Kitobni o'qish: «Мальчик, который не переставал расти… и другие истории про гены и людей»

В книге упоминаются социальные сети Instagram и/или Facebook, принадлежащие компании Meta Platforms Inc., деятельность которой по реализации соответствующих продуктов на территории Российской Федерации запрещена.

Переводчик Мария Елифёрова

Научный редактор Мария Осетрова

Редактор Валентина Бологова

Издатель П. Подкосов

Руководитель проекта И. Серёгина

Ассистент редакции М. Короченская

Корректоры Е. Сметанникова, С. Чупахина

Компьютерная верстка А. Фоминов

Художественное оформление и макет Ю. Буга

Фото на обложке Shutterstock

© Edwin Kirk, 2020

This edition is published by arrangement with Curtis Brown UK and The Van Lear Agency

© Издание на русском языке, перевод, оформление. ООО «Альпина нон-фикшн», 2022

Все права защищены. Данная электронная книга предназначена исключительно для частного использования в личных (некоммерческих) целях. Электронная книга, ее части, фрагменты и элементы, включая текст, изображения и иное, не подлежат копированию и любому другому использованию без разрешения правообладателя. В частности, запрещено такое использование, в результате которого электронная книга, ее часть, фрагмент или элемент станут доступными ограниченному или неопределенному кругу лиц, в том числе посредством сети интернет, независимо от того, будет предоставляться доступ за плату или безвозмездно.

Копирование, воспроизведение и иное использование электронной книги, ее частей, фрагментов и элементов, выходящее за пределы частного использования в личных (некоммерческих) целях, без согласия правообладателя является незаконным и влечет уголовную, административную и гражданскую ответственность.

* * *

Посвящается моим родителям Робину Энфилду Кёрку и Розали Саксби.

С любовью и благодарностью за гены и воспитание

От автора

В этой книге содержится ряд историй пациентов, которых я наблюдал. Чтобы сохранить врачебную тайну, мне пришлось внести в них значительные изменения, порой объединяя факты из жизни двух разных людей. Все истории основаны на реальных событиях, однако я постарался сделать так, чтобы по описаниям, приведенным здесь, невозможно было опознать ни одно конкретное лицо. Исключения составляют случаи, когда информация о пациенте уже была обнародована в медицинской литературе, тогда я обычно сохраняю ключевые элементы опубликованной версии. Я также излагаю истории некоторых людей, которые не являлись моими пациентами, в частности Джесси Гельсингера и Маккензи Каселлы. Оба последних случая уже получили широкое освещение в СМИ. Изложение биографии Маккензи в 11-й главе приводится с ведома и согласия ее родителей.

Предисловие
Конец – и начало

Генетике случается заносить меня в самые неожиданные места¹. Подвал, набитый сотнями ящиков с мышами. Мечеть в Пакистане и еще одна мечеть, в пригороде Сиднея. Банкетный зал, в котором собрались сотни людей, причем перед каждым стоят две рюмочки с ядом.

Однако, как правило, в жизни генетика нет ничего такого, что могло бы показаться случайному наблюдателю экзотикой. Мы посвящаем много времени совещаниям и работе с документами. Как все медики, мы осматриваем пациентов в кабинетах клиник или больничных палатах. Стандартное офисное оборудование занимает в наших лабораториях не меньше места, чем высокотехнологичные приборы. И даже эти приборы выглядят не слишком впечатляюще. Порой среди них попадаются образцы футуристического стиля, но в основном наше оборудование явно выполнено в стиле промышленного дизайна типа «унылый серый ящик».

И все же внешность обманчива. В генетике происходят удивительные вещи: тихая революция уже произвела коренные изменения в некоторых областях медицины, а вскоре затронет и остальные. В ближайшие годы секвенирование вашего генома станет обыденной процедурой. Велика вероятность, что вы проделаете ее буквально на днях, если уже не проделали. Через одно-два десятилетия ваши генетические данные будут заноситься в карту лечащим врачом, так же как показатели кровяного давления, вес и назначенные лекарственные препараты.

Стандартный вопрос, который задают на собеседованиях: «Каким вы себя представляете через десять лет?» Если задать этот вопрос специалисту по медицинской генетике, то может сложиться впечатление, что через десять лет эта профессия окажется вымирающей – не потому, что генетика утратит свое значение, а, напротив, потому, что ее значение неимоверно возрастет и владение этой областью знаний станет обязательным для каждого врача, так что медик, специализирующийся лишь на генетике, будет никому не нужен. Подобные предсказания я слышу уже почти четверть века, но сейчас они как никогда далеки от того, чтобы сбыться. В действительности лишь немногочисленные специалисты – в первую очередь неврологи, а также некоторые кардиологи, эндокринологи и т. п. – освоили генетику, большинство же врачей слишком заняты освоением новых достижений в собственных областях, чтобы попытаться уследить за нашей. Тем временем численность врачей нашей специальности неуклонно растет, но, так как изначально нас было совсем мало, мы пока еще, можно сказать, не слишком заметны. Даже у других медиков представления о том, чем занимаются генетики, зачастую весьма смутны.

Так чем же мы занимаемся? Мы нетипичные медики: круг наших пациентов не ограничивается одной возрастной группой или людьми с заболеваниями определенного органа. Иногда мы участвуем в жизни людей еще до того, как они будут зачаты, иногда – до того, как они родятся. Мы наблюдаем младенцев, школьников и взрослых, надеющихся обзавестись детьми. Мы обследуем дедушек и бабушек, если наследственное заболевание проявилось у них в старости или если необходимо отследить поломку гена в семье и определить, кто из ее членов подвержен риску. Порой свой первый генетический тест человек проходит уже после смерти. Как говорит мой коллега Дэвид Моват, наша работа состоит в том, чтобы сопровождать человека не просто «от утробы до гроба» (как терапевт), а «от сперматозоида до червя».

То общее, что объединяет всех наших пациентов, – это, разумеется, гены, и в особенности наследственные заболевания. Мы пытаемся дать ответы на фундаментальные вопросы. Как родить здорового ребенка? Отчего у моего ребенка проблемы с сердцем? Проявится ли у меня хорея Хантингтона, как у моего отца и деда?

Задавая подобные вопросы, люди впускают нас в свою жизнь – нередко в пору непростых переживаний, в пору горя и утраты. За время моей профессиональной деятельности мне выпала честь принимать участие в жизни тысяч людей. К счастью для меня, эта эпоха также стала периодом небывалого прорыва в нашем понимании генетики, веком открытий, постоянно набирающих темп.

Для меня новая эпоха началась в середине 1990-х гг. Тогда я работал врачом-ординатором в реанимационном отделении детской больницы в Сиднее. Среди моих пациентов был крошечный младенец – девочка с врожденным пороком сердца и задержкой роста, которая как будто не желала дышать самостоятельно. Жизнь в ней поддерживали аппараты.

Пришли результаты генетического анализа, и понадобилось организовать встречу больничного специалиста по медицинской генетике с родителями, чтобы сообщить им о результатах. На таких встречах обычно присутствует сотрудник реанимационного отделения. Так как по воле случая этим сотрудником оказался я, мне пришлось стать свидетелем того, как молодые отец и мать получают самую горестную весть в своей жизни.

Тем самым специалистом по медицинской генетике оказалась доктор Анна Тёрнер. Впоследствии она вошла в число моих коллег и ближайших друзей. Анна отличается остроумием, добротой, преданностью и жизнелюбием, она неутомимая путешественница, любящая мать, а теперь и сверхзаботливая бабушка. Но в ту пору я знал ее лишь как старшую по должности во врачебной иерархии, как уважаемого специалиста в узкой и не совсем понятной мне области медицины.

В отличие от меня, Анна не помнит той нашей первой встречи, потому что тогда ее мысли занимала тяжелая обязанность, которую ей предстояло выполнить. Она пришла сказать родителям, что их дочь вскоре умрет.

Анализ показал, что у девочки присутствовала лишняя копия 13-й хромосомы – заболевание, известное как синдром Патау. У детей с этим заболеванием низкая масса тела и часто бывают пороки сердца, дефекты развития мозга или другие нарушения здоровья. Их мозг полноценно не функционирует, вплоть до того, что не может обеспечить способность нормально дышать. Подавляющее большинство младенцев с синдромом Патау умирает в первый год жизни, чаще всего – в первые дни или недели после рождения. У тех немногих, кому удается выжить, наблюдаются тяжелая умственная отсталость и другие проблемы со здоровьем.

Диагноз объяснял все проблемы, с которыми мы пытались, но не могли справиться, – а для малышки, не способной самостоятельно дышать, он прежде всего означал, что прогноз неутешительный.

Трудно приносить дурные вести. Потрясение и скорбь, которые переживают родители, получив такое известие о своем ребенке, глубоки и невыносимы для присутствующих с ними в одной комнате. Особенно тяжело приходится тому, кто вынужден сообщить эту весть, отчасти из-за невозможности отделаться от ощущения, что это он – виновник их горя. Иногда вы успеваете узнать и полюбить людей, которым сейчас причиняете боль, но, даже когда речь идет о тех, кого вы впервые видите… это непросто.

Почему же тот случай толкнул меня на путь занятий генетикой, а не отвратил от него? Главным образом, я думаю, меня вдохновил подход Анны. Прямота и уверенность в ней уравновешивались теплотой и тактичностью. Она объяснила, что такое хромосома, что значит иметь лишнюю хромосому и что это сулит малышке. Один из родителей спросил, можно ли исправить проблему, удалив лишнюю 13-ю хромосому. Анна терпеливо разъяснила, что проблема кроется в каждой клетке организма ребенка, что так было с самого зачатия и устранить это совершенно невозможно. Она слушала, когда надо было слушать, и говорила, когда надо было говорить. Она понимала любовь родителей к дочери и боль, которую они переживали. Но не подавала ложных надежд. В тот день Анна продемонстрировала мне, как надлежит вести себя врачу в пространстве, где пересекаются новейшая наука и истинная человечность.

Внутри нас – целая вселенная. Вместо планетарных систем в ней клетки, вместо звезд – клеточные ядра, а вместо планет, спутников, комет и астероидов – мельчайшие внутриклеточные структуры. Генетика – гравитация, скрепляющая эту вселенную.

Цель моей книги – показать гуманистическое начало в генетике человека на примерах историй тех, в чьей жизни она сыграла особо важную роль. Если вас интересует наука, смело читайте дальше: генетика на данный момент самая увлекательная из современных наук, и на страницах этой книги вас ждет немало научных сведений.

Однако история генетики человека – это в первую очередь человеческая история. Она складывается из историй людей, на жизнь которых влияет генетика, – на самом деле, конечно, она влияет на всех, но на некоторых сказывается более заметно и более жестоко, чем на всех прочих. Это история той малышки, обреченной с самого момента зачатия. Это история исследовательницы, которая в своей лаборатории взглянула в микроскоп и прочитала судьбу девочки, записанную языком клеток. Это история Анны – и моя собственная. Это история людей, которые впервые узнали, что такое хромосома и какое она может иметь отношение к болезни.

И может быть, в первую очередь это история молодых родителей, убитых горем, но вооруженных знанием и пониманием, которые дали им возможность смотреть в будущее.

1
Проще, чем кажется

В изложении профессора Кёрка генетика – это просто, как А, Ц, Г, Т.

ШЕЙМАС КЁРК²

Мой друг и коллега Стив Уитерс, сам генетик, нередко отзывается о людях так: «У него мозг размером с целую планету». Многие думают, что для понимания генетики нужен весьма внушительный череп. Эта дисциплина считается мудреной… и совершенно зря. Генетике присуща удивительная ясность. Если к окончанию старших классов вы достаточно хорошо помните математику на уровне начальных, у вас не будет никаких трудностей с пониманием азов генетики.

Почему медицинская генетика считается трудной наукой? Возможно, всего лишь потому, что в ней задействовано множество деталей – тысячи всевозможных расстройств здоровья, различающихся по степени тяжести, причем многие из них комбинируются друг с другом. Чтобы как следует разбираться в наследственных заболеваниях, нужно иметь некоторые представления о том, как работает клетка, и здесь тоже очень много тонкостей. Это огромный массив информации, однако каждый ее элемент в отдельности доступен для понимания любому человеку.

Вот доказательство: едва ли не самое важное в генетике – это связь между ДНК и белками. Оно напоминает соотношение между буквами и словами, но устроено гораздо проще. Факты таковы.

Белки образуют основной «материал» организма – они являются строительными кирпичами клеток и межклеточного пространства. Всякий раз, когда вашему организму требуется выполнить какую-то работу, он поручает ее белкам. Если бы вашим клеткам понадобилось сконструировать машину, все ее механические и электрические компоненты состояли бы из белков, как и гараж, в который вы ее поставите, – дело не ограничивается подвижными частями. Сами же белки состоят из аминокислот.

ДНК – молекула³, которая содержит информацию. Эта информация записана алфавитом, состоящим лишь из четырех букв: А, Ц, Г, Т. Они обозначают азотистые основания (аденин, цитозин, гуанин и тизин соответственно); это важные составляющие нуклеотидов, химических «кирпичиков» ДНК. В отличие от языков, на которых мы говорим, язык ДНК содержит всего 21 слово⁴. Каждое из этих слов записывается тремя нуклеотидами – это триплетный код. Для вашего собеседника последовательность букв АГА означает утвердительное междометие, однако на языке ДНК последовательность АГА означает аминокислоту аргинин. В этом языке имеются обозначения для 20 аминокислот, а 21-е слово означает «стоп». Ген – это отрезок ДНК, кодирующий определенный белок, то есть последовательность триплетов, которые командуют: «Сюда поставить гистидин. Затем глицин. Затем пролин. Отлично, а теперь стоп».

Нуклеотиды можно представить себе как буквы, аминокислоты – как слова, записанные ими, а гены – как предложения. Каждое предложение объясняет, как синтезировать тот или иной белок, а каждая молекула ДНК содержит много таких предложений. Это инструкция по постройке частей организма.

Вот она – фундаментальная основа генетики. Это куда проще, чем навык чтения, которому мы учим шестилетних детей. Более того, нет необходимости по-настоящему учить этот язык – достаточно знать, что этот язык в принципе существует, и понимать, как он устроен. Проработав в области генетики свыше 20 лет, я помню наизусть лишь три-четыре слова из этого кода. Остальные можно при необходимости посмотреть в таблице.

В генетике нет понятий сложнее, чем те, с которыми вы только что познакомились, тем более если они вам уже были знакомы. Остальное – всего лишь детали.

К счастью, генетика не только проста, но и увлекательна. Возьмем, например, хромосомы.

Хромосомы – материальная форма, которую наша ДНК принимает внутри клеток, – воистину удивительные структуры. Скорее всего, вы уже видели их на картинках, но на всякий случай вот пример.

Это особенно удачный пример набора хромосом – ведь они мои. Одним из неочевидных плюсов изучения генетики в прежние времена была возможность использовать в качестве препарата для исследований собственные хромосомы, а кто откажется от такой возможности? Теперь студентам этого не разрешают из опасений, что они могут обнаружить что-нибудь для себя нежелательное. Жаль. В созерцании собственного генома через микроскоп есть нечто чрезвычайно отрадное. Мне кажется, это немного напоминает просмотр видеозаписи работы собственного сердца после операции, причем ради съемок не нужно вскрывать грудную клетку.

Геном – совокупность генетической информации организма, и он имеется у всего живого – у вас, у меня, у слизня, у синего кита, салатных листьев, которые вы ели за обедом, у микробов под ногтями обслуживающего вас официанта⁵. Геномы есть у бактерий, есть у протистов и грибов; есть они и у вирусов. И у всех, начиная от бактерий и выше, геном упорядочен в виде хромосом. По количеству хромосом существует огромный межвидовой разброс, и нет четкой связи между тем, насколько сложно устроен организм, и тем, сколько у него хромосом. У бактерий, как известно, всего одна или две хромосомы, небольшие, кольцевой формы. У самцов черного муравья-бульдога – существ гораздо более сложно организованных, чем бактерии, – тоже лишь одна хромосома. А у бабочки-голубянки вида Polyommatus atlantica – целых 450 хромосом!

Хромосомы, которые вы видите на картинке, запечатлены в весьма специфический момент своего существования, а именно в процессе деления клетки, когда их изучать легче всего. Хромосомы уплотнены и легко различимы как отдельные структуры. У людей (как правило) 23 пары хромосом. Они представляют собой 46 длинных тонких нитей ДНК общей протяженностью около 2 м, и такой набор имеется в каждой из триллионов клеток вашего организма. Может показаться, что 2 м – это немного, но вспомним, что в среднем размер клеточного ядра, которое содержит почти всю ДНК клетки, всего шесть миллионных долей метра в поперечнике. Если бы ядро было размером с вашу гостиную, а ДНК была веревкой, то у вас в гостиной оказалось бы около 1000 км веревки – достаточно, чтобы протянуть от Лондона до Берлина или от Сан-Франциско до Портленда.

Большую часть времени эта веревка не собрана в компактные мотки, которые вы видите на рисунке. Это тонкая паутинка, которая вьется, пронизывая ядро, причем не как попало, а упорядоченно: она обернута вокруг белков, называющихся гистонами. Такое сочетание ДНК и белка называется хроматином и служит основой жизни.

ДНК, как известно, несет информацию об организме. Она передает ее через поколения и через века. Ваша ДНК – результат непрерывной цепочки событий, которая длится уже миллиарды лет. Она копируется раз за разом, неуловимо изменяясь в ходе этого процесса, начавшегося с первых примитивных живых существ, которые возникли в каком-то теплом, мелководном, давно забытом море. ДНК прошла через множество разнообразных форм – через млекопитающих, через предков человека, через всю историю человечества – вплоть до вашего зачатия и несет в себе память о долгом путешествии. Мы можем что-то забыть, но гены помнят все.

Если вы какое-то время поработаете в области генетики, каждая хромосома для вас приобретет свой особый характер – не то чтобы личность, но некий набор ассоциаций, которые приходят на ум, когда кто-то упоминает ту или иную хромосому. У первой есть светлый участок вверху – его хорошо видно на иллюстрации. Удалите этот участок у одной из двух копий при зачатии, и получится ребенок с умственной отсталостью и характерной внешностью: глубоко посаженными глазами и низко расположенными ушами. На 7-й хромосоме расположен ген муковисцидоза, за открытие которого, а также научное признание и награды велась настоящая гонка (победителем стал Лап-Чи Цуй⁶, канадский генетик китайского происхождения, на тот момент работавший в Торонто). На 17-й можно отыскать BRCA1 – один из генов, связанных с раком молочной железы. История охоты за BRCA1 не столь благостна, и ее последствия все еще аукаются в судебных процессах по интеллектуальным правам и патентам, а также в жизни людей. 15-я хромосома связана с синдромом Прадера – Вилли и синдромом Ангельмана, двумя совершенно различными заболеваниями, навсегда сцепленными вместе, словно странная пара в танце. В человеческом геноме есть участки, где гены помнят, от какого из родителей они унаследованы, и включаются или выключаются соответственно. Один такой участок находится как раз на 15-й хромосоме. Хромосомы 13, 14, 15, 21 и 22 – акроцентрические: их перетяжка расположена не посередине, а почти вплотную к одному из концов. Иногда они сливаются друг с другом этими концами – происходит так называемая робертсоновская транслокация. Y-хромосома – умирающая, своего рода пустошь, усеянная трупами сломанных генов. В ее существовании практически нет смысла, однако она все еще барахтается.

Хромосомный анализ, или кариотипирование, стал первым видом генетического анализа. До кариотипирования существовали другие медицинские анализы, позволявшие выявить наследственные заболевания, например исследование под микроскопом тонкого слоя крови для диагностики серповидно-клеточной анемии. Но это был первый чисто генетический анализ. Более того, это был первый и долгое время единственный геномный анализ – исследование всей совокупности генома отдельного человека, позволяющее выявить все отклонения одним махом. Это, так сказать, обзор с высоты птичьего полета, которому, по современным меркам, недостает точности, но он выдержал испытание временем и в наши дни все еще используется.

Меня всегда занимало, как человеческий опыт надстраивается над новой технологией. Возьмем, например, авиацию. Едва ли не сразу после изобретения управляемого полета в авиации сформировались собственные прописные истины: «авиация, навигация, коммуникация»⁷; «бывают старые летчики, бывают лихие летчики, но не бывает старых лихих летчиков»; «самые бесполезные вещи для пилота – высота над самолетом и взлетно-посадочная полоса позади».

То же происходит с цитогенетикой (изучением хромосом) и даже с новейшими генетическими технологиями. Существуют известные ловушки для новичков. «Мы так всегда делали (и у нас всегда получалось, так зачем что-то менять?)». И хотя эта область науки молода, в ней есть свои традиции.

Одна из составляющих такой традиции – названия тех или иных частей хромосом. Посмотрите на картинку, и вы увидите, что у некоторых из них в определенном месте есть перетяжка. Это центромера – структура, фиксирующая и направляющая хромосому во время клеточного деления. Она никогда не располагается строго по центру хромосомы, а следовательно, делит ее на короткое плечо и длинное плечо, которые обозначаются, соответственно, буквами p и q.

Почему именно p и q? В 1966 г., на заре кариотипирования, в Чикаго была созвана конференция⁸ для обсуждения стандартизации в описании хромосом. Постановили, что короткое плечо будет обозначаться буквой p – от французского petit «маленький». Обсуждался вариант обозначения буквой s – от английского short «короткий», но французский цитогенетик Жером Лежён явно обладал даром убеждения. А возможно, это была тактическая уступка со стороны тех, кто хотел оставить название длинного плеча за собой.

К тому времени, когда насчет p удалось договориться, уже близилась ночь. Англоговорящие участники конференции лоббировали в качестве обозначения длинного плеча букву l (от long «длинный»), но им указали, что ее трудно отличить от цифры 1. Никто не хотел отдавать французам оба плеча, так что обсуждение зашло в тупик. Выход нашел английский генетик Лайонел Пенроуз, предложивший букву q – потому, что она не дает привилегий какому-либо определенному языку, а также потому, что в другой области генетики существует знаменитое уравнение p + q = 1⁹ и по аналогии плечо p и плечо q будут составлять целую хромосому. На тот момент, по-видимому, всем уже осточертела дискуссия, и участники были рады возможности уладить спор и отправиться спать.

Разглядывая плечи хромосомы, цитогенетики научились распознавать закономерности расположения светлых и темных полос, которые возникают при взаимодействии вещества хромосомы с красителями для препаратов. Вы можете увидеть эти полоски на моих хромосомах. Мы уже рассматривали верхнюю часть (конец плеча p) 1-й хромосомы; прибавьте к этому тот факт, что первая хромосома – самая крупная, и вы безошибочно ее определите. Теперь взгляните на 7-ю – это хромосома среднего размера с заметной темной полосой ближе к концу плеча p. Вы уже не спутаете 1-ю с 7-й и сумеете отличить их в куче других хромосом. Поздравляю! Вы начинаете осваивать профессию цитогенетика.

Классификация хромосом по размеру, от 1-й до 22-й плюс хромосомы X и Y (хотя впоследствии оказалось, что 21-я на самом деле немного меньше 22-й), а также по наличию полос и более тонких разграничений внутри полос позволила составить систему адресов. Хромосому 1 разделили на участки 1p и 1q. Участок 1p, в свою очередь, делится на 1p1, 1p2, 1p3… и т. д., пока не получились современные адреса вроде 1p36.33 – номер хромосомы, плечо хромосомы, полоса (3), под-полоса (6), под-под-полоса (3) и даже под-под-под-полоса (3). Чем мельче единица, тем более высокое разрешение требуется и тем больше нужно профессионализма, чтобы ее разглядеть. Когда я начал заниматься генетикой, это был один из главных способов диагностировать наследственное заболевание: опытный ученый смотрел в микроскоп и замечал небольшое изменение – чего-то не хватает, что-то лишнее, что-то не на своем месте. Хороший цитогенетик способен замечать необычайно тонкие отличия от нормы.

Когда я начал этим заниматься, то не мог даже отличить одну хромосому от другой, ведь внутри клетки они не вытянуты в линеечку и не разложены по парам – на предметном стекле они выглядят лежащими как попало, под всеми возможными углами, зачастую друг на друге. Чтобы стать квалифицированным цитогенетиком, необходимо как минимум год глазеть в микроскоп на хромосомы под чутким руководством специалиста, и потребуется еще не один год, чтобы стать настоящим экспертом. А когда-нибудь – и возможно, очень скоро – благодаря технологическому прогрессу эта работа и эти навыки окажутся ненужными.

Немалую роль играет то, сколько у человека хромосомного материала. Избыток или недостаток может вызвать серьезные последствия. За исключением пережитка в лице Y-хромосомы, 21-я хромосома самая маленькая, и генов на ней меньше всего. И тем не менее наличие трех копий 21-й хромосомы вместо двух вызывает синдром Дауна – комплексное заболевание, поражающее едва ли не все системы организма. Наличие только одной копии 21-й хромосомы вместо двух вообще летально – плод погибает уже на ранних сроках вынашивания. Есть ряд других синдромов, связанных с целыми хромосомами. Например, у ребенка с лишней копией 18-й хромосомы возникает синдром Эдвардса¹⁰¹¹. А что влечет за собой лишняя копия 13-й хромосомы, мы уже знаем¹².

У нынешних карт хромосом долгая история. В ходе ранних цитологических исследований ученые обнаружили, что у кузнечиков имеются гигантские первичные половые клетки (из которых образуются либо яйцеклетки, либо сперматозоиды) и, соответственно, гигантские хромосомы, что облегчало их изучение в эпоху, когда микроскопы были маломощными и непростыми в использовании. К началу XX в. установили связь между хромосомами и наследственностью. Но лишь десятилетия спустя это многообещающее начало получило продолжение и появилось первое твердое доказательство связи между хромосомами и человеческими заболеваниями. До середины XX столетия не было даже известно, сколько хромосом у человека. Считалось, что их должно быть 48, а не 46, и все наблюдатели насчитывали именно 48 хромосом.

Самый знаменитый пример ошибки эксперимента, давшей замечательные результаты, – открытие пенициллина Александером Флемингом. Флеминг, будучи уже известным исследователем, занимался изучением золотистого стафилококка. Он уехал в отпуск, а вернувшись, обнаружил, что в чашку Петри с культурой бактерий, оставленную им в лаборатории (знаменитой царившим в ней беспорядком), проникла плесень и что вокруг колоний плесени образовались участки, где бактерии отсутствовали. Флеминг добился некоторых успехов в исследовании свойств пенициллина, в том числе предпринял робкие попытки выделить это вещество и разработать способ его применения в медицине, но решил, что дело, скорее всего, бесперспективное, и забросил это направление исследований. Задачу по созданию лекарства, применимого на практике, пришлось осуществлять другим – в первую очередь Говарду Флори (австралийцу) и Эрнсту Чейну (британцу, родившемуся в Германии). Причем, хотя Флори и Чейн разделили с Флемингом Нобелевскую премию, их вспоминают куда реже, чем самого Флеминга.

Казалось бы, Тао-Чиу Сюй, который совершил такое же случайное открытие, оказавшее огромное влияние на всю медицину, и который к тому же сумел успешно развить его и дать ему применение, должен был бы стать не менее знаменит, чем Флеминг. Один из капризов истории науки состоит в том, что не всех первопроходцев в равной мере славят за их вклад – вот почему вы знаете, кто такой Флеминг, но едва ли слышали о Сюе.

По правде говоря, это прискорбно, поскольку Сюй был не только великим первооткрывателем в науке, но и замечательной личностью; о нем стоило бы снять хотя бы один фильм. На сайте Американской конференции цитогенетиков с дивным адресом chromophile.org есть его фотография. Она была сделана в 2000 г. В руках у Сюя только что учрежденная АКЦ Премия выдающемуся цитогенетику – непонятная стеклянная штуковина. На снимке Сюй выглядит добродушным старичком. Но за полвека до того, как был сделан этот снимок, он был молод и одержим духом приключений. В начале 1950-х гг. Сюй уехал из Китая, совсем непохожего на Китай нашего времени, изучать плодовых мушек (знаменитый вид Drosophila melanogaster, столь любимый генетиками, в отличие от садоводов) в Техасской лаборатории исследования дрозофил в Остине. Техас много чем знаменит. В числе его достопримечательностей Космический центр в Хьюстоне, стадион «Коттон Боул», миссия Аламо. Будь мир устроен разумнее, Техасская лаборатория исследования дрозофил затмила бы славой любую из них.

Многие годы спустя в «мини-автобиографии», опубликованной в American Journal of Medical Genetics, Сюй восторженно отзывался об открытости Америки, в которую он приехал, и о готовности каждого встречного помочь ему. Он рассказывает, что за все время лишь один раз столкнулся со случаем расизма. По пути с Юга на конференцию в Нью-Гемпшире Сюй нарушил правила дорожного движения, развернувшись через сплошную линию на оживленной трассе, потому что пропустил свой поворот. Один рассерженный таксист притормозил и высказал свое мнение: «Куда прешь, чертов конфедерат!»

Сюй приехал из технологически отсталой страны, где автомобили были редкостью. Из глубокого тыла науки он бросился на передовую в генетике, где ему предстояло удерживать позиции в течение будущих десятилетий.

Ошибка эксперимента в данном случае произошла в 1956 г. и была связана с изготовлением растворов, необходимых для изучения хромосом. Ассистент неправильно прочитал инструкцию и слишком сильно разбавил один из реактивов водой, так что раствор получился слишком слабым. От этого клетки разбухли и хромосомы разделились. И если раньше они представали на предметном стекле в виде спутанного комка, то теперь их стало гораздо легче различить. Сюй ухватился за эту счастливую случайность, определил, в чем состояла столь продуктивная ошибка¹³ и как воспроизвести данный эффект, а затем опубликовал результаты.

Почти сразу после этого Джо Хин Чио (которого помнят, по крайней мере в кругу генетиков) и Альберт Леван (о котором почти забыли) сумели применить данный метод для доказательства того, что у человека 46 хромосом, а не 48. Не умея даже правильно сосчитать хромосомы, нельзя надеяться выявить хромосомные аномалии. Теперь такая возможность появилась, и вскоре, в 1959 г., команда французских ученых (тот самый Лежён, который лоббировал букву p, совместно с Мартой Готье и Раймоном Турпеном) сообщила о лишней копии 21-й хромосомы, обнаруженной в клетках детей с синдромом Дауна. Это проложило путь к открытию многих других хромосомных патологий. Что еще важнее, усовершенствование методов цитогенетики дало возможность правильно идентифицировать отдельные хромосомы и создавать точные генетические карты. Проект «Геном человека» и львиная доля современной генетики обязаны своим существованием оплошности, допущенной в лаборатории Сюя.

Тем временем наступил долгожданный прорыв в изучении ДНК: в 1953 г. вышла статья Уотсона и Крика (на основе экспериментальных данных Розалинд Франклин), где описывалось строение ДНК – знаменитая двойная спираль. Их работа пролила свет на связь между ДНК и белками, о которой говорилось в начале этой главы.

Так совместными усилиями Сюя, Уотсона, Крика и множества их предшественников генетика двигалась вперед.

2
Банкет в честь ДНК

 
Но кое-кто из смертных все же ищет
На праведном пути тот ключ златой,
Которым двери в вечность отпирают.
 

ДЖОН МИЛЬТОН¹⁴

Я задумчиво разглядывал две стоящие передо мной стеклянные стопки, наполненные до середины. Они красовались на маленькой деревянной подставке, располагавшейся сразу за моей десертной ложкой. Тот же набор был приготовлен для каждого, кто сидел за столом. Я еще не допил аперитив, и мне не особенно хотелось сразу хвататься за эти стопки, но вместе с тем в воздухе витало праздничное настроение, и я невольно испытывал легкий соблазн.

Впрочем, даже к лучшему, что ни я, ни кто-либо из толпы гостей в огромном банкетном зале отеля не поддался искушению. Это парадное мероприятие – 50-я годовщина открытия двойной спирали ДНК – предстало бы в совсем ином свете, если бы кто-то из гостей оказался отравлен.

Банкет в честь открытия ДНК стал кульминационным событием XIX Международного конгресса генетиков, проходившего в Мельбурне (Австралия) в 2003 г. Его организаторами были люди с живым умом, не страшившиеся возможных последствий. В итоге получился незабываемый, пусть и немного рискованный, вечер. Стены, что вполне ожидаемо, были увиты огромными спиралями из воздушных шариков. Присутствовал, однако, и элемент неожиданности: отвечающие за украшение зала сочли, по-видимому, что двойная спираль смотрится не слишком впечатляюще, так что в результате гирлянды были скручены в виде тройной спирали¹⁵. Фрэнсис Коллинз, руководитель проекта «Геном человека», спел под гитару Happy Birthday to You… геному человека.

И в довершение всего, перед каждым из гостей стоял яд.

Справедливости ради надо сказать, что это была блестящая идея (если не принимать во внимание потенциальный вред). Одна из стопок содержала почти готовый экстракт ДНК растения. В другой был последний реактив, необходимый для того, чтобы завершить экстракцию. В начале вечера (возможно, как раз вовремя, чтобы избежать неприятных последствий) ведущий дал нам команду перелить содержимое одной стопки в другую – и на наших глазах ДНК выпала в осадок. Она была здесь, перед нами, – волшебная субстанция, ради которой мы все и собрались.

Вы можете собственноручно выделить ДНК в домашних условиях, используя подручные средства (из которых ядовито только одно). Говорят, поваренные книги хорошо продаются, – так что вот вам рецепт.

Ингредиенты:

● клубника (достаточно двух или трех штук, в зависимости от размера);

● вода;

● соль;

● жидкость для мытья посуды;

● медицинский антисептик (70 %-ный изопропиловый спирт), можно заменить денатуратом (техническим спиртом).

Инструкция:

1. Разведите одну чайную ложку соли на полчашки теплой воды.

2. Добавьте в соленую воду две чайные ложки жидкости для мытья посуды. Размешивайте аккуратно (смесь не должна вспениться).

3. Положите клубнику в пищевой пакет с замком и запечатайте. Как следует разомните клубнику руками через пакет.

4. Влейте соленую мыльную воду в пакет с клубникой.

5. Хорошенько перемешайте. Будьте аккуратны, не допустите вспенивания смеси.

6. С помощью кофейного фильтра отцедите смесь из пакета в стакан. Убедитесь, что в стакане достаточно жидкости. На данном этапе лучше не использовать высокий узкий стакан, потому что это осложнит жизнь при завершении опыта.

7. Осторожно влейте спирт в стакан по стенке в соотношении примерно 1:1 с клубничной смесью. Спирт образует слой сверху.

8. Теперь смесь ядовита. Не пейте ее.

9. Дайте ей отстояться. ДНК всплывет наверх, в спиртовой слой, в виде липкой белой массы.

Теперь, если угодно, вы можете взять деревянную шпажку и подцепить ею ДНК из стакана. Потрите ее несколько раз о стенку стакана – и вы увидите интересный эффект: комок на конце шпажки уменьшится. Если осторожно потянуть его вверх из раствора, он растянется от поверхности в длинную тонкую нить. ДНК липкая и притом может укладываться как плотно, так и свободно. При сокращении свободные витки ДНК сжимаются туже – она слипается сама с собой. «Нить» ДНК, которую вы вытащили из раствора, на самом деле состоит из множества отдельных нитей, которые слиплись друг с другом при вытягивании из стакана.

Я настоятельно рекомендую вам попытаться проделать такой опыт. Это особое блаженство – знать, что держишь в руках субстанцию жизни. Пусть даже на вид и на ощупь она напоминает сопли¹⁶.

В тот вечер на банкете в честь ДНК в центре внимания был Фрэнсис Коллинз – не потому, что пел под гитару (хотя и неплохо), а потому, что руководил проектом «Геном человека». За три года до этого события, 26 июня 2000 г., в Белом доме торжественно объявили о том, что человеческий геном секвенирован¹⁷. Мероприятие проводил президент США Билл Клинтон, а премьер-министр Великобритании Тони Блэр участвовал в нем по спутниковой связи. Коллинз и финансируемый государством проект «Геном человека» разделили в тот день славу с частной компанией Celera. Благодаря грандиозным усилиям этой компании под руководством ее президента Крейга Вентера секвенирование человеческого генома превратилось в соревнование, по итогам которого коммерческий и некоммерческий проекты успешно сыграли вничью.

Кто-то скажет, что с празднованием немного поторопились, поскольку на тот момент в последовательности нуклеотидов было очень много пробелов (не менее 150 000) и нерасшифрованными в ней оставались еще как минимум 10 %. В самом деле, 14 апреля 2003 г. снова объявили о том, что проект теперь действительно завершен, но даже тогда пробелы по-прежнему были. К 2004 г. удалось добиться гораздо большего, но все еще оставался 341 пробел¹⁸, и по сей день работа не совсем закончена.

Тем не менее на момент объявления о секвенировании генома в 2000 г. был получен хороший предварительный результат¹⁹ – и, строго говоря, именно об этом тогда и сообщили, то есть о завершении предварительной расшифровки. В большинстве случаев исследователи могли обратиться к этим данным, рассчитывая получить подробную информацию об интересующем их участке ДНК. Это было захватывающее время, и все же те из нас, кто занимался клинической медициной, по-прежнему не вполне понимали, для чего нам может пригодиться расшифровка генома.

В один прекрасный день на исходе 2001 г. нам на кафедру пришел пакет, который наглядно это подтвердил. В нем был диск с расшифровкой человеческого генома, присланный нам в подарок компанией Celera. Мы с воодушевлением вскрыли конверт, вставили диск в компьютер и принялись исследовать его содержимое. Однако тут же впали в ступор. Мы понятия не имели, как читать полученную информацию и как соотнести ее с данными наших пациентов. Как позже выяснилось, понадобилось еще больше десятка лет, чтобы работа с геномными данными стала обычной составляющей в практике клинической и лабораторно-диагностической генетики. Теперь я каждый рабочий день пользуюсь браузером геномов, разработанным в Калифорнийском университете Санта-Крус (UCSC Genome Browser)²⁰. В моей работе эта программа незаменима.

Так что же там, в геноме? Что именно я могу найти благодаря UCSC?²¹

Белое клейкое вещество, которое вы извлекли из клубники, состоит из четырех видов химических «кирпичиков» – нуклеотидов, важными составными частями которых являются азотистые основания: аденин, цитозин, гуанин и тимин²². Они обозначаются начальными буквами А, Ц, Г и Т (или A, C, G, T соответственно). В человеческом геноме примерно 3 млрд азотистых оснований. Обычно они объединены в пары, поскольку ДНК существует в форме двойной спирали. Эта двойная спираль состоит из двух отдельных нитей, комплементарных друг к другу. А (аденин) на одной нити соединяется водородными связями с Т (тимином) на другой нити, а Ц (цитозин) – с Г (гуанином), поэтому двойная спираль выглядит так:

* Gattaca («Гаттака») – название фильма-антиутопии 1997 г. о будущем генетических технологий, составленное исключительно из начальных букв азотистых оснований ДНК. – Прим. науч. ред.

Две нити направлены в противоположные стороны – у ДНК есть направление, связанное с порядком ее копирования (транскрипции) и трансляции при синтезе белков. Поэтому последовательность, комплементарная последовательности ГАТТАЦА, будет прочитана клеточным механизмом как ТГТААТЦ, а не ЦТААТГТ.

Три миллиарда оснований ДНК – это ужасно много. Для наглядности – вот фрагмент генетического кода человека:

Это один из моих любимых участков генома – кусочек гена TBX20, сыгравшего звездную роль в моей диссертации. Если печатать тем же шрифтом с тем же интервалом на бумаге формата A4 (с одной стороны), то для распечатки всего человеческого генома понадобится 781 250 листов. Допустим, каждый лист толщиной 0,1 мм; тогда вам понадобится стопка бумаги высотой более 78 м – ниже, чем статуя Свободы, но выше, чем Сиднейский оперный театр. Без ключа к расшифровке, конечно, все это будет лишь набором ничего не значащих букв. С ключом эта стопка бумаги откроет несметные научные сокровища.

Так что же является ключом? И что скрывается в геноме? Как выясняется, ключ тут не один, здесь нужен скорее целый набор ключей. ДНК способна поведать много историй, если уметь их читать.

Мы уже говорили в предыдущей главе, что наши хромосомы образуют пары²³ просто потому, что половину генетической информации вы получаете от мамы, а половину – от папы. В свою очередь вы передаете каждому из детей также половину своих хромосом. Таким образом, одна копия первой хромосомы получена от мамы, другая – от папы, и так со всеми хромосомами. Первая хромосома самая крупная. Она состоит примерно из 250 млн нуклеотидов, и на ней располагается свыше 2000 генов. Самая маленькая, 21-я, хромосома состоит менее чем из 50 млн нуклеотидов и содержит только пару сотен генов. Скромная Y-хромосома лишь немногим длиннее, чем 21-я, но в ней всего около 50 генов.

Кроме того, в клетке вне клеточного ядра тоже есть ДНК: у нас имеется второй геном, совсем крошечный (всего 16 569 нуклеотидов и 37 генов). Он находится в структурах под названием митохондрии – о них речь пойдет чуть позже.

Что касается генов, то о них вы, без сомнения, слышали, ведь это самые известные компоненты генома. Как уже говорилось, они играют роль инструкции, по которой клетка синтезирует белки, которые, в свою очередь, выполняют множество сложных задач, необходимых клетке, чтобы выжить и принести пользу вашему организму. Однако те участки генов, которые транслируются для синтеза белков, составляют лишь около 1–2 % генома.

Ученые до сих пор спорят о том, для чего нужна остальная часть генома и насколько она нужна. Среди некодирующих отрезков есть такие, которые, безусловно, полезны и важны. Например, центромера – место перетяжки на хромосоме – необходима для того, чтобы при делении клетки копии хромосомы направлялись куда им положено. Сбой этого процесса ничего хорошего не сулит. На концах хромосом расположены теломеры – структуры, образующие защитный колпачок. Возможно, вам приходилось слышать песню британского комика Бернарда Бресслоу о том, для чего нужны пятки:

 
Пятки нужны, чтоб носки не спадали
И при ходьбе концы ног не страдали…
 

Хромосомы, как известно, в носках не ходят, но, как и ногам, износ концов им вреден. По мере вашего старения теломеры и в самом деле изнашиваются, понемногу укорачиваясь с каждым делением клетки. При многих формах рака они становятся существенно короче, чем в норме, или вообще исчезают, так что концы хромосом оголяются и становятся уязвимыми для повреждений. Как ни странно, затем следует восстановление теломер: когда клетки перерождаются в злокачественные, их хромосомы обретают новые, устойчивые теломеры. Отчасти поэтому раковые клетки становятся «бессмертными».

Хотя участки генов, кодирующие белки, занимают всего 1–2 % генома, сами гены составляют примерно четверть генома. Секрет этого несовпадения в том, что большинство генов представляет собой смесь двух разных типов нуклеотидных последовательностей – интронов и экзонов. Экзоны кодируют белки, то есть их последовательности указывают, из каких аминокислот синтезировать белок, а также когда начинать и завершать синтез. Напротив, интроны ничего не кодируют, и, хотя у них, несомненно, есть какая-то функция, нам до сих пор не вполне понятно, какая именно²⁴. Интроны могут быть поистине огромными – многотысячные цепочки нуклеотидов. Иногда они настолько велики, что целый ген может уместиться внутри интрона другого гена, обычно направленного в противоположную сторону, на соседней нити ДНК. Двойная спираль – улица с двусторонним движением.

В приведенном выше фрагменте гена TBX20 можно увидеть как экзоны, так и интроны. Жирным шрифтом выделены экзоны, остальное – интроны. Можно увидеть даже кое-какие инструкции по работе генома, записанные прямо здесь в последовательности ДНК. В начале каждого интрона стоят нуклеотиды ГТ, в конце каждого интрона – АГ. Вместе ГТ и АГ образуют ключевую часть указания для клеточных механизмов, в котором сообщается: «Здесь интрон. Для белка не нужен – вырезать»²⁵.

Какой же процент человеческого генома действительно занят делом? По правде говоря, это пока еще не известно. В сентябре 2012 г. вышли одновременно 30 научных статей с результатами одного из крупнейших проектов – проекта ENCODE (ENCyclopedia Of DNA Elements – «Энциклопедия элементов ДНК»), являющегося дальнейшим развитием «Генома человека». Согласованное взаимодействие огромного числа ученых, благодаря которому сразу 30 статей вышло в свет, стало не менее удивительным достижением, чем сами научные данные, приведенные в этих публикациях. По утверждению участников исследовательской группы ENCODE, были раскрыты функции 80 % генома. Большая часть его, как предполагалось, занимается контролем функционирования остальных частей – довольно бюрократический образ клеточной биологии. Это заявление сразу вызвало немало критики, и споры все еще продолжаются. Недавно вышла статья, в которой утверждается, что функционально лишь 8 % генома. Вот это разброс! Не знаю, каков верный ответ на самом деле, но 8 %, по-моему, маловато, а 80 % – уже перебор.

Изрядная доля генома похожа на генетический лом – это гены и прочие элементы, утратившие свою функциональность в ходе эволюции. Например, у нас много генов обонятельных рецепторов, которые поломаны и никак не действуют: на более ранних стадиях эволюции наши предки нуждались в тонком восприятии запахов, чтобы выжить, но мы уже давно отлично справляемся, располагая довольно слабым обонянием. Поэтому, когда в данных генах произошли мутации, это не вызвало проблем и поломанный вариант просто передался будущим поколениям. Вы унаследовали сотни поломанных генов от родителей и в свою очередь передадите их дальше, а может быть, уже передали – и они все так же останутся неработающими.

Есть также много повторяющихся последовательностей, как будто не имеющих особого смысла. Иногда вирусы вставляют свою копию в ДНК хозяина, и по всему геному оказывается разбросано довольно много участков, напоминающих древние вирусные последовательности. Есть участки ДНК, скопированные в ходе так называемых событий дупликации. Если что-то имеется в двух экземплярах, не страшно, если один из них сломается, поэтому в результате у вас нередко оказываются две версии гена – рабочая и нерабочая (псевдоген). А еще в ДНК есть кусочки, которые, по-видимому, возникли как простой побочный эффект стремления ДНК к самокопированию: длинные-длинные последовательности, которые выглядят абсолютно бессмысленными (АТАТАТАТАТАТАТАТАТ …).

В общем и целом это нам как будто особо не мешает. Не похоже, чтобы человеческий геном подвергался отбору на эффективность, а если такой отбор и существует, над ним, очевидно, одерживают верх склонность ДНК к самокопированию и различные механизмы, привносящие в последовательность ДНК новые отрезки. Многие другие организмы отлично себя чувствуют с геномами еще большими, чем у нас, и, соответственно, при еще большей доле паразитической ДНК. Амеба Polychaos dubium, как утверждают, обладает геномом, по размеру более чем в 200 раз превышающим наш. У обычного лука геном в пять раз больше нашего, однако все же это мы едим лук (или извлекаем из него ДНК), а не наоборот. В то же время геном рыбы фугу из семейства иглобрюхих меньше нашего в восемь раз – а рыба все-таки устроена несколько сложнее лука.

Некоторые данные, по всей видимости, указывают на то, что слишком большой геном обходится дорого, по крайней мере в трудные времена. Есть такое растение – теосинте, которое считается предком кукурузы. В 2017 г. вышла статья, в которой сравнивались геномы различных видов теосинте, растущих на разных высотах. У многих растений геномы огромные, но, как оказалось, у теосинте чем выше в горы, тем меньше геном. Если вы живете в суровых условиях высокогорья, то не можете позволить себе зря тратить энергию на копирование ДНК, не выполняющей никакой полезной работы.

Можно, конечно, допустить, что у человеческого генома как раз нужный размер и каждый элемент в нем выполняет важную роль. Однако подобное чудо маловероятно. Скорее всего, наш геном действительно несет значительное количество «мусорной» ДНК.

Это не значит, что в человеческом геноме нет ничего интересного и удивительного. Когда я только начал заниматься генетикой, мы уверенно утверждали, что геном человека содержит около 100 000 генов – ведь мы такие значительные, особенные существа, а следовательно, генов у нас должно быть много, не так ли? Затем эти цифры поползли вниз, они становились все меньше… меньше… и меньше. К моменту завершения проекта «Геном человека» число генов сократилось до 20 000 с небольшим. Отчасти это объясняется тем, что наши гены устроены достаточно сложно и многие из них выполняют не одну задачу. Иногда это подразумевает, что одна и та же задача выполняется немного по-разному: например, мышечный белок формируется по-разному в зависимости от того, нужен ли он для сердечной мышцы или для обычной. Иногда, однако, тот же самый белок может выполнять совершенно разные функции. Такие белки называют полифункциональными²⁶. Например, один из ферментов – белков, отвечающих за протекание химических реакций, – играет также важную роль, обеспечивая прозрачность роговице глаза.

Но примерно то же самое можно сказать о геномах многих других организмов и абсолютно то же – о геноме шимпанзе. Шимпанзе, в особенности бонобо (он же карликовый шимпанзе), настолько близки к нам генетически, что марсианину, вероятно, мы с ними покажемся всего лишь разными подвидами одного и того же животного. К шимпанзе мы ближе, чем африканские слоны к азиатским, так что трудно было бы винить нашего внеземного гостя за ошибку.

Откуда мы все это знаем? Благодаря проекту «Геном человека».

Когда был задуман проект «Геном человека», он казался невероятно амбициозной идеей. Секвенирована была лишь малая часть генома. В основном мы располагали чем-то вроде контурной схемы, а точнее, карты. Вам часто приходится слышать выражение «картирование генома», именно с этого генетики и начинали. Но в наши дни геномы отдельных людей не картируются, поскольку это уже проделано (вам ведь не нужно собственноручно составлять карту целого района, чтобы найти чей-то дом). Генетическая карта не похожа на карту города, у нее не два измерения, а только одно – местоположение вдоль нити ДНК, образующей хромосому. Чтобы составить подобную карту, нужна серия маркеров – генетических дорожных указателей, порядок которых относительно друг друга известен. Эти указатели состоят из участков ДНК, которые можно каким-либо образом безошибочно распознать. Допустим, у нас есть три таких маркера – A, B и C. Если мы составим генетическую карту с учетом A, B и C, она будет содержать информацию как минимум о том, в каком порядке они располагаются вдоль хромосомы – A-B-C, а не A-C-B, например, и не как-либо иначе. Еще лучше, если указано, что A, B и C расположены на первой хромосоме, а не на любой другой. А самая полезная карта – та, на которой отмечено, насколько далеко они отстоят друг от друга.

Первые такие карты были составлены в начале XX в. для дрозофил. К 1922 г. на четырех мушиных хромосомах были определены гены, отвечающие за развитие 50 различных признаков. Во всех случаях речь шла о физических различиях мушек, которые исследователь мог наблюдать непосредственно. Мушки описывались по множеству разных признаков и скрещивались с мушками, столь же тщательно описанными, а затем исследовалось получившееся потомство. Это была кропотливая, трудная работа, но она дала нам обширные фундаментальные сведения о генетике, снабдила нас инструментами, применявшимися на протяжении всего XX в. и сыгравшими ключевую роль в успехе проекта «Геном человека».

В частности, одна из первых карт X-хромосомы дрозофилы выглядела так:

На этой карте y означает желтую окраску тела (англ. yellow), w – белые глаза (англ. white), v – красные глаза (англ. vermillion – «киноварь»), а m – миниатюрные крылья. Карта подразумевает, что желтая окраска и белые глаза тесно взаимосвязаны – они с большей вероятностью наследуются вместе, – тогда как уменьшение крыльев скорее наследуется в сцепке с красными глазами, а не с белыми. Данная карта составлена еще одним почти забытым гением, Альфредом Стёртевантом, в 1913 г., когда ему был всего 21 год. В ту пору он работал под руководством великого генетика Томаса Ханта Моргана. Стёртевант, похоже, был вундеркиндом: к 21 году он уже имел длительный опыт изучения наследственности. На Моргана произвело большое впечатление то, что, еще будучи подростком, Стёртевант написал статью о наследовании лошадиных мастей, основываясь на наблюдениях, сделанных в детстве на ферме отца! Статья вышла в научном журнале, Морган предложил Стёртеванту работу у себя в лаборатории, а дальнейшее уже принадлежит истории.

Ничего не скажешь – впечатляющий школьный проект!

Стёртевант продолжил свой долгий и славный путь в науке, приостановившись лишь для того, чтобы жениться на Фиби Кёртис Рид, лаборантке из того же «мушиного» отдела. У них родилось трое детей, которые, наверное, усвоили довольно необычные представления о том, на какие темы принято говорить за обедом.

С точки зрения тех, кто занимался генетическим картированием, большая часть XX в. – это эра каторжной работы. Разметка физических характеристик, наблюдаемых «на глазок», сменилась выявлением биохимических и других лабораторных маркеров – сначала у дрожжей, а потом и у человека. Лишь в 1987 г., 17 лет спустя после смерти Стёртеванта, была опубликована первая полная карта человеческого генома – 407 изменчивых участков ДНК на 23 хромосомах. Если проект «Геном человека» для генетиков сравним с полетом на Луну, то первые карты Стёртеванта для нас подобны полету братьев Райт.

Итак, к концу 1980-х гг. мы располагали приблизительной картой, вроде географической карты первопроходцев старых времен. Мы знали контуры наших 23 материков, и по ним были рассеяны известные вехи (те самые 407 генетических маркеров), но, не считая нескольких важных портов, то есть известных участков последовательности ДНК, связанных с генными заболеваниями, на наших картах было до смешного мало деталей.

Чтобы перейти от схематической разметки с помощью 407 маркеров к подробной карте, а затем к полной расшифровке генома, потребовались специальные методы. Одним из важнейших стал метод секвенирования по Сэнгеру.

Вы, конечно, слышали о Марии Склодовской-Кюри, получившей две Нобелевские премии – по физике и химии. Велика вероятность, что вы слышали о Лайнусе Полинге (лауреат Нобелевской премии по химии и Нобелевской премии мира). Вынужден признаться, что я никогда не слышал о Джоне Бардине, пока не взялся за эту главу. Мне стыдно, поскольку мы все, похоже, в неоплатном долгу перед ним за его труд, который принес ему две Нобелевские премии по физике. Бардин – один из изобретателей транзистора и разработчик теории сверхпроводимости. Ваш телефон работает только благодаря открытиям Бардина, как и компьютер, на котором я печатаю эти слова.

Но в том, что касается наших задач, Фред Сэнгер, несомненно, величайший из четверки дважды лауреатов этой премии. Сэнгер – английский химик – разработал метод определения последовательностей аминокислот, составляющих белок, за что получил свою первую Нобелевскую премию. Будучи квакером, он добился официального права не служить в армии по религиозным убеждениям во время Второй мировой войны – и это замечательно, ведь если бы Сэнгер погиб на той войне, это стало бы невосполнимой утратой для всего мира.

Белком, с которого Сэнгер начал исследования, стал инсулин – гормон, регулирующий уровень сахара в крови. Если его недостаточно или он плохо действует, развивается диабет. Инсулин успешно использовался для лечения диабета с начала 1920-х гг. и был одним из немногих белков, выделенных в чистой форме к началу 1950-х. То, как это произошло, – отдельный сюжет в истории медицины.

Журналистские репортажи об успехах медицины обычно примерно поровну состоят из восторженных сообщений о мелких усовершенствованиях, имевших место несколько лет назад, и об опытах на животных, которые, возможно, так и не выльются во что-либо пригодное для человека. Однажды мы с моим научным руководителем Ричардом Харви давали интервью центральному новостному телеканалу по поводу исследования, которое даже еще не провели. Мы получили грант от Национального института здравоохранения США, и наш отдел по связям с общественностью каким-то образом умудрился продать эту новость в качестве сенсации одному из телеканалов. Несколько лет спустя, когда исследование наконец было проведено и результаты опубликовали, о нас не упомянули даже районные газеты.

Однако в истории медицины есть и подлинные примеры чудес. Одно из них – изобретение пенициллина: смертельные, неизлечимые инфекционные заболевания внезапно стали излечимыми. И все же, если нужна история настоящего чудо-лекарства, инсулин – непревзойденный кандидат²⁷.

Диабет имеет два основных вкуса – нет, я не шучу. Diabetes mellitus, на сегодняшний день самый распространенный тип, получил свое название от латинского слова, означающего «подслащенный медом», потому что моча больных сладкая на вкус. Если вы для сравнения попробуете мочу больного diabetes insipidus, она окажется безвкусной: insipidus по-латыни и значит «безвкусный». Мочевой сомелье в вашем любимом ресторане точно бы не порекомендовал ее.

Diabetes mellitus, или сахарный диабет, в свою очередь делится на две обширные группы по эффективности лечения инсулином. Если вам не хватает инсулина, потому что поджелудочная железа перестала его производить, то вам требуется восполнить его дефицит, и это можно сделать путем инъекции. Здесь пойдет речь именно об этом типе. Напротив, если ваш организм прекрасно вырабатывает инсулин, но утратил нормальную восприимчивость к его действию, у вас инсулинонезависимый диабет, и это совсем другая проблема. Как вы можете догадаться, помимо этой общей классификации существует деление на всевозможные подтипы. Один редкий тип, поражающий новорожденных, еще будет вкратце упомянут в этой книге.

Главная задача инсулина в организме – подавать команду вашим клеткам, чтобы они всасывали и расходовали глюкозу из кровотока. Если инсулина нет, клетки «не видят» сахара – они не могут определить присутствие глюкозы и не могут ничего с ней сделать. Так как сахар не расходуется, он накапливается в крови и выводится с мочой, которая становится сладкой – а также уводит за собой воду, из-за этого вы много писаете, что вызывает обезвоживание. Тем временем ваш организм голодает, несмотря на обилие еды, потому что ваши клетки не могут использовать имеющуюся глюкозу.

К началу XX в. уже было известно, что, если удалить собаке поджелудочную железу, животное заболеет диабетом и умрет через пару недель. К несчастью, это касалось и людей – диабет, который обычно начинал развиваться в детстве, был смертным приговором. Больные могли протянуть несколько недель или месяцев, но в конце концов впадали в кому и умирали.

В этой истории несколько героев, и все они канадцы. Фредерик Бантинг был хирургом, которому пришла в голову идея, как извлечь из собачьей поджелудочной железы вытяжку, пригодную для лечения диабета. Это уже пытались делать раньше, но никому не удавалось получить эффективный препарат.

Помимо инсулина, поджелудочная железа производит пищеварительные ферменты, и Бантинг догадался, что, когда его предшественники измельчали ткани поджелудочной железы, пытаясь извлечь инсулин, эти ферменты смешивались с инсулином и разлагали его, так что извлекать было уже нечего. Его мысль состояла в том, чтобы перевязать протоки, по которым пищеварительные соки поступают от поджелудочной железы в кишечник, чтобы клетки поджелудочной железы, производящие ферменты, отмерли. Он надеялся, что после этого можно будет измельчить оставшуюся ткань, которая будет состоять в основном из клеток, производящих инсулин, без ферментов, что позволит получить чистый препарат искомого вещества. Он отправился в Университет Торонто, к ведущему специалисту по диабету Джону Маклеоду, который в конце концов поддался на уговоры и выделил Бантингу ресурсы, необходимые для того, чтобы опробовать идею, в том числе десять собак и одного ассистента, студента-медика по имени Чарльз Бест. Забавно, что и по сей день в медицинской иерархии студенты стоят ненамного выше подопытных животных.

История гласит, что Бест сорвал самый крупный выигрыш в орлянку за всю историю медицины. Первоначально на участие в проекте могли претендовать два студента. Бест и его приятель Кларк Нобл бросили монету, чтобы решить, кто пойдет работать к Бантингу, и Бест выиграл. Вначале они договорились сменить друг друга в середине лета, но к тому времени Бест глубоко погрузился в работу (и хорошо овладел техническими навыками), так что по обоюдному согласию он остался. Так бросок монеты решил, кому достанется доля научной славы.

Идея Бантинга оказалась верной. Начало исследований на собаках было столь многообещающим, что к январю 1922 г. стало возможным приступить к испытаниям на людях. И тогда на сцену выходит новый персонаж – Джеймс Бертрам Коллип, решивший вопрос, как очистить вытяжку поджелудочной железы и получить безопасный препарат для инъекций людям. К нему обратились после того, как у первого пациента, получившего недостаточно очищенную вытяжку из собачьей поджелудочной железы, развилась тяжелая аллергическая реакция. Истории тех времен повествуют о необычайно эффектных выздоровлениях. В частности, говорят, что, как только был выделен чистый препарат, коллеги Бантинга обошли палату, полную умирающих детей в коме, и сделали каждому укол. И к тому моменту, когда они дошли до последнего ребенка, первый уже очнулся от комы.

Конечно, о том, правдива ли эта история, невозможно судить по первому научному отчету об инсулинотерапии²⁸, опубликованному в Canadian Medical Association Journal. Эта статья невероятно, бесконечно скучна. И только на середине второй страницы (притом что объем статьи всего-то чуть более пяти страниц) вообще упоминается о лечении людей. Выводы осторожные и взвешенные, общий их смысл: «мы можем отметить, что в крови пациентов произошли некоторые изменения и их самочувствие, по всей видимости, улучшилось».

Пусть Бантинг со товарищи и не спешили трубить в фанфары, сообщение о подобном открытии не могло остаться незамеченным, и новость вскоре облетела весь мир. На следующий год Бантинг и Маклеод получили Нобелевскую премию по физиологии и медицине. Бантинг поделился премиальными деньгами с Бестом, а Маклеод – с Коллипом. Можно вообразить себе чувства людей, членам семей которых только что диагностировали диабет (в то время, когда эта информация уже появилась), но промышленное производство инсулина еще не наладили. Наверняка многие умерли, хотя метод лечения был уже известен, а кого-то удалось спасти в последний момент.

Как бы то ни было, 30 лет спустя, к тому времени когда Фреду Сэнгеру понадобился очищенный белок инсулин для исследований, ему достаточно было пройтись до ближайшей аптеки и купить ампулу. Подход Сэнгера состоял в том, чтобы упростить проблему – не пытаться расшифровать последовательность всей молекулы белка, а разбить ее на более мелкие кусочки, с которыми проще работать. Он разработал химические методы определения последовательности аминокислот в этих коротких отрезках, а затем совместил перекрывающиеся отрезки, чтобы определить всю белковую последовательность. Эта идея имела долгосрочные научные перспективы. Как мы увидим, почти полвека спустя Celera – компания Крейга Вентера – применит фактически тот же подход при секвенировании человеческого генома, и эта технология до сих пор сохраняет свое значение в генетике. В 2018 г. с ее помощью был прочитан геном коалы.

Сэнгер не просто выявил последовательность аминокислот инсулина. При всей важности этого достижения оно было незначительным на фоне открытия того факта, что у белков есть фиксированная последовательность, от которой зависят их структура и функции. Многие последующие открытия, в том числе понимание того, как ДНК кодирует белки, стали возможны только благодаря базовому знанию, что белок на самом деле не что иное, как цепочка из аминокислот.

Следующим оригинальным решением Сэнгера (которое принесло ему вторую Нобелевскую премию) стало изобретение способа прочитать последовательность нуклеотидов ДНК. Его метод, изложенный в публикации 1977 г., до сих пор называется методом Сэнгера (или методом секвенирования по Сэнгеру). Он стал краеугольным камнем проекта «Геном человека». Вначале секвенирование по Сэнгеру требовало изрядной возни с радиоактивными изотопами, но позже придумали метить азотистые основания ДНК разноцветными флюоресцентными маркерами – это безопаснее, а кроме того, позволяет увеличить масштабы исследований. И они действительно были увеличены.

Мы до сих пор применяем метод Сэнгера в диагностических лабораториях. Вот пример результатов такого анализа:

На этой иллюстрации верхний отрезок принадлежит носителю генетической мутации, а нижний – человеку, у которого ее нет. Здесь картинка черно-белая, но в общепринятой практике А обозначается зеленым, Ц (С) – синим, Г (G) – черным, а Т – красным. Каждый из разноцветных пиков соответствует азотистому основанию ДНК, поэтому по цветам пиков можно прочесть последовательность: Г, Г, Т, А, Ц, Т и так далее. Можно, конечно, просто прочитать последовательность букв, ради удобства стоящих над пиками, но так понятнее сам принцип.

Посредине этого отрезка ДНК, между двумя вертикальными линиями, в нормальной последовательности должен стоять пик Ц (С); на том же месте в верхнем отрезке, если бы рисунок был цветным, вы бы разглядели красный пик Т – но при ближайшем рассмотрении оказалось бы, что нормальный синий пик Ц тоже присутствует. Это означает, что в одной из двух копий гена – обычная последовательность, а в другой – ее вариант (мутация). Обе копии, измененная и неизмененная, попали в образец и подверглись реакции секвенирования. Основания, оставшиеся неизменными, одинаковы для обеих последовательностей и на графике не различаются. Но в том месте, где произошла мутация, у половины ДНК в пробирке Ц, а у половины Т, и эти места у двух последовательностей совпадают. Вот почему пик в этом месте примерно в два раза меньше, чем пик Ц на нормальной последовательности.

Теперь это проделать нетрудно, поскольку мы уже знаем последовательность интересующего нас гена. Но метод Сэнгера также можно использовать для расшифровки неизвестных ранее последовательностей ДНК. Начинаете с известного отрезка и продвигаетесь дальше, вступая на новую территорию, пока не встретитесь с тем, кто движется в противоположном направлении. Именно такой подход и использовался в проекте «Геном человека».

Итак, к концу 1980-х гг. мы располагали инструментами, чтобы завершить работу. Тем не менее завершение представлялось делом далекого будущего. В 1987 г. Министерство энергетики США – организация, которая, как известно, никогда не боялась рисковать, – запустила первый подобный проект. Их целью было найти способ уберечь геном от вредного воздействия радиации – потенциально важная задача в ту пору, когда атомные электростанции были значимым и постоянно растущим сегментом энергетики страны. В 1988 г. Национальный институт здравоохранения и Министерство энергетики объединили усилия и получили финансирование от Конгресса США, чтобы попытаться решить эту задачу.

Не прошло и 12 лет, как первоначальный замысел воплотился в действительность. Но в первую половину этого срока, с точки зрения стороннего наблюдателя, не было почти никаких подвижек. В 1990 г. завершение проекта планировали на 2005 г., но с учетом того, что, как правило, государственные проекты никогда не укладываются в сроки и в бюджет, мало кто из непосвященных воспринял этот план всерьез. На 1994 г. основным достижением проекта стала… более подробная карта. Новая карта генома содержала 5840 маркеров вместо 407, теперь геном был плотно усеян ими. Не бог весть какое достижение в глазах неспециалистов, но оно стало решающим шагом на пути к расшифровке генома. И в ознаменование грядущих успехов оно было обнародовано на год раньше, чем ожидалось.

С самого начала проект «Геном человека» представлял собой международное предприятие, в котором участвовали ученые со всего мира. Президентом Международной организации по изучению генома человека (хотя и не руководителем самого проекта) некоторое время был австралиец Грант Сазерленд. Первым руководителем проекта стал Джеймс Уотсон (да, тот самый). В 1992 г. он ушел в отставку, и после кратковременного перерыва руководство перешло к Фрэнсису Коллинзу, который довел проект до конца.

Самим секвенированием занимались более 20 институтов из шести стран – США, Великобритании, Японии, Франции, Германии и Китая. Каждому из них была поручена своя часть работы. Среди неамериканских организаций самый крупный вклад принадлежит Институту Сэнгера в Кембридже, названному, естественно, в честь Фреда Сэнгера. Сэнгеровский центр (ныне Институт Сэнгера, финансируемый фондом Wellcome Trust) секвенировал почти треть человеческого генома. На их долю среди прочего (часть задания они получили параллельно с другими институтами) достались хромосомы 1, 6, 9, 10, 11, 13, 20, 22 и X. Проект набирал скорость, словно летящий под гору паровоз. Лишь в 1999 г. была опубликована полная расшифровка нуклеотидной последовательности человеческой хромосомы (22-й). В сентябре 1999 г., более чем десятилетие спустя после запуска проекта, вышел пресс-релиз, раструбивший о завершении секвенирования ДНК-последовательности из 821 млн нуклеотидов. Половина этой расшифровки была пока предварительной, и оставалось определить последовательность еще свыше 2 млрд нуклеотидов, чтобы достигнуть цели проекта. Но к июню следующего года работа продвинулась уже настолько, что президент Клинтон и премьер Блэр могли объявить об успехе.

Участники проекта «Геном человека» использовали логичный, надежный подход к секвенированию генома – переход от известных участков к неизвестным. Но у них был конкурент – Джон Крейг Вентер, своего рода Илон Маск в геномике, предложивший совершенно иной подход. Вентер решил применить «метод дробовика».

Крейг Вентер – блестящий ученый с предпринимательской жилкой. Однако в школе он отнюдь не блистал и по окончании учебы мог похвалиться успехами не столько в науке, сколько в серфинге; затем был призван в армию и служил во флоте США во время войны во Вьетнаме. Опыт, пережитый им в полевом госпитале, оставил в его душе неизгладимый след, и после демобилизации Вентер занялся изучением медицины, но позже переключился на научные исследования. Он стал выдающимся ученым, однако в период работы в Национальном институте здравоохранения оказался замешан в скандальной попытке запатентовать гены, а потом ушел оттуда в частный сектор, где тоже преуспел. Будучи первым президентом корпорации Celera, Вентер решил потягаться с проектом «Геном человека», для чего обратился к отвергнутому участниками проекта «методу дробовика». По этому методу геном разбивают на много маленьких кусочков, их секвенируют, а затем собирают, как огромную мозаику.

Допустим, вы провели секвенирование и получили три следующих фрагмента:

При наличии достаточных вычислительных мощностей можно сложить эти кусочки вместе, вот таким образом:

* Еще одна неслучайно выбранная последовательность – из гена NKX2–5, о котором шла речь в моей диссертации. Есть и другая причина, по которой он один из моих любимых. В генетике животных, и в особенности в генетике мух, с придумыванием названий дело всегда обстояло лучше, чем в генетике человека. Ген NKX2–5 играет важную роль в развитии человеческого сердца. У мух нет настоящего сердца – у них, по сути, просто трубка, которая сокращается, однако имеется ген, очень похожий на NKX2–5. Когда он был обнаружен, выяснилось, что у мух, у которых он отсутствует, сердечная трубка вообще не развивается. Знаете, как назвали мушиный ген? Tinman, то есть Железный Дровосек.

Первый отрезок перекрывается со вторым, а второй – с третьим. Без второго вы бы никак не смогли связать первый и третий. Но если непрерывно разбивать и секвенировать, разбивать и секвенировать, в конце концов вы получите достаточно перекрывающихся кусочков, чтобы сложить все целиком. Компания Celera добилась поистине впечатляющего успеха, применив именно этот метод. Бросив вызов 20 институтам в шести странах и Министерству энергетики США, Celera вышла на финишную прямую ноздря в ноздрю с проектом «Геном человека», финансируемым государством, – именно поэтому Вентер в тот день выступал вместе с Коллинзом в Белом доме.

У Celera было одно существенное преимущество перед проектом «Геном человека» – доступ ко всем данным последнего. С самого начала одним из фундаментальных принципов проекта «Геном человека» стал открытый доступ к полученным данным, что определило современные нормы, принятые в биомедицинских науках.

Вы можете задаться вопросом, какие выгоды компания Celera рассчитывала получить от этой затеи. Первоначально планировалось расшифровывать и патентовать генетические последовательности. Компания подала предварительные заявки на патенты на 6500 последовательностей, но в конце концов не закончила этот процесс и тоже открыла свои данные для всеобщего доступа (в частности, прислала нам тот диск, и не ее вина, что мы не смогли в нем разобраться).

С самого начала предполагалось, что «референсный» геном будет представлять собой мозаику из геномов разных людей. В проект привлекли добровольцев, живших по соседству с 20 центрами секвенирования. Их личные данные не записывались, и лишь небольшая доля собранных образцов была на практике использована для секвенирования, поэтому остается неизвестным, чья именно ДНК вошла в состав «референсной». Современная версия «референсного» генома, с которой мы работаем, постоянно уточняется и пополняется благодаря новым данным, полученным от большого числа разных людей, – это лоскутное одеяло, состоящее из множества кусочков неодинакового размера. Компания Celera сделала примерно то же, хотя ее выборка, возможно, была менее случайной. Всего был задействован 21 донор. За исключением возраста, пола и этнического происхождения (указанного со слов самих доноров), никакие данные о них не фиксировались. Добровольцы сдали по 130 мл крови (чуть более четверти пинты – достаточно, чтобы изобразить живописную сцену преступления). Мужчины также сдали пять образцов спермы, собранных в течение шести недель (раздел статьи, опубликованной компанией Celera в журнале Science, где описываются используемые методы, необычайно занимателен). Из 21 добровольца для секвенирования были отобраны всего пятеро: двое мужчин и три женщины, из них один – афроамериканского происхождения, один – китайского, один – латиноамериканского, а также два европеоида.

Впоследствии оказалось, что доля данных одного европеоида мужского пола непропорционально велика, и его имя было раскрыто: это был не кто иной, как сам Вентер. Лишь через несколько лет Вентер довел секвенирование собственного генома до конца. Возможно, это был первый случай секвенирования генома конкретной личности. Я говорю «возможно», поскольку примерно в то же время был секвенирован геном Джеймса Уотсона, и трудно сказать, кто успел закончить раньше.

Это произошло в 2007 г. В то время секвенирование генома отдельного человека казалось фантастической идеей. Теперь это чуть ли не рутинная процедура – любой может заказать секвенирование своего генома, были бы несколько тысяч долларов и желание. К настоящему времени секвенированы геномы сотен тысяч человек.

Несколько тысяч долларов? Первый черновой вариант расшифровки генома обошелся проекту «Геном человека» в $3 млрд. Ожидалось, что к 2001 г. стоимость секвенирования генома отдельной личности упадет до $100 млн. По мере развития технологий стоимость стремительно падает. Теперь секвенировать человеческий геном можно (условно) менее чем за $1000, а скоро это будет стоить еще меньше. Само секвенирование уже стало осуществить проще, чем последующий анализ полученных данных. Чтобы наглядно представить себе, насколько подешевела технология, сравним секвенирование генома с новой моделью «ламборджини», которая продается за $428 000. Если бы машины дешевели с той же скоростью, что и секвенирование генома, сейчас вы смогли бы купить новенький блестящий «ламборджини» по бросовой цене в $4,30.

Есть несколько баксов? Покатаемся!

3
Мальчик, который не переставал расти

Нет же, ползти прямиком никогда не научишь ты рака!

АРИСТОФАН²⁹

Разным людям свойственны разные типы ошибок. Я, например, в особенности подвержен ошибке, на которой во многом основывается искусство фокусников. Один из их секретов – отвлечение внимания: фокусники управляют вашим взглядом так, чтобы вы не заметили чего-то существенного, происходящего прямо у вас перед глазами. В медицине ваше внимание может отвлечь другой врач, сам пациент или просто неудачное стечение обстоятельств, что приводит к ошибкам как будто бы элементарным – ошибкам, которых вы никогда бы не допустили, если бы обратили внимание на то, что нужно.

Если искусство фокусника состоит в отвлечении нашего внимания, то искусство медика – в том, чтобы не дать себя отвлечь. У нас говорят о «ловушках для новичков», но в действительности «старички» тоже могут в них попасться.

Несколько лет назад один терапевт, вовсе не новичок, направил ко мне мальчика с подозрением на задержку в росте. Это было несколько нетипично: обычно в таких случаях сначала направляют к педиатру, а затем к эндокринологу, то есть специалисту по гормонам (в том числе гормонам роста). Однако задержка в росте у детей может быть вызвана и многими генетическими отклонениями, так что, хотя обращение к генетику и не совсем стандартное решение, логика в нем присутствовала. В данном случае повод для беспокойства имелся – наблюдалось резкое пересечение центильных кривых.

Педиатры наблюдают за ростом детей, используя так называемые центильные таблицы. На их основе строятся графики, показывающие нормальные темпы роста, где кривыми обозначены разные перцентили. Рост 3 % детей превышает 97-й перцентиль. Рост 25 % всех детей ниже 25-го перцентиля. Вес каждого второго ребенка (50 %) меньше 50-го перцентиля. И так далее. Большинство детей, как правило, растет в соответствии с той или иной закономерностью. Тот, кто при рождении был мельче других младенцев, скорее всего, так и останется невысоким.

Привлекательность центильных кривых параметров развития состоит в том, что ими очень удобно пользоваться, чтобы отслеживать, нормально ли идет развитие. У ребенка большая голова – потому, что в его семье носят шляпы больших размеров и ему суждено быть таким же? Тогда его развитие будет проходить по одной и той же центильной кривой. А если на графике кривая роста его головы пересекает эту центильную кривую и идет вверх? Возможно, с ним что-то не так. Если пересечение не одно, его, скорее всего, направят на обследование мозга. Аналогичным образом, если рост ребенка увеличивался определенными темпами, а потом вдруг кривая роста резко идет вниз, как в нашем случае с мальчиком, – это повод для беспокойства, с которым надо разобраться. Расти – одна из главных задач детей, и, когда они прекращают это делать, важно отыскать причину. Разумеется, ребенок не уменьшился – просто он вырос на 1 см за время, за которое, как ожидалось, он должен был вырасти на 7 см.

Я следовал обычному протоколу, которого мы придерживаемся при работе с новыми пациентами. Расспросил о родственниках мальчика и о том, какого они роста. О течении беременности матери, о том, как прошли роды, и о развитии в грудном возрасте. Обследовал его в поисках нарушений строения конечностей или диспропорции между конечностями и туловищем. Рассматривал складки на его ладошках, потому что, если скелет кисти укорочен, складки могут иметь другую форму.

Я ничего не обнаружил. Совсем ничего. С виду он был совершенно нормальным ребенком, во всех отношениях здоровым – если не считать провала на графике роста.

Пришлось снова заглянуть в карту роста. К счастью, мать ребенка принесла с собой «Дневник здоровья», который выдается семье новорожденного. Еще более счастливым обстоятельством оказалось то, что в дневнике были записаны результаты предыдущих измерений роста. Я наложил их на график роста – и тут меня озарило.

По всем измерениям роста за все годы своей жизни этот ребенок проходил чуть ниже 25-го перцентиля – за исключением единственного измерения, имевшего место девять месяцев назад, когда мальчик оказался выше 90-го перцентиля. Задним числом было очевидно, что в тот раз произошла ошибка. Рост мальчика не рухнул с 90-го перцентиля ниже 25-го просто потому, что он никогда не достигал его.

Мальчик не переставал расти, и генетик ему точно не требовался. Но я не считаю этот случай пустой тратой времени. Впоследствии так не считала и мать ребенка, потому что направление ко мне, возможно, спасло ей жизнь.

Когда я был еще студентом, рак представлялся чем-то таинственным. Не то чтобы мы совсем ничего не знали о нем – знали мы немало. Было известно, что есть много факторов, вызывающих рак. Курение, естественно. Асбест. Некоторые вирусы, например ВИЧ. Воздействие иприта (горчичного газа) – к счастью, нетипичная проблема для нашего времени. В Австралии, мировом средоточии меланомы (побывайте там, вам понравится!), – солнце.

Было даже известно, что некоторые типы рака наследуются, и еще в конце 1950-х гг. появились данные о генетических изменениях в раковых клетках. В частности, в 1959 г. два исследователя из Филадельфии (Питер Ноуэлл и Дэвид Хангерфорд) обратили внимание, что у некоторых лейкозных клеток аномально укорочена 22-я хромосома; этот признак получил название «филадельфийской хромосомы»³⁰. В 1973 г. Джанет Роули³¹ обнаружила причину, по которой укорачивается 22-я хромосома: от нее отламывается кусок и прилипает к 9-й хромосоме³². Это важнейшее открытие положило начало выявлению целого класса хромосомных аномалий, связанных с раковыми заболеваниями.

Много лет спустя установили, почему такая перетасовка двух хромосом вызывает рак. Точки разрыва двух хромосом находятся посредине двух различных генов. Слияние этих генов создает новый, гиперактивный ген, вызывающий аномальный рост клеток. Это открытие, в свою очередь, привело к созданию группы новых препаратов против некоторых типов рака (ингибиторов тирозинкиназы).

За последние десятилетия в биологии рака разобрались еще более основательно. Оказывается, рак почти всегда заболевание генома. Недуг, поражающий геном раковой клетки, по сути сводится к одной причине: в клетке рассогласована работа акселератора и тормозов.

Фундаментальная составляющая жизни – рост. При зачатии вы состояли из одной-единственной клетки. По клеточным меркам она была огромной – шириной в волос, но все-таки крошечной. Одной из важнейших задач этой клетки был рост за счет деления. По мере того как она делилась, все структуры новых дочерних клеток получали сигналы в свою очередь плодиться и размножаться. Клетки подчинялись этим сигналам, а обильный приток питательных веществ от вашей мамы способствовал тому, что подчинялись они с большим энтузиазмом.

Все шло хорошо, но лишь до поры до времени. На определенном этапе развития уже недостаточно быть непрерывно растущим шариком из клеток. Вам нужно было обрести форму. При этом необходимо, чтобы одни части тела продолжали расти, а другие прекратили рост. Некоторым клеткам даже пришлось умереть. Через шесть недель после зачатия вы весили в 500 раз больше, чем оплодотворенная яйцеклетка. Если бы вы продолжали расти в таком же темпе, то в возрасте менее одного года весили бы больше, чем планета Земля.

А значит, чтобы уравновесить это первичное ускорение деления, вашим клеткам понадобились тормоза. Им также понадобилось много всего прочего, поскольку пришлось принимать самые разнообразные решения. Какой конец верхний, а какой нижний? Какая сторона правая, какая левая? Существуют парные гены под названиями LEFTY1 и LEFTY2³³, отчасти отвечающие на этот вопрос. Как только у вас обозначились верх и низ, правое и левое, у вас также появляются перед и зад. На этой стадии вы пока еще почти бесформенный комочек, но вы уже развиваетесь в правильном направлении.

Тому, что обычно происходит дальше, присуща чудесная сложность. Белки обмениваются сигналами в своеобразном танце; клетки получают инструкции, в которых сообщается их будущая судьба. Ты и все твое потомство будете клетками кожи. Ты будешь нервной клеткой. Ты – клеткой печени. Растите вдоль этой линии. На этом месте перестаньте расти. Принимайтесь за свою работу, какова бы она ни была: сокращаться, чтобы сердце билось; подавать электрические сигналы, чтобы работал мозг; фильтровать кровь, очищая ее и превращая в мочу.

Но для некоторых клеток послание гласит: умрите. Это важно во всех отношениях: существует процесс так называемой запрограммированной клеточной смерти, удаления ненужных клеток. Проще всего представить это на примере конечностей. Ваша рука вначале была крошечной шишечкой, затем выросла и превратилась в плавник. Ваша кисть сформировалась как утолщение на конце плавника. Чтобы получились пальцы, понадобилось, чтобы клетки в промежутках между пальцами исчезли – и они исчезли.

Послание, приказывающее клеткам умереть, сохраняет важность и в дальнейшей жизни. Больные или поврежденные клетки могут запустить процесс собственного уничтожения. Если этого не происходит, больная клетка может создавать проблемы, потребляя слишком много ресурсов, отравляя соседние клетки или просто мешая их работе. Или даже превратиться в раковую.

Итак, сигналы бывают трех типов. «Расти» – сигнал к ускорению. «Перестань расти» – сигнал к торможению. И сигнал «умри». Все они должны быть сбалансированы, причем неодинаково для разных типов клеток. Более того, для многих отдельных клеток тормоза полностью заблокированы. Например, как только клетка становится зрелым лейкоцитом, она в принципе больше не должна делиться. Когда она состарится, ей на смену придет стволовая клетка из костного мозга. Стволовые клетки дремлют, не развиваясь в полноценную специализированную клетку, пока не понадобятся; тогда они делятся, и одна из дочерних клеток развивается в нужную клетку крови (либо печени, либо мышц, в случае необходимости), а вторая отступает назад за кулисы, дожидаясь, когда снова станет нужна. Некоторые зрелые клетки (такие как клетки кожи) сохраняют способность делиться и обновляться.

Клетки некоторых тканей (хрящей, мозга) живут долго и редко нуждаются в замене. Но по большей части организм подвержен износу. Клетки кожи и кишечного эпителия постоянно слущиваются и заменяются новыми. Быстрый рост и замена клеток создают условия для поломок, поэтому рак кожи и кишечника – распространенные заболевания.

При каждом делении клетки ее ДНК должна копироваться. Два комплекта из 3 млрд единиц информации копируются за считаные часы в микроскопическом пространстве. Естественно, случаются ошибки. Они происходят постоянно. В основном их отлавливают и исправляют корректоры, имеющиеся у генома. Но во многих случаях корректоры ошибаются. У среднестатистического человека в организме, вероятно, 30 трлн клеток (30 000 000 000 000)³⁴. А значит, в течение среднего срока человеческой жизни³⁵ они переживают около 10 квадрлн делений³⁶ (10 000 000 000 000 000). Это намного превышает численность самих клеток, поскольку для превращения оплодотворенной яйцеклетки во взрослого человека требуется очень много делений и поскольку отмершие клетки нужно непрерывно заменять новыми.

Сколько ошибок остаются неисправленными? Ну, в среднем у вас от 40 до 80 мутаций ДНК в каждой клетке вашего организма, которые вы не унаследовали ни от кого из родителей³⁷, но которые передадутся вашим детям. Большинство из них возникло в сперме отца. Производство спермы – процесс скоростной, высокопроизводительный и не требующий особой квалификации, в отличие от штучного изготовления яйцеклетки.

Влияют ли на что-то эти изменения в ДНК? Зависит от того, где произошла ошибка. Она может иметь существенные последствия, как мы узнаем позже. Но чаще всего мутации происходят в тех местах, где они ни на что особо не влияют: в промежутках между генами или в таких местах, где замена Ц на Т или А на Г принципиальной роли не играет.

Так как же обстоит дело с отведенными вашему организму 10 квадрлн клеточных делений? Насколько точно копируется ДНК? Оказывается, как показали недавние исследования, в среднем происходит примерно одна ошибка на клеточное деление³⁸. Да, вы прочитали правильно – чуть ли не при каждом делении клетки что-то идет не так и геном копируется неточно. Ваш геном разрушается ежедневно, ежеминутно. В некотором – достаточно буквальном – смысле у вас нет «вашего генома» – у вас есть триллионы слегка различающихся версий того генома, которым вы обладали на момент зачатия. Практически невозможно найти две клетки, в точности совпадающие по составу генов.

Если у нас имеются 3 млрд нуклеотидов ДНК и при их копировании могут произойти 10 квадрлн ошибок, следовательно, едва ли не каждая из возможных простых генетических мутаций непременно произойдет много раз в течение жизни одного человека. Тьма шансов, что «гены-тормоза» сломаются и перестанут работать или что «гены-акселераторы» заклинит во включенном положении. А то и возникнет совершенно новый «акселератор», как в случае с филадельфийской хромосомой.

Вы удивитесь, как мы вообще еще живы; как при этом можно прожить, не заболев раком, от зачатия до рождения, а тем более от детства до зрелых лет?

Оказывается, на этот вопрос существует два различных ответа. Во-первых, что самое главное, перерождение здоровой клетки в раковую не происходит в одночасье и (как правило) не случается из-за одной-единственной генетической ошибки. Существуют системы резервного копирования, так что обычно одной ошибки недостаточно, чтобы вызвать рак: нужно, чтобы к ней добавились новые и чтобы все это, разумеется, произошло в одной и той же клетке. Довольно трудно определить, сколько именно ошибок для этого понадобится, поскольку одна из особенностей раковых клеток состоит в том, что их ДНК зачастую копируется небрежно и это само по себе приводит к ошибкам. Некоторые из них – не факторы перерождения клетки в раковую, а следствия хаоса, который возникает в результате такого перерождения. А значит, наряду с мутациями, которые «рулят», есть и «пассажиры»³⁹ – не источники проблемы, а ее попутчики, и при изучении ДНК раковых клеток не всегда ясно, кто есть кто⁴⁰.

Получив возможность секвенировать весь геном опухоли и сравнить его со здоровой тканью, мы начинаем представлять картину того, как проходит путь от добропорядочной функциональной клетки до общественно опасного элемента. Оказывается, что ошибок, по-видимому, нужно для этого не так уж много – нередко – всего шесть-семь, а при некоторых типах рака и меньше – всего одна-две. Но помните, что требуется именно такая удачная (т. е. неудачная) комбинация ошибок. В нашем организме полно «недораковых» клеток, которые ведут себя тихо и совершенно нас не беспокоят.

Насколько велика угроза? Если у вас слабые нервы, возможно, вам захочется пропустить следующий сюжет.

В 2015 г. группа ученых из Великобритании приступила к выяснению вопроса, насколько все плохо (хотя они вряд ли формулировали задачу таким образом). Четыре пациента, делавшие пластическую операцию по подтяжке век, отдали на исследование обрезки кожи. Под микроскопом образцы кожи выглядели совершенно нормально. Упомянутые исследователи взяли эти обрезки, отщипнули от них 234 крошечных пробы и прочли генетическую последовательность каждой из них. Они рассматривали только 74 гена, достоверно связанных с развитием рака, и искали в них изменения, которые можно с достаточным основанием счесть потенциальными раковыми факторами.

Не знаю, что они ожидали найти, но обнаружили они нечто ужасающее⁴¹. Вот иллюстрация из статьи⁴².

На этой картинке представлен 1 кв. см кожи. Каждый кружочек – это область, заполненная клетками с мутациями, потенциально способными вызывать рак. Каждый кружочек появился из одной клетки, которая размножалась, пока ее дочерние клетки не заполнили обозначенное пространство. Перекрывающиеся кружочки обозначают, что в клетках имеется больше одной мутации, вызывающей рак. Пять ключевых генов или комбинаций генов обозначены разными цветами, а остальные 67 генов – неокрашенными кружочками.

Если это вас несколько напугало (мне, безусловно, стало не по себе, когда я впервые прочитал эту статью), то там есть и моменты, которые могут вас утешить. Кожа была загорелой, и мутации были в основном те, что возникают из-за ультрафиолетового излучения⁴³. К тому же пациентам было от 55 до 73 лет. Ничего подобного вы бы не увидели, скажем, в образце мышечной ткани 20-летнего человека. С другой стороны, все они – жители Британских островов. Ну какое же там солнце?

Так почему же мы все до сих пор не умерли? Во-первых, необходимо, чтобы череда поломок неудачно для нас совпала в одной и той же клетке. Во-вторых, наша иммунная система неплохо умеет избавляться от раковых клеток – всякая раковая опухоль, чтобы прижиться и начать расти, должна вначале избежать клеточной полиции. По этой причине у людей с недостаточным иммунитетом наблюдается повышенный риск развития рака.

Есть еще одна группа людей с повышенным риском онкологических заболеваний. Некоторым не повезло унаследовать от одного из родителей сломанный ген-тормоз или ген-акселератор. Если мутация изначально присутствует во всех клетках, потенциальный рак получает фору. Так появляются династии больных раком кишечника, раком груди и яичников и т. п. В таких семьях рак можно диагностировать намного раньше, чем во всех остальных, потому что раковые клетки формируются в более раннем возрасте. Поэтому, когда нам попадается семья, в которой много больных с определенными видами рака, связанными, по нашим данным, с конкретными генами (например, рак груди и яичников), и притом заболевание часто диагностируется в молодости, мы подозреваем, что в семье присутствует какая-то из этих мутаций.

Таких мутаций на удивление много, но по большей части они встречаются крайне редко. На данный момент самые распространенные из них связаны с высоким риском (преимущественно) рака кишечника и высоким риском (преимущественно) рака груди либо яичников. Выявить семьи с подобными мутациями не всегда так просто, как кажется. Рак встречается часто, и можно нажить заболевание, сходное с наследственной формой рака, просто по несчастливому совпадению. В то же время «повышенный риск» не означает предопределенности, и многие люди, унаследовавшие тот или иной поломанный ген, до конца своих дней так и не заболеют раком. Ко всему прочему, мужчины, унаследовавшие мутацию в одном из генов, связанных с раком груди, BRCA1 или BRCA2, заболевают раком гораздо реже, чем женщины. У них бывает рак груди, причем чаще, чем в среднем у всего населения, но все-таки достаточно редко. У них также повышается риск других раковых заболеваний, но закономерности не столь отчетливы. Все это означает, что родословная не всегда нам помогает и разобраться в ней порой бывает непросто.

С этой трудностью среди прочего столкнулись первые ученые, пытавшиеся выявить эти гены. Теперь связь между наследственным заболеванием и конкретным геном можно установить, изучив совсем небольшое число больных. Все это стало возможно благодаря доступу к расшифрованному геному человека и могуществу новых технологий секвенирования. Например, моя бывшая аспирантка Эмма Палмер занимается изучением эпилептической энцефалопатии – так называется группа тяжелых неврологических расстройств, поражающих младенцев. Еще учась в аспирантуре, она внесла важный вклад в открытие того факта, что эпилептическую энцефалопатию могут вызывать поломки как минимум в четырех различных генах. Хотя Эмма – замечательная исследовательница, еще несколько лет назад такая работа была бы непосильным подвигом для одного аспиранта.

В период с конца 1980-х и до середины 1990-х гг., когда были обнаружены гены BRCA1 и BRCA2, подобные открытия были делом длительным и трудоемким. BRCA1 и BRCA2 – гены-тормоза, и мутации в этих генах как бы заставляют клетку немного отпустить тормозную педаль. Вот уже несколько десятилетий известно, что некоторые семьи страдают наследственной формой рака груди и яичников, и заболевание в таких случаях диагностируется в среднем намного раньше, чем у остального населения. Исследователи много лет искали генетические маркеры, по которым можно было бы найти сами гены. Вспомните мушиные карты из предыдущей главы. Только вместо сцепки внешних признаков, таких как желтая окраска туловища и белые глаза, ученые искали связь изменчивых участков ДНК с частотой заболеваемости раком. Чем ближе они подбирались к цели, тем явственнее становилась эта связь.

В работе были задействованы сотни исследователей и огромное множество семей, члены которых вызвались стать объектами изучения. В 1990 г. группа ученых под руководством Мэри-Клэр Кинг из Калифорнийского университета в Беркли объявила, что им удалось сузить предполагаемое местонахождение гена BRCA1⁴⁴ до 17-й хромосомы. Постепенно ее команда и другие ученые разобрали хромосому по винтику. В мае 1994 г. группа ученых из Университета штата Юта совместно с исследовательским коллективом из Кембриджа⁴⁵ опубликовала подробную карту искомого участка, который к тому времени сузился до 20 с небольшим генов. Где-то среди них был ген BRCA1. К 1994 г. охота за геном успешно завершилась, но, когда Марк Сколник и его коллеги из Университета штата Юта объявили об этом и опубликовали расшифровку последовательности гена⁴⁶, все остальные специалисты, работавшие в этой области, испытали шок. Дело в том, что созданная группой Сколника частная компания Myriad Genetics подала патентную заявку на этот ген. Это был один из череды патентов, которые, по сути, препятствовали коммерческому тестированию на ген BRCA1. Затем ситуация повторилась. Так же благодаря международному сотрудничеству удалось определить, что ген BRCA2 находится на 13-й хромосоме. В декабре 1995 г. другая британская команда, под руководством Майкла Стрэттона⁴⁷, опубликовала последовательность гена BRCA2. Но за день до выхода статьи компания Myriad объявила, что тоже открыла этот ген, и подала на него патентную заявку⁴⁸.

Для большинства специалистов в этой области идея запатентовать ген представлялась и представляется абсурдной. В конце концов, компания Myriad не изобретала эти гены – она их только открыла. Более того, она не смогла бы сделать эти открытия без генного картирования, проведенного многими другими, некоммерческими организациями, а вся эта работа была проделана благодаря пациентам, согласившимся принять участие в исследовании. Большинству из нас показалось крайней несправедливым, что частная компания может на этом наживаться. Но она наживалась, причем довольно долго.

В разных частях света события разворачивались по-разному. В США компания Myriad почти 20 лет удерживала тотальную монополию на диагностические исследования, выявляющие BRCA1 и BRCA2, пока Верховный суд США не аннулировал, наконец, патенты, правомерность которых до тех пор многократно подтверждали низшие судебные инстанции. В Австралии компания GTG держала патент на все некодирующие участки генома, то есть на большую его часть. Спойлер: она тоже не изобрела их, тем не менее получила патент и теперь обвиняла компанию Myriad в нарушении авторских прав. Тяжба завершилась сделкой, позволявшей GTG держать патенты на гены BRCA в Австралии. Это решение было чрезвычайно спорным и на практике никогда не выполнялось, однако ученые вздохнули с облегчением, когда в 2015 г. Верховный суд Австралии также аннулировал эти патенты.

Говорят, что у женщины вдвое больше родственников, чем у мужчины. Когда мы выясняем семейную историю у женщины, мы обычно получаем вдвое больше информации о семье, чем если бы мы разговаривали с ее братом. Иногда это действительно важно. Когда я осматривал мальчика, не перестававшего расти, я расспрашивал об истории семьи его мать, поскольку это обычная практика в таком случае. Ей было известно, что у ее двоюродной сестры – дочери ее дяди – в 50 лет нашли рак груди. Ей также были известны еще две родственницы, умершие от рака груди в молодом возрасте, и одна умершая от рака яичников. Она не знала, что рак молочной железы и яичников может передаваться по наследству, поэтому ей не пришло в голову обратиться за консультацией, и в любом случае мы прежде всего проводим генетическое тестирование тех, кто уже болен раком. Врачи, лечившие ее двоюродную сестру, могли бы сложить кусочки головоломки – если бы только дядя владел информацией и передал ее.

Услышав эту семейную историю, я добился, чтобы двоюродная сестра прошла генетическое тестирование на предрасположенность к онкологическим заболеваниям. Анализ показал, что у нее мутация гена BRCA1. Позже сама женщина, приводившая ко мне ребенка, решила пройти это тестирование, и оказалось, что она тоже унаследовала дефектную копию гена. С одной стороны, для нее это была дурная весть – кому же хочется узнать, что у него повышенная предрасположенность к раку? Но у нее появился выбор: например, зная о своей проблеме, более подробно обследоваться, чтобы иметь возможность выявить рак на ранней стадии, когда успешное излечение более вероятно. У нее также появилась возможность проделать превентивную операцию – удаление молочных желез и яичников до того, как разовьется раковая опухоль. Нелегкое решение, но известно, что оно сокращает вероятность смерти от рака для носительниц мутаций BRCA1. Несколько ее родственниц тоже узнали о возможности тестирования. Вероятно, когда-нибудь эта информация спасет жизнь кому-то из этой семьи.

Я врач, Анджелина Джоли – нет, однако она спасла гораздо больше жизней, чем я сам спас или мог бы спасти. Когда она рассказала о том, как узнала, что является носительницей мутации BRCA1, и решилась на операцию, в лаборатории, занимающиеся тестированием на предрасположенность к онкологическим заболеваниям, хлынули толпы людей. Они увидели свою семейную историю в новом свете и захотели провериться. Мы назвали это «эффектом Джоли». В итоге нас завалили образцами, и результаты многих анализов оказались положительными. Количество пациентов, решившихся на превентивные операции по примеру Джоли, удвоилось в Австралии, США и, вероятно, во многих других странах. Есть люди, которые до сих пор живы только потому, что Джоли решилась рассказать свою историю публике.

Для людей с мутациями в генах BRCA1 и BRCA2 риски существенно выше, чем для населения в целом, но предопределенности нет. Некоторые носители могут прожить всю жизнь, не заболев раком, а другие при тех же генетических данных умирают молодыми. А следовательно, согласиться на операцию – это принять решение в условиях неопределенности.

Предлагать людям выбор, результат которого неизвестен, – обычная практика в генетике, как мы вскоре убедимся.

4
Неопределенность

…Судьба тасует карты, а мы играем⁴⁹.

АРТУР ШОПЕНГАУЭР

Судьба – не орел, она крадется, словно крыса⁵⁰.

ЭЛИЗАБЕТ БОУЭН

Джейсон не помнил, были ли когда-нибудь в его семье счастливые времена. Может, и были – в его раннем детстве. Но потом у отца начались резкие перепады настроения; он впадал в ярость без всякой причины. До рукоприкладства никогда не доходило, но родители Джейсона постоянно ругались между собой на протяжении многих лет. В конце концов, когда Джейсону исполнилось 12, мать собрала вещи и уехала с ним и его сестрой в другую страну. Больше Джейсон отца не видел.

Впоследствии, оглядываясь назад, Джейсон будет задаваться вопросом, не проявлялись ли в ту пору у его отца первые признаки заболевания, которое унесет его жизнь.

Когда я познакомился с Джейсоном, ему было немного за 30. Он и его подруга Лорен жили вместе уже два года. Они задумывались о браке, о детях, о совместном будущем. Но сначала Джейсон хотел узнать, есть ли у него вообще будущее.

Джейсон показал мне письмо, которое он получил восемь лет назад. Оно было адресовано «заинтересованным лицам» и сообщало, что отцу Джейсона диагностировали хорею Хантингтона, что, следовательно, его родственники тоже рискуют заболеть и что получатель, возможно, пожелает обратиться с этими сведениями к специалисту по медицинской генетике.

Хорея⁵¹ Хантингтона⁵² по меркам наследственных заболеваний не такая уж редкость – она поражает примерно 1 человека из 10 000. Это тяжелое заболевание с характерным тройным комплектом последствий: нарушение двигательных функций, психиатрические расстройства и снижение умственных способностей.

Симптомы хореи Хантингтона могут проявляться и развиваться по-разному, но в типичном случае человек, прежде здоровый, в возрасте после 40 начинает ощущать первые признаки заболевания. Поначалу они слабые и их легко принять за нормальные признаки старения и кризиса среднего возраста, не разглядев в них угрозы: это неповоротливость, вялость, тревожность. Сторонние люди могут заметить, что у больного начинаются непроизвольные телодвижения – тик конечностей и лица. Может появиться депрессия; пропадает чувство равновесия и способность выполнять сложные физические действия. Со временем ухудшаются мозговые функции; в конце концов больные теряют способность самостоятельно себя обслуживать, ходить, говорить и глотать. Процесс занимает много лет; в большинстве случаев человек проживет еще 10, а то и 20 лет после появления первых симптомов. Это медленное разрушение нервной системы.

Начиная с самых ранних описаний этого заболевания в первой половине XIX в. была известна его наследственная природа. Хорея Хантингтона наследуется по доминантному типу: если вы больны, то у каждого из ваших детей вероятность унаследовать дефектный ген и в результате заболеть составляет 50 %. Ошибка в этом гене специфическая: хорея Хантингтона – одна из так называемых болезней экспансии тринуклеотидных повторов (кодонов). Вспомним, что генетический код состоит из групп по три пары азотистых оснований ДНК. В случае с хореей Хантингтона проблема связана с повторами в цепочке ДНК: ЦАГ ЦАГ ЦАГ ЦАГ ЦАГ… Эта тройка кодирует аминокислоту глутамин, поэтому в начале белковой молекулы подряд стоят глутамин-глутамин-глутамин-глутамин-глутамин… и так далее. У большинства из нас не более 35 повторов – чаще всего 15–20 – и нет риска заболеть хореей Хантингтона. У людей с 36–39 повторами может развиться болезнь, иногда она начинается позже обычного и прогрессирует медленнее. Если им повезет, они могут вообще не заболеть. Те, у кого 40 и более повторов, непременно заболеют, если не умрут раньше от других причин.

У этого сюжета есть еще один аспект. Если в таком участке 27 и более повторов, это слишком большая нагрузка для клеточных механизмов, отвечающих за копирование ДНК при производстве яйцеклетки или сперматозоида. Возможны ошибки. В данном случае это вполне конкретный тип ошибки: механизм копирования ДНК может сделать пропуск – как если бы пластинку заело. ЦАГ ЦАГ ЦАГ пропуск ЦАГ на чем мы остановились? ЦАГ ЦАГ ЦАГ… Это означает вероятность того, что ребенок унаследует большее (или, бывает, меньшее) количество повторов, чем у родителя.

По неизвестным причинам имеет значение, кто передает своим потомкам такое наращение – мужчина или женщина. Как правило, унаследовать грозящие этой болезнью повторы от отца⁵³ опаснее, чем от матери. Вероятность сокращения числа повторов гораздо ниже, чем увеличения. А поскольку чем больше повторов, тем раньше проявляются симптомы заболевания, из этого, помимо прочего, следует, что хорея Хантингтона может действительно протекать все тяжелее в каждом следующем поколении данной семьи, начинаясь все раньше и прогрессируя все быстрее. Существует целый ряд заболеваний, которые проявляются таким же образом; это явление называется антиципацией, что буквально означает «предвкушение», хотя вряд ли кто-то предвкушает возможность заболеть хореей Хантингтона в раннем возрасте. Почему тяжесть заболевания усиливается в следующих поколениях, определили не сразу, так как сам феномен достаточно нетипичный и непредсказуемый, а родословные легко могут создать иллюзию антиципации просто по воле случая. Отчасти это происходит потому, что нередко первый член семьи, которому диагностируют редкое наследственное заболевание, – ребенок с тяжелыми симптомами; у больного родителя этого ребенка симптомы, скорее всего, не так заметны. Это внешне напоминает антиципацию, и, даже если это не она, может понадобиться обследовать немало семей, чтобы исключить эту вероятность.

Вы, наверное, уже догадываетесь, к чему я веду. Если хорее Хантингтона свойственна антиципация, то есть в каждом поколении болезнь развивается все раньше и раньше, то может настать момент, когда она будет начинаться в детстве, – и так в действительности и происходит. «Подростковая» форма ХГ начинается в возрасте моложе 20 лет⁵⁴, а у некоторых детей симптомы начинают проявляться уже в пятилетнем возрасте. Диагноз ХГ у такого малыша – двойной удар по семье: у отца почти наверняка цепочка лишних повторов короче, но ему придется узнать, что рано или поздно он тоже заболеет.

И еще один факт, прежде чем вы попытаетесь представить себя на месте Джейсона. Хорея Хантингтона неизлечима, по крайней мере на данный момент. Конечно, есть способы облегчить симптомы, но, как только они проявляются, болезнь прогрессирует неумолимо – как медленно надвигающийся на вас танк, который не развернуть назад.

Так вот. Допустим, ваши шансы на такую судьбу составляют 50 %. Мы можем провести генетическое тестирование и дать вам ответ. Хотели бы вы этого?

Как выясняется, большинство людей на этот вопрос решительно отвечают: НЕТ. Мотивы у них разные. Многие рассуждают так: поскольку эта информация все равно не поможет им что-либо изменить, знать ее бесполезно. Иные предпочитают неопределенность и вероятность того, что они будут долго жить и здравствовать, определенности, которая может оказаться печальной. Невозможно отменить знание, раз оно уже получено.

А значит, те, кто обращается к генетику за тестированием, в некотором смысле принадлежат к особой группе людей. Читая это, вы можете подумать, что уж вы-то сделали бы это непременно и, значит, тоже принадлежите к особенным людям. Но вполне возможно, что вы заблуждаетесь на свой счет. Когда людей спрашивают, пошли бы они в принципе на генетическое тестирование, около 80 % дают утвердительный ответ, тогда как на практике все обстоит чуть ли не наоборот. Это несоответствие между тем, что люди заявляют, и тем, что они делают в реальности, когда перед ними стоит практический выбор, имеет свое название. Оно называется разрывом между намерением и действием, причем далеко не ограничивается сферой глубоко личного и жизненно важного решения сдать анализ на ХГ. Например, если вам случалось записаться в спортивную секцию, а потом обнаружить, что вы на самом деле не посещаете занятий, то речь идет именно о таком «разрыве».

При этом люди, действительно принявшие решение провериться, обычно полностью в этом решении уверены. В некоторых случаях они, как Джейсон, могут собираться годами, прежде чем предпримут какие-либо реальные шаги, чтобы пройти тестирование. Но если вы зашли в мой медицинский кабинет, то, скорее всего, вы уже не свернете с этого пути: пациентов, которые в этот момент или позже передумали, я могу сосчитать по пальцам одной руки. Если такое все же происходит, это может случиться и в самый последний момент. В архиве нашего отделения лежит запечатанный конверт с результатами исследования на ХГ одного пациента, который прошел тестирование, но, получив уведомление о том, что результаты готовы, передумал и решил не получать их. Вот уже более 15 лет конверт лежит невскрытым. Ответ, должно быть, уже дала пациенту сама жизнь – к этому времени он либо заболел, либо нет.

Время от времени я сталкиваюсь с людьми, которые приходят сделать ДНК-тест, но в действительности не хотят знать результатов. Чаще всего это люди, оказавшиеся в положении Джейсона: они планируют семью и не хотят передавать заболевание своим детям. Это открывает необычную возможность: тест на исключение.

Интересующий нас ген, HTT, расположен на 4-й хромосоме. Идея такого тестирования на исключение ХГ состоит в том, чтобы убедиться, что эмбрион унаследовал свою копию 4-й хромосомы от матери Джейсона, а не от его отца. Вспомним, что у Джейсона две копии 4-й хромосомы, одна из которых унаследована от отца, а другая – от матери, причем его отец был болен ХГ, а мать здорова. Джейсон передаст своим детям либо отцовскую, либо материнскую копию 4-й хромосомы⁵⁵. Если у эмбриона 4-я хромосома пошла в бабушку, то все в порядке. Лаборатория не предпримет попыток выяснить, которая из двух копий 4-й хромосомы у отца Джейсона несет дефектный ген, ведь эта информация не нужна, чтобы достичь желаемого результата. Так мы можем быть уверены, что ребенок не унаследует ХГ, не раскрывая при этом статуса самого Джейсона.

Джейсон и Лорен рассматривали этот вариант, но мужчина уже решил, что хочет знать свою возможную судьбу, прежде чем строить планы на будущее. Когда он пришел ко мне на прием, это был его второй визит к генетику: Джейсон уже общался с моей коллегой Лизой Бристоу. Они обсудили ряд вопросов, в том числе аргументы за и против тестирования, возможный рост стоимости страховки⁵⁶ и то, как вести себя Джейсону в зависимости от результата. Лиза чутко воспринимала тревожные звоночки: станет ли для этого человека дурная весть катастрофическим ударом? Понадобится ли ему дополнительная психологическая поддержка, когда будут готовы результаты? Мы направили Джейсона к неврологу, который не нашел у него признаков ХГ; это означало, что если результат окажется положительным, то сейчас у Джейсона проявлений ХГ нет, однако он неизбежно заболеет потом. Мы предложили ему также консультацию психолога, но он отказался.

При второй встрече мы отчасти повторили предыдущий разговор, обсудили медицинские вопросы и взяли образец крови. То есть два образца: мы всегда дублируем прогностические анализы, потому что ошибка может повлечь за собой серьезные последствия, а также потому, что главная причина ошибок в лаборатории – путаница с образцами. Хотя и нечасто случается так, чтобы пробирки с кровью двух пациентов оказались перепутаны, этого практически гарантированно можно избежать, если отправить два образца в лабораторию по отдельности, чтобы анализы провели независимо.

Шесть недель спустя мы увиделись с этой парой снова. В то утро я шел в амбулаторную клинику, имея при себе запечатанный конверт с результатами Джейсона; перед самым приемом, убедившись, что он пришел в клинику и ждет своей очереди к нам, я вскрыл конверт.

По правде говоря, я не верю в фортуну. Но Джейсон пришел ко мне посреди аномального двухлетнего периода, за который никто из моих пациентов, сдававших анализ на ХГ, не получал дурных вестей, – и он не стал исключением.

Для нас с Лизой – хотя, конечно, не для Джейсона с Лорен – это был типовой, однозначный сценарий. Но сама возможность провести «прогностический» анализ чревата совсем не однозначными ситуациями. Возьмем, например, однояйцевых близнецов, у которых риск заболеть ХГ составляет 50 %. Один хочет провериться, второй – нет. Проверив одного, вы тем самым проверяете и другого. Конечно, мы не сообщим эти сведения второму близнецу. Но какова вероятность, что он случайно не узнает об этом (или, иными словами, что эти данные так и останутся тайной для него)?

Если от него скрыли результаты, то как ему жить с мыслью о том, что его близнец знает ответ за обоих? Представьте себя на месте близнеца, оставшегося в неведении, который просто разговаривает со вторым близнецом, зная, что тому известна ваша общая судьба – и он может дать вам ответ мгновенно, всего лишь кивнув или покачав головой.

С такой ситуацией я не сталкивался, но однажды наблюдал молодого человека, у которого только что умер от ХГ дед по линии матери. Сама мать не хотела проходить генетическое тестирование, но сын пожелал это сделать. Если бы оказалось, что с ним все в порядке, это ничего не сказало бы о его матери⁵⁷, но если ему достался поломанный ген, то она тоже являлась его носительницей. В данном случае женщина не возражала против того, чтобы ее сын прошел обследование; вероятность вытащить несчастливый билет для него составляла 25 % (50 %, что она унаследовала дефектный ген, помноженная на вероятность 50 %, что передала его сыну), но он его не вытянул, поэтому мать так ничего о себе и не узнала.

Как быть с проверкой детей? Для родителей естественно беспокоиться, что их дети могут в будущем заболеть чем-то вроде ХГ, и стремиться получить ответ, руководствуясь, скорее всего, надеждой на лучшее. Вскоре после того, как появилась возможность тестирования на выявление генетической предрасположенности к тем или иным заболеваниям, сообщество генетиков решило, что на подобные запросы следует отвечать отказом. На то есть много причин: мы опасались генетической дискриминации и стигматизации, того, что к детям будут относиться по-другому и причинят им вред. На мой взгляд, самый убедительный довод состоит в том, что, подвергая детей проверке, мы отбираем у них право не проверяться. Если большинство взрослых при наличии выбора предпочитают не прибегать к генетическому тестированию, разве честно отбирать у ребенка эту возможность в будущем?

Все завязано на том, что у нас пока еще нет способов лечения, влияющих на прогноз для больных ХГ, хотя их поиски активно ведутся. Если бы нам было известно средство, способное предотвратить развитие болезни, и если бы оно было эффективно при условии, что лечение начнется с детства, правила моментально изменились бы. Есть другие заболевания, в которых ставки, а следовательно, и правила в этом отношении другие. Например, семейный аденоматозный полипоз (САП). При этом заболевании в толстой кишке образуются сотни, а то и тысячи разрастаний – полипов. Если не вмешиваться, рак толстой кишки неизбежен; как только появились полипы, необходима операция по удалению кишки. Чтобы вовремя выявить заболевание, необходимо регулярное обследование методом колоноскопии начиная с возраста 10–12 лет. Полипы обычно возникают лет в 15–16, но могут появиться и раньше.

Поэтому на вопрос, стоит ли делать генетический анализ ребенку с риском САП, двух ответов быть не может, хотя это и нешуточное дело. Между САП и ХГ есть важные различия. При САП проблемы начинаются в гораздо более раннем возрасте – генетическое тестирование детям, как правило, не приходится проходить за десятилетия до того, как появятся первые симптомы болезни. Кроме того, в данном случае можно что-то сделать: пройти обследование, решиться на операцию… и это все достаточно обременительно⁵⁸, так что появляется дополнительный стимул сделать ДНК-тест, ведь половине детей из группы риска не понадобится через все это проходить.

Где-то в промежутке между этими двумя крайностями располагаются заболевания сердца. Кардиомиопатия – это болезнь сердечной мышцы. Чаще всего мышца утолщается⁵⁹, что препятствует кровотоку через сердце, или же она ослабевает и становится вялой⁶⁰. Оба типа могут вызывать проблемы с электрическими импульсами сердца, что может оказаться фатальным. Другие заболевания, такие как синдром удлиненного интервала QT⁶¹, влияют на электрические импульсы, но не на саму сердечную мышцу.

Как правило, кардиомиопатии вызываются доминантными мутациями, подобно ХГ и САП, и они принимают невероятно разнообразные формы в разных семьях или даже в пределах одной семьи носителей. Однажды мне встретился 14-летний мальчик, забежавший в закусочную по дороге домой из школы. Позади него в очереди случайно оказалась медсестра. К счастью для него, потому что, когда у мальчика внезапно отказало сердце, она провела ему сердечно-легочную реанимацию до приезда «скорой». Как ни удивительно, для мальчика все обошлось благополучно, но, как выяснилось, причиной остановки сердца была достаточно тяжелая кардиомиопатия. Мы сумели определить генетическую причину его заболевания и отследить ее семейную историю. В семье обнаружилось несколько человек, у которых были небольшие жалобы на сердце, включая мать мальчика. Притом ее собственный отец, которому было уже за 70, оказался носителем той же мутации, что и внук, однако всю жизнь прожил со здоровым сердцем.

По крайней мере, взрослым людям при подозрениях на такие заболевания решиться на тестирование намного проще, чем в случае с хореей Хантингтона. Конечно, перспективы тревожные и не очень-то радостно обнаружить, что у вас риск развития серьезного заболевания сердца. Однако имеются способы лечения, позволяющие снизить вероятность того, что вы умрете от этой болезни, а может быть, симптомы вообще никогда не проявятся. И все-таки – стоит ли проверять детей в подобных семьях, выясняя, унаследовали ли они опасный вариант гена? Какое значение будет иметь результат? Не «прогностическое», коль скоро можно прожить всю жизнь и вообще не заболеть. В то же время подобные проблемы не всегда начинаются в зрелом возрасте – иногда заболевают совсем маленькие дети. Существуют виды лечения, которые снижают риски, – но ведь проблемы можно выявить и без проведения генетического анализа, например с помощью УЗИ сердца – неинвазивного и не доставляющего неудобств метода обследования, а затем решать проблемы по мере их возникновения.