Фрэнк Райан - Таинственный геном человека

• Название: Таинственный геном человека
• Автор: Фрэнк Райан
• Жанр: Прочая научная литература
• Год: 2017
• ISBN: 978-5-496-02573-7

В человеческом организме 100 триллионов клеток, и в каждой из них скрыт крошечный генетический кластер, выполняющий сложнейшую работу. Фрэнк Райан, врач и эволюционный биолог, описывает сложные механизмы генома, работающего как целостная система, а не просто как набор генов, кодирующих белки – первокирпичики жизни. Вдобавок в геноме существуют тонкие «переключатели», регулирующие и контролирующие участки нашей ДНК; определенную роль играет и взаимодействие ретровирусов и бактерий.

Эта революционная книга рассказывает об открывающейся перед нами новой эпохе, когда нам удастся не только вылечить, но и искоренить многие болезни.

---

С самого начала Эвери просто не верил в возможность трансформации разных типов бактерий. Это можно понять, ведь он был одним из авторитетов в своей области и много лет назад утвердился в мысли о стабильности бактериального размножения. Но в 1926 году Эвери предложил молодому канадскому врачу М. Г. Досону, работавшему в лаборатории Рокфеллеровского института, заняться исследованием этого вопроса. По словам Дюбо, Досон, в отличие от Эвери, был уверен в правильности выводов Гриффита, так как считал, что «если работа сделана британским Министерством здравоохранения, в ней не может быть ошибок».

Досон начал с того, что подтвердил открытие Гриффита в экспериментах с лабораторными мышами. Его работа показала, что большая часть невирулентных бактерий (R-типа) способна в определенных обстоятельствах превращаться в болезнетворный S-тип. К 1930 году над этим же вопросом начал работать китайский коллега Досона Ричард П. Сиа. Вместе они еще дальше продвинулись в экспериментальных наблюдениях, доказав, что наследственные трансформации могут происходить не только в организмах мышей, но и в культуральной среде. На этом этапе Досон покинул отдел Эвери, и его работу продолжил другой молодой врач, Дж. Л. Эллоуэй. Он выяснил, что для запуска трансформации требовалась лишь растворимая фракция, полученная путем воздействия на живые клетки S-пневмококков дезоксихолатом натрия, а затем фильтрации раствора для удаления фрагментов клеток. Когда Эллоуэй добавил к отфильтрованному раствору спирт, активный материал выделился в осадок в форме липкого сиропа. Этот сироп в лаборатории называли трансформирующим началом. Работа продолжалась, годы шли, эксперимент следовал за экспериментом.

Когда в 1932 году Эллоуэй ушел из отдела, Эвери отвел часть собственного времени на исследование трансформаций пневмококков, в частности на доработку процесса приготовления трансформирующего вещества. Однако на этом пути его ждало одно разочарование за другим. Через какое-то время Эвери решил сфокусироваться на химическом составе трансформирующего начала. В лаборатории начались оживленные дискуссии: кто-то полагал, что им является «пламаген», якобы вызывающий рак у кур (сегодня мы знаем, что под этим термином имелся в виду ретровирус), кто-то считал, что генетические изменения в бактериях имеют вирусную природу. По словам Дюбо, Эллоуэй предполагал, что трансформирующим агентом может быть белково-полисахаридный комплекс. Но к 1935 году Эвери начал мыслить в другом направлении. В годовом отчете отдела он указал, что удалось получить трансформирующий материал, не содержащий капсульных полисахаридов. В 1936 году биохимик Роллин Хотчкисс, ставший сотрудником отдела Эвери, сделал историческую запись в личном дневнике: «Эвери убедил меня, что трансформирующий агент вряд ли может быть углеводом и что на белок он тоже мало похож, а затем мечтательно предположил, что это могла бы быть нуклеиновая кислота!» На тот момент Дюбо, который через много лет напишет книгу об Эвери и его работе, расценил это как очередной домысел. И на то были веские причины.

В тот год несколько исследователей из разных стран мира предположили, что нуклеиновые кислоты могут стать ключом к тайне наследования. Эти соединения были открыты в конце XIX века швейцарским биохимиком Иоганном Фридрихом Мишером. Он интересовался химией клеточных ядер, и из белых кровяных клеток, содержащихся в гное, а также из сперматозоидов лосося ему удалось выделить новое химическое соединение с высокой кислотностью, богатое фосфором и состоявшее из невероятно больших молекул. После многолетних исследований ученик Мишера Рихард Альтман ввел для описания этого открытия термин «нуклеиновая кислота». К 1920-м годам генетики уже знали, что существует две разновидности нуклеиновых кислот: рибонуклеиновая кислота, или РНК, состоящая из четырех структурных веществ (гуанина, аденина, цитозина и урацила, или ГАЦУ), и дезоксирибонуклеиновая кислота, или ДНК, являющаяся основным компонентом хромосом. Ее элементы почти совпадают с компонентами РНК, только вместо урацила в ДНК присутствует тимин (ГАЦТ). Ученым было известно, что эти базовые компоненты можно разделить на две пары сходных органических веществ: аденин и гуанин являются пиринами, а цитозин и тимин – пиримидинами. Было понятно и то, что, связываясь, эти вещества образуют очень длинные молекулы. Первоначально генетики полагали, что РНК характерна для растений, а ДНК – для животных, но к началу 1930-х годов было обнаружено, что обе нуклеиновых кислоты равно распространены как в растительном, так и в животном мире. Тем не менее роль нуклеиновых кислот в ядре клетки все еще была неясна.

Фибус Аарон Левин, блестящий химик-органик, работавший в Рокфеллеровском институте, предположил, что ДНК и РНК имеют банальную структуру – идентичные группы из четырех компонентов повторяются и повторяются по всей длине молекулы. Это предположение называется тетрануклеотидной гипотезой. Разумеется, такая банальная молекула не могла служить основанием для сложнейшего процесса наследования. Как писал Хорас Фриленд Джадсон, «ученые с догматическим упорством придерживались мнения, что ДНК представляет собой всего лишь структурную подпорку, вешалку для рубашки, подрамник для шедевра Рембрандта, в то время как генетическим материалом должен быть белок».

Белки – это длинные молекулы, состоящие из более мелких органических соединений, называемых аминокислотами. В формировании белков участвуют 20 аминокислот, которые можно сравнить с буквами, составляющими алфавит. Если приравнивать гены к словам, то лишь сложные белки были бы в состоянии составить слова, пригодные для рассказа целой истории. Химики (а за ними и генетики) не без оснований полагали, что только такой уровень сложности может обеспечить создание шаблона памяти, требующегося для запуска процессов наследования. Джадсон назвал этот подход «белковой версией центральной догмы».

Именно этому духу времени и противоречил Эвери. Начиная с 1935 года он указывал в своих годовых отчетах перед правлением института, что трансформирующее вещество не содержит капсульных полисахаридов и, соответственно, не является белком.

Однако дальнейшего прогресса в этой области исследований не наблюдалось. Частично это объяснялось тем, что Дюбо, работавший в том же отделе, совершил прорыв в изучении антибиотиков. В 1925 году Александр Флеминг из лондонского госпиталя Святой Марии открыл потенциальный антибиотик пенициллин, но не смог довести работу до стадии эффективного производства в медицинских целях. Действуя в соответствии с библейским принципом «прах к праху», Дюбо первым начал исследовать почвенные микробы, которые потенциально могли атаковать полисахаридную оболочку пневмококков. К началу 1930-х годов ему удалось добиться прогресса. На клюквенном болоте в Нью-Джерси он обнаружил палочку, которая при помощи своей похожей на броню внешней оболочки разрушала толстую полисахаридную капсулу, окружавшую клетки пневмококков. Дюбо получил энзим, который выделяла эта палочка, и в 1930 году совместно с Эвери опубликовал в журнале Science статью о своем успехе. В последующих публикациях ученые рассказывали о дальнейших экспериментах, направленных на применение клюквенного энзима в лечении человека, а именно о потенциально смертельных пневмонии и менингите, вызываемых пневмококками.

Однако Дюбо и Эвери постоянно сталкивались с препятствиями в работе. Частично это объясняется тем, что многое в новаторской области исследований было им неизвестно. Более личной и серьезной проблемой был развившийся у Эвери из-за стресса тиреотоксикоз – подрывающее силы аутоиммунное заболевание, вызванное избыточной активностью щитовидной железы.

При тиреотоксикозе организм буквально затопляют тиреодные гормоны, и метаболизм начинает работать на износ, вызывая опасное переутомление. Эвери постоянно чувствовал дрожь, возбуждение, физическое и душевное беспокойство, он не мог расслабиться и страдал от нарушений сна. Для творческого человека находиться в таком состоянии невозможно. Ему пришлось на некоторое время уйти из лаборатории и лечь в больницу для удаления «токсичного зоба». Нужно сказать, что такая операция имеет высокий риск побочных эффектов и в некоторых случаях может привести к смерти пациента. Хирург рекомендовал Эвери в первое время после процедуры избегать любых физических и умственных нагрузок. Дюбо вспоминает, что Эвери не возвращался в лабораторию в течение полугода, а без него работа медленно угасала. Дюбо писал: «Я занимался [своим исследованием] три или четыре года, но не смог продвинуться в нем достаточно далеко, потому что и в моих знаниях в области генетики и биохимии, и в состоянии самих этих наук имелись серьезные пробелы».

Однако, несмотря на трудности, Дюбо продолжал работу, и в 1939 году его старания были вознаграждены – ученому удалось открыть первый антибиотик на основе почвенных микроорганизмов, названный грамидицином. Однако грамидицин нельзя было принимать перорально или вводить в виде инъекции из-за его высокой токсичности. Единственной областью его применения были заболевания кожи. Дюбо продолжил исследования, а затем совершенно внезапно пальму первенства в этой области перехватил конкурент Дюбо и Эвери. Доктор Герхард Домагк, работавший в лаборатории компании Bayer в Эльберфельде, заявил об открытии нового антибактериального агента – пронтозил. Этот первый из так называемых сульфаниламидных препаратов был немедленно включен в арсенал медиков и стал применяться в лечении ряда инфекционных заболеваний, ранее считавшихся смертельными.