Читать книгу Код людства. Дивовижна історія наших генів - Едвін Кірк - Страница 4

Переді мною стояли дві напівповні чарки. Гарно сервіровані на маленькій дерев’яній таці, одразу за десертною ложечкою. Кожен за тим столом мав перед собою таку саму тацю. Мій келих з аперитивом був іще напівповний, і я не поспішав братися до чарок, але, з іншого боку, у повітрі панувала святкова атмосфера, і це було трохи спокусливо.

Як добре, що ні я, і ніхто інший у великій, заповненій людьми бальній залі готелю не піддалися спокусі. Бо якби хтось із гостей отруївся, вечеря з приводу чудового ювілею – 50-річчя відкриття подвійної спіральної структури ДНК – була б зіпсована.

Ця ДНК-вечеря стала головною подією 19-го Міжнародного конгресу генетики, який відбувся в Мельбурні, в Австралії, 2003 року. Її організатори – люди, відкриті до нових ідей і без страху перед наслідками, тому ніч вийшла справді пам’ятна, хоча й трохи небезпечна. Як і можна було передбачити, стіни прикрашали величезні спіралі з повітряних кульок. Щоправда, трохи несподівано вони були не подвійними, а потрійними[10] – певно, подвійна спіраль із кульок здалася комусь з організаторів затонкою. Френсіс Коллінз, очільник проєкту «Геном людини», грав на гітарі та співав «Happy birthday to you»… геному людини.

А ще була отрута.

Щиро кажучи, якщо забути про потенційну шкоду, то була блискуча ідея. В одній із чарок містився майже готовий екстракт ДНК із рослини. У другій була решта хімічних сполук, необхідних, щоб довершити екстракцію. На початку вечора (мабуть, саме вчасно) тамада сказав нам злити разом вміст обох стопок – і на наших очах проявилася ДНК. То була вона – магічна субстанція, що звела нас усіх разом.

Ви й самі можете виділити ДНК, користуючись побутовими речовинами (тільки одна з них отруйна). Мені казали, що книги рецептів добре продаються, що ж, тоді ось вам рецепт.

Інгредієнти:

• Кілька ягід полуниці (вистачить двох чи трьох залежно від розміру)

• Вода

• Сіль

• Рідина для миття посуду

• Технічний спирт (ізопропіловий спирт); можна замінити денатурованим або медичним спиртом

Приготування:

1. Додайте чайну ложку солі до половини чашки теплої води й розмішуйте до розчинення.

2. Додайте до солоної води дві чайні ложки розчину для миття посуду. Обережно розмішайте (піна вам не потрібна).

3. Покладіть полуниці в пакет для бутербродів із застібкою-слайдером. Руками ретельно розчавіть полуниці всередині пакета.

4. Налийте в пакет із полуницями солону мильну воду.

5. Добре перемішайте. Робіть це обережно, уникаючи спінювання суміші.

6. За допомогою фільтра для кави процідіть суміш із пакета до склянки. Переконайтеся, що в склянку профільтрувалася достатня кількість рідини. Краще не використовувати вузькі високі склянки на цьому етапі, бо це ускладнить процес наприкінці.

7. Обережно по стінці склянки влийте технічний спирт у пропорції приблизно 1:1 до обсягу рідини з полуниці. Спирт утворить зверху шар.

8. Тепер це отруйно. Не пити!

9. Залиште постояти, почекайте. ДНК спливе в шарі спирту білою в’язкою масою.

Тепер ви можете, якщо хочете, узяти дерев’яну паличку й виловити ДНК зі склянки. Вона має цікаві властивості. Потицяйте нею кілька разів об стінку склянки – згусток на кінці шпажки зменшиться. Досить обережно підніміть його, і, ймовірно, у вас вийде витягнути з поверхні тонку довгу нитку. ДНК в’язка й може бути щільно або слабко скручена. Коли вона зсідається, то вільно закручена ДНК скручується щільніше, злипається сама із собою. Нитка ДНК, яку ви можете витягти з поверхні рідини – це кілька окремих ланцюгів, що злиплися разом.

Я наполегливо рекомендую вам зробити це. Усвідомлювати, що тримаєш у руках субстанцію життя, – велика насолода. Навіть якщо виглядом і консистенцією вона скидається на шмарклі[11].

Френсіс Коллінз був у центрі уваги на ДНК-вечері не тому, що грав на гітарі й співав (хоча робив це добре), а через свою посаду керівника проєкту «Геном людини». За три роки до того, 26 червня 2000 року, у Білому домі відбувалася церемонія з нагоди оголошення про секвенування людського геному. Приймав цю подію президент Білл Клінтон, а британський прем’єр-міністр Тоні Блер приєднався через супутниковий зв’язок. Коллінз із державним проєктом «Геном людини» розділили того вечора славу з приватною компанією «Celera». Завдяки зусиллям директора «Celera» Креґа Вентера секвенування геному людини перетворилося на перегони, які закінчилися продуктивною нічиєю державного й приватного проєктів.

Хтось скаже, що церемонія була передчасною, бо залишалося ще стільки прогалин у послідовності – не менше 150 тисяч – і щонайменше 10 % послідовності бракувало. Насправді було ще й друге оголошення, 14 квітня 2003 року, про те, що проєкт дійсно завершився, але й тоді лишалися прогалини. До 2004 ситуація значно поліпшилася, але залишалася ще 341 прогалина… і навіть сьогодні роботу ще не зовсім закінчено.

Однак на момент першого оголошення, 2000 року, був хороший робочий чорновий варіант – і заради справедливості слід зауважити, що саме про це й оголосили – попереднє завершення секвенування. Більшість дослідників майже завжди мали доступ до цих даних і шукали там, сподіваючись знайти детальну інформацію саме про ту ділянку, яка їх цікавила. Це був захопливий період, але для тих із нас, хто працював у клінічній медицині, було ще не зовсім зрозуміло, для чого ми зможемо використовувати секвенування.

Якось наприкінці 2001 року на наше лікарняне відділення прийшла посилка, якій судилося підтвердити це нерозуміння. То був компакт-диск із людським геномом, який безплатно надіслала нам компанія «Celera». Радісно збуджені, ми відкрили його, вставили в комп’ютер і почали вивчати зміст. І швидко зупинилися. Ми не уявляли, як тлумачити цю інформацію і як пов’язати її з нашими пацієнтами. Знадобиться понад десять років, перш ніж використання даних геному стане звичайною практикою в роботі генетиків у клініках та діагностичних лабораторіях. Нині я по кілька разів на тиждень зазираю в навігатор геному Університету Каліфорнії в Санта-Круз (UCSC). Без цього я не зміг би працювати.

Отже, що таке геном? Що саме я проглядаю в навігаторі UCSC?[12]

Ота біла драглиста речовина, яку ви видобули з полуниць, складається із чотирьох різних хімічних будівельних блоків: аденіну, цитозину, гуаніну й тиміну. Початкові букви їхніх англійських назв – A, C, G і T, і називаються вони азотистими основами, або основами. Людський геном складається з приблизно трьох мільярдів азотистих основ. Вони переважно існують у парах, тому що звичайний стан ДНК – подвійна спіраль. Подвійна спіраль складається з двох окремих ланцюгів, які доповнюють один одного. A одного ланцюга приєднується до T другого, а C одного – до G другого так, що подвійна спіраль має отакий вигляд:

Дві нитки йдуть у протилежних напрямках – у ДНК є напрямок, пов’язаний зі способом її копіювання і зчитування в синтезі білків. Тому парний ланцюг до «GATTACA» прочитається клітинною мовою як «TGTAATC», а не «CTAATGT».

Три мільярди основ ДНК – це багацько. Заради наочності ось вам шматок людського генетичного коду:

Це одна з моїх улюблених ділянок геному – частина гену TBX20, який відіграв головну роль у моїй докторській дисертації. Якщо надрукувати з такою самою щільністю весь геном людини, на це піде 781250 аркушів паперу формату А4 (односторонніх). Якщо кожен аркуш завтовшки 0,1 мм, то весь стос паперу буде заввишки трохи більше 78 метрів – це посередині між висотою Сіднейського оперного театру й статуї Свободи. Без ключа, звичайно, це були б просто штабелі безглуздих літер. А з ключем цей стос паперу містить незліченні наукові багатства.

Що ж таке цей ключ? І що є в геномі? Правильніше говорити не про один ключ, а про цілу зв’язку. ДНК розповідає багато історій, якщо ви здатні їх прочитати.

Як ви бачили в попередньому розділі, ми маємо пари хромосом[13] – пари, бо половину нашої генетичної інформації отримуємо від мами, а половину – від тата. А ми, своєю чергою, передаємо половину кожній своїй дитині. Отож одна копія хромосоми 1 від мами, друга – від тата, і так далі. Хромосома 1 найбільша. Вона складається приблизно із чверті мільярда основ і містить 2000 генів. Найменша, хромосома 21, має менше 50 мільйонів основ і містить лише пару сотень генів. Невдатна Y-хромосома трохи довша за 21-шу, але вміщує лише близько 50 генів.

Трохи ДНК є також поза межами ядра клітини: ми маємо другий геном, маленький (усього 16569 основ і 37 генів). Він живе в так званих мітохондріях – детальніше про них поговоримо пізніше.

Про гени ви, без сумніву, чули, бо це найвідоміша річ у геномі. Як я пояснював, їхня робота полягає в тому, щоб слугувати інструкціями клітинам, як робити білки, а ті, своєю чергою, виконують багато складних завдань, які треба робити клітині, щоб підтримувати життя і приносити щось корисне нашому тілу. Частка генів, яка транслюється у вироблення білків, становить лише 1–2 % всього геному.

Лишається доволі багато суперечностей щодо того, яка частина решти геному щось насправді робить. Деякі з негенних частин, безумовно, корисні й важливі. Наприклад, центромера, розташована на «талії» хромосоми, відіграє першорядну роль у тому, щоб копії хромосом ішли куди треба, коли клітина ділиться. Порушення порядку в цьому процесі тягне за собою важкі наслідки. На кінцях хромосом є структури під назвою «теломери», які створюють захисний ковпачок. Може, ви чули пісеньку Бернарда Бресслоу про пальці:

Хромосоми наче й не носять шкарпеток, але, як і з нашими ногами, погано, якщо вони зношуються на кінцях. Коли ми старішаємо, теломери й самі потроху стираються, поступово скорочуючись із кожним наступним діленням клітини. Часто в процесі розвитку ракових пухлин вони стають значно коротшими, ніж мали б бути, або зовсім зникають, залишаючи кінці хромосом незахищеними й вразливими до пошкоджень. Парадоксально, але згодом відбувається відновлення теломер: коли клітини трансформуються в злоякісні, їхні хромосоми знову набувають міцні теломери. Вони частина того, що робить ракову клітину «безсмертною».

Хоча частка генів, що кодують білки, становить лише 1–2 % геному, гени розподілені приблизно по чверті геному. Це пояснюється тим, що більшість генів є сумішшю двох типів послідовностей – інтронів та екзонів. Екзони кодують білки, тобто їхня послідовність визначає, які амінокислоти включати в білок, а також коли починати й зупинятися. Натомість інтрони нічого не кодують, і, хоча вони, без сумніву, таки для чогось призначені, ми досі маємо досить обмежене розуміння, для чого[14]. Інтрони можуть бути справді величезними – в багато тисяч основ завдовжки. Іноді вони такі великі, що всередині інтрона одного гена вистачає місця для цілого іншого гена: як правило, спрямованого у зворотному напрямку, на іншому ланцюзі ДНК. Подвійна спіраль – це вулиця з двостороннім рухом.

У наведеному раніше шматку TBX20 ви можете бачити екзони й інтрони. Жирним виділені екзони; ділянки між ними – інтрони. Ви можете прочитати навіть деякі інструкції з функціонування геному, записані просто тут, у послідовності ДНК. На початку кожного інтрона є дві основи GT; на кінці – AG. Разом GT і AG утворюють основну частину повідомлення для клітинного виробництва: «Тут інтрон. Непотрібний для білків – будь ласка, виріжте»[15].

Яка частка геному людини дійсно щось робить? Що ж, ми досі цього не знаємо. У вересні 2012 року в рамках проєкту «ENCODE», який спирався на результати проєкту «Геном людини», одночасно вийшли 30 наукових публікацій. Залучення до співпраці такої кількості вчених так, що 30 підсумкових публікацій вийшли одночасно, справило, мабуть, не менше враження, ніж зміст самих публікацій. Консорціум «ENCODE» заявив, що вони знайшли функції 80 % геному. Більшість його начебто керує діяльністю інших ділянок – доволі бюрократичне бачення клітинної біології. Тоді було багато критики цього твердження, і дискусія триває. Нещодавно вийшла стаття, у якій стверджується, наче тільки 8 % геному насправді функціональні. Чималий розрив. Я не знаю правильної відповіді, але сумніваюся, що це лише 8 % чи аж 80 %.

Величезна частка геному скидається на генетичний брухт – гени та інші елементи, які втратили в процесі еволюції свої функції. Наприклад, є купа генів нюхових рецепторів, вони пошкоджені й нічого не роблять – на попередніх етапах еволюції нашим пращурам потрібний був гострий нюх, щоб вижити, але вже довгий час ми непогано справляємося з доволі слабеньким нюхом. Тому, коли ці гени зазнали мутацій, це не створило проблем, і пошкоджені гени просто передалися майбутнім поколінням. Ви успадкували від батьків сотні поламаних генів і, своєю чергою, передасте їх далі – або вже передали – точно скопійовані й так само ні до чого непридатні.

Є також багато повторюваних ділянок, не надто потрібних, як здається. Іноді віруси копіюють себе в ДНК клітини-хазяїна, і є чимало ділянок, які дуже скидаються на старі вірусні послідовності, розкидані там і сям. Є шматки ДНК, скопійовані в процесі так званої дуплікації генів. Якщо існують запасні примірники чогось, можна не боятися, що один із них втратить працездатність, отож ви часто отримуєте дві версії генів – одну працездатну, а іншу – ні, псевдоген. А ще є шматки ДНК, які, здається, завдячують своїм існуванням лише прагненню ДНК копіюватися: довгі-довгі ланцюги послідовностей, які мало що кажуть (ATATATATATATATATAT…).

Здебільшого це нас не надто турбує. Немає очевидного тиску на геном людини для підвищення його ефективності або, коли й є, його переважає тенденція ДНК до самокопіювання та різні механізми, що вносять нові шматочки ДНК у послідовність. Є безліч інших організмів, які прекрасно справляються зі значно більшими геномами, ніж наш, і з пропорційно ще більшою часткою ледачої ДНК. Існує амеба Polychaos dubium, яка начебто має геном, у 200 разів більший за наш. Геном звичайнісінької цибулі в п’ять разів більший за наш, а втім, урешті-решт, саме ви найімовірніше з’їсте цибулю (або виділите її ДНК), а не навпаки. З іншого боку, геном риби фугу приблизно у вісім разів менший за наш… а фугу явно складніша за цибулю.

Проте роздутий геном може бути надмірною розкішшю, принаймні у важкі часи. Є така рослина – теосинте, яку вважають предком кукурудзи. 2017 року вийшла стаття, де порівнювали геноми різних видів теосинте, що ростуть на різних висотах. У багатьох рослин геноми величезні, але в теосинте принаймні що вище, то менший геном. Живучи у важких умовах, високо в горах, ви не можете дозволити собі марнувати енергію на копіювання ДНК, якщо вона не виконує для вас важливої роботи.

Можна собі уявити, буцімто геном людини насправді ідеально точного розміру й усе в ньому відіграє важливу роль. Але навряд чи. Імовірніше, людський геном дійсно містить чимало справжнього ДНК-сміття.

Це не означає, що в геномі людини немає нічого цікавого й захопливого. Коли я починав працювати в генетиці, ми тоді впевнено доводили людям, що геном людини містить близько 100 тисяч генів, адже ми такі особливі, надзвичайні істоти, тож генів має бути багато, еге ж? Потім це число почало зменшуватись і зменшуватись… і зменшуватись. На момент завершення проєкту «Геном людини» їх нараховували хіба трохи більше за 20 тисяч. Частково це пояснюється тим, що наші гени мають доволі складну структуру й величезна їх кількість виконує більше ніж одну функцію. Іноді це означає виконання подібної роботи, лише трохи інакше, як, наприклад, м’язовий протеїн, який формується дещо по-іншому залежно від того, де він працює – у звичайному м’язі чи в серцевому. Але в деяких випадках той самий білок може бути використаний для зовсім іншої роботи. Це називається «багатозадачністю» (moonlighting). Наприклад, є білок-фермент – каталізатор хімічних реакцій, який також відіграє важливу роль у забезпеченні прозорості кришталика.

Але щось схоже можна сказати про геноми багатьох інших організмів, і цілковито все те саме – про геном шимпанзе. Шимпанзе, особливо бонобо (або карликові шимпанзе), такі близькі до нас генетично, що якийсь марсіанин, мабуть, розглядав би нас просто як різновиди однієї тварини. Ми ближчі до шимпанзе, ніж африканський слон – до азійського, тому не варто дорікати прибульцеві за цей конфуз.

Як ми все це знаємо? Завдяки проєкту «Геном людини».

Він замислювався як надзвичайно амбітний проєкт. На той момент лише маленька частка геному була секвенована. Те, що ми мали, було таким собі начерком – картою насправді. Ми часто чуємо вислів «картування геному», і це справді був перший крок. Але тепер ми вже не картуємо геноми, бо роботу зроблено – так само, як вам не доводиться робити повну карту чийогось району, щоб знайти потрібний будинок. Генетична карта не схожа на карту вулиці, бо має тільки один вимір, а не два – вона про те, що де лежить уздовж ланцюга ДНК, з якого формуються хромосоми. Щоб зробити таку карту, вам потрібні серії маркерів – генетичних дороговказів – з відомими зв’язками між ними. Ці дороговкази складаються зі шматків ДНК, які можна однозначно ідентифікувати тим чи іншим способом. Нехай у нас є три такі маркери: А, Б і В. Якщо ми зробимо генетичну мапу, яка включає А, Б і В, вона міститиме – щонайменше – інформацію про те, що вони розміщені в хромосомі саме в цьому порядку: А-Б-В замість А-В-Б чи якогось іншого. Удосконалений варіант карти покаже, що А, Б і В усі містяться в хромосомі 1, а не в якійсь іншій. А найкорисніший тип карти скаже нам також, як далеко вони розкидані один від одного.

Найперші такі карти зробили на початку XX століття для плодових мушок. До 1922 року картували гени 50 різних характеристик для чотирьох мушиних хромосом. Усе це були фізичні відмінності мушок, які дослідники могли спостерігати безпосередньо. Мух обстежували за різними характеристиками й спарювали з іншими, також ретельно вивченими, а далі досліджували їхнє потомство. Це була важка, копітка робота, але вона навчила нас багатьох фундаментальних речей про генетику й дала інструменти, якими генетики користувалися все ХХ століття і які були вкрай важливими для успіху проєкту «Геном людини».