ДНК. История генетической революции - Джеймс Д. Уотсон

Объявление из газеты Buffalo News о поиске доноров-волонтеров, которым предлагалось сдать ДНК для проекта «Геном человека»

В рамках проекта HapMap (International Haplotype Mapping, Международный проект «Карта гаплотипа») началось каталогизирование всех этих многочисленных вариантов. Благодаря революции, произошедшей в картировании геномов в 1980-е годы, мы уже видели, как далеко и глубоко смогли продвинуться ученые в обнаружении мутаций, вызывающих наследственные заболевания. Однако для поиска генетических дефектов, из-за которых у человека возникает предрасположенность к диабету, сердечно-сосудистым заболеваниям и раку, требуется систематически изучать генетическую вариабельность. Цель проекта HapMap – разработка карты гаплотипа генома человека, чтобы описать общие закономерности наследственной генетической изменчивости людей. Собирая информацию о местоположении миллионов однонуклеотидных полиморфизмов (сокращенно SNP, произносится «снип»), исследователи накопили обширную базу маркеров, из которых формируются репрезентативные выборки для проведения крупномасштабных исследований GWAS («полногеномный поиск ассоциаций») и идентификации генов, вызывающих распространенные заболевания (см. главу 12).

Для включения в HapMap были выбраны четыре группы населения: 30 взрослых и их оба родителя Йоруба из Ибадана, Нигерия (YRI), 30 резидентных троек жителей штата Юты североевропейского и западноевропейского происхождения (CEU), 44 не связанных между собой японцев из Токио, Япония (JPT), и 45 не родственных между собой китайцев из Пекина, Китай (CHB). Такое государственно-частное сотрудничество началось со скрининга ДНК волонтеров HapMap на наличие трех миллионов снипов (рассматривался весь геном). Основная масса генотипической работы была проделана в Perlegen, дочерней компании Affymetrix. Компания Affymetrix стала одним из первопроходцев в исследовании генных чипов и определила матрицу из более чем трех миллионов равномерно расположенных снипов, служивших своеобразными «верстовыми столбами» – по одному примерно на девятьсот – тысячу оснований. Так была проложена дорога для триумфального шествия GWAS, проводившихся фондом Wellcome Trust и другими организациями. Сегодня в каталоге человеческих снипов более 10 миллионов позиций, в среднем по одному на каждые триста оснований. На смену проекту HapMap пришел новый проект «1000 геномов», который наконец успешно завершился в 2016 году.

Одной из важнейших задач, решавшихся в рамках проекта «Геном человека», была сборка «геномной ведомости» человеческого организма. Каталогизировав примерно 20 тысяч генов – во много-много раз меньше, чем было озвучено в учебниках всего десятью годами ранее, мы все еще не могли справиться с весьма запутанной проблемой: есть ли вообще какое-либо назначение у «мусорной ДНК»? Является ли эта «темная материя» молекулярной генетики всего лишь отбросами, оставшимися после долгих миллионов лет эволюции, следами древних вирусных инфекций и перегруппировки генов, либо у нее все-таки есть какая-то таинственная функция?

Для того чтобы ответить на этот вопрос, был организован еще один международный проект. Он назывался ENCODE («Энциклопедия элементов ДНК») и объединил более четырехсот ученых из тридцати двух стран. Задуманный как продолжение проекта «Геном человека», ENCODE ставит целью проведение полного анализа функциональных элементов генома человека. Все результаты, получаемые в ходе реализации проекта, публикуются в общедоступных базах данных. Ученые погрузились в лабораторные исследования сроком на пять лет (потратив на работу примерно триста лет компьютерного времени), чтобы разгадать тайну «мусорной ДНК». Проект ENCODE позволил взглянуть на геном по-новому и рассмотреть его с высоким разрешением, а не на «зернистой кинопленке», как ранее. В 2012 году сотрудники ENCODE опубликовали полноценную книгу о своей работе – тридцать глав-статей в Nature и нескольких других журналах. Результаты породили не меньше противоречий и дискуссий, чем геномные войны, бушевавшие в конце 1990-х годов. Согласно выводам авторов ENCODE, целых 80 % генома функциональны и характеризуются «особой биохимической активностью». Вот вам и «мусорная ДНК»! Например, там могут находиться сайты связывания (они же «энхансеры» или «промоторы» в терминологии генетиков) для факторов транскрипции или регуляторных генных белков, включающих и отключающих гены. Проект также позволил пролить свет на плохо изученные участки ДНК между генами; именно на этих участках начинается транскрипция РНК. В отличие от транспортной РНК они по какой-то причине не транслируются в белки. Специалисты ENCODE отнюдь не собирались проигнорировать эти участки генома как обычный мусор, но утверждали, что там сосредоточены бесполезные реликвии и старье, как пресловутый «потерянный на чердаке хобот».

Растиражированное заявление сотрудников ENCODE о «80 процентах» яростно оспаривалось. Противоречия открылись уже в том, что считать «функциональным», а что мусорным в составе генома. По словам Юэна Бирни, одного из ключевых архитекторов ENCODE, проблема сводится к следующему: изменяет ли данный элемент генома каким-то образом биохимические процессы в клетке или влияет на фенотип (внешний вид) организма? Иными словами, является ли факт транскрипции достаточным доказательством функциональности? Некоторые исследователи были готовы поспорить на эту тему, хотя к этому времени с учетом накопленных знаний это было непросто. Для 8 % генома имелись бесспорные доказательства физического контакта между ДНК и белками, в частности факторами транскрипции. Признаться, назначение остальных 72 % нашей «функциональной» ДНК пока не совсем ясно. Тем не менее ENCODE представил убедительные доказательства того, что даже те последовательности, которые значительно удалены от кодирующих регионов, регулируют некоторые аспекты экспрессии генов. Бирни указывает, что целых 60 % генома сейчас считается «экзонными» или «интронными» участками, поэтому «нет ничего удивительного, что мы видим дополнительные 20 % сверх этих 60 %».

Проект «Геном человека» навсегда останется выдающимся технологическим достижением. Если бы в 1953 году кто-нибудь предположил, что в ближайшие 50 лет геном человека будет полностью отсеквенирован, то мы с Криком бы просто посмеялись и купили собеседнику еще стаканчик алкоголя. Такой скептицизм казался оправданным даже двадцать пять лет спустя, когда наконец-то были разработаны первые методы секвенирования ДНК. Бесспорно, эти методы стали технологическим прорывом, но процесс секвенирования все равно оставался удручающе медленным – в ту пору казалось титанической работой сгенерировать последовательность даже крошечного гена длиной несколько сотен пар оснований. А затем, еще через двадцать пять лет, мы отпраздновали полное секвенирование 3,2 миллиардов пар оснований. Нам всегда нужно помнить, что описание генома – отнюдь не просто памятник нашей технологической сноровке, каким бы ошеломительным ни показался этот архитектурный шедевр. Какова бы ни была политическая мотивация, представители Белого дома совершенно справедливо прославляли оказавшееся в наших руках новое оружие для борьбы с болезнями. Более того, наш проект стал началом новой эры представлений об устройстве живых организмов и функциональных возможностях и ответил на вопрос: чем мы биологически отличаемся от представителей других видов – словом, что делает нас людьми. Однако, прежде чем перейти к этим темам, давайте обсудим поразительные революционные изменения в секвенировании ДНК и анализе геномов, наступившие после того памятного дня лета 2000 года, когда мы сделали первый маленький шажок в эру геномики.