Таинственный геном человека

7. Следующий логический шаг

В конце 1960-х мне повезло стать студентом-медиком в Шеффилдском университете. Уотсон и Крик еще были относительно молоды, и их открытие было сделано всего 15 или 16 лет назад. Я помню ощущение чуда, когда преподаватели рассказывали нам о строении ДНК, и помню, как ясно и просто ее четырехбуквенный код расшифровывался в белки. У нас были лекции по генетике, на которых мы поняли, что мутации — важный шаг в понимании самых разных наследственных болезней, включая так называемые наследуемые ошибки метаболизма. Нам также рассказывали о важности этих открытий для родственной отрасли знания — эволюционной биологии. Припоминаю, как волновало меня понимание того, что биология и медицина вот-вот увидят мир совершенно по-другому, основываясь на более глубоком понимании ДНК и ее молекулярных вариаций. Это понимание, естественно, повлияет не только на ученых-биологов и врачей, но и на человечество в целом. Однако на том этапе многие важные вопросы еще оставались без ответов.

Вот один очевиднейший вопрос: как оплодотворенное яйцо (зигота) чудесным образом развивается в сложный организм — человеческого ребенка? Как эта удивительная молекула, ДНК, хранит не только наследственную информацию индивидуума, но и набор инструкций, по которому одна клетка, зигота, дает начало развитию эмбриона с самыми разными клетками, тканями и органами, из которых затем получается человеческое дитя?

Науке было многое известно о развитии тканей эмбриона, однако ученые очень мало знали о генетике, регулирующей соответствующие процессы. Работы в Институте Пастера (Франция) впервые приоткрыли завесу тайны: они дали нам понимание того, как гены активируются и деактивируются включением и выключением последовательности нуклеотидов — промотора. Это был первый шаг на пути к тому, что сегодня мы называем «регуляцией экспрессии генов».

В те времена мы уже знали, что клетки, из которых состоят различные ткани и органы человеческого тела (например, клетки мозга, или лимфоциты, борющиеся с инфекцией в нашей крови, или клетки, из которых состоят почки, печень, сердце или лёгкие), содержат в ядре одну и ту же ДНК. Разница в структуре и функциях этих клеток и, соответственно, формирование различных тканей и органов подразумевает, что должна быть какая-то разница в экспрессии генов. Здесь возникает вопрос, чем вызваны различия — разными генами или разницей в профилях или времени экспрессии одних и тех же генов?

На этом вопросы не заканчивались.

Каким бы ни было объяснение — отдельные гены для отдельных клеток или разные профили экспрессии одних и тех же генов, — все равно должна существовать система, которая решает, какой именно ген (или какой профиль) запустится для тех или иных клеток, тканей и органов. Это будет ключевым фактором в планировании и регулировании развития человеческого эмбриона. Скорее всего, схожие механизмы будут работать для эмбрионов всех животных, а может быть, даже для растений.

Вспомним Сиднея Бреннера, который вместе с Криком изучал трансляцию генов в белки в Кавендишской лаборатории. В 1973 году, работая в лаборатории Центра медицинских исследований в Лондоне, Бреннер опубликовал работу по этому вопросу. Она начиналась так: «Как гены могут определять сложные структуры высших организмов? Биология еще не знает ответа на этот важный вопрос». Он объяснял, что на данный момент многие молекулярные механизмы, ранее найденные у микробов, в таком же виде были найдены в эукариотических клетках — клетках животных и растений, в которых есть ядро. Генетический код оказался универсальным — и механизмы синтезирования белка по этому коду тоже. «Существует много объясняющих это теорий [как ДНК высших организмов контролирует регуляцию экспрессии генов], но вопрос в целом остается невыясненным». Бреннер выбрал другую модель, чтобы изучить, как устроены и организованы гены животных. В своей работе он рассказал об этой новой модели: миниатюрный круглый червь Caenorhabditis elegans длиной в миллиметр, обитающий в почве средних широт. C. elegans обладает рядом весьма привлекательных в рамках данного исследования черт. Червь не является паразитом и не заражает лаборантов; у него очень простая структура — всего 959 клеток; его легко разводить; он прозрачный и его легко рассмотреть под микроскопом; его геном состоит из всего пяти пар аутосом и одной пары гетерохромосом; у него два пола — гермафродиты и мужские особи.

Короче говоря, для генетиков червь представляет идеальный образец для экспериментов: его легко разводить, безопасно хранить в больших количествах и у него есть особи различных полов и генетика, которую легко изменять.

В своей работе Бреннер показывает, как в рамках экспериментов он вносил изменения в более чем 300 генов червя, чтобы показать, как эти изменения отразятся на его биологическом строении и поведении. Но даже на примере такого простого организма Бреннер увидел, что генетика его намного сложнее, чем он мог себе представить. На простые извивающиеся движения червя влияли 77 различных генов. Однако его дальнейшее изучение показало, что модель для эксперимента была выбрана правильно. Модель была способна на практике продемонстрировать, как работают гены, в частности, как они регулируют загадочные и сложные изменения, происходящие в процессе развития эмбриона, когда его стволовые клетки начинают меняться и формируют множество различных тканей и органов.

Модель Бреннера внушала надежду. Ею воспользовались во многих научных центрах. По мере того как знания становились более глубокими, вместо С. elegans, который когда-то заменил фруктовых мушек, ученые исследовали геном рыб, лягушек, ланцетников и млекопитающих (мышей), а также многих растений.

Человеческое тело состоит из более чем 200 различных типов клеток, формирующих конечности, ткани и органы, которые выполняют отдельные функции. Чтобы из зиготы сформировалось всё вышеуказанное, она должна состоять из так называемых тотипотентных клеток, которые могут развиться в любую ткань человеческого организма, включая плаценту и эмбриона. Первая дифференциация на этом этапе — из тотипотентных в плюрипотентные клетки. У последних есть множество вариантов развития, но они не превратятся в клетки внезародышевых органов. Плюрипотентные клетки — это клетки, из которых развиваются более сложные структуры и при дальнейшей дифференциации начинают формироваться различные ткани и органы. Эти же клетки, также называемые стволовыми, остаются в нашем организме на протяжении всей жизни, восстанавливая поврежденные ткани в постоянном круговороте, необходимом для нормального физиологического функционирования организма и его здоровья. Чтобы сделать возможной трансформацию эмбриона с такой удивительной точностью, каждая клетка должна «знать» о своей дальнейшей судьбе. Эта судьба определяется точно выверенной бюрократией генетического механизма, включая эпигенетическую регуляцию, о которой мы поговорим в следующей главе, а также сущности, известные как гены-регуляторы.

До конца 1980-х генетики, работавшие с фруктовыми мушками, открыли группу генов, которая отвечала за порядок расположения отдельных сегментов тела насекомого в процессе формирования эмбриона внутри яйца. Они назвали эту группу homeobox, или Hox. Дальнейшие исследования показали, что точно такой же набор генов Hox в том же порядке в определенной хромосоме играет очень важную роль в развитии эмбриона у животных. У человека план развития эмбриона, управляемый набором Hox, определяет правую и левую стороны, отвечает за нашу двустороннюю симметрию. Сравните наше строение с экзотическими морскими животными эхинодермами — к ним относятся, например, морские звезды и морские ежи. У них симметрия радиальная, как у долек апельсина или лепестков ромашки.

Человеческий эмбрион начинает развиваться из клеток зиготы, а набор генов Hox диктует ему, где будет голова, где на ней расположить глаза, нос и челюсти; позвонок за позвонком строится шея. Позвонок за позвонком двенадцать костей формируют грудную клетку с зачатками верхних конечностей и ребер. Точно так же формируются поясничные позвонки, которые будут поддерживать брюшную полость, и, наконец, крестцовый отдел позвоночника, который поддерживает таз и нижние конечности. Все располагается определенным образом относительно центральной оси нашего тела. Развитие набора генов Hox было важным шагом в эволюции животных. Их функция настолько важна, что они сохранялись неизменными в процессе естественного отбора на протяжении очень долгого времени. Например, хотя общий предок насекомых и человека жил в океанах 600 миллионов лет назад, если бы мы заменили Hox — ген в зиготе насекомого, отвечающий за расположение его глаз, на человеческий ген, глаз насекомого все равно развился бы правильно.

В Hox — генах закодированы белки, но не энзимы, они не участвуют в построении организма — кожи, почек, сердца, костей, а регулируют экспрессию генов (транскрипцию генов). Поэтому их также называют факторами транскрипции. Белки, закодированные Hox — генами, связаны с ключевыми нуклеотидными последовательностями в хромосомах (известны как гены-модификаторы), где они включают или выключают определенные гены. Со временем ученые открыли множество подобных генов-регуляторов, которые играют огромную роль в развитии эмбриона и функционировании человеческого организма на протяжении жизни. Ключевые гены вроде группы Hox запускают процесс из нескольких шагов развития, включающий сигнальные гормоны и факторы транскрипции. В подобных системах один ключевой ген может запускать много вторичных генов, которые в свою очередь запускают другие гены, образуя каскад из сотен генов, которые и определяют «путь развития». Это гарантирует, что определенная часть эмбриона станет мозгом, конечностью, почкой или ногтем на ноге. Если посмотреть внимательнее на структуру сложной ткани, например конечности или почки, мы увидим, что она состоит из разных более простых тканей и клеток. Так, нога состоит из кожи, мышц, костей, нервов и кровеносных сосудов, и чтобы она развивалась правильно, нужно координировать между собой множество процессов, возможно, с местными системами связи между отдельными тканями. Несрабатывание всего лишь одного компонента может привести к катастрофе. Талидомид, ранее продававшийся без рецепта, широко использовался для купирования тошноты при беременности в 1950–60-х годах. Несколько лет спустя около 10 тысяч детей родились с серьезными нарушениями в формировании конечностей — с так называемой фокомелией. Причиной трагедии с талидомидом было нарушение развития кровеносных сосудов в зачатках будущих конечностей.

Ко времени публикации работы Бреннера в начале 1970-х мы еще мало знали о том, как гены регулируют развитие человека. Конечно, мы знали, что мозг человека при рождении относительно неразвит, продолжает расти и развиваться еще два-три года жизни младенца. Мы знали об изменении желез в период полового созревания, однако не знали, как гены это регулируют. Теперь известно, что половое созревание включает в себя очень глубокие изменения на генетическом и эпигенетическом уровнях: фактически мы возвращаемся к бурному водовороту развития эмбриона. Сейчас генетики считают его главной и самой важной фазой постэмбрионального развития. В том, как гены регулируют изменения в пубертатный период, много похожего на удивительную трансформацию гусеницы в бабочку, поэтому некоторые ученые считают это вариацией метаморфоза.

В препубертатный период и мальчики и девочки имеют примерно одинаковые пропорции мышечной, костной и жировой массы. Однако после запуска мощных эпигенетических и генетических механизмов тело ребенка претерпевает значительные изменения, включая бурный рост и изменения в пропорциях мышечной и жировой массы, которые отличаются у обоих полов. К концу полового созревания у мужчин в полтора раза больше костной и мышечной массы, чем у женщин, а у женщин в два раза больше жировой ткани, чем у мужчин. Эти очевидные физические изменения сопровождаются также изменениями в клетках и тканях половых и относящихся к ним органов, например грудных желез у женщин и простаты у мужчин. Процесс полового развития запускается гормоном, сигнализирующим о необходимости производить гонадотропин (GnRH), который вырабатывается гипоталамусом. Это, в свою очередь, стимулирует питуитарную железу. Она увеличивает выработку половых гормонов гонадотропинов, которые через кровеносную систему попадают в яичники или яички, где повышают уровень соответственно эстрогенов или андрогенов. Иногда подростки бывают капризными или нервными. Это и неудивительно, ведь в их теле происходят гормональные изменения невероятного масштаба. Мы только недавно узнали, что в пубертатный период под влиянием гормонов происходит своего рода перезапись нейронных цепей мозга и поведение меняется на взрослое.

Некоторые психологи считают, что индивидуальные различия в поведении зрелых особей и сопряженные с полом психические нарушения связаны с тем, как гормоны, влияющие на половое созревание, действуют на перезапись нейронных сетей в период взросления.

К 1990-м годам у биологов уже было базовое понимание того, как работают гены. Они знали, что гены кодируют несколько видов белков. Энзимы играют важную роль в наших внутренних химических процессах, из других белков строятся мембраны клеток, ткани кожи, глаз, волос и ногтей. Генетики узнали, где в 46 хромосомах человека располагаются сотни определенных генов. Они накопили ключевые знания о генетической регуляции. Появилось понимание того, что существуют дополнительные системы регуляции, которые не управляются ДНК. Становилось все очевиднее, что вне ДНК также есть системы, которые могут регулировать ее экспрессию, — системы, обладающие способностью изменяться на протяжении жизни индивидуума и получения им определенного опыта. Со временем станет понятно, что они — часть эпигенетической регуляционной системы, про которую я расскажу в следующей главе.

В 1953 году произошло революционное открытие — открытие структуры ДНК, которое дало начало развитию новой науки — молекулярной биологии, пересекающейся с медициной и биологией. Через несколько десятилетий мы узнали о запутанной системе человеческой наследственности, развитии эмбрионов и работе клеток, тканей и органов на биохимическом уровне больше, чем за все предыдущее время. Все больше фактов указывало на то, что в человеческий геноме есть вирусы: в нем присутствовали вирусные последовательности генов и даже целые геномы вирусов. Одни генетики считали, что это просто мусор, оставшийся от давних инфекций, другие полагали, что эти куски генома на что-то активно влияют.

Тысячи генов были открыты в процессе кропотливых экспериментов с мутациями животных. В человеческом организме содержится от 80 до 120 тысяч белков. Предположим, что один ген кодирует один белок, тогда должно быть столько же генов. А это значит, что существует огромное количество еще неизвестных нам генов. Теперь генетики хотели знать не только последовательности отдельных генов. Следующим шагом должно было стать изучение структуры каждой хромосомы, а кроме этого — исследование всего генома. Только полностью разделив геном на секвенции, мы поймем, что лежит в основе нашего существования, — перефразируя Броновского, какие «генетические подарки» выделяют нас среди других животных. Все, что нам было нужно для совершения этого гигантского шага, — желание правительства профинансировать исследования, а также более эффективные техники чтения последовательностей ДНК.

В середине 1970-х в Кембридже британский биохимик Фред Сэнджер, который в то время уже был нобелевским лауреатом по химии за работу над структурой белков, впервые предложил новые техники автоматического секвенирования ДНК. Их потом так и назвали: секвенирование Сэнджера. Он использовал эти техники, чтобы впервые расшифровать геном организма полностью. Это был тот же организм, который я изучал, будучи и студентом, и доктором наук, — вирус-бактериофаг ФХ174. Это открытие принесло ему вторую Нобелевскую премию, и, таким образом, он стал единственным нобелевским лауреатом с двумя премиями по химии. Методология Сэнджера стала стандартной техникой секвенирования генома в лабораториях по всему миру и позволила изучить структуру десятков и тысяч генов. Тем не менее, по признанию самого Сэнджера, метод был медленным и требовал кропотливого труда. Ученым приходилось считывать показания с распечаток и тратить огромное количество радиоактивного фосфора, который использовался для того, чтобы помечать нуклеотиды. В середине 1980-х Лерой Худ и его коллеги в Калифорнийском технологическом институте придумали более быстрый и простой метод, который помечал нуклеотиды четырьмя видами флуоресцентной краски, которую можно было считывать лазерным аппаратом. Другие техники для репликации последовательностей генов использовали культуру бактерий E. coli — небольшие количества ДНК можно было размножить, чтобы затем проще секвенировать. Итак, геном можно было разделить на более мелкие последовательности, а их размножить с помощью бактерий и автоматически секвенировать специальными аппаратами.

В 1984 году политическая составляющая вопроса достигла максимума: Министерство энергетики США заявило, что полностью расшифрует весь человеческий геном — 6,6 миллиарда нуклеотидных последовательностей. Комитет назвал проект The Human Genome Project (проект «Геном человека»).

Этот проект ошеломлял, но был фантастически амбициозным, вдохновляющим и волнующим. К 1987 году заявку полностью обсудили и ясно сформулировали цель: «Главная цель данной инициативы — понять устройство человеческого генома. Это знание необходимо для дальнейшего прогресса в медицине и других дисциплинах здравоохранения точно так же, как знание человеческой анатомии было необходимо для достижения нынешнего положения дел в медицине».

Проект начался в Америке и затем распространился на многие другие страны, превратившись в самый значительный проект по биологии в истории науки. В нем участвовало огромное количество разных ученых и научных групп. Это означало, что неизбежно возникнут разногласия относительно способов ведения исследования. Некоторые считали, что нужно сосредоточиться на одной хромосоме в отдельный момент времени, но это растянуло бы процесс на десять или даже пятнадцать лет. Некоторые политики не осознавали всей важности проекта и неодобрительно посматривали на его возможную стоимость, которая в таком случае поднималась до миллиардов долларов. Некоторых деморализовала перспектива настолько гигантского шага в неизвестность.

Но к началу 1990-х жребий был брошен. В 1990 году две главные финансирующие организации — Министерство энергетики США и Национальный центр исследования здоровья — объединили свои усилия. В том же году Джеймс Дьюи Уотсон, участвовавший в открытии структуры ДНК, был назначен управляющим программы Национального центра исследования здоровья. Теперь проект поддерживала репутация Уотсона, Национальная академия наук США, многие влиятельные молекулярные биологи и фонды от правительства и других официальных спонсоров в размере около 2,6 миллиарда долларов США. Уотсон немедленно предложил сделать проект международным, заручившись помощью Великобритании, Германии и Франции. Свою лепту внесли многие другие европейские центры, в том числе Япония, Китай и Австралия. Фонд Wellcome Trust в Великобритании стал основной благотворительной организацией наряду с правительственными органами США.

Итак, все было организовано, скоординировано, профинансировано и готово к запуску. В ход пошли компьютеры и автоматы для расшифровки генетического кода. В целом предполагалось, что для завершения проекта понадобится около пятнадцати лет, но эта цифра изменилась с неожиданным появлением конкурента: американской коммерческой организации Celera Genomics. Необходимость соревноваться с частной коммерческой организацией внесла суматоху в некоторые очень тщательно продуманные планы.