Tazabek — Об исследовании генома человека в материале Economist.
«Большое значит прекрасное» . Таково было послание науки после Второй мировой войны. Прообразом девиза послужил Манхэттенский проект по созданию первых атомных бомб. Когда боевые действия закончились, наука продолжила использовать все более и более крупные ускорители частиц для исследования материи во все меньших и меньших масштабах — и более крупные телескопы для этих же целей в самых больших масштабах, какие только можно вообразить. Затем началась космическая гонка, которая на пике своего развития в середине 1960-х годов поглощала более 4% федерального бюджета Америки. После посадки Аполлона на Луну стремление к масштабности породило шаттл и Международную космическую станцию, а также программу беспилотных миссий по исследованию дальних уголков Солнечной системы.
Все эти проекты были были в основном о физике. К концу 1980-х годов биологи начали обретать уверенность в том, что следующее столетие будет принадлежать им. Начали активно развиваться биотехнологии — исследования по изменению самой днк для создания полезных продуктов. Количество ученых-биологов росло.
Ответом на доминирование исследований в области физики, стал проект «Геном человека» (hgp). Это была американская инициатива, которая проводилась через международный консорциум по секвенированию генома человека. Консорциум состоял из 20 лабораторий, восемь из которых находились за пределами Соединенных Штатов. Несмотря на то, что по меркам большой физики проект был дешёвым (к примеру стоимость проекта оценивалась в 3 миллиарда долларов, чего едва бы хватило на пару запусков шаттлов на космическую станцию), он дал биологии почувствовать вкус великих свершений.
Проект также стал постоянным источником новостей для средств массовой информации — как «Аполлон» проект по полетам на Луну. Исследование подстегнуло развитие технологии секвенирования днк, показав, как биологические исследования могут быть организованы в больших масштабах. Проект совершил революцию в области молекулярной генетики своими результатами и изменил саму биологию.
Идея заключалась в том, чтобы направить средства на определение порядка 3 миллиардов пар оснований, которые образуют ДНК человеческого генома. Пары оснований — это близнецовые химические единицы, образующие сердцевину двойной спирали днк. Их отдельные компоненты ( a & t и c & g ) являются химическими буквами генетического сценария.
Когда проект стартовал в 1990 году, люди думали, что генетический сценарий существует в двух формах: гены и мусор. Почти все гены кодировали белки и передавали свою информацию в клеточный аппарат построения белков через молекулы-мессенджеры, состоящие из ДНК — подобного вещества, называемого рнк. Мусор был, ну, мусором.
Как же они ошибались, когда оказалось, что функциональная днк — это гораздо больше, чем просто гены, кодирующие белок. Сейчас уже известно, что существуют гены, которые производят более полудюжины классов неинформационных рнк, каждый из которых выполняет свою работу. Помимо тех, которые участвуют в создании белков, другие участвуют в регуляции генов, репликации днк и процессе сплайсинга, при котором лишний материал удаляется из рнк-мессенджеров. Вдобавок к ним находятся участки днк, которые регулируют экспрессию гена в клетках организма.
Даже нефункциональная днк интересна. Большая часть его состоит из самокопирующихся элементов, называемых ретротранспозонами, которые можно рассматривать как генетический эквивалент паразитов, хотя некоторые из них были задействованы в полезных ролях. Среди них захоронены ископаемые останки древних вирусных инфекций и генов, которые когда-то работали, но были отключены естественным отбором.
Другим неожиданным открытием стало то, как мало генов, кодирующих белок. Прогнозы в начале варьировались от 50 000 до 100 000. На самом деле цифра около 20 тысяч. Это примерно то же самое, что и у мышей (у которых был собственный вспомогательный проект по секвенированию генома), и только на 50% больше, чем у плодовых мушек. Если что-то и делает людей крупнее и сложнее других животных, то это не то, что у них больше генов, кодирующих белки.
Однако, потребовалось время, чтобы выяснить эти закономерности. Во-первых, нужно было создать проект. Это произошло под эгидой Джеймса Уотсона, который вместе с Фрэнсисом Криком открыл двойную спиральную структуру днк и то, как работает спаривание оснований: в генетической последовательности а (аденин) всегда соединяется с т (тимином), а g (гуанин) всегда сочетается с c (цитозином). Как и сам геном, проект состоял из множества частей. Помимо сложности его международного исследования через консорциум, даже у американской стороны было два администратора. В нем доминировали национальные институты здравоохранения страны, однако Министерство энергетики также принимало участие в проекте. Интерес Министерства энергетики к вопросам ядерной энергетики и, следовательно, мутагенной радиоактивности, давал хорошо зарекомендовавший себя мандат на проведение генетических исследований. Однако это усложняло бюрократию.
Ни один план сражения не выдерживает реального боя с противником
Доктор Ватсон ушел в 1992 году из-за спора о патентовании последовательностей днк (он не хотел уходить, но Национальный институт здравоохранения считал иначе). Его заменил Фрэнсис Коллинз, охотник за генами болезней из Мичиганского университета. Тем временем в Британии Wellcome Trust (одна из крупнейших в мире благотворительных организаций, занимающихся медицинскими исследованиями) вмешалась в создание специально построенной лаборатории по секвенированию под названием Sanger Center (в честь Фреда Сенгера, который изобрел секвенирование ДНК) недалеко от Кембриджа. Лабораторией должен был руководить Джон Салстон, эксперт по генетике червя-нематоды под названием C. elegans.
Начиная исследования, ученые думали, что на его завершение уйдет 15 лет. Но они не учитывали усилий человека, который станет главным визионером проекта — Крейга Вентера. В 1995 году д-р Вентер впервые применил новую технику, называемую полногеномным секвенированием, для получения первой полной последовательности днк живого организма (бактерии под названием Haemophilus influenzae).
Затем, в 1998 году, на деньги Perkin-Elmer, компании по производству научных инструментов, которая собиралась запустить модернизированный секвенатор, он создал конкурирующий частный проект по изучению генома человека в форме фирмы под названием Celera. План состоял в том, что компания будет зарабатывать деньги на патентовании обнаруженных ею генов, которые, как считалось, имеют коммерческий потенциал.
Полногеномный дробовик, как следует из названия, разбивает целые геномы на секвенируемые фрагменты. Это позволило получить результаты быстрее, чем традиционные методы секвенирования, используемые до сих пор консорциумом hgp. Инцидент с H. influenzae был достаточно плохим для тех, кто руководил официальным проектом. То, что доктор Вентер мог повторить это с геномом в 1700 раз больше, было бы еще более смущающим. Но что особенно приводило людей в ужас, так это патентование.
Официальный проект делал свои открытия достоянием общественности, что делало их непатентоспособными. Доктор Уотсон сказал в интервью, говоря о подходе Celera: «Вы не должны патентовать то, что может сделать обезьяна». Салстон был не менее критичен. «Я считаю, — сказал он, — наша основная информация, наше «программное обеспечение» [имеется в виду геном], должны быть бесплатными и открытыми для всех, чтобы с ними можно было играть, соревноваться, пытаться делать продукты и поэтому Крейг поступил морально неправильно».
Перчатки уже были сняты. Под опекой доктора Ландера (поскольку теперь он стал самопровозглашенным руководителем проекта) усилия команды исследователей были реорганизованы, чтобы заняться по-настоящему большой наукой, с промышленными усилиями, сосредоточенными всего на пяти лабораториях, включая его и Салстона, которые имели возможность быстро масштабироваться. Были установлены новые сроки: подготовить «рабочий проект» к 2001 г. и завершить расшифровку генома в 2003 г. Тем временем Celera построила собственную фабрику по секвенированию генома, оснащенную новыми машинами Perkin-Elmer, в Роквилле, штат Мэриленд, в нескольких км от штаб-квартиры nih в Бетесде.
В конце концов было заключено перемирие. В сделке, заключенной при посредничестве Ари Патриноса, главы отдела Министерства энергетики по проекту, доктор Коллинз и доктор Вентер обменялись рукопожатием под благожелательным взглядом Билла Клинтона в Белом доме 26 июня 2000 года, и гонка была остановлена. Было решено, что обе стороны завершили рабочий проект. В Великобритании Тони Блэр, тогдашний премьер-министр, также почтил доктора Салстона и доктора Сэнгера на Даунинг-стрит, 10. Лопнули пробки от шампанского, и все праздновали.
Однако отпраздновать завершение чего-либо можно только один раз. Поэтому, когда 14 апреля 2003 г. — как постановил доктор Ландер и на два года раньше первоначального графика — консорциум объявил, что проект действительно завершен, никто этого не заметил. И, по правде говоря, даже тогда это было не так. Это объявление касалось готовой последовательности, которая покрывала 99% генома и была точной на 99,99%. Но 99% относятся только к так называемым эухроматическим частям хромосом, битам, где находятся гены. Он проигнорировал все остальное — теломеры, покрывающие каждый конец хромосомы, и центромеру, соединяющую два ее плеча — все они полны повторяющихся и, следовательно, трудно определяемых последовательностей днк .
Тем не менее, эти биты важны. Теломеры сжимаются каждый раз, когда клетка делится, ограничивая количество возможных делений и тем самым способствуя старению. А центромеры — это места, где начинается репликация хромосом, предшествующая клеточному делению. Но только в марте прошлого года эти оставшиеся 8% генома были полностью расшифрованы группой под названием консорциум «Теломера-к-теломере» (t 2 t). И даже это не было фактическим концом. Исследование y — хромосомы, характерное для мужчин и также изобилующее повторяющимися днк , было завершено только в декабре.
Так что проект действительно завершен. Но военачальники и короли давно ушли. Доктор Ватсон и доктор Ландер оба в немилости. В 2007 году и снова в 2019 году первый сделал несколько ужасающих публичных замечаний о генетике, интеллекте и чернокожих, и в результате его в значительной степени избегают. Здравый подход последнего к управлению, который так много сделал для того, чтобы вернуть проект в нужное русло перед лицом проблемы доктора Вентера, теперь не соответствует духу времени. Это привело к обвинениям в том, что он издевался над персоналом во время своего краткого пребывания на посту научного советника президента Джо Байдена, за что он публично извинился.
Доктор Коллинз с мастерством, которым восхитился бы викарий из Брея, не только пережил две смены администрации в качестве главного генетика Америки, но впоследствии, в 2009 году, стал главой Национального института здоровья, где провернул тот же трюк с перескакиванием администрации и ушёл на пенсию в декабре 2021 года. Джон Салстон умер в 2018 году. Доктор Вентер создал некоммерческий исследовательский институт в своем доме в Ла-Хойе, штат Калифорния, который в прошлом году он передал Калифорнийскому университету в Сан-Диего; и коммерческое предприятие Synthetic Genomics (теперь Viridos), к которому также присоединился доктор Патринос, работающее на биотопливе.
Хотя это было выдающееся достижение, никто еще не получил Нобелевскую премию за проект «Геном человека». Возможно, никто и не получит. В конце концов доктор Ватсон был прав наполовину. Получение самой последовательности после того, как технология была усовершенствована, заключалась в основном в повороте ручки. Но что вы делаете с этой последовательностью, это другой вопрос.
Стенограммы реальности
Явная сложность генома стала откровением. На том этапе своей карьеры, когда он работал в национальном институте здоровья, доктор Вентер стремился сократить предприятие, используя метод, называемый тегированием выраженной последовательности. При этом используются днк-копии частей рнк-мессенджеров (поскольку днк является более стабильной молекулой) для характеристики генов, а также для их локализации на хромосомах. Согласно старой модели генов и мусора, следуя этому пути, можно было бы найти множество генов (поскольку только гены изначально транскрибировались в рнк в клетке). Мусор, по его тогдашнему мнению, вероятно, можно было бы проигнорировать.
Создание «транскриптомов», стало одним из первых примеров, когда используемый метод стал действительно полезен. Но способ создания мессенджеров рнк более сложен, чем простое копирование участка днк . Сами гены содержат последовательности, называемые экзонами, которые заканчиваются в мессенджере, а другие, называемые интронами, — нет. (Они копируются, но затем редактируются в процессе сплайсинга.) Кроме того, из одного и того же участка ДНК иногда возникают разные мессенджеры с разными комбинациями экзонов .
Открытие таких тонкостей, которые дают гораздо лучшее понимание того, как работают клетки, чем то, что существовало ранее, подорвало представление о том, что генетика является отдельной дисциплиной, и превратило её в раздел молекулярной биологии. Одной из самых захватывающих областей прикладной биологии на данный момент является область редактирования генов, которая используется как в медицине, так и в сельском хозяйстве. Она основана на модифицированных версиях молекулярных конструкций, которые бактерии используют для уничтожения вирусных вторжений, распознавая их генетический материал. Он использует их для вырезания и замены фрагментов днк в целевых организмах. Генетика? Молекулярная биология? Или без различия?
Понимание генетики на молекулярном уровне также помогает понять и лечить болезни. Особенно это касается рака, который вызывается мутациями частей генома, регулирующих рост и деление клеток. Это верно и для так называемых менделевских расстройств, при которых причиной симптомов является один неисправный ген. Но она имеет гораздо более широкие разветвления, чем эти.
Возникновение биобанков — массовых хранилищ данных и образцов тканей, в которых хранится информация об историях болезни людей и других важных аспектах их жизни, наряду с их геномами, — позволяет обнаруживать более тонкое влияние генов на здоровье, и особенно то, как гены и окружающая среда взаимодействуют, вызывая болезнь. Точно так же, как любое различие между генетикой и молекулярной биологией теперь размыто, то же самое произойдет и с различием между генетическими и негенетическими заболеваниями.
Все это стало возможным благодаря постоянному совершенствованию и удешевлению самого процесса секвенирования. Новейшим машинам фирмы Oxford Nanopore Technologies даже не нужно разбивать нити днк на фрагменты. Скорее, они протягивают всю нить через молекулярную пору диаметром всего несколько нанометров, считывая основания по мере прохождения нити и выдавая результат за считанные минуты.
Ни одна часть биологии не осталась незатронутой последствиями проекта генома. Даже самые приземленные дисциплины, такие как экология и поведение животных, приносят пользу. Они могут использовать секвенирование, чтобы определить, какие виды обитают в данной местности, а иногда и для подсчета отдельных животных. Секвенирование также выявило разнообразие микроорганизмов на суше и в море, о существовании которых до сих пор только догадывались, поскольку большинство таких микробов невозможно культивировать в лабораториях.
И еще одно. Модель многоцентрового сотрудничества, предложенная Международным консорциумом по секвенированию генома человека, теперь является стандартным способом изучения биологии. По-прежнему существует противоречие между тем разнообразием, с которого начинался консорциум, и централизованным подходом к экономии за счет масштаба, который доктор Ландер ввел в конце. Но с огромным улучшением коммуникаций, достигнутым сначала электронной почтой и всемирной паутиной, которая развивалась параллельно с проектом генома, а затем и социальными сетями, теперь стало возможным огромное сотрудничество, например Атлас клеток человека, в котором участвуют 1483 человека. организаций, разбросанных по всему миру.
Какие же минусы проявились? Одна вещь, которая беспокоила людей в 1990-х годах, заключалась в том, что информация о рисках для здоровья, выявленная по днк людей, могла быть использована как работодателями, так и страховыми компаниями. Пока этого не произошло. Во всяком случае, дела пошли в противоположном направлении: в некоторых странах законодательство запрещает дискриминацию со стороны страховых компаний на основании наиболее очевидных генетических различий между мужчинами и женщинами.
Другой страх заключался в том, что генетические знания могут привести к усовершенствованию не только сельскохозяйственных культур и животных, но и людей. Однако когда кто-то действительно попытался это сделать в 2018 году в Китае, у него рухнула крыша. Он подвергся резкой критике со стороны ученых всего мира и заключен в тюрьму правительством своей страны.
Бесконечность не предел
Третье беспокойство заключалось в том, что проект, который по понятным причинам осуществлялся в нескольких богатых странах, не принесет пользы более бедным частям мира. Вначале, действительно, большинство человеческих геномов было собрано в богатом мире. Но это положение меняется.
Например, в 2021 году был создан проект «Три миллиона африканских геномов», чтобы исправить тот факт, что в то время менее 2% всех секвенированных геномов были африканскими, хотя африканцы составляют 17% человечества. Надежда, таким образом, состоит в том, чтобы задать вопросы, ответы на которые больше относятся к Африке, чем к остальному миру. Все больше геномов многих видов добавляются в мировые базы данных (см. диаграмму 2).
Склочные, эгоистичные белые люди, которые в 1990-х годах запустили геномный шар, таким образом, создали нечто, что меняет понимание человечеством как мира, так и самого себя — вплоть до демонстрации того, что многие неафриканцы на самом деле произошли от гибридизации между Homo sapiens и другими видами людей, которые уже жили в Азии и Европе, поскольку первый распространился со своей африканской родины.
Таким образом, геномика стала основой для биологии, подобно тому, как таблица Менделеева образует основу для химии. Это касается всего. И при этом амбиции этих биологических пророков 1980-х годов в отношении их предмета реализуются таким образом, о котором они едва ли могли мечтать.
За последними событиями следите через наш Твиттер @tazabek
По сообщению сайта Tazabek