Человек редактированный, или Биомедицина будущего - Киселев Сергей Владимирович

Но вирусные кусочки текста могут оказаться и в тех десяти процентах генома, которые сами не являются генами (то есть не кодируют никаких белков), а управляют их работой — осуществляют тонкую настройку, определяя, в какой момент синтез какого белкового «кирпичика» необходим для строительства клетки. Попадание вируса в эту часть генома может привести к совершенно разным последствиям — как положительным, так и отрицательным или, до поры до времени, ни к каким. Тогда вирусный фрагмент может оказаться некой бомбой замедленного действия, которая сработает в определенных условиях.

Что это за условия? Самые разные. Например, существуют патологии, которые проявляются с возрастом. В молодости повышенная или пониженная работа гена, вызванная случайным вирусным фрагментом в области регулирования его работы, не будет заметно сказываться, потому что происходит активный метаболизм, ненужные белки быстро утилизируются или разрушаются и выводятся из организма, а недостаток одного из белков компенсируется каким-то другим. Однако с годами клеточный мусор будет накапливаться, скорость синтеза белков падает, и это может привести к развитию определенной патологии.

Спокойно! Вы модифицированы!

Сегодня мы знаем достаточно много вирусов, которые живут во всех нас. Это и вирус герпеса, и еще целый вирусов на основе ДНК, которыми наши клетки могут быть инфицированы. Вирус герпеса известен всем чаще всего он проявляется язвочкой, которая вскакивает у больного на губах или в носу. «Ой, заразился», — думает бедняга. Но на самом деле этот человек также стал генетически модифицированным из-за вируса герпеса, который поселился в его организме теперь навсегда.

К счастью, потомству этот вирус не передается. Он имеет определенную локализацию; попал, например, в геном клеток слизистой вокруг рта и спокойно живет там в латентном состоянии, пока у человека не ослабнет иммунитет — в этом случае вирус немедленно начинает размножаться и проявляется в виде язвочки на губах.

Но что происходит с вирусом, который сначала заразил один организм, а потом попал от него к другому? Несет ли он на себе какой-то отпечаток своего пребывания в организме первого? Да, за счет неточного вырезания из генома вирус может прихватить фрагмент генома хозяина...

Можно сказать, что такой вирус приобретает нечто человечье, но и человек приобретает нечто вирусное. Отсюда с абсолютной точностью следует очевидный вывод:

Мы все немножко генетически модифицированы!

Обмен фрагментами генома происходит не только между человеком и вирусами, но и внутри человека между его клетками регулярно происходит обмен генетической информацией. Эти события происходят в результате описанной Джошуа Ледербергом генетической рекомбинации. Суть в том, что один генетический фрагмент обменивается кусками генетического текста с другим генетическим фрагментом. Это нормальный, естественный процесс, который имеет место во всех живых организмах, в том числе и у млекопитающих. Во время мейоза[5] происходит обмен генетическим материалом (фрагментами ДНК) между гомологичными (подобными) хромосомами, это явление носит название кроссинговер. Например, имеются восемнадцатая хромосома, доставшаяся от отца, и восемнадцатая хромосома, доставшаяся от матери, и они поменялись между собой какими-то частями. По сути, хромосомы остались теми же самыми, и гены в них те же и в той же самой линейной последовательности.

Но помните, мы уже говорили, что папин геном отличается от маминого на два миллиона букв, то есть вроде бы одинаковые хромосомы отличаются на сорок тысяч букв. А в результате рекомбинации, то есть обмена кусочками генетического текста, у нас уже нет ни чисто папиной, ни чисто маминой хромосомы, а возникает новое генетическое сочетание, которое обеспечивает еще большее разнообразие будущим внукам, чем различие в два миллиона букв. Стремление к наибольшему генетическому разнообразию — это закон природы.

Рис. 3. Кроссинговер происходит с частотой один миллион букв на клетку во время деления

Генно-инженерные технологии

С момента открытия Джошуа Ледербергом процесса генетической рекомбинации прошло более семидесяти лет, но и сегодня это открытие считается одним из важнейших, поворотных событий в истории человечества. В частности, на его основе были созданы генно-инженерные технологии — или, как их еще называют, технологии рекомбинантной ДНК, — без которых сегодня немыслимы многие области медицины, сельского хозяйства, пищевой, нефтяной и других видов промышленности.

Открытие генетической рекомбинации показало, что генетический текст (ДНК) можно в каком-то месте разрезать и в этот разрез вставить фрагмент любого генетического текста из того же самого или другого организма. Как вы уже знаете, это умеет делать вирус. Дело оставалось за малым: понять, как это смогут сделать генные инженеры.

Каким же образом вирус разрывает генетический текст? Должен быть какой-то инструмент, «ножницы», нарушающие целостность нити ДНК.

И такой инструмент был обнаружен. Им оказались ферменты рестрикции (рестриктазы). В данном случае ученые нашли ферменты, которые нарушали целостность молекулы ДНК в определенном месте.

Рестриктазы узнают в молекуле ДНК коротенькое слово генетического текста из четырех — восьми определенных букв и вносят в это место ДНК двухцепочечный разрыв.

Они были обнаружены в бактериях, но оказалось, что подобно генетическому коду многие биологические процессы универсальны, и ферментам рестрикции было совершенно все равно, чью ДНК и где разрезать. Они не имели видовой специфичности и прекрасно работали как в клетке, так и вне ее, в пробирке. За открытие рестриктаз в 1978 году американцы Даниел Натане и Хамилтон Смит вместе со швейцарским генетиком Вернером Арбером получили Нобелевскую премию по медицине и физиологии.

Именно эти два свойства генетического кода ДНК и ферментов — универсальность и сохранение свойств вне клетки, в пробирке — положили начало всем биотехнологическим и биомедицинским достижениям XX и XXI веков.

Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) бактериальной клетки ничем не отличается от ДНК клетки человека, кроме содержания генетического текста. Давайте представим себе генетический текст бактерий как текст тоненькой брошюрки, а генетический текст человека как текст многотомного издания. Но если мы оба текста разрежем на отдельные буквы, слова и даже предложения, то, перемешав, сможем составить новый текст с тем смыслом, который захотим ему придать. Помню, в детстве я слышал историю о том, как один заключенный, прочитав много детективов, из отдельных фраз и фрагментов прочитанного составил свой детектив, который пользовался большой популярностью. Так и здесь: если разрезать два генетических текста, а потом их фрагменты смешать в одной пробирке — вне клетки, вне организма, — то за счет рекомбинации два разных фрагмента могут объединиться в один. И неважно, что один фрагмент ДНК взят из бактерии, а другой из клетки человека. Рекомбинация все равно произойдет, и образуется новая, синтетическая молекула, в которой часть будет представлена бактериальным геномом, а часть — фрагментом генома человека.

Потом этот искусственно созданный геном, содержащий ген человека, мы можем ввести в бактерию. В результате в бактериальной клетке прекрасно начнет работать ген человека, который мы туда вставили с помощью технологии рекомбинантной ДНК; более того, он будет передаваться по наследству и окажется у всех многочисленных потомков этой бактерии.

Перенос генов и начало биотехнологии

Впервые осуществил и продемонстрировал перенос гена из одного организма в другой известный американский ученый Пауль Берг, лауреат Нобелевской премии 1980 года. Свой эксперимент ученый провел в 1971 году, но тогда речь шла только о генах микроорганизмов, поскольку технологии рекомбинантной ДНК по переносу генов между клеткой бактерии и клеткой человека еще не существовало. Тем не менее Пауль Берг был первым, кто показал, что ген одного микроорганизма может работать под контролем генетического текста (ДНК) другого микроорганизма.