ДНК. История генетической революции - Джеймс Д. Уотсон

Линкольн Стейн, мой бывший коллега по Колд-Спринг-Харбору, создал сайт, на котором выложил всю последовательность моего генома – кроме вышеупомянутого гена APOE. Однако мы упустили одну вещь: поскольку передача наследственной информации происходит с помощью генов случайным образом (здесь можно провести аналогию с тасуемой колодой карт), любой генетик, пусть даже со средним уровнем подготовки, теоретически может определить, какие именно у меня имеются варианты гена APOE. Для этого ему достаточно просмотреть генотипы соседствующих с ним генов в 19-й хромосоме. Об этом и заявил во всеуслышание один молодой ученый, администратор сайта по имени Майкл Карьясо, занимающийся анализом и хранением информации обо всех фрагментах ДНК, ценных с медицинской точки зрения. Сайт, который он администрировал, называется SNPedia. Линкольн Стейн оперативно отреагировал, потребовав удалить информацию примерно о тридцати моих генах, то есть примерно о миллионе оснований по обе стороны от гена APOE, и принести мне извинения по поводу доставленных неудобств, связанных с разглашением информации. В 2007 году лишь один человек, кроме меня, полностью отсеквенировал свой геном. Неудивительно, что это был Крейг Вентер – ведь именно он десятью годами ранее инициировал такое исследование в Celera Genomics, когда реализация проекта «Геном человека» была в самом зените. Коллеги Вентера просекли, к чему ведет проект «Джим», и опубликовали свои результаты примерно за полгода до того, как статья с окончательным описанием моего генома наконец появилась в журнале Nature. Однако ключевое отличие состояло в том, что геном Вентера секвенировали традиционным сенгеровским методом, а мой – при помощи технологии «454», то есть с использованием секвенатора нового поколения. Поэтому ряду ученых секвенирование именно моего, довольно заурядного генома кажется фактом более важным. Френсис Коллинз назвал меня «первым из всех нас». Думаю, он был прав: после краткого затишья, вслед за которым, буквально выдавливая «по капле», секвенировали лишь единичные геномы, работа по секвенированию превратилась в настоящий шквал. Полагаю, что к моменту написания этих строк полностью отсеквенировано уже около 400 тысяч человеческих геномов, а стоимость секвенирования снижается и уверенно движется к отметке 1000 долларов, хотя сумма в 1000 долларов тогда казалась нереальной, в каком-то смысле «взятой с потолка». Последствия такой революции в персональной геномике – для науки, медицины и общества в целом – и будут рассмотрены в данной главе.

Пробел в геноме: последовательность моего генома выложена в интернете в свободном доступе; исключение составляет небольшой фрагмент 19-й хромосомы. Фрагмент охватывает окрестности гена APOE, связанного с болезнью Альцгеймера

В декабре 2001 года, примерно через девять месяцев после публикации первых черновых вариантов человеческого генома, фельдмаршал этого проекта Френсис Коллинз пригласил около сотни ведущих ученых на встречу в пасторальной Виргинии. Предполагалось, что они смогут честно и прямо обсудить перспективы будущих исследований и определить приоритеты новой эпохи в генетике, которую уже стали называть постгеномной. Один из важнейших вопросов, который им требовалось решить, – устаревание технологии для секвенирования ДНК. Метод с применением дидезокси-оснований, за который Фред Сенгер был удостоен Нобелевской премии (см. главу 4), превосходно послужил биохимическому сообществу, но отдача от него была крайне низкой, вернее сказать, медленной. Если технологии Сегнера использовать и далее, то Коллинзу и Вентеру понадобились бы целые фабрики по секвенированию, состоящие из сотен новейших машин-секвенаторов, каждая стоимостью сотни тысяч долларов, которые должны были бы обслуживать толпы лаборантов в белых халатах, работающих посменно круглые сутки. И все это для того, чтобы только сделать первые наброски нашего генетического кода. Дальнейший прогресс в геномике, а фактически в большинстве сфер биомедицинских и клинических исследований, застопорился до тех пор, пока специалисты не смогут ускорить, удешевить и оптимизировать секвенирование ДНК.

Во время дискуссий, развернувшихся в виргинской глуши, впервые речь зашла о «геноме за тысячу долларов». Вспомним время начала работы над проектом «Геном человека». Тогда, в начале пути, Уолли Гилберт написал мелом на доске в аудитории Колд-Спринг-Харбора: «3 миллиарда» – на этот раз ведущие специалисты по геномике вновь решились назвать столь же отвлеченную цифру: «1000 долларов». В такой величине не было никакого особого смысла или «магии» – просто небольшое красивое круглое число. Тем не менее, если бы его действительно удалось достичь, и стоимость секвенирования генома конкретного человека приблизилась бы к этой цифре, возможно, секвенирование человеческого генома стало бы рутинной процедурой.

Неудивительно, что различные академические и коммерческие группы ученых по обе стороны Атлантики, в том числе сотрудники Ротберга из компании 454, активно включились в разработку альтернативных методов секвенирования, на порядок дешевле и быстрее сенгеровского. В следующем году Вентер заявил на одной из конференций, что лично выплатит премию в 500 тысяч долларов той группе, которая достигнет наиболее значительного технологического прорыва в этой области. Одним из первых претендентов на премию стала компания U. S. Genomics – детище бывшего студента-медика из Гарварда по имени Юджин Чан. Он предлагал новый вариант секвенирования. Суть технологии заключалась в том, что молекула ДНК или РНК, несущая на себе существенный отрицательный заряд, под воздействием электрического поля «протискивается» через белковую пору, помещенную в бислойную мембрану, что вызывает уменьшение силы электрического тока из-за уменьшения сечения отверстия. Считывая изменение силы тока, секвенатор определяет нуклеотид, проходящий через пору в конкретный отрезок времени: оказывается, что каждый «кирпичик» в нуклеиновой кислоте имеет собственное «сечение» (и, соответственно, это влияет на силу тока). Увы, как и многие другие претенденты, компания Чана столкнулась с серией препятствий и вышла из гонки за лидерство. Таким образом, инициативу захватили компания Ротберга 454 и британская компания Solexa.

Биотехнологическую фирму Solexa основали двое молодых ученых-химиков из Кембриджского университета – Шанкар Баласубраманьян и Дэвид Кленерман. Изначально в их планы не входило преобразование медицины или секвенирование 100 тысяч человеческих геномов – они просто хотели изучить процесс биосинтеза ДНК. Планы по созданию их стартапа зародились в одном из пабов, но не в «Игл», где мы с Френсисом отмечали открытие двойной спирали, а в Panton Arms, поскольку химики из Кембриджа предпочитают именно это питейное заведение. В Solexa разработали ряд интересных методов для работы с основаниями. Эти методы позволяли синтезировать молекулы ДНК в медленном темпе – так, чтобы молекула наращивалась всего на одно и строго на одно основание за один шаг. Размечая основания флуоресцентными красителями (каждое из четырех оснований своим цветом), специалисты Solexa смогли зафиксировать каждый этап реакции и логически определить, какое основание добавляется в каждую точку ДНК, просто по цвету. Таким образом, растущие спирали можно было анализировать, как при покадровом просмотре видео. Лишь гораздо позднее компания доработала свою технологию для применения в медицине.