Требуется сборка. Расшифровываем четыре миллиарда лет истории жизни – от древних окаменелостей до ДНК: читать книгу онлайн полностью и бесплатно

Кинг начала работать, не будучи уверенной в своих силах. Как назло, еще и Вильсон отбыл в годичный творческий отпуск в Африку, оставив ее почти в одиночестве. Раз в неделю она должна была звонить ему по телефону, чтобы рассказывать о результатах, но фактически она на долгое время осталась без руководителя.

Поначалу дела шли не очень хорошо. Кинг научилась выделять белки человека и шимпанзе и наносить их на гель. Она включала ток, но почти во всех парах белки человека и шимпанзе продвигались практически на одно и то же расстояние. Она не видела значительных различий между белками человека и шимпанзе. Правильно ли она проводила выделение? Правильно ли она разделяла белки на геле? Надежды на научный прорыв улетучивались.

Во время регулярных обсуждений по телефону Кинг докладывала о своих результатах Вильсону, который обычно вдавался в технические детали, как если бы был в Беркли. Но как он ни критиковал ее работу, результаты получались все те же. Последовательности белков человека и шимпанзе были почти идентичными. И это касалось не какого-то одного белка, таких белков обнаружилось более сорока. На самом деле это не было бессмыслицей: Кинг выяснила нечто чрезвычайно важное в отношении генов, белков и человеческой эволюции.

Кинг сравнила белки шимпанзе и человека с белками других млекопитающих. И тут важность ее результатов стала очевидной. Человек и шимпанзе в генетическом плане ближе, чем два вида мышей между собой. Почти идентичные виды фруктовых мух генетически различаются сильнее, чем человек и шимпанзе. На уровне генов и белков человек и шимпанзе – практически одно и то же.

Гели Кинг продемонстрировали величайший парадокс. Анатомические отличия человека от шимпанзе (более крупный мозг, прямохождение, пропорции лица, черепа и конечностей) не связаны с различием белков или кодирующих их генов. Но если белки и ДНК, на основании которой они синтезируются, так похожи, с чем же связаны различия? Кинг и Вильсон имели некоторые подозрения, но у них не было технической возможности их проверить.

Более поздние данные подтвердили результаты Кинг и Вильсона. Из сравнения геномов человека и шимпанзе становится ясно, что их сходство составляет от 95 до 98 %.

Дальнейшие открытия были сделаны не руками студентки и ее научного руководителя, работавших в одиночку. Для получения новых результатов нужна была большая наука, такая, о которой докладывают президенты и премьер-министры.

Геномы без генов

В тот момент, когда президент США Билл Клинтон и премьер-министр Великобритании Тони Блэр проводили пресс-конференцию при участии руководителей двух конкурирующих групп, занимавшихся секвенированием генома человека (общественной организации под руководством Фрэнсиса Коллинза и частной компании Крейга Бентера), последовательность генома была известна лишь приблизительно. Несмотря на всеобщий энтузиазм, тогда, в 2000 году, еще не были прочитаны очень большие куски генома, и мало что было известно о том, какие части важны для здоровья и развития человека.

Первичные результаты проекта “Геном человека” в меньшей степени касались последовательности генома, чем разработки технологии его анализа. Соревнование за победу в секвенировании генома человека вызвало невероятный технологический подъем, продолжающийся до сих пор. Как известно, в 1965 году Гордон Мур[10] предсказал, что мощность микропроцессоров каждые два года будет увеличиваться вдвое. Мы ощущаем результаты этого роста при каждой покупке электронного устройства: компьютеры и телефоны от года к году становятся мощнее и дешевле. Геномные технологии развиваются с точно такой же скоростью. На выполнение проекта “Геном человека” ушло более десяти лет, было затрачено свыше 3,8 миллиарда долларов и потребовалось множество аппаратуры. Сегодня существуют специальные аппараты для секвенирования, и уже появились портативные секвенаторы.

После картирования человеческого генома ежегодно стали публиковаться последовательности геномов других видов. Теперь скорость появления информации о новых геномах ограничивается только возможностями научных журналов, которые ее публикуют. Были выполнены проекты по секвенированию геномов мыши, лилии, лягушки – абсолютно всего, от вирусов до приматов. Поначалу публикация результатов каждого геномного проекта становилась сенсацией; такие публикации появлялись в лучших журналах и сопровождались сообщениями в прессе. Сегодня публикации о последовательностях новых геномов практически не привлекают внимания, если только не имеют отношения к важным биологическим или медицинским проблемам.

Но хотя престиж геномных статей упал, сами статьи продолжают оставаться золотой жилой, которая привела бы в восторг Эмиля Цукеркандля, Лайнуса Полинга и Аллана Вильсона. Зная последовательности геномов мух, мышей и людей, мы можем искать в них ответы на важнейшие вопросы о жизни: каким родством связаны между собой разные виды и что отличает один вид от другого.

Каждый из нас состоит из триллионов клеток – клеток мышц, нервов, скелета и сотен других видов клеток, которые действуют совместно и связаны и организованы единственно правильным образом. А плоский червь Caenorhabitis elegans состоит всего из 956 клеток. Если это вас не удивляет, подумайте вот о чем: несмотря на разительное различие в количестве клеток тела и сложности устройства органов и частей тела, люди и черви имеют одинаковое количество генов – около 20 тысяч. И не только черви. Мухи тоже имеют столько же генов, сколько и мы. Но животные далеко не чемпионы по сравнению с некоторыми растениями, такими как рис, соя, кукуруза или маниока, в геноме которых содержится почти вдвое больше генов. Таким образом, эволюция сложных новых органов и тканей, а также сложного поведения в мире животных не связана с увеличением числа генов.

Еще более странным оказалось строение геномов. Вспомните мантру: гены – это последовательности оснований, которые кодируют последовательности аминокислот, а из этих аминокислот складываются белки. По сути, гены представляют собой молекулярную матрицу для синтеза белков. Когда публикуется последовательность какого-то гена, авторов просят открыть доступ к данным для всех желающих, поместив их в государственную компьютерную базу данных. За десятилетия работы с генами в базах данных накопились последовательности тысяч генов из тысяч видов организмов. Теперь вы можете сесть за компьютер, набрать последовательность и увидеть, какому гену из какого организма она соответствует. И если сравнить какой-то геном с генами из баз данных и найти совпадения, можно понять, какие гены в этом геноме содержатся. При анализе всех геномов, прочитанных за два последних десятилетия, выяснилось одно обстоятельство, которое нельзя не заметить: в геномах мало генов. Гены – это та часть генома, в которой закодированы белки, но большая часть генома, по-видимому, не связана с синтезом белков. Последовательности генов, кодирующие белки, составляют менее 2 % ДНК человеческого генома. Таким образом, оставшиеся 98 % ДНК не содержат генов.

Гены – лишь островки в море ДНК. И за редкими исключениями такая картина наблюдается у всех видов от червя до мыши. Но если основная часть генома не содержит генов, кодирующих белки, зачем она нужна?

Помощь бактерий

После участия во французском движении Сопротивления во время Второй мировой войны французские биологи Франсуа Жакоб (1920-2013) и Жак Моно (1910-1976) начали изучать бактерий, чтобы понять, как они расщепляют сахара. Вряд ли можно найти другую тематику, которая казалась бы более отвлеченной и в меньшей степени связанной с физиологией человека.

Жакоб и Моно показали, что распространенная бактерия Escherichia coli может расщеплять два вида сахаров – глюкозу и лактозу. Бактериальный геном достаточно прост. Длинные последовательности ДНК содержат гены, в которых записана необходимая информация для синтеза белков, расщепляющих каждый из двух сахаров. Если в среде много глюкозы и мало лактозы, геном производит белки, расщепляющие глюкозу. В обратной ситуации синтезируется белок, расщепляющий лактозу. Хотя эта картина кажется простой и очевидной, тем не менее она стала основанием для революции в биологии.

Ученые обнаружили в бактериальном геноме две составляющие. Во-первых, есть гены, содержащие информацию о структуре двух белков, расщепляющих два вида сахаров. Это последовательности букв А, Т, G и С, которые транслируются в последовательности аминокислот в молекуле каждого белка. На концах этих последовательностей есть другие короткие последовательности букв А, Т, G и С, которые ничего не кодируют. Когда с этими фрагментами ДНК связывается другая молекула, происходит включение или выключение гена. Это второй компонент генома. Эти короткие фрагменты ДНК можно назвать молекулярными переключателями, которые контролируют активацию гена и запуск синтеза белка. В геноме бактерий гены и переключатели, контролирующие их активность, находятся в непосредственной близости друг от друга. В зависимости от того, какой сахар присутствует в среде, происходит молекулярная реакция, контролирующая включение того или иного гена и синтез соответствующего белка.

Жакоб и Моно выяснили, что бактериальный геном – это биологический механизм, обеспечивающий синтез белков в правильном месте и в правильное время. Работа этого механизма основана на двух компонентах – генах, кодирующих белки, и переключателях, определяющих место и время активации этих генов. За данную работу в 1965 году трое ученых были удостоены Нобелевской премии по физиологии и медицине[11].

За годы, прошедшие после награждения Жакоба и Моно Нобелевской премией, было показано, что такая двухуровневая организация процесса синтеза белка является общим правилом для геномов всех организмов. Животные, растения и грибы тоже имеют гены, кодирующие белки, и молекулярные переключатели, включающие и выключающие эти гены.

Это открытие помогает понять, что же определяет различия между клетками, тканями и органами. Тело человека – высокоорганизованный комплекс, состоящий из четырех триллионов клеток двухсот разных видов, объединенных в ткани, такие как кости, головной мозг, печень и скелет. Хрящевые ткани состоят из клеток, производящих коллаген, протеогликаны и другие компоненты, которые в сочетании с водой и минеральными компонентами обеспечивают хрящам гибкость и прочность. В нервных клетках образуется совсем не такое сочетание белков, как в клетках хрящевой, мышечной или костной ткани.

При включении генетического переключателя, которое обычно происходит в результате присоединения белков, активируется соответствующий ген, и начинается синтез белка

Вот в чем заключается сложность: все клетки тела содержат одну и ту же последовательность ДНК оплодотворенной яйцеклетки, из которой они произошли. ДНК в нервных клетках идентична ДНК в клетках хрящевой, мышечной или костной ткани. Во всех клетках тела содержится один и тот же набор генов. Но если во всех клетках содержатся одинаковые гены, следовательно, различия между разными клетками определяются тем, какие гены в этих клетках активно производят белки. Переключатели такого типа, какие были открыты Жакобом и Моно, стали ключевым элементом в понимании того, как геном создает разные клетки, ткани и тела.

Если геном – это рецепт, тогда гены – ингредиенты, а переключатели – инструкции, определяющие тип ингредиентов и порядок их добавления. Поскольку только 2 % генома соответствует генам белков, оставшиеся 98 % несут в себе информацию относительно того, какие гены и в какой момент должны проявлять активность.

Но как на основе инструкций генома формируется тело? И как происходят изменения генома, приводящие к образованию новых видов в истории жизни? В период работы над проектом “Геном человека” никто еще не подозревал, что небольшое количество генов и их разреженность в геноме – это лишь вершина айсберга.

Пальцы указывают путь

Когда-то моряки думали, что кошки с шестью пальцами приносят кораблю удачу. Считалось, что кошки с широкими лапами лучше ловят мышей, поскольку лучше держат равновесие в море. Капитан Стэнли Декстер разводил таких кошек и подарил одного котенка своему другу Эрнесту Хемингуэю, который в то время жил в Ки-Уэсте. Этот котенок Снежок стал родоначальником целой линии шестипалых котов, до сих пор живущих в доме Хемингуэя. Но эти кошки не только привлекают туристов; они сыграли роль в формировании новой концепции функционирования генома.

У людей тоже иногда бывают лишние пальцы. В среднем один человек из тысячи родится с дополнительным пальцем на руке или на ноге. В 2010 году в Индии родился мальчик с 34 пальцами. Лишние пальцы могут появляться со стороны большого пальца, со стороны мизинца или в результате расщепления промежуточных пальцев в форме вилки. Дополнительные пальцы со стороны большого пальца (так называемая преаксиальная полидактилия) особенно значимы в биологическом плане.

[10] Гордон Эрл Мур — основатель и почетный директор корпорации Intel, автор знаменитого “закона Мура”.

[11] Нобелевскую премию “за открытия, касающиеся генетического контроля синтеза ферментов и вирусов” разделили Франсуа Жакоб, Жак Моно и Андре Львов.