19.02.2001 Геном человека и прикладные значения его прочтения

Вся минувшая неделя прошла, можно сказать, под знаком "генома человека": учёные, стоящие во главе двух конкурирующих между собой научных групп - Крэг Вентер (фото), шеф частной американской фирмы "Celera genomics", и Фрэнсис Коллинз, руководитель субсидируемого рядом государств крупнейшего многонационального проекта "HUGO", - объявили о том, что начинают публиковать в интернетных изданиях журналов "Nature" и "Science" результаты своих многолетних исследований, направленных на прочтение генома человека. Газеты, радио и телевидение не поскупились на громкие слова, возвестив о "расшифровке Книги жизни", о "наступлении новой эры в биологии и медицине" и даже о "приближении полной и окончательной победы человечества над болезнями".

Что касается темпов прогресса, то они действительно впечатляют: ведь геном первого многоклеточного организма - крохотного червячка "Ценорхабдитис элеганс" ("Caenorhabditis elegans") - стал достоянием научной общественности всего два года назад. А вот что касается ближайших перспектив прикладного использования того массива данных, который теперь опубликован под гордым названием "геном человека", то тут вполне уместен вопрос: имеем ли мы дело действительно с научной революцией или средства массовой информации, как это с ними часто бывает, несколько преувеличили значение публикации генома? Однако прежде, чем обратиться за ответом к эксперту, следует, пожалуй, вкратце пояснить, что же такое геном и о чём, собственно, идёт речь.

Как известно, организм любого животного состоит из клеток, и в ядре каждой клетки имеется один и тот же свойственный данному биологическому виду набор генетической информации. Этот набор и именуется геномом. Генетическая информация сосредоточена в хромосомах. Хромосома представляет собой молекулу дезоксирибонуклеиновой кислоты (сокращённо - ДНК) и состоит из двух длинных полинуклеотидных цепей, закрученных одна вокруг другой и соединённых друг с другом так называемыми водородными связями. Эта молекула именуется двойной спиралью, её можно несколько упрощённо представить себе в виде скрученной верёвочной лестницы. Разным видам животных присуще разное количество хромосом. Так, человеческий геном состоит из 23 пар хромосом - в каждой паре одна хромосома происходит от отца, другая - от матери. У плодовой мушки дрозофилы клетки содержат по 4 пары хромосом, а, например, бактерии имеют всего одну непарную хромосому. На хромосоме в строго определённых участках расположены гены - своего рода единицы наследственности. В химическом отношении гены состоят из 4-х так называемых нуклеотидных оснований - аденина, цитозина, гуанина и тимина, - повторяющихся в определённом порядке. Ген может содержать от нескольких десятков тысяч до более чем двух миллионов нуклеотидных оснований. Именно их последовательность и определяет специфическую функцию данного конкретного гена. Ведь клетки разных органов и тканей - скажем, кожи, печени, сердца и мозга, - принципиально отличаются друг от друга. Однако ядро каждой из них содержит один и тот же набор генов. Всё дело в том, что в одних клетках работают одни гены, в других - другие.

Но откуда клетка знает своё предназначение? Кто определяет, какие белки в какой момент и в каком месте должны производиться? Именно геном в своей совокупности и является чем-то вроде инструкции, которая регулирует развитие и деятельность всего организма. Профессор Ханс Лерах, директор Института молекулярной генетики имени Макса Планка в Берлине, говорит:

«Геном - это программа, которой подчиняются все жизненные процессы. А именно эти процессы и определяют, здоровы мы или больны».

Образно геном можно представить себе так: ядро клетки - библиотека, в которой хранятся инструкции по обеспечению жизни; хромосомы играют роль книжных полок; гены - это книги, а нуклеотидные основания аденин, цитозин, гуанин и тимин, которые принято обозначать начальными буквами их названий - А, С, Г и Т, - представляют собой тот алфавит, которым записан интересующий нас текст генома. То есть массив данных, который теперь обнародован учёными, - это цепочка из более чем 3-х миллиардов 200 миллионов букв. Правда, пока эти данные не полные и не окончательные, они будут уточняться и дополняться. И всё же их опубликование называют историческим событием, по значимости сравнимым с созданием эволюционной теории, открытием периодической таблицы элементов и полётом человека в космос. А как Вы оцениваете публикацию генома? - этот вопрос я задал профессору Александру Тараховскому, ещё недавно работавшему в Институте генетики Кёльнского университета, а теперь - сотруднику Рокфеллеровского университета в Нью-Йорке.

- Я считаю, что это одно из наиболее фундаментальных событий в истории человечества. И полагаю, что два факта определяют значимость этого события. Первое - это понимание человеческой сути на генетическом уровне: потому что теперь мы знаем, что за все наши качества отвечает довольно небольшое количество генов, и комбинация функций этих генов, в конце концов, и определяет то, чем человек является - если не как личность, то, во всяком случае, как биологический вид. Второе - это абсолютно феноменальное практическое значение: потому что небольшое количество генов позволяет довольно быстро сфокусироваться на тех группах генов и на индивидуальных генах, которые, скорее всего, отвечают за развитие серьёзнейших человеческих заболеваний - таких как рак, атеросклероз, диабет, иммунные заболевания и даже, возможно, предрасположенность к вирусным заболеваниям типа гриппа или СПИДа.

Известие о том, что геном человека содержит вовсе не сто тысяч генов, как предполагалось ещё совсем недавно, а лишь около 30-ти тысяч, то есть всего в полтора раза больше, чем геном того самого уже упомянутого червячка "Ценорхабдитис элеганс", стало подлинной сенсацией, а то и шоком. Свидетельствует ли это о примитивности человека?

- Мы ожидали большего, исходя из чисто антропоцентристских представлений. Мы знали, сколько генов в дрожжах, сколько генов у дрозофилы, и поэтому думали, что человек - настолько сложное существо, что обязан иметь гораздо больше генов. На самом деле природа, видимо, руководствуется совершенно другими принципами, потому что она попыталась использовать минимальное количество игроков, выражаясь фигурально, для создания более эффективных групп, которые обеспечивали бы сложные функции. И вовсе не нужно, чтобы каждая функция - даже самая незначительная - определялась отдельным геном. Как стало теперь совершенно понятно, гены, как и люди, могут выполнять в своей жизни совершенно разные функции, оставаясь самими собой. То есть они могут участвовать немножко в одном, немножко в другом, немножко в третьем. И благодаря этому общее количество генов не обязательно должно совпадать с количеством функций, присущих, скажем, человеку.

Но если один ген отвечает за целую группу функций, и наоборот, одна функция определяется сразу целой группой генов, то как же решать задачу с таким огромным количеством переменных, как выявлять все эти многовариантные взаимосвязи?

- Когда мы говорим как бы о групповой ответственности, внутри определённой группы всегда есть кто-то, кто ведёт всю работу, кто-то, кто её контролирует, и кто-то, кто обеспечивает вспомогательные функции. Речь идёт сейчас о том, чтобы определить иерархию внутри генетических групп. Это может показаться задачей непосильной. Но на самом деле это задача вполне посильная, потому что на сегодняшний день уже существуют вполне конкретные подходы к определению функций генов. Для этого используются самые разнообразные приёмы, включая создание специальных линий мутантных мышей, у которых отсутствуют либо один, либо два, либо даже больше генов, и это позволяет понять, какой ген за что отвечает. Это многообразие информации, которая уже получена и ещё будет получена при анализе самых различных организмов, страдающих тем или иным генетическим дефектом, позволит создать громадную базу данных, которая и поможет ответить на вопрос, какие гены отвечают за развитие каких заболеваний, какие более существенны, какие менее существенны, какие имеют обязательную функцию, а какие - вспомогательную. Информация такого рода совершенно бесценна, потому что она позволяет работать с конкретным материалом, который существенно изменит скорость создания новых лекарственных препаратов, поможет более корректной диагностике наследственных заболеваний. И, наконец, наиболее сложной задачей, конечно, является понимание того, как координированная работа разных генов в разных клетках позволяет человеку, собственно, быть человеком, то есть мыслить. Это, несомненно, самая сложная задача.

Между тем, многие эксперты указывают на то, что пока говорить о прочтении генома некорректно. Аксель Улльрих, профессор Института биохимии имени Макса Планка в Мюнхене, приводит такое сравнение:

- То, что сегодня преподносится как завершение проекта "Геном человека" - это всё равно, как если бы кто-то взял текст Библии, перемешал все буквы как попало, издал бы эту абракадабру в виде книги и выдавал бы её за Священное Писание.

Сравнение, конечно, не совсем верное: прочесть текст генома учёные теперь могут, хуже обстоит дело с тем, чтобы понять прочитанное. Впрочем, и в этом направлении сделано немало. Биологи уже имеют некоторые представления о функциях более чем трети всех генов...

Конечно, конечно. На самом деле, благодаря работе над расшифровкой генома уже созданы совершенно уникальные компьютерные системы и программное обеспечение, которые, кстати, и сами по себе являются большим достижением науки. Что же касается Библии, то, несомненно, наше понимание генома человека ещё очень далеки от совершенства текста Библии. Но я хочу сказать, что даже после того, как Библия была написана или, во всяком случае, стала доступна людям, они вовсе не стали сразу жить по вере. Речь идёт о том, что можно читать Библию каждый день и всё время узнавать для себя что-то новое, интересное и даже полезное. И то же самое, несомненно, произойдёт с геномом человека - начиная уже с сегодняшнего дня и в будущем. Потому что наличие такой информации даст практически неограниченный доступ к пониманию происходящих в организме человека процессов на всё более и более углублённом уровне. Это, несомненно, будет каждый день приносить плоды, расширяющие наши знания о человеке, а также помогающие ему справляться с разными заболеваниями. Через сто лет станет совершенно очевидно, что вот этот первый шаг - прочтение генома человека - позволил практически изменить всю медицину. Первые плоды мы увидим гораздо раньше. Я уверен, что в течение ближайших десяти лет уже появятся лекарства, основанные на той информации, которая получена сегодня. А через сто лет наши потомки будут просто использовать это знание точно так же, как мы используем сейчас справочники, подсобную литературу и так далее.

Некоторое смятение у экспертов вызвало то обстоятельство, что лишь от 2-х до 3-х процентов всего генома активно участвуют в кодировании белков. Почти половина наследственного материала представляет собой многократное - и, на первый взгляд, бессмысленное - повторение одной и той же последовательности нуклеотидов. В геноме есть участки, где очень много активных генов, но около четверти суммарной длины хромосом - это пустыни, там генов нет вообще. Неужели это, так сказать, пустая порода?

- Вся генетическая информация, заключённая в хромосомах, подразделяется на две части: на значимую - это та часть генов, которая кодирует конкретные белки, - и на другую, которая кажется как бы бессмысленной, её называют "эгоистическая" ДНК. Но дело всё в том, что и эта ДНК на сто процентов имеет свою функцию. Уже на сегодняшний день ясно, что внутри этих вроде бы "бессмысленных" промежутков находятся очень важные участки, регулирующие функции тех участков, которые являются значимыми. Всё, что находится внутри генома, имеет функцию. И регуляция функции гена - это очень-очень сложный процесс. Для того чтобы ген, который делает белок, работал правильно, ему необходимо соответствующее окружение, нужны соответствующие генетические последовательности...

В связи с расшифровкой генома пресса уже заговорила о возможности злоупотреблений. Имеется в виду, скажем, желание родителей заранее выбрать пол, уровень интеллекта или внешность своих детей...

- Понятно. Я думаю, что это предмет абсолютной научной фантастики. Говорить о том, что это никогда не произойдёт, мне трудно. Но я не представляю себе ситуацию, в которой генетические манипуляции были бы настолько легки, что родители могли бы по заказу изменять цвет волос или глаз своих детей. Что же касается прочтения генома человека, то оно просто позволяет понять, какие гены есть у нас. И поняв это, мы можем достигнуть совершенно нового уровня отношения к нашему здоровью. Кому-то это может показаться довольно скучным, но я думаю, было бы хорошо, если бы человеку в 15 или 16 лет доктор мог бы сказать, что на основании генетического анализа он думает, что ему следует ограничивать себя в потреблении масла или сахара, потому что его генетические особенности таковы, что иначе он рискует перегрузить свою поджелудочную железу, и у него, скорее всего, возникнет диабет. Я думаю, что это имеет отношение не только к диабету, но и к определённым - или даже многим - формам рака, склонности к алкоголизму, к приёму наркотиков. И я думаю, на следующем этапе - лет через 20-25 - наука будет располагать полной коллекцией мышиных мутантов, в каждом из которых будет отсутствовать тот или иной ген. И к тому времени станет понятно, какой ген за что отвечает. Это будет следующий скачок в развитии нашего понимания, потому что от структуры мы перейдём к функции.

О том, что от знания структуры к пониманию функции - путь очень неблизкий, свидетельствует история первой в мире трансгенной обезьяны. Но об этом - в одной из следующих передач.

А сейчас на прощание - ещё две любопытные цифры из опубликованных на минувшей неделе. Первая: у человека и у бактерии 223 одинаковых гена. Вторая: наследственная информация всех людей совпадает на 99,99 процента, то есть неповторимая индивидуальность каждой личности заключена в одной сотой процента её генома.