Зашифрованное послание Природы, или О чём молчит геном

После завершения в 2003 году международного проекта «Геном человека», мы плавно перешли в постгеномную эру. Сегодня необходима всеобщая генетическая грамотность, ведь это означает знание своего здоровья, потенциальных возможностей и скрытых способностей.

Чем знаменит 1953 год? Многие сразу ответят, что в этот год закончилась страшная эпоха сталинизма. И мало кто из обычных людей вспомнит, что именно в этом году состоялось открытие, совершившее переворот в науке: Уотсон и Крик (впоследствии нобелевские лауреаты) создали пространственную модель ДНК. С этого момента началась эпоха молекулярной биологии.

Код доступа

В XX веке было установлено, что наследственная информация имеет вполне конкретный материальный носитель, нечто вроде магнитной ленты — молекулы ДНК, называемые иначе хромосомами (у человека их 46). ДНК — единственные из всех живых молекул могут воспроизводить сами себя. Они невероятно длинные. Если их изъять из ядра одной человеческой клетки и сложить, их длина составит около двух метров!

Построены они из чередования четырех «букв», знаменитых нуклеотидов — А, Г ,Т, Ц. Именно этими буквами кодируется информация о всех признаках нашего организма. Это можно сравнить с буквами алфавита. Располагая и чередуя их в определенном порядке, мы складываем текст, в который заключаем некий смысл, информацию. Точно так же поступила Природа, записав Книгу нашей жизни в молекулы ДНК.

За 50 лет, а для науки это очень маленький срок, ученые научились извлекать ДНК, резать ее с помощью специальных ферментов-«ножниц», сшивать с помощью специальных ферментов «клей». Появилась целая область науки «Генная инженерия». Биологи стали заниматься конструированием новых организмов, со встроенными в них чужими генами (знаменитые ГМО).

Но хромосомный «текст» человека — его геном — научились читать только в конце XX в.

Что скрывается за словами «прочитать геном»? Это означает установить последовательность нуклеотидных звеньев в каждой хромосоме человека. Это была огромная по своему масштабу экспериментальная работа, потому что размер генома человека достаточно велик — свыше трех миллиардов нуклеотидов. Метод установления нуклеотидной последовательности ДНК — секвенирование, основанный на химико-ферментативном синтезе, был разработан дважды нобелевским лауреатом Ф. Сэнгером.

Для прочтения ДНК ее извлекают из ядра клетки донора, разрезают на короткие перекрывающиеся фрагменты, каждый многократно копируют в клетках бактерий и, наконец, устанавливают последовательность нуклеотидов.

По перекрыванию расшифрованных последовательностей можно восстановить последовательности все более крупных фрагментов (что-то вроде игры в домино) и в итоге целой хромосомы. Для складывания такого «домино» из нескольких миллиардов «фишек» понадобились суперкомпьютеры, а также миллиарды долларов.

Проведем такую аналогию. Археологи в некой гробнице откопали рукопись (геном), прочитали текст, насчитывающий три миллиарда знаков, например, ААТТТГЦЦЦ … Но что кроется за этим посланием?

Молекулярные часы

К началу XXI века ученые уже умели расшифровывать криптические тексты ДНК. «Прочтение» генома принесло немало сюрпризов и больше вопросов, чем ответов. Вот пример. Человек обладает невероятно развитым мозгом, мышлением, речью, тем, что существенно отличает его от остальных живых организмов. Поэтому ученые предполагали, что у нас должно быть очень много генов, порядка 100 тысяч. Каково же было их изумление , когда закончив секвенирование человеческой ДНК, ученые насчитали в ней всего около 25 тысяч генов!

Для сравнения: у мышей и крыс генов фактически столько же, сколько у человека. У аквариумной рыбы-зебры — 31 тысяча, у примитивного червячка-нематоды около 20 тысяч. У большинства бактерий число генов в 6 — 10 раз меньше, чем у человека. Дикая горчица арабидопсис (представитель растительного царства) имеет столько же генов, что и человек. У человека с мышью 99% общих генов. У человека, мухи-дрозофилы и червя около 1500 общих генов. Следовательно, сложность организации живого существа вовсе не зависит от количества генов.

Сравнение геномов человека с другими организмами сформировало целое направление в науке — сравнительную геномику. Это научное направление может помочь восстановить естественную историю развития жизни на Земле, в том числе возникновения человека.

Вернемся к аналогии с древней рукописью. Если бы на протяжении столетий ее правили летописцы и свои правки оставляли на полях, по этим правкам мы могли бы проследить ход истории. То же и с текстом, записанным в ДНК. На протяжении длительного времени, при передаче молекул ДНК от родителей потомкам в ДНК происходят мутации (те самые «правки») — случайные замены букв-нуклеотидов. Большинство из них выбраковывается естественным отбором, но часть может сохраниться и привести к образованию нового вида. По появлению этих мутаций устанавливается время образования новых видов, то есть текст ДНК можно использовать как молекулярные часы.

Миллион отличий

Не меньшее изумление у ученых вызвало огромное количество ДНК, которое не несет смысловой нагрузки. Точнее, не кодирует информацию о белках, из которых строится наше тело. В свое время Дж. Уотсон назвал ее «мусорной» или «эгоистичной» ДНК.

Сегодня отношение к ней изменилось. Некоторым фрагментам молчащей ДНК отведена роль дирижера оркестром: они как бы указывают, каким генам и когда молчать или, наоборот, быть активными.

Интересно, что в нашем геноме огромное количество повторов, прыгающих генов, которые достались нам от вирусов, много копий работающих генов, Но, как шутят ученые, это мы не понимаем, зачем столько молчащей ДНК, клетка и живое это знают!

Удивительным оказалось и то, что люди отличаются друг от друга по числу генов или числу их копий. Каждые два человека в среднем имеют миллион отличий! Каждый человек генетически неповторим и, соответственно, для каждого из нас характерен свой уникальный биохимический портрет.

Только программа

Но важно не только идентифицировать гены, но и понять, какую они несут функцию. Этим стала заниматься функциональная геномика. Задача очень сложная, так как практически все в нашем организме — результат функционирования многих разных белков и соответствующих им генов. Если ученые и говорят сегодня, что нашли ген авантюризма или лени, это не более чем генетический сленг. Например, обнаружены три гена, отвечающих за математические способности человека.

А вообще генов, отвечающих за процессы мышления, уже идентифицировано несколько сотен. Мутация гена, отвечающего за биосинтез гормона счастья, связана с повышенной агрессивностью.

Оказывается, не только способность к речи, но и отдельные грамматические функции зависят от работы конкретных генов. Например, идентифицирован ген, мутация в котором приводит к серьезным нарушениям речи, а именно к неспособности использовать грамматическую суффиксацию. Интеллект при этом не страдает.

Достоверно доказана генетически обусловленная предрасположенность к таким психологическим характеристикам как любопытство, проницательность, богатое воображение, добродушие, ответственность, организованность, раздражительность, беспокойство, решительность, лидерские качества.

Но не нужно думать, что только от генов зависят наши особенности и поведение. Гены — это программа нашего развития, а вот как она будет реализована, зависит от множества причин, в том числе от влияния окружающей среды и от образа жизни человека.

Болезнь до рождения

Самые большие надежды ученые возлагают на возможность использования знаний о геноме в медицине. Возникло целое направление — молекулярная медицина. К настоящему времени обнаружены гены, вызывающие развитие таких серьезнейших заболеваний, как болезнь Альцгеймера, дистрофия Дюшенна и другие.

Еще в 1999 году расшифровали по набору генов 22-ю хромосому. С дефектами в ней связано 27 заболеваний, среди них, шизофрения. Если таких хромосом у человека оказывается три, а не две, как в норме, это вызывает спонтанные аборты.

Сегодня акцент делается на дальнейшем развитии предиктивной (предсказательной) медицины. Уникальный набор генных мутаций каждого конкретного человека предопределяет врожденную (наследственную) предрасположенность к тем или иным заболеваниям. По мнению ученых болезни выбирают нас еще до рождения.

Самым эффективным способом избавить человека от дефектного гена — заменить его здоровым. И хотя примеры такого рода в генной терапии имеются, современные технологии не позволяют адресно доставлять здоровые гены во все клетки организма.

Еще одна трудность состоит в том, что в формировании многих наследственных заболеваний играют роль целые генные «коллективы», то есть болезнь носит полигенную природу. Наиболее обширная группа генов, так называемая генная сеть, определена для сердечно-сосудистых заболеваний: таких генов около 200.

Удостоверение личности?

Генетический паспорт в идеале — это полная геномная последовательность человека, записанная на цифровой носитель или, по крайней мере, секвенированная последовательность участков генома, связанных с риском заболевания. Например, обнаружен ген, связанный с регуляцией обмена глюкозы и с риском развития диабета II типа. Часто ожирение и диабет II типа сопутствуют друг другу.

Открытие помогает объяснить, почему некоторые люди остаются худыми, строго не ограничивая себя в пище, а другие, толстеют от воздуха и к 40 годам у них диагностируется инсулин-независимая форма диабета. Знание индивидуальной активности данного гена помогло бы человеку смолоду придерживаться правильной диеты.

Изменения в генах. контролирующих суточные ритмы и активных не только в головном мозге, но и в фоторецепторах глаз органах пищеварения и репродуктивных органах, приводят к разделению людей на «сов», «голубей» и «жаворонков». Образ жизни, противоречащий генотипу, может привести к раннему развитию сердечно-сосудистых патологий и онкологических заболеваний.

Идентифицированы гены предрасположенности к раку молочной железы. Мутации в этих генах сильно увеличивают риск развития заболевания. Профилактическая мастэктомия (удаление молочной железы) носительниц мутантных генов могла бы спасти им жизнь. Будущим супругам важно знать, что когда у них обоих поврежден один и тот же важный ген, то больной ребенок появится с вероятностью 25%.

Правда, уже высказываются опасения, что такой паспорт может служить поводом для дискриминации работодателем или для ошибочного выбора жизненного пути. Сегодня иметь или нет генетический паспорт — личное дело человека, а не обязанность.