Простое начало. Как четыре закона физики формируют живой мир

Рассмотрим для примера РНК. В первой части книги мы говорили, что чтение генов обеспечивает фермент РНК-полимераза: она транскрибирует последовательность ДНК в последовательность РНК, которая затем может транслироваться в цепочку из аминокислот – белок. Не считая яйцеклеток, сперматозоидов и некоторых иммуноцитов, все клетки вашего организма имеют одинаковый геном, поэтому секвенировать ДНК каждой клетки было бы избыточным. Зато интересно было бы знать, какие молекулы РНК синтезируются в каждой клетке: так мы могли бы понять, какие гены включаются и выключаются, когда клетки в ходе развития становятся кровяными тельцами или нейронами либо когда реагируют на изменения в питании или на стресс. Для этого нам необходимо секвенировать молекулы РНК, четко зная, из какой клетки они получены. Вы уже, наверное, представляете характерные черты нашей методологии: мы используем физические силы и свойства, дополняя их биологическими инструментами, разработанными природой.
На этот раз вместо медуз и светлячков нашими помощниками станут вирусы. Центральная догма молекулярной биологии гласит, что ДНК кодирует РНК, которая кодирует белки. Когда в 1970-м исследовательские группы Дэвида Балтимора и Говарда Темина независимо друг от друга открыли способность некоторых вирусов обращать этот процесс вспять – транскрибировать свой РНК-геном в ДНК, которая еще и внедряется в геном клетки-хозяина, – эта новость многих потрясла. Вирусный белок, производящий, по сути, обратную транскрипцию, назвали соответственно – обратной транскриптазой (ревертазой)15. Теперь мы умеем использовать ее в своих целях, как обычную ДНК-полимеразу и другие подобные инструменты.
Выделив РНК из клетки, мы можем добавить к ней обратную транскриптазу и свободные нуклеотиды, чтобы синтезировать ДНК, комплементарные однонитевым РНК. Например, в случае РНК-последовательности ЦAГУУГГA мы получим ДНК-комплемент ГTЦAAЦЦT (как вы помните из главы 3, У в РНК заменяет T в ДНК). С помощью секвенирования мы узнаем точную нуклеотидную последовательность этой комплементарной ДНК (кДНК), а значит, и исходной РНК. Чтобы изучить полный набор РНК (транскрипто́м) отдельной клетки, ученые применяют методы вроде тех, что мы уже рассматривали: например, изолируют одиночные клетки с шариками и необходимыми ингредиентами в каплях водно-масляной эмульсии16. Каждая молекула РНК транскрибируется в ДНК, которая затем секвенируется – и вот мы уже знаем, какие гены были «включены» в той или иной клетке.
Хотя секвенирование транскриптома одиночных клеток и предполагает их разрушение, они служат типичными представителями той или иной клеточной популяции, траекторию развития которой можно проследить, отбирая из нее такие вот жертвенные единицы на разных этапах какого-то процесса либо после специфического воздействия. Так ученые исследовали, например, ответные изменения экспрессии генов у иммуноцитов организмов, вступивших либо не вступивших в контакт с интересующим патогенным стимулом. Или вот другой пример: по РНК, выделяемой из эмбрионов данио-рерио и мышей на разных этапах после зачатия, можно отслеживать динамику профилей экспрессии генов, направляющую клетку по тому или иному пути специализации.
Секвенирование РНК – одна из множества технологий, опирающихся на секвенирование ДНК [57]. Сегодня ученые уже умеют определять, какие сегменты ДНК намотаны на гистоны, к каким нуклеотидам прикреплены метильные группы, какие участки генома покрыты факторами транскрипции и многое другое. В заголовке мы спросили: «Когда секвенатор ДНК не соответствует своему названию?» И каков же ответ? Когда он секвенирует РНК, или когда картирует элементы упаковки ДНК, или когда исследует регуляцию работы генов, да вообще много когда.
Живые существа постоянно обрабатывают информацию, закодированную в ДНК: они копируют ее при делении клеток и рутинно считывают, транскрибируя и транслируя гены в РНК и белки. Результаты этих процессов зависят от последовательности нуклеотидов A, Ц, Г и T, то есть сами процессы в каком-то смысле сводятся к чтению молекул ДНК. Примерно 4 миллиарда лет других методов чтения ДНК не существовало. Теперь мы изобрели радикально новые инструменты – быстрые, дешевые, едва ли не сказочно эффективные, – и они открывают нам доступ к информации, зашифрованной в каждом организме. Эта поразительная технологическая трансформация случилась потому, что мы серьезно подошли к осязаемым физическим характеристикам биомолекул и наладили их взаимодействие с другими аспектами наших технологий. Ну а мы теперь посмотрим, что можно узнать из информации, зашифрованной в ДНК.
   
Глава 14. Генетические комбинации
 
Информация, зашифрованная во всевозможных организмах, включая людей, теперь у нас на ладони благодаря освоению чудесного искусства чтения ДНК. Что же мы можем из нее извлечь? Мы уже задавали этот вопрос в первой части книги, когда рассматривали природу генов и регуляцию их работы. Нам хочется думать, что наше генетическое содержимое отражается в характеристиках организма напрямую: ведь так удобно просто сопоставлять, каким генным вариациям соответствуют вариации в интересующей характеристике. Но даже из первой части понятно, что на самом деле все не так просто: биологическая активность определяется не только генами, но и зашифрованной в геноме регуляторной схемой, которая включает и выключает их транскрипцию. Дальше мы увидим, что природа еще сложнее, чем мы могли подумать: на многие значимые для нас признаки и заболевания влияют тысячи разных областей генома, сплетая плотную паутину связей, распутать которую очень сложно.
И здесь на помощь приходит все та же предсказуемая случайность: она дает нам теоретические и практические инструменты для работы с генетической информацией. Эти инструменты настолько эффективны, что мы часто можем обходиться без секвенирования полных геномов и пользоваться куда менее подробными, зато недорогими генетическими картами. Знания о случайности и предсказуемости критически важны для осмысления технологий, которые уже сейчас существенно влияют на наш мир, вторгаясь в медицинскую, промышленную и этическую повестки, о чем мы тоже поговорим.
Где искать ген высокого роста?
В зонтичную категорию «генетических» попадает множество характеристик, которые если не полностью, то хотя бы частично зависят от нуклеотидной последовательности, унаследованной нами от родителей. Иногда, в том числе и в случае нескольких тяжелых заболеваний, очень просто найти связь между тем, что происходит в организме, и тем, какой участок ДНК за это отвечает. Так бывает, когда проблема заключается всего в одном гене. Хороший пример тому – муковисцидоз.
У всех нас в легких выделяется секрет, из которого состоит жидкая пленка, описанная в главе 11. После секреции эпителиальные клетки выталкивают его по дыхательным путям вверх, ко рту, избавляясь так от лишней жидкости, грязи, пыльцы, бактерий и прочих частиц, которые мы то и дело вдыхаем. У людей, страдающих муковисцидозом, секрет слишком вязкий и потому застаивается в легких, повышая их восприимчивость к бактериальным инфекциям. Виноват в этом один-единственный ген, CFTR, кодирующий один белок – регулятор трансмембранной проводимости, связанный с муковисцидозом. Этот канальный белок, пронизывая клеточные мембраны, проводит через них ионы хлора и бикарбоната [58]. У больных муковисцидозом мутация в гене CFTR изменяет структуру этого регулятора. В итоге концентрации ионов по обе стороны мембраны оказываются не такими, какими должны быть, что заставляет воду уходить из секрета, его вязкость повышается, и у больного появляются характерные симптомы.
Если сравнивать с муковисцидозом, на другом конце шкалы генетической предопределенности расположились признаки вроде роста. На рост влияют и негенетические факторы – больше всего питание, – но генетический материал, полученный вами в момент зачатия, сильнее определяет конечные показатели, каких вы можете достичь. Гена роста, впрочем, не существует. В геноме человека есть десятки тысяч изменчивых позиций, где тот или иной тип нуклеотида в какой-то мере влияет на рост. Они находятся не только в генах, но и в последовательностях, которые, образно говоря, дергают гены за ниточки – регулируют их экспрессию или упаковку ДНК (см. главу 3).