Александр Панчин - Сумма биотехнологии. Руководство по борьбе с мифами о генетической модификации растений, животных и людей
Кто-то скажет: но ведь никто не видел эволюцию человека! Значит, мы не можем знать наверняка, был ли у нас с шимпанзе общий предок, а теории эволюционистов – такая же вера, как вера в божественное сотворение человека. Ошибочность подобных рассуждений продемонстрировать очень легко. Представьте, что было совершено убийство. Никто из живущих не видел преступления, но у нас есть отпечатки пальцев преступника на предполагаемом орудии убийства и результаты анализа ДНК, следы ботинок рядом с местом преступления. Все факты указывают на одного-единственного человека, у которого отсутствует алиби. Понятно, что ни в одном суде при наличии столь убедительных объективных доказательств вины аргумент адвоката, что “никто же не видел преступления”, не пройдет. Современные данные по чтению полных геномов живых организмов позволяют реконструировать процесс эволюции не хуже, чем методы криминалистики позволяют реконструировать способ и обстоятельства убийства.
К началу 2015 года было опубликовано более пятисот полных геномов эукариот, тысячи полных геномов бактерий, тысячи полных геномов вирусов. Этот взрывоподобный рост количества генетических данных был связан с появлением методов чтения ДНК нового поколения. Именно благодаря этим методам геном человека (или аналогичный по размерам геном) сейчас можно прочитать всего за несколько тысяч долларов.
Из множества методов чтения ДНК нового поколения мы рассмотрим только одну технологию, которую можно просто и понятно описать. В 2008 году исследователи из компании Pacific Biosciences опубликовали в журнале Science статью под названием “Чтение ДНК в реальном времени с использованием одиночных ДНК-полимераз”278. Этот метод основан на том, что ученые научились “подсматривать” за ДНК-полимеразой прямо в процессе удвоения молекулы ДНК.
Для того чтобы визуализировать активность ДНК-полимеразы, к каждому из четырех типов нуклеотидов приделывается метка определенного цвета. Например, нуклеотид А можно пометить зеленой флуоресцентной меткой, G – желтой и так далее. Ровно одна молекула ДНК-полимеразы помещается в нанофотонную камеру для визуализации. Это цилиндрическая камера шириной около семидесяти нанометров. Пучок света освещает небольшую часть этой камеры, объемом всего в 20 X 10-21 литра, с полимеразой внутри. Нуклеотиды диффундируют в освещенную область камеры и из нее, как правило не задерживаясь надолго внутри, а очень чувствительный прибор фиксирует флуоресценцию в камере. Когда правильный нуклеотид связывается с полимеразой, она хватает его и удерживает, ведь полимеразе нужно время, чтобы присоединить нуклеотид. Благодаря этому правильный нуклеотид проводит больше времени в камере, что приводит к более длительному и сильному световому сигналу, существенно отличающемуся от “шума”. Этот сигнал и фиксирует прибор. После присоединения нуклеотида метка отваливается и уплывает из камеры. В итоге прибор видит последовательные вспышки четырех цветов, соответствующие четырем типам нуклеотидов, и по этим вспышкам восстанавливается последовательность анализируемой молекулы ДНК.
Сегодня приборы для чтения ДНК становятся все лучше и дешевле. Уже начали появляться карманные устройства279, позволяющие читать такие молекулы. Подобные технологии могут помочь полевым лабораториям быстро устанавливать наличие опасных возбудителей заболеваний прямо на месте. Кроме того, они помогают развитию персонализированной медицины – использованию знаний об индивидуальных генетических особенностях человека для прогнозирования и диагностики заболеваний, а также для оптимального выбора лекарственных препаратов.
Помните, как актриса Анджелина Джоли решила сделать мастэктомию, чтобы предотвратить развитие рака молочной железы? От этого заболевания погибли ее мать, бабушка и тетя, поэтому опасения актрисы за собственное здоровье были небезосновательны. Генетический анализ подтвердил худшие ожидания – наличие вредной мутации в гене BRCAi. Некоторые мутации в этом гене могут приводить к очень высокому риску рака груди (вплоть до 80–90 % вероятности в течение жизни) и рака яичников (с вероятностью до 40–50 %). Это не гарантированный приговор, но, взвесив все “за” и “против” (в том числе возможность получить высококачественное протезирование груди), Джоли пошла на столь необычный шаг. В большинстве случаев носителям мутаций, чреватых склонностью к тому или иному виду рака, по результатам генетических тестов рекомендуют проходить регулярные обследования у врача, чтобы успеть обнаружить заболевание на ранних стадиях развития (если оно возникнет).
Если говорить о персонализированном подборе лекарств280, то рассмотрим роль гена, кодирующего цитохром P450 2D6. Этот важный фермент работает прежде всего в печени, где он метаболизирует многие несвойственные нашему телу вещества, в том числе и некоторые лекарства (например, галоперидол и ряд других антипсихотиков). В частности, цитохром P450 превращает кодеин в морфин. У людей встречаются разные варианты цитохрома – более активные и менее активные. Если лекарство метаболизируется в более слабое по воздействию вещество, то на пациента с активным цитохромом препарат будет действовать менее эффективно. Пациенты с менее активным цитохромом в этом случае испытают больше побочных эффектов. Если лекарство метаболизируется в более сильнодействующее вещество, то ситуация будет обратной. Врачу, назначающему лекарство, имеет смысл учесть генетические особенности пациента при подборе препарата и расчете оптимальных дозировок.
Но речь идет не только о медицинских препаратах, а даже и о продуктах повседневного потребления. Существует еще один цитохром CYP1A2, отвечающий за метаболизм кофеина. У некоторых людей этот ген работает плохо или выключен совсем. При употреблении четырех и более чашек кофе в день у таких людей существенно увеличивается риск возникновения сердечно-сосудистых заболеваний, в среднем на 64 %281. У людей с исправной копией гена потребление большого количества кофе почти не влияет на этот риск. Когда ученый Крейг Вентер прочитал свой собственный геном, он узнал, что у него целых две хороших копии этого гена, а значит, свой любимый кофе он может и дальше пить спокойно, в больших количествах, как и раньше.
Похожая история с употреблением алкоголя. Фермент алкогольдегидрогеназа метаболизирует этиловый спирт. Среди людей распространены две версии этого гена: кодирующие “быстрый" и “медленный" вариант фермента. У человека с “быстрым" ферментом этиловый спирт метаболизируется эффективно, поэтому у него менее выражено опьяняющее действие алкоголя, но быстро происходит накопление токсичного продукта метаболизма этанола – ацетальдегида. Накопление ацетальдегида приводит к неприятным ощущениям, ряду признаков похмелья и, кроме того, к характерному покраснению лица вскоре после принятия алкоголя. Как следствие, люди с “быстрым" вариантом фермента алкогольдегидрогеназы получают меньше удовольствия от алкогольных напитков, в среднем пьют меньше282 и реже страдают от алкоголизма283. Еще один фермент, альдегиддегидрогеназа, метаболизирует ацетальдегид до уксусной кислоты, которая легко выводится из организма. Люди с эффективной альдегиддегидрогеназой испытывают меньше негативных последствий от употребления алкоголя. То есть гены определяют безопасные для организма количества алкоголя, а также влияют на вероятность появления алкогольной зависимости.
Генетические данные человека могут использовать не только медицинские работники, но также страховые компании и кадровые агентства. Если вы хотите найти ребенка, из которого можно будет вырастить нового олимпийского чемпиона, проанализируйте гены всех школьников и найдите тех, у кого гены похожи на гены известных спортсменов. Однако на данный момент мы знаем не так много примеров надежных связей между генетическими признаками и способностями людей. Потребуется чтение сотен тысяч геномов, чтобы в этом разобраться. Ситуацию усложняет то обстоятельство, что многие признаки зависят от работы множества генов, а сами гены могут по-разному работать в зависимости от условий. Не будем забывать и о том, что на многие признаки существенно влияют и негенетические факторы.
Бурное развитие геномики – науки, изучающей геномы живых организмов, – привело к появлению еще одного направления современных исследований – метагеномики. Существенный вклад в эту область внес все тот же Крейг Вентер, которого мы упоминаем не в последний раз. В 2004 году Вентер опубликовал статью, в которой было описано чтение “генома” Саргассового моря284! Это вовсе не отсылка к живому океану из фантастического произведения Станислава Лема “Солярис”. Просто исследователи брали пробы морской воды, выделяли из них ДНК, дробили ее и читали все последовательности подряд. В итоге получалась смесь прочитанных фрагментов ДНК из разных геномов, и благодаря такому подходу удалось найти последовательности генов многих ранее не описанных видов.
