Книга: Геном человека: Энциклопедия, написанная четырьмя буквами

Лучше изучить лишнее, чем ничего не изучить.

Сенека Старший

Кто хочет много знать,

тому надо мало спать.

Русская пословица 

И вот дошла очередь до расшифровки сокровеннейшей тайны человека — ДНКового текста его генома, который некоторые называют Книгой жизни или Энциклопедией человека.

Напомним еще раз, как все это начиналось и происходило. В 1988 году был создан проект «Геном человека» Национального института здоровья США. Главой работ по полному секвенированию генома человека стал нобелевский лауреат Джеймс Уотсон. Одновременно в России с этой же идеей выступил академик А. А. Баев. Государственная программа «Геном человека» была принята в этом же году в Советском Союзе. Позднее к программе подключились другие страны, и широкомасштабные координированные исследования стали проводиться под эгидой международной организации Human Genom Organisation (HUGO). На работу по секвенированию генома человека, осуществленную этим мировым консорциумом, было потрачено в сумме более 3 миллиардов долларов. В России членами этой организации являются сегодня около 80 российских ученых (председатель Российского совета по геному человека — академик Л. Л. Киселев). Из 24-х хромосом генома человека ученые России в основном концентрировались на 3-й, 13-й и 19-й хромосомах. При этом непосредственно секвенированием ДНК они занимались очень мало, основное внимание было обращено на структурно-функциональные исследования генома. В материальном отношении наш вклад был настолько скромен, что сейчас при общих подсчетах его вообще не учитывают.

Первоначально огромный объем предстоящей работы очень пугал многих исследователей. И действительно ситуация на первых этапах не была слишком обнадеживающей. В первые 2 года работы проекта «Геном человека» скорости секвенирования были еще очень низкими. Для полного завершения работы такими темпами потребовалось бы около 100 лет. Это удручало одних исследователей, но не останавливало других. Последним стало очевидно, что решение данной задачи невыполнимо традиционными методами и необходим поиск новых подходов и технологий расшифровки нуклеотидных последовательностей фрагментов ДНК, а также создание новой вычислительной техники и оригинальных компьютерных программ. Все это, конечно, было невыполнимо в рамках отдельно взятого государства. По этой причине к проекту были привлечены около 20 различных стран, организован международный банк данных, куда поставлялась вся информация, полученная в процессе решения данной задачи. В результате технических новаций постепенно возрастала производительность аппаратуры, стали использовать промышленные роботы, многие процессы были автоматизированы. И вскоре скорость секвенирования достигла 10 млн. нуклеотидных пар в сутки! Теперь уже выполнение проекта стало реальностью. За 1995 г. длина участков ДНК человека с установленной последовательностью нуклеотидов увеличилась почти в 10 раз, но это составляло еще менее 0,001 % от всего генома человека. К началу 1998 г. было секвенировано всего около 3 % генома.

Примерно в это время к работе по секвенированию ДНК человека неожиданно присоединилась частная американская компания из штата Мериленд «Celera Genomics» под руководством Крега Вентера, которая объявила, что закончит свою работу на 4 года раньше международного консорциума. Это сильно подхлестнуло всех участников.

Следует отметить, что два конкурирующих коллектива — HUGO и Celera — использовали в своей работе разные подходы к секвенированию ДНК. Эту разницу можно сравнить с процессом создания подробной маршрутной карты. Можно описать подробнейшим образом каждую горку, каждую канавку, каждый бугорок. А можно описать весь путь, но при этом отметить только наиболее важные участки. Международный консорциум применил в своей работе традиционный метод, который заключался в том, что «кусочки» молекул ДНК выстраивали друг за другом: сначала делали карты хромосом, а потом по ним «прогуливались». Таким образом, ученые теряли время на подготовке материала, картировании, но выигрывали в секвенировании — не нужно было помногу раз делать одно и то же. Руководитель компании «Селера» Крег Вентер предложил ускоренный вариант, так называемый «шрапнельный» метод расшифровки структуры целого генома. Этот метод предусматривает разделение всего генома на небольшие фрагменты ДНК без предварительного их картирования, а затем расшифровку последовательностей с использованием высокопроизводительных автоматов и «сборку» фрагментов в нужном порядке с помощью суперкомпьютера с учетом соответствия перекрывающихся нуклеотидных последовательностей на концах фрагментов. Все это напоминает сборку гигантского неизвестного паззла по отдельным совершенно абстрактным его фрагментам. Метод, конечно, казался очень простым, но при этом одни и те же «кусочки» неизбежно попадали в аппарат-секвенатор по 10, а то и по 20 раз. «Celera», конечно же, теряла на том, что по многу раз секвенировала одни и те же фрагменты, поскольку до начала их секвенирования ничего о них не знала. Это казалось многим непроизводительной тратой средств и времени. Но в конечном итоге в результате использования своего подхода «Селера» сильно сэкономила время и деньги на предварительной подготовке материала, так как нужно было только раздробить ДНК на фрагменты и не заниматься трудоемким процессом их предварительного картирования. Кроме того, «Селера» почти с самого начала использовала специальный робот, который способен автоматически расшифровывать ДНК. Этот робот обладал способностью метить разные «буквы» ДНКового текста различными флюоресцирующими красками, а затем с помощью лазера считывать последовательности цветов, как последовательность букв. Огромный объем информации обрабатывался с помощью уникального суперкомпьютера. Celera по-латински обозначает «быстрая». И компания оправдала свое название. Еще в 1995-м году на основе предложенного Вентером подхода было осуществлено секвенирование генома бактерии Haemophilus influenzae . А когда «Селера» приступила к секвенированию генома человека, то и здесь добилась большого успеха, быстро встав по числу секвенированных нуклеотидных последовательностей генома человека вровень с международным консорциумом.

Началась беспримерная в науке гонка. Два коллектива работали независимо, не жалея сил, чтобы придти к финишу первыми. Технология все время совершенствовалась. В результате жесткой конкуренции была создана, можно сказать, новая индустрия по секвенированию ДНК. В Англии, США, Франции, Германии, Японии появились гигантские автоматизированные фабрики — геномотроны, — секвенирующие по несколько миллионов нуклеотидов в неделю.

И вот произошло долгожданное событие: в декабрьском номере журнала Nature за 1999 год появилась статья под названием «Нуклеотидные последовательности первой хромосомы человека». В этой статье коллектив, состоящий из более чем двухсот авторов, сообщил о полном секвенировании одной из самых малых хромосом человека — хромосомы под номером 22. Выход этой статьи окончательно подтвердил тот факт, что проект «Геном человека» будет выполнен. Произошедшее событие некоторые ученые сравнили с первым взглядом на ландшафт новой планеты.

Между разными участниками гонки, призом в которой была полная последовательность нуклеотидов генома человека, с самого начала возникло еще одно существенное противоречие. Суть его заключалась в том, что Вентер и его компания «Селера» настаивали на праве индивидуального владения всеми данными, полученными при установлении последовательности нуклеотидов, и возможности получать коммерческую выгоду от всех видов использования этих материалов. Руководители международного проекта считали, что результаты расшифровки генома должны быть доступны всем ученым и использоваться ими без всяких ограничений. Спор достиг такого накала, что в это вынуждены были вмешаться даже главы разных правительств. Весной 2000 года президент США Билл Клинтон и британский премьер-министр Тони Блэр выступили с совместным заявлением, в котором поддержали позицию руководителей международного проекта «Геном человека». В конечном итоге консенсус был достигнут, и в июне 2000 года два конкурирующих коллектива — «Celera Genomics» и международный консорциум, — объединив свои данные, официально объявили о том, что их совместными усилиями в целом завершено секвенирование генома человека, создан его черновой вариант.

Проект «Геном человека» оказался одним из наиболее дерзновенных, дорогостоящих и потенциально важных проектов в истории науки. Согласно первоначальным расчетам, работа по расшифровке генома человека должна была окончиться в 2005-м году и стоить в общей сложности 3 миллиарда долларов. Но жизнь внесла свои существенные поправки, и в конечном итоге проект реализовался на 5 лет быстрее, но на его реализацию потребовалось уже примерно 6 миллиардов долларов, т. е. чуть меньше чем по 2 доллара за каждую пару нуклеотидов. Дополнительные 3 миллиарда долларов были добавлены частным капиталом присоединившейся позднее компании Celera Genomics. Научные публикации чернового варианта структуры генома человека появились в феврале 2001 года. Качество секвенирования достаточно высокое и предполагает в среднем наличие только одного ошибочно определенного нуклеотида на протяжении более 50 тыс. п. н.

Итак, на сегодняшний день в основном геном человека секвенирован, т. е. определен порядок расположения нуклеотидов во всех молекулах ДНК на всех хромосомах. Текст этот огромен. По последним данным он состоит из 3,2 миллиардов «букв». Вся эта информация теперь содержится в сверхмощных компьютерах (книга с этим текстом не издана и едва ли будет издана когда-либо). Вокруг этого события сразу же поднялся невероятный шум и ажиотаж. Но только специалисты понимали до конца и тот огромный успех, который был достигнут в результате реализации первого этапа программы, и сверхтрудность тех задач, которые еще предстоит решить человечеству до достижения конечной цели. Важно понимать, что все произошедшее не означает автоматически, что геном человека расшифрован, что мы можем уже этот текст читать как любую другую книгу без всяких проблем. Секвенирование (определение последовательностей нуклеотидов) не приводит автоматически к пониманию того, что написано (т. е. собственно говоря, к расшифровке). С имеющимся текстом предстоит еще очень долго разбираться, в частности, правильно расставить знаки пунктуации, выверить опечатки и др. Где-то они уже намечены, а где-то еще предстоит их проставить. Расшифровать нуклеотидную последовательность — это все равно, что читать книгу, просто произнося названия букв подряд. Найти ген значит понять, как буквы складываются в слова. Но нужно еще понять и смысл фразы. И это теперь основная проблема. Кроме того, следует еще добавить, что ДНКовый текст написан на «мертвом» языке, в расшифровке которого науке помочь попросту некому — надеяться нужно только на себя. Как воображение кошки во дворце английской королевы не поднялось выше мышки, так, вероятно, обстоит дело и с нашим сегодняшним пониманием генома. Все богатство этой Энциклопедии нам еще предстоит осознать.

У читателя может возникнуть вполне естественный вопрос: геном какого же человека определен в результате этих титанических усилий, кто этот конкретный человек? Четкого ответа пока нет, но ясно, что это не один человек, а, по крайней мере, 7–10 различных людей. Согласно имеющимся данным, фирма Celera в основном ориентировалась на геном одного человека, о котором известно лишь, что это белый мужчина среднего возраста. Скорее всего, это был сам глава корпорации Крег Вентер, хотя другие источники утверждают, что Celera использовала 5 человек (3 мужчин и 2 женщины), относящихся к разным расам — афро-американской, монголоидной и европеоидной. Международный консорциум использовал в своей работе материал не менее семи различных людей. В любом случае каждый из двух соперничавших коллективов брал для анализа ДНК из своего источника. А в результате опубликована усредненная нуклеотидная последовательность одного человеческого генома.

На основании полученных данных мы сегодня имеем общую характеристику нуклеотидных последовательностей ДНК, образующих геном человека, которая не будет существенно пересмотрена в дальнейшем. Можно ожидать, что множество деталей еще будет уточняться и меняться, но общая характеристика безусловно останется неизменной. Это сродни догмату папской непогрешимости: Roma locuta res finita est  (Рим сказал свое слово, дело окончено).

Теперь вспомним основные этапы, по которым двигалась наука на пути к достижению полного секвенирования генома человека.