Эра ДНК
СОДЕРЖАНИЕ: То, что гены образованы дезоксирибонуклеиновой кислотой (ДНК), было установлено еще за девять лет до публикации статьи Уотсона и Крика о ее структуре. Химическая структура ДНК, в отличие от пространственной, была также хорошо известна до 1953 года.
Ричард Левонтин
Ни для кого из тех, кто читает газеты и научные журналы, не станет новостью, что прошла пятидесятая годовщина выхода в свет статьи об упорядоченной трехмерной структуре ДНК.[1] Структура эта, двойная спираль из двух цепочек нуклеотидов, стала известным символом, а само выражение «двойная спираль» произносилось и писалось так часто, что утвердилось в повседневном обиходе.
То, что гены образованы дезоксирибонуклеиновой кислотой (ДНК), было установлено еще за девять лет до публикации статьи Уотсона и Крика о ее структуре. Химическая структура ДНК, в отличие от пространственной, была также хорошо известна до 1953 года. Между тем, несмотря на очевидную важность ДНК для понимания на молекулярном уровне как наследственности, так и онтогенеза, интерес к ней стал усиливаться лишь после публикации гипотезы о двойной спиральной структуре – до тех пор, пока наконец она не стала главным предметом изучения в генетике и биологии развития. За последние пятьдесят лет произошла перестройка большинства отраслей биологии вокруг ДНК как главной молекулы наследственности, онтогенеза, работы клетки и эволюции. Эта перестройка не сводится к изменению направления экспериментов. Вокруг ДНК теперь строится объяснение биологических процессов, а сама ДНК заняла важнейшее место в изложении общих представлений о жизни и ее эволюции. Была создана целая идеология, в которой ДНК — это «тайна жизни», «главная молекула», «Священный Грааль» биологов; построена картина мира, согласно которой мы «громоздкие роботы, чьё тело и разум созданы» ДНК. Отсюда вытекает не только определённое понимание биологии, но и наши попытки регулировать и контролировать биологические процессы в интересах здоровья и благополучия человека, так что от этой идеологии в конечном счёте зависит состояние всего остального живого мира.
Обоснование представления о господстве ДНК над всеми биологическими процессами началось с присвоения ДНК двух особых свойств, которые провозглашаются вновь и вновь не только в популярных изложениях, но и в учебниках. С одной стороны, говорится, что ДНК саморазмножается, а с другой – что ДНК производит белки, молекулярные составляющие любой клетки. А между тем оба эти утверждения неверны, о чём известно всякому биологу, и это не может не вызывать беспокойство.
Во-первых, ДНК не воспроизводит себя сама, а изготавливается из небольших молекулярных элементов сложным клеточным механизмом, состоящим из белков. Если ДНК поместить вместе со всеми необходимыми для сборки новой ДНК элементами, но без этого белкового механизма, то ничего не произойдёт. А происходит на самом деле вот что: уже существующая ДНК копируется клеточным механизмом так, чтобы новые нити ДНК были копиями старых. Этот процесс аналогичен размножению документов на ксероксе, и его никак не опишешь как «саморазмножение». Между прочим, в процессе копирования ДНК совершается множество ошибок. Существует белковый механизм корректуры, сравнивающий вновь собранные нити со старыми и исправляющий ошибки. Ксерокс, делающий такие ошибки, поспешили бы выбросить.
Во-вторых, ДНК ничего не производит, и уж точно она не производит белки. Новые белки производятся аппаратом белкового синтеза, который сам состоит из белков. Роль ДНК заключается в задании линейной последовательности аминокислот, которые связываются синтезирующим аппаратом. Но такая нить аминокислот еще не является белком. Чтобы стать белком с физиологическими и структурными функциями, нить должна свернуться в трехмерную конфигурацию, которая частично зависит от последовательности аминокислот, но помимо этого определяется внутриклеточной средой и особыми обрабатывающими белками, которые, в частности, могут «вырезать» часть аминокислотной цепи и «сшить» то, что осталось.
Другая функция ДНК – служить набором выключателей, реагирующих на внутриклеточные условия таким образом, чтобы разные клетки в разное время производили разные белки. Когда условия внутри клетки «замыкают» выключатель, связанный с определенным геном, то клеточный механизм, изготовляющий белки, начинает читать данный ген. В противном случае клетка ген игнорирует.
В такой картине механического отношения ДНК к остальным клеточным механизмам нет места ни для «самой главной молекулы», ни для «тайны жизни». ДНК представляет собой архив информации о последовательностях аминокислот, к которому обращается клеточный аппарат синтеза, производя новую молекулу белка. А вот какая информация читается, и где в организме, и когда, определяется физиологическим состоянием клеток. Организм не может развиваться без ДНК, но и она не может развиваться без уже существующего белкового механизма (если только организм не является паразитом, как вирус, который лишён собственного аппарата для синтеза и «эксплуатирует» белковый механизм своего хозяина).
Голословное утверждение об особых автономных свойствах ДНК является прелюдией на пути к следующему шагу в создании такой картины мира, в которой всем правит ДНК. Эта картина попросту является молекулярной версией биологического детерминизма, на котором, начиная с девятнадцатого века, в основном строились объяснения свойств организмов, в особенности — людей. Считалось, что различия в темпераменте, таланте, социальном положении, богатстве и власти у человека «в крови». Физические проявления этих якобы наследственных различий виделись судебным и расовым «антропологам» в форме носа, головы и цвете кожи. С развитием менделевской генетики на смену крови в таких объяснениях пришли гены, но они по-прежнему, все пятьдесят лет существования генетики, оставались лишь формальными объектами, конкретно не описываемыми, если не считать того, что они находятся где-то на хромосоме. Открытие того, что веществом генов является ДНК, и последующее определение соответствия между нуклеотидной последовательностью генов и аминокислотной последовательностью белков предоставило затем конкретную молекулярную основу для общей схемы объяснения организма. Тот факт, что организмы строятся прежде всего из белков и ДНК, несущей в себе архив информации об аминокислотной последовательности белков, придал огромный вес выводу, что организм целиком закодирован в ДНК. Проявлением этой точки зрения является утверждение, сделанное основателем молекулярной биологии гена на симпозиуме по случаю 100-летия со дня смерти Дарвина: если бы ему дали последовательность ДНК организма и достаточно большой компьютер, то он бы смог «вычислить» организм. Это напоминает заявление Архимеда, что, при наличии достаточно большого рычага и точки опоры, он бы смог перевернуть Землю. Но если Архимед был, вероятно, по крайней мере теоретически прав, то молекулярный биолог — нет. Организм нельзя «вычислить» по его ДНК, потому что и сам организм по ДНК себя не высчитывает.
В биологии есть основной принцип, всем биологам известный, но многими за неудобством игнорируемый: развитие организма уникальным образом определяется взаимодействием его генов и временнй последовательностью сред, в которых он развивается. Сейчас в генетике развития увлечены тем, каким образом информация из различных генов приводит к формированию основных функций организма. Каким образом передняя и задняя части животного получаются разными? Почему из зародыша лошади развивается животное с четырьмя ногами, яйцеклетка птицы даёт организм с двумя ногами и двумя крыльями, а из яйца бабочки получается живое существо с шестью ногами и двумя парами крыльев? Заострение внимания на крупных сходствах и различиях между видами приводит к генетически детерминистскому взгляду на онтогенез, игнорирующему фактические различия между людьми. Огромная литература, основанная на опытах с растениями и животными, показывает, что особи, обладающие одним и тем же генотипом, но развивавшиеся в разной среде, будут различаться физическими характеристиками. Более того, относительно друг друга, особи с различными генотипами будут достигать разной степени развития одного и того же признака в зависимости от среды. Так, генетический тип, который растет быстрее остальных при одной температуре, может расти медленно в другой. Но даже и гены в совокупности с окружающей средой не определяют всего в организме. Все «симметричные» организмы обнаруживают флуктуирующую асимметрию сторон, причём различия между левой и правой сторонами часто столь же велики, как и различия между особями. У одного и того же человека, например, отпечатки пальцев левой и правой руки не идентичны, а по некоторым пальцам и вовсе сильно различаются. Эта изменчивость отражает разность темпов роста, случайно возникающую между различными частями тела, – с одной стороны, в связи с неодинаковыми условиями как внутри клетки, так и в окружающей ткани, а с другой – в связи со случайным изменением числа копий определенных молекул в разных клетках. В результате, два человека с одинаковыми генами, находящиеся в идентичных условиях, будут развиваться неодинаково. Если мы хотим понять различия между людьми, мы должны задавать гораздо более тонкие и сложные вопросы, чем это принято в биологии, в которой господствует ДНК.
Другим следствием того, что ДНК оказалась в центре внимания биологии, стала разработка техники, позволяющей автоматически считывать последовательности ДНК, размножать и изменять их, в том числе внедрять в геном организма отрезки ДНК. Совокупность этих методов даёт возможность как угодно манипулировать ДНК организма. Очевидных применений у этой возможности три: это выявление и лечение возможных заболеваний, использование организмов в качестве машин для производства определенных биологических молекул и выведение сельскохозяйственных культур с новыми свойствами.
Обоснованием программы «Геном человека» в значительной степени служило обещание, что теперь появится возможность находить гены, вызывающие заболевания, сравнивая последовательности ДНК больных и здоровых людей. Считалось, что как только будет обнаружена разница в нуклеотидах, её можно будет использовать в качестве критерия диагноза и прогноза заболевания, а также строить на ней генную заместительную терапию. Никто не сомневается, что некоторая толика человеческих болезней вызывается вредными мутациями. Вместе с тем, даже когда исследования семейной наследственности убедительно указывают на то, что данная болезнь наследуется как простое менделевское генное различие, определить, что оно является следствием мутации в одном конкретном гене — задача отнюдь не тривиальная. Вслепую искать генетические различия, общие для всех людей, подверженных данному заболеванию, нецелесообразно, учитывая, что в среднем любые два человека отличаются друг от друга на 3 миллиона нуклеотидов. Другое дело, что если биохимия данной болезни достаточно изучена, то бывает возможно выделить несколько генов-кандидатов[2] для исследования. С другой стороны, можно показать, исследуя тип наследования, что заболевание передаётся вместе со сцепленным с ним геном, местоположение которого в геноме известно, и это в значительной степени сужает область поиска изменения в ДНК, вызвавшего данную болезнь.
У человека, как и у любого другого вида, вредоносные мутации в каждом отдельном гене почти всегда встречаются с малой частотой. Поэтому редки заболевания, вызванные одним конкретным геном. Но даже взятые в совокупности, гены не ответственны за ухудшение здоровья большинства людей. Учитывая затраты сил и денег, которые потребуются для обнаружения, диагностики и генетического лечения какой-либо одной болезни, такая починка генов, в качестве общего подхода для этого класса заболеваний, не имеет реальных перспектив. Бывают исключения, вроде серповидно-клеточной анемии и других заболеваний, связанных с патологическими гемоглобинами, когда таким заболеваниям подвержена значительная часть населения, так что для этих случаев можно рассматривать возможность генной терапии. Но для большинства заболеваний (именно на них приходится основная масса больных), для которых были найдены некоторые данные о влиянии генов, связь между болезнью и ДНК оказывается гораздо сложнее и неоднозначнее. Не раз делались заявления, будто открыты «гены» шизофрении и биполярного синдрома, и каждый раз они опровергались. Общепризнано, что причина рака лежит в мутации различных генов, связанных с контролем деления клеток, но даже в случае мутаций гена BRCA1, где связь с раком молочной железы доказана наиболее убедительным образом, ими вызваны всего лишь порядка 5% случаев рака этого органа.
До сих пор у нас нет ни одного случая успешного лечения болезней с помощью генной терапии. Все успешные вмешательства, будь то в случае такого простого, с точки зрения генетики, расстройства, как фенилкетонурия, или в таких сложных случаях, как диабет, делались на уровне биохимии и задолго до того, как что-либо стало известно о ДНК. Разумеется, в будущем может быть осуществлена успешная генная терапия той или иной болезни, но утверждения о том, что манипуляции с ДНК — это путь к здоровью, в целом не обоснованы. Тем более что в мировом масштабе слабое здоровье и преждевременная смерть вызваны чаще всего сочетанием инфекционных болезней и недоедания — факторов, которых генетические манипуляции никогда не устранят.
Второе следствие — возможность использования генетически модифицированных организмов как фабрик для коммерческого производства биологически полезных молекул — было реализовано на практике. Наиболее известный случай — массовое производство человеческого инсулина при помощи бактерий — особенно поучителен. Инсулин для диабетиков первоначально извлекали из коровьей и свиной поджелудочной железы. Однако эта молекула отличается от человеческого инсулина несколькими аминокислотами. Недавно последовательность ДНК, кодирующую инсулин человека, стали вводить в бактерии, которые затем выращивают в больших биореакторах; белок с аминокислотной последовательностью человеческого инсулина извлекают из жидкой питательной среды. Но последовательность аминокислот формы белка не определяет. Первые белки, добытые с помощью описанного процесса, хотя и обладали правильной последовательностью аминокислот, были физиологически неактивны. Бактериальная клетка сворачивала белок неправильно.
Физиологически активная молекула была в конечном итоге получена путём разворачивания произведенного бактерией белка и повторным сворачиванием в условиях, которые являются коммерческой тайной, известной только производителю – компании «Эли Лилли» [«Eli Lilly»]. У этого достижения, однако, оказалось одно чрезвычайно негативное последствие. У некоторых диабетиков этот «человеческий» инсулин вызывает симптомы инсулинового шока, включая потерю сознания. Обусловлен ли этот эффект наличием примесей, или тем, что инсулин сложен не совсем так, как в человеческой поджелудочной железе, или тем, что молекула просто слишком физиологически активна, чтобы её принимать большими разовыми дозами, а не понемногу и подолгу, как получается при нормальном метаболизме, — неизвестно.
Беда в том, что «Эли Лилли», будучи держателем патента на выделение инсулина из поджелудочной железы животных, перестала производить свиной и коровий инсулин, тем самым лишив легкодоступного альтернативного источника тех сверхчувствительных диабетиков, для которых стандартные методы лечения, предлагаемые компанией «Эли Лилли», опасны.
Самой известной областью производственного применения генных технологий – и вместе с тем вызывающей много споров – стало сельское хозяйство. Введение в сельскохозяйственные сорта последовательностей ДНК, полученных из малородственных видов, вызвало крупномасштабное сопротивление как в Северной Америке, так и в Европе. Непосредственной целью создания сортов с ДНК, пересаженной из других организмов, было производство сельскохозяйственных культур с новыми свойствами, которые обычными методами селекции получены быть не могут, поскольку в возделываемых видах соответствующих генов нет. Преимущества, получаемые фермерами, потребителями и коммерческими производителями семян зависят от каждого конкретного случая, но конечной целью селекционной фирмы всегда остаётся увеличение прибыли и защита прав собственности. Следует различать четыре случая. Первый – это выведение устойчивых к вредителям и болезням сортов, как, например, при введении белка Bt из бактерии Bacillus thuringiensis в кукурузу. Это делается для того, чтобы сократить затраты на труд, химикаты и оборудование, необходимые фермерам для борьбы с вредителями. Некоторое снижение затрат компенсируется высокой стоимостью коммерческих семян, но экономия рабочей силы для фермеров важна. Второй случай – это создание сортов, устойчивых к гербицидам, которыми травят сорняки. Наиболее известными примерами являются сорта «Раундап реди» [«Roundup Ready»], созданные фирмой «Монсанто» [«Monsanto»] с целью принудить фермеров к приобретению ее гербицида (марки «Раундап»), а также ее семян. Предполагаемые преимущества для фермеров — в сокращении числа машин и трудоемкости обработки почвы, но опять же экономия снижается из-за возрастающих цен на семена. Третий случай — чистая защита прав собственности производителей семян без какой-либо выгоды для фермеров и потребителей. Самым печально известным примером является попытка внедрения технологии «Терминатор» фирмой «Делта энд пайн лэнд компани» [«Delta and Pine Land Company»], которая впоследствии была приобретена компанией «Монсанто». Семена сортов «Терминатор» прорастают и производят стерильную культуру, тем самым вынуждая фермеров каждый год заново покупать семена. (Следует отметить, что эта технология, не выгодная ни для производителей, ни для покупателей сельскохозяйственных товаров, была создана в сотрудничестве с Министерством сельского хозяйства США). Четвертый случай — внедрение в обыкновенные полевые культуры ДНК, кодирующей определенные химические соединения, обычно выделяемые редкими сельскохозяйственными растениями. Эта технология потенциально может нанести значительный урон экономике стран третьего мира, зависящих от экспорта сельскохозяйственной продукции. Примером может служить введение в семена рапса (широко выращиваемой культуры в Северной Америке) ДНК, кодирующей пальмитиновую жирную кислоту, которые используются в промышленных процессах. Обычно эти масла извлекают из семян масличных пальм, выращиваемых в Юго-Восточной Азии.
Хотя сопротивление трансгенному сельскому хозяйству по большей части вызвано «неестественностью» такого процесса, это возражение не по существу. Не бывает «естественных» сельскохозяйственных культур, ведь каждая культура – это результат постепенного, многовекового накопления генетических модификаций, приведшего к возникновению сортов, значительно отличающихся от дикого предка. Кроме того, скрещивание различных видов было стандартным методом селекции растений за ее более чем вековую историю. Проблема же на самом деле заключается в том, что генная технология даёт монополистическим производителям мощное средство контроля сельскохозяйственного производства, не обеспечивая в конечном счёте никаких преимуществ ни для фермеров, ни для потребителей, а вдобавок эта технология способна уничтожить аграрную экономику целых стран.
Все элементы, характерные для эпохи ДНК, объединяет упрощенный взгляд на живые организмы. Из-за повышенного внимания, уделяемого практикой и теорией свойствам и функциям одной молекулы, биологи как в профессиональной деятельности, так и в своих публичных заявлениях сводят чрезвычайную сложность жизненных процессов к структуре и метаболизму ДНК. И этот акцент не учитывает сложности и разнообразия того, как организмы формируются и функционируют. А сложность является следствием структурной и метаболической функции белков и взаимодействия этих белков друг с другом, с другими молекулами и с окружающей средой в процессе индивидуального развития.
Кроме того, когда речь идёт о человеческой жизни, не учитывается влияние социальных и экономических процессов на здоровье, жизнедеятельность и формирование процессов промышленного и сельскохозяйственного производства. Мы не можем понять происхождения своего размера тела, его формы и внутренних функций, кроме как посредством детального выяснения крайне сложной сети взаимодействий между различными молекулами, образующими организм, и влияния, оказываемого внешней средой. Мы не можем понять происхождения и развития своих психических состояний, не поняв карты нервных связей и того, каким образом эта карта формируется под влиянием опыта. Мы не можем понять, почему сельскохозяйственные технологии развиваются в определенных направлениях, не поняв взаимодействия социальных, политических и экономических факторов, которое движет технологические инновации. Итог таков: жизнь во всех ее проявлениях сложна и запутанна, и невозможно её понять или повлиять на нее, сосредотачивая внимание на одной отдельной молекуле с достаточно ограниченной функцией.