Геном считался неизменным планом человеческого существа, который определяется при зачатии. Наука должна распрощаться с этой идеей. На самом деле наш геном находится в состоянии постоянного изменения.
Два года назад 25 генетиков собрались в Калифорнийском университете в Беркли, чтобы ответить на этот, казалось бы, простой вопрос: что такое ген? Однако попытка точно определить единую основную концепцию оказалась чрезвычайно трудной. Встреча экспертов едва не закончилась катастрофой, вспоминает Карен Эйлбек, профессор генетики человека в Беркли и ведущая круглого стола: «Мы разговаривали часами. Все кричали друг на друга».
Споры учёных в Беркли имеют мало общего с исследованиями. Это был первый симптом того, что наука о жизни — пока еще незамеченная публикой — находится на пороге поворотного момента. То, что исследователи выявляют в хромосомных цепочках человека или животных, выходит за рамки предыдущей модели генетики. Подобно началу 20-го века, когда Эйнштейн и его товарищи по оружию сформировали новое мировоззрение в физике, может наступить также и эпоха релятивистской генетики.
В частности, медицинские исследования всё больше сталкиваются с новыми затруднениями. Первые попытки показывают, что тело и душа, их здоровье, болезни, развитие и старение подвержены генетическому влиянию, сложность которого превосходит все предыдущие концепции. Генетики должны отказаться от представления о стабильном и однозначном геноме, в котором изменения являются патологическими исключениями. Геном каждого человека находится в состоянии постоянной трансформации. В результате каждый организм, каждое человеческое существо, даже каждая клетка тела сами по себе являются генетической вселенной.
Первый анализ генома человека был длительным и дорогостоящим проектом, а результат, отмеченный в 2000 году президентом США Биллом Клинтоном как «Книга жизни», представляет собой последовательность из трех миллиардов букв. С тех пор новые лабораторные методы, с помощью которых можно генерировать и анализировать огромные объемы данных, привели к потоку новых открытий о внутренней жизни человеческого генома. Со временем книга начала растворяется на глазах у читателей. Оказалось, что геном не является стабильным и однозначной программой. Уровень знаний также поднимает основные философские вопросы, такие как генетическая и, следовательно, биофизическая идентичность человека, и, возможно, требует совершенно иных ответов. Генетики нацелились на новый «проект человека» — девиз: это всё об эго.
«Наши предположения были настолько наивными, что даже стыдно», — говорит Крейг Вентер.
Последние результаты исследований ещё более чем когда-либо ранее показывают, что люди являются продуктом генетических процессов. Но также они показывают и то, что эти процессы имеют огромные степени свободы. Они образуют открытую систему, в которой далеко не всё предопределено.
После первого удачного раскодирования генома об этом догадались лишь немногие. Эксперты полагали, что поняли, как выглядит и функционирует ген, каким функциональным принципам следует человеческий или микробный геном. «Оглядываясь назад, можно сказать, что наши предположения о том, как устроен геном, были настолько наивными, что даже стыдно», — говорит Крейг Вентер, участвовавший в проекте со своей компанией Celera. Ожидался набор сложных, но понятных для человека рецептов жизненных процессов. Теперь же становится ясно: наша книга жизни полна загадочной прозы.
Это была лишь первая кульминация потрясений, когда несколько месяцев назад рухнула убежденность в генетическом единообразии и, следовательно, в однозначной предопределённости организма человека. До этого предполагалось, что генетический материал любых двух людей различается примерно на один промилле всех строительных блоков ДНК. Но различия в генетическом строении людей на самом деле настолько велики, что наука теперь подтверждает то, что давно было известно любому человеку: каждый человек индивидуален. Совершенно индивидуален!
Сам Крейг Вентер внес большой вклад в это понимание. Харизматичный гуру генетики из Роквилля в американском штате Мэриленд расшифровал свой собственный генетический код. Практически одновременно специалисты компании 454 Life Sciences Company расшифровали геном лауреата Нобелевской премии Джеймса Уотсона, первооткрывателя двойной спирали ДНК и заклятого врага Вентера. Он не расчитывал, поддразнил его Вентер, что между ним и Ватсоном обнаружится слишком много общего.
После знаменитого секвенирования ученые из Шэньчжэня объявили, что они полностью расшифровали анонимного ханьского китайца. Несколько дней назад генетик Герт-Ян ван Оммен из Лейденского университета сообщил о первой расшифровке женщины. Это был клинический генетик Маржолейн Крик, член команды ван Оммена. Детальный анализ генетических показал, что человеческий геном также разнообразен, как тело и психика.
Используя геном Вентера, впервые удалось определить различия. Геном соматических клеток человека состоит из половины хромосомного набора, унаследованного от отца, и половины от матери. Исследователи ожидали, что родительское приданое покажет различия; давно известно, что в геноме происходят многочисленные обмены отдельными буквами (так называемые SNP — однонуклеотидные полиморфизмы). Однако их удивила истинная степень различий: почти в каждом втором гене исследователя они обнаружили различия между копиями материнского и отцовского гена. В ходе сравнения специалисты обнаружили также большое количество так называемых инделей: миллионы раз целые участки вновь включались в генетические молекулы (инверсия) или просто исчезали (делеция). Другие были отделены и снова вставлены вверх ногами.
Оказалось неверно и убеждение, что каждый ген обычно присутствует в геноме лишь дважды (один раз в отцовском, один раз в материнском наборе хромосом). На самом деле большая часть генетической информации подвергается процессу дублирования и существует в количестве до 16 копий в ядре клетки. Различные исследовательские группы обнаружили такие варианты количества копий (CNV) по крайней мере в 1500 генах человека; таких генов X, вероятно, намного больше, и у каждого человека свой профиль CNV. Взрывоопасность результатов усугубляется открытием того, что паттерны CNV в геноме отнюдь не стабильны, число копий генов может уменьшаться или увеличиваться, и даже соматические клетки отдельного человека отличаются друг от друга.
Идея о том, что геном представляет собой естественную константу, фиксированный исходный код человеческого существа, теперь рушится под тяжестью открытий. Американский генетик Мэтью Хан уже сравнил геном с вращающейся дверью: «Гены постоянно приходят, другие уходят».
Особенно сильно это влияет на деятельность головного мозга: CNV являются основной причиной различных форм умственной отсталости, аутизма, шизофрении и других органических нарушений головного мозга. Однако во взаимодействии с другими генетическими процессами они, вероятно, также регулируют проявление здоровых психических характеристик. «Это одна из самых захватывающих и плодотворных новых областей человеческой генетики», — говорит американский генетик Дэвид Хаусслер из Калифорнийского университета в Санта-Круз. Полногеномный поиск таких генных вариаций уже дал поразительные результаты. Медицина будущего, предсказывает исследователь, будет характеризоваться результатами сверхбыстрого секвенирования генома и огромной вычислительной мощностью: «Мы должны следить за сотнями, а может и тысячами генов одновременно, чтобы выявить источник болезни».
Однояйцевые близнецы развиваются генетически отлично даже будучи эмбрионами
Проект «1000 геномов» был запущен, чтобы определить истинный масштаб нашего генофонда. В течение трех лет консорциум центров секвенирования в США, Великобритании и Китае будет секвенировать геномы 1000 человек со всего мира, регистрируя разницу генетических данных различных популяций по всему миру.
Взаимодействие среды с человеческим геномом не только может объяснить индивидуальные особенности индивидуума, оно также создает генетический набор, из которого эволюция далее продолжает формировать людей. Это делает понятным другое тревожное открытие: вид Homo sapiens, по-видимому, претерпевает турбоэволюцию. Сотни областей генома изменились гораздо быстрее, чем у других приматов. Новое исследование даже приходит к выводу, что цивилизация, должно быть, ускорила человеческую эволюцию в 100 раз с начала эпохи неолита.
Журнал «Science» назвал открытие этих генетических вариаций прорывом 2007 года. Предполагали, что не пройдёт и года, как можно будет выявить факторы, определяющие эволюционный путь Homo sapiens, посредством точного сравнения геномов человека и шимпанзе. Но еще до того, как будет дан ответ на вопрос, что в нашей ДНК делает нас людьми, в зале уже возникает следующий вопрос: «Что в моей ДНК делает меня собой?»
Одно из первых открытий новой генетики также делает этот вопрос почти устаревшим. Все указывает на поразительный ответ: меня много.
По крайней мере, физически человек предстает уже не как индивидуум, а как сообщество клеточных колоний, где каждая клетка имеет свои цели. До десяти процентов всего генетического материала — а возможно, и гораздо больше — активный либо материнский, либо отцовский вариант. Этот паттерн, называемый на техническом жаргоне «аутосомно-моноаллельной экспрессией», уже установлен в эмбрионе. И там каждая ячейка принимает свое решение. «Мы считаем, что это происходит, когда эмбрион имплантируется сам», — говорит генетик Эндрю Чесс из Гарвардского университета. В результате взрослый организм напоминает лоскутное одеяло из групп клеток, генетические сети которых сплетены по-разному.
Вопреки предыдущим оценкам, имеет более большое значение происхождение в этих генных каскадах индивидуальной генетической информации от отца или матери. В их информационном содержании могут быть тонкие различия, но они имеют глубокие последствия для очень сложных сетей клеток, управляющих человеческими чертами. Еще одно интересное открытие было сделано в Гарвардской лаборатории Эндрю Чесса: моноаллельная экспрессия особенно распространена в генах, подвергшихся ускоренной эволюции в ходе человеческого развития, и в генах, выполняющих важные функции в центральной нервной системе. Что это значит для функционирования мозга и строения психики, в настоящее время даже не поддается оценке.
С тех пор считается, что здоровый организм представляет собой стройную целостную систему, работающую в гармонии с самим собой. Вместо этого результаты исследований рисуют другую картину, состоящую из биологически разрозненных частей. Таким образом, наше здоровье является неустойчивым состоянием, в котором поддерживается баланс из этих кусочков мозаики. Под сомнение поставлена даже биологическая идентичность индивидуума. То, что звучит пугающе для многих, является вдохновляющей идеей американского генетика Стивена Хеникоффа: «Мне нравится идея, что мы представляем из себя мозаику».
По своей сути это также угрожает работе тех ученых, которые хотят оценить влияние окружающей среды на развитие человека. Десятилетиями пытаются отличить влияние среды от генетической программы при сравнении монозиготных и дизиготных близнецов. Они использовали различия между парами однояйцевых близнецов как меру влияния среды на характеристики человека — ведь у этих близнецов полностью идентичные гены. Следовательно, все различия должны быть обусловлены только культурно, а не биологически.
Однако, как теперь выясняется, об этом нет и речи: факт, что однояйцевые близнецы генетически не идентичны, говорит Чесс, «это действительно захватывающий результат». Не только в исключительно материнском или отцовском паттерне активности их генов, но также и в их CNV-паттерне существуют четкие различия. «Нас всегда интересовало, почему существуют различия между однояйцевыми близнецами, например, в их предрасположенности к сложным заболеваниям, — говорит Чесс, — наше открытие сегодня — одно из объяснений». Социальные и материальные внешние факторы также могут формировать человека окольными путями через биологию — путем изменения функций генов. Посредством так называемых эпигенетических процессов стресс или напряжение, недостаток питания или отказ от любви, по-видимому, могут воздействовать прямо на клеточное ядро.
Ввиду потока всех этих открытий исследователей-генетиков ждет та же участь, что и космологов, которые в течение нескольких лет исследуют загадочную «темную материю» во Вселенной. Биологи сейчас также ломают голову над «темной материей» генома.
Наш геном не определяет, какой человек из него разовьется
Они могли бы открыть тайну в той части генетического материала, которую они до сих пор считали бесполезной «мусорной ДНК». Значащими для них были лишь те несколько процентов генома, которые являются генами в общепринятом смысле, т.е. те, что содержат необходимую информацию для построения белков в клетках. Остальное же считалось эволюционным мусором. В лучшем случае эту часть генома можно было представить как стабилизирующий элемент, как некий связующий цемент между действительно важной генетической информацией.
Теперь, однако, стало ясно, что именно это неопределённое ДНК-вещество в хромосомах играет ведущую роль во многих вновь открытых процессах. Судя по всему, данный «мусор» полон неизвестных генов, заселенных управляющими модулями. Особенно так называемые микроРНК, неизвестный до недавнего времени класс генетической информации, которые регулируют множество процессов развития и болезней.
Вывод из всех этих новых открытий может быть только таким. Хотя характеристики человеческого существа уходят своими корнями в его геном, в изначальной клетке (зиготе) никоим образом не определяется, какой именно человек вырастет из него. Даже если бы эмбрион, который был точно продублирован до последней молекулы, мог бы расти в матке при полностью идентичных обстоятельствах, «все равно появился бы другой человек», уверяет немецкий генетик Николаус Раевски. И это даже без влияния образования и культуры (начиная с первой клетки человек развивается под управляющем воздействии окружающей среды: организма самой матери, биосферы её проживания и искусственной среды — культуры — прим. «Культура Образования»).
Читать подробнее: https://www.kultobraz.ru/kniga
Ввиду сложности и неопределенности генетических процессов, многие представления об однозначно определённом устройстве человека, а также многие предупреждения об опасностях генетических исследований в настоящее время разоблачаются как сильно упрощенный вульгарный биологизм. Изучать геном оказалось намного сложнее, чем ожидалось. И фантазия о том, что с помощью клонирования можно воскресить одаренных художников, блестящих исследователей или просто любимого человека в идентичной форме, видимо, навсегда останется только мечтой.