ДНК. История генетической революции - Джеймс Д. Уотсон

Вот как выглядит фрагмент нашего генома: основные элементы небольшой человеческой хромосомы № 20

Двумя годами ранее состоялось крупномасштабное состязание за расшифровку первого бактериального генома; победу в Institute for Genomic Research праздновала команда, во главе которой стояли Хамилтон Смит, Крейг Вентер и его супруга Клэр Фрейзер. Они отсеквенировали геном бактерии Haemophilus influenzae, той самой, с которой еще двадцать лет назад работал Смит и, соответственно, мог предоставить для этой работы высококачественные библиотеки клонированной ДНК. Мы ведь все помним Смита, этого высоченного шестифутового математика, переметнувшегося в медицинский вуз. Из Haemophilus influenzae он впервые извлек ферменты-рестриктазы, нужные для нарезки ДНК; за это достижение в 1978 году он был удостоен Нобелевской премии по физиологии и медицине. Вентер и Фрейзер работали с ДНК Haemophilus, подготовленной Смитом, используя полногеномный метод дробовика, а именно фрагментации генома на тысячи осколков ДНК, а затем, после обнаружения конкретных перекрывающихся последовательностей, они проводили реконструирование генома по последовательности отдельных фрагментов. Поскольку Вентер давно искал подходящий геном, чтобы попробовать метод дробовика для секвенирования целого генома, то он очень гордился возможностями, которые открывал метод секвенирования H. influenzae. Был еще интересный момент: у H. influenzae был сходный состав по соотношению оснований Г/Ц с ДНК человека. Наконец у Вентера появлялась реальная возможность секвенировать геном свободноживущего организма. Им предстояло отсеквенировать 1,8 миллиона пар оснований. Уже на этапе документирования первых результатов расшифровки генома команда Вентера стала понимать, за какую адову работу они взялись и что им предстоит при секвенировании более крупных геномов. Если напечатать все А, Г, Ц и Т из генома Haemophilus на бумаге формата этой книги, то получится 4000-страничный том. Для каждого из 1727 генов Haemophilus потребовалось бы в среднем по две страницы. Что касается функций этих генов, их удалось однозначно определить лишь для 55 % генома. Например, в процессах энергообеспечения участвуют 112 генов, а на репликацию, починку и рекомбинацию ДНК их требуется минимум 87. Анализируя последовательности, можно предположить, что оставшиеся 45 % генов также функциональны, хотя их функционал не вполне понятен.

По бактериальным меркам геном Haemophilus довольно мал. Мы уже знаем, что размер бактериального генома коррелирует с тем, в насколько разнообразных экосистемах может очутиться тот или иной штамм. Haemophilus относится к тем бактериям, местообитанием которых является единственная и, главное, однородная среда – скажем, кишечник другого живого существа – они вполне обходятся относительно небольшим геномом. Но бактерия, желающая пообщаться с внешним миром, должна быть приспособлена к более разнообразным условиям и уметь на них реагировать. Гибкость таких реакций обычно зависит от того, располагает ли бактерия альтернативными наборами генов; каждый набор заточен под конкретные условия и оперативно включается, как только они наступят.

Не менее интересный организм – Pseudomonas aeruginosa, бактерия, вызывающая у человека серьезные инфекции, крайне опасная для пациентов с муковисцидозом, – обитает в самых разных экосистемах. В главе 5 обсуждалось, как генетически модифицированная форма Pseudomonas aeruginosa стала первым запатентованным живым организмом; интересно, что эта форма была приспособлена к жизни в нефтяных пятнах, среде, даже отдаленно не напоминающей человеческие легкие, где обитает обычная Pseudomonas. В геноме P. aeruginosa 6,4 миллиона пар оснований и примерно 5770 генов. Около 7 % этих генов кодируют факторы транскрипции, то есть белки, включающие и выключающие гены. Возвращаясь к E. coli, добавлю: «репрессор» E. coli, существование которого предсказали в начале 1960-х годов Жак Моно и Франсуа Жакоб (см. главу 3), – именно такой фактор транскрипции. Представлялось важным разбить ДНК на фрагменты определенного размера таким образом, чтобы при случайной выборке из миллионов фрагментов лишь от 20 до 30 тысяч из них статистически представляли собой всю ДНК генома. Вентер продемонстрировал, как мы облегчили процесс сборки генома, применив метод секвенирования спаренных концов к обоим концам каждого фрагмента.

Круг жизни. Карта генома Haemophilus influenzae: 1727 генов в 1,8 миллиона пар оснований

TIGR не остановилась только на изучении Haemophilus. В 1995 году в сотрудничестве с Клайдом Хатчисоном из Университета Северной Каролины в рамках проекта «Минимальный геном» был отсеквенирован геном M. genitalium – представителя микрофлоры мочеполового тракта, который стал подходящим кандидатом из-за своих особенностей. M. genitalium обладает самым маленьким геномом среди свободноживущих организмов: в нем около 580 тысяч пар оснований. Геномы вирусов, конечно, еще меньше, но вирусы представляют собой сложные химические структуры, принадлежат облигатным симбионтам – не способным к автономному существованию организмам. Оказалось, что в относительно короткой последовательности M. genitalium насчитывается 517 генов, из которых 482 кодируют белки, плюс несколько десятков генов, кодирующих РНК. Полный объем генома составляет 580 тысяч нуклеотидных пар. Естественно, возник вопрос: какие из генов являются жизненно важными? Вернер предпринял попытки, пытаясь приблизительно очертить минимальное количество генов, при котором организм продолжает оставаться жизнеспособным. Начались эксперименты, в ходе которых гены M. genitalium поочередно выключались, чтобы проверить, какие из них абсолютно необходимы для жизни, а какие – нет. Анализируя расположение транспозонов в секвенированных геномах, удалось установить, что жизненно необходимыми для организма являются от 265 до 350 генов. В 2006 году группа Вентера сообщила, что у генно-модифицированной бактерии можно отключить 100 генов и это не приведет к фатальным последствиям для жизнеспособности; таким образом, «минимальный геном» стал включать 382 гена. Признаться, этот «минимум» слегка надуман, поскольку микроорганизмы с выключенными генами находились в идеальной питательной среде, где имелись все вещества, необходимые для их жизнеобеспечения. Ситуация с микроорганизмами до смешного похожа на ту, при которой мы объявляем: «почки не являются жизненно необходимым органом, ведь пациент вполне просуществует на аппарате для гемодиализа».

На решение задачи создания синтеза живого организма с нуля путем объединения отдельных очищенных компонентов, так называемой лабораторной микоплазмы, Вентер потратил более десяти лет. Учитывая, что у Mycoplasma 482 белка и молекулы некоторых из них содержатся в клетке в огромном количестве, а другие единичны, задача создания столь невероятно сложной системы казалась мне почти безнадежной. Я, к примеру, с трудом улавливаю сюжет сериала «Игра престолов», где есть всего четверо или пятеро главных персонажей, от лица которых излагаются сюжетные линии; мысль о том, чтобы частично заблокировать сложные взаимодействия между жизненно важными элементами в клетке, буквально взрывает мозг. Ведь живая клетка – это не аккуратная миниатюрная машинка; скорее, это, по образному выражению Сиднея Бреннера, «молекулярный серпентарий».