Текст книги "Расшифрованная жизнь. Мой геном, моя жизнь"

Генетическое завещание моего отца

Наиболее распространенное сердечно-сосудистое заболевание – атеросклероз, при котором кальций вместе с жирами и холестерином накапливается в кровеносных сосудах и образует отложения, бляшки, что может вызвать сердечный приступ или инсульт. Белок аполипопротеин E (Аро Е) отвечает за регулирование уровня некоторых жиров в крови, вызывающих сердечные заболевания, а также болезнь Альцгеймера – прогрессирующего и разрушительного нейродегенеративного процесса.

Я могу открыть на экране компьютера изображение своего генома и исследовать хромосому 19, в которой находится ген Аpо Е. В нем девятьсот букв, и он встречается в трех разновидностях, известных как E2, E3 и E4, отличающихся друг от друга двумя буквами кода. E3 преобладает среди европеоидов и с точки зрения здоровья является «хорошим». Напротив, 7 % людей с двумя копиями E4 имеют более высокий риск ранней стадии сердечных болезней, как и 4 % людей с двумя копиями E2, которые более уязвимы, если в их диете много холестерина и жиров. Носители E4, отличающегося только одной буквой от «хорошего» E3, имеют повышенный риск развития болезни Альцгеймера. У меня есть одна копия E3, а также, к сожалению, одна копия E4, поэтому я попадаю в группу риска. Хотя в моей семье нет данных о случаях заболевания болезнью Альцгеймера, вполне возможно, что носители этого гена, например, мой отец, умерли просто до проявления признаков этого ужасного дегенеративного заболевания.

Прочитав книгу своей жизни, я изучил все биохимические недостатки моего организма и попытался их исправить. Один из вариантов предполагает диету и физические упражнения. Кроме того, я начал принимать статин – препарат, предотвращающий последствия повышенного содержания жиров. Тот же статин может служить профилактическим средством против болезни Альцгеймера.

Многие другие гены в моем геноме ответственны за проявления ишемической болезни, от возникновения сердечных приступов до повышения давления из-за сужения кровеносных сосудов (стеноз). Мой геном имеет менее рискованные версии некоторых из этих генов, в частности TNFSF4, CYBA, CD36, LPL, NOS3. Однако есть еще сотни других генов, которые принимают участие в данном процессе, и нам потребуется еще много лет, чтобы понять специфику их взаимодействия.

Я собирался позвонить отцу из Буффало в праздник, День отца, но ранним утром 10 июня 1981 года мне позвонила мама и сказала, что отец умер, умер во сне. Ему было всего 59 лет! Доктор диагностировал смерть от сердечного приступа. Мы с Клэр прилетели ближайшим рейсом, чтобы утешить маму и сделать необходимые приготовления к похоронам и кремации. Похоронили отца на военном кладбище в Военном городке Сан-Франциско. Поскольку отец считал, что от религии больше вреда, чем пользы, мать решила ничего не устанавливать на могильной плите, и могила так и осталась безо всякой религиозной символики, одна такая среди могильных камней с крестами или звездами. Я плакал, его смерть была огромной потерей для меня и всей нашей семьи. Хорошо, что он прожил все-таки довольно долгую жизнь, увидел мои первые успехи и нам удалось установить теплые отношения. И хотя Вьетнам научил меня, что жизнь конечна, горечь утраты усиливалась оттого, что он умер слишком рано.

Моя довольно обременительная преподавательская деятельность благополучно завершилась в 1982 году, после того, как новый директор Онкологического института имени Розуэлла Парка Хайнц Кёлер предложил мне стать заместителем директора отдела молекулярной иммунологии. В моем распоряжении появились новые, удобные лабораторные комнаты, я получил должность профессора, да и зарплата моя удвоилась. Кроме того, я добился штатной должности научного сотрудника и повышения зарплаты для Клэр. Мы переехали из квартиры в новый дом в деревенском стиле. В общем, я был всем доволен. К тому же к 1984 году каждые две-три недели мои сотрудники отсылали в печать новую статью.

Благодаря Кёлеру мне казалось, что все у меня складывается отлично. Однако именно из-за него я чуть не погиб, и случилось это одним ветреным днем, неподалеку от Шеркстон-Бич на озере Эри. Хайнцу очень хотелось поплавать со мной на катамаране, и однажды мы снялись с якоря и заскользили по волнам, взлетая высоко в воздух. Это было потрясающе, но тут Кёлер попросил меня дать порулить, уверяя, что умеет это делать. Через несколько мгновений, пока Клэр и я беспомощно наблюдали за ним с трапеции, Кёлер направил катамаран в огромную волну, и судно тут же опрокинулось. Катамаран откатапультировал Кёлера в небо, и он врезался в середину мачты как раз в тот момент, когда лодка перевернулась.

Клэр оказалась под водой, запутавшись в канатах и тросах. Я освободил ее, но она была так зла на Кёлера, что хотела его просто утопить. Кёлер и сам изрядно поранился и почти потерял сознание. Мы были в полутора километрах от берега, бушевал шторм, но Клэр в панике бросилась вплавь к берегу. Я удержал ее, одновременно пытаясь помочь Кёлеру. Барахтаясь в волнах, мы все же сумели выправить лодку и благополучно вернулись на берег. Через несколько недель после того, как Клэр поклялась, что никогда больше не ступит на борт «Хоби Кэт», я заказал крейсерскую однокорпусную яхту «Кейп Дори 25D».

В 1983 году я получил предложение от НИЗ в Бетезде – лучшего государственного медицинского центра в Америке, предложение, которому суждено было полностью изменить мою жизнь и направление исследований.

Благодаря системе собственных институтских программ, финансирование исследований в НИЗ происходит почти автоматически, но, конечно, если директор одобряет ваше предложение. Это означает, что не нужно искать гранты! Мне было особенно лестно, что меня пригласили в НИЗ, поскольку обычно там предпочитали продвигать своих собственных специалистов, а не нанимать со стороны.

Ой!

Вот примерно то, что я воскликнул, когда мои собственные сотрудники описали мое будущее, обнаружив в моем геноме ген SORL1, кодирующий сортилиновый белковый рецептор. Варианты этого гена определяют позднее начало болезни Альцгеймера, наиболее распространенной причины слабоумия. Согласно данным международной команды исследователей (2007), имеется связь только второго генетического варианта с этим типом болезни Альцгеймера. Первый вариант – это ген Аpо E4.

Оказалось, что варианты SORL1 чаще встречаются у людей (в четырех этнических группах) с поздним началом болезни Альцгеймера, чем у здоровых людей того же возраста, и считается, что опасные варианты гена способствуют образованию белковых отложений в головном мозге. Эти бляшки – причина неотвратимого снижения умственных способностей. Другими словами, когда ген SORL1 работает должным образом, он выполняет защитную функцию, возможно, путем утилизации отлагающегося белка. А снижение SORL1 в мозге, обнаруживаемое при посмертных исследованиях тканей мозга больных, означает повышение вероятности развития болезни Альцгеймера.

Хотя связь SORL1 с разрушительной болезнью установлена в гораздо меньшей степени, чем в случае Аpо E4, получается, что мой геном несет в себе все опасные варианты в одной части гена, и некоторые из них в другой. Действительно, ой! Поскольку у меня уже есть вариант Аpо E4, мои сотрудники занялись более тщательным исследованием проблемы. Сейчас мы понимаем, как часть гена с опасными вариантами изменяет образование белка в клетке, что может привести к деменции. Однако не ясно, как варианты во втором чувствительном участке – так называемом рисковом кластере аллелей 5' – увеличивают риск этого заболевания.

НИЗ оказался идеальным местом для моих исследований. В течение десяти лет я занимался адреналиновыми рецепторами, и мне становилось все более очевидным, что традиционные методы очистки не могут обеспечить необходимого количества белка для изучения его аминокислотной последовательности, а следовательно, и для определения его молекулярной структуры, которая является ключом к пониманию механизма работы белка. Я решил использовать последние достижения молекулярной биологии, чтобы обойти эту проблему с помощью оригинальной интерпретации механизма «бей или беги».

Кёлер и администрация Института Розуэлла Парка сделали мне привлекательное встречное предложение, и иногда я чувствовал, что мог бы здесь и остаться. У меня было много хороших воспоминаний, связанных с Буффало, тут началась моя научная карьера, тут я дорос до профессора. Здесь родился мой сын, здесь я встретил Клэр, мою жену и коллегу. Но здесь же я столкнулся со смертью отца и болезненным разводом. Немаловажным обстоятельством было и то, что уровень исследований в Буффало оказался невысоким. Но самым главным для меня были воспоминания о работе в Дананге и стремление добиться гораздо большего. Около десяти членов моей лаборатории были готовы вместе со мной перейти на работу в НИЗ, и мы начали оформлять документы для перехода на государственную службу. Несмотря на предстоящую потерю стольких сотрудников, Кёлер заметно повеселел, узнав, что я оставляю свои грантовые деньги в Буффало. А я готовился к новому этапу своей карьеры в качестве госслужащего.

Глава 5
Научный рай, бюрократический ад

Обычно большие молекулы распадаются под действием соответствующих ферментов, образуя небольшие соединения, которые затем мы разделяем и секвенируем. После получения достаточного количества данных их путем дедукции подгоняют друг к другу для получения полной последовательности. Этот способ, довольно медленный и утомительный, часто требует последовательного расщепления и фракционирования, и применить его к более крупным молекулам, таким как ДНК, нелегко. Очевидно, для секвенирования генетического материала требовался абсолютно новый метод.

Фредерик Сэнгер. Нобелевская лекция, 8 декабря 1980 года

Чтобы попасть в мою новую научную обитель в Национальном институте по изучению неврологических нарушений и инсультов (НИЗ), располагавшемся в городе Бетезда, штат Мэриленд, нужно было пройти мимо множества комнат по темному коридору второго этажа здания под ничего не говорящим названием «Строение № 36». Я получил сотни тысяч долларов для оснащения своей лаборатории, причем стартовый годовой бюджет составлял более миллиона долларов. Вместе со мной сюда приехали большинство моих сотрудников, и я был готов немедленно начать исследования.

Сотни лучших ученых страны работали бок о бок с нами.

К примеру, на первом этаже была лаборатория Маршалла Ниренберга, одного из лауреатов Нобелевской премии за расшифровку генетического кода. Ниренберг показал, что каждой из букв ДНК соответствуют аминокислоты – строительные блоки, из которых состоят белки. Он и его коллеги многому могли нас научить. Мне казалось, я попал в научный рай.

Однако я снова и снова убеждался, что за удовольствие нужно платить. За неделей безмятежного блаженства на паруснике следует наказание в виде штормов и ураганов. Прежде чем в полной мере воспользоваться широкими возможностями НИЗ, мне пришлось иметь дело с неповоротливой бюрократической машиной госаппарата. При поступлении в НИЗ мне была обещана должность высшего разряда – десятая ступень пятнадцатого разряда. К несчастью, кадровик, отвечавший за штатное расписание моей лаборатории, начисто забыл оформить мое назначение на соответствующую должность.

Как это часто случается, чиновник, столкнувшись с неожиданной проблемой, пошел по пути наименьшего сопротивления – просто засунул мои документы в нижний ящик стола и забыл о них. Когда я спрашивал, что происходит с моей зарплатой, мне говорили: мои документы не могут найти, и на то есть какая-то важная причина. К счастью, Розуэллский институт продолжал платить мне зарплату как главному исследователю по нескольким грантам, а то бы у меня несколько месяцев вообще никаких денег не было. Когда кадровика, наконец, приперли к стенке, он признался, что был в таком ужасе от случившегося, что решил вообще ничего не делать.

Это был не единственный повод для беспокойства. Клэр, Дорин Робинсон и Мартину Шриву, моим ведущим сотрудникам, в НИЗе были обещаны штатные должности. Но вскоре после приезда меня вызвали в кабинет заведующего по научной части Ирва Копина и объявили, что Клэр действительно получит постоянную должность, но только через пару лет: они посчитали, что ее научная квалификация не удовлетворяет предъявляемым требованиям.

Найти новый дом тоже оказалось сложнее, чем мы ожидали, из-за довольно высокой стоимости жилья вблизи Вашингтона. Меньший по размеру и не такой новый, как дом в Буффало, стоивший 80 тысяч долларов, здесь обошелся бы в сотни тысяч. Наш агент по недвижимости Барбара Родбелл была новичком в этом бизнесе, и мы были ее первыми (и единственными) клиентами. Наконец мы купили дом в Силвер-Спринге – таунхаус с двумя спальнями за 105 тысяч долларов – и переехали в него вместе с нашим шестимесячным щенком Цезарем, названным так за свои императорские замашки. Я нашел место для стоянки моего 25-футового парусника «Сириус» на верфи в Гейлсвилле – там, где Ист-ривер впадала в Чесапикский залив с многокилометровым пляжем и прекрасными якорными стоянками. Местная экономика поддерживалась доходами от продажи табака и крабового промысла, а старый универсальный магазин с дровяным камином и шахматным столиком в придачу придавал этому местечку неповторимый колорит.

Однажды в выходные я отправился исследовать здешнюю бухту на свой лодке. У меня всегда было пристрастие к высоким скоростям, и, мчась по дороге в Гейлсвилл, я внимательно следил, нет ли поблизости полицейских машин без опознавательных знаков. Я обращал внимание на все необычные машины – например, на коричневый «форд» с двумя мужчинами внушительного вида, сидевшими в автомобиле. Всякий раз, когда я менял полосу или поворачивал, коричневый «форд» следовал за мной. В Хартджесе я вскоре забыл о нем. Но вечером, когда я вернулся в Силвер-Спринг, походив под парусом весь день, оказалось, что он снова рядом! Это стало меня беспокоить, я даже подумал, не отголосок ли это моего антивоенного прошлого, которое решило преследовать меня, когда я стал высокопоставленным госслужащим. Однако оказалось, я волновался зря.

На следующее утро, в понедельник, я обнаружил в своем маленьком кабинете двух ожидавших меня мужчин в темных костюмах, с узкими галстуками. Они встали и, показав мне удостоверения сотрудников Министерства обороны США, объяснили, что хотят обсудить возможность использования моих исследований для обнаружения отравляющих веществ нервно-паралитического действия и соответствующего химического оружия. В этом был определенный смысл, потому что я занимался изучением тех же самых рецепторных белков, которые являются мишенями для нейротоксинов. Несмотря на довольно мрачную тему разговора, меня успокоило, что их интересуют мои исследования, а не я лично.

В первую очередь они хотели знать, могу ли я обнаружить такие отравляющие вещества с помощью белков, с которыми эти вещества взаимодействуют в организме. Можно ли использовать эти белки для обнаружения мельчайших следов таких веществ в воздухе, а затем, используя некие хитроумные химические реакции, например проявляющиеся в виде люминесценции, сообщить окружающим, что они находятся в опасной зоне?

Адреналиновые рецепторы нельзя получить в большом количестве, однако никотинового холинорецептора с медиатором ацетилхолином было выделено столько, что он мог бы стать подходящим объектом. Это мои гости и хотели услышать. Ацетилхолин осуществляет передачу нервных сигналов к мышцам, включая диафрагму – мышцу, управляющую нашим дыханием. Такие нервно-паралитические вещества, как табун, зоман или зарин, приводят к смерти, блокируя действие важнейшего фермента ацетилхолинэстеразы, которая расщепляет и выводит ацетилхолин. Эти яды парализуют диафрагму и в результате жертва задыхается.

Поскольку ацетилхолин также действует на ряд участков мозга, ацетилхолиновый рецептор представляет интерес и для фундаментальной науки. Никотин активирует один из участков этого рецептора на нервных окончаниях, увеличивая утилизацию другой сигнальной молекулы – дофамина, который, в свою очередь, играет определенную роль в том, что неврологи называют «путь к справедливому вознаграждению» (путь – цель), вызывая тягу к курению у курильщиков.

Ацетилхолиновый рецептор был успешно выделен и очищен Джоном Линдстромом, работавшим в то время в Институте биологических исследований Солка в Сан-Диего. Джон с удовольствием бы предоставил мне этот белок за внушительную сумму, которую я посчитал вполне разумной, учитывая титанические усилия по его выделению, и получил бы от Министерства обороны деньги для своих исследований, а я бы придумал, как помочь правительству обнаруживать нервно-паралитические вещества.

Но бюрократический мозг правительства – это не единая, хорошо отлаженная машина. Чиновники НИЗ существенно затруднили получение денег от Министерства обороны. Обычно ученые не приносят государственные деньги в государственный НИЗ. Напротив, предполагается, что они их расходуют. В конце концов 250 тысяч государственных долларов поступили на специальный счет, открытый в институте на мое имя, но мне сделали предупреждение, что я слишком уж предприимчив, и у меня нет никакой необходимости добывать дополнительные средства.

Подготовив лабораторное оборудование, мы сразу же приступили к выделению и клонированию адреналиновых рецепторов из человеческого мозга для установления их молекулярной структуры и изучения загадочных процессов с их участием. В данном случае клонирование означает копирование гена, который вводится в лабораторный штамм кишечной палочки E. coli. При размножении этих бактерий происходит и размножение копий гена – объектов наших исследований. В сущности клонирование гена также означает обнаружение его в клетках и/или в геноме и последующее определение строения гена, который и создает белок – в данном случае рецептор, отвечающий на выброс адреналина. Для этого нужно выделить рецепторный белок, определить последовательность его аминокислот, а затем выявить возможные коды в молекуле ДНК, определяющие эту последовательность.

На словах все выглядит несложно, но на это ушло десять лет изнурительного труда! Благодаря усилиям моим и моих сотрудников, та же самая работа сейчас занимает всего несколько дней. Но вернемся в 1980-е годы, к тяжелой и кропотливой работе по выделению и изучению редких белков, образующихся в организме человека. Для выделения количеств рецепторного белка, необходимых для определения гена, я хотел использовать недавно разработанный тогда метод высокоэффективной жидкостной хроматографии (ВЭЖХ). Этот метод заключается в том, что компоненты мембраны клеток человека (в данном случае) помещают в раствор детергента для разложения липидов, а затем раствор с выделенными из мембраны белками пропускают через колонки с насадкой. Скорость прохождения белка по колонке зависит от его размера или заряда, при этом молекулы небольшого размера проходят быстрее, чем более крупные.

Для использования этой новой методики нужны были опытные специалисты. Я пригласил на работу Энтони Керлаваджа, который вместе со Сьюзен Тейлор из Калифорнийского университета в Сан-Диего занимался очисткой белков методом ВЭЖХ. А для дальнейшего совершенствования методов изучения белков я сформировал команду молодых специалистов, в которую вошел постдок из Северной Каролины Фу-Зон Чунг и два лаборанта из Буффало – Жанин Гокейн и Майкл Фитцджеральд.

За время освоения процессов очищения рецепторов мы опубликовали тридцать научных работ по различным аспектам изучения структуры и функции рецепторов. В итоге мы сделали важный вывод: природа очень неизобретательна при конструировании рецепторов и все время использует одни и те же модели, разве что с незначительными изменениями. Анализ структуры мускариновых ацетилхолиновых рецепторов (подтип ацетилхолиновых рецепторов) и альфа-адренергических рецепторов (тип адреналинового рецептора) показал значительное сходство структур, несмотря на то, что рецепторы распознают совершенно разные нейромедиаторы в организме. Этот вывод оказался весьма неожиданным, поскольку ранее в молекулярной биологии различные рецепторы рассматривались как существенно отличающиеся объекты, поэтому многие исследователи пренебрежительно отнеслись к нашим данным, и лишь недавно, когда гены рецепторов были секвенированы, их значительное сходство стало очевидным.

За два года мы добились значительных успехов, но в тот момент, когда цель была близка и мы начали секвенировать аминокислоты, выделив и очистив крайне небольшое количество рецепторов, конкуренты нанесли по нам сокрушительный удар. Нас опередила группа ученых из Дьюкского университета под руководством Роберта Лефковича, они даже получили за это премию. Работая вместе со специалистами фармацевтической компании Merck, они приложили большие усилия для очищения и клонирования рецепторов адреналина из красных кровяных телец клеток индюшек. Триумф Лефковича взволновал всех ученых, работавших в этой области. Ну и меня, разумеется. Я собрал своих сотрудников и напомнил им, что это только начало, и главные открытия впереди.

Для дальнейших исследований мы решили воспользоваться способом, с помощью которого соединяются попарно комплементарные основания в генетическом коде – каждая половина двойной спирали. Еще в 1953 году Уотсон и Крик догадались, как отдельные цепочки ДНК копируются в комплементарную цепь при объединении оснований в пары. Это одновременно объясняет, как при делении клетки копируются ДНК в хромосомах. Изучив все четыре азотистых основания генетического алфавита, они обнаружили, что А всегда объединяется в пару с G, а C с Т. После разделения двойной спирали на две дочерние комплементарные к ним цепочки образуются по этим правилам. И если создать одну цепочку оснований, то по тем же правилам она соединится только с комплементарной цепочкой. По сути мы создаем ДНК-зонд, который крепится только к определенному гену на огромном геноме человека.

Мы могли бы использовать этот способ комплементарного соединения оснований, применив два подхода к определению генетического кода адреналинового рецептора. Во-первых, использовать небольшую часть последовательности белкового рецептора, полученную нами для расшифровки соответствующей последовательности ДНК, в качестве зонда для поиска определенных генов в геноме человека. Во-вторых, воспользоваться наследием эволюции: гены адреналинового рецептора индюшки и человека, скорее всего, должны быть довольно схожими. Другими словами, мы могли бы сделать ДНК-зонды из самого гена индюшки, – если они свяжутся с комплементарными ДНК человека, они выявят эквивалентный ген человека. Помещая радиоактивную метку на разные виды зондов, мы таким образом установили бы место присоединения каждого из меченых зондов.

Но, как обычно, возникли проблемы. Нужно было получить геном человека в форме, пригодной для этих экспериментов. Даже в виде хромосом, то есть в том виде, в котором он находится в клетках, размер этого кода слишком велик для исследований. Для успешной «охоты на гены» необходимо разделить генетический код человека на пригодные для работы участки. Если взять полный набор ДНК в клетке человека и разделить его на части, то в итоге получится то, что ученые называют «библиотекой». Существуют два основных типа библиотек ДНК – геномные и клоновые.

Геномная библиотека ДНК создается с помощью специальных ферментов, называемых рестриктазами, которые разрезают хромосомы человека на мелкие кусочки, каждый из них состоит примерно из 15–20 тысяч пар оснований ДНК. Чтобы изучать эти части ДНК человека, нужно уметь их копировать и хранить, точно так же, как книги – печатать и переплетать. В процессе копирования каждый фрагмент ДНК человека прикрепляется к ДНК бактериофага – вирусу, который инфицирует бактерии и размножается внутри них. Такой обработанный бактериофаг, несущий в себе ДНК человека, используют для инфицирования бактерии кишечной палочки E. coli. Если налить в чашку Петри бульон с инфицированной кишечной палочкой E. coli, то на бактериальном газоне появятся стерильные пятна – там, где вирусы убили E. coli. Эти пятна, бляшки, содержат миллионы вирусных частиц – и следовательно, миллионы копий фрагментов ДНК человека.

Клоновые библиотеки ДНК составляют на основе другого генетического материала в клетках – матричной (информационной) РНК, переносящей геномную информацию для сборки белка. Только 3 % нашего генетического кода отвечает за кодирование белков, поэтому мы получаем гораздо более компактный «рабочий чертеж» ДНК человека, если сосредоточим внимание на РНК, кодирующую эти белки. (Типичный ген может содержать миллион пар оснований, а длина «отредактированной» РНК может доходить всего лишь до тысячи пар оснований.) Другими словами, такая библиотека ДНК использует тот же способ, с помощью которого природный «издатель» превращает весь генетический код в гораздо меньшие матричные РНК – лишь субпопуляции генов, необходимых для создания специфичных клеток или тканей.

По своей природе матричная РНК недолговечная и нестабильная молекула, в противном случае мы бы просто выделили ее из клетки и прочитали. Однако с помощью фермента «обратная транскриптаза» РНК нетрудно скопировать в стабильную молекулу ДНК. Это называется комплементарной ДНК или кДНК. Выделяя РНК человека для изготовления кДНК, мы получаем сжатый, легко читаемый вариант генома с кодирующими белок генами.

Как и в геномной библиотеке, каждый том комплементарной библиотеки должен быть представлен в удобном для обработки и копирования виде. Природа решила и эту проблему. Комплементарные библиотеки ДНК получают путем выделения матричных РНК в тканях, преобразуют эти РНК в комплементарные фрагменты ДНК и встраивают их в плазмиды, небольшие кольцевые молекулы ДНК с инструкциями для бактерии. Бактерии кишечной палочки E. coli, инфицированные этой кДНК, играют роль «печатного станка» книг для этой библиотеки. Каждая бактерия содержит соответствующий сегмент кДНК человека, и когда бактерия реплицируется (делится на дочерние клетки), то и материнские, и дочерние клетки получают одинаковые фрагменты гена человека.

Эти фрагменты ДНК невидимы для невооруженного глаза, но их легко разглядеть с помощью специальных приборов. На дно чашки Петри наносят очень тонким слоем, чтобы по возможности избежать соприкосновения колоний бактерий, бульон с E. coli, содержащими кДНК человека. Отдельные колонии бактерий начинают расти, и когда они в итоге становятся различимы глазом в виде пятен, в каждой из них оказываются миллионы идентичных бактериальных клеток (клонов), и в каждой из этих клеток находится одинаковая часть кДНК человека. В небольшой чашке Петри можно получить десятки и сотни тысяч таких изолированных колоний и создать обширную библиотеку ДНК человека.

С помощью любой из таких библиотек мы начинаем охоту на рецептор, используя способ крепления комплементарных ДНК. Фильтровальной бумагой удаляем ДНК из чашек Петри с E. coli, вырастившей геномную или комплементарную библиотеку ДНК. Фильтровальную бумагу затем замачиваем на ночь в растворе рецепторного ДНК-зонда. Чтобы определить, связан ли он с комплементарной ДНК в библиотеке, зонд метят радиоактивным изотопом фосфора Р-32, заменяя им некоторые атомы фосфора в молекуле ДНК. Затем фильтры промывают, чтобы удалить все следы радиоактивного зонда, которые не присоединились ни к одному из фрагментов ДНК, сушат и помещают на несколько дней в кассету с рентгеновскими пленками. Положительные колонии и бляшки – области, где радиоактивный зонд прикрепился к целевой ДНК-мишени, видны на проявленной рентгеновской пленке как черные пятна. Сравнивая пятна на пленке с пятнами в чашке Петри, положительные колонии или бляшки можно идентифицировать, а затем выделить и амплифицировать их ДНК.

Заметим, что найти нестабильную матричную РНК, кодирующую определенные белки, не так-то просто. В каждой клетке есть всего несколько тысяч молекул трудно выделяемых мембранных белков, например адреналиновых рецепторов. Как следствие, невелико также и количество матричной РНК, кодирующей рецепторный белок. Используя генетический материал мозга человека, полученный для медицинских исследований, нам приходилось изучать более миллиона колоний кДНК, чтобы найти именно ту, которая содержала матрицу для создания адреналинового рецептора. Мы вырастили колонию для производства достаточного количества такой ДНК и с ее помощью сумели ее секвенировать – определить порядок расположения четырех нуклеотидов (C, G, A и T), формирующих звенья в молекуле ДНК с внешним остовом из сахара и фосфата. Порядок расположения пар оснований в ДНК определяют с помощью двух основных методов секвенирования. Один из них был разработан в Лаборатории молекулярной биологии Совета по медицинским исследованиям в Кембридже Фредериком Сенгером, блестящим ученым, (кстати, разделяющим мою любовь к парусному спорту){15}15
  «Помимо моей работы, мои главные увлечения – это занятие садоводством и то, что лучше всего можно описать как “возиться с яхтой”». Фред Сенгер, автобиография, Nobelprize.org.


[Закрыть], который однажды сказал, что «у него все в порядке с головой, но не очень хорошо с болтовней». Второй был описан гарвардским ученым Уолли Гилбертом, известным как «серый кардинал с грандиозными замыслами». В 1980 году Гилберт и Сенгер получили Нобелевскую премию. Большинство экспериментов по секвенированию, проведенных в последние десятилетия, являются прямым продолжением именно метода Сенгера, которому удалось разрешить некоторые сложнейшие проблемы биологии. В мае 1975 года Сенгер потряс научный мир, частично секвенировав ДНК, а затем впервые полностью секвенировав геном вируса: 5375 пар оснований генетического кода бактериофага phi-X174. Позднее Сенгер секвенировал приблизительно 17 тысяч (или около того) пар оснований ДНК митохондрий человека (энергетических фабрик наших клеток), положив начало первому проекту по расшифровке генома человека.

Метод расшифровки ДНК, впервые предложенный в Кембридже Сенгером совместно с Аланом Коулсоном, состоит в создании многочисленных копий молекул ДНК с использованием фермента ДНК-полимеразы. Для репликации ДНК этой полимеразой ее помещают в раствор из нуклеотидов – строительных блоков ДНК. Фермент считывает информацию с каждого конца первичной нити ДНК, используя нуклеотиды для создания новых копий. Вклад Сенгера состоял в добавлении в этот раствор дополнительного ингредиента – «нуклеотидов-терминаторов», помеченных радиоактивным P-32. Эти нуклеотиды присоединяются к растущей копии и случайным образом прекращают действие полимеразы, помечая конец растущей цепи радиоактивной меткой. Поскольку это может происходить на любой стадии образования в пробирке множества копий молекул ДНК, в результате образуется смесь фрагментов ДНК различной длины, каждый из которых оканчивается радиоактивно помеченными C, G, А или T, – смотря по тому, какое основание помечено P-32.