26 июня 2000 года произошло очень знаменательное событие, о котором много писалось в прессе. На пресс-конференции с участием президента США и премьер-министра Великобритании представители двух исследовательских коллективов - международного консорциума Human Genome Project и компании Celera Genomics - торжественно объявили о том, что в результате многолетних усилий большого числа ученых и огромного финансирования закончена расшифровка генома человека (точнее, определена полная структура ДНК). Был успешно реализован не имеющий аналогов по масштабам Проект века. Что же человечество узнало и приобрело в результате этого? Как эти новые знания помогают человеку в решении его многих повседневных проблем? Какие тайны хранит человеческий геном?
Обо всем этом и идет речь в настоящей монографии, написанной в популярной форме и предназначенной для самого широкого круга читателей: для школьников старших классов, школьных учителей, студентов и преподавателей вузов и вообще для всех образованных людей, желающих больше знать о самих себе.
Содержание:
НЕСКОЛЬКО ВСТУПИТЕЛЬНЫХ СЛОВ 1
ОБЩЕЕ ВВЕДЕНИЕ 2
ЧАСТЬ I. СТРУКТУРА ГЕНОМА ЧЕЛОВЕКА 3
ЧАСТЬ II. ФУНКЦИЯ ГЕНОМА ЧЕЛОВЕКА 33
ЧАСТЬ III. ПРОИСХОЖДЕНИЕ И ЭВОЛЮЦИЯ ГЕНОМА ЧЕЛОВЕКА 60
ЧАСТЬ IV. ЧТО ДЕНЬ ГРЯДУЩИЙ НАМ ГОТОВИТ? 68
ЭПИЛОГ 74
ПРИЛОЖЕНИЯ 74
СПЕЦИАЛЬНЫЕ ТЕРМИНЫ, ИСПОЛЬЗОВАННЫЕ В ЭТОЙ КНИГЕ 83
ЛИТЕРАТУРА 85
Вячеслав Залманович Тарантул
Геном человека: Энциклопедия, написанная четырьмя буквами
НЕСКОЛЬКО ВСТУПИТЕЛЬНЫХ СЛОВ
ОБЩЕЕ ВВЕДЕНИЕ
ЧАСТЬ I. СТРУКТУРА ГЕНОМА ЧЕЛОВЕКА
ЧТО ТАКОЕ ГЕНОМ?
НЕМНОГО ИСТОРИИ, НЕМНОГО ТЕРМИНОЛОГИИ
ДНК - МОЛЕКУЛЯРНАЯ ОСНОВА ГЕНОМА
Тонкое устройство ДНК
Генетическая грамматика
Размножение ДНК
Перезапись генетического текста и перевод в белковый текст
ДЛИННАЯ ИСТОРИЯ СО СЧАСТЛИВЫМ КОНЦОМ
Хромосомы дают первые сведения о структуре генома
Как двухметровая молекула умещается в микроскопическом ядре?
Анализ суммарной ДНК - новые сведения о структуре генома человека
Новый этап - анализ индивидуальных элементов ДНК (генная инженерия)
Конечная цель - определение полной последовательности нуклеотидов в ДНК человека
Секвенирование простых геномов
ТАЙНА ТАЙН ЗА 6 МИЛЛИАРДОВ ДОЛЛАРОВ
ОСНОВНЫЕ ВЕХИ ГЕНЕТИКИ И ГЕНОМИКИ
ГЕНЫ - ОСНОВНОЙ ТЕКСТ ГЕНОМА
"Жи, ши - пиши через и"
Знаки препинания (Генетическая пунктуация)
Гены построены из кусков
Перекрывание генных текстов
Не все гены кодируют белки
Ген в гене (генная матрешка)
Генные семейства
Новые предложения из фрагментов старых текстов
Сколько же всего генов у человека?
ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ ГЕНОМА - ТЕРРА ИНКОГНИТА
ДНКовый текст человека перенасыщен повторами
Перевертыши (обращенные повторы)
Простые тандемные повторы (сателлиты)
Диспергированные повторы
Диспергированные повторы умеют "прыгать"
Семейство повторов по имени LINE
Семейство повторов по имени Alu
Вирусы - составная часть генома человека
Еще одна группа спонсоров человеческого генома (ДНК-транспозоны)
Нуклеотидные последовательности - "близнецы"
Имеется ли в геноме "эгоистичная" ДНК?
Концы молекул ДНК - объект повышенного внимания
"Белые пятна" генома
ОПЕЧАТКИ В ДНКовом ТЕКСТЕ
МОЛЕКУЛЯРНЫЕ ЧАСЫ
ХРОМОСОМЫ - ОТДЕЛЬНЫЕ ЧАСТИ ЦЕЛОГО
Хромосома 1
Хромосома 2
Хромосома 3
Хромосома 4
Хромосома 5
Хромосома 6
Хромосома 7
Хромосома 8
Хромосома 9
Хромосома 10
Хромосома 11
Хромосома 12
Хромосома 13
Хромосома 14
Хромосома 15
Хромосома 16
Хромосома 17
Хромосома 18
Хромосома 19
Хромосома 20
Хромосома 21
Хромосома 22
Хромосома X
Y-хромосома
25-я ХРОМОСОМА - ВАЖНОЕ ДОПОЛНЕНИЕ (митохондриальный геном)
ЧАСТЬ II. ФУНКЦИЯ ГЕНОМА ЧЕЛОВЕКА
КОРОЛЕВА УМЕРЛА - ДА ЗДРАВСТВУЕТ КОРОЛЕВА!
ОТ СТРУКТУРЫ К ФУНКЦИИ
Микрочипы - новый рубеж в исследовании экспрессии генома
Моделирование - важный подход к пониманию функции генов
ОТ ГЕНА - К БЕЛКУ
ОТ ГЕНА И БЕЛКА - К ЛЕЧЕНИЮ
РАК - ПРОБЛЕМА ПРОБЛЕМ
ГЕНЫ И ПОВЕДЕНИЕ
ВСЕ ЛИ В НАС ЗАВИСИТ ОТ ГЕНОМА?
ПРАВИЛЬНЫЙ ДИАГНОЗ - ПОЛОВИНА ЛЕЧЕНИЯ
ДНКовый ТЕКСТ ВМЕСТО ОТПЕЧАТКОВ ПАЛЬЦЕВ
РЕМОНТ ГЕНОВ
СМЕРТЬ И БЕССМЕРТИЕ - В НАШИХ ГЕНАХ
ИНДИВИДУАЛЬНАЯ ПИЛЮЛЯ
КОМПЬЮТЕР ВМЕСТО ПРОБИРКИ
Чем полезен компьютер для изучения генома человека?
Геноинформатика - быстрый путь от гена к лекарству
Немного фактов на грани с фантастикой
ВСЕ ПОЗНАЕТСЯ В СРАВНЕНИИ
ЧАСТЬ III. ПРОИСХОЖДЕНИЕ И ЭВОЛЮЦИЯ ГЕНОМА ЧЕЛОВЕКА
КАК ПОЯВИЛСЯ ЧЕЛОВЕЧЕСКИЙ ГЕНОМ?
Дарвин оказался прав!
Поиск родственников по останкам
После обезьян были "Адам" и "Ева"
ИСТОРИЯ С ГЕОГРАФИЕЙ, ЗАПИСАННАЯ В НАШЕМ ГЕНОМЕ
Волны миграций человека по планете
Генетические ландшафты
ЗАКОНЧЕНА ЛИ ЭВОЛЮЦИЯ ЧЕЛОВЕКА?
ЧАСТЬ IV. ЧТО ДЕНЬ ГРЯДУЩИЙ НАМ ГОТОВИТ?
ГЕНОМ ЧЕЛОВЕКА КАК ОБЪЕКТ ИСКУССТВЕННЫХ МАНИПУЛЯЦИЙ
ЭТИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ
ПЕРСПЕКТИВЫ И ПРОГНОЗЫ
ЭПИЛОГ
ПРИЛОЖЕНИЯ
Приложение 1
Приложение 2
Приложение 3
СПЕЦИАЛЬНЫЕ ТЕРМИНЫ, ИСПОЛЬЗОВАННЫЕ В ЭТОЙ КНИГЕ
ЛИТЕРАТУРА
НЕСКОЛЬКО ВСТУПИТЕЛЬНЫХ СЛОВ
Посвящаю жене, дочери и внучке
Любому человеку - от младшего школьника до пожилого пенсионера - интересно знать, как устроен он сам, почему он болеет, как всегда быть здоровым и что для этого нужно делать. Человеку всегда были близки науки о жизни, биология - одна из самых древних наук. Однако уже в древности стало понятно, что любое живое существо устроено несомненно сложнее, чем любой неодушевленный предмет, любое вещество, самое сложное, проще любого существа, самого примитивного. Сложность познания жизни во всех её многообразных проявлениях связана с несколькими существенными обстоятельствами. Во-первых, жизнь невероятно многообразна. Что общего можно усмотреть между бактерией, не видимой простым глазом, и, на другом конце цепочки, - китом, или слоном, или, наконец, человеком? Во-вторых, живые существа непрерывно меняются, одни виды появляются, другие исчезают. Когда жили динозавры, не было людей, а когда размножились люди, исчезли мамонты и сотни других видов животных и растений. В-третьих, жизнь необычайно чувствительна к окружающей среде, нежна, очень легко ранима. Поместите любое животное на 5–10 минут в бескислородную среду, и живой организм станет мертвым. Наконец, живые организмы необычайно сложно устроены - в их состав входит практически вся таблица Менделеева, тогда как, для сравнения, любое вещество, даже сложное органическое, не использует для построения своих молекул более 2-х десятков элементов менделеевской таблицы.
Одной из самых больших загадок биологии всегда была проблема наследования: почему мышь рождает мышь, а не крокодила? Почему дети похожи на родителей? Почему некоторые болезни передаются у людей и животных по наследству?
Старая, классическая, дарвиновская биология дала качественные, приблизительные, описательные ответы на часть этих вопросов. Биология XX века совершила гигантский скачок в понимании природы жизни, её молекулярных, химических основ. Венцом, вершиной этих титанических усилий всего мирового научного сообщества стала расшифровка строения наследственного аппарата человека, который представляет собой совокупность генов и внегенных участков ДНК - главной молекулы жизни. Коротко всю ДНК, в которой записана наследственная информация о данном организме, называют "геномом".
Раскрытие вчерне строения генома (февраль 2001 года) - событие столь же ключевое для истории человечества, как открытие электричества, атомной энергии, изобретение радио и телефонной связи и компьютеров. Человек, наконец, получил химическую, молекулярную основу для того, чтобы познать самого себя.
XXI век, несомненно, будет веком биологии. Это признают не только биологи, но и ученые других, далеких от биологии специальностей. В этом веке мы узнаем, что такое память, творческие способности, мы научимся защищать себя от многих болезней и лечить заболевания, которые мы сейчас называем неизлечимыми (рак, например).
Эта книга рассказывает о геноме. Каждый, кому интересно узнать о себе что-то новое, прочтет её с интересом и пользой для себя. Она написана достаточно просто, чтобы одолеть её до конца, хотя, конечно, неподготовленному читателю, который давно забыл школьный курс биологии, придется приложить некоторые усилия. Но они будут вознаграждены тем, что читатель узнает для себя массу нового, чего нет пока еще ни в одном учебнике, узнает многое из того, что некоторые биологи далеко еще сами не освоили.
Эта книга - слепок новой биологии, она объясняет (и достаточно понятно), почему наша жизнь все больше и больше будет зависеть от того, как мы сумеем распорядиться тем информационным богатством, которое нам подарил прошлый век. Сейчас главная проблема состоит в том, как превратить гигантский объем новых знаний о геноме в новое качество нашей жизни - здоровье, долголетие, победу над болезнями, использование всех научных способностей, заложенных в нас природой и родителями.
Не поленитесь дочитать книгу до конца. Дочитав последнюю страницу, вы почувствуете себя гордым за человечество, которое, наконец, начинает познавать самое себя. Мы на полпути к себе. Вы сможете сами участвовать в освоении второй половины пути - для многих читателей это может стать делом жизни.
Прочтя эту книгу, вы очень многое узнаете о себе и окружающих вас существах. Разве это не интересно?
Академик Л. Киселев
ОБЩЕЕ ВВЕДЕНИЕ
Мир не просто удивительнее, чем
мы себе представляем, -
он удивительнее,
чем мы можем себе представить.
Джон Бердон Холдейн
Человек - вершина эволюции живой природы на Земле. Такое утверждение общепризнанно, и оно обычно ни у кого не вызывает сомнения. Знаменитый молекулярный биолог, лауреат Нобелевской премии Дж. Уотсон писал: "Легко видеть в человеке существо совершенно особое, отличное от всех прочих живых существ. Лишь он изобрел сложные языки, дающие ему средство для обмена идеями и эмоциями. Он создал великие цивилизации, изменившие окружающий мир так, как не могло бы его изменить никакое другое животное. Поэтому человек всегда был склонен считать, что он занимает в природе не совсем обычное место". Но эта мысль принадлежат самому человеку, и поэтому в ней есть элемент субъективности. Безусловно, в том, что касается мыслительных функций, данное утверждение во многом правильно. Человек действительно царствует на Земле. Он уже давно в значительной мере встал над природой, перестал быть прямым объектом ее естественного отбора. Достижения человеческой цивилизации в целом огромны, они изменили облик всей нашей планеты, дошла даже очередь до других планет.
Однако царствование человека на Земле и в космосе не безгранично. До полного совершенства ему - царю природы - еще очень далеко. Существует множество неподвластных человеку проблем даже на планете Земля. Катаклизмы и стихии порой ставят человечество в тупик. Да и мы сами по ряду параметров сильно уступаем другим представителям животного мира, обитающим вокруг нас. Во многих отношениях мы чересчур слабы, ранимы. Это проявляется в нашей сильной уязвимости к воздействиям различных физических и химических факторов окружающей среды, в слабой устойчивости к действию различных патогенов, низкой плодовитости, относительно короткой продолжительности полноценной жизни. В отличие от других животных нашему зрению доступен лишь ничтожно малый участок электромагнитного спектра, а обоняние не способно воспринять и сотой доли окружающих нас запахов. Некоторые животные (рыбы, птицы) способны различать сигналы, которые человек вообще не воспринимает без специальных приборов. Гомер даже говорил: "Меж всевозможных существ, которые дышат и ходят, здесь, на нашей земле, человек наиболее жалок". Пожалуй, самую уничижительную оценку человеку дал один американец, который подсчитал, что в организме человека, весящего 70 кг, содержится 45,5 кг кислорода, 12,6 кг углерода, 7 кг водорода, 2,1 кг азота, 1,4 кг кальция, 700 г фосфора, а всех остальных элементов, вместе взятых (в основном калия, серы, натрия, хлора, магния, железа и цинка), - около 700 г. И всё это "богатство" стоит всего 1 доллар 98 центов. Но это уже крайность.
Куда серьезнее то, что человечество страдает от многочисленных наследственных патологий, болезней сердечно-сосудистой системы, злокачественных заболеваний, иммунодефицита и травматизма. Мы по-прежнему подвержены разнообразным вирусным инфекциям, идет широкое распространение СПИДа, гепатита и других грозных инфекционных заболеваний. Кроме того, человечество обременено и многочисленными пороками, которые сопровождают всю его историю. Наркомания, алкоголизм, эпилепсия и шизофрения - все это сопутствует пребыванию человека на Земле. В ходе всей истории человечество вело многочисленные войны, в которых были уничтожены сотни миллионов его представителей, и даже в XXI веке существует терроризм, растет преступность. Исчезают одни "сверх-человеки", появляются другие, даже в наше время, казалось бы, далекое от времени дикарей, отдельные страны объявляют себя "сверхдержавами" и начинают диктовать миру свои законы жизни и поведения. Нарушаются все возможные моральные и библейские принципы. Так что "царь природы" далеко не во всех отношениях выглядит совершенным, ему требуются значительная помощь и защита.
Но, несмотря на все "минусы", человеческая популяция продолжает неуклонно расти и процветать, в ней сохраняется и превалирует жизнеутверждающее и творческое начало. Достижения человека на планете Земля огромны. В чем же причина всего этого? В значительной мере это результат реализации той информации, которая заложена природой в нашем генетическом аппарате.
Известно, что мы все в той или иной мере эгоисты. Человека больше всего на свете интересует он сам. Все, что имеет к нему отношение, - предмет наивысшего внимания. Со временем пришло понимание того, что все упирается в биологию человека, а вся биология человека упирается в геном. Козьма Прутков говорил: зри в корень. В организме человека главный "корень" - это и есть геном. Стало ясно, что основной путь к исправлению многочисленных "слабостей" человека лежит через детальное изучение строения и работы его наследственной информации, содержащейся в геноме. Но долгое время это не удавалось сделать, поскольку ученые не располагали соответствующими подходами и методами. И как только к концу XX века появились реальные научные, методические и технические возможности определять структуры больших по размерам молекул, кодирующих наследственную информацию (геномов), сразу после расшифровки ДНК простых организмов (вирусы, бактерии, дрожжи, червь) одним из первых сложных организмов, чья ДНК была расшифрована, стал человек. Знаменательно, что даже структура генома такого классического генетического объекта, как дрозофила, который исследуется существенно дольше и который значительно проще устроен, была определена не раньше, а почти одновременно с геномом человека.
Успехи в изучении генома человека стали возможными в первую очередь благодаря усилиям международного проекта "Геном человека", который возник и реализовался в результате напряженной работы большого сообщества ученых. Инициатором этого движения с самого начала (конец 80-х годов) стал лауреат Нобелевской премии знаменитый ученый Дж. Уотсон. В России таким энтузиастом был академик А. А. Баев (1904–1994). В 1988 году он обратился к М. С. Горбачеву с письмом, в котором предложил организовать государственный научный проект по изучению генома человека. Как в нашей стране, так и за рубежом эта идея первоначально была встречена рядом ученых и общественных деятелей весьма критически. Им казалось, что задача просто невыполнима, а труд будет сизифов. Но время шло, и довольно скоро научное сообщество во всем мире стало обсуждать ее всерьез. Ученые смогли убедить свои правительства и бизнесменов, что определить полную структуру ДНК человека - важнейшая и насущнейшая задача для всего человечества. В результате этих усилий в 1989–1990 гг. в США и в СССР, а затем и в ряде других стран начали функционировать соответствующие научные программы. Чуть позднее возникла Международная организация по изучению генома человека (Human Genome Organization, сокращенно HUGO).
В самом начале задача казалась сверхсложной, а ее осуществление сверхдорогим. Но научная мысль, интеллект и энтузиазм множества исследователей из разных стран, помноженные на огромное финансирование, позволили в конечном итоге решить эту грандиозную задачу. На реализацию проекта были выделены огромные средства. Крупный вклад в решение этой проблемы (как финансовый, так и научный) был сделан в дальнейшем частной американской компанией "Celera Genomics". В сумме, по имеющимся оценкам, на определение полной структуры генома человека было затрачено свыше 6 млрд. долларов. Проект "Геном человека" стал одним из самых дорогостоящих из всех, когда-либо создаваемых на земле. Для сравнения: весь годовой бюджет Российской Федерации на 2000 год был равен 60 млрд. долларов. Грандиозная работа проводилась одновременно в двух десятках стран мира, включая США, Англию, Францию, Германию, Японию, Китай и Россию, и была осуществлена за срок чуть более 10 лет. Основных инициаторов и исполнителей проекта "Геном человека" (Джеймса Уотсона, Френсиса Коллинза, Крега Вентера) уже назвали "рыцарями двойной спирали".
Как сказал профессор Майкл Декстер (руководитель британской части проекта), определение полной структуры генома человека представляет собой одно из величайших достижений человечества, которое превосходит по своему значению высадку человека на Луне.