Расшифрованная жизнь. Мой геном, моя жизнь - Крейг Вентер

Секвенирование генома конкретного человека вызвало споры, как и многое другое в геномике. Члены научно-консультативного совета выступали против идентификации любых доноров. Арт Каплан сравнивал наш проект с могилой неизвестного солдата, сама неизвестность которого священна. В то же время вся цель анализа ДНК средствами современной военно-судебной медицины состоит, в сущности, в том, чтобы в будущем никогда не оставалось «неизвестных солдат». Как и в случае многих былых спорных тем в медицинской науке, от пересадки сердца до искусственного оплодотворения, отношение общества к ним со временем резко меняется. Прекрасной иллюстрацией этому служит известие о том, что геном Джима Уотсона в настоящее время секвенируется компанией 454 Life Sciences, коммерческой фирмой, разработавшей секвенатор на основе открытий шведа Матиаса Улена, изобретателя метода пиросеквенирования.

С тех пор, как я раскрыл свое участие в проекте, меня постоянно спрашивали, что же я узнал о своем геноме. (Кстати, расшифровка всех 6 миллиардов пар оснований моего кода завершилась только в 2006 году.) Первую диплоидную геномную последовательность для Homo sapiens мы опубликовали 4 сентября 2007 года в общедоступном журнале PLoS Biology{222}. Не беспокоят ли меня эти невероятные знания? Не боялся ли я их публикации в Интернете, сделавшей их доступными для читателей всего мира? Я неизменно утверждал, в том числе и на страницах этой книги, что индивидуальные геномы дают чрезвычайно мало определенных, недвусмысленных ответов на наши вопросы, да и те, в основном, – на языке вероятностей. Только получив полное представление о значении генов (а на это уйдут десятилетия), мы сумеем выяснить, что они означают. Что касается моего генома, то тут я испытал самое большое разочарование: в 2005 году у меня обнаружили два онкологических заболевания кожи: меланому и базалиому. К счастью, оба были диагностированы достаточно рано. У меня, однако, не оказалось достаточного количества ткани для анализа генетических изменений, вызвавших опухоли, с целью выяснить, каким образом мой геном в этих клетках вышел из-под контроля, и почему моя ДНК подвела меня, заставив клетки размножаться без всякого внимания к здоровью всего организма.

Тем не менее в общем плане я представляю себе возможные выводы. Считается, что онкологические заболевания возникают за счет накопления генетических дефектов. При этом «модно» полагать, что их последствия наиболее выражены в стволовых клетках, поставляющих клетки различного типа для конкретных органов и тканей. В случае рака прямой кишки первой стадией является возникновение дефекта в гене роста под названием ras. В результате клетки размножаются с образованием полипов, то есть предраковых образований. В большинстве случаев в клетке полипа повреждается еще один ген роста, и по мере увеличения опухоли возникают новые мутации. Причиной этого является обычная теория вероятности, а также тот факт, что быстро размножающиеся клетки чаще содержат мутации и даже «мутационные» гены, повышающие число ошибок в ДНК. Эту многоаспектную модель раковых заболеваний разработал мой бывший коллега Берт Фогельштейн из Университета Джона Хопкинса, возможно, лучший на сегодняшний день онколог в мире. В Институте Вентера под руководством Боба Страусберга и в постоянном сотрудничестве с рядом известных научных коллективов (включая группу Фогельштейна) исследуются соматические изменения генов в раковых клетках. Соматические изменения вызываются внешними факторами, например токсинами или радиацией, способными вызывать мутации генов в неполовых клетках. Это может вызвать онкологическое заболевание у отдельного человека, которое, правда, не будет передаваться потомству. В результате наследственных генетических дефектов возникает всего 3–5 % онкологических заболеваний, а остальные 95–97 % вызываются соматическими изменениями генов. В то время как многие научно-исследовательские группы изучают изменения в генах, связанные с возникновением рака, мы занимаемся в основном изменениями в генах, которые могут способствовать успешному лечению опухолей. Среди важнейших белков, регулирующих рост наших клеток, – рецепторы тирозинкиназы. Новые мощные химиотерапевтические средства обладают способностью блокировать эти рецепторы, однако их действенность зачастую зависит от типа мутаций в гене рецептора. Соответственно, мы занялись секвенированием генов семейства рецепторов тиразинкиназы в поисках соматических мутаций. Далеко ходить не пришлось: мы обнаружили ряд уникальных мутаций уже в первых опытах по исследованию генов в опухолях мозга. В настоящее время мы расширили сферу этих исследований, включив в нее другие виды опухолей, в частности рак груди и рак прямой кишки.

В будущем врачи несомненно будут использовать методы «персонализированной» медицины. В одном недавнем исследовании секвенаторы ДНК нового поколения сумели предсказать, какие именно пациенты с раком легких могут быть вылечены определенными препаратами нового типа. Крупноклеточный рак легкого – сегодня одна из основных причин смерти от онкологических заболеваний. Ранее было установлено, что опухолевые клетки примерно у четверти пациентов содержат лишнюю копию гена EGFR (рецептор эпидермального фактора роста), в результате чего они более восприимчивы к действию таких лекарств класса ингибиторов, как гефитиниб и эрлотиниб. Корпорация 454 Life Sciences (штат Коннектикут) в сотрудничестве с учеными Онкологического института Даны Фарбер и Института Броуда (под Бостоном) использовали метод секвенирования, разработанный этой корпорацией и определяющий сотни тысяч последовательностей ДНК за один проход для анализа мутаций гена EGFR в опухолях 22 пациентов, страдавших раком легких. Это позволило выявить больных, которым лечение ингибиторами EGFR принесло бы наибольшую пользу.

Пока секвенаторы в моем новом институте выдавали новые и новые фрагменты моего генома, я переключился на проект, в котором сочетались обе великих любви моей жизни: наука и мореплавание. Концепция проекта была несложной. Из образца морской воды с помощью микрофильтров выделяются все плавающие в нем микроорганизмы, из которых одновременно извлекается ДНК для получения библиотек секвенирования методом дробовика. За один проход получаются тысячи и миллионы последовательностей, которые затем собираются обратно в хромосомы и фрагменты хромосом. Наконец, анализируются последовательности генов и пути метаболизма, что позволяет точно уяснить, какие формы жизни присутствуют на данном участке океана. Вместо того, чтобы заниматься поисками одного конкретного биологического вида, мы получили бы мгновенный снимок всего разнообразия микрофлоры в капле морской воды – геном самого океана. Это представлялось мне закономерным продолжением работы, которая началась с использования метода EST, привела к созданию полного анализа генома методом дробовика, затем – к получению первого генома живого организма, и наконец – к расшифровке генома человека. Новый мой проект, как и все его предшественники, был встречен с недоверием. Многие относились к секвенированию морской воды методом дробовика крайне скептически, поскольку речь шла об анализе «бульона», содержащего огромное число биологических видов. Возвращаясь к аналогии с пазлом, можно сказать, что задача состояла в перемешивании фрагментов от нескольких тысяч пазлов, а затем – в их одновременной сборке. Тем не менее из первых опытов по сборке генома в TIGR я уже знал, что наша вычислительная техника способна точно собрать не один полный геном из подобной сложной смеси. В 1996 году нам прислали полученный от пациента образец, предположительно содержавший бактерию Streptococcus pneumonia.

При секвенировании генома бактерии программа сборки установила присутствие в образце не одного, а двух геномов, принадлежавших родственным, но различным видам. И этот случай, и многие другие (не в последнюю очередь сборка 27 миллионов фрагментов ДНК человека обратно в хромосомы) убедили меня в том, что любая уникальная последовательность генома позволяет осуществить его уникальную математическую сборку. Дабы убедить комиссию Министерства энергетики выделить средства на опытный проект исследования океана, я провел простой демонстрационный опыт. Я взял все известные на тот момент геномы микроорганизмов (около ста) и разбил их на небольшие участки, содержавшие менее тысячи пар оснований. Смешав все эти фрагменты, я пропустил их через программу сборки. Результаты оказались весьма убедительными. Наши алгоритмы обеспечили правильную сборку каждого индивидуального генома без единой ошибки. Членов комиссии по рассмотрению заявок на получение грантов это впечатлило, однако они по-прежнему считали, что мои методы непригодны для работы с океаном. Тогда я решил разработать методику экспериментального проекта для реальных условий, вновь профинансировав его из своего собственного фонда, и связался с Энтони Кнаппом, директором Бермудской биостанции, который организовал отбор проб воды из Саргассова моря, куда я направил моего сотрудника Джеффа Хоффмана. Мы намеренно выбрали Саргассово море, известное ранее как океанская «пустыня», бедная питательными веществами и не отличающаяся особым разнообразием бактериальной жизни. В этих водах было обнаружено лишь считанное число микроорганизмов. После обработки фильтров, содержащих микроорганизмы из первых проб в лаборатории секвенирования, мы проанализировали результаты. Итак, я был прав! Мы раскрыли двери в мир, почти неизвестный современной науке. От освещенной солнцем поверхности до мрачных подводных каньонов простирается океан жизни, содержащий порядка 1030 одноклеточных организмов и 1031 вирусов! Это означает 1 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 организмов, представленных миллионами уникальных видов, или миллиард триллионов организмов на каждого жителя Земли.