Расшифровка нашего генома

Что дало науке знание генома? Раньше каждый ученый исследовал свой любимый ген в отрыве от остальных. Лишь после расшифровки полного генома у биологов появилась возможность изучать их в контексте более широкой картины: на организм, или, по крайней мере, на его геном стало возможным взглянуть в целом. У разрозненных теорий и моделей появилось объединяющее начало, которое привело к тысячам открытий в биологии последних лет – от стволовых клеток до противораковых препаратов.

Но с функциональной точки зрения ДНК сама по себе ничего не значит. Геном – это, упрощенно говоря, лишь чертеж, напрямую или опосредованно описывающий структуру всех молекул РНК и белков, необходимых для жизни и работы каждой клетки в организме. И если во всех клетках организма ДНК (за редкими исключениями) одинакова, то набор РНК и белков между тканями и органами может различаться очень сильно. Клетки сердца пользуются одними молекулами, мозга – совсем другими. Поэтому изучать белки на уровне целого организма – куда более сложная задача, чем изучать геном. Результат расшифровки генома должен быть одинаковым независимо от источника ДНК. А в случае с белками часть из них может встречаться настолько редко, что найти их практически невозможно. Что совершенно не означает, будто эти белки не играют никакой роли в развитии болезней или в нормальном функционировании организма.

Ситуация осложняется еще и тем, что белки, в принципе, гораздо сложнее «расшифровать», чем ДНК. При «чтении» генома ученые используют способность ДНК объединяться в двойные спирали: каждая из нитей однозначно определяет строение второй, как негатив и позитив. Это используется при делении клетки, когда цепи сначала разделяются, а потом достраивают недостающую пару. Имитируя такое достраивание, ученые и вычисляют последовательность «букв», нуклеотидов в ДНК.

Белки же удваиваться не умеют, поэтому методы расшифровки аминокислотных последовательностей белков гораздо менее эффективны, чем для ДНК. Лишь в последние несколько лет новое оборудование и, опять-таки, знание генома (ведь все белки в конечном итоге прописаны в генах) позволили поставить решение этой задачи«на конвейер».

Сегодня первичная структура белков расшифровывается методом масс-спектрометрии. Сильно упрощая, этот метод можно представить следующим образом: молекулам белка дробится на небольшие фрагменты, обладающие уникальным зарядом и массой. Эти фрагменты «выстреливаются» из плазменной пушки в сторону детектора, который позволяет замерить, с какой скоростью тот или иной фрагмент преодолевает заданное расстояние. По этой скорости машина рассчитывает массу белкового фрагмента, что позволяет определить и его состав. Этот состав «переводится» на «язык» ДНК и сравнивается с данными генома. Найдя соответствие, можно вычислить белок, из которого появился данный фрагмент. Проделывая миллиарды таких операций, масс-спектрометры, в конечном итоге, вычисляют все белки, содержащиеся в пробе.

И вот, в конце мая сразу две научные группы объявили о «черновой» расшифровке протеома человека. Из почти 20 тыс. белков, предсказанных на основе анализа генома, было обнаружено почти 90%. Многие из белков присутствовали только в одном из 20 органов и тканей, проанализированных учеными, и значительная часть из них прежде никогда не была описана.

На сегодняшний день трудно сказать, как именно повлияет расшифровка протеома на развитие биологии. Но, как и геном человека, протеом почти наверняка станет важнейшим инструментом науки будущего. Подрастающим поколениям биологов предстоит понять, для чего нужны тысячи ранее неизвестных белков, а медикам – как их можно использовать на благо человечества.

Проект “Геном человека», в ходе которого была расшифрована последовательность всей человеческой ДНК, занял десятьnлет и стоил 3 млрд долларов. В 2003-м году, когда результаты проекта были формально переданы в публичный доступ, даже среди биологов звучали пессимистические заявления относительно важности расшифровки генома. На старте проекта в 1990-х – говорили критики масштабной научной инициативы – казалось, что знание генома мгновенно решит все проблемы человечества, от рака до старения. Но когда гигантская база данных оказалась в руках ученых, их ждало разочарование. Чуда не произошло, никаких ошеломляющих прорывов знание генома не принесло: этот «чертеж» организма надо еще научиться читать.
Но сегодня, по прошествии десяти с лишним лет, голоса критиков давно забыты. Биология просто не может существовать без знания человеческого генома. Равно как и генома мыши, бактерии Escherichia соli, пекарских дрожжей, мухи-дрозофилы, червя Caenorhabdilis elegans и прочих классических биологических объектов. После века генетики наука вступила в эру геномики – и если в 2003-м году было непонятно, что это значит, то сегодня это – основа биологической науки, как геном – основа жизни вообще.