С. Боринская, Н. Янковский
К успехам биологии конца XX века, символизирующим прогресс науки, относятся открытия, ставшие научными сенсациями, и разработанные на их основе технологии, которые позволяют манипулировать генным материалом всех живых существ — от бактерий до человека. Это дает надежду на решение множества стоящих перед человечеством проблем (разработку новых средств диагностики и лечения болезней, продление жизни человека, обеспечение продовольствием) и в то же время вызывает опасения, что внедрение биотехнологий может нарушить равновесие природных экосистем и привести к катастрофическим последствиям. Современная биосфера есть результат миллиардов лет эволюции. Достаточно ли человеку пятидесяти лет развития генных технологий, чтобы быть уверенным, что его вмешательство не вызовет глобального экологического кризиса? Чем в связи с этим пугают людей? Утратой биологического разнообразия в результате неконтролируемой экспансии созданных человеком генных конструкций. Замещением сельскохозяйственных сортов растений и пород животных немногочисленными генетически модифицированными организмами в результате монополизации источников сортов и пород. Снижением жизнеспособности будущих поколений людей в результате массового осуществления медико-генетических мероприятий. Обоснованы ли эти опасения? Что действительно можно ждать от этих технологий?
Как устроен геном и как он работает
Программа развития организма записана в его генетическом коде. Геном — это весь текст данного организма, записанный в ДНК четырьмя буквами-нуклеотидами. Самый короткий текст из свободно живущих организмов у бактерии микоплазм — 600 тысяч знаков. В геноме человека — 3 миллиарда. Чтобы только пробежать глазами по собственному генетическому тексту вам потребуется вся жизнь (три миллиарда секунд).
Генетическая программа каждого организма разбита на отдельные гены — подпрограммы, отвечающие за определенную часть жизни клетки. У бактерий от полутысячи до почти десяти тысяч генов, а у человека, мыши и слона лишь немногим больше — 30–40 тысяч. В каждый момент времени в клетке работает лишь небольшая часть генов, необходимых для жизнедеятельности в данной конкретной ситуации, остальные «молчат».
Как у человека, так и у бактерии ген состоит из структурной и регуляторной части. В структурной записана информация о составе синтезируемого с этого гена белка, который, взаимодействуя с другими белками, участвует в построении клеточных структур и проведении биохимических реакций. В регуляторной части записано, когда и при каких условиях данный белок должен синтезироваться.
На структурную часть генов у бактерий приходится 80–90 % ДНК, остальная ДНК участвует в регуляции работы генов. У человека ситуация принципиально отличается. Кодирующие белок участки генома занимают меньше 3 %, тогда как остальная часть выполняет регуляторные и другие, пока неизвестные функции. Система регуляции работы генов человека (и других млекопитающих) гораздо сложнее. Никаких уникальных биохимических процессов клетки человека не проводят, зато те процессы (общие для всего живого мира), которые идут, включаются и выключаются в нужное время и в нужной части тела в соответствии с генетической программой. Например, перед человеческим геном, контролирующим переработку лактозы, найдены два регуляторных участка. Один определяет место, другой — время работы гена. Первый указывает, что ген должен работать только в клетках слизистой кишечника, ведь именно здесь расщепляются поступившие с пищей сахара. Второй полностью отключает работу гена по окончании периода грудного вскармливания (у человека в возрасте 3–5 лет), так как в естественных условиях детеныши млекопитающих получают лактозу только с материнским молоком, а взрослым особям фермент не нужен. Однако у некоторых людей в этом регуляторном участке имеется мутация, которая «разрешает» синтез фермента у взрослых. Такие люди могут пить молоко, тогда как у носителей исходного, немутантного варианта молоко не усваивается, что приводит к расстройству пищеварения.
Записанная в генах человека программа развития реализуется в процессе роста и деления клеток, от первого деления зародышевой клетки до последнего вздоха на жизненном пути. Судьба каждой клетки — станет ли она клеткой эпителия или превратится в нейрон, лейкоцит или эритроцит — определяется тем, какие группы генов в ней работают. Постоянно работают во всех клетках только так называемые гены «домашнего хозяйства» — то есть те, которые заняты синтезом клеточных структур, производством энергии, ремонтом молекулы ДНК. Большая же часть генов обычно бездействует, и необходимы специальные сигналы для того, чтобы они активизировались. Например, гены, контролирующие форму тела, расположены на хромосомах несколькими блоками, причем идут один за другим в том же порядке, в каком и контролируемые ими части тела: сначала гены, которым положено работать в голове, потом гены грудного отдела, потом те, которые определяют развитие задней части тела. Включаются они по очереди. Причем эти свойства генов «домашнего хозяйства» присущи и человеку, и животным. Так, в экспериментах на мухах показано, что если порядок включения генов нарушен, то могут получиться монстры, каких не придумать и Спилбергу, — с дополнительными ногами вместо антенн на голове или с глазами на брюшке и крыльях. У человека известные мутации (на латыни «мутация» означает «изменение») в этих генах также приводят к нарушениям — к изменению положения органов или, например, отсутствию некоторых зубов. Более серьезные нарушения останавливают развитие плода.
Хотя прочтена последовательность нуклеотидов всего генома человека, функции большинства генов по-прежнему неизвестны. Многие гены в нуклеотидной последовательности выявлены лишь с помощью компьютерного анализа (см. «КТ» # 413), и их существование следует подтвердить не вычислительными, а экспериментальными методами. Мы видим текст, но не понимаем, что он означает. Кроме знания структуры и функций генов, нужно еще представлять, чем отличается их работа в разных клетках и на разных этапах развития. И еще — знать, как взаимодействуют генные продукты. Порой утрата довольно больших фрагментов генома не приводит к заметным последствиям. А в других случаях замена всего лишь одной буквы из трех миллиардов приводит к тяжелому заболеванию.
Генные технологии
Теперь мы можем попытаться понять, каким образом генетики вмешиваются в работу наследственных программ. До появления биотехнологии и методов генной инженерии генетические изменения тоже, конечно, происходили, но шли они совершенно иными темпами. С очень значительными генетическими изменениями связана вся эволюция жизни на Земле, насчитывающая более трех миллиардов лет. От времени существования общего предка обезьяны и человека прошло пять миллионов лет, накопившиеся за это время изменения затронули 1,5 % их генетических текстов. Селекционная работа, которую человек вел на протяжении десяти тысячелетий существования производящего хозяйства, также вызвала изменения геномов культурных растений и одомашненных животных, являвшихся объектом отбора. Да и сами люди были вынуждены приспосабливаться (в том числе и на генетическом уровне) к создаваемой ими самими среде обитания.
Заставить ген одного организма работать в геноме другого можно лишь при соблюдении определенных условий. Во-первых, к чужеродному гену следует «подшить» регуляторные элементы подходящего хозяйского гена с тем, чтобы он включился в нужное время в нужной ткани (например, чтобы его продукт секретировался в молоко у коровы), а также элементы, обеспечивающие его встраивание в геном или самостоятельное воспроизведение в хозяйской клетке. Во-вторых, нужно обеспечить систему введения генетической конструкции в клетки хозяина. Технологии «кройки и шитья» генов для всех одинаковы, а вот системы введения ДНК в клетки организма-хозяина сильно различаются. Сейчас такие системы отработаны и для микроорганизмов, и для растений, и для некоторых животных, причем существуют методы введения ДНК в клетки, размножаемые в пробирках, и методы, пригодные для модификации сформированного организма. Последние используют для генотерапии, то есть лечения наследственных болезней путем введения человеку «здоровых» генов.
