Текст книги "Мальчик, который не переставал расти… и другие истории про гены и людей"

История гласит, что Бест сорвал самый крупный выигрыш в орлянку за всю историю медицины. Первоначально на участие в проекте могли претендовать два студента. Бест и его приятель Кларк Нобл бросили монету, чтобы решить, кто пойдет работать к Бантингу, и Бест выиграл. Вначале они договорились сменить друг друга в середине лета, но к тому времени Бест глубоко погрузился в работу (и хорошо овладел техническими навыками), так что по обоюдному согласию он остался. Так бросок монеты решил, кому достанется доля научной славы.

Идея Бантинга оказалась верной. Начало исследований на собаках было столь многообещающим, что к январю 1922 г. стало возможным приступить к испытаниям на людях. И тогда на сцену выходит новый персонаж – Джеймс Бертрам Коллип, решивший вопрос, как очистить вытяжку поджелудочной железы и получить безопасный препарат для инъекций людям. К нему обратились после того, как у первого пациента, получившего недостаточно очищенную вытяжку из собачьей поджелудочной железы, развилась тяжелая аллергическая реакция. Истории тех времен повествуют о необычайно эффектных выздоровлениях. В частности, говорят, что, как только был выделен чистый препарат, коллеги Бантинга обошли палату, полную умирающих детей в коме, и сделали каждому укол. И к тому моменту, когда они дошли до последнего ребенка, первый уже очнулся от комы.

Конечно, о том, правдива ли эта история, невозможно судить по первому научному отчету об инсулинотерапии[28]28
  Бантинг Ф. Г. и др. Терапия сахарного диабета экстрактами щитовидной железы (Banting, F.G. et al. ‘Pancreatic Extracts in the Treatment of Diabetes Mellitus’. Canadian Medical Association Journal 1922;12:141–6).


[Закрыть], опубликованному в Canadian Medical Association Journal. Эта статья невероятно, бесконечно скучна. И только на середине второй страницы (притом что объем статьи всего-то чуть более пяти страниц) вообще упоминается о лечении людей. Выводы осторожные и взвешенные, общий их смысл: «мы можем отметить, что в крови пациентов произошли некоторые изменения и их самочувствие, по всей видимости, улучшилось».

Пусть Бантинг со товарищи и не спешили трубить в фанфары, сообщение о подобном открытии не могло остаться незамеченным, и новость вскоре облетела весь мир. На следующий год Бантинг и Маклеод получили Нобелевскую премию по физиологии и медицине. Бантинг поделился премиальными деньгами с Бестом, а Маклеод – с Коллипом. Можно вообразить себе чувства людей, членам семей которых только что диагностировали диабет (в то время, когда эта информация уже появилась), но промышленное производство инсулина еще не наладили. Наверняка многие умерли, хотя метод лечения был уже известен, а кого-то удалось спасти в последний момент.

Как бы то ни было, 30 лет спустя, к тому времени когда Фреду Сэнгеру понадобился очищенный белок инсулин для исследований, ему достаточно было пройтись до ближайшей аптеки и купить ампулу. Подход Сэнгера состоял в том, чтобы упростить проблему – не пытаться расшифровать последовательность всей молекулы белка, а разбить ее на более мелкие кусочки, с которыми проще работать. Он разработал химические методы определения последовательности аминокислот в этих коротких отрезках, а затем совместил перекрывающиеся отрезки, чтобы определить всю белковую последовательность. Эта идея имела долгосрочные научные перспективы. Как мы увидим, почти полвека спустя Celera – компания Крейга Вентера – применит фактически тот же подход при секвенировании человеческого генома, и эта технология до сих пор сохраняет свое значение в генетике. В 2018 г. с ее помощью был прочитан геном коалы.

Сэнгер не просто выявил последовательность аминокислот инсулина. При всей важности этого достижения оно было незначительным на фоне открытия того факта, что у белков есть фиксированная последовательность, от которой зависят их структура и функции. Многие последующие открытия, в том числе понимание того, как ДНК кодирует белки, стали возможны только благодаря базовому знанию, что белок на самом деле не что иное, как цепочка из аминокислот.

Следующим оригинальным решением Сэнгера (которое принесло ему вторую Нобелевскую премию) стало изобретение способа прочитать последовательность нуклеотидов ДНК. Его метод, изложенный в публикации 1977 г., до сих пор называется методом Сэнгера (или методом секвенирования по Сэнгеру). Он стал краеугольным камнем проекта «Геном человека». Вначале секвенирование по Сэнгеру требовало изрядной возни с радиоактивными изотопами, но позже придумали метить азотистые основания ДНК разноцветными флюоресцентными маркерами – это безопаснее, а кроме того, позволяет увеличить масштабы исследований. И они действительно были увеличены.

Мы до сих пор применяем метод Сэнгера в диагностических лабораториях. Вот пример результатов такого анализа:

На этой иллюстрации верхний отрезок принадлежит носителю генетической мутации, а нижний – человеку, у которого ее нет. Здесь картинка черно-белая, но в общепринятой практике А обозначается зеленым, Ц (С) – синим, Г (G) – черным, а Т – красным. Каждый из разноцветных пиков соответствует азотистому основанию ДНК, поэтому по цветам пиков можно прочесть последовательность: Г, Г, Т, А, Ц, Т и так далее. Можно, конечно, просто прочитать последовательность букв, ради удобства стоящих над пиками, но так понятнее сам принцип.

Посредине этого отрезка ДНК, между двумя вертикальными линиями, в нормальной последовательности должен стоять пик Ц (С); на том же месте в верхнем отрезке, если бы рисунок был цветным, вы бы разглядели красный пик Т – но при ближайшем рассмотрении оказалось бы, что нормальный синий пик Ц тоже присутствует. Это означает, что в одной из двух копий гена – обычная последовательность, а в другой – ее вариант (мутация). Обе копии, измененная и неизмененная, попали в образец и подверглись реакции секвенирования. Основания, оставшиеся неизменными, одинаковы для обеих последовательностей и на графике не различаются. Но в том месте, где произошла мутация, у половины ДНК в пробирке Ц, а у половины Т, и эти места у двух последовательностей совпадают. Вот почему пик в этом месте примерно в два раза меньше, чем пик Ц на нормальной последовательности.

Теперь это проделать нетрудно, поскольку мы уже знаем последовательность интересующего нас гена. Но метод Сэнгера также можно использовать для расшифровки неизвестных ранее последовательностей ДНК. Начинаете с известного отрезка и продвигаетесь дальше, вступая на новую территорию, пока не встретитесь с тем, кто движется в противоположном направлении. Именно такой подход и использовался в проекте «Геном человека».

Итак, к концу 1980-х гг. мы располагали инструментами, чтобы завершить работу. Тем не менее завершение представлялось делом далекого будущего. В 1987 г. Министерство энергетики США – организация, которая, как известно, никогда не боялась рисковать, – запустила первый подобный проект. Их целью было найти способ уберечь геном от вредного воздействия радиации – потенциально важная задача в ту пору, когда атомные электростанции были значимым и постоянно растущим сегментом энергетики страны. В 1988 г. Национальный институт здравоохранения и Министерство энергетики объединили усилия и получили финансирование от Конгресса США, чтобы попытаться решить эту задачу.

Не прошло и 12 лет, как первоначальный замысел воплотился в действительность. Но в первую половину этого срока, с точки зрения стороннего наблюдателя, не было почти никаких подвижек. В 1990 г. завершение проекта планировали на 2005 г., но с учетом того, что, как правило, государственные проекты никогда не укладываются в сроки и в бюджет, мало кто из непосвященных воспринял этот план всерьез. На 1994 г. основным достижением проекта стала… более подробная карта. Новая карта генома содержала 5840 маркеров вместо 407, теперь геном был плотно усеян ими. Не бог весть какое достижение в глазах неспециалистов, но оно стало решающим шагом на пути к расшифровке генома. И в ознаменование грядущих успехов оно было обнародовано на год раньше, чем ожидалось.

С самого начала проект «Геном человека» представлял собой международное предприятие, в котором участвовали ученые со всего мира. Президентом Международной организации по изучению генома человека (хотя и не руководителем самого проекта) некоторое время был австралиец Грант Сазерленд. Первым руководителем проекта стал Джеймс Уотсон (да, тот самый). В 1992 г. он ушел в отставку, и после кратковременного перерыва руководство перешло к Фрэнсису Коллинзу, который довел проект до конца.

Самим секвенированием занимались более 20 институтов из шести стран – США, Великобритании, Японии, Франции, Германии и Китая. Каждому из них была поручена своя часть работы. Среди неамериканских организаций самый крупный вклад принадлежит Институту Сэнгера в Кембридже, названному, естественно, в честь Фреда Сэнгера. Сэнгеровский центр (ныне Институт Сэнгера, финансируемый фондом Wellcome Trust) секвенировал почти треть человеческого генома. На их долю среди прочего (часть задания они получили параллельно с другими институтами) достались хромосомы 1, 6, 9, 10, 11, 13, 20, 22 и X. Проект набирал скорость, словно летящий под гору паровоз. Лишь в 1999 г. была опубликована полная расшифровка нуклеотидной последовательности человеческой хромосомы (22-й). В сентябре 1999 г., более чем десятилетие спустя после запуска проекта, вышел пресс-релиз, раструбивший о завершении секвенирования ДНК-последовательности из 821 млн нуклеотидов. Половина этой расшифровки была пока предварительной, и оставалось определить последовательность еще свыше 2 млрд нуклеотидов, чтобы достигнуть цели проекта. Но к июню следующего года работа продвинулась уже настолько, что президент Клинтон и премьер Блэр могли объявить об успехе.

Участники проекта «Геном человека» использовали логичный, надежный подход к секвенированию генома – переход от известных участков к неизвестным. Но у них был конкурент – Джон Крейг Вентер, своего рода Илон Маск в геномике, предложивший совершенно иной подход. Вентер решил применить «метод дробовика».

Крейг Вентер – блестящий ученый с предпринимательской жилкой. Однако в школе он отнюдь не блистал и по окончании учебы мог похвалиться успехами не столько в науке, сколько в серфинге; затем был призван в армию и служил во флоте США во время войны во Вьетнаме. Опыт, пережитый им в полевом госпитале, оставил в его душе неизгладимый след, и после демобилизации Вентер занялся изучением медицины, но позже переключился на научные исследования. Он стал выдающимся ученым, однако в период работы в Национальном институте здравоохранения оказался замешан в скандальной попытке запатентовать гены, а потом ушел оттуда в частный сектор, где тоже преуспел. Будучи первым президентом корпорации Celera, Вентер решил потягаться с проектом «Геном человека», для чего обратился к отвергнутому участниками проекта «методу дробовика». По этому методу геном разбивают на много маленьких кусочков, их секвенируют, а затем собирают, как огромную мозаику.

Допустим, вы провели секвенирование и получили три следующих фрагмента:

При наличии достаточных вычислительных мощностей можно сложить эти кусочки вместе, вот таким образом:

* Еще одна неслучайно выбранная последовательность – из гена NKX2–5, о котором шла речь в моей диссертации. Есть и другая причина, по которой он один из моих любимых. В генетике животных, и в особенности в генетике мух, с придумыванием названий дело всегда обстояло лучше, чем в генетике человека. Ген NKX2–5 играет важную роль в развитии человеческого сердца. У мух нет настоящего сердца – у них, по сути, просто трубка, которая сокращается, однако имеется ген, очень похожий на NKX2–5. Когда он был обнаружен, выяснилось, что у мух, у которых он отсутствует, сердечная трубка вообще не развивается. Знаете, как назвали мушиный ген? Tinman, то есть Железный Дровосек.

Первый отрезок перекрывается со вторым, а второй – с третьим. Без второго вы бы никак не смогли связать первый и третий. Но если непрерывно разбивать и секвенировать, разбивать и секвенировать, в конце концов вы получите достаточно перекрывающихся кусочков, чтобы сложить все целиком. Компания Celera добилась поистине впечатляющего успеха, применив именно этот метод. Бросив вызов 20 институтам в шести странах и Министерству энергетики США, Celera вышла на финишную прямую ноздря в ноздрю с проектом «Геном человека», финансируемым государством, – именно поэтому Вентер в тот день выступал вместе с Коллинзом в Белом доме.

У Celera было одно существенное преимущество перед проектом «Геном человека» – доступ ко всем данным последнего. С самого начала одним из фундаментальных принципов проекта «Геном человека» стал открытый доступ к полученным данным, что определило современные нормы, принятые в биомедицинских науках.

Вы можете задаться вопросом, какие выгоды компания Celera рассчитывала получить от этой затеи. Первоначально планировалось расшифровывать и патентовать генетические последовательности. Компания подала предварительные заявки на патенты на 6500 последовательностей, но в конце концов не закончила этот процесс и тоже открыла свои данные для всеобщего доступа (в частности, прислала нам тот диск, и не ее вина, что мы не смогли в нем разобраться).

С самого начала предполагалось, что «референсный» геном будет представлять собой мозаику из геномов разных людей. В проект привлекли добровольцев, живших по соседству с 20 центрами секвенирования. Их личные данные не записывались, и лишь небольшая доля собранных образцов была на практике использована для секвенирования, поэтому остается неизвестным, чья именно ДНК вошла в состав «референсной». Современная версия «референсного» генома, с которой мы работаем, постоянно уточняется и пополняется благодаря новым данным, полученным от большого числа разных людей, – это лоскутное одеяло, состоящее из множества кусочков неодинакового размера. Компания Celera сделала примерно то же, хотя ее выборка, возможно, была менее случайной. Всего был задействован 21 донор. За исключением возраста, пола и этнического происхождения (указанного со слов самих доноров), никакие данные о них не фиксировались. Добровольцы сдали по 130 мл крови (чуть более четверти пинты – достаточно, чтобы изобразить живописную сцену преступления). Мужчины также сдали пять образцов спермы, собранных в течение шести недель (раздел статьи, опубликованной компанией Celera в журнале Science, где описываются используемые методы, необычайно занимателен). Из 21 добровольца для секвенирования были отобраны всего пятеро: двое мужчин и три женщины, из них один – афроамериканского происхождения, один – китайского, один – латиноамериканского, а также два европеоида.

Впоследствии оказалось, что доля данных одного европеоида мужского пола непропорционально велика, и его имя было раскрыто: это был не кто иной, как сам Вентер. Лишь через несколько лет Вентер довел секвенирование собственного генома до конца. Возможно, это был первый случай секвенирования генома конкретной личности. Я говорю «возможно», поскольку примерно в то же время был секвенирован геном Джеймса Уотсона, и трудно сказать, кто успел закончить раньше.

Это произошло в 2007 г. В то время секвенирование генома отдельного человека казалось фантастической идеей. Теперь это чуть ли не рутинная процедура – любой может заказать секвенирование своего генома, были бы несколько тысяч долларов и желание. К настоящему времени секвенированы геномы сотен тысяч человек.

Несколько тысяч долларов? Первый черновой вариант расшифровки генома обошелся проекту «Геном человека» в $3 млрд. Ожидалось, что к 2001 г. стоимость секвенирования генома отдельной личности упадет до $100 млн. По мере развития технологий стоимость стремительно падает. Теперь секвенировать человеческий геном можно (условно) менее чем за $1000, а скоро это будет стоить еще меньше. Само секвенирование уже стало осуществить проще, чем последующий анализ полученных данных. Чтобы наглядно представить себе, насколько подешевела технология, сравним секвенирование генома с новой моделью «ламборджини», которая продается за $428 000. Если бы машины дешевели с той же скоростью, что и секвенирование генома, сейчас вы смогли бы купить новенький блестящий «ламборджини» по бросовой цене в $4,30.

Есть несколько баксов? Покатаемся!

3
Мальчик, который не переставал расти

Нет же, ползти прямиком никогда не научишь ты рака!

АРИСТОФАН[29]29
  Из комедии «Мир». Пер. А. И. Пиотровского. – Прим. пер.


[Закрыть]

Разным людям свойственны разные типы ошибок. Я, например, в особенности подвержен ошибке, на которой во многом основывается искусство фокусников. Один из их секретов – отвлечение внимания: фокусники управляют вашим взглядом так, чтобы вы не заметили чего-то существенного, происходящего прямо у вас перед глазами. В медицине ваше внимание может отвлечь другой врач, сам пациент или просто неудачное стечение обстоятельств, что приводит к ошибкам как будто бы элементарным – ошибкам, которых вы никогда бы не допустили, если бы обратили внимание на то, что нужно.

Если искусство фокусника состоит в отвлечении нашего внимания, то искусство медика – в том, чтобы не дать себя отвлечь. У нас говорят о «ловушках для новичков», но в действительности «старички» тоже могут в них попасться.

Несколько лет назад один терапевт, вовсе не новичок, направил ко мне мальчика с подозрением на задержку в росте. Это было несколько нетипично: обычно в таких случаях сначала направляют к педиатру, а затем к эндокринологу, то есть специалисту по гормонам (в том числе гормонам роста). Однако задержка в росте у детей может быть вызвана и многими генетическими отклонениями, так что, хотя обращение к генетику и не совсем стандартное решение, логика в нем присутствовала. В данном случае повод для беспокойства имелся – наблюдалось резкое пересечение центильных кривых.

Педиатры наблюдают за ростом детей, используя так называемые центильные таблицы. На их основе строятся графики, показывающие нормальные темпы роста, где кривыми обозначены разные перцентили. Рост 3 % детей превышает 97-й перцентиль. Рост 25 % всех детей ниже 25-го перцентиля. Вес каждого второго ребенка (50 %) меньше 50-го перцентиля. И так далее. Большинство детей, как правило, растет в соответствии с той или иной закономерностью. Тот, кто при рождении был мельче других младенцев, скорее всего, так и останется невысоким.

Привлекательность центильных кривых параметров развития состоит в том, что ими очень удобно пользоваться, чтобы отслеживать, нормально ли идет развитие. У ребенка большая голова – потому, что в его семье носят шляпы больших размеров и ему суждено быть таким же? Тогда его развитие будет проходить по одной и той же центильной кривой. А если на графике кривая роста его головы пересекает эту центильную кривую и идет вверх? Возможно, с ним что-то не так. Если пересечение не одно, его, скорее всего, направят на обследование мозга. Аналогичным образом, если рост ребенка увеличивался определенными темпами, а потом вдруг кривая роста резко идет вниз, как в нашем случае с мальчиком, – это повод для беспокойства, с которым надо разобраться. Расти – одна из главных задач детей, и, когда они прекращают это делать, важно отыскать причину. Разумеется, ребенок не уменьшился – просто он вырос на 1 см за время, за которое, как ожидалось, он должен был вырасти на 7 см.

Я следовал обычному протоколу, которого мы придерживаемся при работе с новыми пациентами. Расспросил о родственниках мальчика и о том, какого они роста. О течении беременности матери, о том, как прошли роды, и о развитии в грудном возрасте. Обследовал его в поисках нарушений строения конечностей или диспропорции между конечностями и туловищем. Рассматривал складки на его ладошках, потому что, если скелет кисти укорочен, складки могут иметь другую форму.

Я ничего не обнаружил. Совсем ничего. С виду он был совершенно нормальным ребенком, во всех отношениях здоровым – если не считать провала на графике роста.

Пришлось снова заглянуть в карту роста. К счастью, мать ребенка принесла с собой «Дневник здоровья», который выдается семье новорожденного. Еще более счастливым обстоятельством оказалось то, что в дневнике были записаны результаты предыдущих измерений роста. Я наложил их на график роста – и тут меня озарило.

По всем измерениям роста за все годы своей жизни этот ребенок проходил чуть ниже 25-го перцентиля – за исключением единственного измерения, имевшего место девять месяцев назад, когда мальчик оказался выше 90-го перцентиля. Задним числом было очевидно, что в тот раз произошла ошибка. Рост мальчика не рухнул с 90-го перцентиля ниже 25-го просто потому, что он никогда не достигал его.

Мальчик не переставал расти, и генетик ему точно не требовался. Но я не считаю этот случай пустой тратой времени. Впоследствии так не считала и мать ребенка, потому что направление ко мне, возможно, спасло ей жизнь.

Когда я был еще студентом, рак представлялся чем-то таинственным. Не то чтобы мы совсем ничего не знали о нем – знали мы немало. Было известно, что есть много факторов, вызывающих рак. Курение, естественно. Асбест. Некоторые вирусы, например ВИЧ. Воздействие иприта (горчичного газа) – к счастью, нетипичная проблема для нашего времени. В Австралии, мировом средоточии меланомы (побывайте там, вам понравится!), – солнце.

Было даже известно, что некоторые типы рака наследуются, и еще в конце 1950-х гг. появились данные о генетических изменениях в раковых клетках. В частности, в 1959 г. два исследователя из Филадельфии (Питер Ноуэлл и Дэвид Хангерфорд) обратили внимание, что у некоторых лейкозных клеток аномально укорочена 22-я хромосома; этот признак получил название «филадельфийской хромосомы»[30]30
  Это открытие, а также открытие Роули и Гарсон описаны во множестве публикаций, но о последнем можно прочесть в необычайно подробном обзоре истории цитогенетики на портале больницы Св. Винсента в Мельбурне: www.stvincentsmedicalalumni.org.au/wp/wp-content/uploads/2017/11/2010-Egan-prize-joint-winner_History-of-Cytogenetics-at-SVHM.pdf.


[Закрыть]. В 1973 г. Джанет Роули[31]31
  Спустя всего несколько недель после открытия Джанет Роули цитогенетик из Мельбурна Маргарет Гарсон независимо обнаружила то же самое. Две исследовательницы дружили, и, как рассказывают в Австралии, когда Роули узнала об открытии Гарсон, она любезно предложила ей совместную публикацию, но Гарсон отказалась, сказав, что Роули обогнала ее и заслужила славу.


[Закрыть] обнаружила причину, по которой укорачивается 22-я хромосома: от нее отламывается кусок и прилипает к 9-й хромосоме[32]32
  Кусок хромосомы 9, в свою очередь, прилипает на место отломанного куска хромосомы 22 – такой обмен частями называется реципрокной транслокацией. – Прим. науч. ред.


[Закрыть]. Это важнейшее открытие положило начало выявлению целого класса хромосомных аномалий, связанных с раковыми заболеваниями.

Много лет спустя установили, почему такая перетасовка двух хромосом вызывает рак. Точки разрыва двух хромосом находятся посредине двух различных генов. Слияние этих генов создает новый, гиперактивный ген, вызывающий аномальный рост клеток. Это открытие, в свою очередь, привело к созданию группы новых препаратов против некоторых типов рака (ингибиторов тирозинкиназы).

За последние десятилетия в биологии рака разобрались еще более основательно. Оказывается, рак почти всегда заболевание генома. Недуг, поражающий геном раковой клетки, по сути сводится к одной причине: в клетке рассогласована работа акселератора и тормозов.

Фундаментальная составляющая жизни – рост. При зачатии вы состояли из одной-единственной клетки. По клеточным меркам она была огромной – шириной в волос, но все-таки крошечной. Одной из важнейших задач этой клетки был рост за счет деления. По мере того как она делилась, все структуры новых дочерних клеток получали сигналы в свою очередь плодиться и размножаться. Клетки подчинялись этим сигналам, а обильный приток питательных веществ от вашей мамы способствовал тому, что подчинялись они с большим энтузиазмом.

Все шло хорошо, но лишь до поры до времени. На определенном этапе развития уже недостаточно быть непрерывно растущим шариком из клеток. Вам нужно было обрести форму. При этом необходимо, чтобы одни части тела продолжали расти, а другие прекратили рост. Некоторым клеткам даже пришлось умереть. Через шесть недель после зачатия вы весили в 500 раз больше, чем оплодотворенная яйцеклетка. Если бы вы продолжали расти в таком же темпе, то в возрасте менее одного года весили бы больше, чем планета Земля.

А значит, чтобы уравновесить это первичное ускорение деления, вашим клеткам понадобились тормоза. Им также понадобилось много всего прочего, поскольку пришлось принимать самые разнообразные решения. Какой конец верхний, а какой нижний? Какая сторона правая, какая левая? Существуют парные гены под названиями LEFTY1 и LEFTY2[33]33
  От англ. left – «левый». По идее, должен существовать и ген RIGHTY – «правый». Но такого названия нет. Максимум, что я могу предложить, – это ген, отвечающий за срединную линию вашего тела, который назвали MID1 (от middle – «средний»).


[Закрыть], отчасти отвечающие на этот вопрос. Как только у вас обозначились верх и низ, правое и левое, у вас также появляются перед и зад. На этой стадии вы пока еще почти бесформенный комочек, но вы уже развиваетесь в правильном направлении.

Тому, что обычно происходит дальше, присуща чудесная сложность. Белки обмениваются сигналами в своеобразном танце; клетки получают инструкции, в которых сообщается их будущая судьба. Ты и все твое потомство будете клетками кожи. Ты будешь нервной клеткой. Ты – клеткой печени. Растите вдоль этой линии. На этом месте перестаньте расти. Принимайтесь за свою работу, какова бы она ни была: сокращаться, чтобы сердце билось; подавать электрические сигналы, чтобы работал мозг; фильтровать кровь, очищая ее и превращая в мочу.

Но для некоторых клеток послание гласит: умрите. Это важно во всех отношениях: существует процесс так называемой запрограммированной клеточной смерти, удаления ненужных клеток. Проще всего представить это на примере конечностей. Ваша рука вначале была крошечной шишечкой, затем выросла и превратилась в плавник. Ваша кисть сформировалась как утолщение на конце плавника. Чтобы получились пальцы, понадобилось, чтобы клетки в промежутках между пальцами исчезли – и они исчезли.

Послание, приказывающее клеткам умереть, сохраняет важность и в дальнейшей жизни. Больные или поврежденные клетки могут запустить процесс собственного уничтожения. Если этого не происходит, больная клетка может создавать проблемы, потребляя слишком много ресурсов, отравляя соседние клетки или просто мешая их работе. Или даже превратиться в раковую.

Итак, сигналы бывают трех типов. «Расти» – сигнал к ускорению. «Перестань расти» – сигнал к торможению. И сигнал «умри». Все они должны быть сбалансированы, причем неодинаково для разных типов клеток. Более того, для многих отдельных клеток тормоза полностью заблокированы. Например, как только клетка становится зрелым лейкоцитом, она в принципе больше не должна делиться. Когда она состарится, ей на смену придет стволовая клетка из костного мозга. Стволовые клетки дремлют, не развиваясь в полноценную специализированную клетку, пока не понадобятся; тогда они делятся, и одна из дочерних клеток развивается в нужную клетку крови (либо печени, либо мышц, в случае необходимости), а вторая отступает назад за кулисы, дожидаясь, когда снова станет нужна. Некоторые зрелые клетки (такие как клетки кожи) сохраняют способность делиться и обновляться.

Клетки некоторых тканей (хрящей, мозга) живут долго и редко нуждаются в замене. Но по большей части организм подвержен износу. Клетки кожи и кишечного эпителия постоянно слущиваются и заменяются новыми. Быстрый рост и замена клеток создают условия для поломок, поэтому рак кожи и кишечника – распространенные заболевания.

При каждом делении клетки ее ДНК должна копироваться. Два комплекта из 3 млрд единиц информации копируются за считаные часы в микроскопическом пространстве. Естественно, случаются ошибки. Они происходят постоянно. В основном их отлавливают и исправляют корректоры, имеющиеся у генома. Но во многих случаях корректоры ошибаются. У среднестатистического человека в организме, вероятно, 30 трлн клеток (30 000 000 000 000)[34]34
  Разумеется, речь идет только о собственных клетках человека – в вашем организме обитает столько бактерий, протистов и грибов, что их клеток в вас, вероятно, не меньше, чем человеческих. Большинство из них очень мелкие, так что человеческая составляющая по крайней мере по весу больше, чем все остальное. Проснувшись утром, вы, вероятно, считали себя человеком, и вы ошибались только на 3 %. Быть человеком на 97 % не так уж плохо. Кстати, речь идет не только об одноклеточных существах. В моем студенчестве у нас был преподаватель, утверждавший, что в нашем кишечнике столько червей, что мы должны говорить друг другу не «доброе утро», а «как поживают ваши нематоды?».
  Если эта мысль внушает вам дискомфорт, лучше не справляйтесь о накожных клещах. Нет, правда, забудьте, что я о них упоминал.
  Прошу прощения.


[Закрыть]. А значит, в течение среднего срока человеческой жизни[35]35
  Это небесспорное утверждение, оценки заметно различаются. Я придерживаюсь одной недавней публикации: Сендер Р., Фукс С., Мило Р. Переоценка численности человеческих и бактериальных клеток в организме (Sender R., Fuchs S., and Milo R. ‘Revised Estimates for the Number of Human and Bacteria Cells in the Body’. PLoS Biology 2016;14(8):e1002533). В открытом доступе по адресу: www.doi.org/10.1371/journal.pbio.1002533. Но авторы могут ошибаться.


[Закрыть] они переживают около 10 квадрлн делений[36]36
  Эта оценка, вероятно, подпадает под категорию «хорошо обоснованных диких домыслов». Она взята из «базы данных полезных биологических цифр» на сайте Гарвардского университета (и тем не менее может быть совершенно неверной): https://bionumbers.hms.harvard.edu/bionumber.aspx?s=n&v=10&id=100379.


[Закрыть] (10 000 000 000 000 000). Это намного превышает численность самих клеток, поскольку для превращения оплодотворенной яйцеклетки во взрослого человека требуется очень много делений и поскольку отмершие клетки нужно непрерывно заменять новыми.

Сколько ошибок остаются неисправленными? Ну, в среднем у вас от 40 до 80 мутаций ДНК в каждой клетке вашего организма, которые вы не унаследовали ни от кого из родителей[37]37
  По крайней мере, эта оценка основывается на достоверном источнике: Гомес-Ромеро Л. и др. Точное определение однонуклеотидных замен de novo в человеческих геномах (Gómez-Romero, L. et al. ‘Precise Detection of De Novo Single Nucleotide Variants in Human Genomes’. PNAS 2018;115(21):5,516–21).


[Закрыть], но которые передадутся вашим детям. Большинство из них возникло в сперме отца. Производство спермы – процесс скоростной, высокопроизводительный и не требующий особой квалификации, в отличие от штучного изготовления яйцеклетки.

Влияют ли на что-то эти изменения в ДНК? Зависит от того, где произошла ошибка. Она может иметь существенные последствия, как мы узнаем позже. Но чаще всего мутации происходят в тех местах, где они ни на что особо не влияют: в промежутках между генами или в таких местах, где замена Ц на Т или А на Г принципиальной роли не играет.

Так как же обстоит дело с отведенными вашему организму 10 квадрлн клеточных делений? Насколько точно копируется ДНК? Оказывается, как показали недавние исследования, в среднем происходит примерно одна ошибка на клеточное деление[38]38
  Милхолланд Б. и др. Различия скорости мутаций клеток зародышевой линии и соматических клеток у человека и мыши (Milholland, B. et al. ‘Differences Between Germline and Somatic Mutation Rates in Humans and Mice’. Nature Communications 2017;8:15,183).


[Закрыть]. Да, вы прочитали правильно – чуть ли не при каждом делении клетки что-то идет не так и геном копируется неточно. Ваш геном разрушается ежедневно, ежеминутно. В некотором – достаточно буквальном – смысле у вас нет «вашего генома» – у вас есть триллионы слегка различающихся версий того генома, которым вы обладали на момент зачатия. Практически невозможно найти две клетки, в точности совпадающие по составу генов.

Если у нас имеются 3 млрд нуклеотидов ДНК и при их копировании могут произойти 10 квадрлн ошибок, следовательно, едва ли не каждая из возможных простых генетических мутаций непременно произойдет много раз в течение жизни одного человека. Тьма шансов, что «гены-тормоза» сломаются и перестанут работать или что «гены-акселераторы» заклинит во включенном положении. А то и возникнет совершенно новый «акселератор», как в случае с филадельфийской хромосомой.

Вы удивитесь, как мы вообще еще живы; как при этом можно прожить, не заболев раком, от зачатия до рождения, а тем более от детства до зрелых лет?

Оказывается, на этот вопрос существует два различных ответа. Во-первых, что самое главное, перерождение здоровой клетки в раковую не происходит в одночасье и (как правило) не случается из-за одной-единственной генетической ошибки. Существуют системы резервного копирования, так что обычно одной ошибки недостаточно, чтобы вызвать рак: нужно, чтобы к ней добавились новые и чтобы все это, разумеется, произошло в одной и той же клетке. Довольно трудно определить, сколько именно ошибок для этого понадобится, поскольку одна из особенностей раковых клеток состоит в том, что их ДНК зачастую копируется небрежно и это само по себе приводит к ошибкам. Некоторые из них – не факторы перерождения клетки в раковую, а следствия хаоса, который возникает в результате такого перерождения. А значит, наряду с мутациями, которые «рулят», есть и «пассажиры»[39]39
  «Рулить» в данном случае может как сломанный «тормоз», так и излишне активный «акселератор» – любой фактор, ускоряющий рост клеток.


[Закрыть] – не источники проблемы, а ее попутчики, и при изучении ДНК раковых клеток не всегда ясно, кто есть кто[40]40
  Ученые так и называют их «драйверными» (от англ. to drive – «рулить») и пассажирскими мутациями соответственно. – Прим. науч. ред.


[Закрыть].

Получив возможность секвенировать весь геном опухоли и сравнить его со здоровой тканью, мы начинаем представлять картину того, как проходит путь от добропорядочной функциональной клетки до общественно опасного элемента. Оказывается, что ошибок, по-видимому, нужно для этого не так уж много – нередко – всего шесть-семь, а при некоторых типах рака и меньше – всего одна-две. Но помните, что требуется именно такая удачная (т. е. неудачная) комбинация ошибок. В нашем организме полно «недораковых» клеток, которые ведут себя тихо и совершенно нас не беспокоят.