Мусорная ДНК

26 июня 2001 года было объявлено о завершении первоначального черновика расшифровки человеческого генома. В феврале 2001 года вышли первые статьи, где описывалась эта «черновая» последовательность. Это стало кульминацией долгих лет работы, технологических прорывов, научного соперничества. В основном исследование финансировали американские Национальные институты здравоохранения и британский Wellcome Trust (в общей сложности на эти работы потребовалось примерно 2,7 миллиарда долларов¹). Работу выполнял международный консорциум. Первая порция статей, подробно описывающих полученные результаты, принадлежала перу более чем 2500 авторов из более чем 20 лабораторий по всему миру. Основную часть секвенирования выполняли пять лабораторий (четыре в США и одна в Великобритании). Одновременно частная компания Celera Genomics[4] тоже пыталась секвенировать человеческий геном, поставив дело на коммерческую основу. Однако, ежедневно публикуя получаемые данные, консорциум, получавший государственное финансирование, сумел добиться того, чтобы генетическая последовательность человека стала общественным достоянием².

Сообщение о том, что человеческий геном наконец расшифрован (пусть и пока начерно), вызвало огромный шум. Наиболее яркое заявление сделал, пожалуй, тогдашний президент США Билл Клинтон: «Сегодня мы изучаем язык, при помощи которого Бог сотворил жизнь»³. Можно лишь догадываться, что почувствовали некоторые ведущие участники проекта, когда политик заговорил о божественном в эту минуту технологического триумфа. К счастью, ученые обычно отличаются скромностью и застенчивостью, особенно перед телекамерами и в беседах со знаменитостями, так что мало кто выразил по этому поводу громкое недовольство.

Руководителем Wellcome Trust, международной благотворительной организации, вложившей колоссальные суммы в проект «Геном человека», был тогда Майкл Декстер. Он высказался не менее пафосно, хотя и чуть менее теологично, объявив завершение черновой расшифровки генома «выдающимся достижением не только в масштабах нашей жизни, но и в масштабах всей человеческой истории»⁴.

Возможно, другие открытия по своему значению не менее важны, чем результаты проекта «Геном человека». На ум сразу же приходят огонь, колесо, число 0, алфавит. Не исключено, что у вас есть на примете и другие открытия. Кое-кто может также заметить, что расшифровка человеческого генома пока еще не выполнила всех своих обещаний, особенно касающихся борьбы с заболеваниями. (К примеру, Дэвид Сейнсбери, тогдашний министр науки Великобритании, заявлял: «Теперь мы обрели возможность достигнуть в медицине всего, на что мы только могли надеяться»⁵.)

Впрочем, большинство ученых уже тогда понимали, что подобные заявления следует воспринимать с изрядной долей скептицизма. Этому их научила история генетики. Возьмем, к примеру, два сравнительно хорошо известных генетических заболевания. Мышечная дистрофия Дюшенна — очень опасный недуг. Страдающие им мальчики постепенно теряют мышечную массу, физически деградируют, утрачивают подвижность и обычно умирают еще в подростковые годы. Муковисцидоз — генетическое заболевание, при котором легкие утрачивают способность очищаться от слизи. Страдающие этим недугом подвергаются большому риску заразиться острыми формами инфекций, угрожающих жизни. Хотя некоторые из больных муковисцидозом в наши дни все-таки доживают примерно до 40 лет, это происходит лишь благодаря интенсивной физиотерапии, ежедневно очищающей их легкие, и колоссальным дозам антибиотиков.

Ген, мутирующий при мышечной дистрофии Дюшенна, выявили в 1987 году, а ген, мутирующий при муковисцидозе, обнаружили в 1989-м. То, что мутации в этих генах являются причиной болезней, установили более чем за 10 лет до завершения расшифровки человеческого генома. Но даже сейчас, после более чем 20 лет усилий специалистов, эффективных методов лечения этих болезней по-прежнему не существует. Понятно, что неизбежен значительный временной разрыв между знанием генетической последовательности человека и созданием методик лечения, позволяющих спасать жизни больных. Особенно велик этот разрыв, когда причиной заболевания становится не один ген, а два и более, или же когда какие-то гены взаимодействуют со средой (а ведь для большинства недугов дело обстоит именно так).

Впрочем, не следует чересчур строго судить политиков за их громкие заявления. Ученые и сами подняли немалую шумиху вокруг своих открытий. Если вы требуете от спонсоров почти 3 миллиарда долларов, вам нужно придумать амбициозный план и разработать убедительную рекламную кампанию. Расшифровка человеческого генома — не самоцель. Однако тем не менее она является важным научным достижением. В сущности, это был инфраструктурный проект, предоставивший человечеству данные, без которых попросту не удалось бы поставить великое множество других вопросов.

Разумеется, геномная последовательность человека — не одна на всех. У разных людей она разная. В 2001 году секвенирование миллиона пар нуклеотидных оснований ДНК обходилось в неполных 5300 долларов. К апрелю 2013-го стоимость такой же процедуры упала до 6 центов. Иными словами, пожелай вы проделать секвенирование вашего собственного генома, в 2001 году вам обошлось бы это в 95 с лишним миллионов долларов, а сегодня с вас потребуют чуть меньше 6 тысяч долларов⁶. Более того, одна компания заявляет, что пришла эпоха тысячедолларовых геномов⁷. Поскольку стоимость секвенирования так резко упала, ученым теперь гораздо легче исследовать степень вариативности генома между различными людьми. Это дает целый ряд преимуществ. В наши дни специалисты получили возможность выявлять редкие мутации, которые вызывают опасные заболевания, но встречаются лишь у небольшого количества пациентов, зачастую — в генетически изолированных популяциях (например, в общинах амишей (аманитов)[5], проживающих в США⁸). Есть возможность секвенировать опухолевые клетки пациентов, чтобы выявить мутации, которые приводят к развитию раковых процессов. В некоторых случаях это позволяет создать специфические методики лечения для борьбы с конкретной формой онкологического заболевания конкретного пациента⁹. Исследования в области эволюции человека и миграции людей удалось значительно усовершенствовать именно благодаря анализу ДНК-последовательностей¹⁰.

Дорогой, я куда-то задевала гены

Но тогда, в 2001 году, все это оставалось делом будущего. Пытаясь абстрагироваться от поднявшейся шумихи, ученые размышляли над расшифрованным человеческим геномом и задались простым вопросом: что же делает нас особенными, непохожими на других живых существ? Человек — наиболее сложно устроенный вид из всех обитателей Земли. Никакой другой вид не строит города, не создает произведения искусства, не выращивает злаки, не играет в настольный теннис. Философы могут спорить, делают ли нас такие занятия «лучше» других видов. Но уже сам факт того, что мы способны вести такие споры, указывает на то, что мы устроены значительно сложнее других видов. В этом не может быть никаких сомнений.

В чем же состоит молекулярное объяснение нашей изощренности как организмов? Ученые уже довольно давно более или менее сошлись во мнении, что объяснение таится где-то в наших генах. Ожидалось, что у человека попросту больше генов, кодирующих белки, нежели у более простых организмов — скажем, у червей, мух или кроликов.

К тому времени, когда опубликовали черновую расшифровку человеческого генома, генетики уже завершили секвенирование для целого ряда других организмов. Разумеется, поначалу они сосредоточились на более простых (и меньших по размеру) геномах по сравнению с человеческим. К 2001 году удалось секвенировать геномы сотен вирусов, десятков бактерий, двух простых видов животных, одного гриба и одного растения. Ученые использовали эти данные, чтобы оценить, сколько генов содержится в человеческом геноме. (Для этой оценки применялся и целый ряд других экспериментальных методик и подходов.) Оценки варьировались от «30 тысяч» до «120 тысяч» — среди специалистов царила известная неуверенность касательно данного вопроса. В прессе часто циркулировала цифра «100 тысяч», хотя и эта оценка изначально не считалась определенной. Похоже, большинство исследователей считали разумной величину примерно в 40 тысяч.

Но когда в феврале 2001 года обнародовали черновую расшифровку генома человека, ученые не смогли найти в ней и 40 тысяч генов, кодирующих белки, не говоря уж о 100 тысячах. Исследователи из Celera Genomics идентифицировали 26 тысяч генов, кодирующих белки, и с меньшей уверенностью выявили еще 12 тысяч. Участники международного консорциума идентифицировали 22 тысячи таких генов и предсказали, что в общей сложности их окажется 31 тысяча. В годы после публикации черновика это количество неуклонно сокращалось. Сейчас считается общепринятым фактом, что человеческий геном содержит около 20 тысяч генов, кодирующих белки¹¹.

Может показаться странным, что ученые не пришли к единому мнению насчет количества генов, едва была опубликована черновая расшифровка генома. Причина — в том, что для идентификации генов необходимо анализировать данные о генетической последовательности, а это не так просто, как кажется. Гены не помечены разными цветами, они не используют особые наборы генетических букв, отличающие их от прочих частей генома. Чтобы выявить ген, кодирующий белок, нужно проанализировать определенные характеристики и объекты: скажем, те последовательности, которые могут кодировать цепочку аминокислот.

Как мы уже видели в главе 2, гены, кодирующие белки, не создаются из одной непрерывной ДНК-последовательности. Они конструируются модульным образом, причем области, кодирующие белки, перемежаются отрезками генетического мусора. Человеческие гены обычно гораздо длиннее генов фруктовых мушек-дрозофил или микроскопического червя C.elegans (эти существа являются весьма распространенными модельными системами в генетических исследованиях). Однако белки человека обычно примерно того же размера, что и аналогичные белки дрозофилы или червя. В человеческих генах велика именно мусорная составляющая, а не те фрагменты, которые кодируют белки. У людей эти мусорные участки зачастую вдесятеро длиннее, чем у более простых организмов. Некоторые из таких участков могут достигать длины в несколько десятков тысяч пар нуклеотидных оснований.

Отсюда возникает серьезная проблема: как отличить сигнал от шума, анализируя гены в генетических последовательностях человека? Даже в пределах одного-единственного гена лишь небольшой участок отвечает за кодирование белка. Этот участок окружен гигантской областью генетического мусора.

Вернемся к исходной проблеме. Почему человек является столь сложно устроенным организмом, если наши гены, кодирующие белки, так похожи на аналогичные гены мух и червей? Отчасти это объясняется сплайсингом — процессом, о котором мы упоминали в главе 2. Человеческие клетки способны создавать большее количество вариантов белков по сравнению с более простыми организмами. Более 60% генов человека умеют создавать такие сплайсинговые вариации. Снова обратимся к рис. 2.5. Клетка человека способна производить белки, обозначенные на этой схеме как БЛЕДНОСТЬ, БЕДНОСТЬ, ЛЕСТЬ, ЕНОТ, ЛЕС, ЛЕНОСТЬ. В различных тканях она вырабатывает эти белки в разных соотношениях. К примеру, белки, которые мы обозначаем как БЛЕДНОСТЬ, ДНО и ЛЕСТЬ, могут в больших количествах синтезироваться в мозгу, тогда как почки могут экспрессировать лишь БЛЕДНОСТЬ и ЛЕНОСТЬ, при этом вырабатывать в 20 раз больше белка ЛЕНОСТЬ, чем белка БЛЕДНОСТЬ. В более простых организмах клетки будут производить лишь БЛЕДНОСТЬ да БЕДНОСТЬ, причем в более или менее фиксированных соотношениях в различных клетках. Сплайсинговая гибкость позволяет человеческим клеткам вырабатывать гораздо более разнообразные белки по сравнению с более простыми организмами.

Ученые, анализировавшие геном человека, предполагали, что могут существовать специфичные для человека гены, кодирующие белки: эти-то гены, мол, и отвечают за сложность нашего устройства, так возвышающую нас над прочей живностью. В человеческом геноме насчитывается около 1300 семейств генов. Почти все эти семейства встречаются во всех ветвях древа жизни, от самых простых организмов до самых сложных. Существует набор из приблизительно ста генных семейств, специфичных для животных, имеющих хребет, но даже они возникли уже на ранних этапах эволюции позвоночных. Эти характерные для позвоночных семейства генов, как правило, участвуют в комплексных процессах: скажем, в работе элементов иммунной системы, запоминающих инфекцию; в изощренных мозговых связях; в тромбообразовании; в передаче сигналов между клетками.

Часть нашего генома, кодирующая белки, словно бы построена из конструктора «Лего» с несметным количеством деталей. Большинство таких наборов (особенно наборы для новичков, эти громадные коробки) содержат ряд строительных блоков, которые являются вариациями на немногочисленные темы: треугольники и квадратики, несколько наклонных элементов, а может быть, еще и несколько арок в придачу. Ну да, они бывают разного цвета, у них разные пропорции и разная толщина, но в целом они похожи. Между тем из них можно соорудить почти все основные структуры, от лесенки из двух блоков до целого жилого комплекса. Лишь когда вам нужно построить что-то совсем-совсем особенное, вроде Звезды Смерти, требуются какие-то весьма необычные элементы, выходящие за рамки стандартов обычного конструктора «Лего».

На протяжении эволюции геномы развивались, но строились из стандартного набора «деталей конструктора». Лишь иногда, крайне редко, они создавали что-то совершенно новое. Так что мы не можем объяснить сложность устройства человека, заявляя, что у нас много необычных генов, кодирующих белки и специфичных лишь для человека. Таких генов у нас, откровенно говоря, немного.

Картина еще больше запутывается, если сравнить размеры человеческого генома с размерами генома других организмов. Посмотрите на рис. 3.1. Легко видеть, что у человека геном гораздо больше, чем у C.elegans, и неизмеримо больше, чем у дрожжей. Однако по относительному количеству генов, кодирующих белки, разница не столь уж велика.

Рис. 3.1. Вверху: площадь круга отражает относительные размеры генома у человека, микроскопического червя и одноклеточных дрожжей. У человека геном гораздо больше, чем у более простых организмов. Внизу: площадь круга отражает относительное количество генов, кодирующих белки, у этих трех видов. Неравенство между человеком и двумя другими существами значительно меньше, чем вверху. А значит, относительно большие размеры человеческого генома невозможно объяснить лишь на основании сравнения количества генов, кодирующих белки.

Эти данные убедительно показали, что геном человека содержит невероятно большое количество ДНК, не кодирующей белки. Собственно, 98% нашего генетического материала не выступает как матрица для создания этих важнейших молекул, которые, как считается, выполняют ключевые функции в клетке и организме в целом. Почему же в нас так много мусора?

Ядовитая рыба и генетические изоляторы

Возможно, это несущественный вопрос и ответ на него не так уж важен. Возможно, сам вопрос поставлен неверно. Возможно, генетический мусор не имеет ни функции, ни биологического значения. Возможно, вообще ошибочно полагать, что если нечто есть, то у него имеются какие-то причины находиться именно там, где оно располагается. Аппендикс человека в общем-то не служит ни для какой полезной цели, это просто рудиментарный орган, доставшийся нам от наших эволюционных предков. Некоторые ученые еще в 2001 году предполагали: то же самое может оказаться верным и для большей части мусорной ДНК человеческого генома.

Такие рассуждения частично основаны на наблюдениях за любопытной рыбой — иглобрюхом (она же — рыба-собака, она же — бурый скалозуб). Иглобрюхи — удивительные создания. Плавают они медленно и неуклюже, поэтому от хищников им не удрать. Встретившись с опасностью, они быстро набирают огромный объем воды и раздуваются в шар (у некоторых видов он даже покрыт колючками). Этого недостаточно для того, чтобы отпугнуть голодного врага? Ну что ж, у иглобрюха имеется токсин в тысячу раз мощнее цианида. Благодаря ему рыба приобрела свою сомнительную славу. В Японии она считается деликатесом (там эту рыбу называют фугу). Однако история этого деликатеса, мягко говоря, довольно противоречива: неправильное приготовление фугу может привести к летальным последствиям для едока.

Генетики с давних пор очень любят иглобрюха — или, во всяком случае, его ДНК. Геном у иглобрюха вида Fugu rubripes считается наиболее компактным среди геномов всех позвоночных. В длину этот геном составляет всего 13% человеческого, однако содержит практически все обычные гены позвоночных¹². Почему геном иглобрюха так мал? Потому что в нем не очень много мусорной ДНК. В годы, когда секвенирование ДНК стоило недешево, иглобрюх принес большую пользу при сравнительных исследованиях геномов разных организмов. А поскольку его геном содержит так мало мусора, оказалось сравнительно легко выявить индивидуальные гены, ибо соотношение сигнал/шум здесь куда удобнее для исследований, чем в геноме человека. Ученые сумели с легкостью идентифицировать гены Fugu rubripes, а затем использовали полученные данные при поиске схожих генов в более «шумных» геномах — таких, как наш с вами.

Поскольку иглобрюх содержит очень мало мусорной ДНК, но при этом является отлично функционирующим и вообще преуспевающим существом, специалисты предположили, что некодирующие области человеческого генома могут быть «просто паразитическими, эгоистичными элементами ДНК, использующими геном в качестве удобного хозяина»¹³. Впрочем, одно из другого не следует с такой уж логической неизбежностью. Если нечто не имеет ясно различимой функции в каком-то определенном организме, это еще не значит, что оно не играет роли во всех прочих видах живых существ. Эволюция обычно ведет строительство, пользуясь довольно-таки ограниченным набором компонентов (вспомним конструктор «Лего»), а значит, она склонна наделять новыми функциями уже существующие объекты или их части. Таким образом, мусорная ДНК вполне может играть роль (роли) в других организмах, особенно в сравнительно сложных.

Следует также иметь в виду, что клетка, содержащая в себе так много мусорной ДНК, вынуждена расплачиваться за это в функциональном смысле. Каждый человек начинает свою жизнь как яйцеклетка, слившаяся со сперматозоидом. Исходная клетка делится на 2. Из этих 2 получаются 4. Далее процесс продолжается. Взрослый человек состоит примерно из 50-70 триллионов клеток. Такое огромное количество трудно себе представить. Попробуем применить такое сравнение. Стопка из 50 триллионов долларовых купюр, уложенных друг на друга, имела бы высоту, равную полутора расстояниям от Земли до Луны.

Для того, чтобы создать такое количество клеток, требуется минимум 46 циклов деления. Каждый раз, когда клетка делится, ей сначала нужно скопировать всю свою ДНК. Если важно лишь менее 2% всей ДНК, зачем же тогда эволюция поддерживает существование остальных 98%, ведь это, как мы предположили, просто бесполезный мусор, не выполняющий никаких функций? Как мы уже признали, самое убедительное доказательство эволюции видов заключается во всех тех бесполезных вещах, которые мы унаследовали от своих предков (возьмите тот же аппендикс). Однако использование гигантских ресурсов для постоянного воспроизводства 49 «бесполезных» пар нуклеотидных оснований на каждую пару, выполняющую какую-то функцию, кажется некоторым превышением необходимой избыточности.

Одна из первых теорий, пытавшихся объяснить, почему в человеческом геноме столько ДНК, возникла еще до того, как завершили черновую расшифровку генома человека. Ученые уже знали, что значительная часть нашего генома не кодирует белки. И выдвинули изоляционную теорию.

Допустим, у вас есть наручные часы. Не просто абы какие старые часы, а баснословно дорогая штуковина вроде винтажных Patek Phillipe, из тех, что продаются за 1-2 миллиона долларов. А теперь представьте, что рядом бродит большой и очень злобный бабуин со здоровенной дубиной. Вы должны оставить часы в одной из комнат, куда способен проникнуть опасный зверь. Далее вам предоставляется выбор. Вы не можете помешать обезьяне залезть в какую-то из комнат. Но вы можете решить, в каком помещении оставить часы. Выбор у вас такой:

A. Маленькая каморка, где имеется лишь стол, на который вам и придется положить часы.

B. Большая комната, где лежит 50 рулонов листовой изоляции. Длина каждого рулона — 5 метров, толщина — 20 сантиметров. Вы можете спрятать часы в глубине любого из этих 50 рулонов.

Не так-то трудно сообразить, какое помещение выбрать, чтобы максимизировать вероятность того, что часы избегнут повреждений, правда? Изоляционная теория мусорной ДНК исходит из такой же предпосылки. Гены, кодирующие белки, чрезвычайно ценны. Они подвергаются высокому эволюционному давлению, так что у каждого конкретного организма его индивидуальная белковая последовательность обычно — оптимальная для него, самая лучшая, какая только может быть. Мутация в ДНК (изменение какой-то пары нуклеотидных оснований), меняющая, в свою очередь, белковую последовательность, вряд ли сделает этот белок эффективнее. Скорее уж такая мутация помешает белку выполнять свою функцию, воспрепятствует его действию — с печальными последствиями.

Проблема в том, что наш геном постоянно бомбардируют потенциально опасные раздражители из окружающей нас среды. Иногда нам кажется, что это — приметы нашего времени, особенно когда мы думаем о чернобыльской или фукусимской радиации. На самом деле это явление сопровождает человечество на всем протяжении его существования. Ультрафиолетовый компонент солнечного света, канцерогены в пище, радоновое излучение гранитных скал... Наша геномная целостность всегда находилась под угрозой (и находится до сих пор). Иногда такие воздействия не очень существенны. Если ультрафиолетовое облучение вызовет мутацию клетки кожи, а эта мутация приведет к гибели данной клетки, ничего страшного. У нас полно клеток кожи, они постоянно отмирают и заменяются новыми, и потеря одной клетки — не проблема.

А вот если мутация приведет к тому, что какая-то клетка окажется жизнеспособнее своих соседок, это уже шаг к возможному развитию рака. Последствия могут оказаться очень серьезными. Так, в одних только США ежегодно диагностируется свыше 75 тысяч новых случаев меланомы. От соответствующего заболевания в стране умирает около 10 тысяч человек в год¹⁴. При этом слишком долгое пребывание под воздействием ультрафиолетового излучения — один из существенных факторов риска. С эволюционной точки зрения мутации в яйцеклетках или сперматозоидах оказались бы еще зловреднее, поскольку могли бы передаваться потомству.

Если представить себе, что наш геном постоянно подвергается атакам, можно заключить, что изоляционная теория мусорной ДНК обладает явными преимуществами. Ведь если у нас только одна из каждых 50 пар нуклеотидных оснований важна для создания белков, поскольку остальные 49 пар — просто мусор, тогда есть лишь один шанс из 50, что вредоносный раздражитель, который обрушивается на молекулу ДНК, попадет по важному для нас участку.

Картина вполне согласуется с содержанием в нашем геноме такого большого количества мусорной ДНК по сравнению с менее сложными видами — скажем, червем или дрожжами (см. рис. 3.1). Жизненный цикл червей и дрожжей короче нашего. Кроме того, они способны давать большое количество потомства. Соотношение цена/результат для них иное, чем для таких видов, как человек. Людям требуется длительное время для того, чтобы породить потомство, и число потомков у человека невелико. Вероятно, червям и дрожжам незачем прилагать такие большие усилия для защиты генов, кодирующих белки. Даже если несколько их отпрысков будут нести в себе мутации, делающие их менее приспособленными к среде, где они обитают, у большинства потомков наверняка все будет отлично. А вот если вам предоставлено всего несколько попыток передать свой генетический материал следующему поколению, защита этих важных генов, кодирующих белки, с точки зрения эволюции приобретает смысл.

Природа, как мы уже видели, имеет в высшей степени адаптивный характер. Хотя изоляционная теория кажется вполне разумной, все-таки возникают кое-какие вопросы. Действительно ли роль мусорной ДНК сводится лишь к тому, чтобы служить защитой, изоляцией? И откуда вообще взялся весь этот изолирующий материал?