Самая главная молекула. От структуры ДНК к биомедицине XXI века - Максим Франк-Каменецкий

Другое дело прокариоты. Они находятся под давление отбора, препятствующего разрастанию генома, так как репликация замусоренного генома требует дополнительного времени и дополнительных ресурсов. А скорость размножения и умение выживать при дефиците ресурсов – это важнейшие факторы в жесточайшей конкурентной борьбе, которую ведет каждый бактериальный штамм за выживание. Поэтому у бактерий геномы гораздо более экономные, в них практически нет мусора.

В отношении мусорной ДНК, очевидно, не существует никакого давления отбора, которое бы препятствовало быстрому накоплению мутаций. Поэтому некоторые участки мусорной ДНК являются гипервариабельными: они меняются из поколения в поколение. Вот они-то и используются в криминалистике. Когда Алек Джеффрис (универистет Лестера, Англия) впервые предложил метод идентификации личности по ДНК (известный также как ДНК – дактилоскопия) в середине 1980-х годов, сразу же после изобретения метода ПЦР, гипервариабельный участок генома подвергался действию рестриктаз, и полученные фрагменты разделялись в гель-электрофорезе. Получалась система полосок, которая была разной для разных людей. Если положение полосок ДНК подозреваемого и образца ДНК, взятого на месте преступления, совпадало, то подозреваемый переходил в категорию преступника и шел в тюрьму или даже получал смертный приговор, если дело происходило в стране или штате, где есть такое наказание.

В наше время сторона обвинения может представить в суде полную последовательность гипервариабельного участка ДНК подозреваемого и ДНК с места преступления и продемонстрировать их полное совпадение. При таком способе доказательства единственным аргументом защиты остается утверждение, что полицейские нарочно подмешали ДНК подозреваемого к ДНК, взятой с места преступления. Иначе говоря, преступником является не подозреваемый, а полицейские. В таком случае, конечно, любая наука бессильна, даже наука о ДНК.

Подобным образом, изучая вариабельные участки мусорной ДНК, устанавливают близкое родство. А можно ли по ДНК установить, наоборот, очень дальнее родство, принадлежность двух организмов к одному и тому же виду? Такая технология тоже была разработана. Тут мусорная ДНК только мешает, даже кодирующие белки области эволюционируют слишком быстро в этом масштабе времени, чтобы их можно было использовать. Вообще, геномная ДНК оказалась бесполезной для этой цели. Как же быть? На помощь пришла совершенно особая ДНК, которая находится не в ядре, а в цитоплазме клетки и о которой уже говорилось в главе 5, – митохондриальная ДНК (мтДНК). Она очень короткая, содержит всего 15 тысяч пар оснований. Конечно, в такой короткой ДНК вообще нет мусора, и она очень медленно меняется в ходе эволюции. После упорных поисков исследователи остановились на определенном участке из 600 нуклеотидов мтДНК в составе гена, кодирующего оксидазу цитохрома Ц. Они определили последовательности этого участка у множества самых разных животных. Им удалось показать, что последовательность нуклеотидов в этом участке одинакова внутри вида, но отличается для представителей разных видов. Ученые составили базу данных, в которой практически каждому виду животных сопоставлена последовательность этого участка. В результате они основали в Канаде компанию, которая по заказу определяет вид животного. Метод получил название «ДНК-штрихкодирование».

Вскоре после создания компании произошла забавная история. Две школьницы в Нью-Йорке посетили несколько суши-баров и рыбных магазинов и собрали образцы сырой рабы с указанием того, за какой сорт рыбы эти образцы выдавались. Они отослали все образцы в канадскую компанию и сравнили результат ДНК-штрихкодирования с тем, за что платили деньги. Результат оказался шокирующим: только в двух из четырех суши-баров и в четырех из десяти магазинов с ними поступили честно. Все остальные бары и магазины жулили, подменяя более дорогую рыбу более дешевой, но похожей по виду рыбьего мяса. Разразился скандал, получивший название «Сушигейт». Вскоре аналогичная история случилась в Бостоне, где сходное расследование провела местная газета. Эти события произошли в 2008 году. С тех пор суши-бары и рыбные магазины, по крайней мере в Нью-Йорке и Бостоне, регулярно инспектируются на предмет тестирования ДНК подаваемой там сырой рыбы.

После того, как уже совсем недавно был разработан метод ДНК-штрихкодирования растений, подобный скандал разразился с пищевыми добавками. Оказалось, что состав практически всех продаваемых в США добавок не имеет ничего общего с указанным на этикетке. Вместо экзотических трав из Тибета или откуда-то еще они содержат примерно одни и те же тривиальные пищевые компоненты.

Конечно, было бы здорово, если бы все мы могли проводить подобное тестирование, посетив любой ресторан, и не только японский. Всегда ли мы уверены, что едим жаркое из баранины, а не из собаки или кошки? К сожалению, проверить это невозможно, по крайней мере с использованием ДНК. При тепловой обработке ДНК очень быстро деградирует: ее цепи рвутся, и определение последовательности становится невозможным. Так что в отношении приготовленной пищи нам и дальше придется мириться с проклятой неизвестностью. Я, по крайней мере после «Сушигейта», никогда не уверен, что ем в ресторане, особенно в отношении приготовленной рыбы.

Деградация ДНК – очень существенное препятствие на пути осуществления всяческих проектов по воссозданию исчезнувших видов. Все смотрели знаменитый фильм Стивена Спилберга «Парк Юрского периода». Интересно, что изначально он создавался вроде бы на вполне научной основе. Это была сенсация. В начале 1990-х годов, вскоре после изобретения метода ПЦР, в самом престижном научном журнале Nature появились сообщения об определении последовательности ДНК из комаров, сохранившихся со времен Юрского периода (который был 200 миллионов лет назад) в янтаре! Дальше идея состояла в том, что такой комар мог напиться крови своего современника-динозавра и тем самым ДНК динозавра могла сохраниться до наших дней. Действительно, исследователи утверждали, что они нашли последовательности ДНК, принадлежавшие динозавру. Таким образом можно было бы восстановить геном динозавра, синтезировать его ДНК, ввести ее в оплодотворенную яйцеклетку какой-нибудь рептилии, из которой бы вырос настоящий динозавр. Как-то так, вкратце.

Загвоздка только в том, что очень скоро выяснилось, что опубликованные в Nature статьи были ошибочными. Никакая это была не ДНК динозавра. То, что они секвенировали, оказалось собственной ДНК исследователей, которая попала в качестве загрязнения в образцы из янтаря. Постепенно стало ясно, что никакой ДНК из древнего янтаря вообще извлечь невозможно: за такое время, да при таких температурах ДНК полностью деградирует, без остатка. Теперь считается, что в тепле ДНК вообще не может сохраняться в течение миллионов лет. Во льду ДНК может сохраняться очень долго, может быть, и миллионы лет. В отношении динозавров беда состоит в том, что со времени их исчезновения Земля прошла периоды очень сильного потепления наряду с периодами оледенения. Не представляется разумным считать, что где-то остались образцы ДНК динозавров, которые все эти сотни миллионов лет непрерывно находились во льду.

Так что сценарий «Парка Юрского периода» из более или менее научной фантастики быстро перешел в разряд фантастики ненаучной. Впрочем, есть проект, куда менее амбициозный, но зато не совсем нереальный. Речь идет о воссоздании мамонта. В нашем распоряжении имеются туши мамонтов, сохранившиеся в вечной мерзлоте со времен последнего ледникового периода, и это позволило секвенировать геномы нескольких мамонтов. Дальнейшая перспектива введения этой ДНК в оплодотворенную яйцеклетку слонихи представляется значительно более туманной, хотя отдельные гены мамонта уже удалось вставить в геном слонихи. Наверное, в конечном счете задачу воссоздания мамонта можно решить, но это потребует такой уймы денег и таких многолетних усилий, что конечный результат – появление живого мамонта – вряд ли того стоит.

РНК-интерференция

Как же добиться того, чтобы «немусорная» часть генома тоже не пропадала без дела, а работала на медицину и вообще позволила бы разобраться во всех сложностях работы организма? В этом отношении ситуация в начале 2000-х годов оказалась очень похожей на кризис начала 1970-х, описанный в главе 4. Тогда все уперлось в необходимость аккуратно разрезать ДНК на куски. Произошедший тогда прорыв (открытие рестриктаз) привел в конечном счете к расшифровке генома. Теперь, имея в руках геном, исследователи вновь почувствовали себя беспомощными. Как разобраться во всей этой мешанине из многих тысяч генов? Как узнать, какие гены отвечают за те или иные функции, за те или иные болезни? Неужели опять, как в догеномную эру, вся надежда на выявление мутантов с последующей тяжелейшей работой по анализу мутаций? Зачем же тогда геном? За что боролись?! Но даже если мы точно знаем, какое изменение на уровне ДНК приводит к болезни, лечить-то как? Неужто по старинке, методом тыка, испытывая миллионы разных химических соединений – авось какое-то и подействует? Было от чего впасть в уныние.