Сумма биотехнологии. Руководство по борьбе с мифами о генетической модификации растений, животных и людей

Панчин Александр

Еще одна проблема заключается в том, что чтение ДНК происходит не без ошибок. Избежать ошибок при сборке можно, сравнивая большое количество чтений одного и того же места в геноме. Наиболее часто встречающийся вариант, скорее всего, правильный.

Отличить ошибку чтения от двух разных вариантов (аллелей) гена тоже можно: разные варианты будут присутствовать примерно в равном количестве.

Картину портят повторяющиеся последовательности, которые присутствуют в некоторых геномах. Из-за них мы иногда рискуем сшить два несвязанных фрагмента. Представьте, что у нас есть последовательность ATTGAAAATAAAA на одной хромосоме и последовательность GGCCAAAATAAAA на другой. С какой из них мы склеим последовательность AAAATAAAAGCGT? В такой сложной ситуации желательно иметь какие-то дополнительные данные (например, более длинные прочитанные фрагменты ДНК), но иногда приходится

признавать, что мы не знаем, как правильно склеить фрагменты. В итоге в нашей сборке останется «дырка». Если «дырок» не слишком много, это не помешает большинству последующих анализов с использованием данного генома.

Но в результате оказалось, что Вентер был в значительной степени прав. Если пошевелить мозгами, мы действительно можем собирать геномы (по крайней мере, вполне удовлетворительного качества) даже из множества мелких фрагментов. В 2000 году Celera, объединив усилия с лабораторией генетика Джеральда Рубина, доказала эффективность своего подхода к чтению ДНК, опубликовав в журнале Science статью о прочитанном геноме плодовой мушки дрозофилы Drosophila melanogaster [272] .

272

Adams M.D. et al.: The genome sequence of Drosophila melanogaster. Science 2000, 287(5461):2185–95.

Пинок со стороны Вентера и его команды в рамках «геномных войн» стимулировал конкурентов, и уже в 2001 году почти одновременно и после долгих торгов были опубликованы сразу два генома человека. Один со стороны международного проекта, а второй со стороны Celera, в журналах Nature и Science соответственно [273] [274] . «Геномные войны» закончились победой науки, а за ней последовало интересное продолжение.

273

Venter J.C. et al.: The sequence of the human genome. Science 2001, 291(5507):1304–51.

274

Lander E.S. et al.: Initial sequencing and analysis of the human genome. Nature 2001, 409(6822):860–921.

В 2005 году был опубликован геном нашего ближайшего родственника — шимпанзе [275] . Тогда подтвердилось, что на молекулярно-генетическом уровне мы с шимпанзе очень похожи. Например, 29 % белков, кодируемых генами шимпанзе и человека, идентичны, то есть не отличаются даже одной аминокислотой, а типичный белок человека отличается от аналогичного белка шимпанзе всего лишь одной или двумя аминокислотами. С другой стороны, оказалось, что существуют как гены, утраченные шимпанзе, так и гены, утраченные людьми в процессе нашей эволюции от общего предка. Но в целом, как уже упоминалось, ДНК человека и ДНК шимпанзе тожественны на 98,76 % [88] , а если говорить только про те участки, которые кодируют работающие белки, то сходства еще больше. Большинство хромосом человека практически идентичны хромосомам шимпанзе [276] , но есть одно весьма занимательное отличие.

275

Initial sequence of the chimpanzee genome and comparison with the human genome. Nature 2005, 437(7055):69–87.

88

Ebersberger I. et al.: Genomewide comparison of DNA sequences between humans and chimpanzees. Am J Hum Genet 2002, 70(6):1490–7.

276

Yunis J.J., Prakash O.: The origin of man: a chromosomal pictorial legacy. Science 1982, 215(4539):1525–30.

У шимпанзе (а также у гориллы и орангутанга) 48 хромосом, а у человека — 46 [277] . «Куда же делись еще одна пара хромосом и расположенные на ней гены?» — спросите вы. Поскольку геномы человека и шимпанзе полностью прочитаны, мы можем ответить на этот вопрос очень точно. Для каждого гена шимпанзе мы можем найти похожий (гомологичный) ген человека и посмотреть, на какой хромосоме он расположен. Такой анализ показывает, что по набору генов каждая хромосома шимпанзе соответствует одной хромосоме человека. Исключениями являются хромосомы 12 и 13 шимпанзе, каждая из которых соответствует разным половинам второй хромосомы человека.

277

Fan Y. et al.: Genomic structure and evolution of the ancestral chromosome fusion site in 2q13-2q14.1 and paralogous regions on other human chromosomes. Genome Res 2002, 12(11):1651–62.

У

наших давних предков произошло слияние хромосом, и это одно из наиболее наглядных молекулярно-генетических подтверждений идеи Дарвина о наличии общего предка у человека и шимпанзе. Теория эволюции позволяет правильно предсказать не только состав генов на второй хромосоме человека, но и порядок их расположения. Более того, в предполагаемом месте слияния сохранились остатки теломер, участков, которые обычно расположены на концах хромосом. Наконец, на нашей второй хромосоме имеются следы дополнительной центромеры. Центромеры — это особые участки ДНК, с которыми связываются микротрубочки, чтобы растащить хромосомы к разным полюсам клетки перед ее делением. Это обеспечивает одинаковый хромосомный состав дочерних клеток. Обычно у хромосом одна центромера.

Кто-то скажет: но ведь никто не видел эволюцию человека! Значит, мы не можем знать наверняка, был ли у нас с шимпанзе общий предок, а теории эволюционистов — такая же вера, как вера в божественное сотворение человека. Ошибочность подобных рассуждений продемонстрировать очень легко. Представьте, что было совершено убийство. Никто из живущих не видел преступления, но у нас есть отпечатки пальцев преступника на предполагаемом орудии убийства и результаты анализа ДНК, следы ботинок рядом с местом преступления. Все факты указывают на одного-единственного человека, у которого отсутствует алиби. Понятно, что ни в одном суде при наличии столь убедительных объективных доказательств вины аргумент адвоката, что «никто же не видел преступления», не пройдет. Современные данные по чтению полных геномов живых организмов позволяют реконструировать процесс эволюции не хуже, чем методы криминалистики позволяют реконструировать способ и обстоятельства убийства.

К началу 2015 года было опубликовано более пятисот полных геномов эукариот, тысячи полных геномов бактерий, тысячи полных геномов вирусов. Этот взрывоподобный рост количества генетических данных был связан с появлением методов чтения ДНК нового поколения. Именно благодаря этим методам геном человека (или аналогичный по размерам геном) сейчас можно прочитать всего за несколько тысяч долларов.

Из множества методов чтения ДНК нового поколения мы рассмотрим только одну технологию, которую можно просто и понятно описать. В 2008 году исследователи из компании Pacific Biosciences опубликовали в журнале Science статью под названием «Чтение ДНК в реальном времени с использованием одиночных ДНК-полимераз» [278] . Этот метод основан на том, что ученые научились «подсматривать» за ДНК-полимеразой прямо в процессе удвоения молекулы ДНК.

278

Eid J. et al.: Real-time DNA sequencing from single polymerase molecules. Science 2009, 323(5910):133–8.

Для того чтобы визуализировать активность ДНК-полимеразы, к каждому из четырех типов нуклеотидов приделывается метка определенного цвета. Например, нуклеотид А можно пометить зеленой флуоресцентной меткой, G — желтой и так далее. Ровно одна молекула ДНК-полимеразы помещается в нанофотонную камеру для визуализации. Это цилиндрическая камера шириной около семидесяти нанометров. Пучок света освещает небольшую часть этой камеры, объемом всего в 20 X 10^{– 21} литра, с полимеразой внутри. Нуклеотиды диффундируют в освещенную область камеры и из нее, как правило не задерживаясь надолго внутри, а очень чувствительный прибор фиксирует флуоресценцию в камере. Когда правильный нуклеотид связывается с полимеразой, она хватает его и удерживает, ведь полимеразе нужно время, чтобы присоединить нуклеотид. Благодаря этому правильный нуклеотид проводит больше времени в камере, что приводит к более длительному и сильному световому сигналу, существенно отличающемуся от «шума». Этот сигнал и фиксирует прибор. После присоединения нуклеотида метка отваливается и уплывает из камеры. В итоге прибор видит последовательные вспышки четырех цветов, соответствующие четырем типам нуклеотидов, и по этим вспышкам восстанавливается последовательность анализируемой молекулы ДНК.

Сегодня приборы для чтения ДНК становятся все лучше и дешевле. Уже начали появляться карманные устройства [279] , позволяющие читать такие молекулы. Подобные технологии могут помочь полевым лабораториям быстро устанавливать наличие опасных возбудителей заболеваний прямо на месте. Кроме того, они помогают развитию персонализированной медицины — использованию знаний об индивидуальных генетических особенностях человека для прогнозирования и диагностики заболеваний, а также для оптимального выбора лекарственных препаратов.

279

Mikheyev A.S., Tin M.M.: A first look at the Oxford Nanopore MinION sequencer. Mol Ecol Resour 2014, 14(6):1097–102.