Время генома. Как генетические технологии меняют наш мир и что это значит для нас - Джон Луома

«Мы и подумать не могли о криминальной идентификации», – сказал Джеффрис в своем интервью журналу Investigative Genetics в 2013 г.{86} Джеффрис утверждал, что открытие было вызвано только «научным любопытством». Они очень хотели найти «гораздо более информативные генетические маркеры», чем любые из ранее известных.

Неожиданное открытие произошло в одно сентябрьское утро примерно в 9 часов. Джеффрис только что получил рентгеновский снимок радиоактивно помеченных фрагментов ДНК членов нескольких семей. Сотрудники лаборатории взяли образцы крови и с помощью биохимии отделили геномную ДНК от других веществ. Затем использовали специальные ферменты – рестриктазы, которые выделяют из бактерий. Эти ферменты распознают и отрезают определенные последовательности ДНК. Рестриктазы появились у бактерий в процессе эволюции, чтобы вырезать ДНК вирусов, называемых бактериофагами, которые узнаются по определенным последовательностям ДНК. Но Джеффрис знал, что эти же самые ферменты могут и в ДНК человека распознавать и вырезать фрагменты с такими же, обычно палиндромными, последовательностями, например фрагмент ГААТТЦ.

Джеффрис вырезал кусочки ДНК, которые, казалось, не имели важного биологического значения: в этих последовательностях не были закодированы какие-либо инструкции. Специалисты в области вычислительной биологии, которые изучают генетические последовательности, считают эти бессмысленные фрагменты «мусором». Такой «мусор» сильно засоряет анализ уникальных нуклеотидных последовательностей, от которых фактически зависят биологические признаки. Фрагменты, называемые «сателлитной ДНК», вставлены между кодирующими последовательностями, как пустыни между оазисами, – однообразные повторяющиеся участки, которые должны удаляться при сканировании генома. В большинстве исследований эти элементы не рассматривают и удаляют после работы, как будто после ужина выбрасывают мусор.

Но старая пословица гласит: «Что для одного мусор, то для другого сокровище». Среди многочисленного хромосомного мусора встречаются миллионы коротких фрагментов некодирующей ДНК: те самые сателлиты и их младшие родственники – мини- или микросателлиты. У мини-сателлитов повторяющиеся фрагменты длиннее, чем у микросателлитов, но и те и другие могут образовывать сотни и тысячи повторений на нити ДНК.

В процессе копирования генома, когда образовываются предшественники сперматозоидов и яйцеклеток, в ДНК вносятся изменения из-за потери фрагментов, замены или добавления новых. В мусорной ДНК может увеличиваться или уменьшаться количество повторов. Такие же случайные ошибки происходят и в неповторяющихся фрагментах, не отвечающих за жизненно важные процессы (например, за синтез нужных белков). У каждого ребенка среди таких повторяющихся сателлитов есть несколько, отличающихся от родительских. Поскольку большинство таких ошибок никак не влияет ни на предрасположенности к различным болезням, ни на основные признаки, такие как рост или интеллект, и, следовательно, не уменьшают шансы человека на выживание и размножение, они сохраняются и могут быть переданы будущим поколениям. Суть в том, что у каждого из нас есть множество некодирующих фрагментов, таких же, как у родителей и других родственников, но при этом имеется и несколько уникальных сателлитных последовательностей.

Поскольку в сателлитных ДНК разное количество нуклеотидов, они по-разному весят, и их легко отделить друг от друга. Они и оказались самородками, закопанными в мусоре, и Джеффрис извлек из них большую пользу для генетического картирования и криминалистической идентификации.

Джеффрис разделял ДНК с помощью электрического тока. Этот процесс называется электрофорез. При этом нарезанные рестриктазой фрагменты ДНК меньшего размера быстрее движутся к одному краю гелевой пластинки, в то время как более крупные фрагменты остаются на другой стороне.

Затем в лаборатории Джеффриса использовали различные последовательности сателлитной ДНК в качестве зондов, помеченных радиоактивным фосфатом, чтобы можно было определить местоположение пятна. ДНК каждого человека двигалась по своей отдельной полосе, каждый радиоактивный фрагмент находил комплементарный ему участок, так что содержащие радиоактивную метку ГАТЦ связывались с соответствующими им ЦТАГ. На рентгеновской пленке радиоактивные участки выглядели как черные размытые параллельные полосы там, куда продвинулись различные фрагменты ДНК, так что снимок был похож на старинный валик механического пианино или перфокарту компьютеров прошлого века.

«Я думаю, что до меня около минуты доходило, что мы получили на том первом рентгеновском снимке… Вся моя жизнь в корне поменялась за эти 60 секунд», – говорит Джеффрис.

Джеффрис почти сразу понял, что распределение пятен на рентгеновской пленке было уникальным для каждого человека, причем среди родственников различия были меньше. Это стало первым доказательством того, что по ДНК можно определить, кому она принадлежит и на чью похожа.

Сегодня это кажется очевидным, но тогда было абсолютно неожиданным. Джеффрис вспоминает, как он удивился, когда внезапно понял, что его открытие можно использовать для определения отцовства, а биологам оно поможет изучать биологическое разнообразие. И еще он понял, что это окажется потрясающим инструментом для криминалистов.

По воспоминаниям Джеффриса, он так же быстро сообразил, что наука очень мало знает о том, как ДНК сохраняется, скажем, в капле крови. Поэтому всю вторую половину дня он провел прокалывая свой палец и оставляя капли крови по всей лаборатории, чтобы посмотреть, что произойдет через некоторое время, когда кровь высохнет.

Уже поздним вечером, когда он взволнованно рассказал своей жене Сью о новом открытии, она сразу предложила использовать технологию в совершенно другой области: в иммиграционных вопросах, когда власти сомневаются или оспаривают заявленные семейные отношения. И действительно, в скором времени решение именно такого вопроса стало первым практическим применением генетической дактилоскопии.

Однако коллеги не разделяли его уверенность. Через несколько недель после того, как было сделано открытие, он рассказал о нем коллегам в неформальной беседе во время обеденного перерыва в университете: