Текст книги "Ген. Очень личная история. Сиддхартха Мукерджи. Саммари"

Smart Reading
Ген. Очень личная история. Сиддхартха Мукерджи. Саммари

Оригинальное название:

The Gene: An Intimate History

Автор:

Siddhartha Mukherjee

www.smartreading.ru

Хаос как закон природы

«На самом деле, если разобраться, все сложные и вроде бы хаотичные явления – результат действия высокоорганизованных законов природы», – пишет ученый-медик, автор и лауреат Пулитцеровской премии Сиддхартха Мукерджи и предоставляет убедительное доказательство этой концепции в действии. В своей книге «Ген: очень личная история» Мукерджи мастерски раскрывает простые принципы, управляющие сложным процессом наследственности.

«Ген: очень личная история» – это дань уважения научному прогрессу. Мукерджи углубляется в 200-летнюю историю генетики, от основополагающих экспериментов Менделя до последних открытий генной инженерии, и раскрывает все, что мы знаем о генетике сегодня, описывая сложные концепции с поразительной ясностью. Увлекательный стиль повествования Мукерджи позволяет читателю побывать в лабораториях и садах великих генетиков, способствует более глубокому пониманию генетики и побуждает задуматься о силах, формирующих нашу идентичность. Мукерджи не боится затрагивать и сложные темы – ужасающие программы евгеники, неудачные испытания генной терапии и наше искаженное понятие «болезни» – и проливает свет на обратную сторону современных генетических технологий.

Независимо от ваших познаний в генетике, эта книга станет для вас доступным, захватывающим и заставляющим задуматься чтением.

История генетики

Несмотря на обилие теорий – от теории спермизма Пифагора, которая гласила, что вся наследственная информация содержится в мужской сперме, до теории преформации, которая предполагала, что сперма содержит полностью сформированного миниатюрного человечка-гомункула, – к началу XIX века понимание наследственности оставалось практически неизменным со времен Древней Греции. Научному сообществу долгое время не хватало фундаментального понимания того, как работают эти биологические явления.

1850–1900 годы. «Единицы наследования»: Дарвин и Мендель

Ключевую роль в становлении генетики как науки сыграли Грегор Мендель и Чарльз Дарвин. Суть гения этих ученых, живших примерно в одно и то же время (оба натуралисты, оба священнослужители, оба глубоко любознательные), по словам Мукерджи, заключалась в способности рассматривать природу не просто как статический факт, но как динамический процесс. Мендель изучал отдельные организмы – Дарвин смотрел на тысячи и миллионы поколений. Несмотря на разные масштабы исследований, они оба задали один и тот же фундаментальный вопрос: как возникает природа?

Ничто в начале жизни Грегора Иоанна Менделя, скромного монаха из Брно, не предвещало его будущего звания ученогореволюционера и отца генетики. Провалы на экзаменах – в том числе по биологии – и неудачные попытки получить диплом преподавателя заставили его вернуться к любимому делу – садоводству, и в особенности селекции растений. Он хотел понять, что делает растения такими, какие они есть. К тому времени уже было известно, что селекция животных и растений может способствовать смене их качеств, но никто не понимал механизма этого процесса.

Именно так в 1856 году он начал свои знаменитые эксперименты и заложил основы современной генетики, представив концепцию аллелей, доминантных и рецессивных признаков и, главное, генов – неделимых единиц информации, передаваемых из поколения в поколение. Он показал, что:

▶ каждый признак существует в двух вариантах, или аллелях (цвет зеленый/желтый, текстура гладкая/морщинистая и т. д.);

▶ организм наследует по одной аллели от каждого родителя;

▶ существуют доминантные и рецессивные признаки; доминантный «доминирует» над рецессивным, проявляясь в фенотипе (на самом деле их взаимоотношения бывают сложнее);

▶ отдельные признаки наследуются независимо (позже ученые узнают о сцепленном наследовании).

8 февраля 1865 года Мендель представил свою статью на научном форуме. После этого другой ученый встал, чтобы обсудить теорию эволюции Дарвина, опубликованную шестью годами ранее, – и никто из присутствующих не заметил связи между двумя темами. Когда Мендель скончался в 1884 году, кто-то написал ему некролог: «Мягкий, щедрый и добрый… цветы он любил». Никто не знал, что эксперименты Менделя вскоре станут одной из важнейших основ современной биологии.

Теория естественного отбора Дарвина, опубликованная в 1859 году, бросила вызов традиционным представлениям о постоянстве видов и стала важным шагом к пониманию эволюции. Однако в то время у Дарвина не хватало понимания механизмов наследственности, важного кусочка пазла в теории эволюции. Он не знал о работе Менделя, хотя, как считает Мукерджи, был близок к тому, чтобы прочесть ее: оставив пометки в книге с опубликованным трудом Менделя, он мистически пропустил его. Кто знает, задается вопросом Мукерджи, что было бы, свяжи кто-то две теории между собой тогда?

Несмотря на запоздалое признание, законы Менделя в итоге были заново открыты и признаны учеными в 1900 году. Большую роль в этом сыграл английский биолог Уильям Бейтсон, который поставил перед собой задачу сделать так, чтобы Мендель и его законы никогда больше не были забыты. В 1905 году Бейтсон ввел термин «генетика», в 1909-м Вильгельм Йохансен ввел термин «ген» для обозначения единиц наследования Менделя. Эра генетики наступила.

1900–1950 годы. Повелитель мух, или Хромосомная теория наследственности

На заре XX века существование «единиц наследственности» постепенно становились общепризнанным, но никто не имел представления о том, что же такое ген. Как он устроен, где находится, как действует? Ген – носитель наследственной информации – пока был всего лишь абстракцией.

К тому времени ученые уже предполагали, что гены, скорее всего, находятся на так называемых хромосомах, – они увидели, что половая принадлежность связана с наличием Y-хромосомы. Экспериментально доказал эти предположения генетик Томас Морган. Он и его команда скрещивали тысячи плодовых мух Drosophila melanogaster, тщательно изучая наследование десятков признаков и мутаций. Морган показал, что многие признаки наследуются вместе – сцепленно, – а значит, физически находятся вместе на хромосомах. Это заложило основу хромосомной теории наследственности. В начале XX века комната мух в Колумбийском университете стала эпицентром генетики.

White (белые глаза) – первая известная сцепленная с полом мутация. Морган увидел, что ее наследование не подчиняется законам Менделя. При скрещивании белоглазого самца (XY) и красноглазых самок (XX) в следующих двух поколениях белоглазость проявляется только у самцов. Это связано с тем, что у самок две Х-хромосомы, поэтому одна доминантная аллель в течение двух поколений скрывает мутацию. Однако у самцов только одна Х-хромосома, поэтому, если они унаследуют мутировавшую Х-хромосому, признак белоглазости у них проявится. Это позволило предположить, что ген цвета глаз расположен в Х-хромосоме.

К 1940 годам белки и нуклеиновые кислоты были идентифицированы как основные компоненты хромосом – причем первоначально считалось, что именно белки несут наследственную информацию. Многофункциональные и универсальные, белки были рабочими лошадками биохимического мира. Нуклеиновые кислоты – ДНК и РНК – считались простой (всего пять нуклеотидов против 20 с лишним белковых аминокислот) и «глупой» молекулой.

Однако дальнейшие эксперименты Освальда Эйвери подтвердили, что нуклеиновые кислоты, а именно ДНК, ответственны за передачу генетической информации. «Глупая» молекула ДНК вдруг оказалась в центре внимания генетиков. Определить ее структуру теперь означало разгадать код жизни.

1950-е годы. Элементарно, Уотсон! Молекулярная основа наследственности: структура двойной спирали

Биофизик Морис Уилкинс поставил задачу разрешить трехмерную структуру ДНК с помощью рентгенографии. В 1950 году к нему присоединилась Розалинд Франклин. Вскоре она смогла добиться рентгеновских снимков ДНК высокой четкости; постепенно Франклин пришла к выводу, что ДНК может иметь структуру двойной спирали, и приступила к написанию своей работы.

В это же время Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик гнались за тем, чтобы первыми решить задачу структуры ДНК. К тому времени было известно, что ДНК состоит из сахаров, фосфатов и четырех оснований, называемых нуклеотидами: А, Т, Г, Ц. Их первая попытка собрать это в нечто разумное была неудачной – они предположили тройную спираль с основаниями, торчащими наружу.

В 1950 году биохимик Эрвин Чаргафф обнаружил, что при анализе состава оснований А и Т, так же как Г и Ц, присутствовали в одинаковых пропорциях. Это стало важным кусочком пазла. Уотсон и Крик поняли, что пара А-Т по форме была идентична паре Г-Ц, а значит, они всегда находятся в парах и обращены внутрь, к центру двойной спирали.

В 1953 году, используя данные Франклин и правило Чаргаффа, Уотсон и Крик построили первую модель «двойной спирали» ДНК. 25 апреля 1953 года ее опубликовали в журнале Nature вместе с отдельными статьями Франклин и Уилкинса, подтверждающими структуру ДНК экспериментальными данными. Это открытие, безусловно, революционно, но в то же время вызывает споры: считается, что Уотсон брал данные Франклин без ее согласия, и Франклин, несмотря на ее вклад, не получила Нобелевскую премию.

После того как ученые поняли, что такое ДНК, новым вопросом, естественно, стало то, как она работает. Следующее десятилетие ученые посвятили углублению понимания того, как функционируют гены.

Как действуют гены. Итак, ген – неделимая единица наследственной информации.

▶ Гены находятся в хромосомах – длинных двухцепочечных молекулах ДНК.

▶ Другая молекула, РНК – одноцепочечная нуклеиновая кислота – свободно плавает в клетке.

▶ Генетический код универсален: у всех организмов ДНК состоит из одних и тех же нуклеотидов: аденина (А), цитозина (Ц), гуанина (Г) и тимина (Т) (у РНК вместо тимина урацил (У).

Уотсон и Крик предположили, что парная структура двойной спирали указывает на некий механизм копирования генетического материала, то есть самую важную функцию ДНК – способность хранить и передавать информацию. Перед учеными встала задача связать эту информацию воедино.

Так, одним из важнейших открытий в генетике стала «центральная догма» молекулярной биологии – процесс передачи информации от генов к белку, или экспрессии генов: ДНК → РНК → белок. Фрэнсис Крик был первым, кто использовал этот термин, хотя многие другие ученые и открытия способствовали формированию этой теории. Мукерджи приводит следующую схему: ген (ДНК) кодирует сообщение (РНК) для построения белка, который выполняет определенные функции. Это двухэтапный процесс:

1. Транскрипция. По последовательности ДНК создается соответствующая молекула РНК.

2. Трансляция. По последовательности РНК из аминокислот собираются белки – каждая аминокислота соответствует трем определенным нуклеотидам (триплет); белки, в свою очередь, выполняют все необходимые клетке функции.

Мукерджи также выделяет три важные «Р»-функции генов: регуляцию, репликацию, рекомбинацию.

Практически каждая клетка организма содержит полный набор генов – геном – своеобразную мастер-копию, с которой считываются только нужные в данный момент гены. Как это происходит? Оказалось, ДНК состоит не только из генов, кодирующих белки. Более того, на долю белок-кодирующих генов приходится лишь 2 % генома человека. Остальная часть ДНК состоит из регуляторных участков и так называемой некодирующей ДНК (раньше ее называли «мусорной», однако теперь ученые признают, что эти участки играют важную роль в регуляции генов, структурной организации и других клеточных процессах). Как говорит Мукерджи, если бы геном был представлен пересечением Атлантического океана, гены выглядели бы как крошечные островки среди огромного водного пространства.

ДНК содержит информацию не только о последовательностях белков, но и о том, как, когда, где и сколько их производить. Это регуляция генов – избирательное включение и выключение определенных генов в определенных клетках в определенное время. На регуляцию могут влиять окружающая среда, триггеры и случайность.

Исследования на E. coli хорошо продемонстрировали, как работает регуляция генов. Изучая рост бактерий с использованием глюкозы и лактозы, ученые обнаружили, что E. coli избирательно потребляет сначала глюкозу и только затем лактозу. Дело в том, что группы генов и соответствующих им регуляторных последовательностей, ответственные за метаболизм глюкозы и лактозы, активируются и деактивируются в зависимости от наличия и соотношения этих сахаров внутри клетки.

ДНК имеет важную способность к репликации, то есть созданию своей копии – это необходимо для точной передачи генетической информации от одного поколения клеток к другому при делении клетки. Репликация контролируется ДНК-полимеразой.

Рекомбинация – способность генерировать новые комбинации генов. При рекомбинации целые куски генетического материала меняются местами. Это важная часть процесса создания половых клеток – таким образом обеспечивается генетическое разнообразие.

1970-е годы. Секвенирование и генная инженерия. Прочтите, используйте и перепишите ваше собственное руководство по эксплуатации

Ученые обнаружили, что язык генетики состоит всего из четырех букв. Теперь им предстояло выяснить, как читать и писать на этом языке.

Учимся читать. Фредерик Сэнгер, биохимик из Кембриджа, был одержим химическими структурами сложных биологических молекул. Между 1950-ми и 1960-ми годами он разрешил последовательности нескольких важных белков, разбивая их на части. Но с ДНК так не получится – и так известно, что она состоит из четырех оснований; загвоздка в их последовательности. Сэнгеру пришла гениальная идея: что, если попытаться построить ДНК, а не разрушить ее?

Сэнгер применил ДНК-полимеразу для копирования цепи ДНК, используя специальные нуклеотиды, которые останавливали процесс копирования. Получалось много разных по длине копий одной и той же последовательности с известным последним нуклеотидом (в каждую пробирку добавлялся только один тип нуклеотидов) – так можно было определить последовательность исходной ДНК. Этот метод, ныне известный как секвенирование по Сэнгеру, был впервые успешно продемонстрирован в 1977 году, когда Сэнгер выявил полную последовательность вируса ФХ174. Его метод произвел революцию в генетике и молекулярной биологии и остается важным инструментом чтения генов сегодня.

Учимся писать. Биохимик Пол Берг в 1970-х исследовал обезьяний вирус SV40, который размножается путем внедрения своей ДНК в ДНК клетки-хозяина. Он надеялся использовать его как инструмент для внедрения чужеродных генов в клетки человека. В 1973 году, соединив ДНК SV40 и фага лямбда, Берг и его команда создали первую рекомбинантную ДНК, сделав возможным беспрецедентные манипуляции с генами. Позже ученые научились клонировать такую рекомбинантную ДНК – встраивать ее в бактерии и размножать их.

В 1974 году Стенли Коэн смог перенести ген лягушки в бактериальную клетку с помощью рекомбинантной ДНК. Коэн шутил, что целовал бактерии, чтобы идентифицировать успешный перенос, – бактерии с геном лягушки, по его словам, превращались в принцессу.

В 1975 году опасения по поводу технологий генных манипуляций побудили Пола Берга организовать Асиломарскую конференцию для оценки потенциальных рисков, этических и моральных проблем. Мукерджи считает, что Асиломар ознаменовал трансформацию генетики: гены перестали быть просто объектами изучения, но сами стали инструментами исследования. Ученые начали «писать» на языке генов, создавая комбинации, которых никогда не существовало в природе, – наступила эра генной инженерии.

1980–2010 годы. Генная инженерия в медицине

Лекарства на основе рекомбинантной ДНК. В 1976 году венчурный капиталист Роберт Свонсон и ученый Герберт Бойер создали компанию Genentech (Genetic Engineering Technology), которая использовала методы генной инженерии для разработки лекарств. В августе 1978 года они успешно создали рекомбинантные молекулы инсулина: нуклеотид за нуклеотидом они собрали гены, кодирующие белковые цепи инсулина, и клонировали их – вставили в бактерии и позволили им размножаться и синтезировать инсулин. В 1984 году таким же образом они клонировали ген фактора VIII, необходимого для лечения гемофилии А.

Производство белков из рекомбинантной ДНК ознаменовало начало новой эры в фармацевтической промышленности. Это позволило эффективно и в больших количествах производить лекарства на основе белков – важных участников множества биохимических реакций в организме человека; стало возможным точечно воздействовать на эти реакции.

Ранее для получения этих белков приходилось использовать человеческую и животную кровь, что было дорого, долго и чревато рисками: в 1980-х случилось массовое заражение СПИДом больных гемофилией, поскольку фактор VIII производился посредством фильтрации человеческой крови. Лекарства на основе рекомбинантной ДНК, помимо диабета и гемофилии, помогают излечиваться от анемии, гепатита В (основа для вакцины), различных видов рака, сердечных патологий и многих других болезней, а также решать проблемы роста у детей.

Генная терапия. Еще в 1960-х годах ученые предположили возможность изменения ДНК человека для лечения генетических заболеваний. В 1972 году появились первые новости о возможности создания рекомбинантной ДНК. А уже в 1974 году генно-модифицированный вирус SV40 был встроен в эмбриональные клетки мыши. Ученые научились генетически модифицировать высшие организмы.

Вирус, используемый для доставки в клетки рекомбинантной ДНК, содержащей необходимый генетический материал, называется вирусным вектором. В 1990 году команда ученых решила впервые использовать вирусный вектор для доставки гена человеку. В лаборатории они вводили ген ADA в иммунные клетки и затем вводили измененные клетки обратно пациентам с мутацией в этом гене – такие люди страдали от тяжелой формы иммунодефицита. В сентябре 1990 года Ашанти де Сильва стала первой пациенткой, получившей инъекцию генно-модифицированных клеток. Терапия стала феноменальным успехом и позволила ей и нескольким другим пациентам вести нормальную жизнь.

Однако в области генной терапии произошел значительный спад после несчастного случая с пациентом Джесси Гелсинджером в сентябре 1999 года. Генная терапия привела к его трагической смерти из-за тяжелой иммунной реакции при контакте с вирусом – он был введен напрямую в его организм. После смерти Джесси Гелсинджера большинство испытаний генной терапии были приостановлены из соображений безопасности – однако она пережила ренессанс два десятилетия спустя. За это время усовершенствовались инструменты генной терапии: технологии второго и третьего поколения сейчас проходят клинические испытания.

В 2014 году появились результаты успешного использования генной терапии для лечения гемофилии B. Десяти мужчинам с тяжелым вариантом заболевания вводили одну дозу вируса, несущего ген фактора IX. Случаи кровотечений снизились на 90 %, эффект сохранялся в течение трех лет.

Генная терапия вирусными векторами не всегда эффективна. Ген может не внедриться в ДНК человека; к тому же место вставки обычно случайно, и успешно вставленный ген может в лучшем случае не экспрессироваться, а в худшем – нарушить работу другого важного гена. CRISPR-Cas9, революционный инструмент редактирования генома, был обнаружен и запатентован группой ученых, среди которых были Дженнифер Даудной и Эммануэль Шарпантье, в 2012 году.

Существует система бактериальной защиты, которая включает два важных компонента: РНК, которая распознает определенные последовательности ДНК, и белок Cas9, который вырезает их – система CRISPR-Cas9. Ученые показали, что эта система может функционировать как точечный инструмент направленной модификации генома: можно запрограммировать ее на вырезание любой последовательности. Этот прорыв считается одним из самых значительных открытий в истории генной инженерии.

В 2016 году первый человек получил инъекцию клеток, модифицированных системой CRISPR/Cas9, для лечения рака. Система CRISPR/Cas9 также показала большую эффективность в терапии таких заболеваний, как серповидно-клеточная анемия, муковисцидоз, катаракта, и вирусных инфекций на животных моделях.

Генетическая диагностика. Проект «Геном человека». В то время как генная терапия человека встречала одно препятствие за другим и переживала кризис, генетическая диагностика расцветала. Создавались каталоги генетических болезней и расстройств. Ученые смогли выявлять отдельные гены, связанные с такими заболеваниями, как муковисцидоз и болезнь Хантингтона. Но метод поиска отдельных генов, ответственных за заболевания, ограничен. Этого подхода никогда не будет достаточно для понимания таких сложных заболеваний, как рак, говорит Мукерджи. Прежде нужно было бы изучить весь «нормальный» геном человека полностью.

Геном вируса ФХ174, первый секвенированный геном, содержит 5386 оснований ДНК. Геном человека содержит более 3 млрд. пар оснований – такой масштаб долгое время казался невозможным для полной расшифровки. Тем не менее проект «Геном человека» был официально запущен в октябре 1990 года как международная инициатива, возглавляемая исследователями из разных стран. Их целью было расшифровать полный геном человека, параллельно занимаясь и другими организмами. В декабре 1998 года был полностью секвенирован геном червя C. elegans. В марте 2000 года журнал Science опубликовал последовательность генома плодовой мухи.

В 1998 году ученый Крейг Вентер и его частная компания Celera запустили аналогичное исследование, используя новый разработанный им метод секвенирования, успешно собрав геномы двух бактерий. Позже он использовал этот метод и для сборки генома человека.

Проект «Геном человека» был объявлен завершенным в апреле 2003 года (на самом деле это был всего лишь первый черновик полного генома; в течение 20 лет он дополнялся и исправлялся, и окончательная сборка была завершена в 2022 году). Секвенирование полного генома в корне изменило наше представление о генах и их функциях. Как говорит Мукерджи, люди наконец расшифровали собственное руководство по эксплуатации. И теперь ученые начали активно работать над поиском инструментов для его редактирования.