ДНК и её человек. Краткая история ДНК-идентификации

Дело об иммигрантах из Ганы

Авторы статьи гадали, привлечет ли новый метод внимание практиков. Привлек почти мгновенно, и права оказалась Сью Джеффрис: ДНК-фингерпринт дебютировал в деле об иммиграции.

После публикаций в английских газетах об идентификации личности и родственных связей по ДНК к ним обратилась Шеона Йорк, адвокат из общественного юридического центра в Лондоне. Она представляла интересы семьи из Ганы – женщины по имени Кристиана Сабра с четырьмя детьми. Относительно одного мальчика, Эндрю, у контролирующих органов возникло подозрение, что он не ее сын. Женщина и ребенок прошли типичные для того времени тесты на наследственность: группы крови, серологическое типирование и другие, основанные на исследовании белков. Но у этих методов был важный недостаток: они могут дать однозначный отрицательный результат (например, человек с четвертой группой крови никак не может быть родителем ребенка с первой группой), а вот положительный результат можно оспорить как случайное совпадение. Ситуация осложнялась тем, что отец мальчика был недоступен. Удалось доказать, что женщина и ребенок – родственники, но не было очевидно, что она именно мать, а не, скажем, тетя. Мальчика должны были депортировать обратно в Гану, закон суров, но это закон.

Весной 1985 г. Джеффрис с коллегами получили образцы крови членов семьи, сделали ДНК-фингерпринт и установили, что мальчик – сын женщины, брат других ее детей, у них один и тот же отец.

Один из первых вопросов, которые задает неспециалист, глядя на первые ДНК-фингерпринты Джеффриса: да как можно делать судьбоносные выводы из этой кофейной гущи? Полоска совпала или не совпала… а если у постороннего человека фрагмент ДНК с повторами случайно имеет точно такую же длину, как у ребенка, ну вот так вышло, что у него в этом месте тоже ровно 16 повторов, – ему теперь из-за вашего фингерпринта придется алименты платить? Мало ли какие случайности бывают!

Когда звучит слово “случайно”, в игру вступают математики. Это для неспециалиста случайность – нечто непостижимое и неизмеримое, а у математиков на нее есть методы. Если определить частоту встречаемости того или иного варианта в популяции, станет понятно, какова вероятность случайного совпадения у двух случайно взятых людей (не родственников). И конечно, никто не делает выводов из сопоставления всего одной пары фрагментов. Чем больше исследовано пар, тем меньше вероятность, что совпадение, буде оно обнаружится, случайно.

Как это работает, прекрасно объяснил Эдгар Аллан По. Он придумал “сыщика-джентльмена” за много лет до Конан Дойла, и вот что говорит по этому поводу его Дюпен. (Уголовное дело очень похоже на те, что в наше время будут расследоваться с помощью метода Джеффриса: идет опознание тела убитой девушки, газеты и общественность сомневаются, что результатам опознания можно доверять.)

“«У нее была маленькая нога», – говорит газета; но есть тысячи таких ног. Подвязка или башмак не могут служить доказательством, потому что подвязки и башмаки продаются целыми партиями. То же можно сказать о цветах на шляпке. Господин Бовэ придает особенное значение тому обстоятельству, что пряжка на подвязке была переставлена. Это ничего не доказывает, так как большинство женщин, купив подвязки, примеряют и в случае надобности перешивают их дома, а не в магазине. Трудно поверить, что автор рассуждает серьезно. Если бы господин Бовэ, разыскивая труп Мари, нашел тело, сходное по общему виду и росту с исчезнувшей девушкой, он имел бы основание предположить (оставляя в стороне вопрос об одежде), что его поиски увенчались успехом. Если вдобавок к общему сходству он замечает на руке особенные волоски, какие видел у живой Мари, его мнение подтверждается и вероятность усиливается в прямом отношении к особенности или необычайности этой приметы. Если у Мари были маленькие ноги и у трупа оказываются такие же, вероятность увеличивается не в арифметической только, а и в геометрической прогрессии. Прибавьте сюда башмаки, такие же, как те, что были на ней в день исчезновения, и вероятность почти граничит с несомненностью. (…) Если еще прибавим сюда цветы на шляпке, такие же, как были у Мари, то больше нам ничего и не требуется. Одного цветка достаточно, а если их два, три и более? Каждый из них – умноженное доказательство, не прибавленное к другому, а умноженное на сотню, на тысячу. Если еще на теле оказываются подвязки такие же, какие были на покойной, то почти нелепо искать новых доказательств. Но на этих подвязках пряжка переставлена именно так, как переставила ее Мари незадолго до своего исчезновения. После этого сомневаться было бы безумием или лицемерием. (Э. А. По. Тайна Мари Роже.)^[17]

Поэт, мистик и романтик Эдгар По отлично разбирается в предмете. Действие рассказа происходит в середине XIX в., до ДНК еще далеко, но математика та же самая. Вероятности нескольких случайных совпадений не складываются, а перемножаются. А поскольку вероятность как математическая величина принимает значения от 0 (невозможно) до 1 (достоверно), то, перемножая величины меньше единицы, мы получаем все более маленькие значения: ½ × ½ × ½ = ⅛. Иными словами, чем больше мы наблюдаем “случайных совпадений”, каждое из которых в принципе имеет довольно высокую вероятность, тем меньше вероятность потрясающего совпадения многих случайностей сразу – это ясно и без математики. Не так сложно достичь удовлетворительной надежности, если изучить достаточное число признаков. (Что, разумеется, не помешает критикам и адвокатам преступника выносить мозг экспертам в каждом конкретном случае: удовлетворительна ли ваша надежность?)

Высокая степень сходства ДНК женщины и четверых детей была заметна, что называется, на глаз, но во избежание дальнейших споров Джеффрис с коллегами подсчитали, с какой вероятностью подобное количество совпадений могло получиться случайно, если женщина и ребенок не родственники, или если мальчик – племянник, а не сын женщины. Отношение вероятностей родства “мать-сын” против отсутствия родства составило 5 × 10⁸ к 1, отношение вероятностей вариантов “мать-сын” и “тетя-племянник” – 3 × 10⁴ к 1. Службам иммиграционного контроля такие результаты показались убедительными, мальчику позволили остаться в Великобритании^[18].

Современные специалисты отмечают, что сегодня результаты Джеффриса и соавторов не были бы приняты в суде. Сейчас принято подсчитывать вероятности на основании точных данных о частоте встречаемости того или иного аллеля в той или иной популяции. Конечно, изначально у Джеффриса таких возможностей не имелось, но сейчас – будьте любезны. Так или иначе, ДНК-анализ по-прежнему помогает расследовать разнообразные случаи, где требуется отыскать родителей ребенка, от потерявшихся и найденных до осиротевших в зоне военного конфликта или нелегально вывезенных в чужую страну.

Летом 1985 г. ДНК-улики впервые фигурировали в суде – в деле об отцовстве. Проведенное вместе с госструктурами пилотное исследование по другим делам об иммиграции, преимущественно из Индии, доказало полезность ДНК-фингерпринта в тех случаях, когда нет надежных документальных подтверждений, – “и, кстати, продемонстрировало некоторые интересные расхождения между доказательствами, полученными с помощью ДНК, и решениями официальных лиц по оформлению въезда, которые проводили исследования родословных, беседовали со свидетелями в деревнях и т. п.”^[19], пишет Джеффрис. Уже тогда наметилась эта проблема: ДНК-анализ знает чересчур много и нахально раскрывает семейные тайны.

Вскоре ДНК-фингерпринт попал и на телевидение; в семейном шоу двум сестрам помогли доказать, что они идентичные, монозиготные близнецы, а не дизиготные, и 10 млн телезрителей узнали о новой технологии. Сейчас ток-шоу о подтверждении родства с помощью ДНК – популярная тема; есть такое и в России^[20]. Все любят истории о загадках отцовства, о потерянных и найденных родных, о прадедушках, перепутанных в роддоме, и таких историй теперь полно. В соцсетях даже появились группы для пострадавших от ДНК-идентификации – для всех, кто внезапно узнал, что его родные люди на самом деле вовсе не родные, и учится с этим жить.

Монозиготные близнецы получаются из одной оплодотворенной яйцеклетки (по-гречески “зигота” – зародыш), разделившейся пополам, поэтому их геномы идентичны. Дизиготные – из двух оплодотворенных яйцеклеток, соответственно, между их геномами не больше сходства, чем у “обычных” братьев и сестер, родившихся не одновременно. Как ни странно, не всегда удается определить без ДНК-экспертизы, монозиготна или дизиготна та или иная пара двойняшек: дизиготные близнецы бывают очень похожими, монозиготных жизнь делает разными. Может ли ДНК-анализ различить монозиготных близнецов, и если да, то как – об этом поговорим позже, но ДНК-фингерпринты у них идентичны.

 

Новым методом заинтересовались и биологи. ДНК-фингерпринт уличил в неверности не только некоторых людей, но и домовых воробьев – оказалось, они меняются женами. С помощью нового метода изучали родословные редких животных (например, лесных ибисов Цюрихского зоопарка), чтобы избежать инбридинга при скрещивании. Уже в конце 1990-х гг., когда на свет появилась знаменитая овечка Долли, для нее сделали фингерпринт, чтобы убедить скептиков, что она именно та, за кого себя выдает, – клон овцы-донора клетки, а не обыкновенная дочь своей суррогатной матери^[21].

Убийца – кондитер

Но нам пора вернуться к менее милым расследованиям – уголовным. Алек Джеффрис и Питер Гилл из службы судмедэкспертизы британского министерства внутренних дел (запомним Питера Гилла, он нам еще встретится) показали, что ДНК в образцах, с которыми обычно имеют дело криминалисты, – в крови или пятнах спермы – сохраняется достаточно хорошо для фингерпринта^[22]. Однако было понятно, что инновационный метод слишком сложен для рядового криминалиста, да и в любом случае не всегда на месте преступления найдется достаточно высококачественной ДНК.

Для улучшения и упрощения технологии Джеффрис с соавторами предложили использовать систему маркеров к единичным локусам (участкам) вместо коровой последовательности, подходящей ко всему, – брать уникальные маркеры, которые будут метить лишь две полоски в каждом из образцов. (Еще раз напомним, что в каждой нашей клетке – два экземпляра генома, один получен от мамы, другой от папы, поэтому и каждый минисателлитный участок представлен двумя копиями.) Иными словами, можно будет сравнивать сходства и различия по каждому локусу отдельно, а не по всем сразу^[23]. Это гораздо проще и убедительнее.

Инновация была использована, когда Джеффриса пригласили поучаствовать в расследовании двойного убийства, с которого мы начали свой рассказ. Итак, 21 ноября 1983 г. в городе Нарборо 15-летняя Линда Манн пошла в гости и не вернулась домой. Ее нашли изнасилованной и задушенной у тропинки в малолюдном месте. Криминалисты взяли образец спермы, по нему определили группу крови и ферментный профиль преступника. Эти данные подходили 10 % лиц мужского пола в популяции. Дело осталось открытым.

Тридцать первого июля 1986 г. в городе Эндерби 15-летняя Дон Эшворт, возвращаясь из гостей, решила срезать путь до дома. Тело со следами зверского избиения, изнасилования и удушения нашли через два дня. Группа крови преступника оказалась той же, что и в первом случае.

Первым подозреваемым стал Ричард Бакленд, 17 лет, с трудностями в обучении, который знал Дон и казался чересчур осведомленным о некоторых неопубликованных подробностях преступления. На допросе он сознался в убийстве Дон, но потом взял свои слова назад, а убийство Линды отрицал.

Итак, генетики сделали ДНК-фингерпринт. Оба образца, взятые с трупов, принадлежали одному человеку, однако не подозреваемому – его образец выглядел совершенно иначе. Потом Джеффрис вспоминал, что первой его мыслью было: “Боже, с методом что-то не так!” Полиция привела тебе преступника, есть признание, давай, подтверждай его вину, ученый… Но с методом все было так. Просто насильником и убийцей оказался другой человек.

Ричард не был невинно осужден, и это, конечно, хорошо. Почему этот дурачок признался в том, чего не совершал, – на этот вопрос никакой ДНК-фингерпринт не ответит. И кто же настоящий преступник, в конце концов?

Следственная группа взяла образцы крови и слюны у 5511 мужчин, каждый из которых теоретически мог совершить убийства. Совпадений не было, и полиция уже приготовилась разочароваться в большой науке. Но одна женщина услышала, как человек по имени Келли рассказывает в пабе, что за деньги сдал кровь вместо приятеля, и сообщила об этом полиции.

Умником, избежавшим ДНК-анализа, оказался Колин Питчфорк, 27-летний работник хлебозавода, женатый человек, отец двоих детей. Он сказал товарищу по работе, что не может сдать кровь, потому что уже сдал ее под чужим именем, по просьбе друга, который якобы боялся обвинения из-за юношеской кражи со взломом. Питчфорк делал украшения для тортов, был на хорошем счету, правда, начальник отметил, что он “не может оставить женщин в покое и все время болтает с ними”. До брака этот фуд-дизайнер подвергался аресту за эксгибиционизм и проходил терапию.

Результаты ДНК-идентификации оказались положительными. Питчфорк признался в многочисленных эпизодах непристойного обнажения, в двойном изнасиловании и убийстве и еще одном изнасиловании. После убийства Линды он был одним из тех, кого допросили, и тогда он ответил, что присматривал в это время за своим маленьким сыном. Действительно, ребенок спал в его машине, пока он насиловал Линду, а потом он отвез ребенка домой и уложил в кроватку. После убийства Дон он так же спокойно вернулся домой и испек пирог для семьи. На вопрос: “Почему Дон Эшворт?” он ответил так: “Возможность. Она была там, и я был там”.

Питчфорка приговорили к пожизненному заключению, причем судья выразил надежду, что ради общественной безопасности этот преступник никогда не будет освобожден.

Как нам сообщает “Википедия”, первый человек, осужденный благодаря анализу ДНК, все еще под арестом, хотя не так давно ему смягчили режим содержания, газеты пишут, что ему даже разрешают выходить на волю под честное слово. (Вспоминая “Коротенький отпуск мистера Лавдэя” Ивлина Во, сомневаюсь в разумности этой меры. Многие британские граждане тоже сомневаются, но, возможно, тюремным психиатрам виднее…) Адвокаты делают акцент на его примерном поведении, самообразовании и упорной работе над переводом печатных нот в символы Брайля для нужд слепых^[24]. В 2009 г. на выставке в лондонском Саутбэнк-центре появилась бумажная скульптура, сооруженная Колином Питчфорком (видимо, он скучает по работе), – оркестр и хор, сделанные из кусочков партитуры девятой симфонии Бетховена. Фигурки музыкантов, разлинованные нотными станами, казались одетыми в полосатые тюремные робы. Общественность возмутилась, но дело было сделано: произведение кондитера-убийцы продали на благотворительном аукционе за 600 фунтов, из которых он получил 300^[25]. Ходатайства творческой личности об условно-досрочном освобождении до сих пор отклонялись.

Напоследок небольшое замечание, не связанное с молекулярной биологией. ДНК-анализ – это прекрасно, и все же добро не победило бы, если б не свидетельница, которая отнеслась серьезно к болтовне в пабе.

Прежде чем перейти к следующим уголовным сюжетам, вернемся немного назад. К тому, что случилось за полтора года до того, как Джеффрис проявил радиоавтограф первого ДНК-фингерпринта, – майской ночью 1983 г., по другую сторону Атлантического океана, в округе Мендосино, Калифорния, на трассе 128 между Кловердейлом и Бонвиллом. Для тех, кто работает с ДНК, эта трасса уже стала таким же научным мемом, как яблоко Ньютона и галапагосские вьюрки Дарвина.

Кэри Муллис и полимеразная цепная реакция

Иногда Нобелевскую премию дают за годы упорной работы, иногда – за вдохновенное озарение. Хотя за озарением чаще всего тоже следуют годы упорной работы. Как, например, в истории открытия полимеразной цепной реакции – ПЦР.

В чем секрет этого открытия? Кэри Муллис – умный и незаурядный человек, но умных и незаурядных в молекулярной биологии на этапе ее эффектного старта было пруд пруди. Может, дело в везении, что бы это ни значило. Или в умении не упустить удачу, не отмахнуться от золотого блеска на краю поля зрения, не забыть о нем ради рутины. Нобелевский лауреат Эдмунд Фишер сказал по аналогичному поводу: “Счастливый ученый тот, кто ищет иголку в стоге сена, а находит дочку фермера”.

Ракетное топливо и другие вещества

Эксцентричность и нонконформизм Кэри Муллиса выделяют его даже на фоне коллег и современников, среди которых мало скучных людей. В своей Нобелевской лекции^[26] он отмечает, что родился в тот самый год, когда вышла “Что такое жизнь с точки зрения физика?” Эрвина Шрёдингера (1945), и добавляет: “Я жил в Колумбии, Северная Каролина, где никто не заметил, что у нас нет экземпляра [этой книги]. Но мой дом был в нескольких кварталах от дикой, неосвоенной лесной зоны с ручьем, поссумами, енотами, ядовитыми змеями, драконами и веткой железной дороги. Не нужна нам была книга”. Родители развелись, мать работала риелтором и не требовала от детей железной дисциплины. Когда Уотсон и Крик открыли структуру ДНК, братья Муллисы играли в лесу и лазили в неосвещенную ливневую канализацию под городом. Когда за открытие структуры ДНК вручали Нобелевскую премию, Кэри с товарищами увлекся ракетостроением. В качестве топлива использовали смесь калийной селитры, купленной в магазине, с сахаром, утащенным с маминой кухни, и угольной пылью. В те старые добрые времена, ностальгически вспоминает Муллис, мальчик мог спокойно купить динамитный запал. Ракета была четырех футов в длину (тут мама немного забеспокоилась). Однажды юные ракетостроители запустили лягушку пусть не в космос, но на высоту около мили, и она вернулась живой. А в другой раз напугали пилота самолета, идущего на посадку. “Виноваты”, – коротко комментирует этот случай Муллис.

В школе (еще одна вещь, сегодня почти невозможная) ученики могли бесконтрольно экспериментировать в химической лаборатории. Это занятие Кэри никогда не надоедало, и уже во время учебы в Технологическом институте штата Джорджия на каникулах Муллис с товарищем устроили лабораторию органического синтеза в старом курятнике на окраине. Синтезировали они всякие вредные и взрывающиеся вещества (в то время законодательство еще не успело запретить подобные инициативы): “Никто не хотел их делать, но кое-кто хотел их иметь, так что производство было за нами. Мы не страдали ни от скуки, ни от начальства. Мы сделали достаточно денег, чтобы приобретать новое оборудование”. Среди их клиентов был руководитель Columbia Organic Chemical Company, покупавший и перепродававший их продукцию.

Когда Кэри Муллис поступил в аспирантуру Калифорнийского университета в Беркли, уже был расшифрован генетический код, но ДНК – длинный нудный полимер – юного биохимика не интересовала, он предпочитал небольшие молекулы с интересными свойствами. Он занимался синтезом и структурой бактериального белка – транспортера железа. Ему повезло и с руководителем дипломной работы: биохимик Джон Драйан “Джой” Нейландс управлял лабораторией так, что студенты не ощущали тягот академической дисциплины. Например, Кэри Муллис выбрал в качестве спецкурса астрофизику, резонно рассудив, что молекулярной биологии он может научиться у коллег, а заниматься астрофизикой потом некогда будет. По-видимому, мечты о космосе его не отпускали. В то время он написал статью “Космологическая значимость обратного течения времени”, о “невидимом компоненте Вселенной”, для которого время движется в другую сторону. Послал ее Кэри – когда речь идет о фундаментальных проблемах, скромность неуместна! – в журнал Nature. Многие в молодости размышляют о тайнах мироздания и придумывают завиральные идеи вселенского масштаба, но случай Муллиса уникален тем, что Nature статью напечатал^[27]. Публикация в журнале первого ряда выручила его, когда встал вопрос о том, может ли быть присвоена степень PhD человеку, не изучавшему молекулярную биологию.

Получив степень, Кэри Муллис отправился в Канзас, потому что его тогдашняя жена собиралась там учиться в медицинской школе. Теперь он захотел стать писателем, но быстро понял, что для этого ему не хватает жизненного опыта: герои получались плоскими и неубедительными. Пришлось вернуться к наукам о жизни (к счастью для человечества). Муллис нашел работу в медицинской школе. Через два года, после развода с женой, он возвратился в Беркли. Работал в ресторане, затем в Университете Калифорния (Сан-Франциско). А потом попал на семинар о клонировании гена соматостатина, и это так впечатлило его, что он начал искать работу, где требовалось бы синтезировать ДНК.

Такая работа нашлась в компании Cetus. С 1979 г. Муллис работал там, был очень доволен. В то время в Сан-Франциско появилось несколько биотехнологических компаний и научных групп, занимавшихся синтезом ДНК. И в начале 1980-х Муллис, уже будучи руководителем лаборатории, столкнулся с парадоксальной проблемой: у него было слишком много олигонуклеотидов – коротких кусочков ДНК с заданной последовательностью “букв”. Олигонуклеотиды, они же олиги на лабораторном жаргоне, синтезировала специальная машина, купленная в компании Biosearch, и руководитель понял, что эта механизация создает угрозу рабочим местам. Если машина синтезирует за восемь часов столько олигонуклеотидов, сколько сотрудники лаборатории вручную за три недели, зачем нужны сотрудники? Может, их уволить? Муллису эта идея не нравилась, никого увольнять он не хотел и начал размышлять над тем, куда бы применить большое количество коротких цепочек ДНК. Что бы такого сделать с помощью этого неожиданно возникшего ресурса и ловких рабочих рук, желательно с пользой и выгодой для всех?