Десять тысяч геномов животных
Охотники за геномами
Григорий Тарасевич, журнал «Русский репортер»
Этот проект можно поставить в один ряд с Большим адронным коллайдером или даже с полетом в космос. Биологи со всего мира, объединившись, планируют расшифровать десять тысяч геномов позвоночных животных. Сейчас в проекте 10K Genomes участвует более пятидесяти лабораторий и научных центров. Россия пока представлена лишь одной структурой – Институтом химической биологии и фундаментальной медицины Сибирского отделения РАН.
Девушки, вам подарок. Давайте его побыстрее в холодильник. – Биолог Владимир Трифонов входит в лабораторию, держа в руках кость с кусками ярко-красного мяса. Кость завернута в полиэтилен, на котором виднеется ценник.
Интересуемся, зачем цитогенетикам это мясо – явно ведь не бульон варить.
– Это марал, олень такой, – поясняет Владимир. – Оказывается, у нас в супермаркете можно купить мясо марала. Стоит не сильно дороже говядины или свинины. Нас интересует один из генов этого животного. Попробуем его секвенировать….
Библиотека имени нуклеотида
Средневековый крестьянин держал дома только одну книгу – часослов. Иногда еще псалтырь или жития святых. А сейчас любой может собрать личную библиотеку из сотен томов.
Геном живого существа – это тоже книга, только вместо букв в ней нуклеотиды, которыми записаны отдельные главы – гены. Сейчас на полке научного знания стоит главная книга – полностью расшифрованный геном человека. Этот текст из трех миллиардов нуклеотидов вполне можно приравнять к Библии.
Кроме него сейчас прочитаны геномы нескольких десятков организмов, от дрожжей до опоссума, – есть что полистать перед сном. Но для полноценной библиотеки все-таки маловато. По нашей планете ползают, плавают и бегают более миллиона видов живых существ. И гены каждого – неповторимое художественное произведение.
Запомните это название: 10K Genomes. Сейчас этот международный проект известен только в узкобиологических кругах, но через пять-десять лет он может стать героем первополосных новостей, как когда-то геном человека или клонированная овечка Долли.
Основная идея – прочитать десять тысяч геномов разных видов позвоночных. Главными вдохновителями выступили трое американцев: Дэвид Хасслер из Калифорнийского университета в Санта-Крусе, Стивен О’Брайн из Национального института рака и Оливер Райдер из научного отдела зоопарка в Сан-Диего.
– Объединились 50 лабораторий: кроме американских там несколько европейских, австралийская, китайцы вот недавно включились… – рассказывает Александр Графодатский (чертовски обаятельной человек с длиннющей должностью: заведующий лабораторией цитогенетики животных отдела молекулярной и клеточной биологии Института химической биологии и фундаментальной медицины Сибирского отделения РАН). В первом составе оргкомитета он оказался единственным неамериканцем, благодаря чему проект назвали интернациональным.
Фото: Валерий Кламм
– Американцы – они же пижоны. Когда проект решили расширить, они меня спросили: а что, разве в Европе тоже есть наука? Я отвечал: вполне себе есть…
Такие задачи можно решать только всем миром. Десять тысяч животных – это вам не один образец. Полученный объем данных будет исчисляться миллионами гигабайт: этот текст окажется больше, чем содержание всех книг, хранящихся в Библиотеке конгресса США, Национальной библиотеке Китая и нашей Ленинке.
Утешает то, что чтение генов все-таки постепенно дешевеет. Геном человека обошелся как минимум в три миллиарда долларов. Но в результате появились новые технологии, более скоростные и экономичные, и теперь на расшифровку одного генома уходят уже не миллиарды, а сотни тысяч. Ну а цель на ближайшие годы поставлена такая: «Один геном за тысячу долларов и один день».
– Я думаю, лет через десять расшифровка генома станет такой же доступной, как сейчас УЗИ в поликлинике, – рассуждает Александр Графодатский. Он полагает, что основную часть проекта можно завершить за два-три года с момента его старта.
Однако просто получить последовательность нуклеотидных букв – это полдела. Даже очень тупая машинистка может настучать текст «Критики чистого разума» или техническое описание термоядерного реактора. Другое дело – проанализировать, понять смысл и научиться с ним работать. Тут нужны многие годы, многие головы и многие сотни миллионов долларов.
«Пришли мне слона, носорога, жирафа и зебру…»
Чтобы прочитать много книг, нужна хорошая библиотека. Чтобы расшифровать десять тысяч геномов животных, нужно иметь образцы их клеток. Как раз этим сейчас и заняты участники проекта – собирают и каталогизируют основу будущего геномного зоопарка.
– Дэна Брауна читали? – интересуется у меня Графодатский. Не совсем понимаю, при чем здесь автор детективов про масонов и потомков Христа, но на всякий случай киваю. – Помните, у него там фигурирует Смитсоновский институт с огромной такой коллекцией, в которой есть все. Так вот, этот институт действительно существует и у них много чего есть. И мне очень льстит, что наша коллекция образцов ДНК и тканей сопоставима с той, что располагают они.
Робко интересуюсь, можно ли посмотреть на это собрание. Представляется подземный бункер, замки, шифры, охрана…
– Да запросто, – отвечает Графодатский, – пойдемте, здесь близко.
Никакого бункера, просто соседний кабинет. У входа стоят два металлических бочонка – в похожих емкостях завозят пиво в бары. Здесь примерно десять тысяч биологических образцов, рассортированных по пробиркам, погруженным в жидкий азот. Все пронумеровано, как в хорошей библиотеке.
– Чего только у нас тут нет! – глаза Графодатского загораются, как у настоящего коллекционера. – Вот мой американский коллега Стив О’Брайн – он кошками занимается. И у меня здесь для него хранится пол-литра спермы уссурийского тигра. Все жду, когда он заберет. А на днях прислали ткани какого-то совершенно необычного африканского дикобраза…
По идее, настоящий биолог должен бегать по джунглям с сачком и сетью, вылавливая что-то экзотическое. Графодатский никуда не бежит. Он сидит у себя в кабинете, что не мешает ему получать образцы со всего света.
– В молодости я, конечно, много бывал в экспедициях. Но сейчас стараюсь никуда не ездить. Почему? Потому что «желтый глаз его горит, каждый сам ему приносит и спасибо говорит», – гордо цитирует он песенку Окуджавы. – Понимаете, у меня есть хорошие связи. Пишешь, допустим, человеку куда-нибудь в Южную Африку: пришли, мол, слона, носорога, жирафа и зебру.
Чтобы получить нужные образцы тканей или ДНК, ученым приходится идти на разные хитрости. Например, в обмен на кусочек бегемота твою фамилию могут поместить среди соавторов научной публикации о генах этого бегемота – повысится научный рейтинг. Где-то приходится меняться: вы нам бегемота, мы вам оленя. Некоторые схемы ученые и вовсе предпочитают не раскрывать.
– Не так давно во Вьетнаме отрыли новое животное, называется саола. Это родственница коровы, очень похожа на Тянитолкая. Местные ученые пытаются продать ее ткани американцам: материал все-таки необычный, – рассказывает Графодатский. – И не знают мои маленькие вьетнамские друзья, что уже на следующий год после того, как они свою саолу описали, ее клеточная культура у меня здесь на столе лежала. В будущем для чего-нибудь обязательно пригодится, для того же секвенирования.
– А как вы ее достали?
– Ну, все вам расскажи! У меня много друзей…
Киты и другие копытные
Есть такой жанр – семейная сага, взять хотя бы «Сто лет одиночества» или «Сагу о Форсайтах»: толпа героев, которые приходятся друг другу пятиюродными братьями или восьмиюродными бабушками, разбредается по свету – следить за всем этим бывает очень интересно. Точно так же интересно анализировать биографии видов. В каких отношениях находятся слон и землеройка? Кем приходится свинья верблюду? Это одна из задач проекта 10K Genomes.
Корова выпрыгивает из океанских вод… Эту картинку я увидел на экране у Анастасии Кулемзиной – сотрудницы лаборатории цитогенетики животных, на днях защитившей кандидатскую диссертацию о генетическом родстве среди парнокопытных. Анализируя хромосомы, она устанавливала, кто, когда и от кого произошел.
Самый неожиданный тезис: бегемоты, коровы, свиньи и прочие сухопутные существа являются ближайшими родственниками китов. И сейчас уже предлагается убрать из классификации отряды парнокопытных и китообразных, заменив их единым отрядом китопарнокопытных.
В начале нулевых об этом первыми заговорили палеонтологи, ну а подтвердили гипотезу молекулярные биологи. Итак, примерно шестьдесят миллионов лет назад от общего предка парнокопытных отпочковались верблюды, за ними свиньи, потом бегемоты, а от них уже киты. Все это можно прочитать в геноме.
– Наши данные подтверждают, что киты действительно входят в отряд парнокопытных. Но мы не обнаружили ни одной перестройки в хромосомах, которая была бы общей для бегемотов и китов…
Так что, возможно, киты не младшие братья бегемотов, а вполне полноправные члены парнокопытного сообщества. Тем более что есть и претенденты на звание переходной формы. Около пятидесяти миллионов лет назад, например, бродило по берегам существо под названием индохиус. Внешне оно напоминало длинноногую крысу, но некоторые его кости в точности соответствуют китовым. Предполагается, что индохиус прятался в море от хищников, а его потомки так там освоились, что смогли отказаться от шерсти, лап и когтей. Другой кандидат в китовые предки – пакицетид: он больше смахивал на собаку, только с копытами на ногах и длиннющим хвостом…
Изучение геномов позволит узнать много нового о родственных связях в животном мире. Александр Графодатский показывает на компьютер – там уже не океанская корова, а какой-то странный зверь: лапы с огромными когтями, длинные уши и совершенно свинский пятачок.
– Это мой любимый, нежно обожаемый трубкозуб. В Африке обитает. Когда Жоржу Кювье в первый раз принесли шкуру этой зверюги, он был уверен, что студенты его разыгрывают: ну не может в природе такого быть! Оказалось, что может. А сейчас благодаря молекулярным биологам удалось установить, что это родственник слонов. Более того, в той же Африке есть животное, которое называется златокрот. И по виду, и по размерам действительно крот. А посмотрели его геном – выяснилось, что он тоже прямой родственник слонов, а к кротам никакого отношения не имеет. Все это единый надотряд – афротерии, куда входят и огромные слоны, и малюсенькие африканские прыгунчики, и живущие в воде ламантины.
Впрочем, и сейчас понятно далеко не все. К примеру, в Южной Америке сорок миллионов лет назад появились морские свинки, обезьяны и многие другие животные, очень похожие на тех, что обитают в Африке. Но к этому времени континенты уже успели разойтись – между ними был глубокий океан.
– Я слышал теорию, что, мол, они долго-долго шли из Африки через Азию, Австралию и Антарктиду, которая тогда еще была густо населена, пока в итоге не добрались до Южной Америки. Никаких материальных следов этой миграции нет – с тем же успехом можно говорить, что они построили воздушный шар и перелетели через океан, – скептически улыбается Графодатский.
Таких загадок в истории эволюции много. Но, имея на руках десять тысяч расшифрованных геномов, можно будет многое узнать о том, что произошло в природе за последние полмиллиарда лет.
Пусть косуля поделится рецептом
Естественный отбор – лучшее средство от всех болезней (особенно если сравнивать с биодобавками). Когда животное не может бороться с инфекциями или сбоями в организме, оно умирает. Но если в генах есть что-то позволяющее сопротивляться заболеваниям, появляется шанс передать свою наследственность потомкам. За миллионы лет эволюции каждый вид получил свой набор генетических лекарств. Найти их – еще одна цель проекта 10K Genomes.
– Расшифровав тысячи геномов животных, мы сможем делать ну совершенно фантастические вещи. Вот, например, какие-то виды, похоже, не очень-то болеют раком, – размышляет Графодатский. – Почему? Первопричину нужно искать в геноме. Или взять того же голого землекопа…
Сразу представляется некий субъект с лопатой в руках, голый, потный и перемазанный глиной. Но ученые имеют в виду африканского грызуна. Он, конечно, красотой не отличается: эдакая упитанная крыса, покрытая сморщенной серо-розовой кожей. Но внешность не главное. Важнее, что этот голый землекоп вроде бы вообще не стареет, чем и будоражит мировую науку. Некоторые особи живут чуть ли не по тридцать лет – при их размерах это эквивалентно тому, как если бы человек доживал до 500–800 лет. Умирает эта тварь исключительно из-за внешних причин: инфекцию подхватит или лопатой кто прибьет.
Ученые из Бельгии, США и Великобритании пару лет назад уже выступили с предложением полностью расшифровать геном голого землекопа. Но не получили финансирования. Возможно, в рамках общего проекта удастся решить и эту задачу.
Искать природные рецепты долголетия можно не только в далекой Африке.
– Хотите, я вам свежую новость расскажу, буквально с пылу с жару? – улыбается Александр Графодатский. – Мои ребята совсем недавно обнаружили, что у косули изменен один из генов, и это, похоже, позволяет ей бороться с инфарктом. У всех остальных – от курицы до человека – этот ген стабилен, а у косули почему-то модифицирован. Представляете?!
Сейчас сотрудники лаборатории пытаются найти противоинфарктный ген у других представителей семейства оленей. Как раз для этого и нужна была кость марала, которую принес в лабораторию один из сотрудников.
Такие примеры можно приводить до бесконечности.
– Ну почему те же самые парнокопытные рожают безболезненно, а человек в муках, будто его господь так проклял?! – восклицает Графодатский. – Я подозреваю, что дело-то в мутации буквально одного-двух генов. Человек вообще существо на удивление примитивное, у него все плохое.
Если продолжить сравнение с библиотекой, то можно представить, что вы ищете по книгам рецепт кушанья повкуснее. И вовсе не обязательно это должен быть кулинарный справочник – подобные описания могут встретиться и в «Гарри Поттере», и в «Мертвых душах». Непонятно только, можно ли будет приготовить это блюдо у вас на кухне.
Чисто теоретически можно набрать лучшие гены со всего животного мира и получить сверхчеловека – здорового, сильного, с тонким нюхом и острым зрением. Только вот как вставить чужую наследственность в наш скромный организм?
С конца 90хх годов медики с жаром говорят о генетической терапии. Казалось бы, чего проще – найти «неправильный» ген, заменить его здоровым, и тысячи болезней забудутся, как страшный сон.
Но не все так просто. Во-первых, «правильный» ген должен распространиться по клеткам, причем желательно не по всем, а только в конкретном органе. Во-вторых, нужно, чтобы манипуляции с ДНК не спровоцировали осложнение в виде онкологии. Уж лучше жить с дальтонизмом, чем умереть от рака, прекрасно различая цвета.
Генная терапия, конечно, развивается. Уже есть излечившиеся (правда, среди крыс и собак их намного больше, чем среди людей). Но все идет куда медленнее, чем предполагалось. Возможно, что и здесь человеку поможет опыт других животных.
– А что, если мы не будем трогать геном? – размышляет Графодатский. – Посмотрите, у лисиц, косуль, у некоторых видов обезьян иногда встречаются так называемые добавочные хромосомы. Они вроде бы ни на что не влияют: их можно убрать, добавить – лисица от этого в козла не превратится. Но оказывается, в этих хромосомах лежат полноценные копии важных для развития генов. И тут возникает идея: а не попробовать ли вставить в них исправленные гены?! Тем более что эти добавочные хромосомы – правда, очень маленькие – начали иногда находить и у людей…
Возможно, библиотека из десяти тысяч геномов от всех болячек и не спасет. Но она как минимум подарит ученым идеи и вдохновение, а это уже неплохо.