Некоторые психологи считают, что индивидуальные различия в поведении зрелых особей и сопряженные с полом психические нарушения связаны с тем, как гормоны, влияющие на половое созревание, действуют на перезапись нейронных сетей в период взросления.
* * *
К 1990-м годам у биологов уже было базовое понимание того, как работают гены. Они знали, что гены кодируют несколько видов белков. Энзимы играют важную роль в наших внутренних химических процессах, из других белков строятся мембраны клеток, ткани кожи, глаз, волос и ногтей. Генетики узнали, где в 46 хромосомах человека располагаются сотни определенных генов. Они накопили ключевые знания о генетической регуляции. Появилось понимание того, что существуют дополнительные системы регуляции, которые не управляются ДНК. Становилось все очевиднее, что вне ДНК также есть системы, которые могут регулировать ее экспрессию, - системы, обладающие способностью изменяться на протяжении жизни индивидуума и получения им определенного опыта. Со временем станет понятно, что они - часть эпигенетической регуляционной системы, про которую я расскажу в следующей главе.
В 1953 году произошло революционное открытие - открытие структуры ДНК, которое дало начало развитию новой науки - молекулярной биологии, пересекающейся с медициной и биологией. Через несколько десятилетий мы узнали о запутанной системе человеческой наследственности, развитии эмбрионов и работе клеток, тканей и органов на биохимическом уровне больше, чем за все предыдущее время. Все больше фактов указывало на то, что в человеческий геноме есть вирусы: в нем присутствовали вирусные последовательности генов и даже целые геномы вирусов. Одни генетики считали, что это просто мусор, оставшийся от давних инфекций, другие полагали, что эти куски генома на что-то активно влияют.
Тысячи генов были открыты в процессе кропотливых экспериментов с мутациями животных. В человеческом организме содержится от 80 до 120 тысяч белков. Предположим, что один ген кодирует один белок, тогда должно быть столько же генов. А это значит, что существует огромное количество еще неизвестных нам генов. Теперь генетики хотели знать не только последовательности отдельных генов. Следующим шагом должно было стать изучение структуры каждой хромосомы, а кроме этого - исследование всего генома. Только полностью разделив геном на секвенции, мы поймем, что лежит в основе нашего существования, - перефразируя Броновского, какие "генетические подарки" выделяют нас среди других животных. Все, что нам было нужно для совершения этого гигантского шага, - желание правительства профинансировать исследования, а также более эффективные техники чтения последовательностей ДНК.
В середине 1970-х в Кембридже британский биохимик Фред Сэнджер, который в то время уже был нобелевским лауреатом по химии за работу над структурой белков, впервые предложил новые техники автоматического секвенирования ДНК. Их потом так и назвали: секвенирование Сэнджера. Он использовал эти техники, чтобы впервые расшифровать геном организма полностью. Это был тот же организм, который я изучал, будучи и студентом, и доктором наук, - вирус-бактериофаг ФХ174. Это открытие принесло ему вторую Нобелевскую премию, и, таким образом, он стал единственным нобелевским лауреатом с двумя премиями по химии. Методология Сэнджера стала стандартной техникой секвенирования генома в лабораториях по всему миру и позволила изучить структуру десятков и тысяч генов. Тем не менее, по признанию самого Сэнджера, метод был медленным и требовал кропотливого труда. Ученым приходилось считывать показания с распечаток и тратить огромное количество радиоактивного фосфора, который использовался для того, чтобы помечать нуклеотиды. В середине 1980-х Лерой Худ и его коллеги в Калифорнийском технологическом институте придумали более быстрый и простой метод, который помечал нуклеотиды четырьмя видами флуоресцентной краски, которую можно было считывать лазерным аппаратом. Другие техники для репликации последовательностей генов использовали культуру бактерий E. coli - небольшие количества ДНК можно было размножить, чтобы затем проще секвенировать. Итак, геном можно было разделить на более мелкие последовательности, а их размножить с помощью бактерий и автоматически секвенировать специальными аппаратами.
В 1984 году политическая составляющая вопроса достигла максимума: Министерство энергетики США заявило, что полностью расшифрует весь человеческий геном - 6,6 миллиарда нуклеотидных последовательностей. Комитет назвал проект The Human Genome Project (проект "Геном человека").
Этот проект ошеломлял, но был фантастически амбициозным, вдохновляющим и волнующим. К 1987 году заявку полностью обсудили и ясно сформулировали цель: "Главная цель данной инициативы - понять устройство человеческого генома. Это знание необходимо для дальнейшего прогресса в медицине и других дисциплинах здравоохранения точно так же, как знание человеческой анатомии было необходимо для достижения нынешнего положения дел в медицине".
Проект начался в Америке и затем распространился на многие другие страны, превратившись в самый значительный проект по биологии в истории науки. В нем участвовало огромное количество разных ученых и научных групп. Это означало, что неизбежно возникнут разногласия относительно способов ведения исследования. Некоторые считали, что нужно сосредоточиться на одной хромосоме в отдельный момент времени, но это растянуло бы процесс на десять или даже пятнадцать лет. Некоторые политики не осознавали всей важности проекта и неодобрительно посматривали на его возможную стоимость, которая в таком случае поднималась до миллиардов долларов. Некоторых деморализовала перспектива настолько гигантского шага в неизвестность.
Но к началу 1990-х жребий был брошен. В 1990 году две главные финансирующие организации - Министерство энергетики США и Национальный центр исследования здоровья - объединили свои усилия. В том же году Джеймс Дьюи Уотсон, участвовавший в открытии структуры ДНК, был назначен управляющим программы Национального центра исследования здоровья. Теперь проект поддерживала репутация Уотсона, Национальная академия наук США, многие влиятельные молекулярные биологи и фонды от правительства и других официальных спонсоров в размере около 2,6 миллиарда долларов США. Уотсон немедленно предложил сделать проект международным, заручившись помощью Великобритании, Германии и Франции. Свою лепту внесли многие другие европейские центры, в том числе Япония, Китай и Австралия. Фонд Wellcome Trust в Великобритании стал основной благотворительной организацией наряду с правительственными органами США.
Итак, все было организовано, скоординировано, профинансировано и готово к запуску. В ход пошли компьютеры и автоматы для расшифровки генетического кода. В целом предполагалось, что для завершения проекта понадобится около пятнадцати лет, но эта цифра изменилась с неожиданным появлением конкурента: американской коммерческой организации Celera Genomics . Необходимость соревноваться с частной коммерческой организацией внесла суматоху в некоторые очень тщательно продуманные планы.
8. Первые наброски человеческого генома
Я знаю, что это исторический момент. Это самая важная научная инициатива, которую когда-либо предпринимало человечество… Это навсегда изменит биологию.
Фрэнсис Коллинз
В субботу 12 февраля 2001 года две соперничающие организации - Celera Genomics и Human Genome Project (при поддержке множества правительственных и благотворительных организаций в США, Великобритании, Германии, Японии и Франции) - одновременно объявили о завершении первого этапа полной расшифровки генома человека. Это вызвало волну восторгов в мировых СМИ. Президент США Билл Клинтон начал хвалебную оду, которую подхватил премьер-министр Великобритании Тони Блэр, а вслед за ними национальные лидеры и ведущие ученые каждой из стран объявили о начале новой эпохи знания и научных исследований. Роджер Хайфилд, научный редактор The Daily Telegraph , выразился прямо: "Ученые-соперники открывают книгу жизни". По словам Энди Коглана и Майкла Ле Пейджа, корреспондентов New Scientist , геном скоро будут учить в школах как таблицу Менделеева. Не было никаких сомнений, что это открытие знаменует собой начало нового этапа в генетике и является огромным шагом вперед и логическим продолжением открытий в области ДНК. И так же как с ДНК, вновь начались конфликты между двумя соперничающими группами.
Директор Human Genome Project Уотсон сделал проект международным, заручившись таким образом поддержкой, благодарностью и преданностью многих ученых по всему миру. Кроме того, он выделил небольшую часть средств, чтобы донести социологические, религиозные и этические идеи, касающиеся проекта, до интеллектуалов и политиков. В академических кругах многие видели в Celera Genomics наглых выскочек, ведомых предприимчивым ученым Джоном Крейгом Вентером. Но следует отдать ему должное - Вентер благодаря проницательности и обаянию смог преуспеть в длинном списке удивительных научных прорывов, включая новые области генетических исследований. Как Уотсон, Крик и Уилкинс, Вентер отмечал, что его в свое время вдохновила книга Шрёдингера.
Вентер развивался как ученый, работая в Национальном институте здоровья США рядом с кабинетом Маршалла Ниренберга, который внес вклад в открытие гистонового кода. В 1992 году Вентер, которому было сложно вынести неторопливость прогресса в его окружении, организовал собственную коммерческую лабораторию - Институт генетических исследований (The Institute for Genomic Research - TIGR) . Теперь он мог совмещать автоматизированное секвенирование с изобретенным его исследовательской группой новым подходом - "пулеметной лентой", в котором длинные генетические последовательности, найденные в живых организмах, можно было разбивать на более мелкие части. Разделяя геном на все более мелкие части, ученые находили повторяющиеся фрагменты, которые в дальнейшем можно было использовать для воссоздания целой нуклеотидной последовательности микроба или, скажем, человеческой хромосомы.
"Техника пулеметной ленты" могла ускорить работу над проектом, однако соперники Вентера заклеймили метод как потенциально неточный. Тем не менее в 1995 году Вентер опубликовал статью о своей первой победе: впервые был полностью расшифрован геном живого организма - бактерии Haemophilus influenza , вызывающей заболевания дыхательных путей и другие инфекции. После этого расшифровали геном бактерии, вызывающей язву, - Helicobacter pylori , в марте 2000 года наконец расшифровали геном насекомого - известной по экспериментам Томаса Ханта Моргана фруктовой мушки. И скептически настроенные научные круги были, так сказать, поставлены на место.
В 1998 году Вентер скооперировался с Перкином Элмером, произошло слияние корпорации Перкина Элмера и Института генетических исследований, давшее начало новой компании - Celera Genomics . Слово celera на латыни означает "торопись" и подчеркивает важность скорости исследований. Вентер дал понять, что цель компании не биотехнологии сами по себе, а предоставление информации. По словам Джеймса Шрива, который описывал это удивительное время, рыночный продукт компании Celera Genetics - огромная генетическая база, основанная на геномной последовательности человека. Таким образом, для новой компании Вентера самим смыслом существования было соперничество с получающей государственные дотации организацией Human Genome Project .
В 1992 году Джеймс Уотсон серьезно разошелся во мнениях с Бернардиной Хили, которая на тот момент отвечала за Human Genome Project . Хили была согласна с директивой Конгресса о том, что открытия организации должны поддерживаться патентами. Уотсон горячо возражал и высмеивал Хили до тех пор, пока она не уволила его, "устав от оскорбительных замечаний". В том же году Уотсона заменил более дипломатичный Фрэнсис Коллинз. Организация Wellcome Trust в Великобритании начала с того, что учредила Sanger Centre - огромную лабораторию по расшифровке генома, расположенную недалеко от Кембриджа, которая вместе с Национальным центром исследования здоровья работала над Human Genome Project .
Амбициозная компания Celera запустила 200 мощнейших автоматов по расшифровке кода, совмещая скорость промышленного производства с "методом пулеметной ленты" Вентера, разделяя 46 хромосом, состоящих из 6,4 миллиарда белков, на маленькие кусочки. Эти кусочки расшифровывались в банках секвенторов, после чего из них можно было собрать целый геном. Подход Celera , как это видел Вентер, должен был сократить время на завершение проекта с десяти лет, заявленных его соперниками, до семи. В то же время Коллинз при поддержке многих ученых, работавших в Human Genome Project , оспорил мнение, что такой подход может привести к недопустимым неточностям. Теперь ученых волновало другое: что коммерческий склад ума Вентера, несмотря на его заверения, приведет к ограничению доступа к данным генома и, таким образом, ограничит последующие исследования. Некоторые ученые даже боялись, что Celera может попытаться присвоить себе авторские права на человеческий геном.
Соперники все еще обменивались язвительными колкостями, просачивающимися в СМИ, когда в 2001-м обе компании заявили об открытиях: Celera опубликовала результаты в ведущем американском журнале Science , а Genome Project воспользовалась его британским аналогом - Nature . В результате у нас есть два варианта расшифровки генома. В Celera ясно заявили, что предоставят доступ к данным только ученым, однако на коммерческое использование это распространяться не будет. В конце концов, они потратили сотни миллионов долларов на эти исследования и теперь, будучи коммерческой компанией, должны вернуть затраченные средства и получить с проекта какую-то прибыль. А вот другая организация, находившаяся на государственном финансировании, заявила, что все их открытия полностью доступны кому бы то ни было.
Возможно, некоторых читателей возмутит, что в святыню человеческого генома вторгаются коммерческие интересы. Однако на самом деле противостояние между коммерческими интересами и интересами общественности в медицине и биологии случается нередко. Иногда сложно провести четкую линию между этими подходами, но на практике исследования наиболее важных областей, например прививок, антибиотиков, лекарств от рака, всегда включают сложный баланс между двумя противоположностями.
Здесь научный прорыв шел двумя путями одновременно, и бурных оваций заслуживают обе стороны. Благодаря двум публикациям в журналах Nature и Science (15 и 16 февраля соответственно) мир науки и человечество в целом узнали о невероятно сложных молекулярных структурах, которые лежат в основе наших генов. Расшифровка генома обещала эпохальные изменения в будущем биологии и медицины - в общем-то, в будущем человечества - и вела за собой головокружительные и очень неожиданные открытия. Газеты и журналы писали: расшифровав карту генома, мы познаем самую суть жизни. Но на деле эта карта оказалась сплошной terra incognita.
Когда мы говорим о прорыве в научных открытиях, мы часто преувеличиваем. Однако здесь действительно происходили прорыв за прорывом, принесшие научному миру три огромных сюрприза, каждый из которых сам по себе был новым вызовом, новой загадкой. Картина станет более ясной, если мы посмотрим на диаграмму.
Соотношение различных генетических элементов в геноме
Я должен пояснить, что эта диаграмма - своего рода метафора, допущение. Она показывает процентное соотношение различных генетических элементов в геноме, но не демонстрирует, где все это расположено в наших 46 хромосомах. На этом этапе большинство генетиков интересовались в основном генами, кодирующими белки, и именно в этой области и находилась первая загадка, с которой мы столкнулись.
Биохимики приблизительно оценили количество белков в человеческом организме в 100 тысяч. Мы предполагали, что столько же будет и генов, которые кодируют эти белки. Генетики хотели знать, сколько на самом деле существует генов и где именно они расположены на хромосомах. Каким же шоком оказалось, что эти гены составляли менее 2 % от всего генома, может, даже 1,5! Выглядело так, будто ими просто невозможно закодировать все 100 тысяч белков, из которых построен человеческий организм.
Что же и где пошло не так?