Первое, что заметила Дэбби Джорд (Debbie Jorde) у своей новорожденной дочери – это неестественно согнутые руки. Но у нее были и другие дефекты развития: волчья пасть, восемь пальцев на руках, восемь пальцев на ногах и отсутствие нижних век. Ребенку поставили диагноз синдрома Миллера – настолько редкого заболевания, что врачи долгое время считали, что оно не передается из поколения в поколение, а развивается только в результате спонтанных мутаций. У сына Дэбби Джорд, рожденного тремя годами ранее, были те же симптомы. Врачи уверяли, что вероятность рождения второго ребенка с таким же синдромом составляла один на миллион. Но они ошибались.
Муж Дэбби Линн Джорд (Lynn Jorde), генетик из Университета Юты (University of Utah) (Солт-Лейк Сити, США), все еще вспоминает слова врачей, сказавших, что для данного заболевания слишком мало данных, чтобы предсказать риск его развития.
Теперь, благодаря секвенированию нового поколения, Дэбби и ее дети знают свой генетический риск. Дэбби, ее муж и двое уже взрослых детей – Хизер и Логан Мадсен, стали первой семьей, чьи геномы были полностью секвенированы в 2009 г. .
На протяжении 6 месяцев ученые проводили перекрестный анализ огромного количества последовательностей ДНК из 4 геномов. Параллельное секвенирование геномов других пациентов с синдромом Миллера позволило выявить ген, ответственный за развитие данного заболевания. Им оказался ген DHODH , кодирующий белок, участвующий в синтезе нуклеотидов. Выяснилось, что заболевание носит рецессивный характер наследования. В данном случае оба родителя являлись носителями одной мутантной копии гена, следовательно, шансы рождения больного ребенка составляли 25%. Генетический анализ позволил выявить у детей еще одно рецессивное наследственное заболевание – первичную цилиарную дискинезию , влияющую на развитие легких. «До этого мы не могли понять, почему у детей так часто возникает пневмония» , - говорит Дэбби.
Семьи наподобие Джорд составляют небольшую, но все растущую группу людей, в основном с редкими заболеваниями, чьи геномы были секвенированы с целью постановки диагноза и изучения конкретной болезни. Хотя знание о полной последовательности ДНК никак не повлияло на лечение Хизер и Логана, многие люди секвенируют свой геном именно с этой целью. В прошлом году мальчику из Висконсина (США) на основании результатов секвенирования был имплантирован жизненно необходимый трансплантат красного костного мозга . Женщине с лейкемией, а также близнецам с редким наследственным заболеванием, результаты секвенирования помогли назначить адекватное лечение (см. ).
До настоящего времени секвенировать свой геном могли лишь люди, лично знавшие ученых, заинтересованных в клинической генетике, либо семьи с очень редкими заболеваниями, наподобие Джорд. Но теперь, когда полногеномное секвенирование становится все дешевле и доступнее, по всему миру запускаются клинические программы для анализа секвенированных последовательностей. Компания Illumina (Сан-Диего, США), продающая секвенаторы и программы для их обработки, предлагает услугу полногеномного секвенирования всего за 7500 долларов США для людей с тяжелыми наследственными заболеваниями, и за 10000 долларов США для онкологических больных, которым необходимо секвенировать геномы раковых и здоровых клеток.
Поскольку цены на секвенирование продолжают падать, через некоторое время определение последовательности целого генома и ее анализ будет сродни процедуре магнитно-резонансной томографии (МРТ). «Это будет так же просто, как и проведение любого другого медицинского анализа , - говорит Дэвид Бик (David Bick), клинический генетик из Медицинского Колледжа Висконсина (Medical College of Wisconsin , США), - Однако, в отличие от результатов большинства медицинских тестов, секвенирование генома предоставит огромное количество трудно интерпретируемых данных, из которых далеко не вся информация будет необходима для диагностики или лечения заболеваний пациента. Кроме того, пациент получит нежелательную информацию о предрасположенности к некоторым другим заболеваниям» .
«Анализ геномов и консультирование пациентов и их семей может стать слишком тяжелым бременем для клиницистов. То, что было опробовано на нескольких пациентах, нельзя сразу перенести на широкое клиническое использование , - говорит Эрик Грин (Eric Green), директор Национального Исследовательского Института Генома Человека (National Human Genome Research Institute, NHGRI) в Бетесде (США), - Хотя некоторые отдельные случаи очень показательны» .
Николас Волькер (Nicholas Volker) родился с недиагностируемым заболеванием кишечника, проявляющимся периодическим образованием в нем фистул, что требовало постоянного хирургического вмешательства. К тому времени, как Волькеру исполнилось 3 года, он перенес более 100 операций. Врачи предполагали, что у ребенка иммунный дефицит, и трансплантат красного костного мозга будет правильным решением проблемы. Но большое количество анализов, включая секвенирование нескольких генов, не подтвердило поставленный диагноз. После многочисленных обсуждений группа ученых из Медицинского Колледжа Висконсина решила секвенировать его экзом – последовательности, непосредственно кодирующие молекулы РНК и составляющие 1-2% генома.
Исследовав последовательности с помощью специальных программ, ученые выявили мутацию на Х-хромосоме в гене XIAP (X-linked inhibitor of Apoptosis). Известно, что дефицит белка, кодируемого данным геном, определяет высокий риск развития смертельного иммунного заболевания, и трансплантация красного костного мозга в данном случае просто необходима.
Первая программа по сравнительному полногеномному секвенированию была создана в Медицинском Колледже Висконсина. В настоящее время клинические генетики колледжа концентрируют свое внимание на пациентах с редкими наследственными заболеваниями, для которых идентификация генетических дефектов позволяет определить курс лечения. Для некоторых пациентов, принявших участие в программе, расходы согласились оплатить страховые компании. «Их обоснование довольно просто , - говорит Тина Хэмбак (Tina Hambuch), главный разработчик из клинической лаборатории компании Illumina , - Полногеномное секвенирование может обойтись дешевле серии генетических тестов, а также прояснить, потребуется ли дорогостоящее лечение» .
Примеру Медицинского Колледжа Висконсина последовали и другие институты. В Великобритании Центр Генетики Человека Wellcome Trust Centre for Human Genetics (Оксфорд) планирует отсеквенировать геномы 500 человек. Программа Недиагностируемых Заболеваний (The Undiagnosed Diseases Program) Национальных Институтов Здоровья в Бетесде (США) осуществляет секвенирование пациентов с 2008 г. Было проанализировано более 140 экзомов и 5 геномов с целью поиска молекулярных основ трудно диагностируемых заболеваний.
Генетические основы многих заболеваний все еще не изучены. Он-лайн ресурс OMIM (Online Mendelian Inheritance in Man) содержит характеристики более 7000 заболеваний человека, и только для половины из них описаны молекулярные механизмы. По словам Эрика Грина, в ближайшее время Национальный Исследовательский Институт Генома Человека выдаст грант на финансирование нескольких центров секвенирования, занимающихся исследованием молекулярных причин заболеваний.
По словам ученых, результаты секвенирования проще будет использовать для диагностики и терапии рака, нежели редких наследственных заболеваний. Клиницисты уже проводят детальный анализ некоторых раковых опухолей, чтобы адаптировать терапию под генетические характеристики пациента. Например, в геноме конкретной раковой клетки иногда можно обнаружить дефекты химических сигнальных путей, исходя из чего можно подобрать определенный препарат. Для стандартных методов диагностики это не представляется возможным.
В 2007 г. 78-летний канадец с раком языка, давшим метастазы практически по всему организму, проходил лечение в онкологическом центре British Columbia Cancer Agency (Ванкувер, Канада). Для этого типа рака не существовало одобренного метода лечения, и врачи убедили ученых онкологического центра провести секвенирование генома опухолевых клеток. Ученые также проанализировали транскриптом, что позволило изучить не только последовательность ДНК, но и количество продуцируемой опухолевыми клетками РНК. Сравнив полученные данные с данными по другим раковым опухолям и последовательностью генома нормальных клеток, ученые сконцентрировали свое внимание на гене RET , который был дуплицирован в геноме раковых клеток и транскрибировался в большое количество молекул мРНК. Известно несколько препаратов, ингибирующих белок, кодируемый данным геном. По словам Марко Марра (Marco Marra), директора онкологического центра, после долгих размышлений предпочтение было отдано препарату сунитинибу. На несколько месяцев развитие рака удалось приостановить, после чего опухоль снова начала метастазировать. Анализ вновь образовавшихся опухолей показал, что в злокачественных клетках активировались сигнальные пути, вызывающие рак, что сделано опухоль резистентной к первому препарату, но, возможно, чувствительной к другим. Но, к сожалению, было слишком поздно: пациент умер.
Научная группа Марра в настоящее время работает над созданием проекта по улучшению диагностики другого типа рака – острой миелоидной лейкемии – с помощью секвенирования генома и транскриптома. Вдохновленные примером Марра, генетики из Университета Вашингтона (Washington University) в Сент-Луисе (США) также осуществляют секвенирование геномов онкологических больных с целью подбора эффективной противораковой терапии.
Однако перевод полногеномного секвенирования из области исследований в клиническую практику сталкивается с определенными препятствиями. В отличие от исследовательской деятельности, секвенирование ДНК, предназначенное для постановки диагноза, должно проводиться в аккредитованных лабораториях, таких как в компании Illumina . Наблюдательные комитеты, осуществляющие надзор за исследованиями на человеке, еще не достигли консенсуса о том, требуется ли одобрение процедуры клинического секвенирования, а Управлению по Контролю за Качеством Пищевых Продуктов и Лекарственных Средств США (US Food and Drug Administration , FDA) еще предстоит решить, как регулировать приближающуюся волну клинического секвенирования.
Многие ученые и клиницисты опасаются, что в системе здравоохранения не достаточно людей, хорошо разбирающихся в области геномики и биоинформатики, чтобы адекватно интерпретировать огромный поток информации. По словам экспертов, данные о заболеваниях человека разбросаны по многочисленным научным статьям и базам данных, в которых порою трудно разобраться. Кроме того, анализ последовательности представляет собой весьма трудоемкую работу. По словам Хэмбак, в тех нескольких научно-исследовательских проектах, в которых принимала участие компания Illumina , только выявление всех полиморфных вариантов генома заняло 2-3 недели. «Это трудоемкая работа для высокопрофильных специалистов» , - комментирует Хэмбак.
Некоторая информация может оказаться лишней для пациентов. Медицинские генетики и специалисты по этике уже давно обеспокоены поиском генетических маркеров, связанных с риском заболеваний, не поддающихся лечению. Имея полную последовательность генома, вероятность получения такой «лишней» информации взмывает вверх. Ситуация также сложна для юных пациентов. Имеют ли родители право решать за детей, какую информацию им стоит знать, а какую – нет.
По этим причинам Стефан Кингсмор (Stephen Kingsmore), работающий в клинике Children"s Mercy Hospital в Канзас-Сити (США), утверждает, что клиническое секвенирование должно носить ограниченный характер. В настоящее время его научная группа разрабатывает метод одновременной детекции панели мутаций, связанных с более 600 рецессивными заболеваниями.
Но некоторые генетики считают, что «поезд не остановить». «После того как была продемонстрирована информативность данной технологии, я думаю, она будет широко использоваться» , - говорит Хакон Хаконарсон (Hakon Hakonarson), в настоящее время запускающий программу клинического секвенирования в Детском Госпитале Филадельфии (Children"s Hospital of Philadelphia , США).
Семья Джорд все еще размышляет над тем, что им дало секвенирование. И хотя его результаты все равно не повлияли на терапию, если бы Дэбби и Линн знали о проблемах с легкими детей раньше, можно было бы избежать опасной операции, которую пришлось перенести Хизер и Логану, чтобы снизить вероятность рецидива пневмонии.
По мнению Линна, клиническое секвенирование ждет успех. «Но я прирожденный оптимист» , - добавляет он.
Оригинальный текст: Brendan Maher
«Сегодня, через десять лет после завершения Проекта по расшифровке генома человека, можно сказать: биология – намного сложнее, чем раньше представляли себе ученые», - так пишет Эрика Чек Хейден в выпуске Nature News за 31 марта и в выпуске журнала Nature за 1 апреля.1
Проект по расшифровке генома человека стал одним из самых больших научных достижений конца ХХ ст. Некоторые сравнивают его с Манхэттенским проектом (программа США по разработке ядерного оружия) или программой "Аполлон" (пилотируемые космические полеты НАСА). Ранее чтение последовательности из ДНК символов считалось скучной и кропотливой работой. Сегодня, расшифровка генома является чем-то естественным. Но вместе с появлением новых данных о геномах разнообразных организмов – от дрожжевых грибков до неандертальцев, стало очевидно: «По мере того, как секвенирование и другие прогрессивные технологии предоставляют нам новые данные, сложность биологии растет просто на глазах» , - пишет Хейден.
Некоторые открытия были удивительно простыми. Генетики ожидали обнаружить в человеческом геноме 100 тыс. генов, а их оказалось примерно 21 тыс. Но, к своему удивлению, наряду с ними ученые обнаружили и другие вспомогательные молекулы – факторы транскрипции, маленькие РНК, белки-регуляторы, активно и взаимосвязано действующие по схеме, которая просто не укладывается в голове. Хейден сравнила их с множеством Мандельброта во фрактальной геометрии, что доказывает еще более глубокий уровень сложности биологических систем.
«В самом начале мы думали, что пути передачи сигналов являются довольно простыми и прямыми, - говорит биолог из университета Торонто в Онтарио Тони Поусон. -Теперь мы понимаем, что передача информации в клетках происходит через целую информационную сеть, а не по простым, отдельным путям. Эта сеть – намного сложнее, чем мы думали».
Хейден признает, что концепция «мусорной ДНК» разбита в пух и прах . Относительно же представления, согласно которому регуляция генов является прямым и линейным процессом, т.е. гены кодируют белки-регуляторы, контролирующие транскрипцию, она отметила: «Всего десять лет постгеномной эры в биологии уничтожили такое представление». «Новый взгляд биологии на мир некодирующей ДНК, которую раньше называли «мусорной ДНК», очаровывает и сбивает с толку». Если эта ДНК мусорная, то почему человеческий организм расшифровывает от 74% до 93% этой ДНК? Изобилие маленьких РНК, образуемых этими некодирующими участками и то, как они взаимодействуют друг с другом, стало для нас полной неожиданностью.
Понимание всего этого рассеивает некую изначальную наивность Проекта по расшифровке генома человека . Исследователи намеревались «раскрыть тайны всего: от эволюции до происхождения болезней» . Ученые надеялись найти лекарство от рака и через генетический код проследить путь эволюции. Так было в 1990-х гг. Биолог-математик из университета Пенсильвании (Филадельфия) Джошуа Плоткин сказал: «Уже само существование этих необычайных белков-регуляторов говорит о том, каким невероятно наивным является наше понимание основных процессов, к примеру, каким образом запускается и останавливается работа клетки» . Генетик Принстонского университета (Нью-Джерси) Леонид Кругляк говорит: «Наивно полагать, что для понимания любого процесса (будь то биология, прогноз погоды или что-нибудь другое) достаточно просто взять огромное количество данных, пропустить их через программу анализа данных и понять, что происходит в ходе этого процесса» .
Однако некоторые ученые до сих пор ищут простоту в сложных системах. Принципы нисходящего анализа пытаются создать модели, в которых базовые точки отсчета становятся на свое место.
Новая дисциплина "Системная биология" разработана, чтобы помочь ученым понять сложность существующих систем. Биологи надеялись, что, перечислив все взаимодействия в схеме работы белка p53, клетки или между группой клеток, а затем, переснеся их на вычислительную модель, они смогут понять, как работают все биологические системы.
За бурные постгеномные годы системные биологи начали огромное количество проектов, построенных на основе этой стратегии: они попытались создать биологические модели таких систем, как клетка дрожжевых грибков, E. coli, печень и даже «виртуальный человек». В настоящее время все эти попытки натолкнулись на одно и то же препятствие: невозможно собрать всю значимую информацию о каждом взаимодействии, включенном в модель.
Схема работы белка p53, о котором говорит Хейден, является замечательным примером неожиданной сложности. Обнаруженный в 1979 г. белок p53 сначала считался промоутером (способствующим фактором) рака, а не его подавителем. «Несколько других белков были исследованы более досконально, чем белок p53 , – отметила ученая. -Однако история белка p53 оказалась намного более сложной, чем мы полагали вначале» . Она раскрыла некоторые подробности:
«Теперь исследователям известно, что белок p53 связывается с тысячами участками ДНК, и некоторые из этих участков являются тысячами пар оснований других генов. Этот белок оказывает влияние на рост, гибель и структуру клеток, а также на восстановление ДНК. Он также связывается с множеством других белков, которые могут изменять его активность, и эти взаимодействия между белками можно регулировать путем добавления таких химических модификаторов, как фосфатные и метиловые группы. С помощью процесса, известного как альтернативный сплайсинг, белок p53 может приобретать девять разных форм , каждая из которых имеет свою собственную активность и химические модификаторы. Теперь биологи понимают, что белок p53 участвует в таких не связанных с раком процессах, как фертильность и ранние этапы эмбрионального развития. Кстати, совершенно безграмотно пытаться понять один только белок p53. В связи с этим биологи переключились на изучение взаимодействий белка p53, как показано на рисунках с рамочками, кружочками и стрелочками, которые символически изображают его сложный лабиринт связей».
Теория взаимодействий – новая парадигма, которая пришла на смену однонаправленной линейной схеме «ген - РНК – белок». Эта схема называлась раньше «Центральной догмой» генетики. Теперь же всё выглядит неимоверно живым и энергичным, с промоутерами, блокаторами и интерактомами, цепями обратной связи, процессами прямой связи и «непостижимо сложными путями сигнальной трансдукции». «История белка p53 – это еще один пример того, как с появлением технологий геномной эры меняется понимание биологов» , - отметила Хейден. -Это расширило наши представления об известных взаимодействиях белков, и разрушило старые идеи о путях передачи сигналов, в которых такие белки, как p53, запускали в действие определенное множество нисходящих последовательностей».
Биологи допустили распространенную ошибку, посчитав, что большее количество информации принесет больше понимания. Некоторые ученые до сих пор продолжают работать по типу «снизу верх», полагая, что в основе всего лежит простота, которая рано или поздно обнаружится. «Люди привыкли всё усложнять» , - отметил один исследователь из города Беркли. В то же время другой ученый, планировавший раскрыть геном дрожжевого грибка и его взаимосвязи к 2007 г., вынужден был отложить свои планы на несколько десятилетий. Совершенно ясно, что наше понимание остается очень поверхностным. В заключение Хейден отметила: «прекрасные и загадочные структуры биологической сложности (такие как мы видим во множестве Мандельброта) показывают, насколько они далеки от разгадки» .
Но в раскрытии сложности есть и светлая сторона. Мина Бисселл, исследователь рака из национальной лаборатории Лоуренса в Беркли (Калифорния), признает: «Предсказания о том, что Проект по расшифровке генома человека поможет ученым разгадать все тайны, довел меня до отчаяния». Хейден приводит : «Известные люди заявили, что после проведения этого проекта им всё станет ясно» . Но в действительности Проект помог понять лишь то, что «Биология – сложная наука, и именно это и делает её прекрасной» .
Ссылки:
- Эрика Чек Хейден, «Геном человека за десять лет: жизнь очень сложная», журнал Nature 464, 664-667 (1 апреля, 2010) | doi:10.1038/464664a.
Кто прогнозировал сложность: дарвинисты или сторонники Разумного замысла? Вы уже знаете ответ на этот вопрос. Дарвинисты снова и снова показывают, что они ошибаются в этом вопросе. По их мнению, жизнь имеет простое происхождение (Маленький теплый пруд, в котором плавают мечты Дарвина). Ранее они считали, что протоплазма – простая материя, а белки – простые структуры, а генетика - простая наука (помните дарвиновские пангены?). Они верили, что перенос генетической информации и транскрипция ДНК – простые процессы (Центральная догма), а в происхождении генетического кода нет ничего сложного (мир РНК, или гипотеза «замороженного случая» Крика). Сравнительная геномика, считали они, – простой раздел генетики, который позволяет через гены проследить эволюцию жизни. Жизнь, по их мнению, – свалка мусора мутаций и естественного отбора (рудиментарные органы, мусорная ДНК). Всё просто, просто, просто. Простаки...
26 июня 2000 года на совместной пресс-конференции с участием президента США и премьер-министра Великобритании представители двух исследовательских групп – International Human Genome Sequencing Consortium (IHGSC) и «Celera Genomics» – объявили о том, что работы по расшифровке генома человека успешно завершены, и черновой его вариант составлен. Начался новый эпизод развития человечества – постгеномная эра.2010 год – генетическое тестирование, профилактические меры, снижающие риск заболеваний, и генная терапия до 25 наследственных заболеваний. Медсёстры начинают выполнять медико-генетические процедуры. Широко доступна преимплантационная диагностика, активно обсуждаются ограничения в применении данного метода. В США приняты законы для предотвращения генетической дискриминации и соблюдения конфиденциальности. Практические приложения геномики доступны не всем, особенно это чувствуется в развивающихся странах;
2020 год – на рынке появляются лекарства от диабета, гипертонии и других заболеваний, разработанные на основе геномной информации. Разрабатывается терапия рака, прицельно направленная на свойства раковых клеток определенных опухолей. Фармакогеномика становится общепринятым подходом для создания многих лекарств. Изменение способа диагностики психических заболеваний, появление новых способов их лечения, изменение отношения общества к таким заболеваниям. Практические приложения геномики все еще доступны далеко не везде;
2030 год – определение последовательности нуклеотидов всего генома отдельного индивида станет обычной процедурой, стоимость которой менее $1000. Каталогизированы гены, участвующие в процессе старения. Проводятся клинические испытания по увеличению максимальной продолжительности жизни человека. Лабораторные эксперименты на человеческих клетках заменены экспериментами на компьютерных моделях. Активизируются массовые движения противников передовых технологий в США и других странах;
2040 год – Все общепринятые меры здравоохранения основаны на геномике. Определяется предрасположенность к большинству заболеваний (ещё до рождения). Доступна эффективная профилактическая медицина с учетом особенностей индивида. Болезни определяются на ранних стадиях путем молекулярного мониторинга. Для многих заболеваний доступна генная терапия. Замена лекарств продуктами генов, вырабатываемыми организмом при ответе на терапию. Средняя продолжительность жизни достигнет 90 лет благодаря улучшению социо-экономических условий. Проходят серьезные дебаты о возможности человека контролировать собственную эволюцию. Неравенство в мире сохраняется, создавая напряженность на международном уровне.
Как видно из прогноза, геномная информация в недалеком будущем может стать основой лечения и профилактики множества болезней. Без информации о своих генах (а она умещается на стандарный DVD-диск) человек в будущем сможет вылечить разве что насморк у какого-нибудь целителя в джунглях.
Это кажется фантастикой? Но когда-то такой же фантастикой была поголовная вакцинация от оспы или интернет (заметьте, в 70-х его еще не существовало)! В будущем генетический код ребенка будут выдавать родителям в роддоме. Теоретически, при наличии такого диска, лечение и предотвращение любых недугов отдельно взятого человека станет сущим пустяком.
Профессиональный врач сможет в предельно сжатые сроки поставить диагноз, назначить эффективное лечение, и даже определить вероятность появления разных болезней в будущем. К примеру, современные генетические тесты уже позволяют точно определить степень предрасположенности женщины к раку груди. Почти наверняка, лет через 40–50 ни один уважающий себя врач без генетического кода не захочет «лечить вслепую» – подобно тому, как сегодня хирургия не может обойтись без рентгеновского снимка.
Давайте зададимся вопросом – а достоверно ли сказанное, или, может быть, в действительности всё будет наоборот? Смогут ли люди наконец победить все болезни и придут ли они ко всеобщему счастью?
Увы. Начнем с того, что Земля маленькая, и счастья на всех не хватит. По правде сказать, его не хватит даже для половины населения развивающихся стран. «Счастье» предназначено в основном для государств, развитых в плане науки, в частности – наук биологических. Например методика, с помощью которой можно «прочесть» генетический код любого человека, уже давно запатентована. Это отлично отработанная автоматизированная технология – правда, дорогостоящая и очень тонкая. Хочешь, покупай лицензию, а хочешь – придумывай новую методику. Только вот денег на подобную разработку хватит далеко не у всех стран!
В итоге ряд государств будет обладать медициной, существенно опережающей уровень остального мира. Естественно, в слаборазвитых странах Красным Крестом будут строиться благотворительные больницы, госпитали и геномные центры. И постепенно это приведет к тому, что генетическая информация пациентов развивающихся стран (которых большинство), сосредоточится у двух-трех держав, финансирующих эту благотворительность. Что можно сделать, имея такую информацию – даже представить трудно. Может, и ничего страшного. Однако возможен и другой исход. Битва за приоритет, сопровождавшая секвенирование генома, наглядно подтверждает важность доступности генетической информации. Давайте кратко вспомним некоторые факты из истории программы «Геном человека».
Противники расшифровки генома считали поставленную задачу нереальной, ведь ДНК человека в десятки тысяч раз длиннее молекул ДНК вирусов или плазмид. Главный аргумент против был: «проект потребует миллиарды долларов, которых недосчитаются другие области науки, поэтому геномный проект затормозит развитие науки в целом. А если все-таки деньги найдутся и геном человека будет расшифрован, то полученная в результате информация не оправдает затрат...» Однако Джеймс Уотсон, один из первооткрывателей структуры ДНК и идеолог программы тотального прочтения генетической информации, остроумно парировал: «лучше не поймать большую рыбу, чем не поймать маленькую». Аргумент смелого учёного был услышан – проблему генома вынесли на обсуждение в конгресс США, и в итоге была принята национальная программа «Геном человека».
В американском городе Бетесда, что недалеко от Вашингтона, находится один из координационных центров HUGO (HUman Genome Organization). Центр координирует научную работу по теме «Геном человека» в шести странах – Германии, Англии, Франции, Японии, Китае и США. В работу включились учёные из многих стран мира, объединенные в три команды: две межгосударственные – американская «Human Genome Project» и британская из «Wellcome Trust Sanger Institute» – и частная корпорация из штата Мериленд, включившаяся в игру чуть позже, – «Celera Genomics». Это, пожалуй, первый случай в биологии, когда на таком высоком уровне частная фирма соревновалась с межгосударственными организациями.
Борьба происходила с использованием колоссальных средств и возможностей. Как отмечали некоторое время назад российские эксперты, Celera стояла на плечах у программы «Геном Человека», то есть использовала то, что уже было сделано в рамках глобального проекта. Действительно, «Celera Genomics» подключилась к программе не сначала, а когда проект уже шёл полным ходом. Однако специалисты из Celera усовершенствовали алгоритм секвенирования. Кроме того, по их заказу был построен суперкомпьютер, который позволял складывать выявляемые «кирпичики» ДНК в результирующую последовательность быстрее и точнее. Конечно, все это не давало компании Celera безоговорочного преимущества, однако считаться с ней как с полноправным участником гонки заставило.
Появление «Celera Genomics» резко повысило напряженность – те, кто был занят в государственных программах, почувствовали жёсткую конкуренцию. Кроме того, после создания компании остро встал вопрос об эффективности использования государственных капиталовложений. Во главе Celera стал профессор Крейг Вентер (Craig Venter), который имел огромный опыт научной работы по государственной программе «Геном человека». Именно он и заявил, что все публичные программы малоэффективны и что в его фирме геном секвенируют быстрее и дешевле. А тут появился ещё один фактор – спохватились крупные фармацевтические компании.
Дело в том, что если вся информация о геноме окажется в открытом доступе, они лишатся интеллектуальной собственности, и нечего будет патентовать. Озабоченные этим, они вложили миллиарды долларов в «Celera Genomics» (с которой, вероятно, было проще договориться). Это еще более укрепило её позиции. В ответ на это коллективам межгосударственного консорциума срочно пришлось повышать эффективность работ по расшифровке генома. Сначала работа шла несогласованно, но потом были достигнуты определенные формы сосуществования – и гонка начала наращивать темп.
Финал был красивым – конкурирующие организации по взаимной договоренности одновременно объявили о завершении работ по расшифровке генома человека. Произошло это, как мы уже писали – 26 июня 2000 года. Но разница во времени между Америкой и Англией вывела на первое место США.
«Гонка за геномом», в которой участвовали межгосударственная и частная компании, формально завершилась «ничьей»: обе группы исследователей опубликовали свои достижения практически одновременно. Руководитель частной компании «Celera Genomics» Крейг Вентер опубликовал свою работу в журнале Science в соавторстве с приблизительно 270 учёными, работавшими под его началом. Работа, выполненная международным консорциумом по секвенированию человеческого генома (IHGSC), опубликована в журнале Nature, и полный список авторов насчитывает около 2800 человек, работавших в почти трёх десятках центров по всему миру.
Исследования в сумме продлились 15 лет. Создание первого «чернового» варианта генома человека обошлось в 300 миллионов долларов. Однако на все исследования по этой теме, включая сравнительные анализы и решение ряда этических проблем, было выделено в сумме около трех миллиардов долларов. «Celera Genomics» вложила примерно столько же, правда, она истратила их всего за шесть лет. Цена колоссальная, но эта сумма ничтожна в сравнении с той выгодой, которую получит страна-разработчик от ожидаемой вскоре окончательной победы над десятками серьезных заболеваний. А уже в 2007 году одному из первооткрывателей структуры ДНК – доктору Джеймсу Уотсону – были подарены два DVD-диска с его геномом общей стоимостью 1 млн. долларов – как видим, цены падают.
В октябре 2002 года в интервью «БиБиСи» президент «Celera Genomics» Крейг Вентер заявил, что одна из его некоммерческих организаций планирует примерно через 10 лет заняться изготовлением компакт-дисков, содержащих максимум информации о ДНК клиента. Предполагаемая стоимость такого заказа – более 700 тысяч долларов. Разработчики программы «Революционные методы секвенирования генома», финансируемой Национальными институтами здравоохранения США, ориентирутся на снижение стоимости секвенирования генома человека до 100 тыс. долларов к 2009 г. и до 1 тысячи – к 2014.
Широкая известность и масштабное финансирование – палка о двух концах, поскольку за счет неограниченных средств работа продвигается легко и быстро. Но взамен результат исследований часто должен получиться таким, каким его заказывают. К началу 2001 года в геноме человека со стопроцентной достоверностью было идентифицировано больее 20 тыс. генов. Эта цифра оказалось в три раза меньше, чем было предсказано всего за два года до этого. Вторая команда исследователей из Национального института геномных исследований США во главе с Френсисом Коллинсом независимым способом получила те же результаты – между 20 и 25 тыс. генов в геноме каждой человеческой клетки.
Однако неопределенность в окончательные оценки внесли два других международных совместных научных проекта. Доктор Вильям Хезелтайн (руководитель фирмы «Human Genome Studies») настаивал, что в их банке содержится информация о 140 тыс. генов. И этой информацией он не собирается пока делиться с мировой общественностью. Его фирма вложила деньги в патенты и собирается зарабатывать на полученной информации, поскольку она относится к генам широко распространенных болезней человека. Другая группа – The Institute for Genomic Research, Rockville, Maryland, USA – заявила о 120 тыс. идентифицированных генов и также настаивала, что именно эта цифра отражает общее число генов человека.
Тут необходимо уточнить, что эти исследователи занимались расшифровкой последовательности ДНК не самого генома, а ДНК-копий информационных (называемых также матричными) РНК (иРНК или мРНК). Другими словами, исследовался не весь геном, а только та его часть, что перекодируется клеткой в мРНК и направляет синтез белков. Поскольку один ген может служить матрицей для производства нескольких различных видов мРНК (что определяется многими факторами: тип клетки, стадия развития организма и т. д.), то и суммарное число всех различных последовательностей мРНК (а это именно то, что запатентовала «Human Genome Studies») будет значительно бoльшим. Скорее всего, использовать это число для оценки количества генов в геноме просто некорректно.
Очевидно, что наспех «приватизированная» генетическая информация будет в ближайшие годы тщательно проверяться, пока точное число генов станет, наконец, общепринятым. Но настораживает тот факт, что в процессе «познания» патентуется вообще все, что только можно запатентовать. Тут даже не шкура не убитого медведя, а вообще все, что находилось в берлоге, было поделено!
Кстати, на сегодня дебаты сбавили обороты, и геном человека официально насчитывает только 21667 генов (версия NCBI 35, датированная октябрём 2005 года). Следует отметить, что пока большая часть информации всё-таки остаётся общедоступной. Сейчас существуют базы данных, в которых аккумулирована информация о структуре генома не только человека, но и геномов многих других организмов (например, EnsEMBL). Однако попытки получить исключительные права на использование каких-либо генов или последовательностей в коммерческих целях всегда были, есть сейчас и будут предприниматься впредь.
На сегодня основные цели структурной части программы уже в основном выполнены – геном человека почти полностью прочитан. Первый, «черновой» вариант последовательности, опубликованный в начале 2001 года, был далек от совершенства. В нём отсутствовало приблизительно 30% последовательности генома в целом, из них около 10% последовательности так называемого эухроматина – богатых генами и активно экспрессирующихся участков хромосом.
Согласно последним подсчётам, эухроматин составляет примерно 93.5% от всего генома. Оставшиеся же 6.5% приходятся на гетерохроматин – эти участки хромосом бедны генами и содержат большое количество повторов, которые представляют серьезные трудности для ученых, пытающихся прочесть их последовательность. Более того, считается, что ДНК в гетерохроматине находится в неактивном состоянии и не экспрессируется. (Этим можно объяснить такое «невнимание» ученых к оставшимся «малым» процентам человеческого генома.)
Но даже имевшиеся на 2001 год «черновые» варианты эухроматиновых последовательностей содержали большое количество разрывов, ошибок и неверно соединенных и ориентированных фрагментов. Нисколько не умаляя значения для науки и ее приложений появление этого «черновика», стоит однако отметить, что использование этой предварительной информации в крупномасштабных экспериментах по анализу генома в целом (например, при исследовании эволюции генов или общей организации генома) выявило множество неточностей и артефактов. Поэтому дальнейшая и не менее кропотливая работа, «последние вершки», была абсолютно необходима.
Завершение расшифровки заняло еще несколько лет и привело почти что к удвоению стоимости всего проекта. Однако уже в 2004 г. было объявлено, что эухроматин прочитан на 99% с общей точностью одна ошибка на 100000 пар оснований. Количество разрывов уменьшилось в 400 раз. Аккуратность и полнота прочтения стала достаточной для эффективного поиска генов, отвечающих за то или иное наследственное заболевание (например, диабет или рак груди). Практически это означает, что исследователям больше не надо заниматься трудоемким подтверждением последовательностей генов, с которыми они работают, так как можно полностью положиться на определенную и доступную каждому последовательность всего генома.
Таким образом, изначальный план проекта был значительно перевыполнен. Помогло ли это нам в понимании того, как устроен и работает наш геном? Безусловно. Авторы статьи в Nature, в которой был опубликован «окончательный» (на 2004 год) вариант генома, провели с его использованием несколько анализов, которые были бы абсолютно бессмысленны, имей они на руках только «черновую» последовательность. Оказалось, что более тысячи генов «родились» совсем недавно (по эволюционным меркам, конечно) – в процессе удвоения исходного гена и последующего независимого развития дочернего гена и гена-родителя. А чуть меньше сорока генов недавно «умерли», накопив мутации, сделавшие их совершенно неактивными.
Другая статья, вышедшая в том же номере журнала Nature, прямо указывает на недостатки метода, использованного учеными из Celera. Следствием этих недостатков стали пропуски многочисленных повторов в прочитанных последовательностях ДНК и, как результат, недооценённая длина и сложность всего генома. Чтобы не повторять подобных ошибок в будущем, авторы статьи предложили использовать гибридную стратегию – комбинацию высокоэффективного подхода, использовавшегося учеными из Celera, и сравнительно медленного и трудоемкого, но и более надежного метода, применявшегося исследователями из IHGSC.
Куда дальше будет направлено беспрецедентное исследование «Геном человека»? Кое-что об этом можно сказать уже сейчас. Основанный в сентябре 2003 года международный консорциум ENCODE (ENCyclopaedia Of DNA Elements) поставил своей целью обнаружение и изучение «управляющих элементов» (последовательностей) в геноме человека. Действительно, ведь 3 млрд. пар оснований (а именно такова длина генома человека) содержат всего лишь 22 тыс. генов, разбросанных в этом океане ДНК непонятным для нас образом. Что управляет их экспрессией? Зачем нам такой избыток ДНК? Действительно ли он является балластом, или же все-таки проявляет себя, обладая какими-то неизвестными функциями?
Для начала, в качестве пилотного проекта, ученые из ENCODE «пристально вгляделись» в последовательность, составляющую 1% от генома человека (30 млн. пар оснований), используя новейшее оборудование для исследований в молекулярной биологии. Результаты были опубликованы в Nature в апреле нынешнего года. Оказалось, что бoльшая часть генома человека (в том числе участки, считавшиеся ранее «молчащими») служит матрицей для производства различных РНК, многие из которых не являются информационными, поскольку не кодируют белков. Многие из этих «некодирующих» РНК перекрываются с «классическими» генами (участками ДНК, кодирующими белки).
Неожиданным результатом было и то, как регуляторные участки ДНК были расположены относительно генов, экспрессией которых они управляли. Последовательности многих из этих участков мало изменялись в процессе эволюции, в то время как другие участки, считавшиеся важными для управления клеткой, мутировали и изменялись в процессе эволюции с неожиданно высокой скоростью. Все эти находки поставили большое количество новых вопросов, ответы на которые можно получить лишь в дальнейших исследованиях.
Другая задача, решение которой станет делом недалекого будущего, – определение последовательности оставшихся «малых» процентов генома, составляющих гетерохроматин, т. е. бедных генами и богатых повторами участков ДНК, необходимых для удвоения хромосом в процессе деления клетки. Наличие повторов делает задачу расшифровки этих последовательностей неразрешимой для существующих подходов, и, следовательно, требует изобретения новых методов. Поэтому не удивляйтесь, когда году в 2010 выйдет очередная статья, объявляющая об «окончании» расшифровки генома человека – в ней будет рассказано о том, как был «взломан» гетерохроматин.
Конечно, сейчас в нашем распоряжении имеется лишь некий «усредненный» вариант человеческого генома. Образно говоря – мы сегодня имеем лишь самое общее описание конструкции автомобиля: мотор, ходовая часть, колёса, руль, сиденья, краска, обивка, бензин с маслом и т. д. Ближайшее рассмотрение полученного результата свидетельствует о том, что впереди – годы работ по уточнению наших знаний по каждому конкретному геному.
Программа «Геном человека» не прекратила свое существование, она лишь меняет ориентацию: от структурной геномики осуществляется переход к геномике функциональной, предназначенной установить, как управляются и работают гены. Более того, все люди на уровне генов отличаются так же, как одни и те же модели автомобилей отличаются различными вариантами исполнения одних и тех же агрегатов. Не только отдельные основания в последовательностях генов двух разных людей могут отличаться, но и количество копий крупных фрагментов ДНК, порой включающих в себя несколько генов, может сильно варьировать.
А это означает, что на передний план выходят работы по детальному сравнению геномов, скажем, представителей различных человеческих популяций, этнических групп, и даже здоровых и больных людей. Современные технологии позволяют быстро и точно проводить такие сравнительные анализы, а ведь еще лет десять назад об этом никто и не мечтал. Изучением структурных вариаций человеческого генома занимается очередное международное научное объединение.
В США и Европе значительные средства выделяются на финансирование биоинформатики – молодой науки, возникшей на стыке информатики, математики и биологии, без которой никак не разобраться в безграничном океане информации, накопленном в современной биологии. Биоинформационные методы помогут нам ответить на многие интереснейшие вопросы – «как происходила эволюция человека?», «какие гены определяют те или иные особенности человеческого организма?», «какие гены ответственны за предрасположенность к болезням?»
Знаете, как говорят англичане: «This is the end of the beginning» – «Это конец начала». Так называется статья Lincoln D. Stein из Cold Spring Harbor Laboratory (Nature (2004) 431, 915-916), и именно эта фраза точно отражает нынешнюю ситуацию. Начинается самое главное и – я совершенно уверен – самое интересное: накопление результатов, их сравнение и дальнейший анализ.
«...Сегодня мы выпускаем в свет первое издание „Книги жизни» с нашими инструкциями», – сказал в эфире телеканала «Россия» Фрэнсис Коллинз. – «Мы будем обращаться к нему десятки, сотни лет. И уже скоро люди зададутся вопросом, как они могли обходиться без этой информации».
Другую точку зрения можно проиллюстрировать, процитировав академика В.А. Кордюма:
«...Надежды же на то, что новая информация о функциях генома будет полностью открытой, чисто символические. Можно прогнозировать, что возникнут (на базе уже имеющихся) гигантские центры, которые смогут все данные соединить в одно связное целое, некую электронную версию Человека и реализовывать её практически – в гены, белки, клетки, ткани, органы и что угодно ещё. Но во что? Угодное кому? Для чего? В процессе работ по программе «геном человека» стремительно совершенствовались методы и аппаратура для определения первичной последовательности ДНК. В крупнейших центрах это превратилось в некое подобие заводской деятельности.
Но даже на уровне лабораторных индивидуальных приборов (вернее их комплексов) уже создано столь совершенное оборудование, что оно способно определить за 3 месяца такую по объему последовательность ДНК, которая равна всему геному человека. Не удивительно, что возникла (и тут же начала стремительно реализоваться) идея определения геномов индивидуальных людей. Безусловно, это очень интересно – сравнить отличия разных индивидуумов на уровне их первоосновы. Польза от такого сравнения тоже несомненная. Можно будет установить, у кого имеются какие нарушения в геноме, прогнозировать их последствия и устранить то, что может привести к болезням. Здоровье будет гарантированным, да и жизнь продлится весьма существенно. Это с одной стороны.
С другой же стороны всё совсем не очевидно. Получить и проанализировать всю наследственность индивидуума означает получение полного, исчерпывающего биологического досье на него. Оно, при желании того, кто его знает, позволит столь же исчерпывающе делать с человеком всё что угодно. По уже известной цепочке: клетка – молекулярная машина; человек состоит из клеток; клетка во всех своих проявлениях и во всём диапазоне возможных ответов, записана в геноме; с геномом можно ограниченно уже и сегодня манипулировать, а в обозримом будущем вообще манипулировать практически как угодно...»
Однако, наверное, пугаться таких мрачных прогнозов еще рано (хотя знать о них, безусловно, нужно). Для их осуществления надо полностью перестраивать многие социальные и культурные традиции. Очень хорошо по этому поводу сказал в интервью доктор биологических наук Михаил Гельфанд, и.о. заместителя директора Института проблем передачи информации РАН: «...если у вас есть, предположим, один из пяти генов, предопределяющих развитие шизофрении, то что может случиться, если эта информация – ваш геном – попала в руки вашего потенциального работодателя, который ничего в геномике не понимает! (и как следствие – вас на работу могут не принять, посчитав это рискованным; и это не смотря на то, что шизофрении у вас нет и не будет – прим. автора.)
Другой аспект: с появлением индивидуализированной медицины, основанной на геномике, полностью изменится страховая медицина. Ведь одно дело – предусматривать риски неизвестные, а другое дело – совершенно определенные. Если честно, то все западное общество в целом, не только российское, к геномной революции сейчас не готово...».
Действительно, чтобы разумно пользоваться новой информацией, надо ее понимать. А для того чтобы понять геном – не просто прочитать, этого далеко не достаточно, – нам потребуются десятилетия. Слишком уж сложная картина вырисовывается, и чтобы осознать её, нам надо будет поменять многие стереотипы. Поэтому на самом деле расшифровка генома ещё продолжается и будет продолжаться. И будем ли мы стоять в стороне или станем, наконец, активными участниками этой гонки – зависит от нас.
