Медиатека

Сегодня, 25 апреля, отмечается День ДНК. Это праздник, установленный в память об открытии структуры двойной спирали ДНК в 1953 году, а также завершении проекта «Геном человека» в 2003 году. Это день, посвящённый удивительному миру генетики, учёным, которые проложили путь для современных исследований, и невероятным успехам, которые были достигнуты в изучении ДНК. Давайте же погрузимся в мир ДНК и узнаем о прошлом, настоящем и будущем генетики в эту особенную дату!

С чего всё начиналось

Сегодня секвенирование ДНК — стандартная процедура во многих областях науки и медицины. Но так было не всегда. История секвенирования охватывает 70 лет научных прорывов, начиная с революционного открытия структуры ДНК Джеймсом Уотсоном и Фрэнсисом Криком в 1953 году. ¹ Спустя 20 лет, в 1970-х годах две независимые команды под руководством Фредерика Сэнгера ² и Уолтера Гилберта ³ разработали первые методы секвенирования ДНК. Метод Сэнгера, известный как метод обрыва цепи, основывается на синтезе радиоактивных или флуоресцентно меченых фрагментов ДНК, которые включаются в цепь ДНК и обрывают её синтез. Таким образом, образуются фрагменты различной длины. Их затем разделяют на полиакриламидном геле, получая «секвенирующую лестницу» (Sequence ladder), которую можно проанализировать и получить исходную последовательность.

Такой процесс был трудоёмким и отнимал много времени. Тем не менее, он использовался для секвенирования первого полного генома бактериофага в 1977 году ⁴, а также заложил основу для дальнейших разработок. За свои достижения в 1980 году Сэнгер разделил с Гилбертом и Полом Бергом Нобелевскую премию по химии. Его работа по секвенированию ДНК проложила путь к проекту «Геном человека» — международным усилиям тысяч учёных, направленным на секвенирование полного генома человека. Проект был начат в 1990 году и завершён в 2003 году. ⁵

Секвенирование ДНК прошло долгий путь с 1970-х годов, когда учёным с большим трудом удавалось прочесть короткие последовательности. Сегодня же с помощью методов секвенирования нового поколения NGS можно быстро и точно читать целые геномы и даже носить прибор для секвенирования в реальном времени с собой в кармане. Каждое поколение технологий секвенирования основывалось на предыдущем, благодаря чему метод становился более быстрым, точным и менее дорогостоящим. Кто знает, что ждёт нас впереди…

Но вернёмся немного назад

Выше мы написали, что проект «Геном человека» завершился в 2003 году. В действительности это не совсем так. Тогда учёным удалось прочесть бóльшую часть генома — примерно 92%, его ключевые участки. Остальная часть считалась «мусорной» ДНК, не кодирующей ничего важного, поэтому проект посчитали предварительно завершённым. Это, конечно, не главная причина — просто в то время ещё не было доступных технологий, позволяющих прочитать плотно упакованные участки ДНК и повторяющиеся последовательности, которые и составляли оставшиеся несколько процентов.

«Окончательное» завершение работы над геномом человека в 2022 году стало важной вехой в области геномики. ⁶ Новый референсный геном, получивший название T2T-CHM13, заполнил пробелы и исправил ошибки предыдущих версий. ⁷ Это стало возможным благодаря развитию технологий секвенирования ДНК. Они позволили проводить не только более быстрое и точное прочтение любых последовательностей, но и достичь уголков нашего генома, которые раньше были недоступны. «Окончательное» стоит в кавычках, потому что T2T-CHM13 пока не отражает всего разнообразия генетической изменчивости человека (и в нём не достаёт Y-хромосомы). Тем не менее, он представляет собой наиболее полную, репрезентативную и точную версию генома из всех опубликованных за последние 20 лет. Это огромный прорыв и в то же время — только начало.

Читать любой организм как книгу

Потенциал такого инструмента, как секвенирование, сложно измерить — он позволил нам делать удивительные вещи. Разработка новых поколений секвенирования ДНК привела к широкому распространению практических приложений, включая ставшие в наше время нормой генетическое тестирование и судебную экспертизу. Теперь выражение «читать человека как книгу» — не просто метафора. И читать мы можем не только человека! Например, исследователям Музея Севера Университета Аляски с помощью анализа ДНК удалось выяснить, когда парвовирусы встроились в геном позвоночных. ⁸ А учёные из Франции смогли проанализировать геномы различных видов бананов, получив новое представление об их генетическом разнообразии, что крайне полезно для их разведения. Помимо практической пользы, это само по себе фантастика — информация о том, как и откуда появился банан или когда в геном встроился определённый ген, «написана» прямо внутри организма, а мы в свою очередь можем её прочитать. ⁹

Тем временем другие учёные увлечены разгадкой исторических тайн, связанных именно с людьми. ДНК помогла нам решить много загадок: идентифицировать найденные на парковке останки короля Ричарда III9 и опознать останки царской семьи Романовых. ¹¹ Недавно опубликованный анализ ДНК волос, принадлежавших Бетховену, помог определить, что его проблемы со здоровьем были вызваны алкоголизмом, а предрасположенность к заболеваниям печени, скорее всего, привела к смерти. ¹² В 2018 году полиция использовала ДНК из улик для идентификации «Убийцы из Голден Стейт», который десятилетиями успешно скрывался, но всё тайное становится явным, когда в дело вступает ДНК. ¹³ И, конечно же, стоит вспомнить недавнюю Нобелевскую премию по физиологии и медицине: Сванте Паабо и его команда смогли реконструировать эволюционные отношения различных групп древних людей, включая неандертальцев, и пролить свет на их происхождение, развитие и миграцию. Всё это с помощью анализа ДНК! ¹⁴

В арсенале учёных имеются различные инструменты, позволяющие заглядывать в прошлое широкого спектра организмов сроком вплоть до десятков миллионов лет назад. К примеру, существуют молекулярные часы, основная идея которых заключается в том, что мутации происходят в ДНК с относительно постоянной скоростью. Так, сравнивая количество различий между видами, учёные могут оценить, как давно у этих видов был общий предок. Несмотря на то что молекулярные часы идут с разной скоростью для разных групп и даже генов, они остаются крайне полезным инструментом для понимания эволюционной истории жизни на Земле, в особенности событий, не задокументированных в окаменелостях.

Когда речь идёт о генетике человека, возможно, лучший способ определить происхождение отдельных лиц и популяций — деление на гаплогруппы. Дело в том, что в геноме человека существуют маркеры, которые практически без изменений будут передаваться из поколения в поколение от одного предка, и у людей из одной гаплогруппы будет определённый набор маркеров, свойственный лишь ей. Наиболее изученными гаплогруппами являются гаплогруппы Y-хромосомы и мтДНК. Интересно, что с помощью данного метода учёные смогли вычислить «митохондриальную Еву» и «Y-хромосомного Адама», от которых произошли современные люди. Это, конечно, не первые женщина и мужчина, от которых появились все люди, однако так вышло, что только их предки дожили до настоящего времени. Кстати, «митохондриальную Еву» вычислили даже для кита и кальмара. ^{15, 16}

Переходим от чтения к редактированию

Человек известен тем, что никогда не останавливается на достигнутом. Да, читать ДНК здорово, но что если попробовать её изменить? Геномное редактирование — это процесс внесения точных, целенаправленных изменений в последовательности ДНК организма. ¹⁷ В последние годы данная область быстро развивается благодаря разработке новых мощных инструментов и методов. История редактирования генома восходит ещё к 1970-м годам, когда Полом Бергом и другими учёными были созданы первые рекомбинантные молекулы ДНК. ¹⁸ Учёные заинтересовались возможностью изменять геном организма для различных целей и разработали методы, имеющие практическое применение. Первой генетически модифицированной культурой, одобренной для коммерческого использования в США в 1994 году, стал помидор Flavr Savr. ¹⁹ С тех пор генетически модифицированные культуры выращиваются повсеместно и используются в различных продуктах, включая продукты питания и промышленные материалы.

Настоящую революцию в генной инженерии произвёл метод CRISPR-Cas, разработанный в начале 2010-х годов Дженнифер Дудной и Эммануэль Шарпантье. В этом методе используют небольшую молекулу РНК для направления фермента Cas9 к определённой последовательности-мишени в геноме, где он может сделать точный разрез в ДНК. Затем этот разрез восстанавливается с помощью естественных механизмов репарации, что и помогает вносить специфические изменения ²⁰. Этот метод привёл к увеличению числа исследований и приложений в области редактирования генома, включая его использование в качестве терапевтического инструмента. В последние годы исследователи продолжают повышать точность и эффективность существующих инструментов редактирования генома и разрабатывать новые. Также растёт интерес к этическим и социальным последствиям, особенно в области редактирования человека.

И это лишь небольшая доля всех мыслимых и немыслимых вещей, которые учёные могут делать с ДНК. Мы не стали обсуждать обращение вспять старения ²¹, персонализированную медицину или такую интересную вещь, как ДНК-оригами ²² — всё это невозможно вместить в одну статью. Так и хочется сказать, что с современными методами чтения и редактирования ДНК наши возможности, кажется, безграничны! Однако это не совсем так.

Не всё так просто

Мы уже говорили о том, какие сложности возникли при секвенировании генома человека. Любой геном содержит много трудносеквенируемых областей, таких как повторяющиеся последовательности ДНК. Из-за высокой степени сходства между ними их сложно различать, правильно устанавливать их длину и местоположение, что затрудняет определение исходной структуры. Лишь в 2021 году с использованием новейших технологий и подходов была собрана и опубликована почти полная последовательность генома человека. Казалось бы, можно выдохнуть, однако не стоит забывать, что кроме человека на Земле есть и другие организмы со своими особенностями.

Тайна исчезнувших генов

В 2004 году был секвенирован первый птичий геном — геном курицы (29). С тех пор секвенировали множество геномов птиц, но в результатах отсутствовало около тысячи (!) генов, которые точно должны были быть. Куда они делись? Недавно ученые предположили, что часть «отсутствующих» генов в геномах птиц связана со сложностью секвенирования богатых ГЦ-парами областей генома. Это так называемый GC-bias. В связи с некоторыми особенностями современных методов секвенирования прочтение участков генома с высоким или низким содержанием ГЦ-пар может привести к неверным результатам. Именно в участках, богатых ГЦ-парами, по предположениям учёных и спрятаны «потерянные» гены, которые учёным еще предстоит отыскать. ²³

Больше — не значит лучше

Мало кто знает, но почти одновременно с геномом человека был опубликован полный геном картошки. Картофель по сравнению с человеком кажется простым организмом — почему же сборка его генома заняла столько времени? Дело в том, что генетическая информация может храниться множеством различных способов, человек — вовсе не стандарт. У нас, как мы знаем, хромосомы работают в паре. У картофеля же четыре копии каждой хромосомы — это тетраплоидный организм. Помимо гораздо бóльшего объема и сложной структуры, конечно, встречаются и повторы, что делает процесс секвенирования такого генома невероятно сложным. Ученые смогли обойти это препятствие, секвенируя пыльцу, которая содержит только две копии каждой хромосомы. ²⁴

Такие проблемы вызывают живые организмы, ДНК которых легко достать в любых количествах. Что же говорить о вымерших существах? Смеем разочаровать людей, мечтающих посетить Парк Юрского Периода или покормить настоящего мамонта в зоопарке, — такому в современных реалиях вряд ли суждено сбыться.

Невосполнимые пробелы

Главная причина невозможности воскрешения вымерших видов — деградация ДНК. Даже хорошо сохранившийся геном, скорее всего, будет неполным — ДНК довольно быстро фрагментируется. Как и чем заполнять образовавшиеся пробелы? В теории недостающие гены можно взять у современных животных, но этот процесс чрезвычайно сложный и непредсказуемый. И, если в результате каким-то чудом получится здоровое животное, оно, вероятно, не будет таким, как прежде.

Недавно учёные попытались воскресить крыс с острова Рождества. Даже несмотря на наличие практически полностью сохранившегося генетического материала и близких родственников, чей геном можно было использовать в качестве референса, в результате получится совсем не та крыса, которая жила на этом острове 120 лет назад. Это будет гибрид между вымершим и ныне живущим видом, у которого будут отсутствовать некоторые важные гены.

Учёные считают, что чем больше расхождение между видами, тем менее вероятно, что вымершее животное удастся оживить. ²⁵ Исходя из этого, о воскрешении динозавров, живших десятки миллионов лет назад, можно просто забыть. Даже если бы нам удалось найти достаточно полную ДНК динозавра, на Земле нет достаточно близких видов, чтобы дополнить их геном и уж тем более клонировать их, поскольку для вынашивания эмбриона в процессе клонирования требуется живая яйцеклетка близкого родственника. Тем не менее, всё еще предпринимаются попытки вернуть мамонтов, птицу додо и тасманского тигра. ^{26- 28} Кто знает, быть может, в будущем технологические прорывы действительно позволят нам это сделать, однако пока это не представляется возможным.

Сегодняшний день служит напоминанием о влиянии, которое генетика и генная инженерия оказывают на нашу жизнь, а также о важности изучения ДНК. От понимания эволюции и истории живых существ до редактирования генов — исследования ДНК уже кардинально изменили наше представление о себе и окружающем мире. А будущее, кажется, таит в себе бесконечные возможности для улучшения нашей жизни. В День ДНК мы отмечаем достижения прошлого и с нетерпением ждём новых захватывающих открытий!

Литература

1. Watson J. D., Crick F. H. C. The structure of DNA. Cold Spring Harbor Laboratory Press, 1953.

2. Sanger F., Nicklen S., Coulson A. R. DNA sequencing with chain-terminating inhibitors. Proceedings of the national academy of sciences, 1977.

3. Maxam A.M., Gilbert W. A new method for sequencing DNA. Proceedings of the national academy of sciences, 1977 .

4. Sanger F., Air G.M., et al. Nucleotide sequence of bacteriophage φX174 DNA. Nature, 1977.

5. National Human Genome Research Institute.

6. «Последние штрихи»: на пути к секвенированию полного генома человека.

7. Nurk S. et al. The complete sequence of a human genome. Science, 2022.

8. Чужой среди своих: когда вирусы впервые попали в геном позвоночных?

9. Scientists peel back ancient layers of banana DNA to reveal mystery ancestors.

10. ‘The king in the car park’: new light on the death and burial of Richard III in the Grey Friars church, Leicester, in 1485. Cambridge University Press, 2015.

11. Царское дело Александра Бастрыкина.

12. Begg T.J.A. et al. Genomic analyses of hair from Ludwig van Beethoven. Current Biology, 2023.

13. How Genetic Genealogy Helped Catch The Golden State Killer.

14. Приоткрыть завесу прошлого с помощью ДНК: за что была присуждена Нобелевская премия по физиологии и медицине 2022?

15. Alexander A. et al. What influences the worldwide genetic structure of sperm whales (Physeter macrocephalus)? Molecular Ecology, 2016.

16. Winkelmann I. et al. Mitochondrial genome diversity and population structure of the giant squid Architeuthis: genetics sheds new light on one of the most enigmatic marine species. Proceedings of the Royal Society B: Biological Sciences, 2013.

17. Автостопом по методам генной инженерии.

18. Jackson D.A., Symons R.H., Berg P. Biochemical method for inserting new genetic information into DNA of Simian Virus 40: circular SV40 DNA molecules containing lambda phage genes and the galactose operon of Escherichia coli. Proceedings of the National Academy of Sciences, 1972.

19. The case of the FLAVR SAVR tomato.

20. Система CRISPR/Cas – от идеи к практике.

21. Факторы Яманака – молекулы, обратившие время вспять.

22. ДНК-оригами: новый вид искусства или технология будущего?

23. Huttener R., Thorrez L., Veld T.I. et al. Sequencing refractory regions in bird genomes are hotspots for accelerated protein evolution. BMC Ecology and Evolution, 2021.

24. Potato genome decoded.

25. Lin J. et al. Probing the genomic limits of de-extinction in the Christmas Island rat. Current Biology, 2022.

26. US firm behind Tasmanian tiger ‘de-extinction’ plan uses influencers to promote research.

27. Gene editing company hopes to bring dodo ‘back to life’.

28. Firm raises $15m to bring back woolly mammoth from extinction.

29. International Chicken Genome Sequencing Consortium. Sequence and comparative analysis of the chicken genome provide unique perspectives on vertebrate evolution. Nature, 2004.