Уроки генома человека

Когда я в начале 1980-х работал научным сотрудником в Йельском университете, секвенирование, т.е. определение фактической последовательности букв генетического кода, было грандиозным предприятием даже для сравнительно короткого (в несколько сотен букв) участка ДНК. Методы отличались сложностью, для экспериментов требовалось множество подготовительных шагов, в них использовались дорогостоящие и опасные (в том числе радиоактивные) реагенты, а сверхтонкие гели приходилось переливать вручную, и чуть ли не всегда их портили пузырьки или какие-то еще дефекты. Детали не имеют значения; суть в том, что мы продвигались очень медленно, методом проб и ошибок.

Тем не менее моя первая опубликованная работа но генетике человека касалась именно секвенирования ДНК. Я исследовал выработку в организме одного особого белка — фетального (плодного) гемоглобина, который в норме присутствует в красных кровяных тельцах человеческих эмбрионов, но постепенно исчезает после рождения, когда младенец начинает дышать своими легкими. Гемоглобин отвечает за перенос кислорода из легких во все органы нашего тела, причем у людей и некоторых обезьян существует его специальная плодная форма, помогающая извлечению кислорода из крови матери для питания растущего плода. Б течение первого года жизни ребенка гемоглобин этого типа обычно полностью заменяется на взрослую форму. Однако у представителей одного семейства с Ямайки, которое я обследовал, фетальный гемоглобин продолжал вырабатываться и в зрелом возрасте. Эта особенность представляла большой интерес: научившись запускать выработку плодной формы у взрослых, мы могли бы значительно облегчить страдания людей, больных серповидно-клеточной анемией. Присутствие у них в крови хотя бы 20% фетального гемоглобина практически избавило бы их от мучительных приступов и остановило бы прогрессирующее разрушение органов.

Никогда не забуду тот день, когда очередной эксперимент показал G вместо C в определенной позиции «вверх» по одному из генов, отвечавших за отключение выработки фетального гемоглобина, — как оказалось, именно из-за этого отклонения программа, запускаемая в период эмбрионального развития, продолжала работать во взрослом состоянии. Я был счастлив, но устал до изнеможения — на поиски одной единственной нужной мне «буквы» кода ДНК у меня ушло полтора года.

Три года спустя я был очень удивлен, узнав, что несколько ученых, оценивая перспективы науки, начали обсуждать возможность определения последовательности ДНК для всего генома человека, насчитывающего, по оценке, около 3 млрд комплементарных пар. Казалось немыслимым, чтобы это могло произойти при моей жизни.

Мы сравнительно мало знали о возможном содержании генома. Увидеть под микроскопом нуклеиновые основания какого-либо конкретного гена не представлялось возможным (для этого они слишком малы), охарактеризованы на тот момент были лишь несколько сотен генов, и разные оценки количества генов в геноме очень сильно друг от друга отличались. Даже точного определения гена не было (и сейчас нет), поскольку оказалось, что ген не всегда можно определять как цепочку, кодирующую определенный белок. Исследования ДНК позволили выявить так называемые интроны — сегменты генов, не содержащие информации о последовательности аминокислот белка. Из РНК интрон удаляется до начала считывания кода, и в зависимости от того, как соединятся друг с другом кодирующие участки, с одного и того же гена в определенных случаях может быть считано несколько разных (но родственных друг другу) белков. Далее, между генами обнаруживались длинные цепочки ДНК, которые, судя по всему, ничего не кодировали; некоторые исследователи даже называли их «мусорными», хотя, учитывая скудость наших знаний, требовалась немалая самоуверенность, чтобы объявить какую бы то ни было часть генома мусором.

Несмотря на все сомнения, гипотетическая ценность полного генома представлялась мне бесспорной. Ведь в этой огромной инструкции удалось бы найти полную «спецификацию» человеческого организма, а заодно и ключ к множеству заболеваний, природу которых мы плохо понимаем и которые не умеем эффективно лечить. Для меня как врача возможность раскрыть эту самую могущественную на свете книгу по медицине была особенно притягательна. Поэтому я, со своим скромным на тот момент академическим статусом и без уверенности, что столь смелый план удастся осуществить на практике, принял участие в дискуссии, выступив за организацию программы по секвенированию генома — вскоре она получила известность как проект «Геном человека».

Через несколько лет мое желание видеть геном человека полностью расшифрованным еще усилилось. Я возглавил новую лабораторию, где под моим началом работали серьезные и трудолюбивые аспиранты и молодые научные сотрудники, и мы предприняли попытку раскрыть генетическую основу некоторых заболеваний, до тех пор не поддававшуюся определению. Первым из них был муковисцидоз, или кистозный фиброз — самое распространенное тяжелое наследственное расстройство в странах Северной Европы. Болезнь обычно проявляется в младенчестве или в раннем детстве — ребенок мало прибавляет в весе и постоянно страдает от респираторных инфекций. Муковисцидоз можно опознать по повышенной концентрация ионов хлора в детском поте — наблюдательные матери замечают соленый привкус, целуя ребенка. Для болезни также характерны густые вязкие выделения в легких и поджелудочной железе. Но ни один из известных признаков болезни не давал даже косвенных указаний на назначение вызывавшего ее гена.

Впервые я столкнулся с муковисцидозом в конце 1970-х, когда проходил медицинскую практику в больнице. Еще в 1950-х гг. страдающие им дети редко доживали до десяти лет, однако к 70-м ситуация значительно изменилась к лучшему, так что многие больные вырастали, заканчивали колледж, шли на работу, вступали в брак. Но все это было достигнуто благодаря совершенствованию симптоматического лечения — созданию препаратов, заменяющих гормоны поджелудочной железы, новых антибиотиков, эффективных против легочных инфекций, специальных диет и методов физиотерапии. В том же, что касается борьбы с самим заболеванием, долгосрочная перспектива по-прежнему оставалась мрачной. Не понимая природы наследственного дефекта, медики блуждали на ощупь. Мы лишь знали, что где-то среди 3 млрд букв кода ДНК есть как минимум одна ошибочная, расположенная в уязвимом месте.

Трудности, связанные с нахождением такого тонкого отличия, представлялись почти непреодолимыми. Однако мы знали, что муковисцидоз наследуется по рецессивному типу. Поясню, что означает этот термин. Каждый наш ген существует в двух экземплярах: один получен от матери, другой от отца. (Исключение составляют гены, содержащиеся в хромосомах X и Y, которые у мужчин представлены только в одном экземпляре.) Рецессивная патология проявляется, только если она присутствует и в материнском, и в отцовском экземпляре гена, т. е. оба родителя являются ее носителями. Когда же в одном экземпляре гена патология есть, а в другом нет, болезнь никак не проявляется, так что ее носители, как правило, не подозревают о своем статусе. (Примерно каждый тридцатый житель Северной Европы — носитель муковисцидоза, и в семейной истории большинства из них болезнь не зафиксирована.)

Таким образом, вырисовывалась интересная задача по «выслеживанию» ДНК: не зная ничего о функции гена, ответственного за муковисцидоз, проанализировать другие наследственные признаки и поискать среди них сцепленные с заболеванием. Если в многодетных семьях, где некоторые дети больны, а некоторые нет, какой-то признак встречается только у больных детей, это означает, что участок, ответственный за данный признак, локализован неподалеку от интересующего нас гена. Мы не могли прочитать все 3 млрд букв генетического кода, но в наших силах было выхватить из темноты пару миллионов в одном определенном месте, пару в другом и проверить, нет ли здесь корреляции с муковисцидозом. Это требовалось проделывать сотни и сотни раз, но, так как геном представляет собой связанный набор информации, рано или поздно мы обязательно должны были выявить связь.

В 1985 г., к большой радости как ученых, так и обследовавшихся семейств, удалось установить, что ген муковисцидоза находится в 7-й хромосоме, в сегменте, содержащем примерно 2 млн комплементарных пар. Теперь можно было переходить к основной, по-настоящему сложной части работы. Чтобы объяснить, в чем заключалась основная сложность, я сравнивал нашу задачу с поиском одной единственной перегоревшей лампочки в подвале дома где-то в Соединенных Штатах: предварительный анализ помог нам установить нужный штат и даже округ, но он обеспечивает обзор с шестикилометровой высоты и не позволяет спуститься ниже. Теперь нужно обходить дом за домом, проверяя одну лампочку за другой.

Интересовавшая нас часть 7-й хромосомы до 1985 г. никем не изучалась, так что, продолжая сравнение, у нас не было даже приблизительной карты местности, не говоря уже о такой роскоши, как схемы расположения улиц, поэтажные планы домов или, тем более, инвентарные списки электроприборов. Нас ожидала гора тяжелой однообразной работы.

Изобретенный в нашей лаборатории метод «прыжков по хромосоме» позволял проводить поиск параллельно в нескольких местах, что значительно ускоряло работу по сравнению с традиционным методом. Но даже при этом задача оставалась огромной, и в научном сообществе многие считали наш подход непрактичным и непригодным для исследования болезней человека. В 1987 г., когда подошли к концу и финансовые ресурсы, и запасы энтузиазма, мы решили объединить усилия с исследовательской группой Госпиталя для больных детей в Торонто, которую возглавлял выдающийся генетик доктор философии Сюй Личжи (Lap-Chee Tsui). Вместе наши лаборатории заработали с удвоенной энергией. История поиска несколько походила на сюжет детектива: мы знали, что на последней странице тайна обязательно раскроется, правда, не имели представления о том, сколько времени нам потребуется, чтобы до нее добраться. На нашем пути в изобилии встречались и ключи к разгадке, и тупики. После того, как три или четыре раза нам казалось, что цель близка, а на следующий день новые данные это опровергали, мы запретили себе чрезмерный оптимизм по поводу чего бы то ни было. Нам тяжело было снова и снова объяснять коллегам, почему мы еще не нашли ген — или не отказались от проекта. В какой-то момент я, чтобы наглядно представить другую метафору, объясняющую наши трудности, даже съездил за город и сфотографировался, сидя с иголкой в руке на большом стоге сена.

Ответ был наконец найден в мае 1989 г. Дождливой ночью факс, стоявший в общежитии Йельского университета, куда мы с Личжи приехали на конференцию, выбросил нам результаты очередного дня работы лаборатории; из них однозначно следовало, что муковисцидоз у большинства пациентов связан с отсутствием трех букв (а именно CTT) в кодирующей последовательности не известного ранее гена. Вскоре исследования нашей и других групп показали, что практически все случаи заболевания вызваны мутациями — этой и другими, менее распространенными — того же гена, получившего название MBTP (трансмембранный регулятор муковисцидоза).

Вот оно — доказательство: мы все-таки сумели, последовательно сужая область поиска, определить «перегоревшую лампочку» — ген, ответственный за патологию. Это был момент торжества: мы одолели долгий тяжелый путь, и наши результаты позволяли начать работы, способные привести к полной победе над муковисцидозом.

Отметить открытие гена собрались и генетики, и члены обследовавшихся семей, и врачи, а я написал в честь этого события песню. Музыка всегда помогала мне выразить переживания, которые трудно передать обычными словами, хотя я играю на гитаре только как любитель. Когда голоса людей сливаются в едином хоре, меня переполняет радость, которая никак не связана с наукой, зато имеет самое прямое отношение к моей духовной жизни. Я не мог удержаться от слез, когда присутствующие поднялись со своих мест и подхватили припев:

Верь мечте, верь мечте.

Братья, сестры, минут годы слез.

Мы свободно вздохнем,

И навек исчезнет муковисцидоз.

Последующие шаги оказались труднее, чем мы рассчитывали, и муковисцидоз, увы, пока еще далеко не исчез. Но выявление гена было важнейшей вехой — именно оно открыло путь исследованиям по борьбе с самим заболеванием, на успех которых все мы очень надеемся.

В сумме работа двадцати с лишним исследовательских групп, участвовавших в поисках гена MBTP, заняла десять лет и обошлась человечеству более чем в $50 млн. А ведь эта задача считалась одной из самых простых, так как муковисцидоз — сравнительно распространенная патология, передающаяся от родителей к детям строго по законам Менделя. Как же можно было вообразить себе аналогичное изучение сотен более редких наследственных расстройств, источник которых тоже срочно необходимо раскрыть? Тем более, мыслимо ли было изучать с помощью той же стратегии такие болезни, как диабет, шизофрения, различные виды сердечно-сосудистых заболеваний и рака, где наследственные факторы заведомо играют огромную роль, но этих факторов много, и ни один ген, взятый в отдельности, не оказывает особенно сильного влияния? Здесь понадобилось бы найти с дюжину лампочек, причем даже не перегоревших, а просто горящих чуть слабее, чем нужно. Если для этих более сложных случаев и была какая-то надежда на успех, то только при наличии подробных и точных данных обо всех щелях и закоулках генома. Нам требовалась карта страны с планом каждого дома.

Конец 1980-х стал временем яростных споров о разумности такого проекта (Cook-Deegan R. The Gene Wars. New York: Norton, 1994). Большинство ученых соглашались, что проект позволил бы получить потенциально весьма полезную информацию, но считали его неосуществимым из-за огромного масштаба. Далее, было уже понятно, что лишь небольшая часть генома кодирует белок, а вопрос о целесообразности секвенирования всего остального («мусорных» ДНК) представлялся довольно спорным. Один известный генетик писал: «Секвенирование генома было бы почти таким же полезным делом, как перевод полного собрания сочинений Шекспира в клинопись, но далеко не таким простым с точки зрения осуществления и последующей интерпретации результатов».

Другой заявлял: «Это бессмысленно... генетики будут бороздить море бессмыслицы ради нескольких крохотных островков информации». Но очень многие опасения были в действительности связаны со стоимостью проекта и с тем, что из-за него лишатся ресурсов другие исследования в области биомедицины. А против этой проблемы есть хорошее средство — нужно найти для проекта отдельное финансирование, что и осуществил в США новый директор проекта — не кто иной как сам Джим Уотсон, один из открывателей двойной спирали ДНК. Уотсон, бывший в то время самой популярной «рок-звездой» от биологии, убедил Конгресс рискнуть и выделить деньги на расшифровку генома.

Джим Уотсон умело руководил американским проектом «Геном человека» в течение первых двух лет. В этот период были созданы центры по расшифровке генома и к работе подключился ряд лучших и талантливейших ученых нашего поколения. Однако многие по-прежнему относились к проекту скептически, сомневаясь, что его удастся осуществить за отпущенные пятнадцать лет, — тем более что тогда еще не были созданы некоторые технологии, позволившие позднее ускорить процесс и осуществить проект в намеченные сроки. В 1992 г. наступил кризис: Уотсон неожиданно оставил проект после публичного спора с директором системы Национальных институтов здравоохранения о возможности патентования фрагментов генетического кода (против чего Уотсон категорически возражал).

Начались поиски нового директора проекта, и выбор, к моему огромному удивлению, остановился на мне. Я руководил тогда центром по расшифровке генома в Мичиганском университете, был вполне удовлетворен своим положением и не мыслил себя в роли государственного служащего. Поэтому поначалу я не проявил интереса к этой идее. Но отделаться от нее оказалось непросто. Был только один проект «Геном человека», его предполагалось осуществить лишь раз за всю историю человечества, и его успех имел бы огромное значение для медицины. Как верующий, я спрашивал себя, не предначертано ли мне сыграть более важную роль в проекте, способном привести к фундаментальным сдвигам в нашем понимании себя самих. Мог ли я отказаться от шанса прочесть написанное на языке Бога, узнать сокровенные подробности того, как появились люди? Я всегда с подозрением отношусь к людям, которые утверждают, применительно к подобным моментам, будто поняли волю Бога; и все же невозможно было игнорировать невероятную значимость проекта с точки зрения потенциальных последствий для взаимоотношений между человечеством и Богом.

В ноябре 1992 г. я отправился в гости к дочери, жившей в Северной Каролине, и там долго молился под вечер в маленькой часовне, прося Бога направить меня. Я не «услышал» ответа — в действительности со мной никогда такого не случалось, — но за эти часы (а я неожиданно для себя пробыл в часовне до вечерней службы) мое душевное смятение совершенно улеглось. Спустя несколько дней я принял предложение.

Следующие десять лет были бешеной гонкой с множеством взлетов и падений. Уже исходные задачи проекта «Геном человека» требовали невероятного напряжения сил, но мы ставили себе еще более жесткие сроки и неукоснительно их соблюдали. Иногда, казалось бы, многообещающие методы с треском проваливались при применении в крупном масштабе, и мы испытывали тяжелое разочарование. Случались трения между членами нашей научной команды, и я, как глава, выступал в роли примирителя. Некоторые центры не выдержали заданного темпа, и их, к большому разочарованию руководителей, пришлось вывести из проекта. Но бывали и моменты торжества, когда мы завершали очередной напряженный этап; и у нас стала накапливаться информация, ценная с точки зрения медицины. К 1996 г. мы были готовы запустить полномасштабное секвенирование генома с применением значительно более совершенной и рентабельной технологии, чем та, которую мы использовали в 1980-х при поиске гена муковисцидоза. В определенный момент руководители международной части проекта приняли важнейшее решение, сделав обязательным условием участи немедленный доступ к полученным данным и договорившись не подавать заявок на патентование каких бы то ни было фрагментов кода. Ученым, работающим над важнейшими медицинскими проблемами, требовался немедленный свободный и открытый доступ к информации, нельзя было позволить здесь задержку даже на один день.

Следующие три года прошли очень плодотворно, так что к 1999-му мы смогли значительно ускорить процесс расшифровки. И в этот момент на горизонте возникла новая проблема: у нашего проекта «Геном человека» появился конкурент — частная компания. Когда проект начинался, полное секвенирование всего генома не представляло коммерческого интереса, однако положение менялось по мере того, как ценность получаемой информации становилась все очевиднее, а себестоимость секвенирования снижалась. Крейг Вентер, глава фирмы, вскоре получившей название Celera, заявил, что планирует выполнить полномасштабное секвенирование генома, причем, в отличие от нас, намерен запатентовать многие гены и хранить информацию о них в закрытой базе данных, предоставляя доступ по подписке за значительную плату.

Идея обратить информацию генома в частную собственность вызывала глубокую тревогу. Еще сильнее обеспокоила нас реакция Конгресса. Хотя никаких своих данных команда Celera не представила, а научная стратегия, которой собирался следовать Вентер, вызывала большие сомнения относительно полноты и точности будущих результатов, в Конгрессе был поднят вопрос о том, целесообразно ли и дальше финансировать за счет налогоплательщиков проект, с которым, возможно, лучше справился бы частный сектор. В своих публичных выступлениях представители Celera упирали на более высокую эффективность собственного подхода, стараясь заклеймить государственный проект как медлительный и бюрократизированный. Эти заявления были, мягко говоря, весьма спорными, учитывая участие в проекте «Геном человека» лучших университетов мира, талантливейших и известнейших ученых. Но пресса любит скандалы, и журналисты много писали о «состязании» в секвенировании генома, привлекая к сравнению яхту Вентера и мой мотоцикл. Основная масса этих текстов — полнейшая бессмыслица. Авторы большинства статей, похоже, не поняли главного: спор шел вовсе не о том, кто выполнит работу быстрее или с меньшими затратами (и Celera, и государственный проект были уже очень хорошо подготовлены), а об идеалах. Чем должна стать последовательность генома, наше общее наследие — коммерческой услугой или общественным благом?

Мы не жалели сил. Наши двадцать центров по расшифровке генома работали безостановочно. За полтора года, определяя тысячу комплементарных пар в секунду двадцать четыре часа в сутки семь дней в неделю, мы получили первый вариант расшифровки, покрывающий 90% генома человека. Celera, со своей стороны, также сгенерировала большой объем данных, но они хранились в закрытой базе, и доступ к ним отсутствовал. В определенный момент сотрудники Celera осознали, что могут на общих основаниях пользоваться открытой информацией, и остановили свою работу на середине. В итоге Celera представила расшифровку, которая, как выяснилось впоследствии, более чем наполовину состояла из данных, опубликованных в рамках нашего проекта.

Интерес к нашему «состязанию» становился неуместным и грозил отвлечь внимание от цели обоих проектов и ее значения. В конце апреля 2000 г., когда и Celera, и мы были готовы объявить о завершении первого варианта расшифровки, я обратился к Ари Патриносу (руководителю программы по расшифровке генома в Департаменте энергетики), который был дружен и со мной, и с Вентером, и попросил его устроить нам неофициальную встречу. За пивом и пиццей в гостиной у Ари мы с Вентером договорились об одновременном объявлении и проработали необходимые детали.

Так я и оказался одним из главных действующих лиц торжества, описанного на первых страницах этой книги. Стоя рядом с президентом Клинтоном в Восточном зале Белого дома, я объявил, что прочитана (в первом приближении) инструкция, по которой сделан человек, раскрыт язык Бога.

В течение следующих трех лет я продолжал работу в качестве директора проекта «Геном человека». Мы уточняли первоначальные данные, заполняли остававшиеся пробелы, повышали общий уровень корректности информации; все результаты, как и раньше, ежедневно выкладывались в общедоступные базы данных. В апреле 2003 г., когда отмечалось пятидесятилетие открытия Уотсоном и Криком двойной спирали ДНК, мы объявили о достижении всех целей, ставившихся перед проектом. Я как руководитель испытывал огромную гордость за две с лишним тысячи ученых, совершивших этот выдающийся подвиг, — думаю, расшифровка генома и через тысячу лет будет считаться одним из главных достижений человечества.

Торжества в честь завершения нашего проекта спонсировались Генетическим альянсом — организацией, поддерживающей семьи, в которых проявляются редкие наследственные заболевания. По этому случаю я переделал слова известной народной песни «Все добрые люди», и присутствующие хором спели:

Вам эта песня, все добрые люди,

Добрые люди — наша семья.

Вам эта песня, все добрые люди,

Общая нить нас связала одна.

Следующий куплет был посвящен испытаниям, выпавшим на долю семей, которые борются с редкими генетическими расстройствами у себя или у своих детей:

Вам эта песня, все те, кто страдает,

Сила и дух ваш тронули нас.

Преданность ваша нас вдохновляет,

Учимся мы не сгибаться у вас.

Последним шел куплет о геноме:

Это чертеж наш и летопись наша,

Это лечебник на все времена.

Люди прочли его и записали,

Он для людей, для тебя и меня.

Для меня, верующего человека, раскрытие последовательности генома было важно еще и тем, что геном написан на языке Бога — том самом, с помощью которого Бог вызвал из небытия жизнь. Изучая этот главнейший из всех биологических текстов, я чувствовал великое благоговение. Да, конечно, он написан на языке, который мы понимаем очень слабо, и нам понадобятся десятилетия, а может быть, и века, чтобы в нем разобраться, и все же мы перешли через мост, вступив в совершенно новую область.