Страница:
Несмотря на все это Русская семиотическая школа как целое обладает высокой степенью своеобразия и глубины, некоторые результаты получены ею на десятки лет раньше других школ семиотики.
Так, первые конференции по биосемиотике проходили на территории бывшего СССР и России, ныне же – исключительно на Западе (ср. первые конференции – Тарту, 1978 и Il Ciocco, Italy 1986).
Вместе с тем Международные встречи биосемиотиков последних лет показали большое своеобразие русской биосемиотической школы как школы – как некоторого единства биосемиотиков, работающего в едином понятийном пространстве.
Геном человека
Участники:
Николай Казимирович Янковский – доктор биологических наук, профессор
Владислав Сергеевич Баранов – член-корреспондент РАМН
Александр Гордон: У обывателя, в том числе и у вашего покорного слуги, создалось впечатление, по крайней мере, на вербальном уровне, что дело сделано. Теперь я начинаю догадываться, что дело только начали делать. Так вот, что сделано и что предстоит?
Николай Янковский: Что сделано? Определен генетический текст, последовательность из букв. Букв, вообще говоря, четыре, но позиций 3 миллиарда. Определили, какая из четырех букв стоит в каждой из трех миллиардов позиций. Это сделано. В этом тексте записано все про то, как мы получаемся во взаимодействии со всем тем, что есть вокруг. Как это получается из этого текста, мы пока не знаем, но теперь есть текст, который нам позволяет это узнавать. Вот это основное достижение.
А.Г. То есть библиотека найдена, а что там написано – еще нет.
Н.Я. Да, у нас появилась книга, в которой мы, если говорить по-простому, практически ничего не понимаем, потому что все, что мы умеем, это преобразовать эти буковки, они называются нуклеотиды, в то, что называется белком. Мы считаем, что это такая единица, которая работает. Вот это мы понимаем, как буковки перевести в белок. Но это меньше одного процента от длины генетического текста. Остальные 99 процентов текста наверняка нужны, потому что они и у меня, и у вас на 99,9 процента одинаковы. Они одинаковы у нас даже с обезьяной на 99 процентов. Почему – мы не знаем. Но текст у нас есть, мы с ним можем работать. Вот он и определен.
А.Г. Есть какие-либо внятные гипотезы, для чего нужны эти 99 процентов?
Н.Я. Мы переходим при этом к задаче следующего этапа, к тому, что мы совсем не понимаем. Пока мы хотя бы знаем, что есть белки, которые осуществляют какие-то функции – преобразование веществ, построение структур. Это сейчас очень интенсивно изучается, потому что именно это даст первоочередную практическую пользу медицине. Вообще говоря, на этом уровне в первую очередь понятно, почему мы – мы, а обезьяна – обезьяна, чем мы отличаемся, скажем, от мухи и так далее. Вот эта часть генетического текста сейчас изучается наиболее интенсивно. А те 99 процентов, которые составляют основную часть пространства… К анализу этого даже и подходов толком нет. По этому поводу еще Нобелевские премии не родились.
Владислав Баранов: Но есть представление о том, что существует не один, а несколько генетических кодов. И то, что называется сейчас «лишней, или избыточной ДНК» на самом деле играет какую-то регулирующую роль. Какую-то определяющую роль, скажем, оркестровку работы этих генов. Как записана партитура каждого вида, каждого организма? Это остается неизвестным.
Н.Я. Да, это совершенно верно. Но хотелось бы обратить внимание на одно количественное обстоятельство. Если мы разошлись с последним близким родственником к нам – шимпанзе – по крайней мере 5 миллионов лет назад, то эти 99 из ста букв, которые одинаковые, они ведь касаются и той части текста, которые никакой белок не кодируют. То есть все 5 миллионов лет все это воспроизводится, все эти тексты, по крайней мере, раз в двадцать лет для человека, или покороче – для обезьяны. И тексты остались на 99 процентов одинаковыми за 5 миллионов лет переписывания, или даже за 15 миллионов лет, отделяющих нас от орангутанга, который тоже немного от нас отличается. Это поддерживается абсолютно стабильно, зачем-то это надо. Но почему текст надо поддерживать именно в таком виде, этого мы не знаем.
В.Б. Я думаю, если посмотреть на чуть более дальних родственников, не приматов, то там различия будут более значительные. Когда-то меня осенила мысль, которой я дорожу до сих пор. Мне казалось, что, проникнув в суть тайны ДНК, мы сможем провести классификацию всех организмов согласно, скажем, периодической системе, где каждый организм, каждый вид, по крайней мере, занял бы какую-то вполне определенную нишу. Только вопрос в том, что взять за единицу отсчета?
Н.Я. Во всяком случае инструмент для этого – структура ДНК. Она сейчас на экране появилась. Это обложка журнала, в котором опубликована знаменитая статья Уотсона и Крика, посвященная структуре ДНК, как они ее определили. Этой статье в этом году 50 лет. Это празднуется в очень многих местах мира, в том числе и в нашей стране. Собственно говоря, после этого начался путь к тому, чтобы понять, какая буква стоит в какой позиции текста. Буквы уже были известны до того, как они определили структуру, но когда появилась структура, это было начало того, чтобы определить расстановку букв. Это заняло 50 лет.
В.Б. Хотелось бы сказать, что совершенно непонятным остается, почему именно эти четыре буквы были взяты. Ведь у природы была масса других возможностей, а взяли только эти четыре буквы, и они идут совершенно красной линией от вирусов до человека, то есть единство всего живого не вызывает никакого сомнения.
Н.Я. Да, это поразительное вообще явление, как много общего до сих пор мы находим во всем живом. Эти тексты, которые были не только для человека определены, а также и для огромного количества бактерий. Мы разделяем текст на отрезки, на инструкции – гены. И мы можем сравнить эти гены, по крайней мере, переведя текст ДНК в текст белка, который более устойчив. Немножечко разные сочетания букв в ДНК могут соответствовать одному и тому же белку. Поэтому сравнивают белки, и оказывается, что мы видим по белкам сходство организмов, которые разошлись, скажем, 3 миллиарда лет назад – мы и бактерии. И это до сих пор видно в последовательности букв уже аминокислотного кода в белке.
Что же это за белки, которые являются общими у человека и у бактерий? Оказывается, что мы во многих случаях не знаем функций этих белков, и по ним пока не известны даже мутации, чтобы определить их функцию. А это белок, который 3 миллиарда лет остается у всех живых одинаковым – у нас, у бактерий, у растений. Поразительное обстоятельство – как природа до сих пор сохранила свое единство, видимое и сегодня. За 3 миллиарда лет – это расчетное время возникновения жизни по генетическим данным. Археологические данные показывают, что 2,7 миллиарда лет назад существовали, по-видимому, уже клеточные формы жизни. Земля существует 4,5 миллиарда лет, а примерно 3 миллиарда лет назад уже были клеточные формы.
На самом деле все, что предшествовало клеточной форме, требовало гораздо больше времени, с моей точки зрения, для того чтобы оно возникло. Ведь то, что составляет клетку – это клеточные циклы, которые взаимодействуют друг с другом. Они не существовали вместе, когда-то они жили отдельно. Правда, можно ли назвать это жизнью? Но мы до сих пор видим этот этап эволюции отпечатанным в генетическом тексте ныне живущих организмов. Поэтому генетический текст – это основа основ наших знаний о жизни.
В.Б. И действительно, возникновение клетки – это столь замечательное событие и столь непонятное сейчас. Мы совершенно не приблизились, расшифровав геном, к этому. Возможно, верна гипотеза панспермии – зарождения жизни вне Земли, и ее представленности в других местах во Вселенной, которая когда-то была выдвинута Сванте Арениусом, а потом поддержана Криком. Он тоже обратил на это внимание, это была его следующая гипотеза после гипотезы «двойной спирали ДНК». Гипотеза как будто предлагает решение, но оно просто отдаляет событие возникновения жизни в глубь времен, не описывая события и не указывая на ее причину.
А.Г. То есть, это скорее не решение, а вынос решения за скобки.
В.Б. Выносит за пределы Земли, по крайней мере.
А.Г. И все-таки, об этой программе поподробнее. Начали ее физики, если я не ошибаюсь?
Н.Я. Вообще программа родилась как следствие прекращения «холодной войны». Это действительно так. Средства, которые шли на военные разработки, быстро стали сворачиваться. И огромные массы очень высококвалифицированных людей, прежде всего в области создания инструментов исследования, решили предложить что-то новое для реализации своего огромного научного потенциала.
В Америке это был департамент энергетики – наш Средмаш, который отвечал за создание атомной и водородной бомбы. Лаборатория Лос-Аламос и Ливермор, отвечали за то, как влияет радиация на человека, что будет, если случится атомная война. Они сказали, что мы будем это знать лучше всего, если определим структуру генома человека и тогда поймем, на что действует радиация и что получится при облучении.
А.Г. Хитрые ребята…
Н.Я. Это всех устроило – и там, и здесь. Поднятый новый флаг был уверенно поддержан власть предержащими, эти программы были отфинансированы. И, кстати сказать, тогда, когда программа началась – в конце 80-х годов, она финансировалась и у нас на очень высоком уровне. Если в Америке первое финансирование было 30 миллионов долларов, то у нас это было 10 миллионов долларов. Замечу, что когда программа закончилась пару лет назад – у нас это было 300 тысяч долларов, а в Америке это было 300 миллионов долларов. Такое вот развитие событий…
Но действительно, тогда эта программа началась. Как определить структуру генома, тогда было совершенно не ясно, не было методов, не было инструментов. Знание принципиальной структуры не позволяло помыслить о том, какими методами можно взять такой объем, за какое время она будет сделана как химическая работа, как все это собрать и как со всем этим манипулировать, потому что тогда не было компьютеров, таких как сейчас.
А.Г. 3 миллиарда пар оснований…
Н.Я. Да, это число позиций для букв генетического текста. Это в общем как несколько шкафов с книгами, размещенными в каждой клетке нашего тела. А клеток-то у нас 10 в тринадцатой степени. То есть это все безумная по объему информация, с которой нужно работать. Кстати сказать, суммарная длина ДНК в одной клетке – примерно два метра. А во всех ваших клетках, если их вытянуть, эта длина в тысячи раз превышает расстояние до Солнца. Вы в каждый данный момент всем этим манипулируете, и не видно напряжения на вашем лице. Все это делает ваш организм. Вот этот текст нужно было определить.
В.Б. Но все-таки в данный момент, я думаю, нельзя не обратить внимания, что было одно принципиальное открытие. В 1975 году тогда уже лауреат Нобелевской премии Фрэд Сенгер предложил метод секвенирования ДНК, который можно автоматизировать, как сразу же стало понятно специалистам. И это действительно явилось решающей методической предпосылкой, которая говорила, что, в принципе, текст можно будет прочесть.
Н.Я. Да, здесь существенны и другие исследования, которые были в последующем отмечены нобелевскими премиями. Это размножение фрагмента ДНК в пробирке, и выделение этого фрагмента как химически чистого вещества. Метод называется полимеразная цепная реакция, сокращенно – ПЦР. Другой метод, отмеченный Нобелевской, это клонирование, метод рекомбинантных молекул ДНК. Все эти Нобелевские премии со временем стали процедурами лаборантского уровня, а потом и вовсе стали выполняться роботами. Современная схема определения последовательности нуклеотидов, секвенирование, подразумевает 15 минут труда оператора в сутки при машине, которая работает непрерывно. И эта машина выдает за несколько минут то, что, сделанное вручную, составляет кандидатскую диссертацию у нас в стране.
Геном человека был секвенирован международным консорциумом академических лабораторий и, независимо, в фирме «Селера». Она использовала все технологии, накопленные к тому времени, и наиболее компактно сделала эту работу по времени. Сиквенс был сделан за характерное время – девять месяцев, ну и еще десять дней. И стоило это «Селере» 200 миллионов долларов. Был сделан геном одного человека полностью, а еще четверых – частично. Теперь остались остальные три или сколько миллиардов людей, но, тем не менее, геном одного человека уже сделан целиком. Международный консорциум использовал для секвенирования ДНК от многих разных людей, а не от одного человека.
Воссозданный генетический текст, сиквенс генома человека, был представлен фирмой «Селера» в качестве результата собственных усилий, результата приоритетного. Но сама «Селера» признает, что использовала данные мирового сообщества. Воссозданный ею текст был получен на основе очень подробной работы, которую провело все мировое сообщество для того, чтобы разобраться в огромном количестве очень сходных фрагментов текстов, которые у каждого из нас есть. Ведь каждый ген от гена. И все эти тексты внутри каждого из нас производны один от другого. Тесты в разных участках генома часто сходны. Глубина этого сходства различна в разных местах. Воссоздание реальной последовательности нуклеотидов на протяжении всех трех миллиардов позиций – это очень сложная задача.
Просто «в лоб», определением структуры коротких отрезков и их прикладыванием друг к другу, нельзя сложить полный геном. Для этого нужно использовать многие дополнительные методы. Эти методы применяло мировое сообщество, данные были доступны «Селере», и фирма их использовала. Справедливости ради надо сказать, что фирма действительно выдала в пять раз больше «руды», чем все мировое сообщество. «Руда» – это те самые короткие отрезки генетического текста, меньше тысячи позиций, которые являются первичным материалом последующего воссоздания текста целиком. Но «Селера» не делала многих других этапов работы, которые гораздо более дороги и позволили все короткие отрезки текста расставить. Это была драматическая ситуация, когда один человек фактически – Вентер, руководитель «Селеры» – привлек внимание всего мира, и на него вылился почти весь успех от завершения проекта по секвенированию генома человека. Правда, у него было около 500 человек в фирме, кроме него. Кстати сказать, когда проект по секвенированию был завершен, он ушел с этой фирмы, и ее акции упали раз в десять по цене. Кстати сказать, данные «Селера» до сих пор недоступны мировому сообществу. Поэтому недавний лауреат Нобелевской премии, Коулсон, говорит, что можно считать, что и нет этих данных, потому что они не доступны. Что, действительно, правда.
Но, впрочем, мы на самом деле никак не перейдем к тому, зачем все это было нужно. А ведь кроме того, что нам интересно, конечно, исследовать природу за государственный счет…
А.Г. Что от этого нашему колхозу?…
Н.Я. Зачем-то все это было людям нужно. Сейчас на экране появилась картинка. Можно сказать, что в первую очередь это нужно для того, чтобы делать какие-то заключения о нашем здоровье или возможных проблемах со здоровьем, которые возникнут в будущем.
Здесь хочется упомянуть два типа наших болезней, связанных с генетической предрасположенностью. Одни болезни, так сказать, простые. Есть генетический текст, есть в нем одно повреждение. Оно будет приводить к болезни, и связь этого повреждения с болезнью стопроцентная. Таких болезней на сегодня известно примерно тысячи полторы. На этой картинке изображен ребенок, который уже выглядит как старик. Такая болезнь называется прогерия. Это один из примеров генетически «простых» болезней. Мы можем в этом случае посмотреть на элемент генетического текста и сказать что да, вот оно – повреждение. Еще до рождения. Даже до того, как зародыш имплантируется в матку. И, в общем, если ребенок будет обречен на смерть или тяжелейшую инвалидность, то такая информация дает возможность семье принять решение о непродолжении беременности. Это даже и не аборт в традиционном понимании, потому что еще не произошла имплантация. Эти все «простые» болезни теоретически могут быть выведены из круга проблем для человечества. Другое дело, нужно это делать или нет. Таких «простых» болезней меньше 10% во всем списке болезней человека. Среди новорожденных менее одного процента будут такими болезнями поражены, но общее число пораженных в мире составляет многие миллионы…
А есть ли практический успех в защите от таких болезней? Да, есть. Наиболее яркий, следующий пример. На Сардинии была очень широко распространена болезнь крови, которая называется бэта-талассемия. Человек от нее становится практически полным инвалидом и нередко гибнет ко времени полового созревания. На Сардинии за последние двадцать лет в двадцать пять раз сократилось частота рождения больных этой болезнью. Почему? Потому что врачи и биологи, зная ее механизм, информировали население о том, что они могут предсказать, что появится больной ребенок. Соответственно, можно принять решение о непродолжении беременности или сделать следующую попытку, что практически то же самое, чтобы появился ребенок здоровый. И люди стали принимать такое решение. В 25 раз частота упала. Я спросил у специалистов, почему остались пять процентов больных детей и сейчас? Ведь можно все предсказать. Они говорят да, пять процентов супружеских пар, зная, что у них родится больной ребенок, тем не менее, решают продолжать беременность. Это их право.
Искоренение бета-талассемии на Сардинии – это наглядный пример того, как болезнь, которая выключала множество семей из нормальной жизни, исчезла как наиболее частая медицинская проблема семьи и проблема данной территории. И это может быть сделано для большинства болезней такого «простого» генетического типа. Но, к сожалению, они составляют малую часть от всех болезней человека. А другая часть болезней – и они гораздо более распространенные – это те, для возникновения которых важны много специфических генов и много факторов внешней среды. Ведущий специалист в нашей стране в этой области – это Владислав Сергеевич Баранов. И он, наверное, споет эту песнь лучше, чем я.
А.Г. Запевайте.
В.Б. Я хотел бы сказать, что действительно, практически любая болезнь, которую Вы можете сразу вспомнить – и сердечно-сосудистые заболевания, и психические заболевания – все это болезни, связанные с действием целого ряда факторов. Это, как правило, результат действия патологии или изменений нескольких генов на фоне действия повреждающей среды. То есть, сочетания каких-то факторов внешней среды и генов дают такой эффект. На этой картинке изображено, что действительно будь то нормальная жизнь, будь то какое-то болезненное состояние, все равно в их формировании остаются две составляющие. Это геном, составляющий основу наследственности человека, и внешняя среда. Эти две составляющие действуют от самых ранних стадий развития – от первой оплодотворенной клетки, зиготы, когда начинается развитие индивидуума. И до его, так сказать, последней черты. Каждый наш признак это, по сути говоря, взаимодействие этих двух стихий. Значительное число болезней, конечно, связано именно с действием многих генов.
Н.Я. Вообще в этом печальном списке болезней, насколько я помню, около тридцати тысяч строк. В каждой строке стоит название какой-то болезни. Меньше пяти тысяч – это те, которые возникают по схеме – «один ген, одно повреждение и одна болезнь». А остальные все – это действие многих генов и плюс факторы внешней среды. Основные болезни среди причин смертности здесь – сердечно-сосудистые, потом раковые и ряд других болезней.
Но я хотел обратить внимание на ту картинку, которая сейчас показалась. Все это, правда, про болезни в их качестве естественных причин смертности. Но реальной «неестественной» причиной, как правило, в развитых странах, в США, например, по оценке, является то, что лекарства пациенту прописали не то или не так. Это 20 процентов всех смертей. И это, по существу, одна из ведущих причин смертности. Хотя причина очень гетерогенная, лекарств ведь куча разных.
Здесь с точки зрения генетики очень интересная оказалась ситуация. Люди, на которых данное лекарство оказывало побочный эффект, оказывались генетически довольно однородными. То есть, они все имели какую-то особенность в своей генетической информации, которая делала их уязвимыми для данного лекарства. Они были специфической уязвимой мишенью для действия именно данного лекарства. И вообще когда фирма создает какие-то лекарства, насколько оно эффективно? Фирма считает, что если оно действует на 30–40 процентов больных клинически одинаково, это хорошо. Почему? Потому что у них на самом деле могут быть повреждены разные этапы обмена веществ, каждый из которых необходим для здоровья. И если лекарство действует на этот этап, а у пациента поврежден другой этап, то принимать его вовсе не надо, ничего, кроме разве что плохого, пациенту от лекарства не будет. То есть, лекарство может быть эффективно лишь для 30–40 процентов пациентов с данной болезнью, это нормально. Но побочные эффекты от приема лекарства должны наблюдаться не чаще, чем у одного процента пациентов. Иначе пойдет слишком много судов и потерь экономических, и фирма заботится, чтобы этого не было. Поэтому столь тщательно выясняют, каковы побочные эффекты лекарства, как часто и у кого они наблюдаются. И выясняется, что пациенты с побочными эффектами от данного лекарства – это часто генетически однородная группа. Это должна в будущем медицина все предсказывать. Причем, предсказание можно будет сделать еще до рождения во многих случаях. С тем чтобы сказать: ага, тебе такое-то лекарство применять нельзя. Ты в рисковой группе относительно него.
А.Г. Генная аллергия получается.
В.Б. Это направление, которое называется фармакогенетика. И действительно по статистике около ста тысяч человек погибают ежегодно в мире из-за того, что не учитываются эти генетические способности.
Н.Я. Индивидуальные.
В.Б. Индивидуальные особенности. Отсюда, действительно, у фирм была большая заинтересованность в программе «Геном человека» именно в двух направлениях. В направлении выяснения особенностей этой индивидуальной чувствительности к фармпрепаратам. А, во-вторых, к разработке направленного действия лекарств.
И я хотел бы обратить внимание на этом слайде на то, каким образом, почему люди по-разному реагируют на разные препараты. И из чего, собственно, складывается большинство заболеваний? Оказывается, большинство процессов, практически все процессы, которые происходят в организме, не контролируются каким-то одним геном. Они контролируются какой-то группой взаимосвязанных генов. И эти группы уже получили название «генные сети». Такая генная сеть показана на верхнем рисунке.
Но когда мы посмотрим на отдельных индивидов, а на нижнем рисунке показаны отдельные индивиды, у которых протекает тот же самый процесс, то оказывается, что нормы реакции у всех индивидов по данному процессу различны. И здесь есть риск, что, скажем, когда переходится пороговая какая-то граница, индивидуумы с повышенной чувствительностью подпадают в группу людей, которые заболевают. А другие, их большинство, не заболевают, как вы видите. Но ведь внешние факторы могут меняться. И как раз показано, что в случае усиления прессингового действия внешних фактов даже те, которые в норме не должны были болеть, у них порог так снижается, что они становятся чувствительными и заболевают.
Вот эти генные сети сейчас привлекают серьезное внимание генетиков. Биоинформатика ими особенно интересуется. Если мы сейчас посмотрим на следующий слайд, то увидим, как сложно представляется генная сеть такого заболевания, как бронхиальная астма, которым поражено почти четыре процента населения. Здесь различные группы генов. Здесь и гены, которые отвечают за иммунный ответ, здесь и гены, которые отвечают за реакцию бронхов на различные воздействия, здесь, конечно, эндокринные факторы. Особый интерес вызывает означенная розовым цветом группа генов, которая привлекла наш интерес. Это так называемые гены метаболизма, раньше они еще назывались гены детоксикации или гены системы детоксикации. Потому что логично было предположить, что внешние факторы, особенно химические вредные факторы, которые поступают в организм, они на всех будут действовать по-разному в зависимости от того, прежде всего, как эффективно они разлагаются и выводятся из организма.
И в случае бронхиальной астмы действительно нам удалось впервые показать, что целая система этих генов определяет чувствительность. И это позволяет нам сейчас реально тестировать детей. Особенно в семьях, где уже есть больной ребенок. Тестировать, чтобы выявить тех еще не заболевших детей, которые имеют явную предрасположенность к этому заболеванию. Эта область чрезвычайно интересна и важна. Мы назвали эту область предиктивная или предсказательная медицина. То есть, выяснение предрасположенности человека к тому или иному заболеванию в зависимости от особенностей его генов.
Н.Я. Индивидуальные особенности, безусловно, важны, но, вообще говоря, для каждого нашего признака, болезнь – один из них, существует определенный процент вероятности его проявления. Это особенно четко видно при исследовании идентичных близнецов по сравнению их с парами неидентичных близнецов. Здесь, например, показано, что при таких признаках, как, скажем, шизофрения, около 80 процентов пар, если болен один из идентичных близнецов, то болен и другой.
Так, первые конференции по биосемиотике проходили на территории бывшего СССР и России, ныне же – исключительно на Западе (ср. первые конференции – Тарту, 1978 и Il Ciocco, Italy 1986).
Вместе с тем Международные встречи биосемиотиков последних лет показали большое своеобразие русской биосемиотической школы как школы – как некоторого единства биосемиотиков, работающего в едином понятийном пространстве.
Геном человека
16.12.03
(хр.00:42:23)
Участники:
Николай Казимирович Янковский – доктор биологических наук, профессор
Владислав Сергеевич Баранов – член-корреспондент РАМН
Александр Гордон: У обывателя, в том числе и у вашего покорного слуги, создалось впечатление, по крайней мере, на вербальном уровне, что дело сделано. Теперь я начинаю догадываться, что дело только начали делать. Так вот, что сделано и что предстоит?
Николай Янковский: Что сделано? Определен генетический текст, последовательность из букв. Букв, вообще говоря, четыре, но позиций 3 миллиарда. Определили, какая из четырех букв стоит в каждой из трех миллиардов позиций. Это сделано. В этом тексте записано все про то, как мы получаемся во взаимодействии со всем тем, что есть вокруг. Как это получается из этого текста, мы пока не знаем, но теперь есть текст, который нам позволяет это узнавать. Вот это основное достижение.
А.Г. То есть библиотека найдена, а что там написано – еще нет.
Н.Я. Да, у нас появилась книга, в которой мы, если говорить по-простому, практически ничего не понимаем, потому что все, что мы умеем, это преобразовать эти буковки, они называются нуклеотиды, в то, что называется белком. Мы считаем, что это такая единица, которая работает. Вот это мы понимаем, как буковки перевести в белок. Но это меньше одного процента от длины генетического текста. Остальные 99 процентов текста наверняка нужны, потому что они и у меня, и у вас на 99,9 процента одинаковы. Они одинаковы у нас даже с обезьяной на 99 процентов. Почему – мы не знаем. Но текст у нас есть, мы с ним можем работать. Вот он и определен.
А.Г. Есть какие-либо внятные гипотезы, для чего нужны эти 99 процентов?
Н.Я. Мы переходим при этом к задаче следующего этапа, к тому, что мы совсем не понимаем. Пока мы хотя бы знаем, что есть белки, которые осуществляют какие-то функции – преобразование веществ, построение структур. Это сейчас очень интенсивно изучается, потому что именно это даст первоочередную практическую пользу медицине. Вообще говоря, на этом уровне в первую очередь понятно, почему мы – мы, а обезьяна – обезьяна, чем мы отличаемся, скажем, от мухи и так далее. Вот эта часть генетического текста сейчас изучается наиболее интенсивно. А те 99 процентов, которые составляют основную часть пространства… К анализу этого даже и подходов толком нет. По этому поводу еще Нобелевские премии не родились.
Владислав Баранов: Но есть представление о том, что существует не один, а несколько генетических кодов. И то, что называется сейчас «лишней, или избыточной ДНК» на самом деле играет какую-то регулирующую роль. Какую-то определяющую роль, скажем, оркестровку работы этих генов. Как записана партитура каждого вида, каждого организма? Это остается неизвестным.
Н.Я. Да, это совершенно верно. Но хотелось бы обратить внимание на одно количественное обстоятельство. Если мы разошлись с последним близким родственником к нам – шимпанзе – по крайней мере 5 миллионов лет назад, то эти 99 из ста букв, которые одинаковые, они ведь касаются и той части текста, которые никакой белок не кодируют. То есть все 5 миллионов лет все это воспроизводится, все эти тексты, по крайней мере, раз в двадцать лет для человека, или покороче – для обезьяны. И тексты остались на 99 процентов одинаковыми за 5 миллионов лет переписывания, или даже за 15 миллионов лет, отделяющих нас от орангутанга, который тоже немного от нас отличается. Это поддерживается абсолютно стабильно, зачем-то это надо. Но почему текст надо поддерживать именно в таком виде, этого мы не знаем.
В.Б. Я думаю, если посмотреть на чуть более дальних родственников, не приматов, то там различия будут более значительные. Когда-то меня осенила мысль, которой я дорожу до сих пор. Мне казалось, что, проникнув в суть тайны ДНК, мы сможем провести классификацию всех организмов согласно, скажем, периодической системе, где каждый организм, каждый вид, по крайней мере, занял бы какую-то вполне определенную нишу. Только вопрос в том, что взять за единицу отсчета?
Н.Я. Во всяком случае инструмент для этого – структура ДНК. Она сейчас на экране появилась. Это обложка журнала, в котором опубликована знаменитая статья Уотсона и Крика, посвященная структуре ДНК, как они ее определили. Этой статье в этом году 50 лет. Это празднуется в очень многих местах мира, в том числе и в нашей стране. Собственно говоря, после этого начался путь к тому, чтобы понять, какая буква стоит в какой позиции текста. Буквы уже были известны до того, как они определили структуру, но когда появилась структура, это было начало того, чтобы определить расстановку букв. Это заняло 50 лет.
В.Б. Хотелось бы сказать, что совершенно непонятным остается, почему именно эти четыре буквы были взяты. Ведь у природы была масса других возможностей, а взяли только эти четыре буквы, и они идут совершенно красной линией от вирусов до человека, то есть единство всего живого не вызывает никакого сомнения.
Н.Я. Да, это поразительное вообще явление, как много общего до сих пор мы находим во всем живом. Эти тексты, которые были не только для человека определены, а также и для огромного количества бактерий. Мы разделяем текст на отрезки, на инструкции – гены. И мы можем сравнить эти гены, по крайней мере, переведя текст ДНК в текст белка, который более устойчив. Немножечко разные сочетания букв в ДНК могут соответствовать одному и тому же белку. Поэтому сравнивают белки, и оказывается, что мы видим по белкам сходство организмов, которые разошлись, скажем, 3 миллиарда лет назад – мы и бактерии. И это до сих пор видно в последовательности букв уже аминокислотного кода в белке.
Что же это за белки, которые являются общими у человека и у бактерий? Оказывается, что мы во многих случаях не знаем функций этих белков, и по ним пока не известны даже мутации, чтобы определить их функцию. А это белок, который 3 миллиарда лет остается у всех живых одинаковым – у нас, у бактерий, у растений. Поразительное обстоятельство – как природа до сих пор сохранила свое единство, видимое и сегодня. За 3 миллиарда лет – это расчетное время возникновения жизни по генетическим данным. Археологические данные показывают, что 2,7 миллиарда лет назад существовали, по-видимому, уже клеточные формы жизни. Земля существует 4,5 миллиарда лет, а примерно 3 миллиарда лет назад уже были клеточные формы.
На самом деле все, что предшествовало клеточной форме, требовало гораздо больше времени, с моей точки зрения, для того чтобы оно возникло. Ведь то, что составляет клетку – это клеточные циклы, которые взаимодействуют друг с другом. Они не существовали вместе, когда-то они жили отдельно. Правда, можно ли назвать это жизнью? Но мы до сих пор видим этот этап эволюции отпечатанным в генетическом тексте ныне живущих организмов. Поэтому генетический текст – это основа основ наших знаний о жизни.
В.Б. И действительно, возникновение клетки – это столь замечательное событие и столь непонятное сейчас. Мы совершенно не приблизились, расшифровав геном, к этому. Возможно, верна гипотеза панспермии – зарождения жизни вне Земли, и ее представленности в других местах во Вселенной, которая когда-то была выдвинута Сванте Арениусом, а потом поддержана Криком. Он тоже обратил на это внимание, это была его следующая гипотеза после гипотезы «двойной спирали ДНК». Гипотеза как будто предлагает решение, но оно просто отдаляет событие возникновения жизни в глубь времен, не описывая события и не указывая на ее причину.
А.Г. То есть, это скорее не решение, а вынос решения за скобки.
В.Б. Выносит за пределы Земли, по крайней мере.
А.Г. И все-таки, об этой программе поподробнее. Начали ее физики, если я не ошибаюсь?
Н.Я. Вообще программа родилась как следствие прекращения «холодной войны». Это действительно так. Средства, которые шли на военные разработки, быстро стали сворачиваться. И огромные массы очень высококвалифицированных людей, прежде всего в области создания инструментов исследования, решили предложить что-то новое для реализации своего огромного научного потенциала.
В Америке это был департамент энергетики – наш Средмаш, который отвечал за создание атомной и водородной бомбы. Лаборатория Лос-Аламос и Ливермор, отвечали за то, как влияет радиация на человека, что будет, если случится атомная война. Они сказали, что мы будем это знать лучше всего, если определим структуру генома человека и тогда поймем, на что действует радиация и что получится при облучении.
А.Г. Хитрые ребята…
Н.Я. Это всех устроило – и там, и здесь. Поднятый новый флаг был уверенно поддержан власть предержащими, эти программы были отфинансированы. И, кстати сказать, тогда, когда программа началась – в конце 80-х годов, она финансировалась и у нас на очень высоком уровне. Если в Америке первое финансирование было 30 миллионов долларов, то у нас это было 10 миллионов долларов. Замечу, что когда программа закончилась пару лет назад – у нас это было 300 тысяч долларов, а в Америке это было 300 миллионов долларов. Такое вот развитие событий…
Но действительно, тогда эта программа началась. Как определить структуру генома, тогда было совершенно не ясно, не было методов, не было инструментов. Знание принципиальной структуры не позволяло помыслить о том, какими методами можно взять такой объем, за какое время она будет сделана как химическая работа, как все это собрать и как со всем этим манипулировать, потому что тогда не было компьютеров, таких как сейчас.
А.Г. 3 миллиарда пар оснований…
Н.Я. Да, это число позиций для букв генетического текста. Это в общем как несколько шкафов с книгами, размещенными в каждой клетке нашего тела. А клеток-то у нас 10 в тринадцатой степени. То есть это все безумная по объему информация, с которой нужно работать. Кстати сказать, суммарная длина ДНК в одной клетке – примерно два метра. А во всех ваших клетках, если их вытянуть, эта длина в тысячи раз превышает расстояние до Солнца. Вы в каждый данный момент всем этим манипулируете, и не видно напряжения на вашем лице. Все это делает ваш организм. Вот этот текст нужно было определить.
В.Б. Но все-таки в данный момент, я думаю, нельзя не обратить внимания, что было одно принципиальное открытие. В 1975 году тогда уже лауреат Нобелевской премии Фрэд Сенгер предложил метод секвенирования ДНК, который можно автоматизировать, как сразу же стало понятно специалистам. И это действительно явилось решающей методической предпосылкой, которая говорила, что, в принципе, текст можно будет прочесть.
Н.Я. Да, здесь существенны и другие исследования, которые были в последующем отмечены нобелевскими премиями. Это размножение фрагмента ДНК в пробирке, и выделение этого фрагмента как химически чистого вещества. Метод называется полимеразная цепная реакция, сокращенно – ПЦР. Другой метод, отмеченный Нобелевской, это клонирование, метод рекомбинантных молекул ДНК. Все эти Нобелевские премии со временем стали процедурами лаборантского уровня, а потом и вовсе стали выполняться роботами. Современная схема определения последовательности нуклеотидов, секвенирование, подразумевает 15 минут труда оператора в сутки при машине, которая работает непрерывно. И эта машина выдает за несколько минут то, что, сделанное вручную, составляет кандидатскую диссертацию у нас в стране.
Геном человека был секвенирован международным консорциумом академических лабораторий и, независимо, в фирме «Селера». Она использовала все технологии, накопленные к тому времени, и наиболее компактно сделала эту работу по времени. Сиквенс был сделан за характерное время – девять месяцев, ну и еще десять дней. И стоило это «Селере» 200 миллионов долларов. Был сделан геном одного человека полностью, а еще четверых – частично. Теперь остались остальные три или сколько миллиардов людей, но, тем не менее, геном одного человека уже сделан целиком. Международный консорциум использовал для секвенирования ДНК от многих разных людей, а не от одного человека.
Воссозданный генетический текст, сиквенс генома человека, был представлен фирмой «Селера» в качестве результата собственных усилий, результата приоритетного. Но сама «Селера» признает, что использовала данные мирового сообщества. Воссозданный ею текст был получен на основе очень подробной работы, которую провело все мировое сообщество для того, чтобы разобраться в огромном количестве очень сходных фрагментов текстов, которые у каждого из нас есть. Ведь каждый ген от гена. И все эти тексты внутри каждого из нас производны один от другого. Тесты в разных участках генома часто сходны. Глубина этого сходства различна в разных местах. Воссоздание реальной последовательности нуклеотидов на протяжении всех трех миллиардов позиций – это очень сложная задача.
Просто «в лоб», определением структуры коротких отрезков и их прикладыванием друг к другу, нельзя сложить полный геном. Для этого нужно использовать многие дополнительные методы. Эти методы применяло мировое сообщество, данные были доступны «Селере», и фирма их использовала. Справедливости ради надо сказать, что фирма действительно выдала в пять раз больше «руды», чем все мировое сообщество. «Руда» – это те самые короткие отрезки генетического текста, меньше тысячи позиций, которые являются первичным материалом последующего воссоздания текста целиком. Но «Селера» не делала многих других этапов работы, которые гораздо более дороги и позволили все короткие отрезки текста расставить. Это была драматическая ситуация, когда один человек фактически – Вентер, руководитель «Селеры» – привлек внимание всего мира, и на него вылился почти весь успех от завершения проекта по секвенированию генома человека. Правда, у него было около 500 человек в фирме, кроме него. Кстати сказать, когда проект по секвенированию был завершен, он ушел с этой фирмы, и ее акции упали раз в десять по цене. Кстати сказать, данные «Селера» до сих пор недоступны мировому сообществу. Поэтому недавний лауреат Нобелевской премии, Коулсон, говорит, что можно считать, что и нет этих данных, потому что они не доступны. Что, действительно, правда.
Но, впрочем, мы на самом деле никак не перейдем к тому, зачем все это было нужно. А ведь кроме того, что нам интересно, конечно, исследовать природу за государственный счет…
А.Г. Что от этого нашему колхозу?…
Н.Я. Зачем-то все это было людям нужно. Сейчас на экране появилась картинка. Можно сказать, что в первую очередь это нужно для того, чтобы делать какие-то заключения о нашем здоровье или возможных проблемах со здоровьем, которые возникнут в будущем.
Здесь хочется упомянуть два типа наших болезней, связанных с генетической предрасположенностью. Одни болезни, так сказать, простые. Есть генетический текст, есть в нем одно повреждение. Оно будет приводить к болезни, и связь этого повреждения с болезнью стопроцентная. Таких болезней на сегодня известно примерно тысячи полторы. На этой картинке изображен ребенок, который уже выглядит как старик. Такая болезнь называется прогерия. Это один из примеров генетически «простых» болезней. Мы можем в этом случае посмотреть на элемент генетического текста и сказать что да, вот оно – повреждение. Еще до рождения. Даже до того, как зародыш имплантируется в матку. И, в общем, если ребенок будет обречен на смерть или тяжелейшую инвалидность, то такая информация дает возможность семье принять решение о непродолжении беременности. Это даже и не аборт в традиционном понимании, потому что еще не произошла имплантация. Эти все «простые» болезни теоретически могут быть выведены из круга проблем для человечества. Другое дело, нужно это делать или нет. Таких «простых» болезней меньше 10% во всем списке болезней человека. Среди новорожденных менее одного процента будут такими болезнями поражены, но общее число пораженных в мире составляет многие миллионы…
А есть ли практический успех в защите от таких болезней? Да, есть. Наиболее яркий, следующий пример. На Сардинии была очень широко распространена болезнь крови, которая называется бэта-талассемия. Человек от нее становится практически полным инвалидом и нередко гибнет ко времени полового созревания. На Сардинии за последние двадцать лет в двадцать пять раз сократилось частота рождения больных этой болезнью. Почему? Потому что врачи и биологи, зная ее механизм, информировали население о том, что они могут предсказать, что появится больной ребенок. Соответственно, можно принять решение о непродолжении беременности или сделать следующую попытку, что практически то же самое, чтобы появился ребенок здоровый. И люди стали принимать такое решение. В 25 раз частота упала. Я спросил у специалистов, почему остались пять процентов больных детей и сейчас? Ведь можно все предсказать. Они говорят да, пять процентов супружеских пар, зная, что у них родится больной ребенок, тем не менее, решают продолжать беременность. Это их право.
Искоренение бета-талассемии на Сардинии – это наглядный пример того, как болезнь, которая выключала множество семей из нормальной жизни, исчезла как наиболее частая медицинская проблема семьи и проблема данной территории. И это может быть сделано для большинства болезней такого «простого» генетического типа. Но, к сожалению, они составляют малую часть от всех болезней человека. А другая часть болезней – и они гораздо более распространенные – это те, для возникновения которых важны много специфических генов и много факторов внешней среды. Ведущий специалист в нашей стране в этой области – это Владислав Сергеевич Баранов. И он, наверное, споет эту песнь лучше, чем я.
А.Г. Запевайте.
В.Б. Я хотел бы сказать, что действительно, практически любая болезнь, которую Вы можете сразу вспомнить – и сердечно-сосудистые заболевания, и психические заболевания – все это болезни, связанные с действием целого ряда факторов. Это, как правило, результат действия патологии или изменений нескольких генов на фоне действия повреждающей среды. То есть, сочетания каких-то факторов внешней среды и генов дают такой эффект. На этой картинке изображено, что действительно будь то нормальная жизнь, будь то какое-то болезненное состояние, все равно в их формировании остаются две составляющие. Это геном, составляющий основу наследственности человека, и внешняя среда. Эти две составляющие действуют от самых ранних стадий развития – от первой оплодотворенной клетки, зиготы, когда начинается развитие индивидуума. И до его, так сказать, последней черты. Каждый наш признак это, по сути говоря, взаимодействие этих двух стихий. Значительное число болезней, конечно, связано именно с действием многих генов.
Н.Я. Вообще в этом печальном списке болезней, насколько я помню, около тридцати тысяч строк. В каждой строке стоит название какой-то болезни. Меньше пяти тысяч – это те, которые возникают по схеме – «один ген, одно повреждение и одна болезнь». А остальные все – это действие многих генов и плюс факторы внешней среды. Основные болезни среди причин смертности здесь – сердечно-сосудистые, потом раковые и ряд других болезней.
Но я хотел обратить внимание на ту картинку, которая сейчас показалась. Все это, правда, про болезни в их качестве естественных причин смертности. Но реальной «неестественной» причиной, как правило, в развитых странах, в США, например, по оценке, является то, что лекарства пациенту прописали не то или не так. Это 20 процентов всех смертей. И это, по существу, одна из ведущих причин смертности. Хотя причина очень гетерогенная, лекарств ведь куча разных.
Здесь с точки зрения генетики очень интересная оказалась ситуация. Люди, на которых данное лекарство оказывало побочный эффект, оказывались генетически довольно однородными. То есть, они все имели какую-то особенность в своей генетической информации, которая делала их уязвимыми для данного лекарства. Они были специфической уязвимой мишенью для действия именно данного лекарства. И вообще когда фирма создает какие-то лекарства, насколько оно эффективно? Фирма считает, что если оно действует на 30–40 процентов больных клинически одинаково, это хорошо. Почему? Потому что у них на самом деле могут быть повреждены разные этапы обмена веществ, каждый из которых необходим для здоровья. И если лекарство действует на этот этап, а у пациента поврежден другой этап, то принимать его вовсе не надо, ничего, кроме разве что плохого, пациенту от лекарства не будет. То есть, лекарство может быть эффективно лишь для 30–40 процентов пациентов с данной болезнью, это нормально. Но побочные эффекты от приема лекарства должны наблюдаться не чаще, чем у одного процента пациентов. Иначе пойдет слишком много судов и потерь экономических, и фирма заботится, чтобы этого не было. Поэтому столь тщательно выясняют, каковы побочные эффекты лекарства, как часто и у кого они наблюдаются. И выясняется, что пациенты с побочными эффектами от данного лекарства – это часто генетически однородная группа. Это должна в будущем медицина все предсказывать. Причем, предсказание можно будет сделать еще до рождения во многих случаях. С тем чтобы сказать: ага, тебе такое-то лекарство применять нельзя. Ты в рисковой группе относительно него.
А.Г. Генная аллергия получается.
В.Б. Это направление, которое называется фармакогенетика. И действительно по статистике около ста тысяч человек погибают ежегодно в мире из-за того, что не учитываются эти генетические способности.
Н.Я. Индивидуальные.
В.Б. Индивидуальные особенности. Отсюда, действительно, у фирм была большая заинтересованность в программе «Геном человека» именно в двух направлениях. В направлении выяснения особенностей этой индивидуальной чувствительности к фармпрепаратам. А, во-вторых, к разработке направленного действия лекарств.
И я хотел бы обратить внимание на этом слайде на то, каким образом, почему люди по-разному реагируют на разные препараты. И из чего, собственно, складывается большинство заболеваний? Оказывается, большинство процессов, практически все процессы, которые происходят в организме, не контролируются каким-то одним геном. Они контролируются какой-то группой взаимосвязанных генов. И эти группы уже получили название «генные сети». Такая генная сеть показана на верхнем рисунке.
Но когда мы посмотрим на отдельных индивидов, а на нижнем рисунке показаны отдельные индивиды, у которых протекает тот же самый процесс, то оказывается, что нормы реакции у всех индивидов по данному процессу различны. И здесь есть риск, что, скажем, когда переходится пороговая какая-то граница, индивидуумы с повышенной чувствительностью подпадают в группу людей, которые заболевают. А другие, их большинство, не заболевают, как вы видите. Но ведь внешние факторы могут меняться. И как раз показано, что в случае усиления прессингового действия внешних фактов даже те, которые в норме не должны были болеть, у них порог так снижается, что они становятся чувствительными и заболевают.
Вот эти генные сети сейчас привлекают серьезное внимание генетиков. Биоинформатика ими особенно интересуется. Если мы сейчас посмотрим на следующий слайд, то увидим, как сложно представляется генная сеть такого заболевания, как бронхиальная астма, которым поражено почти четыре процента населения. Здесь различные группы генов. Здесь и гены, которые отвечают за иммунный ответ, здесь и гены, которые отвечают за реакцию бронхов на различные воздействия, здесь, конечно, эндокринные факторы. Особый интерес вызывает означенная розовым цветом группа генов, которая привлекла наш интерес. Это так называемые гены метаболизма, раньше они еще назывались гены детоксикации или гены системы детоксикации. Потому что логично было предположить, что внешние факторы, особенно химические вредные факторы, которые поступают в организм, они на всех будут действовать по-разному в зависимости от того, прежде всего, как эффективно они разлагаются и выводятся из организма.
И в случае бронхиальной астмы действительно нам удалось впервые показать, что целая система этих генов определяет чувствительность. И это позволяет нам сейчас реально тестировать детей. Особенно в семьях, где уже есть больной ребенок. Тестировать, чтобы выявить тех еще не заболевших детей, которые имеют явную предрасположенность к этому заболеванию. Эта область чрезвычайно интересна и важна. Мы назвали эту область предиктивная или предсказательная медицина. То есть, выяснение предрасположенности человека к тому или иному заболеванию в зависимости от особенностей его генов.
Н.Я. Индивидуальные особенности, безусловно, важны, но, вообще говоря, для каждого нашего признака, болезнь – один из них, существует определенный процент вероятности его проявления. Это особенно четко видно при исследовании идентичных близнецов по сравнению их с парами неидентичных близнецов. Здесь, например, показано, что при таких признаках, как, скажем, шизофрения, около 80 процентов пар, если болен один из идентичных близнецов, то болен и другой.