвычайно скромный. Вот почему его открытия появлялись как-то незаметно, но в последующем все они вызывали большой научный резонанс. Вот пример такого открытия.

Работая с культурой раковых клеток, Александр Федорович обратил внимание на то, что некоторые хромосомы более растянуты (слабо конденсированы) и на всем своем протяжении имеют светлые и темные участки. Я уверен, что очень многие исследователи видели такие участки, но не обращали на них внимания, считая, что они — всего лишь неудачный микроскопический препарат. И только Александр Федорович решил разобраться в этом явлении и «приспособить» его для идентификации хромосом человека. Так родился новый метод.

Не предвосхищая событий, он не спешил публиковать полученные результаты. Но когда впервые доложил о них на IV Международном конгрессе по генетике человека (Париж, 1971 г.), то работа эта вызвала сенсацию. А к советской делегации генетиков сразу же изменилось отношение. К тому же на этом конгрессе не только доклад Александра Федоровича показался зарубежным коллегам сенсационным, многие советские генетики выступали с интересными докладами.

Именно на парижском конгрессе было принято решение о проведении нового совещания по идентификации хромосом, в результате которого появилась Парижская номенклатура, позволяющая различать не только каждую хромосому, но и отдельные ее участки. Здесь мне хотелось бы продолжить рассказ еще об одном явлении, которое описали Александр Федорович со своей сотрудницей Н. А. Еголиной.

Дело в том, что бромдезоксиуридин является аналогом тимина — одного из оснований ДНК, и, может включаться вместо него при образовании новой нити ДНК, в результате чего вновь синтезированная хроматида (в процессе деления клетки хромосома состоит из двух одинаковых нитей, называемых хроматидами) вместо тимина содержит бромдезоксиуридин и при специальном окрашивании выглядит более светлой. Вводя бромдезоксиуридин в культуру клеток до начала репликации хромосом, они получили дифференциальное окрашивание двух хроматид: одна темная, другая светлая.

Так был создан метод, которым сегодня пользуются во всем мире для выявления мутагенных факторов внешней среды. Дело в том, что под влиянием ряда химических факторов происходят разрывы одной нити ДНК, и при репликации может происходить обмен между «старой» и «новой» нитями. Такое событие легко констатировать, наблюдая обмен частями светлой и темной хроматиды.

Метод А. Ф. Захарова и Н. А. Еголиной, названной методом дифференциального окрашивания хроматид, вошел в исследовательскую практику для выявления генетической опасности химических веществ, находящих все более широкое применение в общечеловеческой деятельности.

Между тем история изучения хромосом человека продолжалась, и к началу 70-х годов появилось огромное количество работ, использующих новые методы изучения хромосом, что немедленно находило свой отклик в практике. Было открыто много новых форм болезней, обусловленных хромосомными перестройками. Но скоро, однако, метод дифференциального окрашивания хромосом и идентификации их в соответствии с Парижской номенклатурой не стал удовлетворять быстрорастущее направление по изучению хромосомных болезней. Ведь во всем хромосомном наборе (22 аутосомы, X- и Y-хромосомы) можно было различать к тому времени около 250 участков. Как сказать: только 250 или уже 250? Много это или мало?

Что ж, в жизни все относительно: сначала эта цифра казалась колоссальной, а спустя 5–7 лет уже незначительной. И ученые снова стали искать способы, повышающие разрешающие возможности изучения хромосом человека. На этот раз объектом их внимания стало изучение их на ранних стадиях деления клетки, когда они еще не очень конденсированы.

И действительно, эти исследования увенчались успехом. Разрешающие возможности тонкого анализа отдельных участков хромосом повысились в 3–4 раза.

Но и это достижение со временем не стало удовлетворять цитогенетиков. Сомнения возникали: всегда ли правильна сугубо морфологическая оценка? Как сделать ее более точной на химическом уровне и более разрешающей по размерам?

Для решения этой проблемы оказалось недостаточным использование сугубо световой микроскопии, а методы электронной микроскопии отдельных участков в то время еще не существовали. И тогда цитогенетики берут на вооружение методы генной инженерии, которые позволяют диагностировать все виды хромосомных изъянов — от даже самых маленьких недостатков хромосом (делеция) до избыточных (дупликация) или перемещения участка из одной хромосомы в другую (транслокация).

Как вы уже, наверное, убедились, цитогенетики постоянно ищут новые и новые методы и подходы для более глубокого проникновения в структуру и функции хромосом. Мне лично удавалось убедиться в этом при общении со многими цитогенетиками. Особенно это относится к А. А. Прокофьевой-Бельговской, сделавшей так много для развития советской генетики. Мне повезло, что я учился у нее и работал вместе с ней.

В 30-х годах Александра Алексеевна выполнила блестящую работу по определению размера гена вместе с Г. Меллером. Цитогенетический талант ее тогда проявился в полной мере. Многое ей не удалось сделать из-за лысенковского периода. Однако сразу после открытия хромосомных болезней она приступила к изучению хромосом человека, с которыми до этого не работала. Ее доклады запоминались по глубине содержания, ясности изложения предмета, блестящей (иногда в чем-то артистичной) манере контакта с аудиторией. Думаю, что ее лекции «столкнули» многих на путь генетики и цитогенетики человека. Она быстро организовала цитогенетические исследования в СССР, увлекла молодежь в научные поиски, обучила цитогенетиков для работы в медико-генетических консультациях.

Таков беглый экскурс в 30-летнюю историю изучения хромосом человека, который мы сообща совершили. Что же он показывает?

Самое главное, что проблемы, еще недавно считавшиеся «неподъемными», все чаще и все быстрее благополучно разрешаются. Причем основным фактором усовершенствования новых методов остается потребность в более точной диагностике хромосомных болезней, то есть чисто практическая потребность. А основой этих теоретических разработок — новые методы.

Но технический прогресс, по моему глубокому убеждению, должен обеспечить и другую сторону цитогенетических исследований, а именно — скорость изучения кариотипа человека. Ведь не только исследовательские цели, но, как я уже говорил, и практические потребности цитогенетических анализов приобретают все больший размах, особенно в клинической медицине. А в медико-генетической помощи нуждается огромное количество людей. Правда, и сделано тоже немало. Например, уже созданы компьютеризованные системы анализа хромосом. «Умные» машины в считанные секунды находят митоз и анализируют состав хромосом, выявляя даже малейшие отклонения от нормы. Так что исследователь в любое время может простым нажатием кнопки вызвать на экран изображение нужной ему клетки и своим глазом проверить точность анализа, проведенного машиной. Не чудо ли?

Подведем некоторый итог. В изучении структур клетки, пожалуй, ничто не подвергалось такому всеобъемлющему анализу, как хромосомы. Как уже не раз говорилось об этом в предыдущих главах, они были объектом цитологических, генетических, биохимических, электронно-микроскопических наблюдений. Именно хромосома как объект генетического наблюдения была предметом особого внимания со стороны Т. Моргана и его школы. В начале 30-х годов эти исследования были отмечены Нобелевской премией: фактически это было признание хромосомной теории наследственности.

Для генетической характеристики хромосом Т. Морган воспользовался явлением кроссинговера (в переводе — перекрест), о котором мы рассказали в предыдущей главе. По частоте кроссинговера между разными частями составляли генетические карты, то есть определяли порядок расположения генов. Хромосома в глазах исследователей как бы превращалась в нитку бус, на которой все бусинки (гены) разные и занимают строго определенное место. Такое глубокое проникновение в строение хромосомы, как составление генетических карт, давало возможность подробнее изучать функцию генов, взаимодействия, «поведение» при размножении. Однако генетические карты — это схема, а как ее сделать «реальной» картиной, как «привязать» гены к определенным участкам хромосом, то есть создать цитологические карты?

С этой целью цитологи и генетики воспользовались экспериментальной моделью, как будто самой природой созданной для них. При исследовании слюнных желез плодовой мушки (дрозофилы) было обнаружено, что составные нити хромосомы (хромонемы) многократно увеличены. Такие хромосомы назвали политенными (многонитчатыми). Под микроскопом в них можно различить тонкое строение и изменения в структуре (нехватки, удвоение, инверсии участков). Затем, сопоставляя генетические карты с цитологическими особенностями у определенной линии дрозофил, можно «привязать» конкретный ген к строго определенному месту.

Естественно, что описанный выше прием использовался для составления генетических и цитологических карт самых разных живых объектов, изучаемых генетиками. Но человек — чрезвычайно трудный объект для генетического изучения, потому что у него не может быть экспериментальных браков. Поэтому медицинским генетикам приходится ориентироваться только на родословные со сходными признаками. И вполне естественно, что первой изученной группой сцепления оказалась X-хромосома, поскольку сцепленные с ней признаки (гемофилия, дальтонизм) анализировать легче, чем другие.

На протяжении тридцати с лишним лет (с 30-х до конца 60-х годов) усилиями многих генетиков были обнаружены всего лишь 4 группы сцепления, в том числе в X-хромосоме, причем в трех группах сцепления всего лишь по два гена. Перелом в изучении сцепления генов и составления хромосомных карт наступил в 1968 году. В какой-то мере это произошло случайно, в какой-то потому, что для этого созрела соответствующая ситуация. Впрочем, судите об этом сами.

Один из аспирантов крупнейшего американского генетика Виктора Маккьюсика Р. Донахью, занимаясь изучением проблемы, приготовил хромосомные препараты из своей собственной крови. Работая с ними, он обратил внимание на то, что одна из первых хромосом оказалась с морфологической особенностью в области центромеры. Может быть, в силу природной любознательности, а может быть, потому, что он работал в знаменитой генетической лаборатории, где все подвергалось скрупулезной проверке, Роберт решил цитогенетически обследовать своих детей, родителей и многих других кровных и некровных родственников. Из этого большого обследования, которому подверглось более 150 человек, стало ясно, что обнаруженный признак доминантно передавался из поколения в поколение. Одновременно у всех обследованных еще изучались и группы крови (эритроцитарные отличия). И что же выяснилось?

А то, что морфологическая особенность первой хромосомы и одна из групп крови (Даффи) обнаруживалась у одних и тех же лиц. Отсюда следовал вывод, что ген группы крови Даффи локализован в первой хромосоме.

Что ж, открытия в науке иногда случаются и неожиданно, без особой для этого подготовки и специально созданных условий, только за счет гениального взлета мысли. К сожалению, такие открытия, как правило, признаются не сразу. То же самое верно и относительно появления новых научных направлений.

Что касается составления карт хромосом человека, то здесь все произошло иначе. Статья Р. Донахью и других ученых, в том числе Маккьюсика, о локализации группы Даффи в первой хромосоме появилась в период (1968 г.), когда методические условия для изучения сцепления и генетического картирования хромосом человека уже созрели. Различных родословных или генетического материала было уже достаточно для этих целей. В данном случае генеалогический метод эквивалентен экспериментальному анализу потомства при скрещивании. Для составления генетических карт человека необходимо «нагрузить» родословные генами, которые оказались бы в семьях в двух- и более аллельных (альтернативных) формах. Прогресс в области изучения иммунологического разнообразия (группы крови по эритроцитам, лейкоцитам), биохимическому разнообразию (сыворотки крови, белки и ферменты эритроцитов, лейкоцитов, тромбоцитов) давал возможность определять несколько десятков разных вариантов генов в одной семье. Следовательно, вероятность обнаружения двух и более генов, локализованных в одной и той же хромосоме, значительно увеличивалась.

Правда, при изучении большого количества признаков возникают и свои трудности, обусловленные огромным количеством статистических расчетов сочетаний для проверки возможного сцепления признаков. Но статистические расчеты теперь, с появлением ЭВМ, вполне возможны. Именно внедрение методов компьютерной техники позволило расширить работы по изучению сцепления генов на основе анализа родословных, что и стало одной из первых предпосылок для широкого развертывания работ по генетическому картированию.

Вторая, не менее важная предпосылка становления данного направления в генетике человека была связана с тем, что в последние десятилетия получил широкое развитие метод гибридизации соматических клеток. В самом деле, если нельзя получить экспериментальные родословные, то почему бы не воспользоваться гибридами соматических клеток?

Факт слияния ядер двух клеток был известен еще с середины прошлого века. В 60-х годах нашего столетия были подобраны экспериментальные условия для гибридизации клеток. Но здесь сразу возникли непредвиденные неожиданности. Так, оказалось, что гибридизация человеческих клеток с человеческими дает с точки зрения составления карт хромосом весьма скромные результаты, потому что признаков много и исследователь не знает, за какую ниточку можно размотать клубок. И, как ни странно, неожиданно очень эффективным в изучении сцепления оказались гибриды человеческих клеток с мышиными. В этом случае новая гибридная клетка получает наборы мышиных и человеческих хромосом. Но при размножении таких клеток хромосомы человека (почему-то именно человека) в них постепенно одна за другой элиминируются (погибают). Таким образом, изучая в клетках какой-либо биохимический признак и параллельно хромосомный набор, удается установить, что исчезновение определенного биохимического свойства клетки совпадает с исчезновением определенной хромосомы. Отсюда нетрудно заключить, что ген, отвечающий за этот признак, расположен именно в данной хромосоме. Такой метод изучения сцепления действительно оказался очень продуктивным.

Естественно, что составление генетических карт — это глубочайшее проникновение в структуру и функцию хромосом. На этом направлении стали концентрировать свои усилия многие талантливые ученые. Разрабатывали новые подходы и методы. В том числе воспользовались клетками от пациентов с хромосомными болезнями. Если у больного обнаружена делеция (укорочение) определенного участка хромосомы и в то же время нарушена функция определенного гена, то понятно, что этот ген расположен именно там. При широком изучении хромосомных болезней появилась возможность получения набора клеток с делециями разной длины из разных хромосом. Как говорят ученые, создана панель клеток. Из нее можно брать любые образцы.

Разумеется, во все вышеназванные и сотни других работ включались ученые разных стран и сообща разрабатывались трудные проблемы. И свершилось столь долго ожидаемое — почва для штурма всего генома человека оказалась подготовленной. Картирование каждого нового гена перестало быть сенсацией, превратившись в будничную, повседневную работу.

Однако начиная с 1973 года генетики систематически подводят итоги, сравнивают результаты, проверяют точность методов на специальных совещаниях, которые проводятся один раз в два года. Эти совещания так и называются: «Картирование генов человека». Журнал «Цитогенетика и клеточная генетика» в дополнительном томе оперативно публикует результаты таких совещаний. Каждый последующий такой том от раза к разу становится все толще. Ведь научная жизнь никогда не останавливается.

Новый успех в картировании генов пришел с открытием полиморфизма (многообразия) в строении «инертных» участков ДНК. Открытие это появилось как гром среди ясного неба. Дело в том, что большая часть ДНК находится в неактивном состоянии, то есть в этих ее участках просто-напросто гены отсутствуют. И казалось бы, эти молекулы ДНК у всех одинаковые. А если уж и неодинаковые, то как их различишь: они же не функционируют. Ведь, как говорится, ночью все кошки серые. На самом деле оказалось не так.

С помощью специальных ферментов, выделенных несколько раньше, ДНК «разрезают» в строго определенных местах. Количество блоков ДНК в этих фрагментах у разных лиц разное, а этот признак наследуется. Эта особенность строения хромосом была названа «полиморфизмом длины рестрикционных фрагментов» (ПДРФ). Такие участки ДНК также можно «привязать» к хромосоме, как и гены. Вот почему наряду с локализацией генов в хромосомах теперь стали публиковать данные и по сцеплению и локализации определенных участков ДНК.

Итак, карты хромосом «нагружаются» все больше и больше, становятся все обширней, все богаче информацией, которая непрерывно увеличивается. О размахе работ в этом направлении красноречивее всего говорят следующие цифры: библиотека по картированию генов, созданная в одном из университетов США, располагала в 1988 году 8200 оригинальными источниками литературы. Ежегодное пополнение составляло 2000 библиографических ссылок в год. Имелась информация о 3450 картированных генах и сегментах ДНК. Добавлю только, что в разработке проблемы к этому времени участвовало 2500 ученых из разных стран мира.

Итак, как говаривал Остап Бендер, лед тронулся. Пришла пора для медиков и биологов войти в большую науку, подобно тому, как когда-то входила в нее физика. Чтобы представить себе разницу между тем, чем занималась медицинская генетика до сих пор и чем ей предстоит заниматься в ближайшем будущем, проведу такую аналогию.

Думаю, что разницу между сельским коттеджем и небоскребом современного супергорода может представить себе каждый. Так вот все, чем усердно занимались до сих пор некоторые биологи, генетики, считается не больше чем «приусадебное хозяйство» или «сельский коттедж» рядом с супернебоскребом, каким является проект «Геном человека»!

Сейчас трудно установить, кому именно из ученых принадлежит мысль о возможности полного прочтения последовательности ДНК человека. Но мне навсегда запомнилась фраза из книги Виктора Маккьюсика, опубликованной еще в начале 70-х годов, в которой он говорил о возможности записи диагноза наследственной болезни в виде химической формулы, то есть достоверно определить, в каком именно гене какой нуклеотид на какой заменен. Тогда подобное предложение представлялось мне хотя и как реальная задача, но очень уж виделась она в отдаленной перспективе.

А Виктор вместе со своими коллегами продолжал накапливать данные по картированию и сцеплению генов человека, по инвентаризации наследственных признаков, по методам расшифровки генома. Он не просто мечтал, он работал на свою мечту, приближая ее осуществление.

И все-таки идею о создании проекта «Геном человека» связывают с именем лауреата Нобелевской премии Уолтера Гилберта, поставившего в самом начале 80-х годов вопрос о возможности полного прочтения генома человека.

Цель такого проекта — определить, в какой последовательности соединены друг с другом примерно три миллиарда пар оснований (А, Г, Т, Ц), составляющих нашу генетическую сущность. Именно в таком количестве ДНК функционируют около 100 тысяч генов человека, определяющих его развитие во всех проявлениях: от конституции тела до функционирования мозга.

У. Гилберт — человек выдающийся. Он профессор знаменитого Гарвардского университета и возглавляет биотехнологическую фирму «Биоген». «В определении последовательности генома, — говорит он, — и заключается окончательный ответ на призыв „Познай самого себя“». Он даже предпринял попытку организовать частную фирму для прочтения генома человека. Однако она оказалась неудачной.

Вокруг программы «Геном человека» кипели и кипят страсти, ведутся яростные споры, а стрелка мнений научной общественности вот уже на протяжении двух лет колеблется то в одну, то в другую сторону. Почему?

Да потому, что сама идея проекта кажется многим фантастикой — ведь речь идет о трех миллиардах пар оснований! Проект представляется к тому же слишком дорогим. Расчеты показывали, что на его реализацию придется затратить не менее трех миллиардов долларов! А во времени? Людских затрат потребуется на это три тысячи человеко-лет! К тому же возникают сомнения, не породит ли обсуждаемый проект нового этического, своего рода «минного» поля?

Рациональные критические замечания сводятся к тому, что реализация проекта обязательно отвлечет крупные ассигнования от других биомедицинских исследований. И сможет ли разгаданная геномная последовательность дать нам больше сведений о развитии человека и его болезнях, чем это можно узнать из менее грандиозных проектов, приносящих уже сегодня практические плоды?

Детальных обсуждений проекта в целом и по частям было уже довольно много. На одном из них (в 1986 году, на VII Международном конгрессе по генетике человека) мне посчастливилось присутствовать. В основном возражения, высказываемые там, сводились не к изучению генома как такового, а к целесообразности вести работы в области секвенирования ДНК. Напомню, что так называют изучение последовательности нуклеотидов ДНК, то есть химическая характеристика ДНК. Составление генетических карт представлялось многим более реальным делом и более необходимым практически. Оптимальным же вариантом было объединение усилий ученых одновременно в областях картирования и секвенирования. Данная точка зрения нашла отражение и в организации нового журнала «Genomies» по инициативе В. Маккьюсика и Ф. Раддла.

Но, как говорится, страсти страстями, а научные дискуссии дискуссиями. Однако и страсти не замедляют, а стимулируют научную политику. Так случилось и с этим проектом — и в 1987 году конгресс США принимает решение о необходимости финансирования проекта.

Одним из учреждений, которое занимается данной разработкой и которое уже получило соответствующие ассигнования, является Национальный институт здоровья США. К этой работе институт привлек и Джеймса Уотсона, который предполагает, что весь проект может быть осуществлен за 15–20 лет. Его авторитет бесспорен, и потому от участия Дж. Уотсона в работах во многом зависит дальнейшее финансирование проекта.

В сентябре 1988 года в Швейцарии состоялось Международное совещание по геному человека, на котором было решено организовать международное сообщество ученых. Исследователи многих стран вступили в эту кооперацию, в том числе и Советского Союза. Академик А. Д. Мирзабеков представляет ученых СССР в этой организации.

Предполагаемые работы включат в себя так называемое физическое картирование, то есть хромосомы будут разрезаться на большие фрагменты в соответствии с их характеристикой и порядком расположения в хромосомах. Эти фрагменты станут объектом секвенирования, которое на сей раз доверится автоматам. В ведущих странах капиталистического мира уже началась конкуренция за создание лучших аппаратов — секвенсоров. Их производительность в 100 и более раз выше «ручного» метода. А предполагаемая скорость чтения — один миллион нуклеотидов в день. Но даже и в этом случае потребность в международном обмене информацией не должна уменьшаться, дабы избежать дублирования. Поэтому банки родословных (семейных данных), банки клеток и хромосом, библиотеки генов становятся все чаще объектом международного сотрудничества.

Чем же располагает наука, берясь за столь сложное дело? Ей известна последовательность нуклеотидов примерно одного процента генома! Одного! А следует познать еще 99! Принесет ли эта работа человечеству освобождение от наследственных болезней, рака, атеросклероза, СПИДа, психических болезней?

Можно надеяться, что да. Прогресс в понимании первичных, самых-самых первых биологических процессов позволит найти методы управления в тех случаях, когда природа человека «ломается». В то же время у некоторых ученых имеются и существенные опасения по поводу того, что генетика человека после расшифровки генома не станет намного лучше, чем теперь. Ведь 90–95 процентов генома — это «балласт», то есть молчащая ДНК, функции которой до сих пор непонятны. Прояснит ли что-либо в этих функциях знание последовательности оснований или для этого понадобятся какие-либо другие приемы?

Ответить на эти и другие вопросы сегодня невозможно. Ответить невозможно, а работать надо!

Высказываются и такие мнения, что расшифровка всего генома привнесет в науку больше тайн, чем ясности. Вполне возможно, что медицинские генетики в будущем предпочтут пользоваться только хромосомными картами, которые точно указывают, где находится каждый конкретный ген и каковы его функции в организме.

Конечно, и генетическая диагностика, и будущая генная терапия не требуют знания всего генома, но это мнение только сегодняшнего дня, а исследовательскую мысль нельзя, да и невозможно ограничить какими-то узкими рамками.

Вызов брошен. Давайте спешить…