Самая главная молекула. От структуры ДНК к биомедицине XXI века - Максим Франк-Каменецкий

Работа японских ученых вызвала громадный интерес как со стороны исследователей и врачей, так и со стороны широкой публики. Были успешно проведены опыты по репрограммированию фибробластов человека в стволовые клетки. Тем самым открыт путь к наработке стволовых клеток, специфических для данного пациента с целью их использования в клеточной терапии. В 2012 году за свои работы по репрограммированию клеток из дифференцированных в стволовые Синъя Яманака был удостоен Нобелевской премии по физиологии и медицине. Он разделил премию с Джоном Гёрдоном, о чьих пионерских работах по клонированию было рассказано в начале главы 3.

Стремительность, с которой происходит развитие исследований в области стволовых клеток и клеточного репрограммирования после сделанного японскими исследователями прорыва, просто поражает. Если так пойдет дело и дальше, то, может быть, не придется долго ждать появления совершенно новых методов борьбы с самыми разными болезнями, основанных на клеточной терапии.

После выхода в 1983 году первого издания этой книги под тем же названием, что и сейчас, «Самая главная молекула», некоторые коллеги журили меня за то, что, выпячивая роль ДНК в названии книги, я принижаю роль других важнейших молекул живой клетки, прежде всего белков и РНК. Думаю, что теперь таких возражений не возникнет. За прошедшие годы мы не только утвердились в понимании главенствующей роли ДНК в феномене жизни – ДНК вторглась и продолжает вторгаться в повседневную жизнь людей. Мы узнали, что ДНК содержит далеко не только инструкцию о строении нашего организма. По последовательности ДНК можно совершенно однозначно идентифицировать того, кому эта ДНК принадлежит, например преступника, оставившего микроскопический кусочек своей кожи на месте преступления. По ДНК можно однозначно установить близкое родство или судить об этническом происхождении группы людей. ДНК современного человека, подобно древним письменам, несет в себе ценнейшие сведения об истории его предков, причем эту историю можно проследить вглубь не только веков, но и тысячелетий, когда никакой письменности еще не существовало.

Дело в том, что в человеческом геноме (т. е. в полном наборе ДНК, содержащемся в каждой клетке организма), который представляет собой текст, содержащий три миллиарда букв (нуклеотидов А, Т, Г и Ц), имеются самые разные области. Одни области содержат инструкцию о строении белков, т. е. собственно гены, которых в геноме человека оказалось не так уж много, всего около 20 тысяч, гораздо меньше, чем ожидалось до того, как первый человеческий геном был расшифрован к 2000 году. Кодирующие белки участки (экзоны) составляют очень маленькую долю всего генома, около 2 %. А что же основная часть? Конечно, кроме кодирующих белки областей имеется еще много чего важного, но все же очень существенная часть генома не несет никакой смысловой нагрузки, это просто мусор, накопившейся в ходе эволюции. Ее так и называют: «мусорная ДНК» (Junk DNA). Откуда же в ДНК берется мусор?

Моя любимая метафора, позволяющая понять, как в нашем геноме накопилось столько мусора, состоит в следующем. Каждые несколько лет я меняю компьютер и переношу в новый со старого все свои личные файлы. При этом я не провожу отбраковку файлов, не выбрасываю старые и ненужные: это была бы огромная работа, и нет гарантии, что какой-то документ или старое электронное письмо не окажется вдруг нужным в будущем. Так поступают все, насколько я понимаю. Мы не испытываем никакого давления в том смысле, что объем памяти ограничен и надо освободить место на жестком диске для свежих файлов, если, конечно, мы не загружаем в свой компьютер фильмы с высоким разрешением. В результате за многие годы на моем жестком диске накопилась наряду со многими очень важными, нужными и дорогими мне документами, картинками, видео и т. д. масса мусора, т. е. совершенно устаревших документов, многие из которых я не могу даже открыть, так как они были записаны с помощью устаревших программ, которых уже нет в моем новом компьютере. Вот наш геном и представляется мне таким жестким диском. В случае высших организмов естественный отбор не оказывает давления, с тем чтобы геном очищался от мусора. Гены передаются от родителей следующему поколению вместе со всем накопившимся мусором, потому что проверено, что этот мусор по крайней мере безвреден, так как родители дожили с ним до репродуктивного возраста. А если начать чистить геном, т. е. вырезать из ДНК какие-то куски, то уж точно жди беды.

Другое дело прокариоты. Они находятся под давление отбора, препятствующего разрастанию генома, так как репликация замусоренного генома требует дополнительного времени и дополнительных ресурсов. А скорость размножения и умение выживать при дефиците ресурсов – это важнейшие факторы в жесточайшей конкурентной борьбе, которую ведет каждый бактериальный штамм за выживание. Поэтому у бактерий геномы гораздо более экономные, в них практически нет мусора.

В отношении мусорной ДНК, очевидно, не существует никакого давления отбора, которое бы препятствовало быстрому накоплению мутаций. Поэтому некоторые участки мусорной ДНК являются гипервариабельными: они меняются из поколения в поколение. Вот они-то и используются в криминалистике. Когда Алек Джеффрис (универистет Лестера, Англия) впервые предложил метод идентификации личности по ДНК (известный также как ДНК – дактилоскопия) в середине 1980-х годов, сразу же после изобретения метода ПЦР, гипервариабельный участок генома подвергался действию рестриктаз, и полученные фрагменты разделялись в гель-электрофорезе. Получалась система полосок, которая была разной для разных людей. Если положение полосок ДНК подозреваемого и образца ДНК, взятого на месте преступления, совпадало, то подозреваемый переходил в категорию преступника и шел в тюрьму или даже получал смертный приговор, если дело происходило в стране или штате, где есть такое наказание.

В наше время сторона обвинения может представить в суде полную последовательность гипервариабельного участка ДНК подозреваемого и ДНК с места преступления и продемонстрировать их полное совпадение. При таком способе доказательства единственным аргументом защиты остается утверждение, что полицейские нарочно подмешали ДНК подозреваемого к ДНК, взятой с места преступления. Иначе говоря, преступником является не подозреваемый, а полицейские. В таком случае, конечно, любая наука бессильна, даже наука о ДНК.

Подобным образом, изучая вариабельные участки мусорной ДНК, устанавливают близкое родство. А можно ли по ДНК установить, наоборот, очень дальнее родство, принадлежность двух организмов к одному и тому же виду? Такая технология тоже была разработана. Тут мусорная ДНК только мешает, даже кодирующие белки области эволюционируют слишком быстро в этом масштабе времени, чтобы их можно было использовать. Вообще, геномная ДНК оказалась бесполезной для этой цели. Как же быть? На помощь пришла совершенно особая ДНК, которая находится не в ядре, а в цитоплазме клетки и о которой уже говорилось в главе 5, – митохондриальная ДНК (мтДНК). Она очень короткая, содержит всего 15 тысяч пар оснований. Конечно, в такой короткой ДНК вообще нет мусора, и она очень медленно меняется в ходе эволюции. После упорных поисков исследователи остановились на определенном участке из 600 нуклеотидов мтДНК в составе гена, кодирующего оксидазу цитохрома Ц. Они определили последовательности этого участка у множества самых разных животных. Им удалось показать, что последовательность нуклеотидов в этом участке одинакова внутри вида, но отличается для представителей разных видов. Ученые составили базу данных, в которой практически каждому виду животных сопоставлена последовательность этого участка. В результате они основали в Канаде компанию, которая по заказу определяет вид животного. Метод получил название «ДНК-штрихкодирование».