Вторая жизнь генома: от структуры к функции

Записал Николай Гудсков • 28 февраля 2016
Уотсон и Крик в апрельском номере журнала «Nature» за 1953 год сообщили о трехмерной структуре ДНК. Это было официальным началом современной молекулярной биологии, ее мощным стартом.

    Была в свое время такая шуточная песенка: «Дуракам, дуракам закон не писан. — Если писан, если писан, то не читан. — Если читан, если читан, то не понят. — Если понят, если понят, то не так». Нечто подобное происходило и в изучении генома — комплекса наследственных задатков человека, собранных в 48 хромосомах. Прочитали — не прочитали. Расшифровали — не расшифровали. Поняли — не поняли…
    Выдающийся отечественный биолог, руководитель российской программы «Геном человека», рассказывает о том, как обстоят дела сейчас на этом участке исследований.

    Уотсон и Крик в апрельском номере журнала «Nature» за 1953 год сообщили о  трехмерной структуре ДНК. Это было официальным началом современной молекулярной биологии, ее мощным стартом.

    Стало ясно, что ключ к пониманию наследственности лежит в последовательности тех мономерных звеньев, из которых состоит ДНК. Их, как знает теперь любой школьник, всего четыре — А, Т, Г и Ц (сокращенные названия нуклеотидов аденозина, тимидина, гуанозина и цитидина, из которых слагается цепь ДНК), и весь секрет в том, в каком порядке они расположены. Из этих четырех букв можно составить любую комбинацию, если молекула достаточно длинная. А молекула ДНК очень длинная; считается, что в одной хромосоме всего одна молекула ДНК. А всего в геноме человека более трех миллиардов нуклеотидных пар. Но уже в середине 70-х годов две научные группы независимо друг от друга и по-разному решили проблему секвенирования ДНК, то есть установление порядка чередования нуклеотидов вдоль цепи. Эти методы были разработаны независимо друг от друга Уолтером Гилбертом и Фредом Сенгером. Метод Сенгера стал базовым для расшифровки всего генома — он оказался более практичным, более удобным, более точным, и Сенгер был удостоен, так же как и У. Гилберт, Нобелевской премии. Благодаря развитию его метода и совершенствованию методов генной инженерии, которая позволяет манипулировать кусками ДНК по желанию экспериментатора, возникли предпосылки для массового секвенирования, для массовой расшифровки первичной структуры ДНК.

    Но, конечно, никто не помышлял о геноме человека, речь шла о вирусах, в лучшем случае — о бактериях, так как у них геномы в тысячу раз меньше, чем геном человека. Однако в 1988 году Джеймс Уотсон, один из отцов двойной спирали, высказал идею, что пора заняться геномом человека. Эта идея была встречена даже лучшими учеными в штыки. Мотивы такой негативной реакции были следующими. Во-первых, методы еще недостаточно совершенны; во-вторых, они требуют очень больших денег, и поэтому наука будет обескровлена; и, в-третьих, знание последовательности расположения нуклеотидов в цепочке ДНК не будет ключом к пониманию жизни. Это была совершенно нормальная реакция, а все аргументы были вполне разумны. Однако Уотсон, как человек гениальный, совершенно гениально это парировал. Он говорил, что, действительно, методы еще недостаточно совершенны, но для достижения задачи методы будут вынуждены совершенствоваться. Его девиз был «лучше не поймать большую рыбу, чем не поймать маленькую». Это, конечно, сумасшедшая идея, но именно такие идеи качественно двигают науку.

    У нас в то же самое время, в 1988 году, независимо от Уотсона, академик Александр Александрович Баев, исходя из анализа ситуации, пришел к выводу, что этот вопрос может быть поставлен в повестку дня. Он пропагандировал эту идею на всех уровнях. В результате в двух странах возникли параллельные программы — американская и советская. Советская программа была поддержана напрямую Горбачевым, и уже через два месяца были выделены деньги. Программа была официально объявлена под эгидой Комитета по науке в конце 1988 года, ее возглавил Научный совет по геномной программе во главе с Баевым. В Америке был тоже создан свой национальный совет и начались исследования.


    В феврале 2001 года с дикой помпой было объявлено, что геном человека расшифрован. Здесь явно присутствовали элементы рекламы и оправдания перед налогоплательщиками. Однако, на самом деле, геном не расшифрован до конца. Те работы, которые мы проводили вместе со шведами, и многие другие исследования показали, что количество ошибок там чрезвычайно велико. Поэтому то, что было опубликовано в феврале 2001 года в двух ведущих научных журналах «Nature» и «Science», — это черновик, в котором очень много слов необходимо переставить.

    Тем не менее нельзя отрицать, что это — феерическое достижение. Говоря, что ошибок много, не следует отрицать тот факт, что более 90 процентов геномной структуры расшифровано.

    Программа «Геном человека» двух- или даже трехэтапная. Глобальная идея Уотсона заключалась в том, что нужно раскрыть структуру, последовательность нуклеотидов, для того чтобы заняться функцией, понять, как геном работает. Но когда эту программу начали воплощать в жизнь, стало ясно, что невозможно заниматься структурой и функцией одновременно. Это потребовало бы затрат уже не миллиардов, а десятков миллиардов долларов, чего не могла себе позволить ни одна страна мира. Поэтому первый этап должен был заключаться в раскрытии структуры, но постепенно в устах и ученых и журналистов первый этап — структурные исследования — стал восприниматься как цель геномной программы. Но ни Уотсон, ни другие основатели никогда этого не говорили! Они говорили, что это только фундамент для исследования функции генома.

    ДНК — словно лента в магнитофоне. Если не нажать на кнопку, вы ничего не услышите. Первичная структура — это сама запись на магнитной ленте, а при нажатии на кнопку возникает звук — это функция ДНК. Сама же лента молчит и ни о чем не говорит, несмотря на то, что на ней уже есть запись. Только сейчас начали понимать, что открытие структуры ДНК — только первая часть, исходная позиция для всей программы. Как только о завершении этой части работ было объявлено, мгновенно вспомнили, что это только промежуточный этап. И появились термины «протеомика», «транскриптомика», для попытки описания дальнейших исследований. Теперь ясно, что деньги и внимание смещаются в область, называющуюся «функциональная геномика». Закончившаяся первая фаза, продолжавшаяся 12 лет — с 1989 по 2001 год, относится к структурной геномике, являющейся для функциональной геномики химической и физической основой.


    Нужно объяснить эти новые слова, к которым еще не вполне привыкли даже специалисты.

    Протеомика — наука о совокупности всех белков клетки, изучение протеома (от слова «протеин» — белок). В клетке гены всегда одни и те же, а вот белки, наоборот, всегда меняются в зависимости от стадии развития клетки, возраста организма, предназначения клетки и множества других обстоятельств. Иными словами, протеом — понятие динамическое, а геном, напротив, статическое. Клетка устроена таким образом, что можно из одного гена «снять информацию» для синтеза нескольких белков, поэтому общее максимальное число белков в одной клетке в несколько раз больше числа генов. Однако в каждый данный момент времени в клетке присутствует только часть этих белков, в некоторых клетках, вероятно, не более 10% от их максимально возможного количества.

    Транскриптом — это совокупность всех РНК, считанных с генов, это промежуточное звено между генами и белками. Это продукт работы генов. Соответственно, транскриптом изучает транскриптомика. Почему такое название? Транскрипция — это переписывание, а при этом процессе ДНК действительно переписывается в РНК, которые часто называют транскриптами.

    Функциональная геномика, куда сейчас сместился центр тяжести геномной программы, это фактически транскриптомика + протеомика.


    К чему мы пришли? Развеялись многие мифы. Например, еще три года назад практически все ученые на основании различных косвенных данных считали, что в геноме человека содержится около 80 тысяч генов. После расшифровки структуры оказалось, что их намного меньше: около 35 тысяч. То есть ошибка оказалась более, чем вдвое. Это первый зримый результат.

    Второе. Выяснилось, что гены составляют ничтожную долю всего генома, около двух-трех процентов. В любом случае генов, то есть тех участков ДНК, на которых записана информация о структуре либо РНК, либо белков, — того, что звучит на магнитофонной ленте, — меньше пяти процентов. Остальное абсолютно непонятно, что это такое! Мы знаем структуру, но мы смотрим на нее, как на некий арабский текст, не зная арабского языка. Этот результат был предвиден, но не в таких масштабах. Предполагали, что это может быть две трети, пусть даже четыре пятых, но оказалось, что в геноме минимум 95 процентов неизвестной и непонятной информации!

    У бактерий этого нет. У бактерий весь геном значим, состоит только из генов. Получается, что эволюция от бактерий к человеку идет в сторону накапливания некоей «бессмыслицы». Однако вряд ли это бессмысли-ца — мы просто не понимаем пока, что это такое. Структурная геномика сейчас на распутье. Одна дорога — изучение генов с известной структурой с целью установления их функции. Эта задача крайне важна для медицины. Другой путь — изучение тех 95 процентов ДНК, которые Крик когда-то неосторожно назвал «мусорной ДНК». Он, мне кажется, ошибался. Это, конечно, не мусор, эволюция сумела бы избавиться от балласта.

    Сейчас можно попытаться ответить на вопрос: не зря ли потрачены деньги? Ведь работа по структуре стоила больше шести миллиардов долларов. Это был глобальный проект, продолжавшийся больше десяти лет, в котором участвовали тысячи исследователей. Хромосомы были разделены между разными группами, каждая исследовала свою хромосому, а потом все стыковали. Использовали все достижения вычислительной техники, компьютерные программы, математическое обеспечение, суперкомпьютеры. Результат стал достижением как биологии, так и в той же мере информатики. Без компьютеров это было бы невозможно: представьте только, что мы рукой бы выписывали больше трех миллиардов нуклеотидных пар! А это и есть размер генома человека!

    Если бы меня попросили сформулировать лозунг сегодняшнего дня в геномике, я бы сказал: «От знания — к пониманию». Многие не понимают разницу между знанием и пониманием. Можно прекрасно знать, что написано, но совершенно не понимать, что из этого следует. Мы в такой ситуации. Раньше биологию называли наукой, бедной фактами, в отличие от, например, физики, где очень много фактов. Теперь же биология — это наука, сверхбогатая фактами, если под фактами иметь в виду структурную информацию. Но теперь она стала наукой, не понимающей своего собственного богатства. Мы сидим на горе золота, но как превратить это золото в полезные для нас предметы, мы не знаем. Структура расшифрована, но не познана.

    Медицина, в идеале, становится теперь областью приложений геномных знаний. Это, например, конструирование лекарств. За весь прошлый век человечество изобрело примерно пятьсот разных типов лекарств. А за ближайшее десятилетие, я не боюсь это предсказывать, будет создано примерно столько же новых. И только это уже с лихвой окупит все затраты, так как производство лекарств — это миллиардные доходы, многие десятки миллиардов инвестиций. И это, конечно, кратчайший путь. Если вы знаете новые гены — значит, вы знаете новые белки. Зная новые белки, вы можете установить их функцию. А зная функцию белка, вы можете узнать, как эта функция нарушается при той или иной болезни, а значит, направленно ее исправить, воздействуя на данный белок.

    Так действуют сейчас фармакологи — дизайнеры лекарств. В отличие от дизайнеров одежды они рисуют не мини-юбки, а те лекарства, которые должны направленно, точечно, как луч лазера, бить в определенный белок. Либо усиливая его функцию, чтобы он работал лучше, либо, наоборот, если он вреден, блокируя его работу. Это — новая фармакология, которая построена не на эмпирике, а на точном знании. Вся фармакология прошлого века — это цепь счастливых находок, и только к концу века она встала на рациональную основу. Вы можете на экране компьютера создавать лекарство, а потом химики его вам синтезируют.

    Это колоссальный прорыв, начало направленной, индивидуальной медицины с осмысленным поиском лекарств. Для этого нужно изучить соответствующие белки. А структуру белков мы знаем по структуре генов. Мы можем их выделять, размножать, изучать в пробирке, сравнивать с известными белками. Всем этим занимается протеомика, наука, порожденная геномикой, — ее дочь, которая скоро перерастет матушку. Протеомика — изучение совокупности белков клетки. Геном организма в течение жизни постоянен. Ваши 35 тысяч генов на всю жизнь при вас. Разница заключается в том, что, когда вы были младенцем, у вас работали одни гены, а когда вы стали взрослым, некоторые из ваших генов продолжают работать, но включаются еще и другие. То есть в разном возрасте работают разные ансамбли генов. Это касается и всего организма, и отдельной клетки. Меняется спектр активности генов, но сами гены не меняются.

    Из одного и того же гена можно получить несколько разных белков. Это довольно сложный механизм, но суть его заключается в том, что, используя разные куски одного гена, как из мозаики, можно собрать разные картинки. Попросту говоря, если пометить разные куски гена буквами А, B, C, D, вы можете сделать белок из всех четырех блоков, а можете так, что у вас будет белок только AD. Серединку вы выбросите. Или сделать белок без начала: BCD. Этот механизм, который позволяет из одного гена получать много разных белков, довольно хорошо изучен. Поэтому разнообразие белков гораздо больше, чем разнообразие генов. Это создает гигантские возможности для организма «играть» на соотношении разных белков в разных ситуациях, в зависимости от его потребностей, от того, болен организм или здоров, и т.д. Поэтому протеомика неразрывно связана с геномикой через структуру генов, но она решает и самостоятельные задачи, включая функции белков в разных формах как потомства одного гена.

    Структурная геномика уже дает большую отдачу. Сейчас из 35 тысяч генов человека мы прилично знаем больше десяти тысяч, включая их соответствующие продукты, то есть белки. Остальное находится в процессе разработки. За год сейчас характеризуют тысячи новых генов. Уже сейчас результаты проекта очень широко используются. Например, геномная диагностика. Очень многие болезни можно точно диагностировать с помощью анализа ДНК. Эти методы быстрые, за один-два дня все это можно проделать. В России такие анализы делают в Москве в Медико-генетическом центре, в Петербурге, Томске, Уфе, Новосибирске. Конечно, мечта геномщиков — это не просто знать, какой ген «заболел», но и вылечить его. Для такой генной терапии вы в больную клетку подставляете здоровый ген, чтобы он функционально заместил больной, — своеобразное молекулярное протезирование. При нем больной ген в клетке остается, а здоровый работает вместо него.

    Приложения геномики практически безграничны. Например, некоторые работы по геномике в нашем институте финансируют археологи. В них заинтересованы историки, лингвисты, этнографы, антропологи, палеонтологи, криминалисты…

    В российской программе геномных исследований большой раздел посвящен этногеномике. Чем отличаются башкиры от славян? Монголы от турок? Удмурты от грузин? То, что они говорят на разных языках, знают все. А вот ДНК-овые различия? Они есть, и очень интересные. Могу вам сообщить, что, скажем, мы, русские, и в целом славяне очень близки к немцам, к французам, — одним словом, к западноевропейцам, но очень далеки, например, от монголов и китайцев. Несмотря на подозрения, что после татаро-монгольского ига мы могли сильно «загрязниться», этого по ДНК не видно. Мы далеки от татар, от китайцев — на уровне этнических групп. Это видно по результатам сравнения ДНК.

    Методами классической генетики по антигенным свойствам белков такие этногенетические исследования проводили и раньше. Но они были ограничены по фактическому материалу, потому что далеко не все проявляется на белковом уровне. Поразительно, как биология теперь вторглась в сугубо гуманитарные сферы и очень существенно на них влияет. Причем это не просто чистое познание, но это важно и для правильной диагностики в медицине — ведь есть болезни, связанные с определенными этническими группами. Мы узнали очень много неожиданного.

    Тема «Геномика и жизнь» неисчерпаема.

    Классическая житейская ситуация. Проблема алиментщиков. Еще лет десять назад суды России тысячами присуждали — или не присуждали — алименты убежавшим отцам. Мать говорила, что это отец, отец говорил, что он ее в глаза не видел, не подходил, не прикасался. Больше нет этих дел. Потому что анализ проводится в течение двух дней — и либо отец окажется отцом, или женщина окажется лгуньей. Одно из двух. Ничего третьего не дано. Вот что дает геномика на бытовом уровне. «Алиментных» судебных дел больше не будет.

    Самое печальное заключается в том, что после того как российская программа по изучению генома человека очень успешно развивалась, несмотря на более чем скромное финансирование, и наши результаты широко признаны, с этого года Министерство промышленности, науки и технологий ее ликвидировало, как говорится, без объяснения причин.

    Вклад России в международную программу бесспорен. Достижений много, и они признаны. Например, биоинформатика. Благодаря тому, что уровень российской математики остается очень высоким, мы имеем мировое признание в этой области. У нас есть хорошие результаты в областях медицинской геномики, этногеномики, геномной идентификации личности. Сделано очень много, гораздо больше, чем можно сделать на выделявшиеся нам деньги. Я посчитал: работа примерно одного класса в России и в Америке различается по стоимости в пять-десять раз. Эффективность нашей работы гораздо выше. Нас должны были бы благодарить и ставить в пример, а вместо этого программу прикрыли.

    Ликвидация геномной программы, а также ряда других была следствием абсолютно ошибочного решения о слиянии Министерства науки с Министерством промышленности. Промышленность и наука имеют абсолютно разные пути развития, финансирования и т.д. В результате промышленность подавила науку. Хотя российская наука на порядок сильнее нашей промышленности. Дело не столько в деньгах, сколько в отношении высокопоставленных госчиновников к науке, как к чему-то лишнему, ненужному для страны. И в результате молодые ученые бегут из России . Если этот процесс сейчас не остановить, у страны не будет будущего.