Геном человека, исследование ДНК. История развития современной генетики

"Генетикам и селекционерам давно удалось отобрать и ввести в наследственный код лучшие качества растений и домашних животных. А как насчет того, чтобы
вырастить породу добрых и умных людей?"
Г. Ратнер

Предисловие к статье

Из истории генетики: Основоположник генетики (науки о наследственности и изменчивости) Г. Мендель (1865) высказал первые предположения об организации генетического материала. На основании результатов своих экспериментов на горохе он пришел к заключению, что наследственный материал представлен отдельными наследственными задатками, отвечающими за развитие определенных признаков организмов. В 1909 году В. Иогансен назвал "наследственные задатки" Менделя генами.

В начале ХХ века Т.Бовери (1902 - 1907) и У.Сеттон (1902 - 1903) стали рассматривать хромосомы как материальные носители наследственной программы. В 1910 году Т. Морган и его сотрудники определили, что гены расположены в хромосомах в линейном порядке и подтвердили их роль в обеспечении наследственности. В 1953 году Дж. Уотсон и Ф. Крик открыли структуру молекулы ДНК. В 1977 году Санджер открыл последовательность ДНК. В 1995 году расшифрован геном бактерии Haema filis influenza (1740 генов). Март 2000 года - расшифрован геном плодовой мушки Дрозофилы; геном круглого червя Caenorhabditis elegants; полевой мыши (50000 генов). У человека известно 289 генов, отвечающих за развитие разного рода заболеваний, 187 из них имеют сходство с ДНК Дрозофилы.

Книга жизни из четырех букв

Почти полвека ученые бились над расшифровкой молекулы ДНК, и вот летом 2000 года президент Соединенных Штатов и премьер-министр Великобритании торжественно объявили о начале новой эры в истории науки. Ученым наконец-то удалось составить геномный атлас человека! "Ну и что это нам дает?" - спросит скептик. А действительно, что?

Начало гонки

Ни для кого не секрет, что для успешного лечения заболеваний ученым необходимо знать их генетическую причину - в каком случае и почему каждый определенный ген работает, "молчит" или же начинает действовать враждебно человеческому организму. Другими словами, необходимо расшифровать всю генетическую информацию о человеке - геном. Геном представляет собой гигантскую "книгу жизни", написанную с помощью четырех "букв". Эти "буквы" - химические соединения аденин (А), тимин (Т), гуанин (G) и цитозин (С), из которых состоит ДНК. У человека примерно 100 тысяч генов, а геном состоит из 3,2 миллиарда "букв".

В начале 90-х правительство Соединенных Штатов выделило 3 миллиарда долларов на 15-летний проект "Геном человека". Но мало кто верил, что такая сложная работа будет выполнена за столь короткий срок. Многие считали, что не стоит тратить огромные суммы на сомнительный проект. Однако исследования шли своим чередом: к американским ученым присоединились коллеги из других стран. Фантастическая сумма, выделенная на исследования, перестала резать слух даже налогоплательщикам. Тем не менее в мае 1998 года прозвучало заявление малоизвестного ученого доктора Крега Вентера, который обвинил участников проекта в сознательной медлительности и элементарном выкачивании денег.

Более того, доктор Вентер объявил о создании частной компании Celera (компания Celera Genomics - своеобразный гибрид научно-исследовательского института и коммерческой фирмы), которая намерена расшифровать геном человека на два года раньше ученых государственной программы. Кроме того, Вентер собирался потратить на собственное исследование всего лишь несколько миллионов долларов, инвестированных частными компаниями. Сказать, что ученые обиделись, а правительство Штатов почувствовало себя, мягко говоря, обманутым, - значит ничего не сказать. Так был дан старт гонки за геномом. Самой грандиозный со времен "холодной войны" и создания атомной бомбы. Как и в случае с ядерным оружием, ставки были велики.

Исключение из правил

Ученому нельзя торопиться - вот негласная аксиома, которая царит в научном мире. Конечно, такой величине, как Эйнштейн, можно простить и детское слабоумие, и феноменальные открытия в рекордно короткие сроки. Но только в качестве исключения из правил. Во всех других случаях академическая среда отвечает выскочкам презрением и обвинениями в некомпетентности. К счастью для науки, у Крега Вентера не было ни малейших шансов стать ученым в академическом смысле этого слова. Больше всего на свете он не любил медлить и действовать по правилам. Даже школу Крегу удалось окончить лишь потому, что учителям не хотелось видеть его в своих классах еще год - мальчик категорически отказывался писать контрольные да и к доске для устного ответа выходил только по собственному желанию.

Единственное, что интересовало тогда Крега, было море, ветер и серфинг. Здесь правила менялись мгновенно, а его как раз привлекала необходимость действовать каждую секунду. Поэтому, когда пришло время идти в армию, Вентер, не долго думая, записался во флот. Благодаря успехам Крега в серфинге служба в армии, как он и предполагал, ограничилась бы для него плаванием в свое удовольствие. Однако война во Вьетнаме внесла свои коррективы. Спортивные команды в армии ликвидировали.

Во время тестирования Крег, к собственному удивлению, набрал наибольшее среди 35 тысяч новобранцев количество баллов и получил разрешение выбрать место службы. Он остановился на медицине и через два года... оказался в полевом госпитале во Вьетнаме. Здесь-то ему и пришлось впервые задуматься о мимолетности человеческой жизни: "Я стал задавать себе наивные вопросы: что такое жизнь? Как устроена клетка? Чем отличается живая клетка от мертвой?"

Предложение "Не высовываться"

Вернувшись домой, Крег счел непростительным легкомыслием тратить время на борьбу с морской волной. Он впервые почувствовал вкус к учебе. Со свойственной ему торопливостью Вентер всего за шесть лет получил диплом и защитил диссертацию по физиологии и фармакологии. А уже через несколько лет он попал в систему государственных национальных институтов здоровья. Здесь-то и начиналась охота за генами. Крег был одним из сотен биологов, расшифровывавших "книгу жизни". И единственным, кто не мог работать, как все. За два года он нашел и изучил восемь генов. По меркам академической науки, результаты блестящие. Но для него этого было мало.

Как только Вентер узнал об изобретении робота, способного автоматически расшифровывать ДНК, он немедленно вызвался его испытать. Робот помечал разные "буквы" кода различными флюоресцирующими красками, а затем с помощью лазера считывал последовательности цветов и обрабатывал их с помощью компьютера. Следующее достижение Вентера в области повышения производительности труда было связано уже не с автоматизацией, а с использованием природных способностей клетки к распознаванию: "Любая клетка может гораздо лучше расшифровать геном, чем самые быстрые компьютеры".

Дело в том, что "действующие" гены составляют только 3 процента генома. Все остальное - либо участки, либо вообще "мусор", про который пока ничего не известно. На одном из этапов биосинтеза белка клетка создает молекулу, содержащую "дайджест" генома человека, в который копируются только действующие гены, а весь "мусор" удаляется при редактировании. Из этой неустойчивой молекулы можно изготовить другую, более прочную и уже ее прогонять через робота-дешифровщика. Путь к расшифровке генов существенно сократился.

Но и этого Вентеру показалось мало. Он решил, что можно не только автоматически расшифровывать кусочки генома, но и автоматически их собирать. После этого ученый не сомневался, что все человеческие гены удастся расшифровать лет за пять и обойдется это бюджету всего в $10 миллионов. Стоит ли удивляться, что руководители проекта отказались выделить деньги слишком успешному ученому-одиночке? Крегу вежливо, но настойчиво предложили "не высовываться".

В любом поражении есть доля успеха

Отказ в финансировании привел Вентера в бешенство. До этого ему, в общем-то, не приходилось сталкиваться с противодействием академической среды, и неудача больно ударила по его самолюбию. Крегу ничего не оставалось, как стиснутьзубы и продолжить работу самостоятельно. В начале 90-х ему предложили запатентовать открытые им самим элементы геномной последовательности. Поначалу Крег отказался - он мечтал сделать результаты своих исследований максимально доступными. Но, подумав, принял предложение, поскольку при ближайшем рассмотрении оказалось, что именно система патентов стимулирует разработку новых лекарств. Покупая патент на фрагмент генетического кода, компании получают возможность работать над эксклюзивным лекарством для лечения заболевания, связанного с этим геном, и не опасаться конкурентов. Тут Вентера подстерегало новое испытание.

Как только он подал заявки на патент, коллеги раздули грандиозный скандал, завершившийся слушаниями в конгрессе США. Коллеги обвинили Крега в том, что патентовать куски последовательности с неизвестной функцией, к тому же добытые с помощью автоматов, - чистейшее безумие. Другими словами, ему снова "посоветовали" не спешить. Ни один ученый не выступил в его защиту... Вентер впервые оказался в полной изоляции. Теперь он не понаслышке знал, что значит депрессия. Однако у любого поражения есть и положительные стороны. Скандал привлек к Вентеру внимание инвесторов. Они буквально выстроились в очередь, предлагая Крегу деньги на исследования. Результатом этих уговоров в 1992 году стал некоммерческий частный институт Крега Вентера - ТИГР (TIGR - The Institute of Genomic Research - сокращенное название Института геномных исследований).

Вентер получил $85 миллионов на десять лет, должность и зарплату директора института, а также 10 процентов акций компании-инвестора Human Genome Sciences (HGS) стоимостью в несколько миллионов долларов. Взамен Вентер обещал передавать HGS права на все коммерчески значимые открытия. Теперь Вентера никто не упрекал в излишней поспешности и неакадемичности его исследований. То, на что у сотен исследователей уходят годы, его тридцать молодых сотрудников делали за день. Вентер придумал новую технологию - "дробовика" (shotgun), - с помощью которой сначала "расстреливались", а затем собирались из кусочков не только действующие гены, но и весь геном.

Бывшие коллеги из национальных институтов здоровья были уверены, что из затеи Вентера ничего не выйдет, и когда он в очередной раз попросил грант, заявку опять отклонили. На этот раз - по идейным соображениям: ввиду принципиальной невозможности применения метода "дробовика" для расшифровки целого генома. Об отказе стало известно, когда работа была почти готова. Через два месяца ее опубликовал солидный и всеми уважаемый журнал Science. С тех пор Вентер больше ни о чем не просил государство, зато неуставал напоминать, сколь консервативны и медлительны академические ученые.

Кто быстрей?

Спустя год, когда репутация Крега в научных кругах была восстановлена, Вентер решил бросить вызов государственной системе исследований. Тогда-то и появилась Celera Genomics ("celera" в переводе с латыни - "быстрая") - гибрид научно-исследовательского института и коммерческой компании. В день регистрации компании - 9 мая 1998 года - Крег заявил, что завершит расшифровку генома человека за три года, потратив на это меньше $300 миллионов. Дерзость Вентера повергла в шок не только ученых, но и правительство.

Зачем тратить огромные деньги из казны, если есть человек, который чуть ли не в одиночку берется сделать то же самое быстрее и при этом не просит никаких денег? Но на очередных "геномных" слушаниях в конгрессе было решено продолжать финансирование госпроекта - отчасти потому, что правительство боялось отдать ключ от здоровья нации в частные руки, отчасти из-за того, что "геномщики" убедили комиссию в безнадежности затеи Крега. Однако теперь уже никто не сомневался, что технология Вентера явно эффективней общепринятых методов.

Кроме того, результаты проекта "Геном человека", полученные вручную и поэтому особенно ценные для Вентера, были доступны всем желающим в Генбанке. Эти данные позволяли Вентеру упорядочить последовательность там, где этого не могли сделать машины. И сколько бы ученые, работавшие по государственной программе, ни возмущались тем, что конкурент присваивает их результаты, поделать с этим они ничего не могли.

Вентер со свойственным ему ехидством не раз напоминал коллегам о том, что такое положение вещей совершенно естественно: "Ваш проект финансируют налогоплательщики, а я - один из них". Другое дело - частная компания, которая может делать со своими данными все что заблагорассудится. В планы Вентера-бизнесмена не входило немедленное обнародование результатов. На обвинения в намерении присвоить геном человека он неизменно отвечал: "Вы же не считаете, что газета скрывает от вас важную информацию только потому, что она распространяется по подписке?

Подпишитесь на нашу базу данных, и геном будет ваш!" Ученые, работавшие над государственной программой, не могли смириться с победой выскочки-самозванца. В сентябре 1999 года они заявили, что их проект будет завершен раньше срока - в 2001 году, а окончательный вариант публике представят в 2003-м. Затем сроки снова сократили. Решающий бой пришелся на 2000 год. В январе Вентер сообщил, что 90 процентов генома человека им уже расшифровано. Руководители "Генома" обвинили его в саморекламе. Однако акции Celera начали быстро расти в цене. В марте стало абсолютно ясно, что о сотрудничестве Celera и государственной программы "Геном человека" не может быть и речи. Руководитель проекта - Фрэнсис Коллинз в ультимативной форме приказал Крегу обнародовать данные исследования.

Вместо этого Вентер опубликовал геном плодовой мушки дрозофилы. Теперь все могли убедиться, что он умеет не только "дробить" большой геном, но и собирать его. Значит, и с геномом человека у него должно все получиться. Билл Клинтон и Тони Блэр, обеспокоенные мощным рывком Вентера, выступили с совместным заявлением и рассказали об успехах проекта "Геном человека". 6 апреля, за несколько часов до новых слушаний в конгрессе, Celera объявила о расшифровке 99 процентов генома. Котировки ее акций мгновенно выросли на 21 процент.

Выступая на слушаниях в конгрессе, Вентер с нескрываемым удовольствием нанес оппонентам удар их же оружием. Он обвинил ученых государственной программы в том, что, стремясь его обогнать, они нарушают собственные высокие стандарты качества научных публикаций. 26 июня гонка закончилась. Победой Крега Вентера, естественно. Президенту Соединенных Штатов и премьер-министру Великобритании ничего не оставалось, как объявить о том, что геномный атлас человека уже создан. Теперь Крегу Вентеру осталось покорить только одну вершину - получить Нобелевскую премию. В ученых кругах уже никто не сомневается, что долго ждать не придется.

Ольга Мельникова
Статья журнала "2000"


Нечто интересное

Роботы для медицины ХХI века. Совсем скоро медики будут лечить больных на уровне генома. Это станет возможным благодаря специальному медицинскому оборудованию. Для медицины будущего шведские специалисты создали роботов, размер которых невероятно мал - полмиллиметра. Эти роботы способны манипулировать отдельными клетками ткани или даже бактериями. Маленькие помощники врачей имеют руку, запястье и два или четыре пальца. В отличие от других своих собратьев, они могут жить в весьма агрессивной среде - крови, моче и других жидкостях, которые часто встречаются в лаборатории биохимика, например, в клеточных культурах. Дело в том, что каркас роботов, который обычно делают из кремния, на сей раз защищен слоем золота и полипирролом (электропроводящим полимером, способным изменять свои размеры). Свойства полипирола дали возможность создать электро-полимерные мышцы для роботов, благодаря которым они умеют управлять своими конечностями. Роботы способны двигать бусинки размером в 250 микрон, а бусинки размером в 270 микрон перекладывать с одного миниатюрного конвейера на другой, демонстрируя тем самым задатки настоящих рабочих микрофабрики. Создали этих роботов теми же самыми методами, что и интегральные схемы, вырастив их в кремниевой пластинке. А в будущем такие роботы смогут самостоятельно собирать себе подобных, причем значительно меньшего размера.

Кандидат медицинских наук, Анастасия Топоркова

please wait...

Смотрите также:


У нас также читают: