С самого начала определимся, что мы здесь будем подразумевать под словом геном. Сам этот термин впервые был предложен в 1920 году немецким генетиком Г. Винклером. Тогда уже существовал другой научный термин — генотип, введенный в арсенал генетиков В. Иогансеном еще в 1909 году, под которым подразумевалась совокупность всех наследственных задатков данной конкретной клетки или данного конкретного организма. Впоследствии Иогансен сам с удивлением говорил, что его «словечко» неожиданно материализовалось в возникшей позднее хромосомной теории Т. Моргана. Но вот появился новый термин — геном. В отличие от генотипа этот термин должен был стать характеристикой целого вида организмов, а не конкретной особи. И это стало новым этапом в развитии генетики.

В биологическом словаре понятие геном определяется как совокупность генов, характерных для гаплоидного (одинарного) набора хромосом данного вида организмов. Такая формулировка звучит не совсем понятно для неспециалиста, а главное, она неточна в современном понимании этого слова. Основу генома составляет молекула дезоксирибонуклеиновой кислоты, хорошо известная в сокращенном виде как ДНК. Ведь все геномы (ДНК) содержат по крайней мере два вида информации: кодированная информация о структуре молекул-посредников (так называемых РНК) и белка (эта информация содержится в генах), а также инструкции, которые определяют время и место проявления этой информации при развитии и дальнейшей жизнедеятельности организма (эта информация в основном расположена в межгенных участках, хотя частично и в самих генах). Сами гены занимают очень небольшую часть генома, но при этом составляют его основу. Информация, записанная в генах, — это своего рода «инструкция» для изготовления белков, главных строительных кирпичиков нашего тела. «На плечах» генов лежит огромная ответственность за то, как будет выглядеть и работать каждая клетка и организм в целом. Они управляют нашей жизнью от момента зачатия до самого последнего вздоха, без них не функционирует ни один орган, не течет кровь, не бьется сердце, не работают печень и мозг.

Однако для полной характеристики генома недостаточно заложенной в нем информации о структуре белков. Нужны еще данные об элементах генетического аппарата, которые принимают участие в работе (экспрессии) генов, регулируют их проявление на разных этапах развития и в разных жизненных ситуациях.

Но даже и этого мало для полного определения генома. Ведь в геноме присутствуют также элементы, способствующие его самовоспроизведению (репликации), компактной упаковке ДНК в ядре и еще какие-то непонятные пока еще участки, иногда называемые «эгоистичными» (то есть как бы служащими только для самих себя). По всем этим причинам сегодня, когда речь идет о геноме, обычно имеют в виду всю совокупность последовательностей ДНК, представленных в хромосомах ядер клеток определенного вида организмов, включая, конечно, и гены. В этой книге мы будем подразумевать именно такое определение. Вместе с тем следует помнить, что в некоторых других структурах (органеллах) клетки также присутствует генетическая информация, необходимая для функционирования организмов. В частности, у всех животных организмов, в том числе и у человека, имеется еще и митохондриальный геном, то есть молекулы ДНК, присутствующие в таких внутриклеточных структурах, как митохондрии, и содержащие ряд так называемых митохондриальных генов. Митохондриальный геном человека очень небольшой по сравнению с ядерным геномом, расположенным в хромосомах, но, тем не менее, его вклад в клеточный метаболизм весьма существенен.

Понятно, что знание одной лишь структуры ДНК вовсе не достаточно для полного описания наследственной системы клетки. Этому выводу в литературе дана следующая аналогия: сведения о числе и форме кирпичей не могут раскрыть замысла готического собора и хода его постройки. В более широком смысле наследственную систему клетки составляют не только структура ДНК, но и другие ее компоненты, совокупность которых и факторы окружающей среды определяют, как геном будет работать, как пойдет ход индивидуального развития и как возникший организм будет жить потом.

Некоторым читателям может показаться скучным и малоинтересным содержание этого раздела книги. Но хотелось бы таким читателям напомнить, что даже в захватывающем детективе бывают вроде бы малоинтересные страницы, которые, однако, при дальнейшем изложении часто оказываются важны для понимания происходящего.

Сначала несколько слов о генетике. Без сомнения, наивысшим достижением в биологии ушедшего двадцатого века было появление и развитие этой науки, а также раскрытие с ее помощью молекулярной природы наследственности. И теперь уже мало верится, что было время, когда в нашей стране генетику называли «продажной девкой империализма», а ученых-генетиков — презренным тогда словосочетанием «вейсманисты-морганисты» (производное от имен немца Августа Вейсмана (1834–1914) и нобелевского лауреата американца Томаса Ханта Моргана (1866–1945), которые сформулировали представления о дискретности генов, их локализации в хромосомах, обосновали хромосомную теорию наследственности). Сейчас во всем мире генетика не только получила «путевку в жизнь», но пребывает на законных основаниях в славе и почете.

В отличие от многих других биологических наук генетика с момента своего возникновения стремилась быть точной наукой. И вся история генетики — это история создания и использования в эксперименте все более и более точных методов и подходов, что сближает ее с такими точными науками, как физика, химия и математика.

А начало всему было положено чешским монахом Грегором Менделем, который в 1865 году опубликовал свой фундаментальный труд с математическими расчетами, указывающими на существование неких абстрактных дискретных частиц, передающих наследственные свойства («частицы наследственности»), названных позднее генами. Эта феноменальная работа Менделя, осуществленная на горохе, не произвела особого эффекта на его современников и была забыта вплоть до 1900 года (научная мысль в то время еще не созрела для ее восприятия). Сам Мендель после неудачных попыток получить аналогичные результаты при скрещивании других растений прекратил опыты и до конца жизни занимался садоводством, пчеловодством и метеорологическими наблюдениями.

Лишь спустя 35 лет произошло то, что и должно было случиться: законы Менделя были переоткрыты независимо и одновременно тремя разными исследователями (Г. де Фризом, Э. Чермаком и К. Корренсом), после чего и начала интенсивно развиваться наука, получившая позднее название генетика. С тех пор эта наука и рожденные на ее основе молекулярная генетика и геномика занимают лидирующее положение среди прочих наук о природе, став в итоге одними из основных, определяющих сегодняшний и завтрашний день развития человечества.

Вскоре после открытия основных законов генетики было установлено, что маленькие продолговатые тельца, наблюдаемые под микроскопом в ядрах клеток, которые были названы хромосомами, ведут себя именно так, как это ожидалось от «единиц наследственности» Менделя. Но уже тогда было ясно, что число генов должно быть больше, чем число хромосом. В 1910 году Томас Хант Морган начал изучать относительно простой и удобный для анализа генетический аппарат плодовой мушки дрозофилы, что привело в конечном итоге к созданию хромосомной теории наследственности. Согласно этой теории, существуют многочисленные гены, которые линейно расположены в хромосомах, и их последовательность в будущем может быть расшифрована.

Известно, что гены управляют развитием любого живого организма с момента его рождения и до смерти. Гены достаются нам от родителей, и от них в значительной мере зависят наши физические параметры, внешность, склонность к различным заболеваниям или, наоборот, своего рода иммунитет к ним. При этом следует обратить внимание на то, что такие черты, как характер, убеждения, привычки, поведение и даже способности также определяются в значительной мере генетически, хотя здесь существенную роль могут играть и социальные факторы, такие, как условия жизни, воспитание, образование, окружение.

Лишь в 40-е годы прошлого века была установлена материальная основа генов. Выяснилось, что ею служит одна из так называемых нуклеиновых кислот, а именно дезоксирибонуклеиновая кислота (сокращенно, ДНК). Само существование нуклеиновых кислот было обнаружено швейцарским биохимиком Ф. Мишером еще в 1868 году, то есть всего через три года после открытия Менделем своих законов (случайность или закономерность?). Тогда из спермы лосося Мишер выделил фосфорсодержащее вещество, происходящее из клеточных ядер, которое он назвал нуклеином (от слова нуклеус — ядро), а мы теперь его называем дезоксирибонуклеиновой кислотой. Примечательно, что два таких важных открытия, как обнаружение единицы наследственности и ее физического носителя, были сделаны почти одновременно. Однако, как и в случае с законами Г. Менделя, практически никто из исследователей в то время не смог оценить важность открытия Мишера.

В дальнейшем существенный вклад в изучение нуклеиновых кислот внесли немецкий химик Альбрехт Кёссель и американский биохимик русского происхождения А. Ф. Левин. Первый установил, что в состав нуклеина входят четыре азотсодержащих вещества (их назвали азотистыми основаниями): аденин (А), гуанин (Г), цитозин (Ц) и тимин (Т) (за это в 1910 г. Кёссель получил Нобелевскую премию по физиологии и медицине). Затем А. Ф. Левин показал, что в состав нуклеина, кроме тетрады А, Г, Ц и Т, входит вдобавок к фосфорной кислоте еще и сахар дезоксирибоза, то есть «рибоза без кислорода». Так и возникло название дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК). Позднее в составе другой нуклеиновой кислоты — рибонуклеиновой кислоты (РНК) — была обнаружена рибоза вместо дезоксирибозы.

А. Ф. Левин предложил одну из первых гипотез о структуре нуклеиновых кислот. Согласно этой гипотезе, нуклеиновые кислоты построены как линейная комбинация связанных друг с друга химической связью нуклеотидов. По мнению Левина, четыре разных нуклеотида, входящие в состав нуклеиновых кислот, связаны последовательно в стандартный тетрануклеотид, который многократно повторяется в структуре нуклеиновой кислоты. И многие исследователи приняли эту гипотезу на веру. Однако столь однообразная и монотонная последовательность не годилась на роль материальной структуры генов. По этой причине долгое время бытовало мнение, что ДНК выполняет какую-то чисто структурную функцию в хромосомах.

Серия открытий, которые привели к современному пониманию генетической важности ДНК и ее основополагающей роли в организации хромосом, началась в середине 20-х годов прошлого века, когда Л. Зильберт на протеях и Ф. Гриффит на пневмококках описали опыты по серологической трансформации. В 1944 году американский биолог Освальд Теодор Эвери с соавторами в опытах с пневмококками показали, что с помощью чистого препарата ДНК могут быть специфически изменены их наследственные свойства. Однако даже эти безупречные результаты не убедили ученых полностью в том, что ДНК — это вещество наследственности. Они заставили ученых только усомниться в том, что ДНК играет чисто структурную роль в хромосомах. Продолжала господствовать теория белковой природы гена.

И такая ситуация сохранялась вплоть до апреля 1953 года.

И вот дошла очередь до расшифровки сокровеннейшей тайны человека — ДНКового текста его генома, который некоторые называют Книгой жизни или Энциклопедией человека.

Напомним еще раз, как все это начиналось и происходило. В 1988 году был создан проект «Геном человека» Национального института здоровья США. Главой работ по полному секвенированию генома человека стал нобелевский лауреат Джеймс Уотсон. Одновременно в России с этой же идеей выступил академик А. А. Баев. Государственная программа «Геном человека» была принята в этом же году в Советском Союзе. Позднее к программе подключились другие страны, и широкомасштабные координированные исследования стали проводиться под эгидой международной организации Human Genom Organisation (HUGO). На работу по секвенированию генома человека, осуществленную этим мировым консорциумом, было потрачено в сумме более 3 миллиардов долларов. В России членами этой организации являются сегодня около 80 российских ученых (председатель Российского совета по геному человека — академик Л. Л. Киселев). Из 24-х хромосом генома человека ученые России в основном концентрировались на 3-й, 13-й и 19-й хромосомах. При этом непосредственно секвенированием ДНК они занимались очень мало, основное внимание было обращено на структурно-функциональные исследования генома. В материальном отношении наш вклад был настолько скромен, что сейчас при общих подсчетах его вообще не учитывают.

Первоначально огромный объем предстоящей работы очень пугал многих исследователей. И действительно ситуация на первых этапах не была слишком обнадеживающей. В первые 2 года работы проекта «Геном человека» скорости секвенирования были еще очень низкими. Для полного завершения работы такими темпами потребовалось бы около 100 лет. Это удручало одних исследователей, но не останавливало других. Последним стало очевидно, что решение данной задачи невыполнимо традиционными методами и необходим поиск новых подходов и технологий расшифровки нуклеотидных последовательностей фрагментов ДНК, а также создание новой вычислительной техники и оригинальных компьютерных программ. Все это, конечно, было невыполнимо в рамках отдельно взятого государства. По этой причине к проекту были привлечены около 20 различных стран, организован международный банк данных, куда поставлялась вся информация, полученная в процессе решения данной задачи. В результате технических новаций постепенно возрастала производительность аппаратуры, стали использовать промышленные роботы, многие процессы были автоматизированы. И вскоре скорость секвенирования достигла 10 млн. нуклеотидных пар в сутки! Теперь уже выполнение проекта стало реальностью. За 1995 г. длина участков ДНК человека с установленной последовательностью нуклеотидов увеличилась почти в 10 раз, но это составляло еще менее 0,001 % от всего генома человека. К началу 1998 г. было секвенировано всего около 3 % генома.

Примерно в это время к работе по секвенированию ДНК человека неожиданно присоединилась частная американская компания из штата Мериленд «Celera Genomics» под руководством Крега Вентера, которая объявила, что закончит свою работу на 4 года раньше международного консорциума. Это сильно подхлестнуло всех участников.

Следует отметить, что два конкурирующих коллектива — HUGO и Celera — использовали в своей работе разные подходы к секвенированию ДНК. Эту разницу можно сравнить с процессом создания подробной маршрутной карты. Можно описать подробнейшим образом каждую горку, каждую канавку, каждый бугорок. А можно описать весь путь, но при этом отметить только наиболее важные участки. Международный консорциум применил в своей работе традиционный метод, который заключался в том, что «кусочки» молекул ДНК выстраивали друг за другом: сначала делали карты хромосом, а потом по ним «прогуливались». Таким образом, ученые теряли время на подготовке материала, картировании, но выигрывали в секвенировании — не нужно было помногу раз делать одно и то же. Руководитель компании «Селера» Крег Вентер предложил ускоренный вариант, так называемый «шрапнельный» метод расшифровки структуры целого генома. Этот метод предусматривает разделение всего генома на небольшие фрагменты ДНК без предварительного их картирования, а затем расшифровку последовательностей с использованием высокопроизводительных автоматов и «сборку» фрагментов в нужном порядке с помощью суперкомпьютера с учетом соответствия перекрывающихся нуклеотидных последовательностей на концах фрагментов. Все это напоминает сборку гигантского неизвестного паззла по отдельным совершенно абстрактным его фрагментам. Метод, конечно, казался очень простым, но при этом одни и те же «кусочки» неизбежно попадали в аппарат-секвенатор по 10, а то и по 20 раз. «Celera», конечно же, теряла на том, что по многу раз секвенировала одни и те же фрагменты, поскольку до начала их секвенирования ничего о них не знала. Это казалось многим непроизводительной тратой средств и времени. Но в конечном итоге в результате использования своего подхода «Селера» сильно сэкономила время и деньги на предварительной подготовке материала, так как нужно было только раздробить ДНК на фрагменты и не заниматься трудоемким процессом их предварительного картирования. Кроме того, «Селера» почти с самого начала использовала специальный робот, который способен автоматически расшифровывать ДНК. Этот робот обладал способностью метить разные «буквы» ДНКового текста различными флюоресцирующими красками, а затем с помощью лазера считывать последовательности цветов, как последовательность букв. Огромный объем информации обрабатывался с помощью уникального суперкомпьютера. Celera по-латински обозначает «быстрая». И компания оправдала свое название. Еще в 1995-м году на основе предложенного Вентером подхода было осуществлено секвенирование генома бактерии Haemophilus influenzae. А когда «Селера» приступила к секвенированию генома человека, то и здесь добилась большого успеха, быстро встав по числу секвенированных нуклеотидных последовательностей генома человека вровень с международным консорциумом.

Началась беспримерная в науке гонка. Два коллектива работали независимо, не жалея сил, чтобы придти к финишу первыми. Технология все время совершенствовалась. В результате жесткой конкуренции была создана, можно сказать, новая индустрия по секвенированию ДНК. В Англии, США, Франции, Германии, Японии появились гигантские автоматизированные фабрики — геномотроны, — секвенирующие по несколько миллионов нуклеотидов в неделю.

И вот произошло долгожданное событие: в декабрьском номере журнала Nature за 1999 год появилась статья под названием «Нуклеотидные последовательности первой хромосомы человека». В этой статье коллектив, состоящий из более чем двухсот авторов, сообщил о полном секвенировании одной из самых малых хромосом человека — хромосомы под номером 22. Выход этой статьи окончательно подтвердил тот факт, что проект «Геном человека» будет выполнен. Произошедшее событие некоторые ученые сравнили с первым взглядом на ландшафт новой планеты.

Между разными участниками гонки, призом в которой была полная последовательность нуклеотидов генома человека, с самого начала возникло еще одно существенное противоречие. Суть его заключалась в том, что Вентер и его компания «Селера» настаивали на праве индивидуального владения всеми данными, полученными при установлении последовательности нуклеотидов, и возможности получать коммерческую выгоду от всех видов использования этих материалов. Руководители международного проекта считали, что результаты расшифровки генома должны быть доступны всем ученым и использоваться ими без всяких ограничений. Спор достиг такого накала, что в это вынуждены были вмешаться даже главы разных правительств. Весной 2000 года президент США Билл Клинтон и британский премьер-министр Тони Блэр выступили с совместным заявлением, в котором поддержали позицию руководителей международного проекта «Геном человека». В конечном итоге консенсус был достигнут, и в июне 2000 года два конкурирующих коллектива — «Celera Genomics» и международный консорциум, — объединив свои данные, официально объявили о том, что их совместными усилиями в целом завершено секвенирование генома человека, создан его черновой вариант.

Проект «Геном человека» оказался одним из наиболее дерзновенных, дорогостоящих и потенциально важных проектов в истории науки. Согласно первоначальным расчетам, работа по расшифровке генома человека должна была окончиться в 2005-м году и стоить в общей сложности 3 миллиарда долларов. Но жизнь внесла свои существенные поправки, и в конечном итоге проект реализовался на 5 лет быстрее, но на его реализацию потребовалось уже примерно 6 миллиардов долларов, т. е. чуть меньше чем по 2 доллара за каждую пару нуклеотидов. Дополнительные 3 миллиарда долларов были добавлены частным капиталом присоединившейся позднее компании Celera Genomics. Научные публикации чернового варианта структуры генома человека появились в феврале 2001 года. Качество секвенирования достаточно высокое и предполагает в среднем наличие только одного ошибочно определенного нуклеотида на протяжении более 50 тыс. п. н.

Итак, на сегодняшний день в основном геном человека секвенирован, т. е. определен порядок расположения нуклеотидов во всех молекулах ДНК на всех хромосомах. Текст этот огромен. По последним данным он состоит из 3,2 миллиардов «букв». Вся эта информация теперь содержится в сверхмощных компьютерах (книга с этим текстом не издана и едва ли будет издана когда-либо). Вокруг этого события сразу же поднялся невероятный шум и ажиотаж. Но только специалисты понимали до конца и тот огромный успех, который был достигнут в результате реализации первого этапа программы, и сверхтрудность тех задач, которые еще предстоит решить человечеству до достижения конечной цели. Важно понимать, что все произошедшее не означает автоматически, что геном человека расшифрован, что мы можем уже этот текст читать как любую другую книгу без всяких проблем. Секвенирование (определение последовательностей нуклеотидов) не приводит автоматически к пониманию того, что написано (т. е. собственно говоря, к расшифровке). С имеющимся текстом предстоит еще очень долго разбираться, в частности, правильно расставить знаки пунктуации, выверить опечатки и др. Где-то они уже намечены, а где-то еще предстоит их проставить. Расшифровать нуклеотидную последовательность — это все равно, что читать книгу, просто произнося названия букв подряд. Найти ген значит понять, как буквы складываются в слова. Но нужно еще понять и смысл фразы. И это теперь основная проблема. Кроме того, следует еще добавить, что ДНКовый текст написан на «мертвом» языке, в расшифровке которого науке помочь попросту некому — надеяться нужно только на себя. Как воображение кошки во дворце английской королевы не поднялось выше мышки, так, вероятно, обстоит дело и с нашим сегодняшним пониманием генома. Все богатство этой Энциклопедии нам еще предстоит осознать.

У читателя может возникнуть вполне естественный вопрос: геном какого же человека определен в результате этих титанических усилий, кто этот конкретный человек? Четкого ответа пока нет, но ясно, что это не один человек, а, по крайней мере, 7–10 различных людей. Согласно имеющимся данным, фирма Celera в основном ориентировалась на геном одного человека, о котором известно лишь, что это белый мужчина среднего возраста. Скорее всего, это был сам глава корпорации Крег Вентер, хотя другие источники утверждают, что Celera использовала 5 человек (3 мужчин и 2 женщины), относящихся к разным расам — афро-американской, монголоидной и европеоидной. Международный консорциум использовал в своей работе материал не менее семи различных людей. В любом случае каждый из двух соперничавших коллективов брал для анализа ДНК из своего источника. А в результате опубликована усредненная нуклеотидная последовательность одного человеческого генома.

На основании полученных данных мы сегодня имеем общую характеристику нуклеотидных последовательностей ДНК, образующих геном человека, которая не будет существенно пересмотрена в дальнейшем. Можно ожидать, что множество деталей еще будет уточняться и меняться, но общая характеристика безусловно останется неизменной. Это сродни догмату папской непогрешимости: Roma locuta res finita est (Рим сказал свое слово, дело окончено).

Теперь вспомним основные этапы, по которым двигалась наука на пути к достижению полного секвенирования генома человека.

1865 год

Открытие Г. Менделем (1822–1884) факторов наследственности и разработка гибридологического метода, т. е. правил скрещивания организмов и учета признаков у их потомства.

1868 год

Ф. Мишер из спермы лосося выделил фосфорсодержащее вещество, происходящее из клеточных ядер, которое он назвал нуклеином (теперь его называют дезоксирибонуклеиновой кислотой).

1871 год

Ч. Дарвин публикует свою книгу «Происхождение человека и половой отбор».

1875 год

Ф. Гальтон демонстрирует возможность использования близнецов для изучения относительного влияния на организм наследственности и окружающей среды.

1900 год

Формальное рождение генетики как науки. Независимая публикация статей Г. де Фриза, К. Корренса и Э. Чермака с изложением основных законов наследования. «Переоткрыты» и стали известны широкой научной общественности исследования Г. Менделя.

1902 год

В. Саттон и Т. Бовери независимо создают хромосомную теорию наследственности.

1905 год

У. Бэтсон предлагает слово «генетика» (от греч. γιγνομαι — порождать) для нового направления науки.

1910 год

Т. Г. Морганом установлено, что гены расположены в хромосомах в линейном порядке, образуя группы сцепления. Морган установил также закономерности наследования признаков, сцепленных с полом (Нобелевская премия 1933 г. по физиологии и медицине за экспериментальное обоснование хромосомной теории наследственности).

А. Кёссель получил Нобелевскую премию по химии за установление того, что в состав ДНК входят четыре азотистых основания: аденин, гуанин, цитозин и тимин.

1922 год

Н. И. Вавилов сформулировал «закон гомологических рядов» — о параллелизме в изменчивости родственных групп растений, то есть о генетической близости этих групп. Закон Вавилова установил определенные правила формообразования и позволил предсказывать у данного вида еще не открытые, но возможные признаки (аналогия с системой Менделеева).

1925 год

Г. А. Надсон, Г. С. Филиппов, Г. Мюллер проводят первый цикл работ по радиационным методам индукции мутаций.

1926 год

С. С. Четвериков написал статью, заложившую основы популяционной генетики и синтеза генетики и теории эволюции.

1927 год

Г. Мюллер доказал мутационный эффект рентгеновских лучей, за что в 1946 г. получил Нобелевскую премию в области физиологии и медицины.

Н. К. Кольцов выдвинул идею матричного синтеза, которая и сегодня отвечает современным представлениям биологов: «В основе каждой хромосомы лежит тончайшая нить, которая представляет собой спиральный ряд огромных органических молекул — генов. Возможно, вся эта спираль является одной гигантской длины молекулой».

1928 год

Открытие явления трансформации у бактерий (Ф. Гриффит).

1929–1930 годы

А. С. Серебровский и Н. П. Дубинин впервые продемонстрировали сложную природу организации гена; первые реальные шаги на пути создания современного представления о тонкой структуре гена.

1931 год

Барбара Мак-Клинток продемонстрировала наличие кроссинговера.

1934 год

Н. П. Дубинин и Б. Н. Сидоров открыли особый тип эффекта положения.

Б. Л. Астауров осуществил успешные опыты по получению у шелкопряда потомства из неоплодотворенных яиц (одно из самых интересных достижений в прикладной генетике того времени).

1935 год

Н. В. Тимофеев-Ресовский, К. Г. Циммер, М. Дельбрюк осуществили экспериментальное определение размеров гена. Ими дана трактовка гена с позиций квантовой механики, тем самым был создан фундамент для открытия структуры ДНК.

1940 год

Дж. Бидл и Э. Татум сформулировали теорию «один ген — один фермент». (Нобелевская премия по физиологии и медицине за 1958 г.).

1943 год

И. А. Рапопорт, Ш. Ауэрбах и Дж. Г. Робсон впервые показали индукцию мутаций химическими веществами.

1944 год

О. Эвери, К. Маклеод и М. Маккарти установили, что «веществом гена» служит ДНК. Начало «эры ДНК».

М. Дельбрюк, С. Лурия, А. Херши произвели пионерские исследования по генетике кишечной палочки и ее фагов, после чего эти объекты стали модельными для генетических исследований на многие десятилетия. (Нобелевская премия по физиологии и медицине за 1969 год за открытие цикла репродукции вирусов и развитие генетики бактерий и вирусов).

Л. А. Зильбер сформулировал вирусно-генетическую теорию рака.

1950 год

Э. Чаргафф сформулировал знаменитое «правило Чаргаффа», которое гласит: в ДНК число нуклеотидов А равно числу Т, а число Г — числу Ц.

Б. Мак-Клинток показала существование перемещающихся генетических элементов. С большим опозданием (только в 1983 г.) она получила за это Нобелевскую премию в области физиологии и медицины.

1951 год

Р. Франклин и М. Уилкинсон получили первую рентгеннограмму молекулы ДНК.

1953 год

Ф. Крик и Дж. Уотсон, опираясь на результаты опытов генетиков и биохимиков и на данные рентгеноструктурного анализа, создали структурную модель ДНК в форме двойной спирали. В 1962 году им совместно с М. X. Ф. Уилкинсом присуждена Нобелевская премия по физиологии и медицине.

1956 год

Ю. Тио и A. Леван установили, что диплоидный набор хромосом у человека равен 46.

А. Корнберн обнаружил первый фермент, способный синтезировать ДНК в пробирке — ДНК-полимеразу I. В 1959 году он совместно с С. Очоа получил Нобелевскую премию по физиологии и медицине за исследование механизма биологического синтеза РНК и ДНК.

1958 год

М. Мезельсон и Ф. Сталь доказали полуконсервативный механизм репликации ДНК.

1960 год

Открытие РНК-полимеразы С. Б. Вейсом, Дж. Гурвицем и А. Стивенсом.

И. А. Рапопорт сообщил об открытии «супермутагенов».

1961 год

В работах М. У. Ниренберга, Р. У. Холли и X. Г. Кораны начата расшифровка «языка жизни» — кода, которым в ДНК записана информация о структуре белковых молекул. В 1968 году все трое разделили Нобелевскую премию по физиологии и медицине, которая была присуждена им «за расшифровку генетического кода и его функционирования в синтезе белков».

Ф. Жакоб и Ж. Моно пришли к выводу о существовании двух групп генов — структурных, отвечающих за синтез специфических (ферментных) белков, и регуляторных, осуществляющих контроль за активностью структурных генов. В 1965 г. Нобелевская премия по физиологии и медицине присуждена А. М. Львову, Ф. Жакобу и Ж. Моно за открытие генетической регуляции синтеза ферментов и вирусов.

1962 год

Дж. Гёрдон осуществил первое клонирование животного организма (лягушка).

Дж. Кэндрью и М. Перутц были удостоены Нобелевской премии по химии за впервые осуществленную расшифровку трехмерной структуры белков миоглобина и гемоглобина.

1965 год

Р. Б. Хесин показал, что регуляция синтеза белка осуществляется путем включения и выключения транскрипции генов.

1966 год

Б. Вейс и С. Рихардсон открывают фермент ДНК-лигазу.

1969 год

Х. Г. Корана синтезировал химическим путем первый ген.

1970 год

Открытие обратной транскриптазы, фермента, синтезирующего ДНК с использованием комплементарной РНК в качестве матрицы. Это было сделано будущими Нобелевскими лауреатами по физиологии и медицине (1975) Г. Теминым и Д. Балтимором.

Выделена первая рестриктаза — фермент, разрезающий ДНК в строго определенных местах. За это открытие в 1978 году Нобелевская премия по физиологии и медицине была присуждена Д. Натансу, Х. Смиту и В. Арберу.

1972 год

В лаборатории Пола Берга получены первые рекомбинантные ДНК (Нобелевская премия по химии за 1980 г. вручена П. Бергу и Г. Бойеру). Заложены основы генной инженерии.

1973 год

С. Коэн и Г. Бойер разработали стратегию переноса генов в бактериальную клетку.

1974 год

С. Милстайн и Г. Келер создали технологию получения моноклональных антител. Ровно десять лет спустя они (вместе с Н. К. Ерне) получили за это Нобелевскую премию по физиологии и медицине.

Р. Д. Корнберг описывает структуру хроматина (нуклеосомы).

1975 год

С. Тонегава показал различное расположение генов, кодирующих вариабельную и константную часть иммуноглобулинов, в ДНК эмбриональных и миелоидных клеток, что дало основание для вывода о перегруппировках генов иммуноглобулинов при образовании клеток иммунной системы (Нобелевская премия по физиологии и медицине в 1987 г.).

Осуществлено первое клонирование кДНК.

Е. Саузерн описал метод переноса фрагментов ДНК на нитроцеллюлозные фильтры, метод получил название Саузерн-блот гибридизации.

1976 год

Открытие у животных (на примере дрозофилы) «прыгающих генов», сделанное Д. Хогнессом (США) и российскими учеными во главе с Г. П. Георгиевым и В. А. Гвоздевым.

Основана первая генно-инженерная компания (Genentech), использующая технологию рекомбинантных ДНК для производства различных ферментов и лекарственных средств.

Д. М. Бишоп и Г. Э. Вармус сообщили, что онкоген в вирусе представляет собою не истинный вирусный ген, а клеточный ген, который вирус «подхватил» когда — то давно в ходе репликации в клетках и теперь сохраняет в измененном мутациями виде. Было также показано, что его предшественник, клеточный протоонкоген, в здоровой клетке играет важнейшую роль — управляет ее ростом и делением. В 1989 г. оба этих ученых получили Нобелевскую премию по физиологии и медицине за фундаментальные исследование канцерогенных генов опухоли.

1977 год

Опубликованы быстрые методы определения (секвенирования) длинных нуклеотидных последовательностей ДНК (У. Гилберт и А. Максам; Ф. Сенгер с соавт.). Появилось реальное средство анализа структуры генов как основа для понимания их функций. В 1980 году У. Гильберт и Ф. Сенгер совместно с П. Бергом получили Нобелевскую премию по химии «за существенный вклад в установление первичной структуры ДНК; за фундаментальные исследования биохимических свойств нуклеиновых кислот, в том числе рекомбинантных ДНК».

Полностью секвенирован геном бактериофага φΧ174 (5386 п. н.).

Секвенирован первый ген человека — ген, кодирующий белок хорионный соматомаммотропин.

П. Шарп и Р. Робертс показали, что гены у аденовирусов (позднее выяснилось, что и у эукариотических организмов) имеют мозаичную экзонинтронную структуру, и открыли явление сплайсинга (Нобелевская премия по физиологии и медицине в 1993 г.).

К. Итакура с соавт. синтезируют химически ген соматостатина человека и осуществляет искусственный синтез гормона соматостатина в клетках кишечной палочки E. coli.

1978 год

Компания Genentech осуществила перенос эукариотического гена инсулина в бактериальную клетку, где на нем синтезирован белок — проинсулин.

Определена полная последовательность нуклеотидов ДНК вируса SV40 и фага fd.

1979 год

Показано, что химически трансформированные клетки содержат активированный онкоген BAS.

1980 год

Дж. Гордоном с соавт. получена первая трансгенная мышь. В про-нуклеус оплодотворенного одноклеточного эмбриона микроинъекцией введен ген тимидин-киназы вируса простого герпеса и показано, что этот ген работает во всех соматических клетках мыши. С тех пор трансгеноз стал основным подходом как для фундаментальных исследований, так и для решения практических задач сельского хозяйства и медицины.

1981 год

Определена полная нуклеотидная последовательность митохондриальной ДНК человека.

Несколько независимых исследовательских групп сообщили об открытии человеческих онкогенов.

1982 год

Определена полная нуклеотидная последовательность бактериофага λ (48502 п. н.).

Показано, что РНК может обладать каталитическими свойствами, как и белок.

1983 год

С помощью биоинформатики найдена гомология фактора роста PDGF с известным онкобелком, кодируемым онкогеном SIS.

Показано, что разные онкогены кооперируют при опухолевой трансформации клеток.

Ген болезни Хантигтона локализован на хромосоме 4 человека.

1984 год

У. Мак-Гиннис открыл гомеотические (Hox) регуляторные гены, ответственные за построение общего плана тела животных.

А. Джеффрис создает метод геномной дактилоскопии, в котором нуклеотидные последовательности ДНК используются для идентификации личности.

1985 год

Создание К. Б. Мюллисом революционизирующей технологии — полимеразной цепной реакции, ПЦР — наиболее чувствительного до сих пор метода детектирования ДНК. Эта технология получила широкое распространение (Нобелевская премия по химии за 1993 г.).

Клонирование и определение нуклеотидной последовательности ДНК, выделенной из древней египетской мумии.

1986 год

Клонирование гена RB — первого антионкогена — супрессора опухолей. Начало эпохи массированного клонирования генов опухолеобразования.

1987 год

Созданы первые дрожжевые искусственные хромосомы — YAC (Yeast Artificial Chromosomes). Они сыграют большую роль как векторы для клонирования больших фрагментов геномов.

1988 год

Создание международного проекта «Геном человека», поставившего своей целью полное секвенирование ДНК человека.

Под эгидой Комитета по науке и технике в СССР начала работу программа «Геном человека», которую возглавил Научный совет по геномной программе во главе с академиком А. А. Баевым.

Показана возможность анализа митохондриальной ДНК из очень древних образцов при исследовании мозга человека давностью 7000 лет.

Предложен метод «нокаута» генов.

1989 год

Т. Р. Чех и С. Альтман получили Нобелевскую премию по химии за открытие каталитических свойств некоторых природных РНК (рибозимов).

1990 год

Создана Международная организация по изучению генома человека (HUGO), вице-президентом которой в течение нескольких лет был российский академик А. Д. Мирзабеков.

Ф. Коллинз и Л.-Ч. Тсуи идентифицировали первый ген человека (CFTR), ответственный за наследственное заболевание (кистозный фиброз), который расположен на хромосоме 7.

В. Андерсоном осуществлено первое успешное применение генной терапии для лечения больной с наследственным иммунодефицитом.

Определена полная последовательность генома вируса осповакцины (192 т. п. н.).

1992 год

Э. Кребсу и Э. Фишеру присуждена Нобелевская премия по физиологии и медицине за открытие обратимого фосфорилирования белков как важного регулирующего механизма клеточного метаболизма.

1995 год

Определена полная последовательность генома первого самостоятельно существующего организма — бактерии Haemophilus influenzae (1 830 137 п. н.). Становление геномики как самостоятельного раздела генетики.

1997 год

Определена полная последовательность нуклеотидов геномов кишечной палочки E. coli и дрожжей Saccharomyces cerevisiae.

Нобелевская премия по физиологии и медицине присуждена американцу С. Прузинеру за вклад в изучение болезнетворного агента белковой природы, приона, вызывающего губчатую энцефалопатию, или «коровье бешенство» у крупного рогатого скота.

Я. Вильмут с сотрудниками впервые клонировали млекопитающее — овцу Долли.

1998 год

Определена полная нуклеотидная последовательность первого высшего организма — нематоды Caenorhabditis elegans.

У нематоды C. elegans обнаружен механизм РНК-интерференции.

1999 год

Полностью секвенирована ДНК хромосомы 22 человека.

Роберт Фурчготт, Луис Игнарро и Ферид Мурад получили Нобелевскую премию за открытие роли оксида азота в качестве сигнальной молекулы (то есть, регулятора и переносчика сигналов) сердечно-сосудистой системы.

Клонировали мышь и корову.

2000 год

Вчерне завершено полное секвенирование генома человека и дрозофилы.

Нобелевская премия по физиологии и медицине присуждена А. Карлссону, П. Грингарду и Э. Кенделу за открытие, касающееся «передачи сигналов в нервной системе».

Клонировали свинью.

2001 год

Нобелевская премия по физиологии и медицине присуждена Л. Хартвеллу, Т. Ханту и П. Нерсу за открытие ключевых регуляторов клеточного цикла.

2002 год

Полностью секвенирован геном мыши.

Нобелевская премия по физиологии и медицине присуждена С. Бреннеру, Р. Хорвитцу и Дж. Салстону за их открытия в области генетического регулирования развития органов и запрограммированной клеточной смерти.

Каждый человек уникален, следовательно, уникальным должен быть и его геном. По этой причине между любыми двумя людьми, если они не однояйцовые близнецы, всегда имеются значительные индивидуальные различия (их называют различиями в фенотипе). Они проявляются во многом, в частности, во внешности, в физических возможностях, в отношении предрасположенности к развитию определенных заболеваний, в реакции организма на воздействие факторов окружающей среды или лекарственных средств, в умственных способностях и поведении. Однако, как оказалось, из свыше 3,2 миллиардов генетических букв, из которых состоит ДНК человека, 99,9 процента одни и те же у всех людей. Выходит, что всего от одной десятой процента генома зависит, кто мы есть, — высокие или низкие, красивые или не очень, больные или здоровые, сильные или слабые, умные или глупые, оптимисты или пессимисты, добрые или, наоборот, жестокие и так далее.

Различия между нуклеотидными последовательностями ДНК разных индивидуумов связаны главным образом с тем, что за время длительной человеческой эволюции в нашем геноме накопилось довольно много случайных, вызванных разными причинами, изменений. Эти «опечатки» в ДНКовом тексте, которые каждому из нас достаются от двух родителей в случайном сочетании и наследуются, называют мутациями.

Очень трудно издать книгу (особенно если она большая по объему) без опечаток, хотя в процессе подготовки их тщательно отслеживают и автор, и редактор, и корректор. Известна старая история о споре двух издателей, когда один из них утверждал, что сумеет выпустить книгу без единой опечатки. И, действительно, при самой тщательной проверке в тексте этой книги опечаток не нашли. Но издатель проиграл спор: опечатка была в самом названии книги! И книга, которую сейчас читаете вы, наверняка будет содержать опечатки (хотелось бы только, чтобы их число было минимальным и чтобы их не было в названии).

Мутации в ДНК — естественные наследуемые изменения — опечатки в ДНКовом тексте. Каждый раз, когда клетка в очередной раз делится, необходимо выполнить грандиозную задачу — копировать свыше 3 млрд. букв. В клетке этим занимается целая армия специальных ферментов, которые выполняют свою гигантскую работу в среднем за один рабочий день (7 часов). При этом неправильные буквы первоначально возникают в 10000 участках нового ДНКового текста, а потом эти же ферменты, выступая уже в роли «корректоров», исправляют его. В конечном итоге при копировании ДНК остается только 1 ошибка на 10 млн. п. н. Из этого легко понять, что чем больше раз копируется (реплицируется) ДНК, тем больше в ней накапливается ошибок.

Изменения в структуре ДНК имеют разнообразный характер. В первую очередь это «точковые мутации». Такие мутации представляют собой опечатки в ДНКовом тексте, когда одна из 4 букв выпадает из текста или заменяется на какую-нибудь другую из них. В сумме эти опечатки в масштабах одного генома, как правило, невелики. (Уже говорилось, что мы в среднем отличаемся друг от друга приблизительно в одной позиции нуклеотидов из каждой тысячи). Это явление называют полиморфизмом генома. Отличие между мутациями и полиморфизмом достаточно условно. Когда один из вариантов нуклеотидных последовательностей определенного участка ДНК выявляется более чем у 1 % людей в популяции, то такую вариабельность чаще всего называют полиморфизмом, если же менее 1 % — просто мутацией.

Мутации могут быть простейшими заменами одного нуклеотида на другой, а могут представлять собой более сложные изменения ДНКового текста, в виде вставки в готовый текст других «букв» и текстов или, наоборот, потери ряда «букв», «слов» или целых «предложений». Изредка отдельные куски ДНКового текста даже переворачиваются. Все это и есть «опечатки». Однако опечатка опечатке рознь. Чаще всего мутации не сказываются заметным образом на фенотипе человека. Это и понятно. В абракадабре, которую из себя представляет свыше 70 % ДНКового текста человека, появление 1–2 и даже порой сотни «опечаток» может ровным счетом ничего не менять. Но это не всегда так. Некоторые из них очень сильно влияют на человека.

Этому есть аналогия в лингвистике. Так, существуют слова-паронимы, которые сходны по строению, имеют общий корень, но смысл которых сильно отличается при разнице всего в одной букве. Пример: нового посетителя представляют гостям, но бывают нерадивые хозяева, которые предоставляют гостей самим себе.

Известно и множество случаев из жизни, которые свидетельствуют о важном значении некоторых на первый взгляд незначительных «опечаток». Яркий примером может служить судьба марок бывшей британской колонии — острова Маврикий. В давние времена на этом острове решили вдруг срочно отпечатать свои марки. На этом настояла жена губернатора, которая организовывала пышный прием, а вот марок для приглашений на острове не оказалось. Срочность заказа привела к тому, что гравер в спешке, да еще и спьяну перепутал надпись на марке и вместо «Почтовый сбор оплачен» написал «Почтовая контора». Теперь эти марки стоят у коллекционеров бешеных денег. Такова цена полиграфической опечатки.

Сходная ситуация имеется и в геноме человека. Некоторые «опечатки» в ДНКовом тексте, особенно расположенные в генах или непосредственно рядом с ними, весьма существенны для человека. В качестве примера можно привести широко известный случай одной из мутаций (делеция части ДНКового текста) в человеческом гене CCR5. Укороченный вариант этого гена обеспечивает невосприимчивость людей к вирусу иммунодефицита человека. В результате этого чума XX века — СПИД — таким людям не страшна. В Европе такой вариант довольно широко распространен и достигает в некоторых регионах 9 %. А вот в Африке он обнаружен менее чем у 0,1 % жителей.

Хотя известны различные виды генетического полиморфизма, однако полиморфизм единичных нуклеотидов является самым распространенным типом вариабельности нуклеотидных последовательностей ДНК. Более того, он оказался наиболее перспективным и для чисто практического применения. Сейчас подсчитано, что в геноме человека приблизительно 3 млн. п.н. должны быть вариабельными. Такие вариабельные (полиморфные) участки были названы снипсами (по-английски snps — от Single Nucleotide Polymorphisms — единичные (сингулярные) нуклеотидные полиморфизмы). Термином «снипсы» обозначаются «точечные» отличия (полиморфизмы) в нуклеотидных последовательностях ДНК различных индивидуумов, вызванные заменой единичного химического звена ДНК-нуклеотида. Постараемся запомнить этот непривычный пока еще термин — далее это нам очень пригодится.

Уже в процессе секвенирования генома человека в 1999 г. был создан специиальный международный консорциум для идентификации и картирования только снипсов — «The SNP Consortium Ltd». Целью нового многосотмиллионного исследовательского проекта стало создание сводной карты, показывающей расположение в геноме человека этих «генетических маркеров». В настоящее время установлены 2,2 млн. снипсов (напомним, что общее их число считается равным 3 млн.). Поскольку гены могут содержать от тысячи до миллиона нуклеотидов, то практически в каждом гене или рядом с ним можно обнаружить один или несколько снипсов. Сейчас выявлено 33,5 тыс. снипсов, расположенных в экзонах, что примерно соответствует общему числу генов у человека. Следовательно, большая часть снипсов (около 99 %) расположена в тех участках молекулы ДНК, которые не кодируют синтез белков. По этой причине, как правило, снипсы не имеют существенного биологического эффекта. Хотя это и не всегда так.

Изначально было ясно, что создание карты снипсов — маркеров человеческого генома может стать весьма полезным для проведения различных генетических исследований в медицине и фармакологии, даст ключ к пониманию уникальности личности, роли наследственности в интеллектуальных способностях и чертах характера. И снипсы стали использовать, в первую очередь, в качестве генетических маркеров, поскольку пока нет возможности секвенировать целиком геном каждого индивидуума. Нет сомнения, что в обозримом будущем на этой основе станет возможным создание генетического паспорта каждого человека.

Когда такие опечатки в ДНКовом тексте, как снипсы, не меняют сильно сам текст, их называют нейтральными или «молчащими» мутациями. Однако имеются опечатки, которые так искажают «слова», что их уже невозможно прочесть. Их называют значащими, «говорящими» мутациями. Такие значащие мутации часто приводят к возникновению разнообразных наследственных болезней. Поскольку снипсы достаточно стабильно передаются от поколения к поколению, их можно использовать в качестве маркеров в генетических исследованиях по выявлению связи генов с теми или иными заболеваниями, по пониманию особенностей метаболизма лекарственных веществ у разных пациентов. Так, например, сравнивая «профиль» снипсов в группах больных и здоровых лиц, можно установить, какие из них наблюдаются чаще у пациентов с данным заболеванием. Последующий анализ этих и соседних со снипсами участков ДНК дает возможность идентифицировать гены, которые обусловливают предрасположенность к заболеванию. Таким образом, применение этого метода позволяет ускорить поиск генов, ответственных за развитие заболеваний, сделав его более направленным. В частности, ученые компании «Glaxo Wellcome» уже использовали методику картирования снипсов для выявления генов, принимающих участие в развитии таких распространенных заболеваний, как сахарный диабет II типа, псориаз и мигрень.

Такой же подход можно использовать для выявления у пациентов особенностей метаболизма, распределения или выведения лекарственных средств, то есть для исследований по фармакогеномике (подробнее об этом речь пойдет далее в специальном разделе). Врачи смогут использовать данные генетических исследований для обоснования индивидуального подхода при назначении лекарственных средств, что значительно снизит риск развития побочных реакций. Хотя перспективность такого подхода очевидна, подробная карта снипсов-маркеров пока еще не составлена. Но работа в этом направлении идет очень активно. Составление таких карт человеческого генома сделает в конечном итоге технически возможным проведение быстрого и относительно недорогого генотипирования большого количества пациентов.

Поскольку снипсов в геноме человека довольно много, то было предложено изучать их не только по отдельности, но и группами, в которые объединяются снипсы, расположеные относительно рядом в геноме. Такие наследуемые вместе группы снипсов получили название гаплотипов. Проведенный анализ показал, что число гаплотипов для каждого гена сильно варьирует и может составлять от 2 до 53 (в среднем, по разным оценкам, — от 4 до 14). Было проведено сравнение таких гаплотипов у 21 белого человека, 20 афроамериканцев, 20 человек азиатского происхождения, 18 латиноамериканцев и 3 американских индейцев. В результате не удалось обнаружить вариантов гаплотипов, характерных для той или иной этнической группы. Вместе с тем некоторые варианты чаще встречались у людей, которые родом из одного географического региона.

По оценке ученых компании Genaissance Pharmaceuticals в среднем существует 14 вариаций каждого человеческого гена. Ученые проанализировали 313 генов у большого числа американцев, относящихся к 4 расам. Если в геноме человека присутствует примерно 35 тысяч человеческих генов, следовательно, имеется от 400 до 500 тысяч их вариаций. Обнаружение столь большой амплитуды генетических изменений может потребовать пересмотра традиционных представлений о геноме человека. Сейчас планируется создание каталога гаплотипов каждого человеческого гена. Для этого потребуется проанализировать ДНК у тысяч представителей разных континентов нашей планеты.

Далее мы еще вернемся к вопросу о важности снипсов, когда будем говорить о практических применениях знаний о геноме человека для медицинской геномики и фармакогеномики. Помимо высокой плотности, снипсы имеют очень низкий уровень мутаций на поколение (~10^–8), что делает их удобными маркерами для анализа молекулярной эволюции (далее мы поговорим о «молекулярных часах», которые эффективно используются генетиками в геногеографии и эволюционной геномике).

Другой вид полиморфизма генома человека связан с повышенной нестабильностью таких уже упоминавшихся повторов генома, как мини- и микросателлиты. Эта нестабильность проявляется в разном числе повторяющихся элементов в отдельных локусах у разных индивидуумов и приводит к сильному полиморфизму. Уровни нестабильности таких тандемно расположенных повторов значительно отличаются в разных локусах. Особое внимание привлекают к себе гипермутабельные сателлиты. В частности, нестабильность ди- и тринуклеотидных минисателлитов обуславливает так называемые динамические мутации, при которых увеличение числа копий повторяющихся элементов (экспансия) выше некого критического уровня приводит к опухолевому росту клеток и развитию некоторых наследственных нейромышечных заболеваний (миотоническая дистрофия, хорея Хантингтона, болезнь Кеннеди и др.). В результате экспансии число повторяющихся элементов в одном локусе может достигать нескольких тысяч. Например, число тринуклеотидных повторов ЦТГ в гене миотонинпротеинкиназы в норме не превышает 27, а при развитии миотонической дистрофии это число увеличивается обычно в тысячу и более раз. Причины такой нестабильности пока до конца не ясны. Как наиболее вероятный механизм этого явления — «проскальзывание» в ходе репликации ДНК.

Сильная изменчивость мини- и микросаттелитов нашла практическое применение и в так называемой геномной дактилоскопии. Наиболее известный пример ее использования — идентификация останков царской семьи. Подробнее об этом опять же поговорим дальше в специальном разделе.

Достаточно твердо установлено, что большинство из происходящих точечных мутаций в геноме не представляются ни полезными, ни вредными для человека, то есть являются нейтральными. Скачки скорее всего не свойственны эволюции. Частоты возникновения точечных мутаций невысоки (порядка 10^–8 на генерацию) и относительно постоянны. Расчеты показывают, что при размере диплоидного генома человека около 7х10⁹ п. н. в нем происходит в среднем 175 новых мутаций на генерацию (25 лет). Накопление мутаций можно сравнить с перетеканием песчинок в песочных часах, которые служат мерой времени. Но на практике ученые применили не песочные, а «молекулярные часы». Поскольку большинство мутаций никак не сказываются на самом организме, они могут спокойно сохраняться в эволюции на протяжении длительного времени. Именно за эти факты и ухватились ученые, когда создавали новый подход, названный «молекулярными часами».

На первом этапе была проведена «юстировка» этих часов. Для этой цели были использованы данные о скорости изменения ДНК разных видов организмов, для которых время расхождения в эволюции было надежно установлено по палеонтологическим и археологическим данным. И только после этого началось «чтение» разных эволюционных глав Энциклопедии человека.

«Молекулярные часы» довольно строго показывают, как часто за миллион лет (в среднем) в ДНК того или иного гена или генома в целом происходят мутации. На этой основе по различиям в ДНК можно судить о том, как давно два разных вида организмов, время возникновения которых не известно, были одним видом, когда произошла их дивергенция, то есть расхождение на две разные ветви эволюции. Таким же путем можно сравнивать человеческие популяции или даже ДНК отдельных людей и судить об общности их происхождения или родственных связях. В частности, по «молекулярным часам» удалось оценить более точно время отделения человека от обезьян. Согласно молекулярной оценке, это произошло примерно 5 млн. лет назад. Это внесло существенную поправку в данные палеонтологов, которые долгое время полагали, что разделение человека и обезьян произошло около 25 млн. лет назад. Массовый анализ митДНК из разных рас показал, что одни митДНК отличаются от других числом замен одних нуклеотидов другими, то есть числом мутаций. Были определены такие показатели, как количество индивидуальных мутаций, их расположение и тип. Эти получившие широкую известность данные выявили общность происхождения всех ныне живущих людей по женской линии. Если читатель не прекратит знакомство с книгой в этом месте, то более подробный рассказ об этих интереснейших исследованиях он найдет далее.

Метод «молекулярных часов», применяемый к ДНКовым текстам, очень похож по своему смыслу на метод глоттохронологии, используемый в лингвистике при установлении родства разных языков. Это специальный статистический метод определения возраста родственных языков, т. е. давности их разделения, по количеству слов, имеющих в этих языках одинаковое происхождение. Ведь язык человека, как и геном человека, все время меняется. Если племя или народ, говорящий на одном языке, по какой-то причине разделится на две части, которые потеряют связь между собой, то язык, как и геном, каждого из этих двух новых племен или народов будет меняться по-своему. Чем больше времени пройдет после разделения двух народов, тем меньше общего сохранится в их языках и геномах, но они по-прежнему останутся родственными. По степени сходства можно судить о том, когда произошло разделение. Лингвисты установили, что за 1000 лет в так называемом базовом словаре (он включает те слова, которые есть в любом языке, — «дом», «земля», «небо», названия частей тела и т. д.) сохраняется 86 % слов, т. е. каждый из языков двух народов, обособившихся 1000 лет назад, имеет 86 % общих слов с предковым языком. В результате, друг с другом эти языки имеют 74 % (86 % от 86 %) общих слов. При сопоставлении эволюционного древа популяций человека с лингвистическим анализом выяснилось, что в большинстве случаев языки генетически родственных популяций принадлежат к одной лингвистической группе. Вывод ученых гласит: чем раньше разделились две популяции, тем дольше они эволюционировали независимо и тем больше накопилось замен, как в их ДНК, так и в их языках. Конечно, языки напрямую не зависят от генов, и корреляции генетического и лингвистического родства определяются лишь историческими обстоятельствами. Но для нас важно, что здесь одно исследование довольно часто подтверждает другое.

Когда сейчас громогласно заявляют о полном секвенировании генома человека, то, как правило, подразумевают ядерный геном. На этом фоне как-то забывается, что в клетках имеются молекулы ДНК, расположенные не только в хромосомах, но и в таких уже упоминавшихся специфических внутриклеточных структурах, как митохондрии. И это тоже геном человека, но он называется митохондриальным, а ДНК — митохондриальной (сокращенно митДНК). МитДНК теперь называют иногда хромосомой 25 или М-хромосомой. Эта ДНК была секвенирована еще в 1981 году уже упоминавшимся Ф. Сенгером, что тоже было в свое время сенсацией, которая, однако, имела резонанс несопоставимо меньший, чем секвенирование ядерного генома. Что же представляет собой эта 25-ая хромосома человека?

В клетке человека насчитывается от 100 до 1000 митохондрий, в каждой из которых содержится от 2 до 10 молекул кольцевой митДНК длиной 16569 п. н. Таким образом, размер митохондриального генома примерно в 200 000 раз меньше ядерного. Интересно, что размер митДНК у человека — один из наименьших среди высших организмов (эукариот). Например, у дрожжей митДНК состоит из 78520 п. н. Человеческая митДНК содержит 37 генов, кодирующих 13 белковых цепей, 22 тРНК и 2 рибосомных РНК (рРНК) (рис. 30). Белковые цепи входят в состав белков, которые участвуют в основном в важнейшем внутриклеточном процессе, называемом окислительным фосфорилированием, который обеспечивает клетку энергией. За счет окислительного фосфорилирования в митохондриях осуществляется производство более 90 % специальных молекул АТФ, являющихся основой энергетики клетки.

^{Рис. 30. Структура митохондриального генома человека (митДНК). В митДНК содержится 22 гена, кодирующих тРНК, 2 рибосомных гена (16S и 12S рРНК) и 13 белок-кодирущих генов. Стрелками указано направление транскрипции генов. Сокращения: ND1—ND6, ND4L — гены субъединиц НАД-Н-дегидрогеназного комплекса; COI–COIII — гены субъединиц цитохром-с-оксидазы; ATP6, ATP8 — гены субъединиц АТФ-синтетазы; Cyt b — ген цитохрома b}

Всего же в процессе окислительного фосфорилирования задействовано 87 генов, но все недостающие 74 кодируются не митохондриальным, а ядерным геномом. Интересно, что в ядерном геноме обнаруживаются участки, подобные митДНК. Предполагается, что в процессе эволюции и при различных патологиях имела место миграция части митДНК в ядерный геном.

Важно, что устройство митохондриального генома существенно отличается от ядерного. В первую очередь, для митДНК характерно очень компактное расположение генов, как и в геноме бактерий. В отличие от ядерного генома митохондриальные гены соседствуют друг с другом и между ними практически отсутствуют межгенные промежутки. В ряде случаев они даже перекрываются на один нуклеотид: последний нуклеотид одного гена оказывается первым в следующем за ним. То есть гены набиты в митохондриальной ДНК, как сельди в бочке. Кроме того, большинство митохондриальных генов не содержит такие характерные для ядерных генов структуры, как интроны. Но это еще не все отличия. Выяснилось, в частности, что митДНК не подвержена такой модификации, как метилирование, которая характерна для ядерной ДНК.

Однако особенное удивление исследователей вызвал генетических код, используемый в митДНК. Хотя генетический код универсален (за очень небольшим исключением) во всем живом мире, в митохондриях используется некий его необычный вариант. Большинство кодонов в митохондриальных генах сходны с теми, которые имеются в ядерной ДНК, но наряду с этим имеются и принципиальные отличия. В митДНК человека изменили свой смысл четыре кодона. Терминирующими стали кодоны АГА и АГГ. Кодон УГА, являющийся в ядерной ДНК терминирующим, в митДНК не только не вызывает остановки трансляции, а кодирует аминокислоту триптофан. Аминокислоту метионин кодируют не один кодон АУГ, а еще кодон АУА, который в ядерном геноме кодирует аминокислоту изолейцин.

МитДНК ответственна в клетке за синтез всего лишь нескольких митохондриальных белков. Но эти белки очень важны для клетки, поскольку участвуют в осуществлении одного из важнейших процессов — обеспечении клетки энергией. Таким образом, митДНК — весьма ценное приложение к Энциклопедии человека. Белки, кодируемые непосредственно генами митДНК, синтезируются тут же в митохондриях. Для этой цели используется собственная РНК-полимераза и собственный аппарат белкового синтеза. Причина ясна — генетический код митохондрий особый, нужна и особая система биосинтеза.

Далеко не все белки, которые нужны для автономного существования митохондрий, кодируются митохондриальным геномом и синтезируются здесь же. Для этого их геном слишком мал. Большая часть митохондриальных белков и отдельных субъединиц этих белков кодируется основным, т. е. ядерным геномом и синтезируется в цитоплазме клеток. Затем они транспортируются в митохондрии, где взаимодействуют со специфическими белками, кодируемыми митДНК. Таким образом, между ядерным и митохондриальным геномом существует тесная взаимосвязь, они дополняют друг друга.

Почему в эволюции клетки случилось так, что очень небольшая часть ДНК содержится не в хромосомах ядра, а отдельно внутри митохондрий? В чем необходимость или преимущество такого распределения генетического материала, пока неизвестно. Для объяснения этого удивительного факта было придумано много гипотез. Одну из первых еще в далеком 1890 году высказал Р. Альтман. Однако она и на сегодняшний день сохранила актуальность. Согласно этой точке зрения, митохондрии появились в клетках высших организмов не в ходе внутриклеточного развития и дифференцировки, а в результате естественного симбиоза высших организмов с низшими аэробными организмами. Такое объяснение предполагает, что митохондриальный генетический код более древен, чем код, используемый в ядерной ДНК у современных организмов.

Но наряду с этим высказывалась и иная точка зрения, которая пока в равной мере имеет право на существование. Согласно последней, после перехода большинства генов из митДНК в ядерную ДНК в аппарате, обеспечивающем синтез белка в митохондриях, произошли какие-то мутации. Для того, чтобы процесс трансляции не нарушался, потребовались специальные мутации в генах митДНК, которые бы «компенсировали» нарушения и позволили бы измененному аппарату белкового синтеза осуществлять свою работу. Если исходить из этого предположения, тогда митохондриальный код следует рассматривать не как более древний, а, наоборот, скорее как более молодой.

В любом случае язык митДНК — это в определенном смысл «жаргон». Зачем он нужен митохондриям? Здесь можно провести параллель с жаргонами определенных социальных или профессиональных групп. Жаргон используется ими для сокрытия своих намерений и действий от посторонних, избежания чужого вмешательства в их дела. Возможно, и митДНК, благодаря использованию видоизмененного кода — жаргона, — изолируется от белок-синтезирующиего аппарата клетки, специализируясь на выполнении одной, но очень важной для клетки функции — производстве энергии.

Замечено, что митохондриальный геном более раним, чем ядерный геном. В результате в нем часто происходят различного рода мутации (точковые мутации, небольшие потери ДНК — делеции и, наоборот, вставки — инсерции). Сейчас уже установлены многочисленные болезни человека, связанные с изменениями в митДНК. Патологические мутации обнаружены почти во всех митохондриальных генах. При этом отмечают огромное разнообразие клинических признаков, обусловленных одним и тем же молекулярным повреждением. Обнаружена взаимосвязь некоторых мутаций и изменений в экспрессии генов митДНК с возникновением рака. В частности, неоднократно отмечалось при раке груди и лимфомах усиление транскрипции гена, кодирующего одну из цепей белкого комплекса, участвующего в снабжении клеток энергией (субъединицы II цитохром-с — оксидазы). Некоторые, к счастью, редкие, тяжелые наследственные болезни человека также обусловлены мутациями в отдельных генах митДНК. В России сейчас существует специальная программа диагностики и профилактики митохондриальных болезней.

Еще один удивительный факт, связанный с митДНК, касается ее наследования. Оказалось, что митДНК передается из поколения в поколение принципиально иначе, чем хромосомная ДНК. Организм человека развивается из оплодотворенной яйцеклетки, которая содержит хромосомы обоих родителей. При оплодотворении в яйцо проникает сперматозоид с набором отцовских хромосом, но практически без отцовских митохондрий и, следовательно, без какой-либо отцовской митДНК. Только яйцеклетка предоставляет зародышу свою митДНК. Это ведет к важным последствиям: митДНК передается только по женской линии. Мы все получаем митДНК только от своей матери, а она еще раньше от своей, и так далее в ряду только женских поколений. Сыновья в отличие от дочерей не передают свою митДНК — цепочка оборвется. Таким путем ДНК образуют клоны — наследственные линии, которые могут только разветвляться (если у женщины родилось несколько дочерей), но в отличие от хромосомной ДНК не могут объединяться в одном организме и создавать новые генетические комбинации. По этой причине было интересно провести сравнение митДНК у представителей различных человеческих этнических популяций, то есть рас и народностей. Такого рода сравнения были начаты еще в конце 80-х годов прошлого века и продолжаются до сих пор. Подробнее мы еще поговорим об этом далее.

Таким образом, такие базовые процессы в клетке, как транскрипция, трансляция, репликация и репарация митДНК, в значительной мере зависят от ядерного генома, но пока не до конца ясно, как эти два генома интегрированы друг с другом. Изучение механизмов межгеномного взаимодействия может стать полезным во многих отношениях, в частности для понимания интегральной картины различных патологий человека, включая и злокачественное перерождение клеток.

Итак, грандиознейший проект человечества под названием «Геном человека» успешно завершился, и, как принято считать, Энциклопедия человека вчерне написана. Конечно, трудно переоценить важность этого события. Некоторые сравнивают его с первым полетом на Луну, другие признают одним из наиболее значимых достижений науки в истории прошедшего тысячелетия. И все эти оценки не преувеличены. Но теперь это уже пройденный этап. Определение полной последовательности нуклеотидов ДНК всех хромосом человека дала нам в руки огромную информацию, которой, однако, предстоит пользоваться и расшифровывать долгие годы. Условно говоря, проделана работа по засеву и удобрению поля, на котором вскоре можно ожидать богатый урожай. В руки человека попала гигантская библиотека, которая создавалась долгие годы, и разрозненные тома которой выходили много лет. Торжества по случаю завершения этой работы напоминают забивание «серебряного костыля» на протяженной железной дороге, по многим отдельным участкам которой движение давно уже было налажено, но до полного освоения которой еще потребуются огромные многолетние усилия. Ведь ДНКовый текст генома человека пока лишь только «считан» со сверхминиатюрного природного носителя информации — ДНК — и занесен на обычные электронные — компьютерные базы данных. При этом мы пока еще не владеем полностью «грамотой» генетического языка, скрывающего многочисленные секреты человека. Вот в чем причина, почему нельзя говорить, как это часто делают журналисты (да и мы иногда говорили выше ради красного словца), что геном человека расшифрован. Он не расшифрован, а только прочитан, или выражаясь по-научному, — секвенирован. К самой расшифровке генома ученые-генетики только приступают. Можно привести такую аналогию. Например, специалистам очень давно известно о существовании агванского письма, которое применялось в раннем средневековье на территории Азербайжана и Дагестана. В распоряжении ученых имеются письменные памятники этого письма, рукописный список его алфавита (т. е. текст только списан). Несмотря на все это, тайна агванского письма (секреты, которые он несет) остается до сих пор в значительно мере неразгаданной.

Завершение проекта «Геном человека» открыло новую эру, часто называемую постгеномной. По прошествии 2–3 лет первоначальная эйфория начала спадать, и стало очевидным, что пройден только первый, относительно легкий этап — структурный. Если сравнивать с объемом работы, который еще предстоит проделать мировой науке для того, чтобы наши знания о геноме человека кардинально изменили качество жизни человечества, то можно сказать, что на сегодня сделано крайне мало. Теперь предстоит новый, несомненно более сложный этап, называемый учеными функциональным. Энциклопедия человека напечатана и издана, но прежде чем понять суть жизни, надо научиться читать этот текст целиком, а мы пока можем прочесть только отдельные абзацы, да еще далеко не полностью даже на отдельных страницах. Важно понимать, что геном — хранилище информации, которую нельзя свести к одним генам. Каждый этап развития и функционирования отдельных клеток и организма в целом не запрограммирован автоматически в одном геноме, а зависит также от множества различных внутренних и внешних факторов.

Сегодняшняя ситуация подобна той, о которой говорил Козьма Прутков: «Где начало того конца, которым оканчивается начало?». На повестке дня стоит новый лозунг: «От структуры — к функции», то есть, говоря по-научному, от структурной геномики — к функциональной геномике человека. Уже начался бурный прогресс в изучении механизмов работы как отдельных генов, так и генома в целом. Именно достижения в этом направлении определят в конечном итоге успех всех тех начинаний, ради которых и старались исследователи, когда расшифровывали (извините, секвенировали) геном человека. Королева по имени структурная геномика сделала свое дело, наследственная королева — функциональная геномика — взошла на трон.

Сам по себе ген — лишь определенная последовательность нуклеотидов. Его основная задача — обеспечить производство на свет строго определенного белка (в крайнем случае РНК). Существует даже выражение: «гены — поваренная книга, испещренная тысячами рецептов; белки — угощение, выставленное на стол». В постгеномную эру появились новые возможности не только для функциональной геномики, но и для исследования самих белков — основных кирпичиков живого.

Белки (или, как еще их называют, протеины) известны нам уже около 200 лет. В начале XIX столетия химики выбрали имя «протеины» для этих веществ от греческого слова «proteios», означающего «первый» или «важнейший». В русском языке эти вещества чаще называются белками. И вот теперь, на базе геномики возникло новое направление исследований — протеомика. Протеомика — это изучение всей совокупности белков клеток и их взаимодействия в целом организме. Ученые в области протеомики изучают «производство» белков, их структуру и состав, различные модификации после синтеза, функции и метаболизм. Все эти исследования имеют одну общую цель: идентифицировать все белки, работающие в каждом типе клеток в каждый определенный момент их жизненного цикла, и понять в совокупности их сложный метаболизм.

Масштаб предстоящей работы представляется огромным. Ведь во взрослом организме человека в 10¹⁴ его различных клеток функционирует несколько десятков тысяч генов. Но гены кодируют лишь белки, а не их сборку в работающую «машину». Белковый «текст» — это трехмерный мир, намного превышающий возможности ДНКового текста. Как пишет американский биолог Роберт Поллак, «гены — это линейный текст, а белки — трехмерная скульптура». В белковом тексте, условно говоря, «буква» — это аминокислота, корень «слова» — последовательность аминокислот в единичном полипептиде. Свертываясь в трехмерную структуру, единичный полипептид формирует по сути дела полное «слово», которое уже может быть и простым «предложением». Вдобавок, в живой клетке форма белков может динамически меняться, что превращает их в подобие более сложной, «кинетической» скульптуры. Далее возникают сложнейшие «предложения» — комплексы, состоящие из десятков и даже сотен белков. Таким образом, разнообразие белковых вариантов у нас значительно больше, нежели генов. По некоторым оценкам, белковых вариантов и их всевозможных комплексов в наших клетках может набраться аж миллион! Связано это с тем, что, как говорилось выше, с одного гена за счет альтернативного сплайсинга возможно получение нескольких разных РНК-копий, которые способны кодировать разные белковые цепи (полипептиды). Последние, в свою очередь, могут по-разному взаимодействовать друг с другом, образуя комплексы, состоящие из 2–4 и более полипептидов. При этом формируются многочисленные белковые комплексы, обладающие порой разными функциями. Например, ген по имени Ikarus за счет альтернативного сплайсинга способен обеспечивать образование 6-ти различных полипептидов. А далее из них в клетке может сформироваться около 20 разнообразных белковых комплексов, состоящих или из одинаковых, или разных полипептидов. Таким образом, наш организм содержит гигантское число вариантов белковых молекул. Все это существенно осложняет на сегодняшний день возможность создания «каталога белков».

Кроме белков, в нашем организме содержится большое количество других молекул: липидов, углеводов, разнообразных низкомолекулярных органических соединений. Но все-таки основу основ составляют именно белки. Они выполняют в клетках весьма разнообразные функции: одни служат строительными материалами клетки (структурные белки), другие выполняют функции ферментов, катализируя многочисленные клеточные химические реакции, третьи являются регуляторами процессов репликации, транскрипции и трансляции. Существуют еще транспортные белки, участвующие в транспортировке метаболитов в клетке, белки-гормоны, хранилищные белки, рецепторные, сократительные и др. Белки в клетке постоянно синтезируются и постоянно разрушаются (деградируют). Кроме того, в клетке они распределены между разными, относительно изолированными областями, окруженными мембранами, которые называются органеллами.

Важно также отметить, что в настоящий момент анализировать белки существенно труднее, чем гены. Если процесс севенирования ДНК уже автоматизирован так, что «с ней справилась бы любая обезьяна», как едко заметил нобелевский лауреат Джеймс Уотсон, то методы анализа белков оказались гораздо более сложными. В далеком 1962 г. вместе с Уотсоном и Криком в Стокгольм были приглашены из Кембриджа Джон Кэндрью и Макс Перутц. Они были тогда удостоены Нобелевской премии по химии за впервые осуществленную расшифровку трехмерной структуры двух белков — миоглобина и гемоглобина, — ответственных за перенос кислорода в мышцах и эритроцитах соответственно. Даже в начале 1990-х годов расшифровка структуры каждого нового белка представляла значительные трудности. Каждый анализ занимал порой до десятка лет. Сейчас методы анализа белков значительно усовершенствованы. Однако все еще перспективы создания «каталога протеинов» намного более отдаленны, чем перспективы создания упомянутых выше каталогов генов, снипсов или вариаций метилирования ДНК.

Хотя и от самого по себе синтеза белка еще далеко до создания целого организма, но без белков этот процесс никогда не пойдет. Белки не только составляют большую часть клетки как структурные элементы, они осуществляют также постоянный тонкий контроль за всеми химическими процессами, происходящими внутри клетки, избирательно включая и выключая их в строго определенные сроки и в строго определенных местах. Это теперь понятно. Но не понятно до конца другое: как именно происходит в конечном итоге развитие целого организма из одной единственной клетки — зиготы. Белки, конечно же, активно участвуют в этом процессе как основные компоненты.

Работа белков, как и работа генов, тоже зависит от многих факторов, прежде всего влияющих на их пространственную структуру. Более того, многие белки со временем могут меняться (модифицироваться), и здесь уже гены не оказывают никакого влияния. Происходит это путем присоединения к белковым молекулам особых побочных групп — фосфатидов, сахаридов или ненасыщенных углеродных цепочек. Все эти события — как и образование пространственной структуры белка — никак не отмечены в генах. Гены содержат лишь общий план активной жизни клеток, а сама жизнь определяется в конечном итоге белками.

Гены во всех клетках всегда одни и те же, но вот белки, наоборот, постоянно меняются в зависимости от стадии развития клетки, возраста организма, состояния клетки и множества других обстоятельств. Иными словами, как пишет акад. Л. Л. Киселев, «протеом — понятие динамическое, а геном, напротив, статическое».

Белки позволяют себе импровизацию типа джазовой, т. е. коллективной, когда вместо одних белков их функцию выполняют другие. Это очень важно, поскольку все ситуации, с которыми сталкивается организм в процессе своей жизни, заранее предусмотреть нельзя. Известно и другое — один и тот же белок может иметь отличающийся эффект в разных типах клеток и на разных стадиях развития. Все это имеет аналогии с обычным литературным текстом. В лингвистике для описания подобных случаев имееются специальные термины. Так, термин синонимия обозначает предложения, несущие один слысл, но состоящие из разных слов (например, «Мамонтов погубило внезапное похолодание» и «Резкое понижение температуры на планете привело к гибели мамонтов»). Под термином омонимия подразумевают смысловое различие внешне совпадающих предложений (например, предложение «Мы проехали остановку» может обозначать две разные ситуации: мы проехали расстояние, равное перегону между двумя остановками, или мы миновали то место, где должны были выйти).

Одна из важнейших целей, стоящих перед учеными, занятыми анализом протеома, заключается в поиске характерных изменений в белках, присущих различным видам заболеваний. Действительно, нередко удается проследить взаимосвязь между изменениями белков и разными болезненными состояниями. Секвенирование генома человека дало в руки исследователей важную информацию для борьбы с наследственными недугами. Однако не все болезни передаются нам по наследству. Многие никак не связаны с «родовым проклятием». Выявить эти болезни можно, лишь узнав, как изменился состав белков внутри патологической клетки. По этой перемене можно заранее заметить и патологические процессы, начавшиеся в организме.

Чтобы увидеть белковый состав клетки, ученые прибегают к так называемому двумерному электрофорезу. Сначала белки сортируют по их заряду, а затем они попадают в гель, выполняющий роль сита, в котором белки разделяют по их размерам. Таким образом, удается разделить до десяти тысяч белков и маркировать их. На этой основе можно составить что-то вроде паспорта данной клетки, где примерно указан состав белков. Если человек заболевает, «паспорт» изменится. Сравнивая наборы белков больной и здоровой клеток, удается оценить течение болезни и процессы, ей сопутствующие. Все это позволяет значительно ускорить поиск белков-мишеней и осуществлять разработку лекарственных средств, чтобы как можно быстрее обеспечить больных новыми эффективными лекарствами. Сегодня более 95 % всех фармакологических средств на рынке нацелены на воздействие на белки-мишени. Протеомика порой может помочь идентифицировать и оценить новые целевые белки гораздо эффективнее, чем геномика. Это позволяет резко ускорить разработку новых диагностик и терапевтических средств.

Можно привести такой пример. Известно, что к повышению артериального давления прямое отношение имеет так называемый ангиотензин-конвертирующий фермент (ACE). Антиотензин, образующийся под действием ACE, воздействует на стенки артерии, что и ведет к гипертонии. Уже относительно давно были найдены блокаторы АСЕ, которые стали продаваться в качестве лекарств от повышенного давления. Однако все эти лекарственные средства оказались малоэффективными. В результате анализа генома человека был выявлен наиболее распространенный и эффективный вариант фермента. Затем была определена структура белкового продукта, после чего подобраны химические вещества, активно связывающиеся с ним. В результате был найден новый эффекивный препарат против артериального давления, причем за вдвое меньшее время и всего лишь за 200 млн долларов вместо 500 млн!

Окончательных результатов этого нового грандиозного исследования, которое можно назвать «Протеом человека», конечно же, в ближайшие месяцы ожидать не приходится. Понадобится, видимо, много десятков лет, если не все новое столетие. Лишь после того, как человечество получит в свое распоряжение всю эту информацию, можно будет говорить об окончательном завершении программы «Геном человека».

Но и это еще не конец предстоящих исследований. Не завершение процесса создания Энциклопедии человека. Не вызывает сомнения, что гены и кодируемые ими белки — продукт эволюции. Вместе с тем очевидно, что когда гены еще вообще не существовали, в неорганическом мире, у кристаллов и минералов, имелись определенные формы, подобные тем, что есть сейчас у вирусов, белков и даже клеток. До сих пор мы еще мало знаем о тех механизмах, которые побуждают группы молекул объединяться вместе, формируя те или иные клетки и ткани. Тем не менее, следует отметить, что в последние годы возникло некое новое представление о процессе самосборки молекул, которое может оказаться важным для нашего понимания процессов формирования и вообще функционирования человека. Возможно, во всем многообразии природных систем существует некий единый фундаментальный способ построения разнообразных структур. Его иногда назвывают «тенсегрити» (при переводе слова «tensegrity» с английского, получится что-то вроде «напряженности стойкости», что довольно коряво и малопонятно звучит по-русски). Термин «тенсегрити» означает, что система стабильна за счет баланса в ее структуре сил сжатия-растяжения. Это общий принцип, который, вероятно, работает и в организме человека. Считается, что все 206 костей человека противостоят силе тяжести, что дополнительно к мышцам, сухожилиям и связкам позволяет ему удерживаться в вертикальном положении. Таким образом, по тенсегрити, основные структуры внутри нас — кости, которые служат прочными распорками, а также мускулы, сухожилия и связки, являющиеся упругими элементами. Согласно этому представлению, законы тенсегрити действуют как на молекулярном уровне (им подчиняются наши белки и другие важные для клетки молекулы), так и на клеточном и даже организменном уровнях (при формировании тканей и органов, при морфогенезе). И все эти «сопроматные» механизмы, действующие in vivo наряду с генетическими, нам еще предстоит изучить.

Известный русский биолог Н. Тимофеев-Ресовский писал: «В удивительном по своей стройности и сложности индивидуальном развитии многоклеточных организмов, к каковым относится и организм человека, с высокой точностью в должное время в должном месте происходит должное». Это верно для здорового человека, однако медицине приходится иметь дело главным образом с исключениями из этого правила, безусловно верного для здорового организма.

Многие годы важную роль в решении всех этих «исключений из правила» играло специальное направление в медицине — молекулярная генетика. Основоположниками медицинской генетики в России были С. Н. Давиденков, занимавшийся изучением роли наследственности в болезнях нервной системы, и С. Г. Левит, организовавший в Москве и возглавивший первый в России (и один из первых в мире) Медико-генетический институт. Это направление сыграло важную роль на начальных этапах, когда мало что было известно о структуре генома человека.

Первоначально в медицине было принято считать, что любое заболевание представляет собой результат дисбаланса биохимических реакций, возникающих в результате тех или иных молекулярных поломок. В связи с этим на первом этапе нужно всего лишь определить «молекулярную мишень», а затем с помощью лекарства исправить существующее нарушение. Такой подход в целом оправдал себя при разработке лекарственной терапии инфекционных заболеваний, где в качестве мишени выступали различные бактерии и вирусы. Но при других типах заболеваний, таких, как, например, атеросклероз, рак, преждевременное старение, заболевания нервной и сердечно-сосудистой систем, старая идеология «забуксовала», потому что у этих заболеваний оказалось слишком много разных причин, включая и генетические. Стало понятным, что надежда на одну единственную «волшебную пулю», направленную на одиночную мишень, здесь не может помочь — во многих случаях «мишеней» в клетках очень много, к тому же они еще и подвижны.

Только революция, которая произошла в медицине в последние годы — как результат развития молекулярной генетики и полного секвенирования генома человека, позволила перейти от в известной мере иррационального знания к рациональному. Сегодня на основе геномики возникли такие направления, как медицинская геномика и биомедицина, которые тесно переплетаются с функциональной геномикой человека.

Опытные врачи говорят, что нет двух одинаковых болезней и двух одинаковых пациентов. И не менее чем на 50 % эти различия связаны с особенностями структуры генома. Если в будущем удастся проводить сравнение генов больных людей с генами идеального, «чистого» гомо сапиенс, это существенно поможет поиску пути к эффективному лечению.

Геном — это в первую очередь реальный текст, опечатка в котором, допущенная Природой, может сделать человека или уродом, или инвалидом, или даже не позволит ему родиться вообще. В результате реализации проекта «Геном человека» появилась твердая уверенность, что уже в недалеком будущем большинство болезней можно будет лечить на генетическом уровне. А потому медицинскую геномику считают чуть ли не самым перспективным направлением в развитии современной медицины. В конце прошлого столетия с этим согласились даже политики, когда правительства Америки, Англии, России и ряда других стран стали инциаторами грандиозного научного проекта под названием «Геном человека».

Полное секвенирование генома человека стало важнейшим этапом для всей мировой медицины. На основе успехов в молекулярной генетике и определения полной последовательности генома человека произошла «генетизация» медицины, что привело к возникновению медицинской геномики, или молекулярной медицины. Если раньше считали, что генетика имеет отношение только к наследственным заболеваниям (а они составляют всего около 2 % от общего числа заболеваний человека), то сейчас стало совершенно очевидным, что все болезни в той или иной мере от генов (а не от нервов, как это широко было принято считать, хотя и они, конечно, тоже играют свою роль). Один из руководителей геномного проекта Френсис Коллинз высказался на этот счет весьма категорично: «Нет болезней, за исключением некоторых случаев травм, которые не имели бы наследственного вклада. Я не знаю ни одного примера».

При наследственных болезнях наблюдаются опечатки в ДНКовом тексте, которые приводят к дефекту гена. В случае других заболеваний нарушения обычно затрагивают не структуру гена, а скорее регуляцию его экспрессии.

Что же дало для медицины полное секвенирование генома человека? Как теперь ясно — очень многое. В первую очередь то, что теперь стало возможным диагностировать большинство (а в перспективе практически все) известных наследственных заболеваний на любой стадии развития человека, в том числе и до рождения (пренатальная диагностика). ДНКовый текст позволяет обнаружить предрасположенность индивидуума к тем или иным заболеваниям, включая и заболевания, обусловленные внешними причинами (химическими факторами среды, вирусами, питанием и др.). ДНК стала базой для генотипирования, идентификации личности. Далее, детальные данные об индивидуальных особенностях генома пациента служат основой для фармакогеномики — новой науки, изучающей, как генетика влияет на вариабельность ответа пациентов на лекарства. Рассмотрим теперь все эти вопросы по порядку.

Любая болезнь, для которой не существует эффективной терапии, представляет собой тайну, которую не так легко раскрыть. Ученым-медикам, прежде чем изготовить эффективное лекарство или найти иной способ лечения пациента, нужно узнать первопричину заболевания, а не его внешнее проявление. Ключ к этому — ген или гены, так или иначе вовлеченные в патологию. Не так давно в науке появилась новая профессия — «охотник за генами». По аналогии с популярными в конце прошлого века «охотниками за микробами» — микробиологами — век спустя «охотниками за генами» называют молекулярных биологов, которые выслеживают, находят и секвенируют (расшифровывают) человеческие гены, и в первую очередь гены серьезных наследственных болезней. Как же осуществляется «охота»? Один из наиболее многообещающих способов сделать это — проведение тщательного сравнения ДНКовых текстов у людей, связанных родственными узами, одна часть которых подвержена какому-то характерному заболеванию, а другая — нет. Конечная цель такого поиска — определить у носителей болезни ответственный за нее ген с нарушенным генетическим кодом.

Уже говорилось, что геномы всех нас с вами очень похожи друг на друга. Если и имеются различия, то они весьма незначительные. Однако в них-то и заключается проблема. По этой причине медицинская геномика существенное внимание уделяет генетическому полиморфизму. Ранее уже шла речь о полиморфизме генома человека и об использовании этого явления для решения различного рода теоретических проблем. Но для медиков полиморфизм нашего генома имеет не столько теоретическое, сколько сугубо практическое значение.

Достоверно установлено, что многочисленные наследственные заболевания связаны с мутациями в генах, то есть с изменениями в самой структуре белков. Иногда достаточно мутации лишь в одном гене (такие патологии называют моногенными наследственными болезнями), иногда заболевание связано с наличием мутаций одновременно в нескольких генах (мультигенные наследственные болезнями). Медикам, конечно же, проще иметь дело с первыми, хотя и здесь могут быть проблемы с лечением. Наряду с эти, выяснилось, например, что белки содержат специальные сигнальные последовательности, которые можно сравнить с адресами на почтовых отправлениях или с ярлычками на багаже, где написано место, куда предполагается его доставить. Фактически такие сигнальные последовательности представляют из себя цепочки аминокислот, которые или прикреплены к белковой молекуле в виде хвоста, или, иногда, лежат непосредственно внутри нее самой. Очень важно, что множество наследственных заболеваний человека вызывается нарушениями именно в этих сигналах и в транспортных механизмах, с ними связанных. Таким образом, человеческие патологии связаны не только с нарушением структуры генов и кодируемых ими белков, но и с транспортом (перемещением) функционально активных белков в клетке.

Полиморфизм генома чаще всего для человеческого организма нейтрален. Тем не менее, изменения в целом ряде генов (и в их регуляторных участках) при определенных условиях могут способствовать, а иногда, наоборот, препятствовать проявлению отдельных заболеваний. Если обнаруживают гены, определенный полиморфизм в которых ассоциируется с тем или иным заболеванием, то их называют «генами предрасположенности» и они становятся объектом пристального внимания медиков. Первоначально определяют, к какому классу относятся эти гены. Принято считать, что среди генов предрасположенности к заболеваниям есть «гены детоксикации», которые реагируют на факторы внешней среды, и «гены-триггеры», связанные с запуском патологического процесса под действием внутренних факторов организма.

В поиске «больных» генов весьма полезными оказались уже упоминавшиеся снипсы. На них сейчас возлагают большие надежды. Изучение «снипсов» показало, что иногда замена одного-единственного нуклеотида может вызвать у данного человека повышенную склонность к развитию того или иного заболевания. Это происходит в тех случаях, когда, например, точковая мутация возникает вблизи гена, на участке ДНК, регулирующем его работу. Изучение «точечных» различий между индивидуумами может открыть путь к «индивидуализированной» медицине. Большая роль здесь отводится новому направлению — фармакогеномике, о котором подробнее мы поговорим в следующем разделе.

Расскажем о том, как секвенирование генома человека и анализ снипсов существенно изменили стратегию обнаружения и клонирования генов, ответственных за наследственные заболевания. Итак, имеется некая наследственная патология. Понятно, что за нее отвечает какой-то ген или группа генов. Что требуется, чтобы обнаружить такой ген? Сначала надо грубо определить локализацию этого неизвестного гена (его называют геном-кандидатом) на одной из 23 хромосом. Начинается масштабный поиск каких-либо изменений в ДНК разных больных с этой патологией. Обычно сперва в результате такого анализа на определенной хромосоме выявляется довольно большой район, в котором могут располагаться десятки или даже сотни разных генов. Для поиска конкретного гена-кандидата заболевания необходимо сузить исследуемый участок ДНК. На это уходило раньше несколько лет. Однако после расшифровки генома ситуация упростилась. Теперь почти вся нуклеотидная последовательность генома человека известна и помещена в базы данных, с которыми можно связаться в любой момент по Интернету. Если известна хромосомная локализация какого-либо заболевания, достаточно запросить информацию о нуклеотидной последовательности этого района, провести компьютерный поиск генов, содержащихся в нем, а затем выбрать один или несколько наиболее подходящих и протестировать их на мутации у ряда пациентов с данной патологией. Ген, в котором таковые будут обнаружены у большинства больных и не обнаружатся у здоровых людей, и есть искомый ген заболевания.

Подробные генетические и физические карты генома человека и особенно последовавшее за этим полное секвенирование ДНК позволили в последние годы успешно клонировать многие гены, ответственные за различные наследственные заболевания. Как уже говорилось, важная роль в этих достижениях принадлежит и сравнительному анализу геномов разных индивидуумов, принадлежащих к одному семейству, а также геномов нормальных и «больных» клеток.

Важными материалами для медицинской геномики служат относительно изолированные популяции людей и наличие подробных данных об их родственных связях. Так, в отличие от многих других стран, Исландия уникальна не только своим климатом, но и своими жителями. В течение многих веков здесь строго документировали все формировавшиеся брачные отношения, и, что очень важно, эти сведения сохранили в целости и сохранности до наших дней. Это дало в руки исследователей огромный материал, охватывающий около 270 тыс. ныне живущих людей и 330 тыс. их ранее живших предков. В результате появилась возможность создавать родословную для каждого из исландцев на глубину до 10 веков. Сейчас там проводят массовый анализ геномов жителей и исследуют взаимосвязь наиболее распространенных заболеваний с различными генетическими маркерами. И это уже начинает приносить первые плоды. Во-первых, удалось обнаружить связь между развитием панических расстройств психики и аномалиями строения хромосомы 9. Во-вторых, исследователи выявили ген, мутация в котором резко увеличивает вероятность развития ишемического инсульта (эта мутация получила название STRK 1 от англ. «stroke» — инсульт).

В принципе существует два основных подхода к поиску гена-кандидата, отвечающего за патологию: от белка к гену и от генома к гену. Последний путь оказался наиболее эффективным. Часто для поиска «больного» гена используют полиморфизм микросателлитных маркеров, расположение которых на хромосомах хорошо известно. Сначала выявляют «сцепление» между заболеванием и определенной формой того или иного микросателлита, затем по расположению микросателлита определяют область, которая может иметь отношение к развитию заболевания. В этой области и ищут ген-кандидат болезни. Новая стратегия получила название «позиционного клонирования гена-кандидата».

Так, в частности, поступил российский генетик Е. И. Рогаев совместно со своими зарубежными коллегами для обнаружения одного из генов, ответственного за болезнь Альцгеймера, который определяет прогрессирующее старческое слабоумие. Это заболевание начинается с незначительных на первый взгляд нарушений памяти (на имена и близкие по времени события), но уже в течение двух — трех лет приводит к полной деградации личности и мучительной смерти. Болезнь Альцгеймера как причина смертности стоит на четвертом месте в развитых странах. Еще несколько лет назад врачи не могли предвидеть развитие болезни Альцгеймера у своих пациентов, а порой даже неправильно ее диагностировали. И вот к этой проблеме подключились «охотники за генами». Они проанализировали ДНК, выделенные из крови больных и их здоровых родственников, и определили, что у всех больных есть некий особый общий участок хромосомы 14. Схема дальнейшего поиска гена-кандидата изображена на рис. 33. На следующем этапе определили, с какими маркерами (микросателлитами) сцеплен искомый ген (на рисунке указано 8 таких микросателлитов). На следующем этапе в библиотеке генов человека были найдены большие (около 1 млн. п. н.) фрагменты хромосомы 14, соответствующие исследуемому участку ДНК. С их помощью был более точно установлен участок хромосомы, несущий «больной» ген (на рисунке он обозначен двунаправленной стрелкой). Половина дела была сделана. Далее определили, какие гены здесь имеются. Их оказалось несколько десятков (отмечены светло-серыми прямоугольниками). И вот конечный результат: лишь в одном из множества генов были найдены мутации, которые встречаются только при болезни Альцгеймера (отмечен темным прямоугольником).

^{Рис. 33. Схема процедуры поиска гена-кандидата, ответственного за болезнь Альцгеймера. Фрагмент с геном пресенилина указан внизу темным цветом}

Так был найден ген, ответственный за изучаемую патологию, который назвали пресенилин 1. Позднее еще один похожий ген (ген пресенилина 2) был найден на хромосоме 1. Люди с мутациями генов пресенилинов заболевают к 30–60 годам. При этом никакие условия среды, к сожалению, не могут предотвратить или остановить развитие болезни, ведущей в конечном итоге к летальному исходу.

А первый успех на пути использования полиморфизма для определения гена, ответственного за такое заболевание человека, как болезнь Хантингтона, пришел еще в 1983 году. Тогда был локализован на коротком плече хромосомы 4 ген, ответственный за это заболевание. Затем последовали другие успешные работы. В частности, геномный скрининг аллелей предрасположенности в семьях с накоплением диабета типа 1 позволил выявить в хромосоме 6 полиморфный вариант гена, тесно связанного с развитием этого заболевания.

В настоящее время более-менее детально картировано около 1000 генов, связанных с различными болезнями человека. А всего в Энциклопедии человека описано свыше 7,5 тыс. участков, существенные изменения в которых потенциально являются причинами тех или иных наших болезней. Но со всем этим придется еще долго разбираться. Сейчас установлено, что продукты большинства (около 30 %) из хорошо изученных генов, вовлеченных в патогенез, обладают энзиматической активностью. Еще примерно 14 % составляют гены, продукты которых модулируют функции различных белков. Функции продуктов остальных генов многочисленны: факторы транскрипции и их рецепторы, белки, входящие в матрикс, трансмембранные транспортеры и др.

Уже известны гены, мутантные формы которых приводят к сердечно-сосудистым заболеваниям, атеросклерозу, раку и другим заболеваниям. Удалось уже выделить группу генов, которые отвечают за предрасположенность к наркомании и алкоголизму, за различные психические заболевания человека. В частности, обнаружены молекулярные механизмы свыше десятка неврологических заболеваний, получивших общее название болезней триплетных повторов. Суть генетических изменений в этих случаях заключается в размножении (это называют экспансией, захватом) микросателлитов — повторяющихся триплетов — внутри или на концах отдельных генов. Так, давно был известен синдром ломкости X-хромосомы, который проявляется в виде разрывов в длинном плече этой хромосомы. Результат этого — нарушение нормального функционирования центральной нервной системы. «Охотники за генами» обнаружили «больной» ген, который определяет эту патологию (ген FMR1). Оказалось, что в первом экзоне гена FMR1 имется участок, состоящий из повторяющихся тринуклеотидов ЦГГ. У здоровых людей число таких повторов варьирует от 6 до 20, а вот у больных число копий резко увеличено (до 230), в результате чего этот ген перестает работать. Другие заболевания, связанные с увеличением (экспансией) тринуклеотидного повтора, — болезнь Хантингтона (здесь триплет в «больном» гене другой — ЦАГ), миотоническая дистрофия (триплет ЦТГ), болезнь Кеннеди (снова триплет ЦАГ). В сумме умеренная экспансия триплетов ЦАГ (они кодируют аминокислоту глутамин) обнаружена при 8 нейродегенеративных заболеваниях. В этом случае экспансия глутамина вызывает, по-видимому, приобретение белком токсических свойств.

Анализ «больных» генов показал, что часто разные мутации в одном гене приводят к одному и тому же типу патологии. Например, в уже упоминавшемся гене пресенилина обнаружено множество различных мутаций, и все они ассоциированы с болезнью Альцгеймера. Синдром Холта — Орама, характеризующийся скелетными и сердечными аномалиями, обусловлен мутациями в так называемом гомеобоксном гене, расположенном на 12-ой хромосоме. Продукт этого гена скорее всего функционирует как фактор транскрипции в сердце и конечностях. В гене обнаружено 8 мутаций, большая часть которых связана с возникновением преждевременного стоп-кодона. При муковисцидозе — болезни одного гена — проявление патологии весьма разнообразно. Выяснилось, что разные формы этого заболевания связаны чуть ли не с 600 различными мутациями в одном гене.

С другой стороны, в отдельных случаях разные мутации в одном и том же гене могут приводить к развитию разных патологий. Например, четыре вида заболеваний связывают с мутациями в одном гене тирозинкиназы (RET). Одно из них — болезнь Гиршспрунга — представляет собой сложное наследственное заболевание. Кроме того, с другими мутациями в гене RET связаны такие болезни, как множественные эндокринные неоплазии двух разных типов.

Кроме болезнетворных генов обнаружены еще некоторые гены, имеющие прямое отношение к здоровью человека. Выяснилось, что существуют гены, обуславливающие предрасположенность к развитию профессиональных заболеваний на вредных производствах. Так, на асбестовых производствах одни люди болеют и умирают от асбестоза, а другие устойчивы к нему. В будущем возможно создание специальной генетической службы, которая будет давать рекомендации по поводу возможной профессиональной деятельности с точки зрения предрасположенности к определенным профессиональным заболеваниям.

Оказалось, что предрасположенность к алкоголизму или наркомании тоже может иметь генетическую основу. Открыто уже семь генов, повреждения которых связаны с возникновением зависимости от химических веществ. Из тканей больных алкоголизмом был выделен мутантный ген, который приводит к дефектам клеточных рецепторов дофамина — вещества, играющего ключевую роль в работе центров удовольствия мозга. Недостаток дофамина или дефекты его рецепторов напрямую связаны с развитием алкоголизма. В хромосоме 4 обнаружен ген, мутации которого приводят к развитию раннего алкоголизма. Уже в раннем детстве это отражается на поведении ребенка в виде повышенной подвижности и заметного дефицита внимания. Например, недавно выяснилось, что более двух третей всех полинезийцев наделены особой аллелью гена алкогольдегидрогеназы 2, которая оберегает их от алкогольной зависимости. Большинство людей с таким геном признают, что попытки выпить пива, водки или вина неизбежно оставляют после себя очень неприятное чувство и стойкое отвращение к спиртным напиткам.

В настоящее время также интенсивно изучается проблема зависимости психики человека, его способностей и талантов от его генов. Главная задача будущих исследований — это изучение однонуклеотидных вариаций (снипсов) в ДНК и выявление различий между людьми на генетическом уровне. Это позволит создавать генные портреты людей и, как следствие, эффективнее лечить болезни, оценивать способности и возможности каждого человека, выявлять различия между популяциями, оценивать степень приспособленности конкретного человека к той или иной экологической обстановке и т. д. Подробнее об этом мы расскажем далее в специальной главе.

Сейчас уже выявлено свыше двух сотен генов детоксикации, полиморфизм которых тесно взаимосвязан с существенно измененной функциональной активностью и отражается в результате в предрасположенности индивидуума к различным заболеваниям под действием ксенобиотиков — чужеродных для организма веществ, таких, как пестициды, препараты бытовой химии, лекарственные средства и т. п. Рассмотрим несколько характерных примеров. Функционально неполноценный вариант гена детоксикации, называемого геном N-ацетилтрансферазы 2, влияет на возникновение рака молочной железы, и этот эффект напрямую связывают с курением. У женщины с данным вариантом гена курение, особенно в молодые годы, повышает риск заболевания раком почти в 20 раз! С определенным видом полиморфизма другого гена (ген GSTM1), участвующего в детоксикациии ароматических углеводородов, связан у курильщиков повышенный риск развития такого злокачественного заболевания, как карцинома.

Интересно, что мутации генов не всегда приводят к негативным последствиям — они иногда могут быть даже полезными для конкретного индивидуума. Приведем один пример. Некоторые спортсмены используют в качестве допинга гормон эритропоэтин, который стимулирует размножение клеток крови. За это их строго наказывают. А вот у двухкратного призера зимних Олимпийских игр 1964 года в Иннсбруке финна Еро Мянтиранта имелась редкая мутация в гене-рецепторе этого гормона (выяснилось это значительно позже). Эта мутация, доставшаяся спортсмену от деда, и внесла существенный вклад в его победы. Дело в том, что благодаря мутации у него образовывалось в крови красных кровяных клеток на 50 % больше, чем в норме, что приводило к существенному повышению обмена кислорода и сильно увеличивало выносливость организма к перегрузкам.

Конечно, золотые медали — это хорошо, но, скажем, устойчивость к вирусу иммунодефицита не менее важна для человека. Ведь в период до 2020 года от СПИДа в мире может погибнуть до 70 миллионов человек! Эти пугающие цифры приводятся в отчете, представленном в 2002 году на ежегодном заседании Экономической и социальной комиссии ООН.

В Уганде и Танзании инфицированность вирусом иммунодефицита среди проституток доходит до 60–80 %, однако некоторые из них не только не умирают от СПИДа, но и рожают здоровых детей. Было предположено, что имеется мутация (или мутации), защищающая человека от СПИДа. Люди с такой мутацией могут быть инфицированы вирусом иммунодефицита, но не заболевают СПИДом. В конечном итоге был идентифицирован ген, получивший имя CCR–5, с которым все это связано. За этой непонятной для непросвещенного читателя аббревиатурой скрывается ген, определенное изменение в котором (выпадение небольшого участка ДНК) придает человеку невосприимчивость к вирусу иммунодефицита человека. Большинство людей подвержено этой страшной вирусной инфекции, а вот индивидуумам с такой мутацией она не страшна. В настоящее время создана карта, примерно отражающая распределение этой мутации в гене CCR–5 в Европе. Особенно часто (до 15 % населения) она встречается среди финно-угорской группы населения. Обнаружение такого мутантного гена может привести в конечном итоге к созданию надежного способа борьбы с одним из самых страшных заболеваний нашего века.

Полиморфизм в генах-триггерах (генах-переключателях) часто связан с тяжелыми мультифакторными заболеваниями. В частности, отдельные варианты гена ApoE ассоциированы с развитием таких патологий, как атеросклероз и болезнь Альцгеймера. В качестве генов-триггеров рассматривают также многочисленные онкогены и антионкогены, мутации в которых изменяют метаболизм клетки в целом и приводят к ее злокачественному перерождению.

Зная все это, молекулярная медицина имеет возможность предсказать развитие тех или других патологий у конкретного человека. За этим следует ряд превентивных мер, а в отдельных случаях и направленное лекарственное воздействие. Уже в ближайшем будущем вполне реален такой сюжет. После проведения анализа медики говорят пациентке так: курение вредно для организма, но многие, зная об этом с детства, тем не менее курят. Однако предупреждаем — у вас лично в геноме присутствует «вредный» вариант гена N-ацетилтрансферазы 2. Если другим женщинам курение еще может и сойти с рук, то вам почти на 100 % гарантирован рак молочной железы. Вряд ли после этого пациентка будет курить.

Важной особенностью человека служит способность говорить, общаться с себе подобными. Но у некоторых людей эта способность нарушена. Изучение причины такой патологии в одной довольно многочисленной семье, где все ее члены не могли членораздельно выражать свои мысли, привело к обнаружению «гена речи», дефект в котором и вызывал эту аномалию.

Многочисленные важные для медицины результаты получают на животных как на моделях. Для этого работу мутантного гена изучают с использованием специально полученных культур клеток и трансгенных животных. Смоделировав на животных болезнь человека, их можно затем использовать для подбора лекарств, влияющих на разрушительное действие мутантных генов, например препаратов, которые останавливают гибель клеток.

Иногда идут другим путем. У лабораторных животных с помощью «генного нокаута» полностью выключают тот или иной ген-кандидат, чтобы лучше понять его функцию. Так, итальянские ученые обнаружили ген, играющий ключевую роль в развитии кокаиновой наркотической зависимости. У мышей без гена mGluR5 (этот ген был выключен — нокаутирован), в отличие от нормальных мышей, пристрастие к кокаину не возникало. Нормальные же мыши быстро привыкали к наркотику. С помощью специального приспособления они вводили себе дозу кокаина по 25 раз за два часа. Эти эксперименты открывают новое направление в изучении причин наркомании у людей и поиска путей борьбы с этим тяжелым недугом.

Когда установлена связь заболевания с одним из генов, можно начинать поиск методов лечения. Выяснение механизмов развития того или иного заболевания помогает разрабатывать новые препараты, которые действуют на причину болезни, а не на симптомы. В конечном итоге должны быть разработаны способы и средства лечения большинства болезней человека. На это, скорее всего, потребуются десятилетия, может быть, даже сменится нынешнее поколение людей, однако любой успех на этом пути, без сомнений, стоит затраченных средств, усилий и времени. Благодаря молекулярной медицине в будущем, вероятно, будут созданы новые лекарства, гораздо более избирательные и эффективные, чем ныне существующие, поскольку они будут целенаправленно действовать на строго определенные генные и белковые мишени.

По мнению главы американской программы исследований генома человека Френсиса Коллинза, уже в первой половине XXI века лечение самых разных недугов будет основано на использовании синтетических генных продуктов, которые станут изменять работу заболевших клеток и органов в нужном направлении.

Теперь, когда молекулярная природа многих наследственных патологий установлена, их можно обнаружить даже на внутриутробной стадии. Это позволяет прерывать беременность или заблаговременно начать лечение ребенка. Например, в результате таких мер в некоторых странах за последние годы доля детей, больных талассемией (болезнь крови), снизилась более чем в 20 раз. Моногенные наследственные заболевания легче определяются, часто первые клинические симптомы проявляются на сравнительно поздних стадиях. Это дает возможность диагностировать их до появления первых признаков патологии. Речь идет о таких заболеваниях, как рак молочной железы, хорея Хантингтона, рак толстой кишки, миотоническая дистрофия и др.

Прогресс в секвенировании генома человека ускорил понимание и молекулярной природы сложных генетических заболеваний. Со строго определенными генами связано относительно немного заболеваний. Подавляющее же их большинство, в том числе такие «главные убийцы», как сердечные, возникает при участии многих генов и белков, с одной стороны, и под влиянием окружающей среды — с другой. Все это сильно усложняет ситуацию. Для выхода из этого положения используют несколько методов. Один из них, весьма трудоемкий, заключается в изучении большого числа семей с определенным типом заболевания. Так, американец Р. Лифтон провел со своими коллегами обширное исследование многочисленных семей с синдромом повышенного давления. Это позволило обнаружить у них специфические мутации примерно в десятке разных генов. Многие из этих генов кодируют почечные белки, которые участвуют в транспорте солей и других метаболитов.

Другой путь — изучение соответствующих мутаций у больных мышей, которые имеют значительное генетическое родство с человеком. Однако и здесь пока не все так просто.

Весьма полезной базой для решения этих вопросов может служить большая клиническая информация, разбросанная сейчас по разным институтам и медицинским центрам. Для формирования такой информационной системы сейчас уже создаются огромные международные базы данных по сложным генетическим заболеваниям. Например, программа LURIC (The Luwigshafen Risk and Cardiovascular Health Study) поставила своей целью идентифицировать новые факторы риска генетической природы и окружающей среды для болезней сердечно-сосудистой системы. Далее с помощью функциональной геномики будет осуществляться поиск новых маркеров и генов, вовлеченных в эти сложные заболевания.

К сожалению, наши новые знания пока еще слабо отражаются в медицинской практике на процессе лечения. И это понятно — мы находимся только на первом этапе пути к полному пониманию функций человеческого генома. Тем не менее, в самое ближайшее время наиболее важный практический выход наших знаний о геноме человека ожидается в генной диагностике болезней, лечении и профилактике наследственных и врожденных заболеваний и пороков.

Уже давно бытует хорошо известное мнение, что все болезни от нервов. Это утверждение, как и многие другие категоричные заявления, конечно же, однобоко. Из вышеизложенного очевидно, что в основе большинства патологий лежат не нервы, а человеческий геном. Большая часть заболеваний человека имеет генетический компонент. Роль генетических нарушений может быть ведущей или второстепенной, но она есть почти всегда. «Психологический фактор» действительно играет порой существенную роль как в развитии заболевания, так и при его лечении. Но это уже проблема не генетиков, а психологов.

На фоне современных достижений медицинской геномики довольно архаичным звучит заявление Ватикана, сделанное в начале 2002 года, что ему удалось найти источник всех человеческих болезней. По мнению иерархов католической церкви, все заболевания становятся результатом тех или иных грехов каждого конкретного человека, поэтому все люди могут, в принципе, быть абсолютно здоровыми и хорошо выглядеть. Вот так! И ничего делать не надо. Зачем только ученые тратили и продолжают тратить баснословные денежные средства на изучение структуры и функции генома человека?

Одно из важнейших направлений в медицинской геномике — онкогеномика — направление науки, изучающее молекулярно-генетические механизмы злокачественного перерождения клеток. Раковая (злокачественная) опухоль как правило представляет собой группу клеток организма, которая приобрела способность к неограниченному делению, имеющая свою систему снабжения всеми необходимыми веществами, независимая от систем регуляции, действующих в нормальном организме, и способная распространяться в другие органы и ткани.

Проблема рака всегда чрезвычайно остро стояла перед человечеством. Признаки опухолей неоднократно обнаруживали на сохранившихся костных останках с времен палеолита. Рак был известен медицине еще в глубокой древности, однако даже в 18 веке (до открытия микроскопа) его нередко смешивали с другими заболеваниями — проказой, сифилисом и туберкулезом. В различных летописях можно найти клинические описания далеко зашедших форм этого заболевания. Так, например, неизвестный летописец очень подробно описал в 1160 году «зловонную язву» на лице князя Владимира, которая уничтожила ему нос и верхнюю губу. Поскольку часто опухоли (припухлости) имели «пальцевидные» отростки (клешни), которые проникали в окружающие ткани, они и получили образное название «рак».

В настоящее время эта проблема не только не потеряла свою актуальность, но даже приобрела еще большую остроту. Согласно официальной статистике, от онкологических заболеваний в России ежегодно умирают более трехсот тысяч человек. В США в 2002 году по оценке ученых от рака погибло около 550 тысяч человек. При этом наибольший процент смертности составят рак легких и бронхов. У женщин на втором месте — рак груди, а у мужчин — рак простаты. В цивилизованных странах каждый пятый человек умирает от рака; только сердечно-сосудистые заболевания по смертности опережают или разделяют эту трагическую «пальму первенства». В развивающихся странах частота раковых больных была всегда ниже. Но сейчас, в связи с увеличением продолжительности жизни и проникновением в эти страны «цивилизации», и здесь отмечают повышение онкологической заболеваемости.

Однако медики не виноваты в том, что они до сих пор не могут найти радикальных средств для лечения этого страшного недуга. Многое определяется биологией человека, а биология человека упирается главным образом в его геном. А рак — это прежде всего болезнь генома. Поэтому только детальное его исследование может решить проблему рака.

Еще в 1910 году выдающийся российский ученый И. И. Мечников печатает в газете «Русское слово» статью, в которой пишет буквально следующее: «Одна причина рака, безусловно, находится в самом организме, но другая попадает в него в виде экзогенного начала, скорее всего — вируса». И вскоре ветеринарный врач П. Раус представляет доказательства вирусной природы плотной (иначе, солидной) опухоли кур, теперь называемой саркомы Рауса. Это открытие было сделано в 1911 году, а Нобелевская премия за него была присуждена Раусу только через полвека. Наконец, в 40-х годах прошлого столетия советским ученым Л. Зильбером была сформулирована вирусно-генетическая гипотеза происхождения рака. В известной мере она остается в силе и сейчас.

Однако теперь мы понимаем, что большинство раковых заболеваний не связано напрямую с вирусами, не являются они и наследственными патологиями. Свыше 90 % злокачественных заболеваний возникает как результат нарушений структуры генома (мутаций, причем, как правило, множественных), происходящих в соматических клетках отдельных органов и тканей уже во время жизни человека. Такие мутации часто происходят спонтанно, в них активное участие принимают и различные факторы окружающей среды (условия проживания, радиация, диета, курение и др.). Станислав Лем пишет: «Вирусную гипотезу рака можно примирить с мутационной, поскольку биохимическое родство вирусов и генов весьма значительно. «Ген рака» может быть в известном смысле «вирусом рака». Вирусом мы называем, однако, систему, чуждую организму, врывающуюся в него извне. В этом, собственно, единственная разница».

Любая ли мутация в геноме приводит к раку? Конечно, нет. Постепенно был выявлен определенный спектр генов, мутации в которых имеют прямое отношение к злокачественному перерождению клеток. Теперь такие гены называют протоонкогенами, а мутировавшие протоонкогены — онкогенами (прошу не путать с канцерогенами). Кроме того, имеются и антионкогены, которые препятствуют развитию рака. Но если в них произойдет мутация, то они уже не способны выполнять свою функцию, что в конечном итоге также способствует злокачественному перерождению клеток.

Первой реакцией ученых на обнаружение онкогенов было удивление. Но, как писал В. Я. Александров, «удивление — лучший повод для исследования». Получалось, что в геноме человека изначально имеются гены, которые только и ждут момента, чтобы нас с вами уничтожить. По этой причине первоначалоно стали говорить о существовании «внутреннего врага», «генов смерти», которыми человека снабдила эволюция для своевременного освобождения человеческой популяции от неполноценных стареющих организмов. Но, конечно же, дело не в этом. Даже само название «онкоген» довольно условное. В норме большинство из этих «онкогенов» кодирует ключевые белки, участвующие в процессах нормального развития человеческого организма, дифференцировки и размножения его клеток. Естественно, что поломка в них приводит к аномалиям данных процессов и, как результат, вызывает неконтролируемое размножение клеток — а, следовательно, рак. Известно уже много примеров, когда в результате всего лишь единичной замены нуклеотида в гене функция белка искажается до неузнаваемости.

Сегодня, благодаря усилиям молекулярных генетиков, мы знаем уже о многих генах, ответственных за возникновение рака. «Классическими» стали онкогены, получившие название MYC, RAS, BCL. Сейчас всего их известно более сотни. Определены спектры злокачественных перерождений, связанных с каждым конкретным онкогеном. Как правило, к злокачественному перерождению клеток приводит не единичная мутация, а некий каскад событий за ней следующих. Это напоминает путешествие героя известного рассказа Борхеса по «саду расходящихся тропок» — по такому пространственно-временному континууму, где каждая причина влечет за собой не один-единственный неизбежный и предопределенный результат, а длинную цепочку событий.

Кроме классических онкогенов в настоящее время изучено уже около трех десятков генов человека, которые осуществляют торможение деления клетки на различных этапах этого процесса и в разных тканях. Эти гены называют «хранителями клеточного цикла» или антионкогенами. Повреждение каждого из таких генов также приводит к развитию определенных разновидностей рака. Так, при анализе большого числа пациентов было установлено, что ген CABLES, расположенный на хромосоме 18, часто перестает работать (почему — это другой вопрос) при болезнях кишечника, панкреатитах и некоторых формах раковых образований. Белок Cables при этом, естественно, отсутствует в раковых клетках. Так и было установлено, что ген CABLES выступает как один из «глушителей» опухоли. В его отсутствие клетки начинают неудержимо делиться, и, в конечном итоге, они становятся злокачественными, если имеют преимущество роста по сравнению с соседними клетками.

Другой пример — хорошо изученное онкологическое заболевание ретинобластома — детская опухоль, развивающаяся на глазной сетчатке. Это заболевание возникает в результате одновременной мутации двух копий антионкогена по имени RB1 (от англ. retinoblastoma). В клетках существуют белки, отвечающие за переход клетки от покоя к делению. А белок, кодируемый геном RB1, служит строгим «сторожем» над ними. Ситуация похожа на пружину механических часов, прижатую стопором — белком, кодируемым геном RB1. Как только стопор отпущен (в гене произошла мутация и он не может выполнять свою функцию), пружина начинает раскручиваться. Результат этого понятен. Ничем не сдерживаемые белки, включающие деление клеток, разгонят клетку на постоянное и быстрое размножение, масса «сумасшедших» клеток будет расти, и в результате образуется злокачественная опухоль.

Кроме перечисленных выше генов, в геноме человека обнаружены также гены, снижающие скорость появления мутаций в ДНК (их называют «генами общего контроля» или «генами-сторожами»). Свою работу они осуществляют по-разному: одни исправляют уже возникшие ошибки, ремонтируя поврежденные участки ДНК, другие участвуют в организации контрольной проверки последовательностей в ДНК перед каждым новым делением. Если ДНК клетки повреждена, эти гены выполняют функцию «санитаров леса», выбраковывая клетку, несущую мутантные гены. Когда ДНК клетки повреждена столь сильно, что надежды на качественную починку уже не осталось, белки, кодируемые специальными геном (наиболее известный из них имеет название р53), запускают внутриклеточный каскад реакций, приводящий к запрограммированной клеточной смерти (этот процесс получил название апоптоз). Термин «апоптоз» или «самоубийство» предложил еще древнеримский врач Гален, будучи заинтригован процессом массового сбрасывания листвы деревьями по осени. В наше время так стали называть запрограммированную клеточную смерть — один из механизмов, регулирующих существование всего живого на Земле. Раковые клетки по сути наделены бессмертием и в лабораторных пробирках могут жить, в отличие от нормальных клеток, много десятков лет. За счет действия антионкогенов происходит то, что мы называем апоптозом — самоубийством. Этим самым организм защищается от возможного развития опухоли, состоящей из потомков «заболевшей» клетки. Влияние на процесс апоптоза — один из путей борьбы с раковыми клетками — клеточными Кощеями Бессмертными. Работы генетиков уже сегодня позволяют искать лекарства, которые могли бы усилить в них апоптоз.

Информация о все новых и новых генах, ассоциированных с раком, появляется и дополняется постоянно. И в значительной мере в этом помогают опыты на животных. Так, выяснилось, что удаление двух генов у мышей, названных ID–1 и ID–3, предотвращает образование рака у таких генетически модифицированных животных. В норме эти гены используются лишь на эмбриональной стадии развития, а у взрослого организма находятся в «спящем» состоянии. Но беда, если они проснутся у повзрослевшей мыши! Пробудившись ото сна, эти гены запускают механизм неконтролируемого роста определенных типов клеток, то есть процесс развития раковой опухоли. Если же этот механизм вовремя выключить, перевести гены снова в спящее состояние, то опухоль тут же перестает снабжаться кислородом, перестает расти и постепенно вообще исчезает.

«Спячка» и «пробуждение» онкогенов нередко связаны с таким уже упоминавшимся процессом, как их избыточное метилирование. Причем в некоторых случаях этот механизм даже более важен, чем возникновение мутации в гене! Фармакология давно уже располагают средствами, которые блокируют специфические ферменты, осуществляющие процесс метилирования. Таков, например, препарат деситабин, который подавляет активность всех трех ферментов метилирования ДНК. Однако пока эти средства не применяются в силу их повышенной токсичности.

А что же с вирусами, с их участием в развитии у нас рака? Постепенно мы начинаем понимать и это. Х. М. Темин (лауреат Нобелевской премии) и ряд других ученых (в России это предположение выдвинул А. Д. Альтштейн) обосновали идею о том, что некоторые вирусы несут онкогены, вызывающие рак у людей, которые привнесены в вирусный геном из нашего же с вами генома (когда-то вирус «прихватил» их из генома человека и теперь это использует в своих корыстных целях). Активные онкогены, попав к нам вместе с вирусом, делают здесь свое «черное» дело. Это, конечно, не единственная причина, почему вирусная инфекция может привести к раку. Например, если вирус внедряется в наш геном (а место его «новой прописки» в молекуле ДНК обычно довольно случайно), это может привести к изменению работы окружающих его генов. Результат этого события непредсказуем, но в ряде случаев оно приводит к злокачественному перерождению клетки.

Безусловно, значительные успехи в изучении рака связаны в основном с исследованиями самих раковых больных. Но для достижения конечной цели необходим огромный клинический материал, тысячи больных с правильно поставленным диагнозом. Чтобы решить столь сложную задачу, в Америке в 1999 году был создан крупный проект по анатомии ракового генома — Cancer Genome Anatomy Project (CGAP). Цель проекта «Геном рака», пришедшего на смену проекту «Геном человека», заключается в использовании данных, полученных в результате расшифровки наследственной информации человека, для поиска причин опухолей. GCAP призван создать платформу, обеспечивающую «интерфейс» раковых исследований и геномики. Для этого участники проекта занимаются составлением каталога генов, экспрессирующихся при развитии рака, поиском полиморфизма этих генов, молекулярным анализом различных нарушений хромосом, ассоциированных со злокачественным перерождением. И вся эта огромная по объему информация доступна любому пользователю на соответствующем сайте Интернета (http://cgap.nci.nih.gov).

Хотя старые подходы к поиску раковых генов позволили найти немало участков ДНК, связанных с развитием таких злокачественных заболеваний, как лимфомы, лейкозы и саркомы, однако они не смогли помочь при поиске генов, которые «виноваты» в развитии других, даже очень распространенных раковых заболеваний. Для облегчения их поиска участники проекта решили изучать по очереди все экзоны (т. е. кодирующие участки) всех генов, обнаруженных после полного секвенирования генома человека, и сравнивать их строение в здоровых и раковых клетках. В планы ученых на первом этапе включено около 50 различных типов опухолей, которые и предстоит исследовать в ближайшие 2–3 года. Учитывая, что в каждом гене в среднем насчитывается до десяти экзонов, а каждый ген необходимо изучить в здоровой и больной ткани для 48 типов рака, предстоит выполнить до 32 миллионов исследований. Это гигантская работа, но она уже начинает приносить свои плоды. Таким путем были, например, недавно обнаружены гены, ответственные за развитие широко распространенного рака простаты. В результате обследования тысяч больных с этой патологией было установлено, что у людей с измененным геном (онкогеном) GSTP1 риск развития рака предстательной железы в молодом возрасте возрастает вдвое. Скорость роста опухоли и вероятность ее рецидива зависят также от одного из вариантов другого гена, называемого hAR

Невозможно описать здесь все эксперименты и успехи, достигнутые в последние годы онкогеномикой. Важно другое. Проблема, хотя и медленно, но постепенно решается. Выявление и систематизация генных мутаций, связанных с разными формами рака, — огромная и весьма трудная задача. Дело в первую очередь в том, что имеется большое разнообразия типов рака. Но и это еще не все. В одном типе опухоли у разных пациентов могут мутировать совершенно разные гены. Более того, даже у одного пациента при развитии опухоли могут происходить какие-то дополнительные мутации, которые и являются определяющими в конечном счете. Ученые полагают, что использование информации, получаемой с помощью крупномасштабных технологий структурной и функциональной геномики, должно привести к экспоненциальному росту числа генов, которые имеют отношение (прямое или косвенное) к раковому перерождению, и разработке новых средств экспресс-диагностики этих заболеваний. В последнем случае большие надежды связывают с такими уже упоминавшимися выше технологиями, как микрочипы и полимеразная цепная реакция (ПЦР). Но сложность заключается в том, что рак — явление чаще всего спорадическое. Семейные случаи заболевания раком составляют лишь около одного процента от всех пациентов онкологических клиник. А постоянно бегать и анализировать свой геном на возможные мутации в сотне разных генов — малореальная перспектива.

Тем не менее, поиск причин возникновения той или иной разновидности рака молекулярные генетики осуществляют вовсе не в погоне за некой интересной для них теоретической информацией. Знание особенностей работы генов опухолевого роста позволяет искать пути восстановления или подавления функции этих генов в опухолевой ткани, а значит, и создать эффективные методы лечения злокачественных заболеваний. Обнадеживающие результаты в этой области уже получены. О некоторых из них мы поговорим далее в разделе «Ремонт генов (генная терапия)». Другой важный результат проведенных исследований уже получил реальное воплощение в медицинскую практику. При хирургическом подходе к лечению рака (а он пока, к сожалению, один из главных) твердую гарантию положительного результата обеспечивает лишь полное удаление всех злокачественных клеток. Но зачастую хирургу во время операции не так-то легко определить, затронут ли опухолью данный участок органа или нет. Вероятность визуальной ошибки велика, а цена ее — жизнь человека. В то же время многие органы нельзя удалять целиком, если мы не хотим нарушить нормальное функционирование организма. И тут на выручку приходит обнаруженная ранее мутация, испортившая ген. Она служит для медиков прекрасным маркером присутствия или отсутствия опухолевых клеток в организме пациента после операции. На западе уже существует множество клиник, где проводятся операции «под молекулярным контролем». Видимая невооруженным глазом опухолевая ткань удаляется хирургом полностью, и сразу после операции вокруг неё через каждые несколько миллиметров берутся микроскопические пробы, которые анализируются с помощью молекулярно-генетических экспресс-методов. Если какие-то опухолевые отростки сохранились после хирургического вмешательства, их удаляют уже через два-три часа после проведенного анализа. Статистика показывает, что средняя продолжительность жизни пациентов после «контролируемой» операции значительно выше, чем у оперированных традиционным образом. Некоторые другие подходы, используемые сегодня для лечения рака, будут описаны далее в разделе «Ремонт генов».

Роль генов в злокачественном перерождении неоспорима. Вместе с тем, как пишет академик Е. Д. Свердлов, мы сегодня неизбежно приходим к осознанию того, что эта проблема — не только проблема генов. Ни одни мутации отдельных «плохих» генов, ни даже те или иные звенья регуляции экспрессии генома, а определенные интегральные процессы в клетках и тканях вовлечены в развитие рака. И это все еще предстоит «распутать» ученым, прежде, чем мы можем сказать: рак побежден!

На сегодняшний день неким утешением, хотя и довольно слабым, для нас может служить то обстоятельство, что рак не является какой-то фатальной неизбежностью, поскольку многие люди, достигшие весьма преклонного возраста, им не заболевают. Но трудно объяснить заболеваемость раком и одними лишь вероятностными причинами. В подавляющем большинстве случаев, для возникновения опухоли одной генетической предрасположенности недостаточно. Всегда необходим какой-то толчок, который заставит онкогены проявить себя. Считается, что 90 % всех форм рака у человека спровоцированы действием факторов окружающей среды, таких, например, как вирусы, радиация и различные канцерогены (от cancer — рак, genos — рождение), которых существует огромное множество в окружающей нас природе. Чаще всего именно последние и помогают «нехорошим» генам активизироваться или, наоборот, замолкать.

Считается, что с питанием и курением связано свыше 60 % раковых заболеваний, а вот с употреблением алкоголя всего 5 %.

Нам же пока остается только надеяться, что онкогеномика сможет решить многие из этих вопросов в ближайшее время, до того как мы с вами лично не столкнемся с этой проблемой.

Как уже многократно говорилось выше, геном всех людей, живущих на нашей планете, почти одинаков, но вот поведение разных людей, их умственные способности, психика порой кардинально отличаются. Сталин, Гитлер, академик Сахаров, физик Ландау, театральный деятель Станиславский, певец Лемешев, космонавт Гагарин, адмирал Ушаков, ударник труда Стаханов — это все представители одного вида гомо сапиенс, но какие они разные по своей психике, таланту и поведению! В чем же причина?

До недавнего времени ведущую роль в решении подобного рода вопросов играли психиаторы и психологи, а также ученые, которые занимались поведенческой генетикой — наукой, изучающей наследование характера, темперамента и особенностей поведения человека. Использование ими многочисленных тестов говорило о том, что интеллект все-таки зависит от внешних воздействий, в первую очередь от характера социальной среды, в которой оказался ребенок. Коэффициент интеллекта (хорошо известный как IQ) у детей, которых много и хорошо обучают, можно повысить буквально за год. Эти данные позволили некоторым ученым утверждать и настраивать на это общественность, что интеллект человека определяется только социальной средой и обучением и практически никак не зависит от наследственности.

Параллельно с этим проводились исследования на идентичных, или, как принято их называть, однояйцовых, близнецах, которые наследуют совершенно одинаковые гены (в следующем разделе мы поговорим об этом подробнее).

В результате анализа близнецов, проведенного канадскими психологами, изучающими генетику лидерства и стремления к лидерству, было доказано наследственное происхождение этих качеств. Как характерную иллюстрацию к данному положению психологи приводят судьбу династии Кеннеди, члены которой из поколения в поколение передают своим потомкам этот самый «ген лидерства». Было установлено, что и за такие черты человека, как тревожность и склонность к депресиии, также в определенной мере отвечает наследственность. Однако сам механизм наследования, гены, ответственные за темперамент, наклонности и пристрастия, остаются пока неизвестными. В отличие от генов, определяющих группу крови, формирование конечностей или цвет глаз, выделить «ген лидерства» или, скажем, «ген гомосексуализма» оказалось значительно сложнее.

Но в последнее время, благодаря гигантским успехам геномики, наметился существенный прогресс в этом вопросе. Науку, возникшую относительно недавно на пересечении генетики и психологии можно назвать психогеномикой по аналогии с фрейдовским психоанализом. Основная задача психогеномики заключается в «охоте за генами», формирующими личность, психику и поведение человека.

Однако решение этой задачи оказалось весьма трудоемким занятием. Данные одних ученых зачастую не подтверждаются другими «охотниками за генами». Дело в том, что поведение человека, его психика, зависят, как правило, от большого числа генов и гораздо больше подвержены влиянию внешней среды, чем морфологические или биохимические признаки.

Одним из первых ярких успехов психогеномики можно, по-видимому, считать обнаружение американцем Д. Хэмером и его коллегами определенной взаимосвязи между мужской гомосексуальностью и строением небольшого участка ДНК, расположенного на самом кончике X-хромосомы (эту хромосому мужчины наследуют от своих матерей).

Внимание специалистов разных стран привлекли к себе гены, которые кодируют белки, участвующие в передаче сигналов от нейрона к нейрону в разных отделах нервной системы. Один из таких передатчиков — белок серотонин. Для того, чтобы передать сигнал на другой нейрон, ему необходим еще один белок — рецептор. И, наконец, в клетках имеется третий белок, называемый транспортером серотонина, который разрушает молекулы серотонина в нервных клетках. Так вот оказалось, что с генами, кодирующими эти три белка, тесно связаны некоторые особенности поведения человека, в частности, тревожность и склонность к депрессии.

Первым был найден «ген самоубийства». Таковым оказался ген, кодирующий рецептор серотонина. У людей-носителей определенной мутаций в этом гене часто возникают суицидальные настроения. Так был сделан вывод, что суицид имеет определенную генетическую основу.

Затем ученые США, Германии и России обнаружили и изучили участок в геноме, который управляет работой гена транспортера серотонина. Оказалось, что он существует у разных людей в нескольких формах (аллелях). У людей с повышенным уровнем тревожности и склонностью к отрицательным эмоциям этот участок был длиннее, чем у спокойных и более оптимистичных. Увеличение размера регулирующего участка не проходило бесследно: в клетках увеличивалось количество белка-транспортера, то есть его ген работал более активно, чем в норме. Так было показана генетическая взаимосвязь между работой гена транспортера серотонина и определенным поведением человека. Человеку от родителей «в наследство» досталась длинная аллель гена, и он будет мучаться всю свою жизнь сам и быть в сложных отношениях с окружающими людми! Но дает ли нам что-то то знание, которое получили молекулярные генетики? В данном конкретном случае можно положительно ответить на этот вопрос. Для лечения у людей депрессии было создано несколько лекарств, и среди них наиболее известен медицинский препарат Прозак. Механизм действия Прозака основан на подавлении активности белка-транспортера, в результате чего уровень серотонина в нервных клетках увеличивается. Средство оказалось весьма эффективным.

Другой хорошо известный передатчик сигналов в нерной системе — дофамин. Он также действует на нервные клетки через специфический белок-рецептор. Одна из групп нейронов, производящих дофамин, связана с так называемым центром эмоций и удовольствий. Ранее на мышах было показано, что избыток дофамина вызывает у них исследовательскую гиперактивность. Теперь появились и результаты на человеке. Было обнаружено, что один из генов, кодирующих белки-рецепторы дофамина, может существовать в разных аллельных формах (длинная и короткая). У людей-носителей длинной аллели чувствительность к дофамину понижена, а у индивидуумов с короткой аллелью — повышена. И это сильно сказывается на поведении человека. Люди с длинной аллелью больше склонны к поиску новых впечатлений, и это стремление к новизне проявляется во всех сферах жизни. Обнаруженный ген так и назвали «геном поиска новизны». Видимо неслучайно у американцев длинная аллель гена рецептора дофамина встречается в 25 раз чаще, чем, скажем, у жителей Южной и Восточной Азии. Из истории мы знаем, как заселялась Америка европейцами. Кто ехал тогда в неизвестность в поисках денег и слав? Конечно же, в первую очередь, это были энергичные люди, склонные к авантюризму, любопытные и импульсивные. Вот они то и внесли длинную аллель «гена поиска новизны» в современную американскую популяцию.

Недавно обнаружены два гена, которые отвечают за материнские инстинкты (эти гены — MEST и PEG3 — так и были названы генами «материнского инстинкта»). При этом, ко всеобщему удивлению, выяснилось, что вовсе не женщины, а мужчины определяют такое тонкое чувство, как материнский инстинкт, поскольку оба гена дочки получают от отцов. Опыты на мышах полностью подтвердили эти результаты. Животные, у которых гены «материнского инстинкта» отсутствовали, не заботились о новорожденных, в результате чего только 8 % их детенышей оставались в живых. У нормальных же мышей-матерей выживало более 80 % потомства. Поэтому, дорогие женщины, ни один мужчина не смеет упрекнуть вас в том, что вы плохо воспитали дочь. Если с дочерью проблема, то вся причина в «некачественном» отце.

Генетики давно подметили, что преступные наклонности, связанные с физическим насилием, присущи некоторым людям от природы. Исследование одной датской семьи, несколько поколений мужчин которой были склонны к немотивированной физической агрессии, позволило обнаружить «ген агрессивности». Им оказался ген моноаминооксидазы — фермента, участвующего в проведении нервных импульсов.

Перечисленные успехи психогеномики имеют и обратную сторону. Не исключено, что в будущем суды при вынесении приговора будут принимать во внимание результаты генетического анализа. Например, не так давно адвокаты убийцы в американском суде помогли своему клиенту избежать смертного приговора, использовав результаты генетической экспертизы, подтвердившей наследственную склонность судимого к убийствам. И что в этой ситуации делать пострадавшим?

Необходимо подчеркнуть, что, в отличие от генов, ответственных за развитие организма и его физические параметры, наличие «больных» генов, формирующих психику и поведение, еще не означает стопроцентную обреченность человека на определенные отрицательные проявления. Во-первых, как правило, не один, а совокупность генов отвечает за наши душевные характеристики. Между ними существует очень сложное и порой весьма неоднозначное взаимодействие, эффект которого зависит от множества различных факторов. Во-вторых, как считает большинство ученых, психика и поведение человека лишь процентов на 50 определяются генами. Не меньшую, если иногда не большую, роль в этом играют общество, окружение, воспитание, иными словами, окружающая среда. С точки зрения ученых, считавших, что интеллект определяется средой и обучением на все 100 процентов, это очень мало. Но не вполне правы оказались и психологи начала прошлого века — наследственность тоже не определяет интеллект целиком и полностью. В результате в споре «наследственность — среда» оказались в какой-то степени правы как одни, так и другие. Похоже, что в генах нет строгой программы, которую неукоснительно выполняет организм. Содержащийся в них текст напоминает скорее всего некий набросанный в общих словах план, коему человек порой следует, а порой заметно отступает от него.

О взаимодействии генов и окружающей среды вообще, а не только применительно к человеческой психике, и поговорим далее.

Конечно же, надо понимать, что секвенированный геном человека не есть полный ключ к раскрытию всех тайн возникновения, развития и формирования современного человека. Мы живем не в безвоздушном пространстве, а в постоянном ежедневном тесном контакте с окружающей нас средой, с тысячами физических, химических и биологических факторов, которые действуют на нас на протяжении всей нашей жизни. Уже говорилось, что геном — это корень жизни. Поэтому мы и зрим в него. Однако ясно, что многочисленные внешние воздействия также могут влиять на организм, на его функциональное состояние и развитие. Но какова значимость этого влияния? Вопрос очень непростой, особенно если вспомнить трагическую историю развития генетики в нашей стране. Был тяжелый период, когда генетика была отброшена назад на многие годы, когда окружающая среда официально провозглашалась главным фактором развития всего живого.

Одним из важных подходов, который был использован для ответа на поставленный в этой главе вопрос, явилось наблюдение за так называемыми однояйцовыми (монозиготными) близнецами. Такой подход в генетике существует уже давно, он получил и специальное название «близнецовый метод». Этот метод основан на изучении однояйцовых близнецов (то есть людей, имеющих полностью идентичный генетический аппарат) для разделения ролей между участием наследственности и окружающей среды в формировании отдельных признаков и свойств человека. Высокий коэффициент корреляции, близкий к единице, в паре монозиготных близнецов свидетельствует о генетическом происхождении признака, а в паре дизиготных (происходящих из двух разных зигот) близнецов — о формировании признака под влиянием среды.

Однояйцовые близнецы образуются в результате деления одной и той же зиготы и, следовательно, содержат идентичные геномы. Важно, что это не искусственный материал, а материал, поставляемый в руки исследователей самой природой. Хотя появление близнецов — довольно редкое явление (считается, что у человека одна двойня приходится на 80–85 родов; значительно более редки случаи рождения трех, четырех и более близнецов), тем не менее, и имеющихся случаев достаточно для проведения соответствующих исследований.

Близнецы, как необычное явление, привлекли к себе внимание задолго до возникновения естественных наук, в том числе и генетики. Это нашло отражение в многочисленных мифах, легендах, сказках, в изобразительном искусстве. В древности близнецы служили одновременно и предметом страха, и предметом восхищения. В мифах о братьях-близнецах, характерных для индейцев Северной и Южной Америки, один из братьев часто представляется хорошим во всех отношениях, тогда как другой — плохой во всем. Согласно греческой мифологии близнецы Диоскуры (сыновья Зевса) — Кастор и Полидевк — отличались тем, что один из них был смертным, а другой бессмертным. Из легендарных близнецов древнего Рима хорошо известны его основатели Ромул и Рем, вскормленные волчицей. Обращались к этому вопросу и древние философы, и многочисленные ученые в последующие столетия. Однако лишь во второй половине XIX века (1875 год), то есть после трудов Менделя, двоюродный брат Ч. Дарвина антрополог Френсис Гальтон осознал, какое важное методологическое значение имеют однояйцовые близнецы, и понял, что их исследование может быть одним из подходов для понимания взаимодействия наследственности и среды в процессе формирования признаков и свойств организмов.

Близнецовый метод подразумевает сравнение тех или иных свойств, признаков или характеристик между разными однояйцовыми близнецами, а также сопоставление полученных данных с разнояйцовыми близнецами (они происходят из разных зигот и генетически разнятся) и с человеческой популяцией вообще. Насколько генетически подобные близнецы подобны друг другу по фенотипу? Как влияет на их различия окружающая среда? Многолетние исследования позволяют пока лишь частично ответить на все эти вопросы.

Так, еще в XIX веке уже упомнянутый Ф. Гальтон начал изучать папиллярные узоры на крайних фалангах пальцев человека и основал дисциплину под названием дактилоскопия, которая до сих пор с успехом используется в криминалистике (об этом мы поговорим подробнее далее). Отпечатки пальцев являются одним из наиболее признанных способов идентификации человека. Характерные «узоры» закладываются у зародыша уже на третьем месяце развития и сохраняются без изменения в течение всей жизни. При сравнении кожных «узоров» у близнецов было выявлено, что они очень похожи (это очень важно), но, что удивительно, эти «узоры» не всегда полностью идентичны. При исследовании ряда других признаков также наблюдали их небольшие вариации у близнецов: цвет глаз и волос, форма губ, носа, уха. Выявлены и различия в физиологии высшей нервной деятельности. В то же время анализ групп и факторов крови показал полную идентичность близнецов по этому показателю. Таким образом, последние признаки полностью генетически детерминированы. Сложнее обстоит дело в отношении многих других признаков. Использование близнецового метода позволяет говорить лишь о неодинаковой изменчивости разных наследственных свойств человека: группа крови не меняется всю жизнь, цвет глаз и волос меняются относительно мало, а вес тела может значительно варьировать. Вместе с тем исследование близнецов дает ценные данные о роли генетических факторов и факторов среды в аномалиях и болезнях человека. Так, при анализе однояйцовых близнецов и их родителей было обнаружено, что наличие шестого пальца (шестипалость) в некоторой степени определяется генетически, а не есть только результат патологии развития. Крупномасштабное сравнение однояйцовых близнецов друг с другом и с разнояйцовыми близнецами показало, что возникновение таких инфекционных заболеваний, как корь, коклюш, ветряная оспа практически полностью зависит от возбудителя заболевания, а вот полиомиелит и туберкулез определяются кроме того (хотя и в не большой мере) наследственными свойствами человека. В частности, заболеваемость туберкулезом обоих однояйцовых близнецов более чем в 3 раза выше, чем у двух разнояйцовых близнецов. Исследование близнецов, проведенное в Каролинском институте в Стокгольме, убедительно показало существенное воздействие факторов окружающей среды (курения, загрязнений, питания, образа жизни) на развитие некоторых форм злокачественных заболеваний. Вместе с тем отмечено и определенное влияние генетических факторов на возникновение рака простаты, рака прямой кишки и рака груди.

При анализе близнецов удалось выяснить, что умственное развитие, различия в привычках людей также могут объясняться генетически. Так, выяснилось, что однояйцовые близнецы значительно более сходны между собой в отношении умственных способностей, чем двуяйцовые. Если один из пары однояйцовых близнецов слабоумен, то второй оказывается таким же почти всегда. В то же время у двуяйцовых близнецов такое совпадение отмечено лишь в 25 %.

Корреляция коэффициента интеллектуального развития (всем хорошо известного IQ) для воспитанных совместно однояйцовых близнецов почти столь же высока, как, например, корреляция веса тела. Но в то же время корреляция IQ между однояйцовыми близнецами, воспитанными порознь, не выше, чем у разнояйцовых близнецов одного пола, воспитанных совместно. Из этого следует, что одинаковые внешние условия способны в той же мере дать вклад в достижение сходных показателей интеллекта, что и генетические различия между разнояйцовыми и однояйцовыми близнецами.

Или другой пример. У детей известна такая патология, как дислексия — неспособность к чтению. Анализ показал, что у однояйцовых близнецов оба ребенка страдают дислексией в 84 % случаев.

Канадскими учеными было проведено исследование 336 пар близнецов (как однояйцовых, так и разнояйцовых) на тягу к различным пристрастиям. Оказалось, что из 30 проанализированных пристрастий тяга к 26 из них в той или иной степени объясняется генами. По мнению ученых, наиболее тесно от генов зависят такие пристрастия, как тяга к чтению, занятие групповыми видами спорта, катание на водном мотоцикле. Более того, генетически обусловлены оказались и некоторые мировоззренческие установки — отношение к смертной казни за убийство и проблема запрещения абортов. На интересы близнецов оказывали воздействие многие характеристики личности, в высокой степени передаваемые потомкам. Тем не менее, ученые отмечают, что ненаследуемые характеристики (такие, как индивидуальный жизненный опыт) также чрезвычайно важны в формировании предпочтений.

Российскими учеными было проведено исследование детей-близнецов в возрасте от 7 до 12 месяцев на предмет того, в какой мере генетика и среда влияют на формирование пяти интегральных черт темперамента: агрессивности, раздражительности, активности, чувствительности к наказанию и общительности. Оказалось, что первые три черты темперамента находятся под жестким генетическим контролем: агрессивность поведения младенца во втором полугодии жизни на 94 процента определяется его генотипом, активность — на 89 процентов, раздражительность — на 85 процентов. Но вот чувствительность к наказанию, зависимость от матери и страх перед незнакомыми почти в равной мере зависят от генотипических особенностей и факторов среды. То есть родительское воспитание и влияние семейной среды могут изменить эти биологически обусловленные черты. Наконец, общительность почти на 90 % формируется под влиянием среды, которую создают родители.

Интересно, что гены вмешиваются даже в такой интимный процесс, как продолжительность и прочность брака между людьми. Чтобы установить этот факт, исследователи изучили данные о 800 мужчинах-близнецах, как однояйцовых, так и разнояйцовых. Как и ожидалось, состояние дел в семейной жизни у генетически идентичных однояйцовых близнецов было чрезвычайно схожим, а для генетически неидентичных различалось, и часто весьма значительно. Исходя из этого и был сделан вывод о существовании генетической предрасположенности к разводу. По мнению исследователей, зависимость устойчивости брака от генов может быть связана с такими факторами, как склонность к алкоголизму, наркотикам или депрессии, наследственная природа которых известна достаточно давно. Результаты опроса позволили также сделать вывод о том, что на отношение к первому браку в большей мере влияет окружение человека, в частности, устойчивость брака родителей. Генетические же факторы вступают в дело уже в процессе семейной жизни.

Такие тонкие чувства, как ощущение благополучия и удовлетворенности жизнью («счастливость»), значительно сильнее коррелируют у идентичных близнецов по сравнению с разнояйцовыми близнецами, независимо от материального положения, возраста и образования. Проводившие это исследование ученые утверждают, что у нас чувство благополучия на 50 % зависит от генетики, а другие 50 % — «от сожалений и удовольствий последних часов, дней и недель», то есть от внешних факторов.

Благодаря методу близнецового анализа на генетический уровень вышла и широко обсуждаемая проблема гомосексуализма. Уже имеются достоверные данные, что около 57 % однояйцовых близнецов, 24 % разнояйцовых близнецов и 13 % братьев мужчин-гомосексуалов также являются гомосексуалами. По данным для женщин-лесбиянок, приблизительно 50 % однояйцовых близнецов, 16 % разнояйцовых близнецов и 13 % родных сестер этих женщин также являются лесбиянками. Более того, недавно ученые вышли на гены, коротые во всем этом «виноваты». Таким образом, при определенных обстоятельствах люди становятся гомосексуалистами в силу генетических причин, то есть по сути они — больные люди. Осознание этого поможет решить, хотя бы частично, две проблемы: проблему гомофобии (плохо ненавидеть больных людей) и проблему наметившегося во всем мире агрессивного гомосексуализма (эти люди требуют признания их здоровыми и полноценными, порой даже гордятся своей особенностью). Однако, если рассматривать гомосексуализм как болезнь, как патологию, ситуация кардинально меняется. Трудно представить себе человека, гордо стоящего с плакатом: «Я страдаю импотенцией, поэтому требую к себе уважения, как к полноценному члену общества!». А ведь гомосексуалисты именно так и утверждают себя.

Согласно современным оценкам, такие показатели, как продолжительность жизни, здоровье человека, также в первую очередь связаны с генетическими факторами, роль которых оценивается на уровне 65–70 %. Для каждого из нас важно, что при этом все-таки не меньше 30 % шансов отводится окружающей среде, нашему образу жизни и особенно нашему питанию.

Многочисленные и разнообразные данные, приведенные выше, позволяют дать ответ на вопрос, поставленный в заголовке этой главы: геном определяет многое в нас, но и окружающая среда не бездействует, а иногда и весьма заметно вмешивается в нашу сущность. Взаимосвязь между генами и окружающей средой ученые иногда сравнивают с заряженным пистолетом и курком. Пистолет не выстрелит, пока не будет нажат курок. Также обстоит ситуация и в клетке, где в качестве заряженного пистолета служит весьма чувствительный ген или комбинация генов, а функцию курка выполняют всевозможные факторы окружающей среды. Имеется и другое сравнение — с карточной игрой: хороший игрок может выиграть и с плохими картами.

Чтобы разобраться в тех многочисленных взаимосвязях, которые существуют между проявлением отдельных вариантов генов и влиянием на этот процесс различных факторов окружающей среды, был создан специальный международный проект — The Environmental Genome Project. Среди множества задач данного проекта главной является, конечно же, изучение влияния окружающей среды на продолжительность жизни, а также на возникновение и развитие различных заболеваний человека. В конечном итоге этот проект может оказаться не менее важным и сложным, чем знаменитый и очень дорогостоящий проект по секвенированию генома человека. А в том, что он будет продолжаться по времени значительно дольше, чем геномный проект, нет никакого сомнения.

Знание структуры генома человека дает сегодня медикам дополнительные возможности ставить уверенно и безошибочно диагноз многих тяжелых болезней. Важно, что при этом врачу совершенно не обязательно видеть самого пациента. Достаточно лишь «прочитать» небольшой определенный участок его ДНК, выделенной из нескольких клеточек человеческого тела (например, из капли крови или даже из волосяной луковицы).

Если известно, какие именно генные мутации приводят к заболеванию, то их можно тестировать еще до появления первых признаков заболевания. Особо актуальна разработка точных ранних (предклинических и пренатальных) методов диагностики наследственных болезней, в связи с большим многообразием их форм (уже известно более 4 тыс. таких заболеваний), изменчивостью клинических проявлений и отсутствием в большинстве случаев радикальных приемов лечения.

Согласно имеющейся статистике, сейчас в России каждый год на 1,2–1,3 млн. родов появляется около 60 тыс. детей с врожденными пороками развития и наследственными болезнями, в том числе около 15 тыс. младенцев с очень тяжелыми патологиями. В настоящее время в России живет около 1,5 млн. инвалидов по причинам генетической природы. Это не только большие проблемы самого больного и его семьи, но и огромный моральный и материальный груз для всего общества. Имеющиеся средства лечения большинства этих болезней пока малоэффективны. По некоторым расчетам, из бюджета в нашей стране на медицинское и социальное обеспечение таких больных выделяются средства, превышающие расходы на среднее образование всех здоровых детей.

Этот груз для общества мог бы быть в значительной мере скомпенсирован благодаря использованию эффективной дородовой диагностики наследственных заболеваний. Возможность ранней диагностики позволяет провести профилактическое лечение и не дать болезни проявиться во взрослом возрасте. Например, при заболеваниях обмена веществ (фенилкетонурия, болезнь Вильсона — Коновалова) в качестве средства профилактики медики используют специальные диеты. В случае смертельной и неизлечимой болезни (например, миодистрофия Дюшенна) дородовая ДНК-диагностика позволяет врачам дать рекомендацию о прекращении беременности на ранних сроках.

Современная генная диагностика целиком связана со знанием структуры генома человека. Пока, к сожалению, эти знания еще далеко не полные. Из нескольких тысяч известных наследственных болезней реально лишь для двух сотен из них найдены гены, мутации в которых приводят к развитию заболевания. Выше уже говорилось об обнаружении генов-носителей болезни Альцгеймера, выявлены «больные» гены болезни Тея — Сакса (вызывает слабоумие, прогрессирующую слепоту и мышечное истощение), синдрома Хантингтона, рака толстой кишки и молочной железы и многих других. Но даже эти скромные успехи уже приносят ощутимые результаты. На сегодняшний день в Японии все новорожденные проходят тест на 11 генетических заболеваний, в Америке — на 7, в России — на два: фенилкетонурию и гипотиреоз. Генетический анализ помогает распознать заболевания даже когда плод еще находится в утробе матери. Сегодня многие супружеские пары, ожидающие рождения ребенка, могут пройти такое тестирование — молекулярный анализ ДНК, полученной из небольшого количества эмбрионального материала. Этот анализ позволяет с высокой точностью предсказать, будет ли плод страдать той или иной из нескольких сотен тяжелых наследственных болезней.

Первые примеры этому уже имеются. Так, недавно появилось сообщение об использовании сверхранней диагностики с целью рождения полноценного ребенка в семье, где ее члены поражены болезнью Альцгеймера. В искусственных условиях оплодотворили яйцеклетку матери сперматозоидами отца. Потом провели анализ 15 зигот на наличие мутаций в гене, ответственном за болезнь Альцгеймера. В большинстве случаев была обнаружена смертельная комбинация генов, а в одном все было в порядке. Использовав эту единственную «полноценную» зиготу, приемная мать родила здорового ребенка. В ином случае ребенок, рожденный матерью, с большой вероятностью (15: 1) содержал бы «больной» ген. В ближайшем будущем подобные процедуры станут вполне привычными, так как техника предупредительного генетического анализа стремительно развивается.

Первым практическим результатом реализации программы «Геном человека» стало появление принципиально новых подходов к диагностике и лечению наследственных моногенных заболеваний, то есть заболеваний, связанных с нарушениями одного единственного гена. Теперь на очереди стоит генная диагностика ненаследственных заболеваний, в частности, злокачественных новообразований, возникающих спорадически. Выше уже говорилось о большом спектре генных мутаций в разных типах рака у разных пациентов. Ситуация в целом сильно запутана. Но уже сейчас в ряде случаев достигнут значительный прогресс. Например, выявлено свыше десятка генов (называемых прогностическими молекулярными или генетическими маркерами), экспрессия или гиперэкспрессия которых служит неблагоприятным признаком развития рака молочной железы. И здесь должны помочь уже упоминавшиеся выше микрочипы. Возможно, в будущем каждый человек будет носить при себе прибор размером не больше наручных часов, который способен определять само преддверие опухоли. Тогда, возможно, рак станет для нас не страшнее гриппа. И, похоже, наши ожидания этого чуда небеспочвенны. Так, уже появилось любопытное сообщение об использовании микрочипов для «маркировки» животных (началось, естественно, с наших ближайших друзей — собак и кошек). Специальные пятимиллиметровые пуговички, введенные под кожу животным, содержат сведения об их кличках и особо важных приметах, информацию о вакцинации, сведения о владельце и др. Они помогают в поиске наших пропавших братьев меньших. Конечно, пока еще это экзотика. Однако нет сомнения, что в ближайшем будущем все это коснется и человека или в виде микрочипов, или в виде специального генетического паспорта, сходного с гражданским, который мы будем носить в кармане.

Для целей диагностики ученые используют любые зацепки, которые им предоставляет геном. В частности, уже многократно упоминавшийся полиморфизм ДНК, который связан с изменениями не самих генов, а прилежащих к генам участков, вовлеченных тем или иным образом в патологический процесс. Например, установлено, что всего лишь точечная замена (Т — Ц) в области, расположенной за геном CYP1A1, в 2,5 раза повышает риск развития плоскоклеточного рака.

Еще одно интересное применение генной диагностики связано с исследованиями по выявлению генетической предрасположенности человека к выполнению мышечной деятельности различного характера и длительности. Это имеет большое значение для людей, занятых тяжелым физическим трудом, спортсменов. Основным генетическим маркером здесь оказался ген ангиотензин-конвертирующего фермента (ACP), который служит в качестве ключевого фермента системы, регулирующей артериальное давление. Под действием ACP происходит образование активного сосудосуживающего вещества, которое кроме того выполняет функцию фактора роста, усиливающего процессы синтеза структурных белков в клетках миокарда, что приводит к гипертрофии сердечной мышцы. Изучение гена ACP показало наличие в нем полиморфизма, который заключается в присутствии или отсутствии фрагмента длиной 287 п. н. в 16-м интроне. При этом физическая активность человека находится в прямой зависимости от присутствующего в его геноме варианта гена ACP.

Ограничимся этими примерами, поскольку нашей задачей не является описание всех существующих видов геномной диагностики. А их число в настоящее время огромно. Отметим лишь, что подобного рода диагностические анализы медики осуществляют на основе ДНК, используя ряд современных подходов, разработанных первоначально как раз для научного анализа ДНК, а совсем не в практических целях. Теперь же эти подходы стали важным инструментом практической медицины. В первую очередь это уже упоминавшаяся полимеразная цепная реакция (ПЦР). В последние годы для определения вариаций или полиморфизмов ДНК человека стали использовать и микрочипы. С их помощью возможно оценить одновременно тысячи потенциально опасных мутаций и полиморфизмов генома у конкретного пациента. С помощью биочипов можно выявлять генетические ошибки почти так же быстро, как сканер определяет цены на упаковках продуктов в магазине.

В самом ближайшем будущем генная диагностика позволит определять весь спектр генов предрасположенности к заболеваниям у каждого человека. Создание «генетического паспорта» гражданина становится реальностью. Такой «паспорт» должен содержать информацию о наличии мутаций в генах, вызывающих развитие наследственных болезней, и, что особенно важно, вариантов генов предрасположенности к мультифакториальным заболеваниям. Уже сегодня в Западной Европе, США и Канаде в неполном варианте проводится «генетическая паспортизация» по различным медицинским показаниям и просто по индивидуальному желанию. Формируются индивидуальные и семейные базы генетических данных. Таким образом, стихийный процесс «паспортизации» уже начался. Хотя этот вопрос не так прост, как кажется на первый взгляд (подробнее смотрите об этом в главе «Этические проблемы»), очевидно, что «генетическая паспортизация» станет основой профилактической индивидуализированной медицины будущего. Ведь гораздо проще вовремя помочь себе — соблюдать определенную диету, не злоупотреблять солнечными ваннами, не курить, чем заболеть тяжелым заболеванием, не поддающимся никакому лечению.

Многие годы для идентификации личности использовали лишь один эффективный подход — анализ отпечатков пальцев (по-научному — дактилоскопия). В переводе с греческого daktylos — палец + skopeo — смотрю. Считается, что впервые этот термин использовал в 1877 году никому не известный английский служащий Вильям Гершель. Он обнаружил, что папиллярные узоры на руках людей отличаются между собой по особенностям строения и не меняются на протяжении всей жизни. То есть каждый человек как бы промаркирован сторого определенным ярлыком. Первая система классификации отпечатков была создана Фрэнсисом Гальтоном, британским антропологом и кузеном Чарлза Дарвина. В 1892 году аргентинский полисмен Ян Вучетич впервые использовал на практике эту систему и на основе оставленного убийцей на месте преступления окровавленного отпечатка идентифицировал его. В начале XX века в ряде стран был начат систематический сбор отпечатков пальцев для криминалистической идентификации. Стандартом для признания отпечатков идентичными было совпадение 12 деталей узоров на пальцах. В дальнейшем это открытие с успехом использовалось и продолжает использоваться в криминалистике на протяжении уже свыше 100 лет.

Однако не всегда в распоряжении криминалистов имеются интересующие их отпечатки пальцев. Кроме того, некоторые проблемы вообще не могут быть решены с помощью этого подхода. Например, вопрос об отцовстве и материнстве. Странно было бы для решения этого вопроса искать на ребенке отпечатки пальцев родителей, что бы установить степень родства. И вот наступило время, когда для решения этой проблемы на помощь криминалистам пришел геном человека, а вернее, его ДНК. Сейчас широко стали использоваться на практике геномные методы идентификации личности, созданные на базе достижений молекулярной генетики человека.

А начало всему этому было положено англичанином А. Джеффрисом, разработавшим «дактилоскопирование» на основе молекулярного анализа ДНК (сейчас это называют ДНК-фингерпринтированием — от англ. слова finger — палец). Метод геномной дактилоскопии или ДНК-фингерпринтирования дал криминалистам абсолютно надежный тест на идентификацию личности. «Генные отпечатки» позволяют идентифицировать того или иного человека по небольшому количеству практически любого биологического материала (капли крови, одного волоса, слюны, кусочка ногтя, следов пота, спермы). Сообщалось, что разработаны методы, позволяющие проводить идентификацию личности по одной лишь клетке. Так, шотландцу Финдли с коллегами удалось идентифицировать человека по всего одной клетке кожи, оставленной на документе, который был написан 30 лет назад.

Уже тысячи людей осуждены или оправданы только на основании геномного анализа. Ярким примером этому может служить событие, о котором сообщило агентство Associated Press в конце 2002 года. В США был досрочно освобожден человек, отсидевший 15 лет в тюрьме по обвинению в изнасиловании 8-летней девочки. Его осудили на 40 лет. Но теперь, благодаря использованию метода ДНК — фингерпринтирования (напомним, что сам метод появился спустя много лет после суда), была постфактум доказана полная невиновность этого человека в преступлении.

Важен этот тест и для идентификации родственных связей людей (тут и проблемы отцовства и материнства, и проблемы наследования прав и имущества, и многие другие). В старину, чтобы узнать истину в последней инстанции, люди обращались к Дельфийскому оракулу. Теперь они стали «вопрошать» ДНК.

Суть метода геномной дактилоскопии заключается в следующем. За основу молекулярные генетики взяли не гены, а повторяющиеся участки генома человека. Были созданы специальные тест-системы, которые назвали зондами. Зонды — это короткие нуклеотидные последовательности ДНК, позволяющие определять устройство и распределение в геноме тех или иных повторяющихся элементов генома человека. Число отдельных повторов в определенных местах (чаще всего это микросателлиты) для каждого человека строго индивидуально. Например, если в определенном месте нашей молекулы ДНК последовательность ТЦА повторена три раза подряд: ТЦАТЦАТЦА, то вероятность встретить на Земле второго человека, у которого в том же месте ДНК те же три буквы повторяются тоже три раза, практически исключена. После подсчета числа повторов в определенном районе ДНК можно без сомнения утверждать, что он принадлежит или не принадлежит конкретному человеку. Процедура установления личности (типирования) состоит в следующем. Первоначально выделяют ДНК из любого биологического материала (кровь, сперма, кусочек кожи, волосяная луковица). Затем ДНК «нарезают» рестриктазами на фрагменты и с помощью электрического поля выстраивают эти фрагменты в ряд строго по размеру. Далее проводят гибридизацию с радиоактивным зондом и расположение связывающихся с зондом (гибридизующихся) фрагментов определяют методом радиоавтографии, т. е. на рентгеновской пленке. При засвечивании рентгеновской пленки выявляются располагающиеся друг под другом черные полоски, так что радиоавтограф ДНК внешне чем-то напоминает штриховые коды на упаковках товаров в магазинах (рис. 34).

^{Рис. 34. Молекулярный документ (ДНК-фингерпринт), отражающий длины микросателлита, однозначно свидетельствующий о родственных отношениях отца и матери с их детьми. Слева — строение кластеров одного из микросателлитов (ГГСАГГАГ) у родителей и детей, справа внизу — результат анализа длин микросателлитов, осуществленный с помощью электрофореза и гибридизации: все дети рождены этими родителями}

Ярким примером использования ДНК-фингерпринтирования на практике может служить история с идентификацией останков царской семьи. Об этом много писалось в прессе. В 1991 году в болотистом местечке Коптяки под Екатеринбургом были найдены останки (кости) девяти человек. Сразу же было предположено, что это останки последнего российского императора Николая II и членов его семьи, а также людей, застреленных вместе с ними в июле 1918 года в подвале Ипатьевского дома. Чтобы сделать окончательный вывод, к работе приступили генетические детективы. Первые анализы, основанные на генетических маркерах, показали, что кости принадлежат четырем мужчинам и пяти женщинам, в том числе семье, состоявшей из отца, матери и трех дочерей. Далее для идентификации личностей был проведен сравнительный анализ полиморфных участков ДНК, выделенной из костей останков, и ДНК ближайших родственников Романовых, которые были найдены в разных уголках мира. В первую очередь это был внучатый племянник императрицы Александры Федоровны, Филипп, герцог Эдинбургский, супруг королевы Англии. Его генетический материал оказался одинаковым с ДНК обнаруженных под Екатиринбургом женщины и ее трех дочерей. После этого молекулярными генетиками был сделан окончательный вывод: останки принадлежат императрице и трем ее дочерям. Сложнее обстояло дело с самим царем. Поиск был продолжен, и, наконец, нашли еще двух родственников Николая II: графиню Ксению Сфирис (урожденную Шереметьеву) и Джеймса Карнеги, третьего герцога Файфского. Генетический материал митДНК греческой графини и шотландского герцога полностью совпали, а вот митДНК царя чуть-чуть от них отличалась (в ней был один снипс, которого не было у предполагаемых родственников). Но последние сомнения отпали, когда проанализировали митДНК из останков великого князя Георгия, младшего брата последнего русского царя.

В ней обнаружилась та же самая мутация, как и у царя! После этого на 100 % было установлено, что в Коптяках под Екатеринбургом найдены останки Николая II и его семьи.

Ради справедливости следует отметить, что, несмотря на все эти весьма убедительные генетические данные, в обществе еще существуют сомнения относительно принадлежности обнаруженных под Екатеринбургом останков царской семье. Но они высказываются в основном не профессиональными молекулярными генетиками, а людьми, зачастую весьма далекими от этой науки. Будущее еще рассудит тех и других, хотя трудно отрицать очевидное.

В любом случае, «мусор» или «эгоистичная ДНК» оказались весьма полезными для криминалистов. Их теперь стали активно эксплуатировать для идентификации личности. И пусть с точки зрения эволюции это прозвучит несколько примитивно, но на практике выходит, что природа вроде бы сотворила «эгоистичную» ДНК специально для прокуроров.

Итак, генная диагностика «навела на след», показала врачу, с каким конкретным геном связана патология у обследуемого пациента. Хотя этот этап очень важный, но он только первый. Дальше надо приступать к лечению. И если для этого нет соответствующих средств, то правильному диагнозу грош цена. Время, когда болезнь лечили народными средствами, безвозвратно ушло в прошлое (ренессанс всевозможных целителей в России в последние годы говорит лишь об общей смутной экономической и психологической обстановке в стране). Традиционные методы фармакотерапии уже тоже вчерашний день. Современное лекарство — это молекулярная «пуля», которая бьет точно в «мишень», исправляя первопричину нарушений на молекулярном уровне. Такими «пулями» могут служить «здоровые» гены, выделенные из здоровых организмов. В последние годы на базе использования генов в практической медицине появилась совершенно новая технология, сравнимая с процессом ремонта генов, — генная терапия.

Когда клетки потеряли нормальную функцию того или иного гена, для их излечения нужно эту функцию восстановить. Тогда в клетку организма, которая страдает от потери функции, нужно доставить ген, способный компенсировать эту недостающую функцию. Ситуация здесь подобна той, которая возникает при работе компьютеров. Существуют специальные программы, которые позволяют обнаруживать грамматические ошибки в набранном тексте и исправлять их. Суть генной терапии и заключается в исправлении ошибок — искусственном создании необходимых количеств продуктов того или иного плохо работающего гена в организме больного, за счет введения в организм нормального гена, полученного от здоровых пациентов. Но это лишь одно из направлений генной терапии. Другое, не менее важное, связано с тем, что часто болезнь вызывается избыточной функцией некоторых генов, несвойственных нормальной клетке. Это происходит, например, при инфекциях или опухолевых трансформациях. Тогда генному терапевту следует озаботиться тем, чтобы эту излишнюю функцию подавить. Вот эти две стратегии можно считать истинно генно-терапевтическими. Обе они нацелены на коррекцию дефекта клетки генными модификациями этой же клетки. При этом основной ДНКовый текст генома продолжает содержать ошибки, но появляется дополнительный текст (приложение), который указывает читателю (в данном случае клетке) на существование таких ошибок. Это напоминает список типографических опечаток, который иногда встречается в конце книг.

Теоретически мишенью для генной терапии могут быть как клетки тела (соматические клетки), так и зародышевые клетки (яйцеклетки, сперма). Принципиально, что изменения, вызываемые с помощью генной терапии соматических клеток, не передаются следущему поколению. В случае наследственных заболеваний более подходящими для генной терапии могли бы быть зародышевые клетки, изменения в которых должны сохраняться и у потомства. Однако в практическом плане сейчас интерес представляет соматическая терапия, а генная терапия зародышевых клеток — это проблема будущего. Дело в том, что в действительности наследственные болезни можно было бы вылечить раз и навсегда, воздействуя именно на половые клетки или клетки эмбрионов на ранних стадиях развития. Введенный ген, попадая в результате искусственного переноса во множество интенсивно делящихся клеток, способен предотвратить развитие заболевания. Но этот вид генной терапии связан с целым рядом проблем как технических, так и, главным образом, этических. В частности, высказываются опасения, что такой подход можно будет использовать для производства нового поколения «детей на заказ». Теоретически существует опасность «засорения» генофонда человека в результате внедрения искусственных генных конструкций в половые клетки. По всем этим причинам пока используют лишь раннюю диагностику для предотвращения рождения «больных» детей (об этом речь шла выше), а не вмешательство в сам человеческий эмбрион. Реальностью в настоящее время представляется только генная терапия, направленная на соматические клетки взрослого организма.

«Днем рождения» генной терапии считают 14 сентября 1990 года. В этот день группа ученых из Независимого института здоровья США под руководством В. Андерсона начала лечение четырехлетней девочки по имени Ашанси ДеСильва, родившейся с редкой болезнью — наследственным иммунодефицитом — связанной с нарушением работы гена фермента аденозиндезаминазы (ADA). В чем заключалось процедура, использованная учеными? У больной девочки взяли определенные клетки иммунной системы. Эти клетки подвергли генетической модификации вне организма (такой прием получил название ex vivo) — в них добавили инактивированный вирус, содержащий нормальный человеческий ген ADA. Затем «исправленные» клетки вновь перенесли в организм маленькой пациентки. Клетки с новой генетической программой оказались «здоровыми» и обеспечивали синтез нормального белка-фермента ADA. Это привело к значительному улучшению состояния пациентки. Но процедуру пришлось повторять многократно, и окончательное излечение больной так и не произошло. Хотя поначалу успех был ограниченный, тем не менее он вдохновил ученых и медиков на дальнейшие поиски в этом направлении.

Общая схема генной терапии в большинстве случаев одинакова. Сначала клонируют (выделяют в чистом виде) тот ген, который нарушен у пациента, используя для этого клетки здорового человека. Затем этот «нормальный» ген в «голом» виде или в составе специального вектора-носителя вводят прямо в тот или иной орган, который содержат дефектный ген (или его вводят в «больные» клетки, выделенные из пациента). При этом решающую роль играет эффективность доставки гена в клетки и его длительная сохранность в них. Генотерапия сейчас ориентирована в первую очередь на получение генов и векторов, обеспечивающих перенос этих генов в клетки взрослого организма. Для этого используют несколько приемов. Один из них — простая инъекция в пораженный орган раствора, содержащего ген, с помощью шприца. Разработан также прием, называемый баллистической трансфекцией, который осуществляется с помощью «генного ружья» — специального устройства, обстреливающего орган или ткань микрочастицами тяжелых металлов (золото, вольфрам), покрытых генами. Наконец, иногда используют процедуру, называемую электропорацией — воздействуют на клетки электрическими импульсами, которые способствуют раскрытию пор на поверхности клетки и, следовательно, проникновению гена извне в клетки. Для лечения заболеваний легких применяют также аэрозольную генную терапию — больные вдыхают аэрозоль, в которой содержится необходимый «здоровый» ген.

Для повышения эффективности переноса генов широко используют природные свойства некоторых вирусов проникать в клетки. Конечно, вводя в клетки «лечебный» ген, нужно думать о возможных вредных последствиях одновременного переноса с ним вирусных генов. По этой причине для генной терапии берут вирусы, которые должны быть безвредны для человека; кроме того, для дополнительной подстраховки их структуру предварительно существенно изменяют. В результате такие видоизмененные вирусы не способны размножаться в клетках человека и тем самым вызвать в них какую-то дополнительную патологию. Например, для этих целей часто используют различные аденовирусы. В них встраивают «лечебный» ген, а потом такой вирус вводится непосредственно больному. Не обошлось здесь и без трагедии. В сентябре 1999 года в Аризоне умер восемнадцатилетний юноша, которого с помощью генной терапии лечили от недостаточности фермента орнитинтранскарбомилазы. Но этот по сути дела единичный трагический случай не остановил работы по генной терапии. Он всего лишь послужил предупреждением ученым о необходимости быть предельно осторожными при использовании этого подхода.

Из общего числа известных заболеваний человека (примерно 10 тысяч) около 40 % составляют генетические или наследственные болезни. Генная терапия применима в первую очередь для так называемых моногенных наследственных заболеваний, т. е. таких болезней, которые связаны с нарушениями всего в одном гене. Дело в том, что в тех случаях, когда лишь единичный ген отвечает за то или иное заболевание, процесс лечения сильно облегчается. В настоящее время, используя информацию о структуре генома человека и его отдельных генов, ученые осуществляют широкомасштабный поиск средств лечения многих традиционно считавшихся фатальными для человека наследственых и приобретенных болезней, для которых известен причинный ген и/или его продукт. В первую очередь это такие заболевания, как гемофилия, муковисцидоз, дефицит аденозиндезаминазы, миодистрофия Дюшенна, некоторые кардио-васкулярные патологии и др. Сейчас уже существуют данные о проведении предклинических и клинических испытаний на базе разных подходов генной терапии для более 30 моногенных, в первую очередь наследственных (т. е. генетических) заболеваний человека. И здесь уже достигнуты определенные успехи.

Ярким примером моногенного наследственного заболевания, которое сейчас активно пытаются лечить с помощью генной терапии, может служить миодистрофия Дюшенна. За этим медицинским термином скрывается смертельное заболевание, связанное с повреждением одного гена под именем дистрофин, который расположен на женской X-хромосоме. Поскольку у мужчин эта хромосома представлена всего одной копией, то они-то и страдают в основном от этого заболевания. Без продукта гена дистрофина мышцы не сокращаются. В результате наступает мышечное бессилие: не поднимается грудная клетка и больной не может дышать, плохо сокращается сердце, не работают ноги. Была получена модель этого заболевания — мыши, лишенные гена дистрофина. Когда таким животным разными способами переносили нормальный ген дистрофина, в результате в ряде случаев у них восстанавливалась нормальная функция значительной массы мышечных волокон (до 25 %). Однако при генной терапии миодистрофии у человека необходима генетическая модификация большинства (до 50 %) мышечных волокон, разбросанных по всему организму, что требует узконаправленного и высокоэффективного метода переноса генов, который пока еще не найден учеными.

С X-хромосомой человека связано и другое хорошо известное заболевание, так называемая царская болезнь или гемофилия. Этот неизлечимый недуг (кровотечение, которое нельзя остановить) знаком большинству людей в связи с болезнью царевича Алексея. Но и задолго до этого гемофилия была известна как «царская болезнь», поражающая, как правило, высокородных, высокопоставленных особ. Гемофилия обусловлена нарушениями в генах, продукты которых ответственны за свертывание крови. Гемофилия передавалась в царской семье по наследству по женской линии, но страдали ей только мужчины. Дело все в том, что отвечающий за свертываемость крови ген находится только в X-хромосоме, а у женщин их две (в отличие от мужчин): в результате у женщин одна хромосома способна как бы дублировать другую и болезнь не развивается. Подходы для лечения гемофилии первоначально отрабатывались на модельных объектах — мышах и собаках, которым вводили нормальные гены факторов свертывания крови, вставленные в состав вирусов как природных переносчиков генетического материала. Эксперименты на животных прошли успешно, и сейчас уже начаты клинические испытания по лечению гемофилии у человека.

Большое внимание уделялось за последние годы лечению муковисцедоза. Эта болезнь, поражающая примерно одного из 2500 новорожденных в Центральной Европе, вызывается наследственным дефектом гена, ответственного за перенос ионов через клеточную мембрану. При наличии «больного» гена на обеих хромосомах развивается хроническая легочная инфекция и нарушается процесс всасывания питательных веществ из пищеварительного тракта. Когда была найдена причина заболевания, сразу же приступили к разработке способов его лечения с помощью генной терапии. Сейчас пытаются вводить нормальный ген в составе вирусных векторов в легкие путем вдыхания пациентами водно-эмульсионного препарата рекомбинантной ДНК.

Сложнее обстоит дело с заболеваниями, обусловленными неправильной работой нескольких генов (мультигенные заболевания). Большой пробел в наших знаниях о генах, ответственных за такие патологии, пока не позволяет направленно применять генную терапию для эффективного лечения многих из этих заболеваний. При таких заболеваниях, как, например, рак или атеросклероз, недостаточно восстановить одну из нарушенных реакций в клетке с помощью определенного гена, а необходимо понять в целом всю сложную картину заболевания, выявить все гены, участвующие в этом, чтобы привести физиологическое состояние пациента к норме. В таких случаях исходят из того, что введенный в организм «лечебный ген» приводит к синтезу белка, который или сам по себе может оказать терапевтический эффект, или же он изменяет чувствительность больных клеток к действию определенных лекарственных препаратов. Так, среди наиболее распространенных приобретенных (ненаследственных) заболеваний в первую очередь внимание исследователей в области генной терапии приковано к такому заболеванию, как рак (наследственные формы рака по современным оценкам составляют всего около 1 % всех раковых патологий). На фоне весьма опасных для организма противораковых средств, используемых в настоящее время, таких, как сильное радиоактивное облучение, введение больших доз чрезвычайно токсичных химических веществ или хирургическое удаление жизненно важных органов, генная терапия представляется весьма «мягким» подходом. Сейчас в борьбе со злокачественными заболеваниями с помощью генной терапии наметилось несколько стратегических направлений. Это, в первую очередь, генетическая модификация клеток иммунной системы для усиления их противоопухолевой активности и подавление работы онкогенов. Но это далеко не все. В частности, один из эффективных подходов в генной терапии опухолей — повышение чувствительности опухолевых клеток к химиотерапевтическим препаратам. Часто для этой цели используют ген, кодирующий фермент тимидинкиназу вируса простого герпеса. Этот ген часто называют геном-самоубийцей или суицидным геном. Дело в том, что присутствие продукта этого гена в клетках приводит к их строго избирательной гибели при введении извне специфического химического агента, называемого ганцикловиром. Клетки, в которых синтезируется вирусная тимидинкиназа, превращают этот препарат в токсический продукт и в результате этого погибают. Отсюда и появилось название у гена тимидинкиназы вируса герпеса — суицидный. Этот и некоторые другие «суицидные» гены пытаются сейчас использовать для уничтожения раковых клеток. Данный метод генной терапии опухолей интенсивно развивается, проводятся широкие клинические испытания на пациентах, в частности, на больных с раком яичников и опухолью мозга глиобластомой. Сообщается, что уже получил одобрение протокол с использованием гена тимидинкиназы вируса герпеса для лечения рака предстательной железы. При этом в железу инъецируется генная конструкция, содержащая вирусный ген, а затем в кровь больного вводится ганцикловир. В результате происходит избирательная гибель раковых клеток, а нормальные клетки остаются неизменными.

Уже прошли успешные испытания на крысах генные аэрозоли, при вдыхании которых осуществляется перенос генов, способных предупреждать рак легких у курильщиков. Ученые использовали для этого в качестве вектора простудный вирус, который способствовал искусственному внедрению в опухолевые клетки мышей гена FHIT, нарушения в котором служат одной из основных причин рака легких. В результате появления в клетках нормального продукта этого гена у животных происходила гибель опухолевых клеток.

Заметные успехи в лечении рака были достигнуты российскими учеными под руководством академика Г. П. Георгиева. Ими обнаружен ген Tag7, продукт которого резко снижает развитие опухоли. В настоящее время рекомбинантные плазмиды с этим геном проходят клинические испытания.

Важным направлением генной терапии выступает и защита нормальных тканей от токсического эффекта химиотерапии и облучения. В этом направлении генная терапия использует, например, такой прием, как введение в стволовые клетки костного мозга гена, обеспечивающего множественную лекарственную устойчивость. Повышение устойчивости к радиоактивному облучению клеток нормальных тканей, находящихся рядом с опухолью, пытаются осуществить за счет сверхэкспрессии в них генов антиоксидантов (например, таких, как гены глутатион-синтетазы или трансферами).

Кроме рака, следует отметить определенные успехи генной терапии при лечении некоторых патологий сердечно-сосудистой системы. В частности, описаны попытки использования генной терапии для предотвращения тромбообразования. Здесь идут по пути генетической модификации клеток кровеносных сосудов, вводя в них гены, продукты которых могут предотвращать формирование тромбов. Активно проводятся работы по усилению процесса роста кровеносных сосудов, требующемуся, например, после инфаркта миокарда и при ишемии нижних конечностей. Для этих целей используется перенос целого ряда генов, продукты которых обладают способностью инициировать процесс сосудообразования (в первую очередь различные факторы роста). И уже появились сообщения о первых успехах на этом пути.

На хомяках уже получены впечатляющие результаты, которые позволяют думать, что в недалеком будущем генная терапия сможет заменить собой пересадку сердца. Эксперимент основывался на факте взаимосвязи между ослаблением сократительной функции сердца, ведущей к сердечной недостаточности, и повышенной экспрессией гена PLN, продукт которого блокирует работу канала для ионов кальция (последние чрезвычайно важны для сокращения сердечной мышцы). Различные факторы, которые считают причинами сердечной недостаточности, могут нарушать регуляцию экспрессии гена PLN, что и приводит зачастую к ослаблению работы сердца. Хомякам вводили вирусный вектор, содержащий мутантный ген PLN, продукт которого (в нем заменена одна аминокислота) имел эффект, обратный нормальному белку. В результате этого у животных, получавших экспериментальное лечение, удалось остановить дальнейшее развитие болезни сердца, в то время как у контрольных, которым ген не вводился, сердечная недостаточность прогрессировала до поздних стадий жизни.

Интерес представляют и исследования, проводимые по генной терапии заболеваний кожи (вернее, кожного эпителия). Прямое втирание раствора ДНК с рекомбинантным геном в волосяные фолликулы открывает эффективный и нетравматический путь для доставки в организм нужных для лечения генетических конструкций.

Ожидается, что в скором времени с помощью генной терапии можно будет даже вернуть зрение слепым. Эта надежда связана с недавними удачно проведенными экспериментами на собаках. Трое щенков, на которых проводился эксперимент, страдали врожденной слепотой Лебера (дегенерация сетчатки). Заболевание связано с отсутствием в клетках одного из ключевых белков. При этом заболевании животные или рождаются слепыми, или слепота наступает практически сразу же после их рождения. Введение больным животным с помощью рекомбинантного вируса нормального гена привело к появлению у них зрения. Ученые надеются, что вскоре начнутся подобные работы и на человеке, глаз которого по устройству похож на собачий.

С помощью генной терапии в экспериментах на крысах удалось добиться устранения у них алкогольной зависимости. Было известно, что важную роль в возникновении чувства удовольствия и алкогольной зависимости играет пептид дофамин. В определенную область мозга крыс, с которой связывают пристрастие к алкоголю, вводили ген, кодирующий рецептор к дофамину (DRD2), с которым дофамин связывается. В результате этого через три дня после введения гена у животных повысилось число рецепторов к дофамину, а содержание самого дофамина и, как следствие, доля спирта в общем объеме выпиваемой жидкости резко снизились.

В последнее время большое внимание в генной терапии привлек к себе ген, кодирующий уже упоминавшийся выше фермент теломеразу. Этот фермент осуществляет удлиннение концевых участков хромосом (теломер), которые в норме укорачиваются при каждом делении клеток. За счет постепенного укорочения хромосом клетки в конечном итоге погибают. Однако при наличии активного фермента теломеразы ситуация меняется. По крайней мере, некоторые типы клеток, в которые вводился ген теломеразы, приобретали способность делиться бесконечно долго. И вот появились сообщения об использовании гена теломеразы в генной терапии. В частности, ген теломеразы вводили мышам с экспериментальным циррозом печени. После этого у животных обнаруживалась теломеразная активность в клетках печени, хотя в норме ее там не было. По мнению авторов, «теломеризация» клеток печени может способствовать восстановлению нормального содержания гепатоцитов, а, следовательно, лечению цирроза. Еще один пример. Мышам с удаленными надпочечниками вводились «теломеризованные» клетки этого органа, что приводило к восстановлению их функции. Существует предположение, что использование «обессмерченных» клеток может быть полезным для создания искусственных органов, выращенных из клеток пациента и поэтому не отторгающихся при трансплантации.

Большое внимание уделяется сейчас использованию генной терапии для борьбы с всевозможными вирусными инфекциями. И здесь активно разрабатывают новую стратегию генотерапии, основанную на «выключении» вирусных генов, работа которых связана с развитием различных патологий. В частности, перед человечеством остро стоит проблема СПИДа. На ее решение направлены усилия огромного числа ученых и медиков. В литературе описано множество различных подходов борьбы с этим пока, к сожалению, полностью не излечимым заболеванием, вызываемым вирусом иммунодефицита человека (ВИЧ). Подключились к этой проблеме и генные терапевты. И уже можно говорить о первых, хотя пока еще скромных, успехах. В частности, на модельных системах показан терапевтический эффект ряда генных конструкций. Поскольку все эти варианты трудно перечислить, остановимся на одном из них. Так, было известно, что в геноме ВИЧ содержится некая последовательность (названная TAR), которая узнает специальный вирусный регуляторный белок. Только после взаимодействия этого белка с TAR-элементом вирус начинает размножаться. Для того, чтобы предотвратить этот процесс, было предложено вводить искусственно синтезированную TAR-последовательность в инфицированные клетки. Регуляторному белку все равно, с чем взаимодействовать — с вирусной последовательностью или с такой же точно последовательностью, искусственно внесенной в клетки. Добавленная в клетки ДНК обеспечивает в данном случае роль «ловушки»: когда в инфицированной клетке на ней синтезируется много РНК, регуляторный белок вируса связывается преимущественно с ними, а не с РНК вируса, и в результате этого вирус перестает размножаться.

Гены, вызывающие многочисленные тяжелые недуги и позволяющие вирусу размножаться, могут быть целенаправленно нейтрализованы с помощью механизма РНК-интерференции (мы уже упоминали о нем). В последнее время на модельных объектах установлено, что интерферирующая микроРНК (т. е. РНК, которая «выключает» действие строго определенного гена) может быть полезной при лечении ряда вирусных инфекций (например, при СПИДе и при полиомиелите), а также нейродегенеративных заболеваний, в частности, болезни Хангтингтона. Так, в результате использования специальных двунитевых микроРНК в экспериментах на мышах у них существенно замедлилось развитие заболевания, аналогичного болезни Хантингтона, а в ряде случаев наблюдалось даже полное восстановление нормального функционирования мозга.

С помощью генной терапии теперь осуществляют и иммунизацию (вакцинацию) организмов, что получило специальное название — ДНК-иммунизация. Процедура иммунизации против вирусных заболеваний с помощью их же собственных «нейтрализованных» белков (они называются антигенами) известна давно. При ДНК-иммунизации вместо белков-антигенов вводят определенные гены. Эти гены, работая в клетках, производят строго определенные белки-антигены, на которые в организме и вырабатывается иммунитет, т. е. образуются соответствующие антитела. Если после ДНК-иммунизации в организм попадет вирус, то имеющиеся антитела будут бороться с ним и уничтожать его. Метод ДНК-иммунизации был тщательно отработан опять же на животных и показал свою высокую эффективность, особенно в отношении таких вирусных инфекций, как клещевой энцефалит, ВИЧ, малярийный плазмодий. Констатируем лишь, что у ДНК-иммунизации имеется ряд существенных преимуществ по сравнению с традиционно используемыми приемами (однако детальное обсуждение этого вопроса есть назначение совсем другой книги).

В печати широко рекламируются первые успехи генной терапии в лечении людей. Отдельные успехи действительно позволяют с оптимизмом смотреть в будущее этого направления. В качестве примера приведем такой случай. У одного американца после операции шунтирования на сердце через некоторое время состояние снова ухудшилось. Новая операция шунтирования была уже бесполезна. И он решил рискнуть: принял участие в новом клиническом испытании на сердце. Прямо в сердце ему сделали укол раствора с геном, который вызывает рост кровеносных сосудов. Уже через 3 недели пациент почувствовал себя почти здоровым. Такой же эффект испытали на себе и 16 других больных, участвовавших в эксперименте. Это был успех!

Приведем другой пример. В 2000 году в США была предложена процедура введения гена, который кодирует образование одного из факторов свертывания крови. Внутримышечное введение такого гена больным гемофилией препятствовало возникновению кровотечений у пациентов. Результаты первых клинических исследований свидетельствуют о том, что после такого лечения пациенты с гемофилией более года не испытывают необходимости в дополнительных инъекциях фактора.

Сейчас уже ясно, что генная терапия может быть использована для лечения не только наследственных, но и для значительно более распространенных приобретенных болезней, таких как диабет, остеопороз, ревматоидный артрит, рак и вирусные инфекции (включая даже СПИД). В частности, нет сомнения, что генная терапия вирусных заболеваний позволит значительно сократить расходы на широко используемое в настоящее время противовирусное лечение, которое далеко не всегда эффективно и, кроме того, нередко сопровождается серьезными осложнениями.

Ученым и медикам предстоит еще решить массу непростых проблем, в частности, проблем, связанных с устойчивым переносом генов, со взаимодействием генетических препаратов с клетками, с опасностью аллергических реакций и т. д. В связи с этим, перспективным методом генотерапии сейчас считается уже упоминавшаяся технология ex vivo. Клеточный материал, взятый от пациента, подвергают in vitro, т. е. в пробирке, генетическим изменениям, а затем ретрансплантируют его снова в организм донора (рис. 35). И уже есть пример успешного лечения семейной формы гиперхолестеринемии с использованием такого подхода. Разработан генно-терапевтический подход, основанный на подсадке в кожу трансформированных in vitro клеток кожного эпителия (кератиноцитов).

Имеются хорошие заделы в плане использования технологии ex vivo для лечения заболеваний суставов (ревматоидных артритов). Ученые из Гарвардского университета в Бостоне предложили лечить пораженные суставы путем прямого введения в них генетически измененных клеток, способных вырабатывать белок, оказывающий противовоспалительное действие. Из пораженных суставов брали клетки и вносили в них ген, кодирующий антагонист рецепторов к белку интерлейкину–1. После нескольких недель выращивания in vitro клетки вводили в суставы. В результате у большей части испытуемых наблюдали значительное улучшение состояния.

^{Рис. 35. Две основные стратегии, используемые при генной терапии: in vivo и ex vivo}

Другой пример, но опять же пока на животных как на моделях. У мышей удаляли надпочечники и затем им вводили не ген, а генетически измененные ex vivo клетки надпочечника с активно работающим геном теломеразы. Это привело к тому, что функции надпочечников были полностью восстановлены.

Однако для широкого читателя очень важно отметить, что на современном этапе еще существует множество нерешенных проблем и поэтому генная терапия пока не получила широкого распространения. Несмотря на очевидные преимущества перед другими способами лечения, это направление пока не стало ведущим. Хотя большая армия ученых работает в области генной терапии свыше 10 лет, реальные успехи этого направления еще не столь велики, как этого хотелось бы. Причин тому несколько. В первую очередь — это отторжение чужеродных генов, вызванное иммунной реакцией организма и быстрым разрушением вводимых генов в клетках. В новой для него клетке ген чувствует себя чужаком. И клетка, не понимая своей выгоды, всячески старается от него избавиться. В результате перенесенный ген существует там, как правило, очень короткий интервал времени, порой не успевая наработать необходимое количество лекарственного продукта. По этим причинам чаще всего излечение получается временное и только у части клеток. Второе — невысокая эффективность современных методов переноса генов в клетки больных. Весьма трудно искусственно внести тот или иной ген во все клетки. Лучше всего было бы встраивать нормальные гены вместо «больных» генов в геном пациентов еще на стадии половых клеток. Такие подходы сегодня разработаны на животных, но для человека по ряду причин это сейчас практически невозможно применять.

Потребуется еще время и большие усилия ученых, чтобы сделать гены лекарствами. Сейчас еще нельзя посоветовать ни одному человеку пойти в аптеку и купить рекомбинантную плазмиду с геном, который его спасет, например, от диабета. Но уже созданы солидные теоретические и методические предпосылки для этого, достигнуты заметные успехи в экспериментах на животных, начаты предклинические и клинические испытания многих новых разработок на человеке. Так что в недалекой перспективе все эти проблемы, без сомнения, будут решены.

На конец 2001 года в мире существовало около пятисот протоколов процедур генной терапии, ряд из которых уже был испытан на 3500 больных (в основном в США). Десятки процедур находятся сейчас на последних стадиях клинических испытаний. Огромный масштаб работ свидетельствует о том, что генная терапия приближается к своему совершеннолетию. По оценкам специалистов, уже через двадцать лет генная терапия совершенно изменит облик практической медицины. На базе генной терапии можно в скором времени ожидать появления новых способов защиты человеческого организма от старения. Вот цитата из интервью с директором Института молекулярной генетики РАН академиком Е. Д. Свердловым (газета «Доктор Фом» за февраль 1999 г.): «Генная инженерия уже сейчас умеет исправлять «испорченные» гены. За считанные годы это умение вырастет тысячекратно. Для биологов уже нет сомнений, что в XXI веке генный аппарат каждого новорожденного будет тщательно проверяться, чтобы избавить человека от многих неприятностей, скажем, от самых страшных заболеваний — генных. И есть немалая вероятность, что одновременно можно будет убирать многие негативные черты характера, которые тоже определяются генами, — такие, как трусость, жадность, эгоизм. И усилить задатки других черт — той же гениальности, ген которой был открыт в прошлом году. А может быть, удастся пойти еще дальше: определив уже в родильном доме поведенческие реакции человека, дать ему и соответствующее воспитание, подготовив его к той нише бытия, в которой ему будет наиболее комфортно. И тогда, возможно, не станет людей, считающих, что их жизнь не удалась, а на Землю придет тот самый Золотой век, о котором человечество мечтает с самого начала своей истории». Хочется надеятся, что после всего вышесказанного читатель вместе с автором разделит оптимизм этих строк.

В начале жизни мы юны и здоровы, а потом неизбежно стареем и умираем. Почему же так происходит? Можно ли это преодолеть? К большому для всех нас сожалению, окончательного ответа на эти вопросы пока еще нет. Ни об одном бессмертном человеке ныне ничего не известно. Несерьезно же считать таковыми Дункана Маклауда и его многочисленных соперников из известного телесериала «Горец».

Тем не менее, существует множество легенд, литературных данных и документов о долгожителях. Об одном из них, некоем англичанине Пирсе, большом любителе молочных продуктов, прожившем вроде бы полных 154 года, нам с вами все время напоминают изготовители молока на упаковках своей продукции. Имеются и отдельные более впечатляющие, но менее достоверные сведения. Так, согласно легенде, греческому поэту Эпимениду удалось прожить до 300 лет. Если верить муниципальным записям, китаец Ли Цуньюн жил 246 лет, похоронив за это время 23 жены. Римлянин Плиний Старший в своей «Естественной истории» написал о некоем иллирийце, дожившем вроде бы до 500-летнего юбилея. По библейскому сказанию, отец рода человеческого Адам прожил 930 лет, оставив нам многочисленных потомков. Наконец, в Ветхом Завете повествуется о том. что пророк Мафусаил прожил дольше всех когда-либо живших людей, достигнув возраста 969 лет.

Однако книга рекордов Гиннеса утверждает, что нет ни одного достоверного случая празднования 121-го дня рождения. Сведения о продолжительности жизни некоторых прославленных долгожителей прошлых веков, по мнению специалистов, объясняются тем, что за одного человека принимали отца и сына либо других родственников, носивших одно и то же имя или титул. Самую долгую документально подтвержденную жизнь в 120 лет 137 дней прожил японец Сигечийо Идзуми. Однако в конце концов дело не в том, сумеем ли мы найти или не найти подтверждения мифов о долгожителях. Важно другое. Для того чтобы получить «элексир» продления человеческой жизни, нужно познать истинные причины старения организма.

С древних времен люди искали средства для продления жизни. Выдающиеся умы человечества, среди них Аристотель, Гиппократ, Бекон и другие, посвятили разработке их многие годы. Известно множество всевозможных описаний различных средств, омолаживающих организм, к которым порой неплохо относятся даже некоторые современные врачи. Например, появилось сообщение, что в Тибете в одном из буддийских храмов обнаружены якобы глиняные таблички с рецептом, который монахи используют уже много тысяч лет: натереть 200 г чеснока, поместить в глиняный сосуд, затем налить 200 г спирта и плотно закрыть. Настойку выдержать в темном месте 10 суток, процедить и принимать по 5 г три раза в день за 20 минут до еды, добавляя в холодное молоко. Сходный древний рецепт существует вроде бы в Абхазии: 400 г тертого чеснока смешать с соком 24 лимонов, вылить в банку, завязав горлышко марлей. Принимать две недели подряд в день по 1 чайной ложке, разведенной в стакане кипяченой воды. Французы же считают, что истина — в красном вине. Когда-то пытались омолаживать организм с помощью подсадок в старый организм молодых половых желёз. Считалось, что активная сексуальная жизнь снижает уровень половых гормонов в крови. Однако вскоре выяснилось, что после кратковременного эффекта наступало более быстрое увядание.

Одну из первых, достаточно обоснованных экспериментально научных теорий выдвинул на рубеже XIX и XX веков выдающийся российский ученый И. И. Мечников. Одной из основных причин старения он считал отравление организма особыми ядами — токсинами, продуктами гнилостного распада пищи, происходящего в нашем кишечнике. Он разработал даже специальную диету, которой придерживался долгие годы. Желающим следовать его диете И. И. Мечников советовал в день съедать 120–150 г мяса, не менее 0,5 литра простокваши и побольше растительных продуктов — овощей и фруктов, в числе которых особенно выделял морковь, свеклу, финики и капусту, которые по его мнению, содержат вещества, предотвращающие развитие гнилостных бактерий в толстом кишечнике.

Другая теория старения разработана известным русским физиологом академиком И. П. Павловым и его учениками. Согласно этой теории, нервная система регулирует все процессы в человеческом организме, оказывая тем самым решающее воздействие на обмен веществ, синтез белка, окислительные и энергетические процессы в клетках. Выдвинув свою теорию старения, ученый поставил под контроль прежде всего себя. Основу его образа долгой жизни составлял строгий режим, заключавшийся в чередовании труда и отдыха.

Итак, существует множество разных идей и конкретных советов, как продлить свою жизнь. Порой они сильно противоречат друг другу. Занимайтесь спортом, не курите, не употребляйте алкоголь — говорят одни. А другие, наоборот, утверждают, что повышенные спортивные нагрузки могут принести не меньше вреда, чем лежание на диване. Такие нагрузки увеличивают количество вредных свободных радикалов в организме. А вот стаканчик вина или другого алкогольного напитка в умеренных количествах будет успешно бороться с ними. Например, поможет уменьшить риск сердечно-сосудистых заболеваний. А в пиве содержатся сильные антиоксиданты, которые препятствуют помутнению хрусталика глаза (канадские медики считают, что даже одна кружка этого напитка в день значительно снижает риск развития катаракты). Так что сколько людей, столько мнений.

Возможно, что-то из всего вышеперечисленного действительно полезно, но насколько — еще вопрос. Невозможно экспериментально проверить на себе все имеющиеся рецепты. В любом случае все это практически никак не решает проблему долголетия.

А эта проблема весьма серьезная, особенно для России. По данным Госкомстата на конец 2002 года наши мужчины живут в среднем 58 лет, 11 месяцев и 16 дней. А женщины — 72 года, 4 месяца и 4 дня. Если сравнить с Древним Римом, самым процветающим по тем временам государством, где средняя продолжительность жизни составляла 20–25 лет, то все вроде бы и не плохо. В конце XIX века долгожителями являлись шведки, жившие в среднем по 45 лет. Но вот в современной Европе, США и Японии продолжительность жизни далеко за 70 лет у мужчин (например, в Японии и Швеции — 77 лет) и за 80 — у женщин. В результате по оценкам специалистов к 2010 году население России может сократиться до 136 млн. человек (в 1999 году россиян было 146,3 млн.). Причем по этим прогнозам русских будет всего 107 млн., по сравнению со 118 млн. в 1999 году.

Чтобы решить проблему долголетия, в первую очередь нужно знать как факторы, так и причины, его определяющие. И вот секвенировали геном человека. В связи с этим вновь возродились различные мечты, самая острая из которых если не бессмертие, то существенное продление средней человеческой жизни и, главное, ее активной, творческой части. Очень хочется верить, что теперь эта мечта не совсем беспочвенна.

Сегодня молекулярным генетикам стало ясно, что многие болезни старости закодированы в геноме человека. И ученые занялись активным поиском «гена долголетия», который продлевал бы жизнь, не оказывая при этом никаких других нежелательных эффектов. В своих поисках они исходили, естественно, в первую очередь из существующих теорий, пытающихся объяснить старение организма. Согласно теории англичанина Эддингтона, число гипотез и теорий, объясняющих какое-либо явление, обратно пропорционально объему знаний о нем. Как бы в подтверждение этой теории, таких гипотез по проблеме старения сейчас накопилось целое море (их насчитывают свыше 300).

Поскольку манипуляции с геномом человека пока невозможны, то для решения человеческих проблем часто используют наших «братьев меньших» — различных лабораторных животных. Как уже говорилось, сходство между нами и ими на геномном уровне позволяет изучать работу какого-либо гена у более простых организмов — так проще, дешевле и быстрее, — а затем использовать эти результаты применительно к человеку. И такие манипуляции уже начинают приносить первые, весьма обнадеживающие результаты. Вот некоторые примеры.

Уже давно обсуждалась возможная связь между старением и процессами, происходящими в таких структурах клетки, как митохондрии. Митохондрии — это «электростанции» клетки, которые вырабатывают энергию за счет происходящих в них процессов окисления. 98 % кислорода, потребляемого митохондриями при дыхании, превращается в воду, в то время как оставшиеся 2 % за счет паразитных химических реакций дают побочные продукты — агрессивные частицы, называемые свободными радикалами. Эти частицы весьма токсичны для клеток, они вмешиваются в нормальную работу многих клеточных механизмов, вызывают повреждения разных клеточных структур. И с возрастом такие дефекты накапливаются. В результате митохондрии начинают вырабатывать все меньше и меньше энергии и человек слабеет. Надо было проверить эту гипотезу.

Давно уже известно, что предотвратить «окисление» клеток можно и с помощью химических препаратов, так называемых антиоксидантов. Лауреат двух Нобелевских премий Лайнус Полинг не зря считал, что для продления жизни важнейшим служит особый режим питания и использование определенных витаминов и антиоксидантов. Если верить очевидцам, сам он в течение многих лет каждый день употреблял по 1 г витамина С и умер на 93-м году жизни.

Эксперименты итальянских исследователей на мышах подсказали другое решение проблемы. В результате выключения работы одного из генов (его имя p66SHC) мыши становились более устойчивыми к действию факторов, вызывающих окислительный стресс, и их продолжительность жизни увеличивалась на 35 %. Ген p66SHC представляет собой своеобразный «винтик», регулирующий сопротивляемость клеток окислению. Таким образом, ученые научились подкручивать этот «винтик», регулируя тем самым процесс старения. Сами авторы утверждают: «Теперь мы точно знаем, что продолжительность жизни поддается управлению. Нам удалось на треть продлить жизнь подопытным животным, хотя они выросли менее активными и отличались меньшими размерами по сравнению с нормальными особями. Однако животные, будучи изолированы от естественной среды обитания, выросли вполне здоровыми, и других побочных явлений замечено не было». Конечно, вывод авторов кажется чересчур оптимистичным, хотя в целом и не лишен некоторых оснований. Такой же ген с такими же функциями имеется и в геноме человека. Из всего этого следует вывод: поиск средств, изменяющих работу гена p66SHC, может быть весьма важным подходом для предотвращения процессов старения у человека.

И еще пример, как исследования на других организмах помогают понять проблемы человека. В геноме одного из излюбленных генетиками простого объекта — червя с трудным родовым именем и простым видовым Caenoharbditis elegans — обнаружено несколько генов, мутации по которым увеличивают продолжительность его жизни. Как показали канадские исследователи, одновременное выключение двух из этих генов продлевает жизнь червя более чем в пять раз. Позднее в геноме человека был также обнаружен ген, весьма сходный с одним из двух генов червя. Анализ продукта данных генов у червя показал, что он участвует в переключении с бескислородного метаболизма клеток на кислородный. Так появилась еще одна «подсказка» для поиска путей продления жизни человека. Если считать человеческий век равным 100 годам, то человек, подвергшийся той же операции, что и червь, теоретически способен прожить лет пятьсот. Однако надо иметь в виду, что эффекты, наблюдаемые от применения разных продлевающих средств, испытанных на животных, на людях, как правило, оказываются значительно скромнее.

В последние годы объектом пристального внимания исследователей, занимающихся проблемой старения, стали концы хромосом. Здесь имеются структуры-наконечники, о которых выше уже шла речь, называемые теломерами. Они служат как «защитники» хромосомы, но в обычных нормальных клетках, как правило, при каждом делении эти структуры становятся все короче и короче. Именно в этом, по мнению ряда ученых, и заключается одна из причин старения. При отсутствии специального фермента теломеразы в нормальных соматических клетках происходит укорачивание хромосомы, сопровождающееся потерей важных генов. Наоборот, бессмертие ряда клеток в культуре вне организма, свойственное, как правило, клеткам из опухолей, объясняется реактивацией фермента теломеразы.

Какова причина этого? У бактерий ДНК имеет форму кольца. Когда нужно сделать копию, определенный белок-фермент садится на нее, затем ползет по ДНК и наращивает ее копию. Естественно, при этом всегда и справа, и слева есть молекула ДНК, ведь она же кольцевая. В результате этого бактерии, вероятно, и являются бессмертными (есть такая точка зрения). Но вот у высших организмов, включая человека, молекулы ДНК расположены в хромосомах и линейны. При этом «копирующий» механизм остался прежним. Он по-прежнему работает в полной мере только тогда, когда у него с двух сторон есть генетический материал. Соответственно, самый кончик молекулы ДНК высших организмов в такой ситуации не может копироваться. Как результат, у таких организмов каждая новая копия ДНК оказывается короче предыдущей. Выяснилось, что в результате такого процесса теломера может уменьшиться до определенной величины, после которой клетка перестает делиться: она старится и умирает. Мысль о том, что длина теломеры хромосом может служить в качестве «часов», отсчитывающих время жизни клетки, была высказана нашим соотечественником А. М. Оловниковым еще в 1973 году. Лишь позднее выяснилось, что в геноме человека есть ген, кодирующий белок теломеразу. Этот белок-фермент способен удлинять теломеры, но в основном он работает в раковых клетках, что, вероятно, и является одной из причин их «бессмертности». В экспериментах на нормальных клетках уже показано, что искусственное увеличение количества теломеразы делает клетки более долгоживущими. Возможно, уже через несколько лет на основе теломеразы будет создано лекарство, которое если и не решит проблему старения окончательно, то сможет существенно продлевать жизнь человека.

Примеры того, как исследования на животных указывают на генетические основы долголетия, можно было бы продолжить и приводить долго. Так, в эксперименте на мухах-дрозофилах удалось обнаружить ген, ответственный за продолжительность жизни. Ген продления жизни ученые назвали «Я еще не умер» («I'm not dead yet») или сокращенно Инди (Indy). Однако пока остается непонятным, имеет ли он отношение к долголетию человека.

В 2001 году американским ученым вроде бы удалось заметно сузить область поиска генов человека, которые отвечают за долголетие. Такие гены, по их мнению, находятся в определенном участке хромосомы 4. Хотя большинство исследователей считает, что продолжительность жизни определяется большим, порядка тысячи, числом разных генов, авторы последнего исследования не согласны с этой точкой зрения. Они изучили гены близких родственников тех людей, которых можно назвать долгожителями, и искали у них общие участки хромосом. С вероятностью 95 процентов был выявлен участок хромосомы, который содержит всего от 100 до 500 генов, среди которых должен быть и ген долголетия. Именно он был общим у участвовавших в исследовании людей. По мнению авторов исследования, после определения гена или нескольких генов, ответственных за долголетие, удастся создать лекарства для продления жизни.

Исследуя один из генов дрожжей, ученые обнаружили, что он снижает уровень поглощения калорий и замедляет скорость метаболизма в клетке, что должно приводить к замедлению процесса старения. Так возникло представление еще об одном ключе к механизму управления старением.

Другой кандидат на роль гена жизни был выявлен американскими учеными из Университета имени Джона Хопкинса. Этот ген авторы назвали в честь греческой богини судьбы Клото, одной из трех мойр, которая, согласно легендам, прядет жизненную нить человека, определяя срок его жизни. Стратегия поиска данного гена была таковой. Был проанализирован генетический материал около двух тысяч новорожденных и пожилых людей, относящихся к разным этническим группам. Наличие определенных форм гена Клото у пожилых людей сравнивали с таковым у детей. Оказалось, что среди детей две копии измененной версии гена Клото встречались в два раза чаще, чем у людей старше 65 лет. По мнению ученых, это означает, что люди, имеющие две копии дефектного гена, в среднем умирают раньше, чем те, кто имеет лишь одну копию или не имеет ни одной. Таким образом, обнаружена четкая корреляция между наличием нормального гена Клото и продолжительностью времени жизни человека.

Согласно одной из наиболее распространенных гипотез, одряхление организма представляет собой накопление гибельных ошибок и других повреждений генов, возникающих в течение жизни индивидуума в процессе деления клеток и репликации ДНК. Этот вопрос сейчас интенсивно исследуется. И вот первый результат. В геноме человека и животных найдены специальные, очень строгие гены — «сторожа». Подобно корректорам, работающим над книгой, они выискивают опечатки в тексте и исправляют их. Результат нарушения нормальной «охранной» работы этих генов в организме — быстрое старение. Уже составлен определенный список таких генов, охраняющих наш генетический аппарат от всевозможных повреждений, которые могут появиться в течение жизни. И этот список постоянно увеличивается. Ученые считают, что управление работой таких генов может способствовать продлению полноценной жизни человека. Один из примеров этого — гены, кодирующие ферменты по имени геликазы. Эти ферменты участвуют в нашем организме в таких процессах, как репликация ДНК и рекомбинации в ней. Стоит только некоторым из них ухудшить свою работу, как сразу же начинают появляться приметы старения. У человека известен синдром Вернера (молодые люди выглядят как старики), который в значительной мере связан с нарушением работы одного из генов, кодирующих геликазу.

В подтверждение тому, что повреждения ДНК ответственны за процессы, ведущие к неотвратимому старению, можно привести данные голландских ученых, которые недавно изучали мышей с дефектом одного из генов, участвующих в репарации (восстановлении) поврежденной цепи ДНК. Такие мыши характеризовались рядом различных черт раннего старения (хрупкостью костей, седой шерстью, стерильностью). Все эти явления оказались вызванными лишь мутациями в гене XPD, который у человека вызывает болезнь трихотиодистрофию (она проявляется в развитии хрупкости волос, замедленном росте и повышенной чувствительности к свету) и который ответственен в норме за регуляцию экспрессии генов, вовлеченных в репарацию ДНК. Мыши с дефектом в гене XPD развивались нормально, но старели слишком быстро при достижении взрослого состояния. Дополнительная мутация в этом же гене увеличивала чувствительность животных к свободным радикалам кислорода. Таким образом, эти исследования со всей очевидностью показали, что причиной нашего старения может быть последовательное накопление мутаций в геноме.

Недавно была показана вовлеченность гена, известного под именем р21, в происхождение многих болезней, традиционно ассоциируемых с преклонным возрастом. Оказалось, что белковый продукт данного гена способен влиять на активность работы около сотни других генов, многие из которых отвечают в организме за патологические изменения в кровеносных сосудах, суставах, нервных, эпителиальных и других тканях человека. В частности, мутации в гене p21 ускоряют развитие атеросклероза, способствуют злокачественному перерождению клеток. Вот вам и путь еще к одному элексиру молодости: управление активностью таких генов, как ген p21 или ген геликазы, вполне способно существенно увеличить среднюю продолжительность жизни человека, а главное — улучшить ее качество.

Еще одно направление поиска ученых связано с изучением присущего нашим клеткам естественного механизма самоликвидации. Еще 120 лет назад немецкий ученый Август Вейсман писал: «Недееспособные индивидуумы не только бесполезны для вида, но даже вредны, так как занимают место дееспособных. Я рассматриваю смерть не как первичную необходимость, а как нечто возникшее вторично. Я полагаю, что продолжительность жизни ограничена не потому, что неограниченность противоречит природе жизни, а потому, что неограниченная жизнь была бы роскошью, не дающей никаких преимуществ».

Сейчас генетики установили, что в организме действуют программы не только на жизнь, но и на смерть. Считается установленным запрограммированность клеток на смерть. В частности, описан так называемый «лимит Хейфлика», согласно которому клетка не может делиться более 50 раз. Считается, что клетка умирает не потому, что состарилась, а потому, что сама кончает счеты с жизнью, если возникает подозрение, что она может стать потенциально опасной или просто ненужной для окружающих тканей. И такое «самоубийство» клеток (этот процесс, как уже говорилось, назван красивым словом апоптоз) запрограммировано в нашем геноме.

Когда же и за счет чего апоптоз происходит? В норме он нужен человеку с самого начала его существования для нормального формирования человека из единичной клетки — зиготы. Без апоптоза мы с вами имели бы хвосты, жабры и перепонки между пальцами. Но в результате этого процесса все рудиментарные органы безболезненно «исчезают». Кроме того, во взрослом организме благодаря апоптозу ежедневно самоуничтожаются миллиарды старых клеток, а также клеток, зараженных вирусом. Ради своих соседей, ради всего организма, чтобы не нанести ему вред, зараженная клетка самоликвидируется. Апоптоз происходит и в нормальных клетках после определенного времени их жизни в организме. Клетка по сигналу из генома умирает, и новая клетка приходит ей на смену. Например, клетки крови, потрудившись определенное время на благо человека, отмирают, а на их место поступают новые «молодые» труженики. Самоубийство клетки происходит только тогда, когда она получает специальный приказ на самоуничтожение. А отдают этот приказ особые белки, которые начинают вырабатываться в нужном месте и в нужный момент. Вся эта сложная программа строго контролируется большим числом генов: одни стоят на страже полноценных клеток, другие дают команду на уничтожение исчерпавших свой срок или подвергшихся мутациям — все старое и отжившее организму только мешает. И вот наступил момент, когда многие гены-убийцы были разоблачены. За это открытие в 2002 году трем ученым (С. Бреннеру, Дж. Сулстону и Р. Хорвицу) была присуждена Нобелевская премия.

Новые данные породили идею, которую высказал российский академик В. Скулачев: возможно, и у целого организма, как у единичных клеток, существует генетически запрограммированный механизм самоуничтожения. Однако пока обо всем этом мы мало знаем. И, тем не менее, уже начата атака на гены-убийцы клеток в надежде вмешаться в процессы старения организма. Исходя из вышесказанного, можно заключить, что один из основных принципов клетки — лучше умереть, чем ошибиться. Это напоминает самурайский кодекс чести. Не зря, видимо, один из генов, участвующих в апоптозе, получил имя HARAKIRI (харакири).

Ведя разговор о генах и старении, нужно помнить, что в сложнейшей картине тысяч различных биохимических процессов, происходящих в клетках, каждый генный продукт может участвовать во множестве метаболических цепей. Да, изменение работы того или иного гена может действительно сказаться на продолжительности жизни человека, но при этом возможны и другие, порой непредсказуемые, последствия. Например, тот же ген р21, о котором речь шла выше, отвечает в нашем организме за то, чтобы у нас не образовывались опухоли. Заблокировав его, мы, может быть, сможем прожить на несколько десятков лет больше, но только если не умрем раньше от рака. Так что надо детально учитывать все моменты, связанные с каждым из генов, прежде чем начинать практическое вмешательство в нашу жизнь. В противном случае это будет напоминать анекдот об одном «ученом», который определял местонахождение органов слуха у таракана. Он последовательно отрывал ноги таракану и давал команду «бежать». Пока у таракана оставалась хотя бы пара ног, он пытался убежать от «ученого». Но когда у таракана ног не осталось и он, естественно, бежать не мог, «ученый» сделал вывод, что органы слуха у таракана находятся на ногах.

Все, о чем говорилось выше — пока лишь отдельные вехи на пути медицинской геномики к коррекции процессов старения. Ученые пока не претендуют на открытие источника вечной молодости, но имеют веские основания надеяться замедлить старение людей в ближайшем будущем. Сейчас очевидно, что старение, как и любая другая важная биологическая функция, обусловлено параллельным действием множества довольно сложных и пока еще плохо изученных молекулярных механизмов. Кроме того, не следует забывать, что старение нашего организма зависит не только лишь от генов. Существенную роль в определении продолжительности времени старения и наступления смерти играют многие внешние факторы, в первую очередь условия жизни, питание и образ жизни человека. Все эти факторы, так или иначе, влияют на работу различных наших генов. Несмотря на то, что многие из них оказывают вроде бы второстепенное влияние на продолжительность жизни, выяснение их природы может оказаться весьма полезным для того, чтобы научиться замедлять старение.

Мы, конечно, можем бегать по утрам и пить томатный сок, не пить, не курить, но нам все равно не удастся избежать неизбежного — смерти. Наука хоть и продвинулась далеко вперед, но все же не изобрела эликсира, подобного вину, которое выпили Мастер и Маргарита, чтобы перейти в бессмертие. Тем не менее, оптимисты считают, что если кому-то из нас посчастливится прожить еще лет тридцать-сорок, чтобы дождаться полного расцвета генной инженерии человека, то, после этого, возможно, наша жизнь продлится до 2050, 2080 или аж 2100 года. Но даже они понимают, что бессмертия достичь нельзя, также как нельзя достичь абсолютного нуля температуры, сконструировать вечный двигатель или превысить скорость света.

Следует отметить, что и без вмешательства молекулярной генетики мы постепенно превращаемся в планету с «сединою на висках». В докладе Комитета по народонаселению ООН, сделанном в 2002 году, говорится о том, что «человечество впервые в своей истории сталкивается с феноменом старения населения». Сегодня людей, уже отметивших свое столетие, на Земле около 150 тысяч. А тех, кому исполнилось 80 и больше, — 66 миллионов. По прогнозам, к 2050 году число пожилых людей в мире превысит число молодых людей. По данным ООН, в мире сегодня проживает 629 миллионов людей в возрасте свыше 60 лет. К 2050 году их станет в три раза больше: два миллиарда. В 1950 году люди старшего поколения составляли 8 % населения земли. К 2000 году этот показатель увеличился до 10 %. В 2050 году они будут составлять 21 % населения планеты. Это самая быстрорастущая возрастная группа населения планеты.

А вообще-то задумаемся — нужно ли человеку бессмертие? Если хорошо поразмышлять, то можно и усомниться в этом. Недаром же мудрый царь Соломон отказался принять эликсир жизни, не желая жить дольше, чем близкие ему люди. А вот жить долго, причем желательно в бодром и дееспособном состоянии, действительно было бы весьма заманчивым. Лет, скажем, 150–200… Но будем помнить слова Жан-Жака Руссо: «Жить — это не значит дышать, это значит действовать. Не тот человек больше всего жил, который может насчитать больше лет, а тот, кто больше всего чувствовал жизнь». И еще высказывание Сенеки: «суть не в том, сколько лет живет человек, а как он живет». Мы ведь не просто хотим выживать, а полноценно жить.

Когда на торжественном банкете встречаются друг с другом азиаты и европейцы, то легко заметить, что даже после первого бокала легкого вина у азиатов лица краснеют, тогда как у европейцев они практически не изменяются, может быть, только чуть-чуть розовеют. В чем же причина этого? Здесь в основе различий в реакции на алкоголь также лежит геном человека, вариабельность его и кодируемых им белков. Даже незначительные различия в геномах разных людей порой ведут к существенному изменению реакции организма на разнообразные внешние воздействия, в частности на чувствительность к алкоголю, различным компонентам пищи, а также к всевозможным лекарственным средствам.

Но все это стало понятно сравнительно недавно, хотя научная фармакология существует уже около ста лет. Считается, что началась она с синтеза теперь уже всем хорошо известного лекарственного препарата аспирина. Однако за весь прошедший век фармакологи дали практикующим врачам всего лишь около полутысячи веществ, используемых для изготовления лекарств. При этом впоследствии оказалось, что далеко не все из них обладают только лишь полезными для человека свойствами. Нередко выяснялось, что многие из лекарств могут иметь побочные эффекты, в том числе и обладать весьма токсическим действием. Понадобилось почти 80 лет, чтобы разобраться хотя бы с тем же аспирином. Оказалось, что он подавляет активность одной из разновидностей фермента циклооксигеназы, но одновременно стимулирует другую его разновидность. А вот последнее вместо лечебного эффекта приводит к кровотечениям в клетках слизистой желудка и, как следствие, к развитию гастрита. Дело зачастую в том, что большинство из существующих лекарств представляет собой чуждые для человека вещества, с которыми он практически не сталкивался ранее в природе.

Но все это только одна из проблем. Другая, не менее важная, заключается в том, что даже самые «испытанные» лекарства эффективны далеко не для всех больных. Практика показывает, что зачастую ожидаемый лечебный эффект проявляется менее чем у четверти из них. Вот почему, например, так много разных лекарств имеется в аптеках от кашля, от головной и сердечной боли. Одним помогает одно, другим — другое.

Отчасти все это связано с тем, что вплоть до настоящего времени лекарственные препараты разрабатывались и назначались к применению, пройдя чисто «популяционный» контроль, без учета возможных индивидуальных особенностей реакции организма. А между тем уже довольно давно известно, что от 10 до 40 % людей не реагируют на ту или иную фармакотерапию. В чем же тут дело? Уже много лет назад было установлено, что индивидуальная вариабельность реакции организма на действие лекарственных средств может быть обусловлена генетическими факторами. Тогда же и было сформулировано понятие о фармакогенетике как о науке, изучающей влияние генетических факторов на особенности реакции организма в ответ на медикаментозное воздействие.

Успехи в области изучения генома человека создали научную базу и необходимые технологические предпосылки для дальнейшего прогресса фармакологии. И вот в результате секвенирования генома человека и совершенствования методов генетического анализа, которое произошло в ходе выполнения проекта «Геном человека», окончательно сформировалось целое новое направление — фармакогеномика. Сам термин возник в 1997 году еще в ходе полного секвенирования генома человека. Эта новая быстро развивающаяся наука представляет собой «сплав» фармакогенетики и современных геномных технологий.

Фармакогеномика сфокусировала свое внимание на поиске новых средств лечения с учетом знания о структуре генома человека и на базе изучения генетических основ вариабельности ответа пациентов на лекарства, определяемой различиями в наследственной природе разных людей. Фармакогеномика изучает, как те или иные особенности строения нашей ДНК могут ослабить или усилить воздействие лекарств, разрабатывает тесты на выбор наиболее оптимального сочетания медицинских препаратов для лечения каждого конкретного человека. Таким образом, фармакогеномику можно рассматривать как одно из первых реальных практических приложений результатов, достигнутых участниками международного проекта «Геном человека».

Сейчас поиск новых лекарств в значительной мере отличается от того, что было вчера, а завтра, благодаря фармакогеномике, он должен стать еще более эффективным и точным (рис. 36).

Началось все с «трудов» средневековых алхимиков, когда они пытались найти и создать элексир вечной молодости. Поиск шел в природе, в ее естественных продуктах. Один из подходов, применяемых в недалеком прошлом и не потерявших свою актуальность даже сейчас, — использование в качестве лекарственных средств тех естественных продуктов человеческих клеток, которые способны сами защищать организм от всевозможных патологий. Таких «защитников» довольно много в нашем организме, но не всегда их хватает для борьбы с патологическими процессам. Можно использовать не сами белки-защитники, а некие их усовершенствованные формы. Примером этому может служить путь, по которому шли российские ученые во главе с членом-корреспондентом РАН Н. Ф. Мясоедовым при создании уникального медицинского препарата «Семакс». По своим свойствам — это нейропептид. Обычно нейропептиды вырабатываются клетками нервной ткани и представляют собой, как правило, короткие аминокислотные последовательности, которые обладают высокой эффективностью и выраженной направленностью действия даже при условии их очень малой концентрации. «Семакс» был создан в результате анализа действия различных производных адренокортикотропного гормона на такие фундаментальные функции мозга, как обучение и память. Выяснилось, что пептид, состоящий всего из четырех аминокислот, входящих в состав этого естественного гормона человека, вмешиваясь в нарушенное управление больной клетки, способен восстанавливать ее нормальное состояние. Далее на один из концов этого пептида были искусственно добавлены три специфические аминокислоты, которые защищают его от быстрого разрушения в организме. И в результате появился медицинский препарат нового поколения, который сейчас все шире и шире используется в медицинской практике при лечении травм головного мозга, инсульта и расстройств памяти.

Еще недавно большим достижением считалось «плясать» от конкретного гена. И действительно, это стало весьма важным этапом на пути создания эффективных лекарственных средств.

^{Рис. 36. Схема, иллюстрирующая в общем виде эволюцию основных путей создания лекарственных средств}

Но теперь основные эффективные пути поиска новых лекарственных средств уже базируются на знаниях о полной структуре генома человека, с переходом на знания о структуре всех белков человека (его протеома). Секвенированный геном человека стал «путеводной книгой» для фармацевтических компаний. Появилась, как иногда говорят, «единственная в жизни» возможность идентифицировать все человеческие гены-мишени. Это одна из основных причин, почему вокруг нее ведутся жаркие баталии между двумя основными исполнителями проекта «Геном человека». За все времена до секвенирования генома человека было определено лишь около 500 молекулярных мишений, на которые направлено действие лекарственных веществ. Теперь, благодаря успехам в геномике человека, ожидается десятикратное увеличение таких мишений (по разным оценкам, общее их число у человека может составлять от 5000 до 10000).

Фармакогеномика осуществляет поиск новых мишений на базе двух китов — секвенированной нуклеотидной последовательности ДНК человека и компьютера. Подробнее мы поговорим об этом в главе по биоинформатике. Здесь отметим лишь несколько подходов.

Среди новых генов, обнаруженных в ходе полного секвенирования генома, сейчас осуществляют активный поиск тех, которые имеют структурное сходство с ранее выявленными генами- и белками-мишенями. Например, известной мишенью для лекарств являются белки, обладающие свойствами протеаз, — ферментов, расщепляющих другие белки. Сейчас уже предсказано существование у человека около 1000 белков с такими свойствами (вот и 1000 новых потенциальных мишеней!).

Другой подход — анализ все тех же уже многократно упоминавшихся снипсов. Изучение вариаций в геноме позволяет осуществлять направленный поиск генов, ответственных за определенные заболевания человека, которые ранее не рассматривались как гены-мишени.

С помощью компьютеров осуществляют также отбор среди имеющихся в распоряжении человека миллионов различных химических соединений тех, которые способны специфически взаимодействовать с определенными белками-мишенями, определяющими развитие того или иного заболевания.

Важнейшее направление в фармакогеномике — перевод медицины на рельсы персонифицированного лечения. К настоящему времени уже накопилось большое количество информации о генах, которые влияют на процессы всасывания, распределения, метаболизма и выведения лекарственных средств. В связи с полиморфизмом таких генов у некоторых пациентов лекарственные препараты могут быть неэффективными или даже оказывать токсическое воздействие. Известно, например, что в норме у различных групп исследуемых людей скорость удаления (элиминации) лекарства из организма может отличаться от 4 до 100 раз. Одним из комплексов генов, определяющих метаболизм лекарственных препаратов, являются гены системы цитохрома Р450. Скорость метаболизма лекарств у людей с разными изменениями этих генов отличается в сотни раз. Это указывает на то, что у отдельных индивидуумов возможно развитие побочных реакций в ответ на прием лекарственных препаратов даже в обычных (официально рекомендованных) дозах.

По данным Американской медицинской ассоциации, в США в 1994 году развитие побочных реакций явилось причиной госпитализации 2 млн. человек. В настоящее время почти семи миллионам американцев в возрасте 65 лет и старше прописываются лекарства, которые им не совсем подходят. Хуже того, по мнению экспертов, около одного миллиона проглоченных ими таблеток им вообще не следовало бы принимать. В последние годы побочные реакции на прием лекарственных препаратов постоянно занимают 4-е — 6-е место среди причин смерти в США. По некоторым оценкам, из-за неблагоприятных реакций на сильнодействующие лекарственные средства ежегодно в мире умирают до 100 тыс. человек.

Важное значение для решения этих проблем имеет изучение особенности структуры не только генов, детерминирующих метаболизм лекарственных средств, но и ряда других, на первый взгляд, совершенно незначительных различий, которые имеются в геномах разных индивидуумов. В частности, восприимчивость и реакция человека на те или иные лекарства в ряде случаев тесно связана с уже упоминавшимися снипсами. Так же, как эти «незначительные» вариации в геноме определяют разницу в подверженности людей к определенным видам заболевании, с ними зачастую ассоциированы и различия в результатах, наступающих у конкретного человека после принятия определенного лекарства. Приведем один пример. Астматики часто используют лекарство албутерол, который взаимодействует с рецептором адреналина и подавляет приступ удушья. Однако из-за разнообразия гаплотипов людей лекарство действует не на всех, а некоторым больным оно вообще противопоказано. Выяснилось, что это связано со снипсами в одном из генов: люди с последовательностью букв ТЦТЦЦ не реагируют на албутерол, если же концевой цитозин заменен на гуанин (ТЦТЦГ), то реакция есть, но частичная. Для людей же с тимином вместо концевого цитозина в этом участке — ТЦТЦТ — лекарство токсично!

Теперь фармацевтические компании планируют использовать все эти данные для производства определенных лекарств, предназначенных различным группам пациентов. В конечном итоге это поможет устранить побочные реакции от лекарств, точнее понять механизм их действия, а в результате снизить миллионные затраты. В частности, генотипирование лекарственной устойчивости сможет привести к более эффективной и безопасной химиотерапии у каждого конкретного пациента, больного раком. На практике лечение рака обычно носит эмпирический характер и основано скорее на клинических данных, чем на понимании механизмов чувствительности к химическим агентам. Например, для лечения раковых больных сейчас широко используется препарат цисплатин. Но он далеко не всегда оказывается эффективным. Проведенные исследования выяснили, что формирование резистентности к этому препарату обеспечивают два гена нашего организма — MGMT и MLH1. Продукты этих генов в норме препятствуют развитию опухоли. У конкретного индивидуума данные гены могут не работать по ряду причин, например, в результате химической модификации, получившей название метилирование. Появление метильных групп в определенных участках этих генов приводит к их выключению (инактивации). Получая ДНК из сыворотки больных в ходе лечения, можно анализировать степень модификации вышеуказанных генов и таким образом определять целесообразность использования цисплатина для химиотерапии конкретных пациентов.

Другим примером использования фармакогеномики в клинике может служить изучение действия азотиоприна при лечении лейкемии и некоторых аутоиммунных заболеваний. Азотиоприн разрушается в клетках специальным ферментом. Если соответствующие гены работают плохо, то лекарство постепенно накапливается в организме и вызывает острые нарушения в костном мозге. Таким образом, из лекарства оно может превратиться в яд. В этих случаях рекомендуется или уменьшать его дозу, или использовать альтернативную терапию.

Наконец, такой показательный пример. Для лечения рака груди сейчас существует множество средств. Врач обычно на практике выбирает, порой чисто интуитивно, какое-то одно, а потом наблюдает за реакцией организма на их прием. Фармакогеномика обещает сделать выбор нужного препарата намного более быстрым и точным. Теперь известно, что около четверти пациенток с раком груди относится к уникальной генетической группе, обладающей так называемой «сверхвыраженностью Her2». Сделав несложный анализ для таких больных, врачи могут прописывать лекарство, специально разработанное для того, чтобы блокировать вредные белки, образующиеся в организме с этой генетической вариацией. Такой способ повышает выживаемость пациенток на 25 процентов.

По данным «Журнала американской медицинской ассоциации», почти семи миллионам пожилых американцев — примерно двадцати процентам живущих в стране людей в возрасте 65 лет и старше — прописываются лекарства, которые им не совсем подходят. Это еще один из аспектов фармакогеномики. Дело в том, что врачи подчас не учитывают возрастных изменений, происходящих в организме в процессе старения.

Не вызывает сомнения, что в результате обнаружения новых генов и последующего выяснения их точных функций будут созданы специальные тесты (например, в виде микрочипов) для определения персональных реакций организма на различные лекарственные препараты. Для разработки таких диагностических тестов в первую очередь необходимо обнаружить тот ген или тот «профиль» снипсов, который и позволяет предсказать реакцию организма на действие определенного лекарственного средства. Сравнение ДНКовых текстов пациентов с разной реакцией на одно и то же лекарство позволит также осуществлять поиск соответствующих генов без всякого знания об их участии в биохимических процессах.

Хотя разработанные в настоящее время тесты еще несовершенны, нет сомнения, что хорошие фармакогеномные тесты будут созданы в самые ближайшие годы. И тогда благодаря им появится возможность определить вероятность возникновения у конкретного человека побочных реакций, развивающихся в результате применения определенного лекарственного препарата или группы лекарственных средств. Для практического применения врачами таких тестов необходимо, чтобы они отвечали ряду требований: дешевизна, точность, простота в использовании.

Можно представить себе микрочипы недалекого будущего, на которые будут нанесены все известные гены, определяющие типы реакции на то или иное лекарственное средство. Это изменит полностью сам характер фармацевтической промышленности. Из изготовителей стандартной продукции и продавцов «универсальных» лекарств фирмы превратятся в поставщиков высококачественных медицинских услуг с выгодой как для себя, так и для экономики здравоохранения в целом. А конкретный пациент может оказаться в большем выигрыше за счет более точного назначения «индивидуальной пилюли» с улучшенными свойствами.

Нет сомнения, что фармакогеномика способна революционизировать процессы поиска генов и белков-мишений, а также создания лекарств и тестов на восприимчивость к ним, разработать схемы правильного применения различных медицинских средств. В широком смысле речь идет о создании на ее основе индивидуализированной (персонифицированной) медицины — медицины будущего. По словам доктора Сьюзен Хеллманн, руководящей медицинским отделом в биотехнической фирме Genentech, «это примерно то же, как если бы раньше мы работали топором, а сейчас собираемся заменить его на скальпель».

Согласно прогнозам американской консалтинговой компании «Front Line Strategic Management Consulting», к 2010 г. благадаря использованию фармакогеномики произойдет сокращение расходов на лечение больных в США приблизительно на 1 млрд. долларов. В результате применения тестов на снипсы для предварительного скрининга пациентов в отношении реакции организма на определенный лекарственный препарат более чем на 32 % повысится эффективность медикаментозного лечения и на 25 % сократится число побочных реакций.

Одной из особенностей, характерных для многих современных наук, включая и генетику, заключается в активном использовании в ней передовых достижений информационных технологий. Секвенирование генома человека и развитие такого направления, как геномика, пришлось на то время, которое по праву называют информационным. И все это произошло не случайно.

Многие ученые отмечают, что никогда еще в биологии не было такого положения дел, как сейчас. Раньше у нас было мало фактов, но существовало огромное количество гипотез, что соответствовало известному закону Мэрфи. Но теперь, благодаря успехам в определении генома человека и ряда других организмов, генетика из относительно бедной фактами превратилась в чрезвычайно богатую информацией науку. Энциклопедия под названием «Геном человека», которую «восстановили» из небытия на рубеже двух тысячелетий, содержит такой гигантский объем информации, который просто невозможно переварить человеческому мозгу. Издавать ее в печатном виде не имеет никакого смысла — ведь никто не в состоянии ее прочесть и понять. И здесь на помощь человеку пришли компьютеры. На этой основе появилось новое направление в науке биоинформатике — компьютерная геномика, которая призвана с помощью математических методов понять и осмыслить всю ту информацию, которая содержится в Энциклопедии человека.

В течение многих лет изучение генов и их функций основывалось на экспериментах в системах in vivo (в живом) и in vitro (в пробирке). Лишь в 80-х годах на помощь экспериментаторам пришло мощное дополнение — компьютер. Появилось и свое латинское обозначение для этого подхода — in silico, то есть в компьютере. Компьютеры были сконструированы еще в 60-е годы, но тогда они были лишь вспомогательным средством для обработки и хранения ограниченного объема данных. Техника постепенно совершенствовалась, и с конца 80-х началось создание баз данных, в которых теперь хранится информация о миллионах последовательностей нуклеотидов в ДНК и РНК и об огромном числе последовательностей аминокислот в белках.

Однако вся эта огромная информация в значительной мере была бы бесполезной без ее упорядочения и систематизации, подобно тому, как без инвентаризации книг в гигантских книгохранилищах просто невозможно найти нужную нам книгу. Компьютерная геномика стала заниматься тем же, чем до того занимались классическая биохимия и молекулярная биология, но не с использованием пробирки, а с помощью специальной компьютерной техники. Этот подход иногда называют «сухой» биохимией.

Без компьютерных биоинформационных технологий (геноинформатики, или, в более широком смысле, — биоинформатики) развитие геномных исследований вообще едва ли было бы возможным. Даже трудно себе представить, как бы ученые смогли собрать, классифицировать и разобраться с тем огромным объемом информации, которая заключена в двухметровой молекуле ДНК.

Обратим внимание читателя лишь на некоторые основные информационные задачи, которые необходимо было решать при изучении генома человека, а некоторые из них еще предстоит решить. В первую очередь нужно отметить то обстоятельство, что работа с геномами высших организмов, и особенно с геномом человека, — это работа с огромными объемами информации. Один миллион п. н. ДНК эквивалентен примерно 1 мегабайту (1 млн. байтов). Следовательно, для хранения в компьютере только информации о последовательности генома человека требуется не менее 3 гигабайт. Одной из важнейших задач для реализации программы «Геном человека» была организация процесса создания окончательного «текста», состоящего из миллиарда слов, десятков тысяч предложений и огромного числа страниц, собранных в 24 тома. Этот процесс с самого начала работ по программе «Геном человека» был прекрасно организован. Данные по секвенированию, получаемые в разных лабораториях мира, предварительно преобразовывались из аналоговых сигналов в цифровые для того, чтобы их можно было обрабатывать на компьютере. В Центре биомедицинских исследований Массачусетского технологического института в США круглосуточно принимались вновь собранные данные, автоматически регистрировались и архивировались. Все они сразу же автоматически привязывались к определенным хромосомам человека. Далее, каждая вновь поступившая последовательность нуклеотидов пересылалась по Интернету в GenBank — общедоступную базу данных, обслуживаемую Национальным центром биотехнологической информации (www.ncbi.nlm.nih.gov), а уже оттуда поступала в другие общедоступные базы данных во всем мире. Организаторы программы старались предоставить доступ к этим данным как можно быстрее и как можно большему числу пользователей. Трудно себе даже представить, как без использования компьютеров можно было бы из сотен тысяч «текстов», которые читались в отдельности разными исследователями в разных лабораториях мира, собирать гигантскую единую «Энциклопедию человека». Этот процесс напоминал собой сбор без предварительного рисунка гигантского паззла, состоящего из сотен тысяч мелких фигур, сваленных в кучу.

Другая не менее сложная задача, решаемая геноинформатикой, — компьютерный анализ ДНКовых текстов, что чрезвычайно важно для их правильного «прочтения». Поиск генов в геноме человека затруднен тем, что в ДНК нет абсолютно четких «знаков препинания», которые бы указывали на начало и конец генов-предложений и других функционально значимых элементов. При этом методы классической генетики имеют ограниченное применение для человека — ведь человек, в отличие от мух или мышей, не может быть объектом генетических экспериментов. Основная трудность при идентификации генов состоит в определении их экзон-интронной структуры, т. е. определении кодирующих и некодирующих участков. И здесь на помощь приходила и приходит геноинформатика. На основе статистического анализа ученые научились с определенной долей вероятности устанавливать, к какому участку генома относится та или иная изучаемая нуклеотидная последовательность ДНК. Это схоже с ситуацией в газетном тексте. Вот наш глаз остановился на фразе «от Парижа до Находки ОМСА — лучшие колготки», и сразу становится понятным, что это реклама, а не текст статьи, так как подобное словосочетание в обычных публицистических статьях практически никогда не встречается. Примерно так же обстоит дело и с определенными сочетаниями нуклеотидов в ДНКовом тексте. Выявлены определенные сочетания нуклеотидов, которые указывают на принадлежность анализируемого фрагмента генетического текста к интрону или экзону, кодирующему белок.

В настоящее время разработан комплекс программ распознавания разных участков генома, которые позволяют с определенной вероятностью вычленять такие функциональные участки в длинных последовательностях ДНК. Уже не вызывает сомнения, что многое из того, что раньше делалось только с помощью специальных сложных методов, сейчас можно осуществить с помощью вычислений. В частности, любую секвенированную нуклеотидную последовательность ДНК можно попытаться разметить и найти в ней границы как самого гена, так и его регуляторных последовательностей, не прибегая к помощи клонирования определенных последовательностей ДНК, их секвенирования и анализа экспрессии генов, а всего лишь с использованием специальных компьютерных программ. Компьютерные анализы уже привели к расшифровке многих «предложений» ДНКового текста. Такого рода работы, проводимые в нашей стране, зачастую не только не отстают, но даже значительно опережают аналогичные исследования в других странах. Предсказание белок-кодирующих генов с помощью компьютерных алгоритмов (этот метод назван ab initio) хорошо получается в случае относительно небольших геномов. Однако применительно к геному человека этот подход не всегда срабатывает в полной мере, т. к. гены человека часто устроены из маленьких экзонов и огромных интронов. Не отработаны также точные критерии для поиска не кодирующих белок генов. В этом заключается причина, почему до сих пор мы не можем назвать точное число генов в геноме человека, хотя он весь секвенирован.

Третья, не менее важная задача геноинформатики, касающаяся генома человека, — создание книги под названием «Функционирующий геном». Информация о геноме человека, накопленная сейчас в базах данных, касается в основном одного аспекта организации геномной ДНК, а именно ее первичной структуры, то есть последовательности нуклеотидов. Но для описания функциональных особенностей геномов, например особенностей регуляции экспрессии содержащихся в них генов, структуры и функции кодируемых ими белков и др. потребуются неимоверно большие объемы информации. Например, оценено, что для описания пространственной структуры лишь одного белка среднего размера (около 600 аминокислот) требуется около 200 страниц текста. А число белков уже сейчас оценивается не менее, чем в 500 000 (по некоторым расчетам оно достигает 1 млн.). Ясно поэтому, что сведения о расшифрованных белках будут храниться в компьютерных библиотеках сверхгигантского размера.

Обычно, чтобы экспериментально установить функцию того или иного вновь обнаруженного гена или белка, требуются значительные усилия экспериментаторов и весьма большие финансовые затраты. Использование компьютеров позволяет решать многие вопросы без проведения специальных дорогостоящих и занимающих много времени экспериментов. Ярким примером может служить обнаружение гена, мутация в котором обуславливает преждевременное старение, происходящее при синдроме Вернера (напомним, что пациенты с этим заболеванием уже в молодые годы выглядят как дряхлые старики). С помощью Интернета и других современных средства информатизации всего за восемь месяцев удалось «вычислить» соответствующий ген. Для его обнаружения исследователям пришлось перебрать в базах данных свыше миллиона пар нуклеотидов. Очевидно, что без помощи геноинформатики этого события пришлось бы ждать еще несколько лет.

Другой пример — создание каталога всех имеющихся в геноме человека ферментов, называемых протеинкиназами («кином»). В результате этого поиска было выявлено 518 генов, кодирующих протеинкиназы, и, кроме того, 106 псевдогенов. При этом 70 из обнаруженных генов ранее были совсем неизвестны. Выяснилось также, что почти половина генов «кинома» располагается в участках генома, связанных с различными заболеваниями человека.

Дешифровка последовательности белка с помощью компьютера напоминает работу криптографов — из последовательности отдельных букв читается весь биологический текст, и на основании этого выясняется, что это за белок, какова его функция в организме. Впечатляющие результаты были получены, например, австрийцем Айзенбергом. Используя дешифровальные методы анализа нескольких тысяч белков, не проведя при этом ни одного эксперимента, он сразу предсказал функции почти половины из них. Вспомним, что еще не так давно ученые иногда тратили всю жизнь, чтобы определить структуру одного белка и познать его функцию. С помощью новых подходов можно одновременно предсказать функцию большого числа белков.

Для написания книги «Функционирующий геном» потребуется объединить вместе огромную информацию о картине работы десятков тысяч генов в различных типах клеток на разных стадиях развития и в разных физиологических состояниях, данные о структуре и функции отдельных белков, кинетические параметры, концентрации молекул, сведения о взаимодействии генов и генных продуктов, реакции генома на экстремальные стимулы и различного рода патологические процессы. Связь между генотипом и фенотипом, то есть между генами и их проявлением в совокупности признаков и свойств организма, зачастую обусловлена сложным взаимодействием множества различных генов, а также факторов окружающей среды. По этой причине во многих случаях ее экспериментально пока не удается однозначно установить. Слишком сложна задача и слишком много исходных данных. Такую ситуацию часто называют проблемой нелинейного картирования. Чтобы решить эту проблему, био- и гено-информатике понадобятся новые значительно более совершенные программы, еще более мощные компьютеры. В частности, для этой цели в настоящее время предложено использовать так называемое генетическое программирование. Гены в генетическом программировании рассматривают как аналоги компьютерных программ. Из огромного объема имеющейся информации, связанной с тем или иным фенотипом, строят многочисленные метаболические «деревья», соответствующие разным известным молекулярным взаимодействиям внутри клетки. Затем для поиска наилучшей модели, описывающей определенный фенотип, с «деревьями» осуществляют на компьютере различные операции, подобные мутациям и рекомбинациям в геноме. Следующий этап — отбор тех из них, которые в наибольшей мере соответствуют реальным данным. В конечном итоге все это позволяет осуществлять прогностическое нелинейное картирование, то есть указать на взаимосвязь между работой определенного набора генов и конкретного фенотипа. А далее уже наступает очередь экспериментаторов, которые должны подтвердить или опровергнуть данные, полученные с помощью генетического программирования. Таким образом, генетическое программирование служит для исследователей некой путеводной звездой. Несмотря на сложность задачи, ожидается, что она будет решена не более чем через несколько десятков лет.

Однако нельзя переоценивать возможности современной биоинформатики, она еще далеко не все может решить. Тем не менее, она выступает в качестве мощного инструмента для первоначальной переработки огромной по объему информации, содержащейся в ДНК. Биоинформатика дает для исследователей ценные данные и делает их поиск целенаправленным. Такой поиск может быть продолжен в дальнейшем с использованием других подходов, в частности, экспериментов на культурах клеток или даже на целых животных. Например, как уже говорилось выше, функции тех или других генов человека можно эффективно изучать на модели трансгенных животных.

Кроме перечисленных выше, биоинформатика решает и множество других не менее важных и сложных задач. Таковым являются разработка методов анализа экспериментальной информации; компьютерное моделирование структурно-функциональной организации (вторичной, третичной структуры) генетических макромолекул (ДНК, РНК и белков), молекулярно-генетических процессов (репликации, транскрипции, сплайсинга, трансляции) и молекулярных взаимодействий между генетическими макромолекулами в генных сетях; исследование закономерностей молекулярной эволюции генетических макромолекул, а также молекулярно-генетических систем. Так, используемый в науке геногеографии картографический подход (о нем мы еще поговорим ниже), позволяющий исследовать пространственное распространение по нашей плавнете различных генетических признаков человека, долгие годы был чрезвычайно трудоемким и отнимал у ученых очень много времени. Использование компьютерных технологий принципиально изменило ситуацию, позволило существенно облегчить эти рутинные процедуры, давая исследователю возможность сосредоточиться непосредственно на вопросах творческого анализа географической изменчивости популяционно-генетических характеристик.

Сравнительный анализ геномов с помощью компьютеров стал одним из наиболее распространенных и эффективных методов изучения их структурно-функциональной организации и эволюции. Об этом уже шла речь выше, когда рассказывалось о функциональной геномике, коснемся мы его и в следующих разделах. Наиболее важные участки генома относительно мало изменяются в процессе эволюции, и их функции, установленные в экспериментах на мышах или мухах, зачастую оказываются такими же и у человека. Экспериментальный поиск генов, которые сходны у человека и животных, занимает недели и месяцы работы целой лаборатории. С помощью созданных геноинформатикой эффективных алгоритмов поиска компьютеры позволяют сделать это за считанные минуты. При наличии сходства последовательностей ДНК геноинформатика, с определенной степенью точности, может предсказать эволюцию геномов, функцию отдельных генов и др.

Биоинформатика способна также предсказать пространственную структуру белка на основании данных по последовательности нуклеотидов в ДНК. Это чрезвычайно важное обстоятельство, так как число известных первичных белковых структур (последовательностей аминокислот), установленных по известным нуклеотидным последовательностям ДНК, намного превосходит число экспериментально подтвержденных пространственных белковых структур. И в этом направлении также разработано большое число подходов. Один из наиболее эффективных — использование информации о пространственной структуре белков, имеющих сходную первичную структуру.

И, наконец, принципиально изменилось взаимодействие между учеными разных стран. С помощью компьютера исследователи из многочисленных научных лабораторий мира осуществляют обмен идеями, результаты их работ быстро появляются в Интернете, там же ученые ищут интересующие их сведения, публикуемые коллегами. Всемирная паутина позволяет специалистам не только обмениваться сообщениями, но и за считанные минуты просматривать специализированные базы данных международных центров, в то время как в обычной библиотеке без специальных программ на это ушли бы дни и месяцы. Уж не говоря о том, что на такие полные библиотеки пришлось бы в каждом научном учреждении тратить гигантские средства. В России, под руководством профессора А. А. Александрова, создана большая и весьма полезная база знаний, в которой любой желающий, имеющий доступ к Интернету, может найти сведения обо всех аспектах, связанных с биологией человека (сайт http://obi.img.ras.ru).

В значительной мере потенциал био- и геноинформатики определяется техническими возможностями. Недавно появилось сообщение, что корпорация IBM продала свой самый мощный в мире коммерческий компьютер компании NuTec Sciences, которая будет использовать его в исследованиях генома человека. Производительность этого компьютера составляет 7,5 трлн. операций в секунду. Он построен на базе 5000 процессоров. И это один из важных путей совершенствования геноинформатики.

Если заглянуть в материал, хранящийся в наиболее полном архиве PubMed, то на конец 2002 года там можно найти свыше 10,5 тыс. научных публикаций, в которых упоминаются слова «геном человека». Сейчас очень трудно уследить за всей информацией, которая появляется ежедневно по данной проблеме. В этой связи одним из перспективных путей развития биологии и генетики в XXI веке сейчас считается создание полной компьютерной модели клетки. Только сверхмощные компьютеры способны обеспечить хранение, систематизацию и переработку той огромной фактической информации, которая накопилась учеными за последнее столетие. Такие клеточные модели теоретически способны не только анализировать существующие базы данных, но и предсказывать ученым пути поиска недостающих звеньев. И здесь для биоинформатики еще предстоит работа на многие десятилетия.

Один из впечатляющих результатов био- и геноинформатики — создание методов и подходов для выявления новых узконаправленных лекарств на основании анализа генов и пространственных структур кодируемых ими белков. Поиском лекарств нового поколения сейчас активно заняты многочисленные фирмы. Приемы и методы современной биоинформатики позволяют с помощью компьютерного моделирования очень быстро проводить проверку огромного числа химических соединений (в распоряжении исследователей сейчас имеется свыше 2 миллионов таких соединений) с целью выбора тех из них, которые специфически действуют на различные белки-мишени, участвующие в развитии определенных патологий у человека. Такой анализ осуществляют с помощью специальных компьютерных программ на базе известных пространственных структур белков. Этот подход получил специальное название «дизайн лекарств» (англ. drug-design). Сначала идут от гена через мРНК к белку, а затем к его сложной пространственной структуре. Далее путем компьютерного анализа оценивается возможность целенаправленного взаимодействия белков-мишеней с различными химическими компонентами и среди последних отбирают такие, которые теоретически должны влиять тем или другим образом на мишени. На заключительном этапе все-таки требуется помощь экспериментаторов: в специальных опытах из небольшого уже числа отобранных теоретиками соединений вычленяют окончательно такие, которые оказывают ожидаемое биохимическое и физиологическое действие в живых системах.

Не вызывает сомнения, что в ближайшее время вместо всего нескольких сотен белков-мишеней, на которые направлено действие лекарств сегодня, биоинформатика на базе расшифрованного генома человека даст медицине десятки тысяч новых мишеней. А затем будут подобраны новые направленные на них лекарственные средства.

Компьютеры на основе ДНК

Молекула ДНК привлекла к себе внимание с разных, порой совершенно неожиданных сторон. Так, когда выяснилось, что в молекуле ДНК может храниться намного больше информации, чем в любом из микрочипов, заметный интерес вызвала возможность использования ДНК для обработки информации и решения математических задач.

Сама идея использовать ДНК для создания биокомпьютера возникла из сходства между процессами, происходящими в природе при синтезе ДНК, и работой вычислительных машин. Первые работы по созданию ДНК-компьютеров начались около 10 лет назад в Америке. Но сейчас уже в нескольких странах мира есть лаборатории, где пытаются «скрестить» компьютер с живыми организмами. Ученые, работающие над проблемой создания ДНК-компьютера, считают, что со временем он составит сильную конкуренцию теперешним компьютерам, благодаря своей сверхминиатюрности и сверхбыстродействию. Информационная емкость ДНК гораздо больше, чем у любых современных носителей: в кубическом сантиметре ДНК содержится больше информации, чем на триллионе CD-дисков. Вероятно, в будущем компьютер на основе ДНК может работать и внутри человеческих клеток. В результате этого он будет, например, отслеживать опасные для здоровья изменения в организме человека, рекомендовать набор лекарственных средств для лечения патологий и др. Все это пока еще далеко от реального воплощения. Тем не менее, уже появились сообщения о создании первых нанокомпьютеров, в которых роль программ, входных данных и результатов играют цепочки молекул ДНК, а роль символов — составляющие их буквы (А, Т, Г и Ц). Вместо обычного представления данных в виде нулей и единиц и использования математических формул для решения задач, вычисление с помощью ДНК использует данные, представленные в виде шаблонов молекул ДНК. Специфические ферменты (рестриктазы и лигазы) действуют как программные средства, обеспечивающие чтение, копирование и манипулирование кодом.

Поскольку каждый «символ» в ДНК занимает 0,35 нанометра, то плотность данных в цепочке составляет 18 мегабайт на дюйм, а если говорить о двумерном расположении ДНК, — то более миллиона гигабайт на квадратный дюйм. Для сравнения обычный винчестер содержит лишь около 7 гигабайтов на квадратый дюйм, то есть в 100 000 раз меньше.

Некоторыми учеными постулируется, что использование молекул ДНК станет будущим компьютерной техники и придет на смену полупроводниковым микросхемам. Однако исследования в этой области пока находятся в самом начале и их перспектива до конца не ясна. По мнению журнала «Science», отметившего лучшие достижения в мировой науке за 2001 год, возможности молекулярных компьютеров станут реальностью именно с появлением нанопроводов, в тысячи раз более тонких, чем проводники, используемые в современных микросхемах.

Мелодии человеческого генома

Имеют место и весьма экзотические подходы к проблеме генома человека. Сообщалось, например, что японский ученый Нобуо Мунатака попытался записать ДНКовый текст генома человека с помощью музыкальных нот. Он решил воспеть геном человека, полагая, что музыка проще выражает формулу жизни, чем цифры и символы. Изобретатель так прокомментировал свою попытку: «Тайны человеческой ДНК действительно сложно понять простым людям. Сегодня медицина уже способна определить предрасположенность человека ко многим заболеваниям, например, раку или диабету. Почти всегда за это отвечают наши гены, теперь люди об этом знают. Что такое генетическая карта человека, мы постарались показать музыкой». Найденные в геноме основные группы генов человека Мунатака попытался переложить на ноты. И в результате, как он утверждает, получились многометровые партитуры. Они, по мнению автора, позволяют еще до рождения ребенка на стадии эмбриона определить его предрасположенность к тем или иным серьезным заболеваниям и даже предсказывать его умственные способности. Пока все это кажется фантастикой или шуткой. Но кто знает, может быть, и композиторы внесут свой вклад в разгадки тайн человеческого генома.

Как уже говорилось, сравнительный метод служит традиционным подходом в старых классических областях биологии (анатомия, эмбриология, цитология). Так, еще Дарвин свою точку зрения о происхождении человека обосновывал с помощью сравнительно-эволюционного метода, указывающего на многочисленное сходство в анатомии и физиологии человека и обезьян.

В последнее время сравнительный подход стал широко и весьма эффективно использоваться в молекулярной биологии и генетике. Мощный толчок этому был дан крупномасштабным секвенированием геномов. Появилось даже новое направление в геномике — сравнительная геномика — сопоставление отдельных генов, групп генов и целых локусов далеко эволюционно отстоящих организмов. Это принципиально важное направление исследований позволяет по-новому решать ряд ключевых вопросов. Рассмотрим некоторые из них.

В настоящее время человечество кроме своей собственной Энциклопедии располагает подобными Энциклопедиями некоторых простейших организмов: кишечной палочки, мухи дрозофилы, дрожжей и червя Caenoharbditis elegans, а также мыши — и отдельными главами из Энциклопедий некоторых других высокоорганизованных организмов (обезьяны, крысы). Сегодня параллельно с секвенированием генома человека идет расшифровка еще около 1000 геномов других животных и растений. ДНКовый текст во всех этих Энциклопедиях написан одними и теми же четырьмя буквами, число которых у бактерий составляет миллионы, у птиц — сотни миллионов и миллиарды у млекопитающих и человека. Поскольку все тексты написаны одинаково, их удается сравнивать между собой. При этом выяснилось, что, несмотря на огромные различия в размерах геномов, число генов (наиболее значимых предложений в текстах) у разных видов организмов не сильно отличается. В этой связи стали говорить даже о неком парадоксе, который получил специальное название G-парадокса (первая буква англ. слова gene — ген). Сейчас этот парадокс объясняют тем, что главное для организма все-таки не общее число генов, а то, как они устроены и как регулируются, какова сложность взаимодействия между продуктами разных генов. «У нас одинаковые гены с кошками и собаками, но они по-разному регулируются», — заявил по этому поводу Крег Вентер, один из главных героев секвенирования человеческого генома. Скорее всего, именно устройство и регуляция работы генов уникальны для человека, делая его «венцом природы». Короче говоря, если ген — это короткое предложение, то из сочетания одних и тех же слов и предложений можно написать как умнейший трактат, так и примитивные детские стишки. Кроме того, важно, как они будут читаться и звучать.

Какими бы уникальными мы не казались сами себе, в нашей ДНК есть довольно много сходства не только с обезьянами и мышами, но даже с маленьким червем C. elegans и мухой дрозофилой. Можно удивляться, но у нас около 50 % генов сходны с таковыми у червя. У человека и мыши еще больше одинаковых генов, хотя в эволюции человек и мышь разошлись уже около 100 миллионов лет назад. В геноме человека на сегодняшний день обнаружено лишь около 300 генов, которых нет у мыши, а общее их число примерно одинаковое. Таким образом, около 99 % генов человека соответствуют генам мыши, причем примерно 80 % из них почти полностью идентичны. Кроме того, до 90 % генов, ответственных за возникновение различных заболеваний, у человека и мыши сходны. Есть, разумеется, и небольшие различия. Так, у мыши гораздо больше генов, отвечающих за обоняние.

Что же касается наших ближайших родственников, то здесь различия еще меньше. Согласно последним данным, в целом геном человека отличается от генома шимпанзе всего лишь максимум на 5 %! Удивительно, но некоторые группы генов (например, гены, ответственные за формирование тела организма) у человека сродни аналогичным группам у биологических видов, возникших еще пятьсот — шестьсот миллионов лет тому назад, во времена так называемого Кембрийского биологического взрыва. Сейчас с нетерпением ожидается тот момент, когда будет полностью секвенирован геном шимпанзе. После этого в сравнительно геномике должен начаться новый очень важный этап. В результате такого сравнения могут быть обнаружены функционально важные мутации, специфические для человека как вида, что в свою очередь откроет новые пути для медицины. Безусловно, эти данные будут также способствовать более полному пониманию процесса эволюции человека.

Сравнения последовательностей ДНК человека с ДНК других организмов уже оказалось очень плодотворным методом поиска новых функционально важных последовательностей в геноме человека. Такой подход был использован и продолжает использоваться для выявления у человека новых белок-кодирующих и не кодирующих белок генов, а также для идентификации потенциальных регуляторных элементов и выяснения механизмов функционировании разных генных наборов. Для этой цели сейчас уже созданы специальные компьютерные программы, позволяющие «вылавливать» в разных геномах эволюционно консервативные области. Все это принципиально важно, поскольку, как уже подчеркивалось выше, мы не можем ставить генетические эксперименты на человеке, но, благодаря сравнительному методу, имеем возможность интерполировать на человека результаты, которые получаются при молекулярно-генетических исследованиях, проводимых на животных.

Так, в силу подобия геномов даже муха дрозофила может быть использована для более полного понимания функций тех или иных человеческих генов, в частности, ответственных за некоторые заболеваний человека. Примером тому может служить изучение гена dFMR–1 мухи, который имеет гомологию с соответствующим геном человека, определяющим синдром ломкости X-хромосомы — тяжелое наследственное нейродегенеративное заболевание. Это исследование позволило заключить, что причина синдрома скорее всего связана с нарушением механизма РНК-интерференции, о котором мы уже говорили выше. И это серьезная «подсказка» для ученых, решающих проблему синдрома ломкости X-хромосомы у людей.

Важно отметить, что когда мы изучаем геном человека, то фактически мы познаем весь живой мир. Геном человека устроен необычайно сложно. Геномы животных и растений чаще всего значительно проще. Поэтому, когда мы узнаем устройство сложного генома, нам будет очень легко от него перейти к изучению простого. А это сулит революцию в таких областях, как ветеринария, селекция растений и животных.

Сравнительная геномика дала ученым новый подход к пониманию вроде бы навсегда скрытого во мраке веков процесса эволюции и его механизмов. Так, например, проведенные сравнения геномов разных видов животных и человека показали наличие определенных тенденций в эволюции. Одна из них заключается в увеличении количества интронов в процессе эволюционного развития у человека, то есть эволюция как бы сопряжена с «разбиением» генома на отдельные функционально значимые фрагменты: на единицу длины ДНК приходится все меньше информации о структуре белков и РНК (экзоны) и возникает все больше участков, не имеющих пока ясного функционального значения (интроны). Проведенные исследования позволяют считают, что природа совершенствовала млекопитающих не столько посредством умножения разнообразия их генов, сколько путем постепенного копирования, модификации и комбинации уже существующих генов, а также путем изменения регуляции экспрессии генов. Специфика и разнообразие строения и функционирования генетического аппарата велики даже среди эукариот. В то же время существует множество общих принципов и механизмов, и результаты их изучения на одних объектах часто с успехом могут переноситься на другие, включая и человека.

Весьма интересные результаты были получены, в частности, при сравнении распределения по хромосомам сходных последовательностей ДНК человека и других животных. Приведем лишь один пример. Как уже указывалось, между геномами человека и мыши имеется большое сходство. На рис. 37 на цветной вклейке изображено расположение в разных хромосомах мыши сходных сегментов отдельных хромосом человека. Глядя на этот рисунок, мы можем увидеть, что участки одних и тех же хромосом человека распределены во множестве хромосом мыши. Это справедливо и наоборот. А что это значит? Это говорит нам о тех путях, по которым шла эволюция млекопитающих (ведь мышь и человек млекопитающие). Тщательно проанализировав картину, изображенную на рис. 37, ученые установили, что на границах разных участков ДНК мыши, которые обнаруживаются в составе ДНК человека, содержатся различные подвижные генетические элементы, тандемные повторы и другие «горячие точки», по которым, вероятно, и шла перестройка (рекомбинация) в ходе многовекового процесса эволюции животных организмов.

^{Рис. 37. Генетическое сходство (гомология) хромосом человека и мыши. Разными цветами и номерами на хромосомах мыши отмечены нуклеотидные последовательности человеческих хромосом, содержащие сходный сегмент.}

Сравнительная геномика показала, что гены, одинаковые по эволюционному происхождению и выполняемой функции (гомологичные), часто оказываются сцепленными с одними и теми же гомологичными генами у разных видов. На основании этого предсказывают вероятный район локализации генов у одних видов, если известно, с какими генами они сцеплены у других, т. е. проводят «сравнительное картирование». Все это важно в связи с тем, что правила чисел и относительное положение генов на хромосоме не всегда предопределяют законы их функционирования. Так, белковый состав многих специализированных клеток мыши, крысы и человека выглядит похожим, хотя сами гены разбросаны на хромосомах по-разному.

Итак, сравнительная геномика позволяет нам судить о механизмах и путях эволюции геномов и даже на новом уровне воссоздавать классификацию всего животного мира. Все это и есть предмет еще одного нового направления — эволюционной геномики. Ее венцом должно стать создание определенной четкой системы живых организмов, в некотором смысле подобной таблице Менделеева.

Благодаря использованию методов и подходов сравнительной и эволюционной геномики уже получены сенсационные результаты, касающиеся такого сложного и интересного вопроса, как происхождение человека и эволюция его генома. Подробнее об этом и пойдет речь в следующей части книги.

Подавляющее большинство из нас безусловно ответит на вопрос, поставленный в заголовке, положительно и будет отвергать любую возможность естественной и тем более искусственной эволюции человека. В первую очередь, это люди верующие, согласно мировоззрению которых, они были созданы творцом в качестве венца и в таковом качестве в дальнейшем улучшении или развитии совершенно не нуждаются. Во-вторых, это люди, которые, даже не будучи религиозными, считают себя тем же венцом творения, просто потому, что человек объективно представляет собой самое высокоразвитое существо на планете. Вообще-то средний человек никогда даже не задумывается над такой проблемой, в его подсознании просто преобладает чувство довольства собой. Удивление и непонимание вызывают даже те, кто стремятся как-то развить свои умственные способности, поскольку это требует значительных усилий. В романе «Подросток» Ф. Достоевский устами своего героя Версилова выразил важную мысль: «А, и ты иногда страдаешь, что мысль не пошла в слова! Это благородное страдание, мой друг, и дается лишь избранным; дурак всегда доволен тем, что сказал».

По мнению многих антропологов, человек как вид практически не эволюционирует уже на протяжении 30 тысяч лет. Вместе с тем окружающая среда, экология, питание и образ жизни человека все время меняются. И это неизбежно на нем отражается. Например, отмечаются некоторые микроэволюционные изменения человека, такие, как грациализация скелета и редукция зубов. Общеизвестно, что всего за последние 200 лет средний рост европейцев увеличился на 30 см. В наше время изобилие жирной пищи поставило человечество еще перед одной проблемой — избыточным весом. Сейчас мы увеличиваемся не в росте, а в объеме. Так, согласно статистике, в 1980 году средний вес мужчин составлял 73,7 кг, женщин — 62,2. В 2000 году эти цифры составили соответственно 81,6 и 68,8 кг. Ученые считают, что все чаще встречающийся у населения многих стран избыточный вес принесет человечеству новые болезни и страдания.

Следует также иметь в виду, что в нашу эпоху генофонд человечества испытывает все увеличивающуюся нагрузку в виде радиационного, химического и электромагнитного загрязнения среды обитания, что влечет за собой увеличение количества мутаций, связанных с развитием различных патологий, в частности, опухолевых заболеваний. Ситуация меняется и в связи началом массового применения технологии генной инженерии и искусственных манипуляций со структурой ДНК. Совершенно очевидно, что от модификации ДНК модельных животных организмов до ее направленного изменения у человека, передающегося по наследству, не так много шагов. Следует также учитывать скрытую возможность влияния средств массовой информации и глобальной сети Internet на психическую сферу человека.

Таким образом, не подлежит сомнению, что эволюция человека как вида будет происходить и далее (хотя, естественно, очень медленно). Во-первых, нельзя отменить законы генетики. Как бы мы не хотели, но мутации будут время от времени возникать в нашем геноме (особенно в связи с ростом популяции и нарушением экологии). Естественный отбор в обществе происходил и будет продолжаться независимо от нашего желания, одобрения или гневного возражения. Другое дело, что это не тот искусственный отбор, который осуществляли, например, спартанцы. В современном мире значение мускульной силы приобрело второстепенное значение. Но отбор на интеллект как фактор самостоятельного выживания, отбор на здоровое тело и дух будет продолжаться. И это несмотря на огромные достижения как в области медицины, так и в социальной защите населения.

Человеку еще предстоит многое сделать для своего собственного будущего, для раскрытия своих истинных возможностей. До сих пор мы мечтали о том, как мы изменим окружающую действительность, и мало думали о том, как бы нам изменить самих себя. Однако закон эволюции требует от нас сознательного роста, преобразования своей собственной природы. И созданная учеными-генетиками Энциклопедия человека должна стать важным подспорьем в этом архиважном деле.

Некоторые представления о диапазоне способностей и возможностей современного человека, определяемых геномом в сочетании с внешними условиями, дают любопытные факты, собранные в хорошо известной Книге рекордов Гиннесса.

Вот отдельные из них.

Наш современник Бханданта Висичара (Бирма) способен прочесть наизусть 16 000 страниц буддийских текстов.

Китаянка Гу Янлинь обладает способностью помнить наизусть 15 000 номеров телефонов города Харбина.

Американка Барбара Мур за 19 дней исполнила по памяти 1852 песни от начала и до конца.

Самым высоким мужчиной на земле был американец Роберт Першинг Уодлоу (США) — 2 метра и 72 сантиметра.

Самой высокой женщиной была Сен Чунлинь (Китай). Ее рост достигал 2 метров 48 сантиметров.

Самым маленьким мужчиной считается Гал Мохаммед из Нью-Дели (Индия). Его рост составляет 57 сантиметров, а вес — 17 килограмм.

Самой маленькой женщиной была голландка Полин Мастерс. Рост ее едва достигал 61 сантиметров.

Самым толстым мужчиной был Джонс Бровер Миннок из Бейнбридж-Айленда (штат Вашингтон, США). Его рост составлял 1метр 85 сантиметров, а вес достигал более 635 килограмм.

Самой толстой женщиной была Розали Брэдфорд (США). Ее максимальный вес составлял 544 килограмма.

Самым худым мужчиной был Хопкинс Хопкинс (Великобритания). В 7 лет Хопкинс весил 8,6 килограмм. А к моменту смерти его вес составлял всего 6 килограмм.

Самой худой женщиной была Лючия Сарате (Мексика). В 17 лет она была лилипуткой, которая при росте 67 сантиметров весила всего лишь 2,13 килограмма.

Самую длинную шею имеют женщины из племени падаунг, наибольшая из них — 40 сантиметров.

Самую большую грудь имел Роберт Эрл Хьюс из США. Ширина его груди составляла 3 метра 15 сантиметров.

Самые большие бицепсы имеет Дэнис Сестер из Блуминпона (штат Миннесота, США). Его правый бицепс в расслабленном состоянии составляет 77,8 сантиметра.

И, наконец, последний рекорд: за пять секунд выпил кружку пива (1,42 литра) англичанин Питер Додсвелл.

Вот таков он, многоликий современный ЧЕЛОВЕК!

В настоящее время, отвечая на вопрос, поставленный в заголовке этой части книги, мы можем воспользоваться словами из известной оперы. Сегодня наш «взор напрасно ловит» полное понимание того, что нам даст в будущем Энциклопедия человека, к чему приведут дальнейшие успехи молекулярных генетиков. Тем не менее, некоторые тенденции, надежды и сопутствующие им опасения уже можно высказать сейчас.

В связи с секвенированием генома человека и впечатляющими результатами, достигнутыми при работе с геномами лабораторных и сельскохозяйственных животных, с неизбежностью встал вопрос об искусственном вмешательстве в геном человека. Сегодня, когда мы стали многое знать о геноме человека, наступило время подумать и об использовании этих знаний в практических целях. В первую очередь речь идет о лечении различных наследственных заболеваний человека. Выше уже говорилось о первых успехах генной терапии, проводимой на уровне соматических клеток, и о тех ограничениях, которые сопровождают этот подход. Теперь ученые начинают думать и о других возможностях.

Огромное количество экспериментов, проведенных на трансгенных мышах и других лабораторных животных объектах, показало, что различные сходные с человеком патологии могут быть успешно преодолены у них с помощью искусственного внедрения в генетический аппарат половых клеток новых генов или исправления в половых клетках имеющихся «больных» генов. Список таких промоделированных на животных заболеваний весьма широк: серповидноклеточная анемия, диабет, нейродегенеративные нарушения, разные виды рака, дефекты иммунной системы и др. Однако для человека этот подход пока неприемлем по целому ряду причин. В первую очередь это связано с непредсказуемостью тех последствий, которые могут быть вызваны такого рода манипуляциями с геномом. Не меньшую роль играют здесь и морально-этические проблемы, на которых мы подробнее остановимся в следующей главе.

Другой путь для лечения различных патологий человека, который сейчас широко обсуждается, — это использование так называемых стволовых клеток человека. Эти клетки имеются как у эмбрионов на самых начальных этапах развития (их называют эмбриональными стволовыми клетками), так и в разных органах уже взрослого организма. В процессе жизни стволовые клетки служат постоянным источником все новых и новых специализированных клеток организма (клеток крови, печени, почек, мозга и др.). На модели лабораторных животных уже показана высокая эффективность использования таких клеток для лечения целого ряда болезней, сходных с заболеваниями человека. Например, ученые вводили здоровые стволовые клетки в мозг мышей с дефектом, передающимся генетическим путем. Стволовые клетки перемещались туда, где нужно было восстановить погибшие клетки, там они развивались, приобретали необходимый вид и успешно работали, исправляя природный дефект.

Сейчас уже активно обсуждаются подходы к генетическим манипуляциям со стволовыми клетками человека, их «лечению» на генетическом уровне и последующему пересаживанию таких искусственно «излеченных» клеток человеку для преодоления ряда тяжелых заболеваний, таких, как болезнь Альцгеймера, инсульт, рассеянный склероз и других врожденных и приобретенных патологий.

Однако неоевгеники справедливо утверждают, что лечение генно-инженерными методами уже родившегося человека с дефектной наследственностью не в состоянии исправить дефектные гены в его половых клетках и, следовательно, спасение таких индивидуумов от судьбы, уготованной им естественным отбором, позволит им передавать дефектные гены своему потомству, что неминуемо будет приводить к прогрессирующему ухудшению человеческого генофонда. По этой причине предлагается осуществлять замену дефектного гена непосредственно в половых клетках или клетках самых ранних человеческих эмбрионов. В этом случае от наследственной болезни будет избавлен не только сам больной пациент, но и все его будущие потомки. Но вот тут-то и возникает главная проблема. (Об евгенике, как об одном из направлений в генетике, определенное представление у читателя может дать материал, приведенный в Приложении 2.)

Действительно, для принципиального решения вопроса о наследственной болезни потребуются манипуляции с половыми клетками человека или с эмбрионами ранних стадий развития. Однако такое вмешательство может не пройти бесследно. Вылечивая определенные заболевания, мы можем параллельно создать такие непредсказуемые изменения в геноме, которые потенциально будут в отдаленном будущем иметь более серьезные негативные последствия, чем те, которые несут конкретные генетические дефекты. Одно дело трансгенные мыши и даже трансгенная обезьяна, совсем другое — трансгенный человек. Важно и то, что подобного рода манипуляции проводятся на уровне половых клеток и ранних эмбрионов, когда еще нет индивидуума как такового. А, родившись, трансгенный человек может и предъявить иск его непрошеным «целителям».

Еще более серьезная проблема, возникшая на рубеже двух тысячелетий, которая имеет отношение к искусственным манипуляциям с геномом человека, — клонирование людей. Эта проблема появилась в связи с успешной апробацией процедуры клонирования на различных лабораторных и сельскохозяйственных животных. К началу 2002 года было клонировано большое число мышей, 50 овец, 78 телят, 6 поросят и даже две обезьяны. И вот теперь подходит очередь человека.

Эта проблема имеет широкий резонанс в обществе, вокруг нее возник большой ажиотаж, появилось множество различных сенсационных сообщений. (Например, сообщалось, что некоторые американцы собираются «клонировать» Иисуса Христа, используя образец ДНК, полученный из одной христианской реликвии, которая, как считается, содержит частичку тела Иисуса.)

Дебаты о клонировании идут на разных уровнях: от обывателя на кухне до парламентов разных стран и даже Совета объединенной Европы. Но, что удивительно, далеко не все спорящие имеют четкое представление, как осуществляется процедура клонирования, в чем ее суть, к чему она может привести. Зачастую преобладают эмоции и обычная отрицательная реакция на все новое. Так, в свое время отрицали пересадку органов, затем боролись с искусственным оплодотворением в пробирке, пренатальной диагностикой и др. Теперь все это осталось позади. Общество приняло многое из того, что разработали ученые. В мире ежедневно пересаживается людям сотни чужих органов, ежедневно рождаются тысячи людей, зачатых в пробирках. И никакой трагедии для человечества нет. Теперь главный раздражитель — клонирование людей.

Имеются мнения, что придумал метод клонирования еще в 40-х годах советский биолог Георгий Викторович Лопашев. А в 50-е годы американские эмбриологи Брикс и Кинг «переоткрыли» этот метод. В конце 60-х гг. английский биолог Д. Гёрдон опубликовал работу, в которой описал опыты с ядрами, выделенными из клеток кишечного эпителия, почек, кожи и легкого уже взрослых шпорцевых лягушек. Сначала он уничтожал ультрафиолетом ядра икринок, а затем подсаживал в них ядра, выделенные из разных клеток головастиков. Работа была очень тонкая и кропотливая, большая часть полученных таким образом икринок погибала, и лишь совсем маленькая их доля (около 2,5 %) развивалась в головастиков. Взрослых лягушек получить таким образом не удавалось. Тем не менее, это был определенный успех, и результаты этих опытов Д. Гёрдона уже давно попали во многие учебники и руководства по биологии.

Собственно с тех пор и начались разговоры о клонировании млекопитающих, включая человека. Упрощенная схема этой процедуры приведена на рис. 41. Завершилась вся эта длинная история в 1997 году, когда в лаборатории Вильмата в Шотландии появилась на свет овечка по имени Долли. В этом случае ученые пошли чуть-чуть другим путем: они не трансплантировали ядро, а сливали соматическую и половую клетки.

^{Рис. 41. Общая схема процедуры клонирования любых животных организмов (включая человека) с помощью пересадки ядер взрослых соматических клеток в женскую половую клетку (яйцеклетку)}

Для полной ясности следует отметить что, уже давно точные генетические копии организмов (клоны) получает на своих шести сотках любой огородник, размножая картошку клубнями или смородину отводками. Подавляющее большинство растений способно размножаться вегетативным способом, и ни у кого этот факт не вызывает удивления — он слишком для нас привычен, чтобы стать поводом для сенсаций. Но вот теперь дошла очередь до человека. Ясно, что сегодня клонирование человека вполне осуществимо с помощью имеющихся технологий и, может быть, оно технически не сложнее, чем клонирование какой-нибудь овцы. Но здесь главенствует этический вопрос.

В дальнейшем ситуация будет развиваться непредсказуемо. Однако следует помнить, о чем мы уже говорили раньше, — очень многое в биологии человека зависит от окружающей среды. И это одна из основных причин, почему полное клонирование человека невозможно. Можно создать человека, который будет выглядеть, как ваш близнец. Однако вероятность того, что у него будет такой же характер и такие же интересы, как и у вас, весьма мала. Клоны никогда не будут полностью идентичны своим прародителям.

Даже овца Долли не есть точная копия овцы, клетки которой использовали для ее клонирования, так как она росла и развивалась совсем в другом окружении, в матке другой суррогатной овцы. Любой клонируемый организм не наследует гены митДНК своего «родителя», он будет нести митохондриальный геном того организма, который предоставил для клонирования свою яйцеклетку. Клонированного ребенка, вероятно, можно будет назвать «запоздалым» генетическим близнецом своего «родителя», однако содержащим множество (причем совершенно непредсказуемых) отличий.

Поэтому надежды на то, что с помощью генетической инженерии можно создавать и клонировать людей с определенными свойствами (Гегеля, Моцарта, Шварцнегера или Гитлера) пока явно не оправдываются. А ведь многие сторонники глубоко внутри лелеяли надежду чуть ли не на личное бессмертие, на панацею от всех бед и напастей человечества. Кто-то уже собирался нести в лабораторию свои собственные клетки или бережно сохраненные кусочки тканей умерших родственников… Дело дошло до того, что группа американских бизнесменов заявила о своем новом проекте: они собираются клонировать вампира графа Дракулу. Для этого они хотят выкопать останки Влада Дракулы, который жил в 15 веке в Трансильвании. Именно этот человек стал прототипом героя известного романа Брэма Стокера «Дракула». Нет предела человеческим желаниям и мечтам!

Таким образом, самое большое препятствие на пути к клонированию человека — вовсе не техническая подготовленность к эксперименту, а неопределенность результата и недостаточная оценка опасностей, таящихся в этой процедуре. Ясно, что клонирование опасно прежде всего тем, что может привести к определенному обеднению генетического фонда человека, повторяя дефекты генома и не давая при этом ему никаких новых качеств. Много неожиданных проблем может возникнуть с появлением человеческих уродцев как результата манипулирования с клетками эмбрионов, с преждевременным старением клонов, с онкологией, с иммунологией и др. Профессор Жан Доссе, лауреат Нобелевской премии по физиологии и медицине (1980 г.), предупреждает: «В области генетики человека неразумное использование новых технологий может привести к катастрофическим последствиям».

Так что давайте посмотрим на все это в реальной плоскости. Первое, на что хотелось бы обратить внимание, это то, что клонируемый человек, как и любой зачатый естественным путем, сначала должен пройти все стадии нормального эмбрионального развития. В результате через 9 месяцев он появится на свет из утробы женщины, согласившейся принять в себя генетически модифицированную яйцеклетку (суррогатная мать). Потом пройдут долгие годы, пока новорожденный станет тем, что мы от него ждем. Если мы, например, пытаемся клонировать какую-то выдающеюся личность, то придется ждать очень долго, пока станет ясно, что результат достигнут или не реализовался. В реальности — скорее всего нет. Дело в том, что «близнец» в общем-то скорее всего вырастет внешне очень похожим на образец. Но на протяжении многих лет жизни генетической копии не возможно воспроизвести все те условия, которые сопутствовали в течение жизни его образца. На своеобразие психической деятельности человека, по современным данным, геном оказывает воздействие, которое оценивается максимум на 50 %. А вот другие 50 % зависят от очень многого, но не от генома. Здесь вносят свой вклад и окружение, и воспитание, и образование, и сопутствующие заболевания, и даже просто питание. Мы не зря выше говорили об однояйцовых близнецах — они нам демонстрируют результаты клонирования, которое осуществляет сама природа. Вернитесь к соответствующему разделу этой книге и вспомните о результатах многолетних исследований близнецов в генетике. По словам К. Вентера, можно создать человека, который будет выглядеть как ваш близнец, однако вероятность того, что у него будет такой же характер, такие же способности и такие же интересы, как и у вас, «близка к нулю». Ксерокопировать людей невозможно.

Далее. Никто особо не задумывается над тем, что у новорожденной «копии» с самого рождения не будет родителей в полном смысле этого слова. Точнее, конечно, он будет, но, в отличие от других, только один. Условным «родителем» служит донор клеточного ядра: условный «папа», если родился мальчик, или условная «мама», если родилась девочка. Сегодня клонирование себя могут себе позволить только очень состоятельные люди, которые, как правило, уже прожили свой век. Их генетическая копия с большой вероятностью большую часть жизни проведет без того человека, который решился на свое клонирование. Есть ли уверенность, что эта копия будет благодарной своим создателям, которые не пожалели сотни тысяч долларов на это? Не осудит ли она их, когда подрастет, не начнет ли она из чувства противоречия жить совершенно по другим правилам, нежли те, которыми руководствовалась ее исходная «матрица»? Предположим, родитель был великим спортсменом, а копия оказалась страшно ленивой или склонной к «богемной жизни» или к философствованию. Таков может быть совершенно не прогнозируемый результат «создателя». Поэтому надежды на то, что с помощью современных подходов можно создавать людей с определенными свойствами, пока явно не оправдываются. А ведь некоторые уже надеялись чуть ли не на личное бессмертие.

Не менее важными, а может быть, даже более важными, чем перечисленные выше, являются другие проблемы, связанные с клонированием человека. Технология клонирования отработана пока лишь только на животных (единичные указания на клонирование эмбрионов человека можно не принимать во внимание, и даже если появятся сообщения о клонировании одного-двух людей, это еще не решение вопроса). Дело в том, что даже с животными не все ясно. Не накоплено достаточно данных, чтобы исключить, что клонированные организмы могут иметь такие свойства, которые порой мало совместимы с нормальной жизнью, такие, например, как укороченное время жизни (ускоренное старение), предрасположенность к развитию у них различных патологий, включая нейродегенеративные заболевания, рак и иммунологические растройства.

Известно, что при клонировании животных часто возникают многочисленные уродцы, организмы, несущие различные патологии. Что же будут делать с такими «дефектными» копиями, которые с неизбежностью появятся на свет, особенно на начальных этапах клонирования человека? Задумываются ли об этом те, кто планирует или уже приступил к этому? Все вышесказанное однозначно указывает на то, что сегодня никто не имеет никакого морального права заниматься клонированием людей.

Однако следует понимать, что прогресс в науке продолжается и ничто и никто не может его остановить. И, видимо, не в столь уж отдаленном будущем мы с вами будем свидетелями рождения первого человеческого клона. (В начале 2003 года уже было объявлено, правда, без всяких научных доказательств, о появлении на свет первой клонированной девочки — Евы). Хочется надеяться лишь, что это реально произойдет только после всестороннего изучения возможных негативных последствий такого эксперимента, а не в результате действий какого-нибудь авантюриста, движимого или славой Герострата, или огромными деньгами. В перспективе можно ожидать, что клонирование поможет отдельным семейным парам, в которых кто-нибудь из родителей страдает тяжелыми генетическими болезнями, а особенно если больны оба родителя. Так, если ген, определяющий какую-либо патологию, содержится в хромосомах отца, то при клонировании в яйцеклетку матери можно пересаживать ядро ее собственной соматической клетки, — и тогда появится ребенок, лишенный опасных отцовских генов, который будет копией матери. Если дефектный ген содержится в хромосомах матери, то в ее яйцеклетку можно пересадить ядро соматической клетки отца — появится здоровый ребенок — копия отца.

Тем не менее, думается, что сегодня на повестке дня стоит не клонирование человека как целого организма (репродуктивное клонирование), а клонирование его отдельных клеток. Последняя процедура получила специальное название — терапевтическое клонирование. Суть этого перспективного направления вот в чем. У эмбрионов на ранних стадиях развития имеются уже упоминавшиеся эмбриональные стволовые клетки. Кроме того, практически во всех органах взрослого организма наряду с хорошо дифференцированными клетками, составляющими основную массу этого органа, в очень незначительном количестве присутствуют специальные стволовые клетки. Стволовые клетки в условиях in vitro под «руководством» экспериментатора могут быть превращены в любые другие типы клеток, имеющихся у взрослого организма. Далее они могут быть перенесены в тот или иной пораженный орган и способствовать восстановлению его функций. Являясь собственными клетками организма (т. е. иммунологически идентичными), искусственно перенесенные клетки не будут отторгаться. Теоретически все это относительно просто, но до реальной широкой практики дело пока не дошло.

Ясно, что кроме чисто научных проблем и опасений, существуют и многочисленные морально-этические проблемы, связанные как с геномом человека вообще, так и с искусственными манипуляциями с ним, и с клонированием человека. Теперь и поговорим об этом подробнее.

Успехи, достигнутые в результате успешного осуществления проекта «Генома человека», породили не одни только радужные ожидания, но одновременно и обоснованную большую тревогу как ученых, так и широкой международной общественности. Об этом сейчас много пишут в газетах и солидных научных журналах, проводят дискуссии на радио и телевидении. Какие же высказываются опасения, почему звучат сомнения в важности достижений генетиков в изучении генома человека, какие этические соображения высказываются против искусственных манипуляций с геномом человека? Что же такое «игры с ДНК человека» — путь к «эликсиру жизни» или все же «подарок дьявола» и «мина замедленного действия»? Частично обо всем этом уже говорилось выше. Продолжим этот разговор.

Сначала несколько слов об этике вообще. Этот термин впервые употреблялся Аристотелем (правда, тогда он имел несколько иной смысл, чем сегодня). Сейчас этические нормы иногда формулируют известными словами В. Маяковского «что такое хорошо, а что такое плохо», что понятно даже детям. Мы соблюдаем эти нормы, если поступаем в нашей жизни так, чтобы хорошего было побольше, а плохого — поменьше. Существенно, что этот моральный принцип всегда довлел над наукой и медициной. У человека, в отличие от животных, этика базируется на тех или иных идеологических доктринах. Ранее, и в какой-то мере сейчас, в этом принимала участие этика религиозная. Этическая регламентация медицинской деятельности известна со времен Гиппократа. Когда мы жили по «моральному кодексу строителей коммунизма», то и тогда присутствовала определенная строгая этика, обязательная к исполнению всеми членами общества. Существует также этика, которая устанавливается по взаимной договоренности людей или человеческих общностей: как им вести себя по отношению друг к другу. Она была сформулирована еще в 18-м веке Жан-Жаком Руссо в его трактате «Общественный договор», где расписывалось, как люди договариваются, чтобы друг другу поменьше вредить и побольше оказывать пользы, стараясь при этом обеспечить и себе максимум пользы, но не во вред другим. Все мы живем в едином сообществе, никто не может сказать: остановите землю — я сойду. А коли так, то этические нормы должны быть общими для всего человечества.

Сегодня биоэтику определяют как «свод принципов и норм, действующих на основе традиционных духовных ценностей в области здоровья и здравоохранения и регулирующих в этой сфере взаимоотношения государства с обществом, семьей и личностью, а также взаимоотношения медицинского работника и пациента в связи с медицинским вмешательством». Сохраняет свою актуальность тезис Гиппократа «не вреди», означающий, что этично применять к какому-либо лицу только те воздействия, которые не принесут вреда ему и его потомкам.

По-видимому, впервые по-крупному человечество столкнулось с этической проблемой в науке при создании атомной бомбы. Этот пример, наверное, еще долго будет приводиться как иллюстрация разных возможностей использования одного и того же научного достижения. Организаторы проекта «Геном человека» учли это обстоятельство с самого начала. По их инициативе было развернуто широкое изучение социально-этических проблем, которые могут возникнуть в связи с проникновением научной мысли в сокровеннейшую тайну человека — его генетический аппарат. Биоэтика была подключена ко всем вопросам, которые могли возникнуть в связи с полным секвенированием генома человека. И, что существенно, на это в проекте «Геном человека» были сразу выделены значительные средства.

Еще в 1883 году вездесущим англичанином (антропологом, психологом и основоположником биометрии) Ф. Гальтоном был предложен новый термин «евгеника», которому было дано следующее определение: «Изучение подлежащих общественному контролю влияний, могущих улучшить или ухудшить как физические, так и умственные качества грядущих поколений». Наиболее ярко евгенестические представления начала прошлого века отражены в знаменитом письме Мюллера (см. Приложение 2). Но непредвиденные последствия таких соблазнов тогда пугали многих. Так, эти опасения нашли метафорическое отражение в романе М. Булгакова «Собачье сердце». Профессор Преображенский, создавший Шарикова, горестно восклицает: «…я заботился совсем о другом, об евгенике, об улучшении человеческой породы… Вот, что получается, когда исследователи, вместо того, чтобы идти ощупью и параллельно с природой, форсируют вопрос и приподымают завесу: на, получай Шарикова и ешь его с кашей… Зачем надо искусственно фабриковать Спиноз, когда любая баба может родить его когда угодно».

Но теперь ясно, что евгеника в свое время стала одним из стимулов зарождения и развития генетики человека и ее важной части — медицинской генетики. Поставленные евгеникой цели — освободить геном человека от вредных наследственных мутаций и обогатить его ценными для физического и умственного развития генами — остаются актуальными и сегодня. Однако для этого только теперь наступило время. Сейчас можно провести параллель между ранними евгеническими соблазнами и реальными возможностями манипулировать с генетическим аппаратом человека, появившимися в самом конце предыдущего века.

Между тем до сих пор решение этических проблем, связанных с геномными исследованиями, порой напоминает прогулку по острию ножа. Дело в том, что еще до недавнего времени слова «геном», «гены», «ДНК» вызывали ассоциации лишь с фундаментальными исследованиями заумных «очкариков», ученых-генетиков. Мало кто мог подумать, что все это станет для нас серьезнейшей проблемой, которая будет обсуждаться на уровне президентов и парламентов. Но теперь поняли, что так же, как в свое время при изучении атома, исследования генома человека могут принести как колоссальную пользу, так и огромный вред для человечества. Стало абсолютно очевидным, что молекулярная генетика способна спасти людей от сотен ранее неизлечимых болезней, имеющих наследственную и приобретенную природу. В то же время теперь возникла серьезная проблема — необходимость учитывать предотвращение даже малейшей возможности того, чтобы искусственное вмешательство в геном человека не привело человечество к генетическим «хиросимам» и «чернобылям».

Очевидно, что для лечения человека вполне приемлемы и новые лекарства, разработанные на основе знания о структуре генома, и методы генной терапии на уровне соматических клеток, и современные способы диагностики. Все это не вызывает особых споров. Тем не менее, новое знание и новые возможности породили достаточно большое число новых этических проблем. Остановимся на некоторых из них.

Так, для многих наследственных заболеваний еще нет эффективных способов лечения. Но вот, предположим, врачи диагностировали у человека серьезную патологию, ведущую к смерти, которая может произойти лишь через 20 или даже 40 лет (а может и не произойти). Что делать в этой ситуации? Надо ли или не надо информировать больного человека об этом? Это один из главных вопросов, стоящих перед медико-генетическим консультированием уже много лет, но однозначного ответа на который нет и сегодня. Другая проблема, хотя пока еще несколько отдаленная, связана с тем, кто и как может распорядиться информацией о геноме конкретного человека и не существует ли потенциальной опасности распространения персональной информации без разрешения тех, кого она касается. Дело со всей очевидностью идет к тому, что вскоре каждый из нас будет иметь свой личный генетический паспорт. Некоторые фирмы уже дают рекламу на изготовления таких паспортов (правда, цена их сегодня пока еще очень велика — около 800 тыс. долларов за один паспорт). Это, конечно, чрезвычайно важно во многих случаях для сохранения нашего здоровья и порой даже для предотвращения преждевременной смерти. Но с появлением генетического паспорта можно ожидать и возникновения новых морально-этических проблем. У всех нас есть какие-то не очень хорошие гены. Так, считается, что каждый человек несет от 5 до 10 «плохих» генов, которые могут при определенных обстоятельствах привести к появлению некоторых заболеваний у нас самих или у наших детей — если именно эти гены достанутся им. Генетик М. Кабак из Калифорнийского университета утверждает: «Мы все — мутанты, все генетически дефектны». Самому человеку и лечащему его врачу полезно было бы об этом знать, чтобы быть предупрежденным об опасности того или иного заболевания и определить выбор наиболее радикального способа профилактики и лечения. Но очевидно, что эта информация может иметь и немалую коммерческую ценность, которая может быть использована против самого человека. В этой связи и возникает вопрос: кто может иметь доступ к этой информации? Как она должна храниться и кем использоваться? Подобная информация в нашем несовершенном обществе сможет стать предметом торговли и шантажа. Понятно, что, например, различные страховые компании будут стремиться любыми способами узнать о генетической предрасположенности клиента к каким-либо болезням, а после получения соответствующей информации станут требовать от него повышенной платы за страховку. Безусловно, генетический паспорт заинтересует и работодателей. Они, учитывая генетические данные, могут отказывать в найме на работу, поскольку при некой известной генетической конституции определенная работа теоретически может повысить риск возникновения того или иного заболевания. Приведем в качестве примера историю с бывшим Президентом США Рональдом Рейганом. Его президентство оставило полезный вклад в экономику страны (вспомним термин рейгономика). Но после выхода на пенсию Рейган был поражен тяжелой формой болезни Альцгеймера. Оказалось, что у него и членов его семьи имеется наследственная мутация, которая и привела к развитию этого заболевания. А теперь давайте ответим на вопрос: был бы Р. Рейган выбран Президентом США, если бы в те далекие годы могли диагностировать такую мутацию и эта информация стала бы достоянием широкой американской общественности перед выборами?

Так что высказанные выше опасения совсем не умозрительны и не беспочвенны. Мы уже имеем пример из современной истории, как генетическое тестирование обернулась скорее злом, чем благом. Речь идет о проведенной в начале 70-х годов в США правительственной программе по выявлению носителей мутантного глобинового гена, обуславливающего такое неприятное заболевание, как серповидноклеточная анемия. Мутация, приводящая к этой патологии, распространена в основном в малярийных районах Африки и ряде других жарких стран. Само заболевание связанно с присутствием в эритроцитах ненормального варианта белка гемоглобина, в результате чего эритроциты крови приобретают специфическую «серповидную» форму, а у больного развивается тяжелая анемия, иногда приводящая к смерти. В 1972 году в рамках борьбы с малярией на паспортизацию людей было истрачено свыше 100 млн. долларов. Методика выявления носителей этого гена к тому времени уже была разработана, она оказалась довольно простой, наличие мутантного гена можно было определить с помощью анализа одной капли крови. Программа генетического обследования на выявление носителей гена серповидноклеточной анемии была проведена среди американцев африканского происхождения и поначалу получила бурное общественное одобрение. Однако вскоре после этого начались неожиданные серьезные осложнения. Выяснилось (хотя думать об этом надо было раньше), что общество не знает, как распорядиться результатами этого широкомасштабного обследования. Во-первых, людей, абсолютно здоровых, но несущих ген серповидноклеточной анемии, стали считать больными, а у самих этих людей возник комплекс неполноценности и даже вины. Во-вторых, возникли сложности с медицинскими страховыми компаниями. В-третьих, появились новые формы сегрегации — отказ в приеме на работу на основании геномной диагностики. В частности, авиакомпании перестали принимать к себе носителей мутантного глобинового гена, поскольку, как они посчитали, существует риск обострения заболевания и распада эритроцитов при снижении давления кислорода на большой высоте.

Естественно, не хотелось бы и в третьем тысячелетии вновь наступать на одни и те же грабли. По этой причине, чтобы в будущем избежать негативного развития событий, различные специалисты уже сейчас интенсивно трудятся над выработкой необходимой законодательной базы. В настоящее время, чтобы уберечь человека от дискриминации, удалось выработать ряд этических и правовых норм, которые должны если не предотвратить полностью, то, по крайней мере, существенно нейтрализовать негативные последствия. Основная из них заключается в том, что информация о генах определенного индивидуума не может быть передана третьим лицам без его ведома. Даже если кто-то захочет использовать ее для исследовательских целей, он прежде должен будет проинформировать об этом конкретного человека и получить его согласие. В частности, Конгресс США уже принял ряд законов, запрещающих возможные злоупотребления в этой области. Конфиденциальность наследственной информации каждого человека считается одним из неотъемлемых прав личности.

Однако в некоторых конкретных обстоятельствах эти на первый взгляд совершенно разумные нормы также могут породить серьезные конфликты интересов. Приведем такой пример. У некого индивидуума выявлено определенное отклонение в генетическом аппарате, которое в скором времени может привести к развитию у него очень серьезного заболевания. Эта информация может быть в буквальном смысле жизненно важной для его близких и родственников, в частности при вступлении такого индивидуума в брак. Должны ли родные и близкие люди открывать друг другу сведения, содержащиеся в своем генетическом паспорте? Здесь сколько «за», столько и «против». К сожалению, до сих пор все эти проблемы пока не решены.

Или другой интересный пример. В 2002 году появилось сообщение об идентификации «гена преступности». 85 % процентов мальчиков, у которых один из генов содержал определенную мутацию, оказывались склонными к антиобщественному поведению во взрослой жизни. В этой связи британский Совет по биоэтике пришел к выводу, что судьи должны иметь возможность изучать генетическую структуру обвиняемых перед вынесением приговора, а генетическая предрасположенность человека к антиобщественному поведению должна быть для суда таким же фактором, как психиатрическое освидетельствование. По мнению экспертов Совета, выявление генетической предрасположенности к преступлению даст возможность назначить человеку определенное лечение, вместо того, чтобы отправить его на многие годы в тюремную камеру. Но это мнение не бесспорно. Ясно, что генетика не должна стать поводом для безоговорочного оправдания подсудимых.

Остается сложной и проблема собственности на информацию о геноме человека вообще, о патентовании вновь выявляемых генов человека. По этому вопросу уже прошли жаркие дебаты между учеными, финансируемыми частным капиталом и поддерживаемыми государством, и даже между разными странами (в частности, между США и Европой, между Европейским Союзом и Советом Европы). Одни настаивают: генетическая информация, коль скоро она была кем-то расшифрована, то есть открыта вновь, должна быть собственностью осуществившего эту расшифровку исследователя и защищаться патентом. Каждый, кто захочет воспользоваться ею, обязан за это платить; патентная защита интеллектуального вклада тех, кто расшифровывает гены, станет мощным стимулом для дальнейшего прогресса исследований. Однако их оппоненты настаивают на другом: генетическая информация создана самой природой, и ее собственником скорее следует считать того, в чьих генах она содержалась, чем того, кто ее «прочел»; патентование генов ограничит доступ ученых к информации и тем самым не ускорит, а затормозит исследования. Пока и по этой проблеме общепризнанной точки зрения нет.

Особняком стоит вопрос о клонировании человека. Выше мы подробно рассматривали эту проблему. Здесь кратко остановимся только на некоторых связанных с ней морально-этических аспектах. Уже говорилось о том, что существующий на сегодняшний день метод пока еще нельзя считать абсолютно безопасным. Многое еще остается неясным. Так, нет ответов на вопросы, как скажется на клонах влияние так называемого генетического импринтинга (разного проявления у потомков одних и тех же генов, но произошедших от отца или матери), как будет происходить старение такого организма и его клеток, как отразятся на клонах возможные мутации в ядрах клеток-доноров, как клонирование скажется на здоровье, на склонности к различным заболеваниям, в частности, к раку. Тем не менее, целый ряд ученых заявляли и заявляют, что они готовы или даже уже приступили к клонированию людей. Такие безответственные заявления вызвали массу протестов в обществе. Срочно были приняты меры на государственных уровнях. Клонирование человека было запрещено во всех цивилизованных странах. Сейчас в Японии экспериментаторам за эксперименты по клонированию человека и создание химероподобных существ (скрещивание генов человека с животными) грозит от 3 до 7 лет тюрьмы. В Германии наказание — 5 лет, во Франции — до 20. В США нарушителю моратория обеспечены 10 лет заключения и миллион долларов штрафа. В России в 2002 году также введен мораторий на 5 лет на клонирование людей.

Однако надо понимать, что все это не может остановить начавшийся процесс. Всегда найдутся (например, в странах второго мира, или на необитаемом острове, или, в конце концов, на корабле в мировом океане) авантюристы, которые за большие деньги клонируют все-таки определенного богатого и очень амбициозного человека, или его погибшего, но сильно любимого ребенка, или какую-нибудь выдающуюся личность прошлого. И это, по-видимому, неизбежно. Несмотря на все возражения, протесты и запреты клонирование человека произойдет в самое ближайшее время. Безусловно, уже мы с вами будем свидетелями этого события и невольными наблюдателями за реальными его последствиями.

Сторонники клонирования часто задают саркастический вопрос: если запрещаем клонирование людей, может быть, одновременно нужно запретить и рождение естественных близнецов? Но это, конечно же, не вопрос, а попытка подмены понятий. Более существенен другой вопрос: являются ли все клетки человека его неотъемлемой собственностью, с которой он может делать что угодно, вплоть до выращивания из них собственных копий, а вот другим без его разрешения ничего делать с его клетками не разрешено? Если ответить утвердительно на последний вопрос, то многие люди могли бы подать иски на лаборатории и клиники, где в экспериментах используются различные клетки их самих или клетки их родственников или, наконец, абортивный материал. Один из примеров тому — раковые клетки HeLa, которые были получены из карциномы шейки матки некой Хелены, американки африканского происхождения, скончавшейся в далеких 50-х годах XX в. в США. С тех пор в десятках биологических и медицинских институтов мира проделаны сотни тысяч опытов на этих клетках, что происходило без всякого согласия на то ее самой и ее родственников.

Так как же все-таки можно ответить сегодня на вопрос: следует ли клонировать человека? Конечно, научный прогресс не остановить. Не так давно многих возмущали «дети из пробирки», трансплантация органов, а раньше крайне удивляли самолет, кинематограф, телевидение, лазер и др. Наверное, все равно настанет время, когда, по крайней мере, данные, полученные в области клонирования людей или на основе его принципов, войдут в повседневную жизнь. Хотелось бы только, чтобы общественное мнение базировалось не на поверхностных представлениях о них, а на глубоком знании предмета и было направлено на благо как сегодняшнего человека, так и будущих поколений.

Пока вокруг клонирования и манипуляций с эмбриональными стволовыми клетками человека идут научные дискуссии, в США было принято чисто фарисейское решение. Президент разрешил финансирование из бюджета США исследований на основе использования уже существующих стволовых клеточных линий человека, поскольку эмбрионы, из которых были созданы существующие стволовые клеточные линии, уже уничтожены и не способны далее развиваться в человеческие существа и, следовательно, грех человекоубийства не будет довлеть над исследователями. Европа в целом пока не поддержала это начинание, хотя нельзя думать, что это навсегда.

Считается, что проблема клонирования, хотя и привлекает к себе большое внимание, в реальности пока не входит даже в сотню наиболее важных проблем человечества. Значительно более актуальна борьба с дефектной наследственностью. Как уже говорилось выше, уже найдены гены, связанные со множеством патологий человека, с помощью современных генно-инженерных методов и генной терапии уже возможно лечение ряда наследственных и приобретенных заболеваний. С точки зрения медицинской, да и просто человеческой этики, нельзя оставить без помощи медицины страдающего, особенно когда для этого имеются соответствующие подходы и средства. Но все эти используемые в настоящее время подходы, средства и методы направлены на соматические клетки нашего тела. Половые (зародышевые) клетки (сперматозоиды и яйцеклетки) по современным этическим и правовым нормам не могут быть объектом вмешательства, т. к. воздействие на зародышевые клетки в том или ином виде может сказываться на потомстве. Последствия таких вмешательств могут обнаружиться лишь в череде поколений, и есть риск того, что эти последствия окажутся чрезвычайно опасными. Таким образом, современная генная терапия направлена только на соматические клетки. Однако, что чрезвычайно важно, при этом в половых клетках «излеченных» пациентов дефектные гены сохраняются! В результате спасения таких индивидуумов от судьбы, уготованной им естественным отбором, т. е. в конечном итоге от смерти, они в дальнейшем смогут передавать аномальные гены своему потомству.

Это неминуемо будет приводить к прогрессирующему ухудшению человеческого генофонда. Вот еще одна этическая дилемма, которая стоит перед человечеством.

Некоторые ученые полагают, что ее решение заключается в поиске подходов к безопасному «лечению» половых клеток человека. Но здесь мы вновь оказываемся в очень спорной и наиболее пугающей области возможного применения тех знаний, которыми вооружает нас современная генетика. Речь идет о таком вмешательстве в геном, которое направлено на то, что когда-то именовалось улучшением человеческой породы, или евгеникой.

В настоящее время, благодаря успешной реализации проекта «Геном человека», произошло определенное оживление интереса к евгеническим идеям. Все чаще и чаще евгенические подходы и принципы рассматриваются как возможный выход из надвигающейся на нас генетической катастрофы — безнадежного ухудшения качества «генетического материала» — генофонда человека. Однако в отличие от своих предшественников нынешние приверженцы евгеники больше уповают на совершенствование отдельных индивидов, чем больших социальных групп.

Колоссальные достижения в познании структуры генетического аппарата человека и, в не столь уж далекой перспективе, возникновение подходов к направленному его изменению с новой остротой ставят вечные вопросы: что же такое человек, насколько пластична или, напротив, консервативна его генетическая природа, что можно и что нельзя насильственно менять в нем, какова биологическая опасность искусственных геномных манипуляций для вида гомо сапиенс, не станет ли теперь реальностью целенаправленное изменение человеческой расы, о котором мечтали евгеники? Пока реальных предпосылок к этому не видно, хотя теоретически такую возможность исключить нельзя. При решении подобных вопросов нам приходится полагаться не только на знания, которые открывает наука, но и на то, что мы, люди, считаем морально дозволенным в воздействии на человеческий геном. Думается, что человечеству хватит мудрости и здравого смысла, чтобы обратить в свою пользу результаты, достигнутые в изучении генома человека.

Один из главных действующих лиц в геномном проекте Крег Вентер считает, что для полного определения функций всех генов может потребоваться около ста лет, а до тех пор о заметных направленных изменениях в геноме говорить не приходится. Но такая оценка не может успокаивать, т. к. ненаправленные изменения, в том числе и вредные, теоретически и практически могут быть осуществлены уже сейчас.

Существуют также опасения относительно того, не могут ли новые данные о геноме человека быть использованы для создания биологического оружия нового типа, например, опасного только для некоторых популяций или рас? Вопрос вполне правомерный, и пока на него нет однозначного ответа. Вместе с тем, имеющиеся данные о различиях в структуре геномов разных популяций людей указывают пока на отсутствие возможности появления такого оружия. Ряд ученых считает, что гораздо большую опасность для человечества могут представлять данные по определению структур ДНКовых текстов многочисленных болезнетворных бактерий и вирусов. Тем не менее, в этих случаях подобный вопрос почему-то практически не возникает.

В нашей стране все перечисленные выше проблемы имеют свою специфику. У нас генетика долгое время пробивала себе законное место под солнцем. Да и вообще вся естественная наука, не связанная напрямую с военной проблематикой, большую часть XX века не была у нас в почете. Однако времена постепенно меняются и генетику не только признали как науку, но и стали ориентироваться на ее достижения.

Сегодня сохраняется насущная потребность в разработке международно признанных этических норм, которые бы регулировали искусственное вмешательство в геном человека. Сейчас этим активно занимаются такие международные организации, как Совет Европы, ЮНЕСКО, ВОЗ. Попыткой установить эти нормы служит Всемирная декларация «О геноме человека и правах человека», разработанная Международным комитетом ЮНЕСКО по биоэтике и принятая Генеральной конференцией ЮНЕСКО в 1997году. Полагаю, что читатель заинтересуется важнейшими положениями этого международного документа (полный текст см. в Приложении 3).

Из Всемирной декларации о геноме человека и правах человека

Исследования генома человека открывают широкие перспективы в области улучшения здоровья и процветания каждого человека и всего человечества в целом.

Применение генетических исследований должно, однако, регулироваться надлежащим образом для защиты от евгенической практики, которая идет вразрез с человеческим достоинством и правами человека.

Результаты исследования генома человека ни в коем случае не должны быть использованы в военных или агрессивных целях…

Геном человека есть составная часть общего достояния человечества.

Геном каждого человека представляет его особую генетическую индивидуальность.

Личность человека не может быть сведена только лишь к его генетическим характеристикам. Каждый имеет право на уважение его прав и достоинств вне зависимости от этих характеристик…

В области биологических и генетических исследований защита личности будет гарантировать неприкосновенность человечества как вида, а также уважение достоинства, свободы и прав каждого из его членов.

Каждый имеет право извлекать пользу из достижений биологии и генетики…

Никакие достижения в области биологии и генетики не должны превалировать над уважением человеческого достоинства и прав человека…

Никакое воздействие на геном человека (в научных ли, терапевтических или диагностических целях) не может быть предпринято без строгой предварительной оценки возможных последствий, а также без предварительного свободного согласия заинтересованного лица…

Никто не может быть подвергнут дискриминации на основании генетических характеристик…

Генетические данные, связанные с конкретным человеком, хранящиеся или обрабатывающиеся в исследовательских или любых других целях, должны быть защищены от третьих лиц.

Каждый человек имеет право на справедливую компенсацию ущерба, явившегося прямым результатом воздействия на его геном.

Государства обеспечивают интеллектуальные и материальные условия, благоприятствующие исследованию генома человека настолько, насколько это исследование способствует продвижению в познании, облегчению страданий, улучшению здоровья и процветанию человека и человечества в целом.

Исследования в биологии и генетике влекут за собой особую ответственность, требуют от ученых тщательности, осторожности и интеллектуальной честности.

Государства должны гарантировать действенную помощь гражданам, семьям и группам населения, нетрудоспособным или подверженным болезням из-за аномалий генетического характера.

Давно уже существовало мнение, что XXI век станет веком биологии. Сегодня по сути дела сбывается предсказание великого физика современности Нильса Бора, который в 50-х годах прошлого века неоднократно заявлял, что в ближайшем будущем наиболее интенсивное проникновение в тайны природы станет прерогативой не физики, а именно биологии. Среди наук, занимающихся биологическими проблемами, наиболее продуктивной оказывается молекулярная генетика.

На рубеже тысячелетий, на основе успехов по определению структуры генома человека и многих других организмов, возникло совершенно новое направление молекулярной генетики — геномика, изучающая не отдельные гены, а целые геномы, их функциональную значимость как единого целого. Выше мы уже ознакомились с тем, как геномика охватила многие сферы деятельности человека, она уже вторглась в медицину, этнографию, лингвистику, антропологию и другие области гуманитарного знания. Появились специальные ответвления: медицинская геномика, этногеномика, палеогеномика, геноинформатика, генотоксикология и др. В последние годы из геномики выросло еще одно важное направление — протеомика, которая занялась по сути дела инвентаризацией всех белков клетки, анализом их функции и взаимодействия друг с другом. Ясно, что задачи, стоящие перед протеомикой, на несколько порядков сложнее, чем у структурной геномики.

Сугубо научная, хотя и имеющая большой выход в практику, задача — определение структуры генома человека — приобрела теперь яркую мировоззренческую окраску. Уже давно многие генетики считали, что «гены решают все», а человек пусть очень сложная, но всего лишь машина; у других эта точка зрения вызывала субъективный внутренний протест.

Если в человеке все запрограммировано генетически, то, подправив генетическую программу, можно будет выводить людей с любыми заданными свойствами. Неужели кто-то (и.о. Господа Бога на земле?) может по своему разумению использовать эту информацию и создавать, например, идеального инженера, идеального фермера или идеального солдата? Но на другой чаше весов было понимание того, что прогресс науки остановить нельзя, на базе нового знания можно избавить человечество от наследственных заболеваний, которых известно уже около четырех тысяч, найти принципиально новые способы лечения многочисленных приобретенных заболеваний, продлить жизнь человека и многое другое. И в этой непростой ситуации ведущие государства мира в лице своих правительств сделали выбор — приняли решение поддержать ученых, берущихся осуществить грандиозный по масштабам труд по расшифровке генома человека. В результате этого проблема определения структуры генома человека была практически решена. Но теперь предстоит сделать новый более грандиозный шаг — превратить полученную огромную и дорогостоящую информацию в реально действующий в пользу человечества механизм.

Геномика с самого начала была направлена не только на теоретические изыскания, но, главным образом, на практическое использование этих достижений на благо человека. Собственно, это и предполагали организаторы программы «Геном человека», когда затевали свой беспрецедентный по земным масштабам проект.

В самом начале работ по этой программе существовали опасения, что ее реализация приведет к «индустриализация» биологии, к утрате ее творческого потенциала. Однако теперь уже ясно, что огромная творческая работа исследователей по созданию сложнейшей технологии для массированного секвенирования генома человека имеет универсальное значение, ее идеи и методы применимы для решения большого числа биологических проблем, далеко отстоящих от собственно генома человека. Это, прежде всего, разработка методов создания радиационных гибридов (коллекций клеток, в которых удалены разные небольшие фрагменты хромосом), конструирование новых векторных систем (искусственные дрожжевые хромосомы, бактериальные и фаговые векторы, позволяющие размножить огромные по размерам фрагменты ДНК человека), появление принципиально новых компьютерных программ и многое др. Вновь созданная приборная база и методология теперь успешно применяется к любым геномам, от вирусов и бактерий до сельскохозяйственных растений и животных.

Следует также иметь в виду, что когда мы изучаем геном человека, то фактически при этом мы одновременно познаем весь живой мир. Геном человека устроен в целом существенно сложнее, чем геномы многих животных и растений. Поэтому, когда мы узнаем устройство сложного генома, нам будет значительно легче перейти к изучению более простых геномов. А это уже сулит революцию в таких областях, как ветеринария, селекция растений и животных. Ясно, что когда у нас будет каталог всех генов человека, то по аналогии находить гены животных и растений будет намного проще.

Геном человека — неиссякаемый родник для многих поколений исследователей. У специалистов захватывает дух от масштаба и потенциального значения результатов, ожидаемых на основе развития геномики. Что можно ожидать от геномных исследований в ближайшее будущее? Вот как сформулировал прогноз на ближайшие 40 лет Ф. Коллинз, один из руководителей программы «Геном человека» (США).

2010 год

— Генетическое тестирование, профилактические меры, снижающие риск заболеваний, и генная терапия до 25 наследственных заболеваний. Медсестры начинают выполнять медико-генетические процедуры.

— Широко доступна преимплантационная диагностика, яростно обсуждаются ограничения в применении данного метода.

— В США приняты законы для предотвращения генетической дискриминации и соблюдения конфиденциальности.

— Не всем доступны практические приложения геномики, особенно в развивающихся странах.

2020 год

— На рынке появляются лекарства от диабета, гипертонии и других заболеваний, разработанные на основе геномной информации.

— Терапия рака, прицельно направленная на свойства раковых клеток.

— Фармакогеномика становится общепринятым подходом для создания многих лекарств. Изменение способа диагностики психических заболеваний, появление новых способов их лечения, изменение отношения общества к таким заболеваниям.

— Демонстрация безопасности генотерапии на уровне зародышевых клеток при помощи технологии гомологичной рекомбинации.

2030 год

— Определение последовательности нуклеотидов всего генома отдельного индивида станет обычной процедурой, стоимость которой не будет превышать 1000 $.

— Каталогизированы гены, участвующие в процессе старения.

— Проводятся клинические испытания по увеличению максимальной продолжительности жизни человека.

— Лабораторные эксперименты на человеческих клетках заменены экспериментами на компьютерных моделях.

— Активизируются массовые движения противников передовых технологий в США и других странах.

2040 год

— Все общепринятые меры здравоохранения основаны на геномике.

— Определяется предрасположенность к большинству заболеваний (при/до рождения).

— Доступна эффективная профилактическая медицина с учетом особенностей индивида. Болезни детектируются на ранних стадиях путем молекулярного мониторинга.

— Для большинства заболеваний доступна генная терапия.

— Замена лекарств продуктами генов, вырабатываемыми организмом при ответе на терапию. Средняя продолжительность жизни достигнет 90 лет благодаря социоэкономическим мерам. Проходят серьезные дебаты о возможности человека контролировать собственную эволюцию.

— Неравенство в мире сохраняется, создавая напряженность на международном уровне.

Жизнь, безусловно, может внести существенные коррективы в эти грандиозные прогнозы. Но в целом приведенные выше прогнозы, безусловно, будут реализованы, хотя, вероятно, с неким сдвигом в годах.

Прежде чем начать свое изложение, я хочу вкратце разъяснить, что это за книга, а также предупредить, чего от нее ожидать не следует. Если нам скажут о ком-то, что этот человек прожил долгую и благополучную жизнь среди чикагских гангстеров, мы вправе сделать некоторые предположения о том, какой это человек. Можно предположить, что это человек крутой, всегда готовый пустить в ход оружие и способный обзаводиться преданными друзьями. Нельзя рассчитывать на то, что такие дедукции окажутся безошибочными, но, зная кое-что об условиях, в которых данный человек жил и преуспевал, вы в состоянии вывести некоторые заключения о его характере. Основной тезис этой книги состоит в том, что человек и все другие животные представляют собой машины, создаваемые генами. Подобно удачливым чикагским гангстерам, наши гены сумели выжить в мире, где царит жесточайшая конкуренция. Это дает нам право ожидать наличия у наших генов определенных качеств. Я утверждаю, что преобладающим качеством преуспевающего гена должен быть безжалостный эгоизм. Генный эгоизм обычно дает начало эгоистичности в поведении индивидуума. Однако, как мы увидим в дальнейшем, при некоторых особых обстоятельствах ген способен лучше всего достигать своих собственных эгоистичных целей, поощряя ограниченную форму альтруизма на уровне индивидуальных животных. Слова «особые» и «ограниченная» в последней фразе имеют важное значение. Как бы нам ни хотелось верить, что все обстоит иначе, всеобщая любовь и благополучие вида как целого — концепции в эволюционном плане бессмысленные.

…представление о генетически унаследованных признаках как о чем-то постоянном и незыблемом — это ошибка, кстати, очень распространенная. Наши гены могут приказать нам быть эгоистичными, но мы вовсе не обязаны подчиняться им всю жизнь. Просто научиться альтруизму при этом может оказаться труднее, чем если бы мы были генетически запрограммированы на альтруизм. Человек — единственное живое существо, на которое преобладающее влияние оказывает культура, приобретенная в результате научения и передачи последующим поколениям. По мнению одних, роль культуры столь велика, что гены, эгоистичны они или нет, в сущности не имеют никакого значения для понимания человеческой природы. Другие с ними не согласны. Все зависит от вашей позиции в спорах о том, что определяет человеческие качества — наследственность или среда. Это подводит меня ко второму предупреждению о том, чем не является эта книга: она не выступает в роли защитника той или другой из сторон в споре «наследственность или среда». Конечно, у меня имеется собственное мнение по этому вопросу, но здесь я его выскажу лишь в той мере, в какой оно связано с моими взглядами на культуру, излагаемыми в заключительной главе. Если действительно окажется, что гены не имеют никакого отношения к детерминированию поведения современного человека, если мы в самом деле отличаемся в этом отношении от всех остальных животных, тем не менее остается по крайней мере интересным исследовать правило, исключением из которого мы стали так недавно. А если вид Homo sapiens не столь исключителен, как нам хотелось бы думать, то тем более важно изучить это правило.

В последнее время наблюдается неприятие расизма и патриотизма и тенденция к тому, чтобы объектом наших братских чувств стало все человечество. Такое гуманистическое расширение нашего альтруизма приводит к интересному следствию, которое опять-таки, по-видимому, подкрепляет эволюционную идею «во благо вида». Люди, придерживающиеся либеральных политических взглядов, которые обычно бывают самыми убежденными пропагандистами «видовой этики», теперь нередко выражают величайшее презрение к тем, кто пошел в своем альтруизме чуть дальше, распространив его и на другие виды. Если я скажу, что меня больше интересует защита от истребления крупных китов, чем улучшение жилищных условий людей, я рискую шокировать этим некоторых своих друзей. Убеждение, что представители твоего собственного вида заслуживают особо бережного отношения по сравнению с членами других видов, издавна глубоко укоренилось в человеке. Убить человека в мирное время считается очень серьезным преступлением. Единственное действие, на которое наша культура налагает более суровый запрет, это людоедство (даже в случае поедания трупов). Однако мы с удовольствием поедаем представителей других видов. Многие из нас содрогаются от ужаса, узнав о вынесенных судом смертных приговорах, даже если это касается самых отвратительных преступников; однако мы охотно одобряем уничтожение безо всякого суда довольно мирных животных, причиняющих нам неудобства. Более того, мы убиваем представителей других видов просто для развлечения и времяпрепровождения. Человеческий зародыш, чувства которого находятся на уровне амебы, пользуется значительно большим уважением и правовой защитой, чем взрослый шимпанзе. Между тем шимпанзе чувствует и думает, а возможно — согласно новейшим экспериментальным данным, — способен даже освоить какую-то форму человеческого языка. Но человеческий зародыш относится к нашему собственному виду и на этом основании сразу получает особые привилегии и права.

В какой-то момент (истории) случайно образовалась особенно замечательная молекула. Мы назовем ее Репликатором. Это не обязательно была самая большая или самая сложная из всех существовавших тогда молекул, но она обладала необыкновенным свойством — способностью создавать копии самой себя. Может показаться, что такое событие вряд ли могло произойти. И в самом деле, оно было крайне маловероятным. В масштабах времени, отпущенного каждому человеку, события, вероятность которых так мала, следует считать практически невозможными. Именно поэтому вам никогда не удастся получить большой выигрыш в футбольной лотерее. Но мы, люди, в своих оценках вероятного и невероятного не привыкли оперировать сотнями миллионов лет. Если бы вы заполняли карточки спортлото еженедельно на протяжении ста миллионов лет, вы, по всей вероятности, сорвали бы несколько больших кушей.

На самом деле вообразить молекулу, которая создает собственные копии, вовсе не так трудно, как это кажется сначала, да и возникнуть она должна всего один раз. Представьте себе репликатор как форму для отливки или матрицу; как большую молекулу, состоящую из сложной цепи разного рода более мелких молекул, играющих роль строительных блоков. Эти блоки в изобилии содержались в бульоне, окружавшем репликатор. Допустим теперь, что каждый строительный блок обладал сродством к другим блокам одного с ним рода. В таком случае всякий раз, когда какой-нибудь строительный блок, находившийся в бульоне, оказывался подле той части репликатора, к которому у него было сродство, он там и оставался. Прикрепляющиеся таким образом строительные блоки автоматически располагались в той же последовательности, что и блоки репликатора. Поэтому легко представить себе, что они соединялись друг с другом, образуя стабильную цепь, подобно тому, как это происходило при образовании самого репликатора. Этот процесс может продолжаться в форме постепенного наложения одного слоя на другой. Именно так образуются кристаллы. Но две цепи могут также и разойтись, и в таком случае получатся два репликатора, каждый из которых будет продолжать создавать дальнейшие копии.

Следующее важное звено в наших рассуждениях, на которое делал упор сам Дарвин (хотя он имел в виду растения и животных), это конкуренция. Первичный бульон не мог обеспечить существование бесконечного числа молекул-репликаторов. Не говоря уже о конечных размерах Земли, важную роль должны были играть другие лимитирующие факторы. Описывая репликатор как матрицу или форму для отливки, мы предполагали, что он был погружен в бульон, богатый мелкими строительными блоками, т. е. молекулами, необходимыми для создания копий. Но с возрастанием численности репликаторов эти блоки стали использоваться с такой скоростью, что очень быстро оказались дефицитным и дорогостоящим ресурсом. Репликаторы разных типов или штаммов конкурировали за них.

Для простоты я представляю дело так, будто нынешние гены в общем почти то же самое, что и первые репликаторы, возникшие в первобытном бульоне. На самом деле это может оказаться неверным, хотя в данном случае оно неважно. Исходными репликаторами могли быть молекулы, родственные ДНК, или же молекулы совершенно иного типа. Во втором случае мы могли бы допустить, что на какой-то более поздней стадии ДНК захватила их машины выживания. Если это так, то исходные репликаторы, очевидно, были полностью уничтожены. поскольку в современных машинах выживания никаких следов от них не сохранилось. Продолжая развивать это направление, А. Кэрнз-Смит (A. G. Cairns-Smith) высказал занятное предположение, что наши предки — первые репликаторы — были, возможно, не органическими молекулами, а неорганическими кристаллами-минералами, кусочками глины. ДНК, была ли она узурпатором или нет, сегодня, несомненно, находится у власти, если только, как я предположительно заметил в гл. 11, в настоящее время не начинается новый захват власти.

Первое, что нам следует усвоить относительно современного репликатора, — это то, что он очень общителен. Машина выживания содержит не один, а многие тысячи генов. Построение организма — мероприятие кооперативное, причем внутренние связи в нем так сложны и запутанны, что отделить вклад одного гена от вклада другого почти невозможно (1). Данный ген может оказывать самые разнообразные воздействия на совершенно разные части тела. Данная часть тела может находиться под влиянием многих генов, и эффект каждого отдельного гена зависит от его взаимодействия со многими другими генами. Некоторые гены выступают в роли главных генов, контролирующих действие кластера других генов. Вновь воспользовавшись нашей аналогией, можно сказать, что каждый данный лист чертежей имеет отношение ко многим разным частям здания; и каждый лист приобретает смысл лишь при условии перекрестных ссылок на многие другие листы.

Эта сложная взаимозависимость генов может вызвать резонный вопрос: а надо ли вообще пользоваться словом «ген»? Почему не прибегнуть к какому-нибудь собирательному названию вроде «генного комплекса»? Во многих случаях это действительно было бы удачным решением. Но если подойти к проблеме с другой стороны, то представляется также разумным рассматривать генный комплекс как совокупность дискретных репликаторов или генов. Такой подход связан с явлением пола. При половом размножении гены смешиваются и перетасовываются. Это означает, что каждое отдельное тело представляет собой лишь временное транспортное средство для короткоживущей комбинации генов. Данная комбинация генов, т. е. каждый отдельный индивидуум, может быть короткоживущим, но сами гены потенциально являются долгоживущими. В ряду поколений их пути постоянно пересекаются и расходятся. Отдельный ген можно рассматривать как единицу, продолжающую существовать в ряду многочисленных последовательных индивидуальных тел. Это центральное положение, развиваемое в настоящей главе, и именно с ним некоторые из моих самых уважаемых коллег упрямо отказываются соглашаться, так что читатели должны простить мне, если им покажется, что я разрабатываю его слишком тщательно. Прежде всего я должен вкратце изложить основы явления пола.

Если принять за презумптивную генетическую единицу целую хромосому, то ее жизненный цикл продолжается в течение всего лишь одного поколения. Допустим, что это ваша хромосома 8а, полученная вами от отца. Она образовалась в одном из семенников незадолго до того, как вы были зачаты. Она не существовала никогда прежде за всю мировую историю. Она была создана в процессе перемешивания, происходящего при мейозе, постепенно образуясь из объединяющихся друг с другом участков хромосом от ваших бабки и деда с отцовской стороны. Она попала в один сперматозоид, который стал единственным в своем роде. Этот сперматозоид был одним из нескольких миллионов, образующих мощную армаду малюсеньких сосудов, которые все вместе вплыли в организм вашей матери. Этот сперматозоид — один-единственный (если только вы не один из неидентичных близнецов) из всей флотилии, который проник в одну из яйцеклеток вашей матери и дал вам жизнь. Рассматриваемая нами генетическая единица, ваша хромосома 8а, реплицируется вместе со всем остальным вашим генетическим материалом. Теперь она существует в дуплицированном виде во всех клетках вашего тела. Но когда вы в свою очередь соберетесь стать отцом (или матерью), эта хромосома будет разрушена в процессе образования в вашем организме сперматозоидов (или яйцеклеток). Между этой хромосомой и вашей материнской хромосомой 8б произойдет обмен участками. В каждой половой клетке будет создана новая хромосома 8; она может оказаться «лучше» старой или «хуже», но, если исключить возможность довольно маловероятного совпадения, она будет определенно иной, определенно единственной в своем роде. Продолжительность жизни одной хромосомы — одно поколение.

А какова продолжительность жизни более мелкой генетической единицы, составляющей, например, 1/100 длины хромосомы 8а? Эту единицу вы также получили от своего отца, но весьма вероятно, что ее сборка происходила не в его организме. В соответствии с нашими прежними рассуждениями он с вероятностью 99 % получил ее в интактном состоянии от одного из двух своих родителей. Допустим, это была его мать, т. е. ваша бабушка со стороны отца. Опять-таки эта бабушка с вероятностью 99 % получила эту хромосому в интактном виде от одного из своих родителей. В конечном счете, проследив родословную маленькой генетической единицы на достаточном числе поколений, мы дойдем до ее первоначального создателя. На какой-то стадии она, вероятно, была создана впервые в некоем семеннике или яичнике одного из ваших предков.

Под словом «ген» я имею в виду генетическую единицу, которая достаточно мала, чтобы сохраняться на протяжении многих поколений и распространяться вокруг в большом числе копий. Это не жесткое определение типа «все или ничего», но определение несколько расплывчатое, подобное таким определениям, как «большой» или «старый». Чем больше вероятность того, что данный участок хромосомы будет разорван при кроссинговере или изменится в результате разного рода мутаций, тем меньше он заслуживает названия гена в том смысле, который я вкладываю в этот термин. По-видимому, под это определение подпадает цистрон, но это могут быть и крупные единицы. Десяток цистронов может располагаться в хромосоме в такой тесной близости, что для наших целей их можно считать одной долгоживущей генетической единицей. Хорошим примером служит кластер, определяющий мимикрию у бабочек.

Когда цистроны покидают одно тело и входят в следующее, используя сперматозоид или яйцеклетку для путешествия в следующее поколение, они, вероятно, могут обнаружить на своем маленьком кораблике своих ближайших соседей по предыдущему путешествию — старых товарищей, вместе с которыми они совершили долгое путешествие, начавшееся в телах очень далеких предков. Соседние цистроны, лежащие в той же хромосоме, образуют тесно сцепленную группу попутчиков, которым лишь в редких случаях не удается «взойти на борт» того же «судна», когда наступает время мейоза.

Строго говоря, эту книгу следовало бы назвать не «Эгоистичный цистрон» и не «Эгоистичная хромосома», а «Немножко эгоистичный большой кусочек хромосомы и даже еще более эгоистичный маленький кусочек хромосомы». Такое название, мягко говоря, малопривлекательно, а поэтому, определив ген как небольшой кусочек хромосомы, потенциально сохраняющийся на протяжении многих поколений, я выбрал название «Эгоистичный ген».

Индивидуумы не вечны, они преходящи. Хромосомы также уходят в небытие, подобно пачке карт, полученных каждым из игроков и отыгранных вскоре после сдачи. Но с самими картами при тасовке ничего не происходит. Карты — это гены. Гены не разрушаются при кроссинговере, они просто меняют партнеров и продолжают двигаться дальше. Конечно, они движутся дальше. Это их работа. Они — репликаторы, а мы — машины, необходимые им для того, чтобы выжить. После того, как мы выполнили свою задачу, нас выбрасывают.

Но гены — выходцы из геологического времени, они здесь навеки.

Гены, подобно алмазам, вечны, но в несколько ином плане, чем алмазы. Отдельный кристалл алмаза постоянно сохраняет неизменную атомную структуру. Молекула ДНК не обладает таким постоянством. Жизнь каждой отдельной физической молекулы ДНК довольно коротка, составляя, возможно, несколько месяцев, и, безусловно, не больше, чем продолжительность жизни человека.

Но молекула ДНК может теоретически продолжать существование в виде копий самой себя в течение 100 млн. лет. Кроме того, подобно древним репликаторам в первичном бульоне, копии какого-то одного гена могут распространиться по всему миру. Разница лишь в том, что все современные варианты аккуратно упакованы в тела машин выживания.

Ген является хорошим кандидатом на роль основной единицы естественного отбора благодаря своему потенциальному бессмертию.

Теперь настало время остановиться на слове «потенциальное». Ген может прожить миллион лет, но многие новые гены не доживают до конца даже в своем первом поколении. Те немногие гены, которым это удается, выживают отчасти просто потому, что им повезло, но главным образом благодаря имеющимся у них необходимым качествам, а это означает, что они способны создавать машины выживания. Они воздействуют на эмбриональное развитие каждого из последовательного ряда тел, в которых они оказываются, в результате чего шансы этого тела на выживание и размножение становятся чуть выше, чем они могли бы быть при воздействии на него конкурентного гена или аллеля. Например, «хороший» ген может обеспечить свое выживание, наделяя последовательные тела, в которых он оказывается, длинными ногами, дающими им возможность убегать от хищников. Это частный, а не универсальный пример. Длинные ноги ведь не всегда дают преимущество. Кроту они осложняли бы жизнь. Не лучше ли нам, не увязая в деталях, подумать о каких-то универсальных качествах, которые мы ожидаем встретить у всех хороших (т. е. долгоживущих) генов? А также о том, каковы те свойства, по которым можно сразу узнать «плохой» недолговечный ген? Таких универсальных свойств может быть несколько, но одно из них особенно тесно связано с темой этой книги: на генном уровне альтруизм — плохая черта, а эгоизм — хорошая.

Это неумолимо вытекает из наших определений альтруизма и эгоизма. Гены непосредственно конкурируют за выживание со своими аллелями, содержащимися в генофонде, поскольку эти аллели стремятся занять их место в хромосомах последующих поколений.

Любой ген, поведение которого направлено на то, чтобы повысить собственные шансы на сохранение в генофонде за счет своих аллелей, будет, по определению, стремиться выжить (в сущности, это тавтология). Ген представляет собой основную единицу эгоизма.

Один гребец в одиночку не может выиграть соревнования по гребле между Оксфордским и Кембриджским университетами. Ему нужны восемь товарищей. Каждый из них — «специалист» в своей области и всегда занимает в лодке определенное место, выполняя функции рулевого, загребных или носового. Гребля — коллективное мероприятие, причем одни спортсмены часто бывают сильнее других. Допустим, что тренер хочет набрать себе команду из числа кандидатов, среди которых есть рулевые, загребные и носовые.

Предположим, что отбор происходит следующим образом. Каждый день тренер создает три новые пробные команды, произвольно перебрасывая кандидатов на каждое место в лодке из одной команды в другую и устраивая затем соревнования между командами. Спустя несколько недель выясняется, что в выигрывающей команде часто участвуют одни и те же отдельные спортсмены. Их берут на заметку как хороших гребцов. Другие кандидаты чаще всего оказываются в проигрывающих командах и от них в конце концов отказываются. Но даже выдающийся гребец может иногда оказаться в проигравшей команде либо вследствие низкого уровня других ее членов, либо просто по невезению, например из-за встречного ветра. Сильные спортсмены лишь в среднем попадают в состав выигрывающей команды.

Гребцы — это гены. Соперники за каждое место в лодке-аллели, способные занимать одно и то же место в хромосоме. Быстрая гребля соответствует способности построить тело, достигающее успеха, т. е. выживающее. Ветер — это внешняя среда. Масса альтернативных кандидатов — генофонд. В той мере, в какой это касается выживания каждого отдельного тела, все его гены находятся в одной и той же лодке. Многие «хорошие» гены попадают в «плохую» компанию, оказавшись в теле, где имеется летальный ген, убивающий это тело еще в детском возрасте. В таком случае хороший ген гибнет вместе с остальными. Но это только одно тело, а ведь копии нашего хорошего гена живут и в других телах, в которых нет летального гена. Многие гены идут на дно, потому что они оказались в данном теле вместе с плохими генами, многие гибнут из-за неприятных событий другого рода, например, потому, что в тело ударила молния. Однако по определению удача и невезенье распределяются случайным образом, и ген, который постоянно проигрывает, не просто неудачник — это плохой ген.

Ген, вызывающий смерть своих обладателей, называют летальным геном. Существуют также полулетальные гены, ослабляющие индивидуум и повышающие вероятность его смерти от других причин. Каждый ген проявляет свой максимальный эффект на какой-то определенной стадии жизни организма, и летальные и полулетальные гены не составляют в этом смысле исключения.

Большинство генов оказывают свое влияние на плод, некоторые другие — в детстве, третьи — в молодом возрасте, четвертые — в среднем и, наконец, некоторые — в старости. (Обратите внимание, что гусеница и бабочка, в которую она превращается, содержат абсолютно одинаковые наборы генов.) Совершенно очевидно, что летальные гены должны удаляться из генофонда. Но столь же очевидно, что летали, действие которых проявляется в позднем возрасте, в генофонде более стабильны, чем летали, действующие на более ранних стадиях. Ген, оказывающий летальный эффект, находясь в старом теле, может тем не менее сохраняться в генофонде, если этот эффект проявляется после того, как данное тело имело возможность принять хоть какое-то участие в размножении. Например, ген, обусловливающий развитие в старом теле злокачественных новообразований, может быть передан многочисленным потомкам, потому что его носители успевают родить детей до развития болезни. В отличие от этого ген, вызывающий злокачественный рост у молодых индивидуумов, не может быть передан большому числу потомков, а ген, проявляющий аналогичное действие у детей, не будет передан никому вообще. Таким образом, согласно этой теории, старческое угасание — просто побочный продукт накопления в генофонде тех действующих на поздних стадиях летальных и полулетальных генов, которым удалось пройти сквозь сети естественного отбора лишь потому, что их эффект проявляется в позднем возрасте.

…как гены делают «предсказания» о будущем. Один из способов, позволяющих генам решать проблему предсказаний при достаточной непредсказуемости условий среды, состоит в том, чтобы снабдить машину выживания способностью к обучению. Соответствующая программа может носить форму следующих инструкций: «Вот перечень ощущений, определяемых как вознаграждение: сладкий вкус во рту, оргазм, комфортная температура, вид улыбающегося ребенка. И вот перечень неприятных ощущений: разного рода боль, тошнота, чувство голода, плачущий ребенок. Если вы совершили какой-то поступок, за которым последовала одна из этих неприятностей, не делайте этого больше, но зато повторяйте все те действия, за которыми последовали вознаграждения». Преимущество такого рода программирования состоит в том, что оно сильно сокращает число подробных правил, которые пришлось бы включать в первоначальную программу; кроме того, оно позволяет справляться с изменениями среды, которые невозможно предсказать во всех подробностях.

Какое все это имеет отношение к альтруизму и эгоизму? Я пытаюсь сформулировать идею, что поведение животного, будь оно альтруистичным или эгоистичным, находится лишь под косвенным, но тем не менее весьма действенным контролем генов. Диктуя, как должны быть построены машины выживания и их нервные системы, гены, в конечном счете, держат в своих руках верховную власть над поведением. Однако в каждый данный момент решения о том, что следует делать дальше, принимает нервная система. Гены вырабатывают политику, а мозг является исполнителем. Но по мере того, как мозг достигает все более высокого уровня развития, он все в большей степени берет на себя принятие решений, используя при этом такие приемы, как обучение и моделирование. Логическим завершением этого направления, не достигнутым ни одним видом, было бы положение, при котором гены дают машине выживания одну всеобъемлющую инструкцию: делай то, что считаешь самым важным для нашего выживания.

Генофонд — это та среда, в которой ген находится долго. «Хорошие» гены отбираются вслепую как гены, выжившие в данном генофонде. Это не теория, это даже не факт, обнаруженный в результате наблюдения; такое утверждение — попросту тавтология. Интересно другое: что делает ген хорошим? В качестве первого приближения я высказал мысль, что ген попадает в категорию хороших, если он способен создавать эффективные машины выживания — тела. Эту идею следует несколько усовершенствовать. Генофонд становится эволюционно стабильным множеством генов, определяемым как генофонд, если в него не может включиться никакой новый ген. Большая часть новых генов, возникающих в результате мутирования, перестановки или иммиграции, быстро устраняется естественным отбором: восстанавливается эволюционно стабильное множество. Время от времени новому гену удается проникнуть в такое множество: ему удается распространиться в генофонде. Существует некий переходный период нестабильности, завершающийся появлением нового эволюционно стабильного множества, — происходит маленькое эволюционное событие. По аналогии со стратегиями агрессии популяция может иметь более одной альтернативной стабильной точки и может перескакивать с одной из них на другую. Прогрессивная эволюция — это, возможно, не столько упорное карабканье вверх, сколько ряд дискретных шагов от одного стабильного плато к другому. Может показаться, что популяция в целом ведет себя как отдельная саморегулирующаяся единица. Но эта иллюзия возникает в результате того, что отбор происходит на уровне единичного гена. Гены отбираются по своим «заслугам». Но заслуги данного гена оцениваются по его поведению на фоне эволюционно стабильного множества, каковым является нынешний генофонд.

Люди, у которых слишком много детей, оказываются в проигрыше не потому, что вся популяция вымирает, а лишь потому, что число выживающих детей у них ниже. Гены, определяющие рождение большого числа детей, просто не передаются следующему поколению в большом количестве, потому что из детей, несущих эти гены, достигают зрелого возраста только немногие. У современного цивилизованного человека величина семьи уже не ограничена тем конечным количеством ресурсов, которое могут обеспечить родители. Если у супружеской пары оказалось больше детей, чем она может прокормить, то на сцену выступает государство, т. е. остальная часть популяции, и заботится о том, чтобы дети выжили и выросли здоровыми и крепкими. В сущности, нет решительно ничего, что мешало бы супружеской паре, не имеющей никаких материальных средств, производить на свет и растить ровно столько детей, сколько женщина в состоянии родить. Однако всеобщее благосостояние — вещь весьма неестественная. В природе у родительских особей, рождающих больше детенышей, чем они могут выкормить, внуков бывает немного, и их гены не передаются последующим поколениям. В альтруистичном сдерживании рождаемости нет нужды, так как в природе не существует всеобщего благосостояния. Любой ген сверхснисходительности быстро настигает кара: детеныши, несущие этот ген, голодают. Поскольку мы, люди, не хотим возвращаться к прежним эгоистичным обычаям, когда дети в слишком больших семьях были обречены на голодную смерть, мы отменили семью в качестве единицы экономической самодостаточности, заменив ее государством. Однако на гарантированную помощь детям посягать нельзя.

В чем, в конечном счете, главная особенность генов? В том, что они являются репликаторами. Считается, что законы физики справедливы во всех доступных наблюдению точках Вселенной. Существуют ли какие-нибудь биологические законы, которые могли бы носить такой же универсальный характер? Когда астронавты отправятся к отдаленном планетам в поисках жизни, они могут встретиться с существами, настолько странными и неземными, что нам трудно их себе представить. Но есть ли что-нибудь, что свойственно всему живому, где бы оно ни находилось и на чем бы ни основывалась его химия? Если бы оказалось, что существуют такие формы жизни, химия которых основана на кремнии, а не на углероде, или использует аммиак, а не воду, если бы обнаружились формы, которые при температуре минус 100 °C вскипают и гибнут, или формы, базирующиеся вовсе не на химии, а на каких-то очень хитрых электронных схемах, то мог бы тем не менее существовать некий общий закон, которому подчинялось бы все живое?

Разумеется, я этого не знаю, но если бы мне пришлось держать пари, я бы сделал ставку на один фундаментальный закон — закон о том, что все живое эволюционирует в результате дифференциального выживания реплицирующихся единиц. Случилось так, что реплицирующейся единицей, преобладающей на нашей планете, оказался ген — молекула ДНК. Возможно существование и других таких единиц. Если они существуют, то при наличии некоторых иных условий они неизбежно составляют основу некого эволюционного процесса.

В теории эгоистичного гена имеется некая несообразность, лежащая в самой ее основе: это противоречие между геном и индивидуальным телом как основным носителем жизни. С одной стороны, перед нами встает обманчивая картина независимых ДНК-репликаторов, перескакивающих свободно и беспрепятственно из одного поколения в другое и временно оказывающихся вместе в обреченных на выброс машинах выживания; бессмертные спирали избавляются от бесконечной вереницы смертных тел, медленно шествуя каждая к своей собственной вечности. С другой стороны, глядя на сами индивидуальные тела, мы видим, что каждое из них явно представляет собой некую целостную, интегрированную, невероятно сложную машину с ясно выраженным единством цели. Тело не производит впечатления непрочного и преходящего объединения непримиримых генетических факторов, у которых почти нет времени, чтобы хотя бы познакомиться друг с другом, прежде чем загрузиться в сперматозоид или яйцеклетку для создания следующего колена великой генетической диаспоры. У него есть один целеустремленный мозг, который координирует сообщество, состоящее из двигательных элементов и органов чувств, направляя его на достижение единой цели. Это тело выглядит и ведет себя как нечто вполне целостное и самостоятельное.

Мы можем довести эти рассуждения до логического конца и приложить их к нормальным «собственным» генам. Наши собственные гены кооперируются друг с другом не потому, что это действительно наши собственные гены, но потому, что все они вступают в будущее одним и тем же путем — через сперматозоид или яйцеклетку. Если какие-то гены данного организма, например человека, могли бы найти другие способы распространения, которые бы не зависели от этого обычного пути, связанного со сперматозоидами или яйцеклетками, то они освоили бы их и были бы менее склонны к кооперированию. Причина здесь в том, что при этом им оказались бы выгодными другие сочетания будущих факторов, определяемых другими генами тела.

Фундаментальные единицы естественного отбора, те основные объекты, которым удается или не удается выжить, которые образуют последовательные ряды идентичных копий с возникающими время от времени случайными мутациями, называют репликаторами. Молекулы ДНК — это репликаторы. По причинам, о которых будет сказано ниже, они обычно бывают собраны в большие общины — машины выживания, или «носители». Лучше всего нам известны носители, представляющие собой индивидуальные тела, подобные нашему собственному телу. Таким образом, тело — это не репликатор, это носитель. Я вынужден подчеркивать этот момент, так как здесь существует недопонимание. Носители не реплицируются; их функция состоит в размножении своих репликаторов. Репликаторы не совершают поступков, не воспринимают окружающий мир, не ловят добычу и не убегают от хищников; они создают носителей, которые делают все это. Для многих целей биологам удобнее сосредоточить свое внимание на уровне носителя. Однако для других целей им удобно сосредоточить внимание на уровне репликатора. Ген и индивидуальный организм не соперничают за главную роль в дарвиновском спектакле. Им суждено выступать в разных, взаимно дополняющих и во многом одинаково важных ролях — в роли репликатора и в роли носителя.

Некоторые критики ошибочно считают, что «Эгоистичный ген» проповедует эгоизм как нравственный принцип, которого мы должны придерживаться в жизни! Другие (возможно, потому, что они прочитали только заглавие книги или не пошли дальше первых двух страниц) полагают, что по моему мнению эгоизм и другие скверные черты характера составляют неотъемлемую часть человеческой природы, нравится нам это или нет. В эту ошибку легко впасть, если вы считаете, как, по-видимому, полагают непостижимым образом многие другие люди, что генетическая «детерминированность» дана нам навсегда, что она абсолютна и необратима. На самом же деле гены «детерминируют» поведение лишь в статистическом смысле… Хорошей аналогией этому служит широко распространенное мнение, что красный закат обещает ясную погоду на следующий день. Возможно, что по статистике красный закат действительно предвещает великолепную погоду назавтра, но никто не станет заключать об этом пари на крупную сумму. Мы прекрасно знаем, что на погоду действует множество факторов и притом очень сложными путями. Любое предсказание погоды подвержено ошибкам. Это всего лишь предсказание, опирающееся на статистику. Мы не считаем, что красные закаты бесспорно определяют хорошую погоду назавтра, и точно так же мы не должны считать гены окончательными детерминантами чего бы то ни было. Нет никаких причин, чтобы влияние генов нельзя было повернуть в противоположную сторону с помощью других воздействий.

ПИСЬМО Г. Г. МЮЛЛЕРА И. СТАЛИНУ

Товарищу Иосифу СТАЛИНУ,

Секретарю Коммунистической партии СССР,

Кремль, Москва.

3 декабря 1997 г.

ВСЕОБЩАЯ ДЕКЛАРАЦИЯ О ГЕНОМЕ ЧЕЛОВЕКА И ПРАВАХ ЧЕЛОВЕКА

Генеральная конференция,

напоминая, что в преамбуле Устава ЮНЕСКО провозглашаются «демократические принципы уважения достоинства человеческой личности, равноправия и взаимного уважения людей», а также отказ от любой «доктрины неравенства людей и рас»; что в ней подчеркивается, что «для поддержания человеческого достоинства необходимо широкое распространение культуры и образования среди всех людей на основе справедливости, свободы и мира; поэтому на все народы возлагается в этом отношении священная обязанность, которую следует выполнять в духе взаимного сотрудничества»; что в ней провозглашается, что этот мир «должен базироваться на интеллектуальной и нравственной солидарности человечества», и указывается, что Организация стремится достичь «путем сотрудничества народов всего мира в области образования, науки и культуры международного мира и всеобщего благосостояния человечества, для чего и была учреждена Организация Объединенных Наций, как провозглашает ее Устав»,

торжественно напоминая о своей приверженности всеобщим принципам прав человека, которые провозглашаются, в частности, во Всеобщей декларации прав человека, принятой 10 декабря 1948 г., и в двух международных пактах Организации Объединенных Наций об экономических, социальных и культурных правах и о гражданских и политических правах, принятых 16 декабря 1966 г., в Конвенции о предупреждении преступления геноцида и наказании за него, принятой 9 декабря 1948 г., в Международной конвенции Организации Объединенных Наций о ликвидации всех форм расовой дискриминации, принятой 21 декабря 1965 г., в Декларации Организации Объединенных Наций о правах умственно отсталых лиц, принятой 20 декабря 1971 г., в Декларации Организации Объединенных Наций о правах инвалидов, принятой 9 декабря 1975 г., в Конвенции Организации Объединенных Наций о ликвидации всех форм дискриминации в отношении женщин, принятой 18 декабря 1979 г., в Декларации Организации Объединенных Наций об основных принципах правосудия в отношении жертв преступности и жертв злоупотреблений со стороны властей, принятой 29 ноября 1985 г., в Конвенции Организации Объединенных Наций о правах ребенка, принятой 20 ноября 1989 г., в Правилах Организации Объединенных Наций в отношении обеспечения равенства возможностей для инвалидов, принятых 20 декабря 1993 г., в Конвенции о запрещении разработки, производства и накопления запасов бактериологического (биологического) и токсинного оружия и об их уничтожении, принятой 16 декабря 1971 г., в Конвенции ЮНЕСКО о борьбе с дискриминацией в области образования, принятой 14 декабря 1960 г., в Декларации принципов международного культурного сотрудничества ЮНЕСКО, принятой 4 ноября 1966 г., в Рекомендации ЮНЕСКО о статусе научно-исследовательских работников, принятой 20 ноября 1974 г., в Декларации ЮНЕСКО о расе и расовых предрассудках, принятой 27 ноября 1978 г., в Конвенции МОТ (№ 111) о дискриминации в области труда и занятий, принятой 25 июня 1958 г., и в Конвенции МОТ (№ 169) о коренных и племенных народах в независимых странах, принятой 27 июня 1989 г.,

принимая во внимание, без ущерба для их положений, международные акты, которые могут быть связаны с прикладным использованием генетики в области интеллектуальной собственности, в частности Бернскую конвенцию об охране литературных и художественных произведений, принятую 9 сентября 1886 г., и Всемирную конвенцию ЮНЕСКО об авторском праве, принятую 6 сентября 1952 г., впоследствии пересмотренные в Париже 24 июля 1971 г., Парижскую конвенцию об охране промышленной собственности, принятую 20 марта 1883 г. и впоследствии пересмотренную в Стокгольме 14 июля 1967 г., Будапештский договор ВОИС о международном признании депонирования микроорганизмов в целях процедуры выдачи патентов, заключенный 28 апреля 1977 г., и Соглашение об аспектах прав интеллектуальной собственности, которые касаются торговли (АДПИК), содержащееся в приложении к Соглашению о создании Всемирной торговой организации, которое вступило в силу 1 января 1995 г.,

принимая также во внимание Конвенцию Организации Объединенных Наций о биологическом разнообразии, принятую 5 июня 1992 г., и подчеркивая в этой связи, что признание генетического разнообразия человечества не должно давать повод для какого-либо толкования социального или политического характера, которое могло бы поставить под сомнение «признание достоинства, присущего всем членам человеческой семьи, и равных и неотъемлемых прав их», провозглашаемых в преамбуле Всеобщей декларации прав человека,

напоминая о резолюциях 22 С/13.1, 23 С/13.1, 24 С/13.1, 25 С/5.2 и 7.3, 27 С/5.15 и 28 С/0.12, 2.1 и 2.2, которые возлагают на ЮНЕСКО обязанность поощрять и развивать анализ этических проблем и принимать соответствующие меры в связи с последствиями научно-технического прогресса в областях биологии и генетики в рамках соблюдения прав человека и основных свобод,

признавая, что научные исследования по геному человека и практическое применение их результатов открывают безграничные перспективы для улучшения здоровья отдельных людей и всего человечества, подчеркивая вместе с тем, что такие исследования должны основываться на всестороннем уважении достоинства, свобод и прав человека, а также на запрещении любой формы дискриминации по признаку генетических характеристик,

провозглашает следующие принципы и принимает настоящую Декларацию.

А. ЧЕЛОВЕЧЕСКОЕ ДОСТОИНСТВО И ГЕНОМ ЧЕЛОВЕКА

Статья 1

Геном человека лежит в основе изначальной общности всех представителей человеческого рода, а также признания их неотъемлемого достоинства и разнообразия. Геном человека знаменует собой достояние человечества.

Статья 2

a) Каждый человек имеет право на уважение его достоинства и его прав, вне зависимости от его генетических характеристик.

b) Такое достоинство непреложно означает, что личность человека не может сводиться к его генетическим характеристикам, и требует уважения его уникальности и неповторимости.

Статья 3

Геном человека в силу его эволюционного характера подвержен мутациям. Он содержит в себе возможности, которые проявляются различным образом в зависимости от природной и социальной среды каждого человека, в частности, состояния здоровья, условий жизни, питания и образования.

Статья 4

Геном человека в его естественном состоянии не должен служить источником извлечения доходов.

B. ПРАВА СООТВЕТСТВУЮЩИХ ЛИЦ

Статья 5

a) Исследования, лечение или диагностика, связанные с геномом какого-либо человека, могут проводиться лишь после тщательной предварительной оценки связанных с ними потенциальных опасностей и преимуществ и с учетом всех других предписаний, установленных национальным законодательством.

b) Во всех случаях следует заручаться предварительным, свободным и ясно выраженным согласием заинтересованного лица. Если оно не в состоянии его выразить, то согласие или разрешение должны быть получены в соответствии с законом, исходя из высших интересов этого лица.

c) Должно соблюдаться право каждого человека решать, быть или не быть информированным о результатах генетического анализа и его последствиях.

d) В случае исследований их документальные результаты следует представлять на предварительную оценку согласно соответствующим национальным и международным нормам или руководящим принципам.

e) Если какое-либо лицо не в состоянии выразить в соответствии с законом своего согласия, исследования, касающиеся его генома, могут быть проведены лишь при условии, что они непосредственным образом скажутся на улучшении его здоровья и что будут получены разрешения и соблюдены меры защиты, предусматриваемые законом. Исследования, не позволяющие ожидать какого-либо непосредственного улучшения здоровья, могут проводиться лишь в порядке исключения, с максимальной осторожностью, таким образом, чтобы заинтересованное лицо подвергалось лишь минимальному риску и испытывало минимальную нагрузку, при условии, что эти исследования проводятся в интересах здоровья других лиц, принадлежащих к той же возрастной группе или обладающих такими же генетическими признаками, с соблюдением требований, предусматриваемых законом, а также с обеспечением совместимости этих исследований с защитой прав данного лица.

Статья 6

По признаку генетических характеристик никто не может подвергаться дискриминации, цели или результаты которой представляют собой посягательство на права человека, основные свободы и человеческое достоинство.

Статья 7

Конфиденциальность генетических данных, которые касаются человека, чья личность может быть установлена, и которые хранятся или подвергаются обработке в научных или любых других целях, должна охраняться в соответствии с законом.

Статья 8

Каждый человек в соответствии с международным правом и национальным законодательством имеет право на справедливую компенсацию того или иного ущерба, причиненного в результате непосредственного и детерминирующего воздействия на его геном.

Статья 9

В целях защиты прав человека и основных свобод ограничения, касающиеся принципов согласия и конфиденциальности, могут вводиться лишь в соответствии с законом по крайне серьезным причинам и в рамках международного публичного права и международного права в области прав человека.

С. ИССЛЕДОВАНИЯ, КАСАЮЩИЕСЯ ГЕНОМА ЧЕЛОВЕКА

Статья 10

Никакие исследования, касающиеся генома человека, равно как и никакие прикладные исследования в этой области, особенно в сферах биологии, генетики и медицины, не должны превалировать над уважением прав человека, основных свобод и человеческого достоинства отдельных людей или, в соответствующих случаях, групп людей.

Статья 11

Не допускается практика, противоречащая человеческому достоинству, такая, как практика клонирования в целях воспроизводства человеческой особи. Государствам и компетентным международным организациям предлагается сотрудничать с целью выявления такой практики и принятия на национальном и международном уровнях необходимых мер в соответствии с принципами, изложенными в настоящей Декларации.

Статья 12

a) Следует обеспечивать всеобщий доступ к достижениям науки в области биологии, генетики и медицины, касающимся генома человека, при должном уважении достоинства и прав каждого человека.

b) Свобода проведения научных исследований, которая необходима для развития знаний, является составной частью свободы мысли. Цель прикладного использования результатов научных исследований, касающихся генома человека, особенно в области биологии, генетики и медицины, заключается в уменьшении страданий людей и в улучшении состояния здоровья каждого человека и всего человечества.

D. УСЛОВИЯ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ НАУЧНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ

Статья 13

Ответственность, являющаяся неотъемлемой частью деятельности научных работников — в том числе требовательность, осторожность, интеллектуальная честность и непредвзятость — как при проведении научных исследований, так и при представлении и использовании их результатов, должна быть предметом особого внимания, когда речь идет об исследованиях, касающихся генома человека, с учетом их этических и социальных последствий. Лица, принимающие в государственном и частном секторах политические решения в области науки, также несут особую ответственность в этом отношении.

Статья 14

Государствам следует принимать соответствующие меры, способствующие созданию интеллектуальных и материальных условий, благоприятствующих свободе проведения научных исследований, касающихся генома человека, и учитывать при этом этические, правовые, социальные и экономические последствия таких исследований в свете принципов, изложенных в настоящей Декларации.

Статья 15

Государствам следует принимать соответствующие меры, обеспечивающие рамки для беспрепятственного осуществления научных исследований, касающихся генома человека, с должным учетом изложенных в настоящей Декларации принципов, чтобы гарантировать соблюдение прав человека и основных свобод и уважение человеческого достоинства, а также охрану здоровья людей. Такие меры должны быть направлены на то, чтобы результаты этих исследований использовались только в мирных целях.

Статья 16

Государствам следует признать важное значение содействия на различных соответствующих уровнях созданию независимых, многодисциплинарных и плюралистических комитетов по этике для оценки этических, правовых и социальных вопросов, которые возникают в связи с проведением научных исследований, касающихся генома человека, и использованием результатов таких исследований.

Е. СОЛИДАРНОСТЬ И МЕЖДУНАРОДНОЕ СОТРУДНИЧЕСТВО

Статья 17

Государствам следует практиковать и развивать солидарность с отдельными людьми, семьями и группами населения, которые особенно уязвимы в отношении заболеваний или недостатков генетического характера либо страдают ими. Государствам следует, в частности, содействовать проведению научных исследований, направленных на выявление, предотвращение и лечение генетических заболеваний или заболеваний, вызванных воздействием генетических факторов, в особенности редких заболеваний, а также заболеваний эндемического характера, от которых страдает значительная часть населения мира.

Статья 18

Государствам следует, должным и надлежащим образом учитывая изложенные в настоящей Декларации принципы, прилагать все усилия к дальнейшему распространению в международном масштабе научных знаний о геноме человека, разнообразии человеческого рода и генетических исследованиях, а также укреплять международное научное и культурное сотрудничество в этой области, в особенности между промышленно развитыми и развивающимися странами.

Статья 19

a) В рамках международного сотрудничества с развивающимися странами государствам следует поощрять меры, которые позволяют:

i) осуществлять оценку опасностей и преимуществ, связанных с проведением научных исследований, касающихся генома человека, и предотвращать злоупотребления;

ii) расширять и укреплять потенциал развивающихся стран в области проведения научных исследований по биологии и генетике человека с учетом конкретных проблем этих стран;

iii) развивающимся странам пользоваться достижениями научного и технического прогресса, дабы применение таких достижений в интересах их экономического и социального прогресса осуществлялось ради всеобщего блага;

iv) поощрять свободный обмен научными знаниями и информацией в областях биологии, генетики и медицины.

b) Соответствующим международным организациям следует оказывать поддержку и содействие инициативам, предпринимаемым государствами в вышеозначенных целях.

F. СОДЕЙСТВИЕ ИЗЛОЖЕННЫМ В ДЕКЛАРАЦИИ ПРИНЦИПАМ

Статья 20

Государствам следует принимать соответствующие меры с целью содействия изложенным в настоящей Декларации принципам на основе образования и использования соответствующих средств, в том числе на основе осуществления научных исследований и подготовки в многодисциплинарных областях, а также на основе оказания содействия образованию в области биоэтики на всех уровнях, в особенности предназначенному для лиц, ответственных за разработку политики в области науки.

Статья 21

Государствам следует принимать соответствующие меры, направленные на развитие других форм научных исследований, подготовки кадров и распространения информации, содействующих углублению осознания обществом и всеми его членами своей ответственности перед лицом основополагающих проблем, связанных с необходимостью защитить достоинство человека, которые могут возникать в свете проведения научных исследований в биологии, генетике и медицине, а также прикладного использования их результатов. Им так же следует содействовать открытому обсуждению в международном масштабе этой тематики, обеспечивая свободное выражение различных мнений социально-культурного, религиозного или философского характера.

G. ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ДЕКЛАРАЦИИ

Статья 22

Государствам следует активно содействовать изложенным в настоящей Декларации принципам, а также способствовать их осуществлению всеми возможными средствами.

Статья 23

Государствам следует принимать соответствующие меры для содействия посредством образования, подготовки и распространения информации соблюдению вышеизложенных принципов и способствовать их признанию и действенному применению. Государствам следует также способствовать обменам между независимыми комитетами по этике и их объединению в сети по мере их создания для развития всестороннего сотрудничества между ними.

Статья 24

Международному комитету ЮНЕСКО по биоэтике следует способствовать распространению принципов, изложенных в настоящей Декларации, и дальнейшему изучению вопросов, возникающих в связи с их претворением в жизнь и развитием соответствующих технологий. Ему следует организовывать необходимые консультации с заинтересованными сторонами, такими, как уязвимые группы населения. Комитету, в соответствии с уставными процедурами ЮНЕСКО, следует готовить рекомендации для Генеральной конференции и высказывать мнение о ходе претворения в жизнь положений Декларации, особенно в том, что касается практики, которая может оказаться несовместимой с человеческим достоинством, например, случаев воздействия на потомство.

Статья 25

Никакие положения настоящей Декларации не могут быть истолкованы таким образом, чтобы служить какому-либо государству, группе людей или отдельному человеку в качестве предлога для осуществления ими каких-либо действий или любых акций, несовместимых с правами человека и основными свободами, включая принципы, изложенные в настоящей Декларации.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ВСЕОБЩЕЙ ДЕКЛАРАЦИИ О ГЕНОМЕ ЧЕЛОВЕКА И ПРАВАХ ЧЕЛОВЕКА

Генеральная конференция,

принимая во внимание Всеобщую декларацию о геноме человека и правах человека, принятую сегодня, 11 ноября 1997 г.,

отмечая, что соображения, высказанные государствами — членами при принятии Всеобщей декларации, актуальны для претворения в жизнь ее положений,

1. настоятельно призывает государства-члены:

a) руководствуясь положениями Всеобщей декларации о геноме человека и правах человека, принять необходимые меры, в том числе, в случае необходимости, законодательного или регламентирующего характера, направленные на содействие принципам, изложенным в Декларации, и их осуществление;

b) регулярно представлять Генеральному директору сведения о всех мерах, принимаемых ими в целях осуществления принципов, изложенных в Декларации;

2. предлагает Генеральному директору:

a) созвать как можно скорее после 29-й сессии Генеральной конференции сбалансированную с точки зрения географической представленности специальную рабочую группу в составе представителей государств-членов с целью подготовки для него рекомендаций в отношении организации Международного комитета по биоэтике, задач последнего в связи со Всеобщей декларацией, а также условий, в частности масштаба консультаций, в рамках которых Комитет будет обеспечивать претворение в жизнь положений указанной Декларации, и представить доклад по этому вопросу Исполнительному совету на его 154-й сессии;

b) принять необходимые меры, с тем, чтобы Международный комитет по биоэтике обеспечил распространение Декларации, а также претворение в жизнь ее положений и содействовал провозглашенным в ней принципам;

c) подготовить для Генеральной конференции комплексный доклад о положении в мире в областях, относящихся к сфере действия Декларации, используя при этом информацию, представленную государствами-членами, а также другую со всей очевидностью достоверную информацию, полученную так, как он сочтет нужным;

d) учесть при подготовке своего комплексного доклада работу, проделанную организациями и учреждениями системы Организации Объединенных Наций, другими межправительственными организациями, а также компетентными международными неправительственными организациями;

e) представить Генеральной конференции свой комплексный доклад, а также все замечания и рекомендации общего характера, которые он сочтет необходимыми для содействия осуществлению Декларации.