Александр Панчин - Сумма биотехнологии. Руководство по борьбе с мифами о генетической модификации растений, животных и людей
Теоретически мы могли бы поменять одновременно и генетический код, и кодоны в генах, кодирующих белки, причем сделать это таким образом, чтобы все белки остались прежними. Насколько мы можем судить, это не имело бы значительных последствий для организма: генетический код не обязан быть таким, какой он есть. Совершенно разные организмы имеют одинаковый генетический код потому, что все живое произошло от общего предка, у которого генетический код был таким же, как у нас с вами.
Только представьте: в течение нескольких миллиардов лет на нашей планете одноклеточные организмы эволюционировали в многоклеточные формы жизни, которые смогли выйти на сушу, появился и вымер тираннозавр, а вместе с ним масса других гигантских рептилий, возникли приматы, в том числе и предки современного человека. С тех пор успела возникнуть и развалиться Римская империя, мы прошли через темные века Средневековья в эпоху Просвещения, создали двигатель внутреннего сгорания, самолеты, освоили ядерную энергетику, изобрели компьютеры и даже отправили человека на Луну. Все это время происходили колоссальные изменения в геномах живых организмов, но генетический код всех этих организмов оставался неизменным, постоянным, неразрушимым.
Незыблемость генетического кода очень удобна для генных инженеров. Допустим, мы хотим, чтобы бактерия синтезировала какой-нибудь растительный белок. Берем соответствующий ген из растения, переносим в кольцевую молекулу ДНК – плазмиду, а ее внедряем в клетку бактерии. В большинстве случаев бактерия будет производить белок идентичный тому, что производится в растении. Если бы генетический код у растений и бактерий отличался, мы бы получили какой-то другой белок, с другим набором аминокислот и другими свойствами или вовсе полную ерунду. В таких условиях генная инженерия была бы гораздо более трудным занятием.
Когда был прочитан геном маленького круглого червя Caenorhabditis elegans, то есть когда была установлена последовательность нуклеотидов его молекул ДНК, оказалось, что у него около 20 тысяч генов79. Геном человека тогда еще не был прочитан, и количество генов в нем оставалось под вопросом. Ученые даже устраивали тотализаторы, в ходе которых пытались угадать, сколько генов будет обнаружено. Назывались цифры вплоть до сотен тысяч, но верхней границей было значение 3 миллиона – примерно столько генов позволял хранить в себе размер нашего генома в три миллиарда нуклеотидов (при среднем размере гена около тысячи нуклеотидов).
Идея тотализатора по поводу числа человеческих генов пришла в голову доктору Эвану Бирни в баре при лаборатории в Колд-Спринг-Харбор незадолго до завершения проекта “Геном человека”. Победу присудили трем ученым. Пол Дир из Британского совета по медицинским исследованиям поставил на дату своего рождения (27.04.1962-27462), Ли Роуэн из Института системной биологии в Сиэтле поставила на 25947, а Оливер Джейлон из французской компании Genoscope поставил на 26500. Когда доктора Дира спросили, как ему удалось предсказать число генов человека, он ответил: “Дело было в баре, глубокой ночью. Наблюдая за поведением пьющих людей, я подумал, что оно мало отличается от поведения мух-дрозофил, у которых 13500 генов, а потому мне показалось, что удвоенного числа мушиных генов людям вполне достаточно".
Позже оказалось, что некоторые предполагаемые гены человека на самом деле не работают (являются псевдогенами), и сейчас считается, что у человека 20–25 тысяч функциональных генов80. Довольно обидный факт для “венца творения". Особенно если учесть, что полно организмов как с большим по размеру геномом, так и с большим числом генов. В первом случае примером послужит двоякодышащая рыба Protopterus aethiopicus, чей геном в 40 раз больше человеческого81, а во втором – рис Oryza sativa, у которого более 30 тысяч генов82. Возможно, венцом творения правильнее называть Trichomonas vaginalis – одноклеточного возбудителя трихомониаза, распространенного заболевания, передающегося половым путем. По современным оценкам, Trichomonas vaginalis имеет около 60 тысяч генов83.
Некоторые биологи составили достаточно правильное и обоснованное представление о количестве генов у человека задолго до того, как был прочитан его геном. Еще в 1972 году эволюционный биолог Сусуму Оно писал в своей статье “Столько мусорной ДНК в нашем геноме"84, что у нас должно быть около 30 тысяч генов. Эту феноменально близкую к правде цифру Оно получил сорок лет назад из соображений о том, как часто происходят вредные мутации – изменения ДНК, негативно сказывающиеся на потомстве у людей, мышей и других организмов. Если бы у нас было 3 миллиона важных генов, то многие из них неизбежно портились бы в каждом поколении. А вот 30 тысяч, согласно расчетам Оно, мы могли бы содержать в нашем геноме без серьезных рисков. Но из этого следовало, что большая часть генома человека не несет жизненно важных функций или попросту является “мусором". Мутации в таких участках безвредны. В пользу принципиального существования мусора в ДНК можно добавить такой не совсем корректный, но интуитивно понятный аргумент: если бы каждый нуклеотид в любом геноме был функционален, то зачем луку геном в пять раз больший, чем наш с вами?
С появлением новых данных – полных геномов человека и других животных – ситуация прояснилась. Если взять геномы человека, шимпанзе, мыши, утконоса и так далее, окажется, что какие-то участки последовательностей нуклеотидов даже у сравнительно далеких видов очень похожи – например, гены, необходимые для синтеза белков, входящих в состав рибосом. Это понятно: рибосомы возникли очень давно, у них были миллиарды лет, чтобы в процессе эволюции достигнуть такого совершенства, что их практически невозможно улучшить или изменить, не испортив один из важнейших клеточных процессов – синтез белков, за который они отвечают.
Мутации происходят в любых участках генома, поэтому хорошим критерием функциональности участка ДНК является то, что возникающие в нем мутации не закрепляются: носители новых генетических вариантов вымирают, не оставляя потомства, устраняются естественным отбором. Другие участки геномов имеют значительные расхождения между видами и даже внутри видов. Значит, мутации в этих участках, скорее всего, безвредны, то есть их функциональная роль как минимум невелика или не зависит от конкретной последовательности нуклеотидов. Например, если последовательность нужна только для физического разделения в пространстве двух участков ДНК. Это знание используется в современной медицинской генетике, когда ученые пытаются понять, какие изменения в ДНК человека приводят к тому или иному наследственному заболеванию85: наиболее подозрительными являются мутации в эволюционно неизменных участках ДНК.
В ряде современных работ оценили долю участков ДНК человека, мутации в которых вредны, и оказалось, что они составляют лишь около 6,5-10 % генома человека86, 87, что снова совпало с предсказаниями Оно! В далеком 1972 году он из теоретических соображений называл цифру в 6 %! У нас большой геном, но, по-видимому, в нем действительно довольно много лишнего. Важен не только размер генома, но и умение им пользоваться.
Еще один актуальный вопрос: насколько последовательности ДНК различаются между живыми организмами? Насколько похожи гены человека и шимпанзе? Гены человека и банана? Степень сходства (доля совпадающих нуклеотидов) будет варьировать в зависимости от выбранного участка ДНК. Ниже показаны сравнения (нуклеотидные выравнивания) генов, кодирующих белок гистон H1 человека и шимпанзе, а также человека и банана (звездочками помечены совпадающие нуклеотиды; знаками “-” – отсутствующие). Гистоны – это белки, на которые “наматывается” ДНК, чтобы компактно упаковаться в ядре. Это очень древние белки, возникшие на заре эволюции, необходимые для жизни всем эукариотам. Поэтому степень сходства между организмами по генам этого белка выше среднего – мутации в этих генах чаще всего вредны.
Можно заметить, что ген человека и ген шимпанзе почти идентичны: всего 5 отличий на 660 нуклеотидов! В среднем у человека с шимпанзе последовательности ДНК совпадают на 98,76 %88 (чуть ниже, чем получилось для приведенного сравнения), а вот геномы двух людей совпадают примерно на 99,9 %. Мы также видим, что ген гистона банана совпадает с геном человека лишь где-то на 50 %. Для сравнения, если мы возьмем две совершенно случайные последовательности ДНК, между ними будет около 25 % сходства. Шимпанзе ближе к человеку, чем к банану, не только по степени сходства генов, но и по набору генов в геноме. У банана будет много генов, которых нет у приматов (например, связанных с фотосинтезом), а у приматов будут гены, которых нет у растений (например, связанные с развитием нервной системы).
