Ген. Очень личная история - Сиддхартха Мукерджи

В качестве аналогии рассмотрим слово «структура». У бактерии ген представлен в геноме именно в таком виде – структура, – без разрывов, промежутков, вставок и пауз. В геноме же человека это слово прерывается промежуточными последовательностями ДНК: ст… ру… к… т… ур… а.

Протяженные участки ДНК, обозначенные многоточиями (…), не несут никакой информации о белке. После транскрипции такого прерывистого гена – то есть после построения по ДНК РНК-послания – все «прокладки» из мРНК вырезаются, и целостность послания восстанавливается уже без ненужных, бессмысленных участков: ст… ру… к… т… ур… а превращается в просто структура. Позже Робертс и Шарп придумали для этого процесса название – сплайсинг генов, или сплайсинг РНК[639] (от английского слова, означающего «сращивать», потому что после удаления промежутков концы оставшихся фрагментов РНК сращиваются).

Поначалу прерывистая структура генов озадачила ученых: почему гено́м животных тратит столько ДНК на разделение кусочков гена, а потом все равно сшивает эти кусочки в цельное РНК-послание? Но вскоре внутренняя логика этого явления стала понятной: поделив ген на модули, клетка может, комбинируя их, собирать разные РНК-сообщения (а затем и белки) на базе единственного гена. Из слова ст… ру… к… т… ур… а можно сшить и рука, и кура, и что-нибудь еще, создав таким образом много разных сообщений – «изоформ» – по последовательности одного и того же гена. Из слова г… е… н… ом с помощью сплайсинга можно сотворить слова ген, гном и ом. У модульного генома есть и эволюционное преимущество: если соединить отдельные модули разных генов, можно получить совершенно новые гены (ст… е… н… а).

Уолтер Гилберт, генетик из Гарварда, придумал для генных модулей специальное слово – экзоны. Промежуточные, вырезаемые, участки назвали интронами. Для генов человека интроны не исключение, а правило. Человеческие интроны часто огромны: они могут простираться на сотни тысяч нуклеотидов. Сами гены тоже отделены друг от друга длинными участками межгенной ДНК. Считается, что в межгенной ДНК и внутригенных интронах содержатся те самые последовательности, которые определяют контекст для регуляции генов. Если вернуться к нашей аналогии, то межгенную ДНК можно изобразить как длинные многоточия, по которым то тут, то там разбросаны знаки препинания. Тогда геном человека можно представить так:

Это…… (…)…… ст… рукт…… ура………. вашего……… ге… но… ма;

Слова здесь изображают гены, длинные многоточия между словами – участки межгенной ДНК, а короткие многоточия внутри слов (ст… рукт… ура) – интроны. Знаки пунктуации – скобки и точка с запятой – это участки ДНК, отвечающие за регуляцию генов.

Сестринские технологии секвенирования и молекулярного клонирования спасли генетику от экспериментального застоя. В конце 1960-х генетики обнаружили, что находятся в тупике. Для каждой экспериментальной науки критически важна возможность намеренно вмешиваться в работу системы и замерять эффекты этого вмешательства. Но единственным инструментом изменения генов был мутагенез – по сути, процесс случайный, – а оценить эффект позволяли лишь изменения структуры и функций. Можно было окатить дрозофил рентгеновскими лучами, как делал Мёллер, и получить бескрылых или безглазых мушек, но не было способа намеренно манипулировать генами, кодирующими глаза и крылья, или хотя бы точно определять, как эти гены изменились. По выражению одного ученого, «ген был чем-то недосягаемым».

Недоступность гена особенно удручала проповедников «новой биологии» вроде Джеймса Уотсона. В 1955-м, через два года после открытия структуры ДНК, он перебрался на биологический факультет Гарварда, где моментально вывел из себя некоторых особо почитаемых профессоров. Биология, как виделось Уотсону, раскалывалась надвое. С одной стороны от трещины оставалась старая гвардия – натуралисты, систематики, анатомы и экологи, до сих пор занятые классификацией живых существ и преимущественно качественным описанием их анатомии и физиологии. «Новые» биологи, в отличие от традиционных, изучали молекулы и гены. Старая школа обсуждала разнообразие и изменчивость. Новая говорила об универсальном коде, общих механизмах и «центральной догме»[640].

«Каждому поколению нужна новая музыка», – сказал как-то Крик; старую музыку Уотсон откровенно презирал. Естествознанию – преимущественно описательной дисциплине, как охарактеризовал ее Уотсон, – придет на смену энергичная и мускулистая экспериментальная наука, которую он помогал создавать. Динозавров, изучающих динозавров, вскоре самих постигнет участь вымершего вида. Уотсон называл традиционных биологов «собирателями марок»[641], высмеивая их озабоченность коллекционированием и классификацией биологических экземпляров.

Но даже Уотсон был вынужден признать, что невозможность направленных генетических вмешательств и точной оценки генных изменений крушили надежды «новых» биологов. Если бы они научились «читать» гены и манипулировать ими, перед учеными открылись бы широчайшие экспериментальные горизонты. Пока же биологи толклись на этапе оценки функций генов единственным доступным инструментом – случайным мутагенезом ДНК простых организмов. Представители старой школы могли бы ответить на выпады Уотсона равносильным ударом: если они – «собиратели марок», то «новые» молекулярные биологи – лишь «охотники за мутантами».

Но всего за одно десятилетие, с 1970 по 1980 год, охотники за мутантами превратились в генных манипуляторов и дешифровщиков. Только подумайте: в 1969-м можно было обнаружить ген, связанный с каким-то заболеванием человека, однако у ученых не было простого способа определить мутацию в нем, сравнить измененный ген с его обычной формой и воссоздать мутацию в другом организме, чтобы изучить ее свойства. А в 1979-м тот же самый измененный ген можно было перенести в бактерию, внедрить в вирусный вектор, доставить в геном клетки млекопитающего, клонировать, секвенировать и сравнить с обычным вариантом.

В декабре 1980-го Нобелевская премия по химии – за плодотворные достижения в генетических технологиях – досталась Фредерику Сэнгеру, Уолтеру Гилберту и Полу Бергу, «читателям и писателям» ДНК. «Арсенал химических манипуляций[642] [с генами]», как выразился один научный журналист, был полностью укомплектован. «Генная инженерия[643], – писал биолог Питер Медавар, – подразумевает целенаправленное генетическое изменение путем манипуляций с ДНК, носителем наследственной информации. <…> Не это ли главный закон технологии: все, что возможно в принципе, будет сделано <…>? Высадиться на Луну? Да пожалуйста. Победить оспу? С удовольствием. Исправить недостатки человеческого генома? Ну-у, в общем, да – хотя посложнее будет и не так скоро. До этого мы еще не дошли, но точно движемся в верном направлении».

Технологии манипулирования, клонирования и секвенирования ДНК изначально были разработаны для переноса генов между бактериями, вирусами и клетками млекопитающих (как это делали Берг, Бойер и Коэн), но затем их влияние охватило всю биологию организмов. Словосочетания «клонирование генов» и «молекулярное клонирование» придумали для обозначения наработки идентичных молекул ДНК («клонов») внутри бактерий. Однако вскоре они превратились в условные названия всей палитры техник, позволяющих выделять ДНК из организмов, что-то творить с ней