Генная инженерия естественным способом

 

Разумеется, разработка этих удивительных технологических изобретений, успешно дополняющих возможности человеческого тела, совершалась поначалу без четко выраженного намерения. Вполне вероятно, что все началось с какого‑то случайного происшествия. Хотя волки и не заслуживают дурной репутации (кстати, они редко нападают на людей), человеку в древние времена все же приходилось защищаться от них, когда они пытались поживиться мясом убитых на охоте животных.

Нетрудно представить себе первые робкие шаги на пути сближения человека и животного. Возможно, холодной зимой волк подобрался поближе к огню, чтобы согреться. Возможно, именно в это время какой‑то другой хищник предпринял попытку атаковать стойбище людей, и волк, будучи стайным животным, пришел на помощь людям, сражаясь рядом с ними. За это его могли наградить куском мяса. А дальше началась естественная селекция. Год за годом отбирались волчата, которые были более домашними, легче вписывались в человеческое общество, охотнее принимали пищу из рук человека. Таким образом волк постепенно становился собакой.

Помните эксперимент Дмитрия Беляева, о котором говорилось в главе 2? Всего за 40 лет он сделал из диких серебристо‑черных лис домашних животных вроде собак. Возможно, спустя 100 лет после первых осторожных контактов древние охотники имели дело уже не с дикими волками. Эти животные селились вокруг их стойбищ, постепенно меняли повадки и внешний вид. Их заостренные уши все больше опускались, шкура покрывалась различными узорами. Они привыкали рассматривать человека как члена своей стаи. Так появилась собака.

Этот процесс можно с таким же правом назвать генной инженерией, как и выведение генно‑модифицированных сортов растений. Отбирая нужные качества, люди постепенно меняли природу животных и растений в своих интересах. Наглядно это можно продемонстрировать на примере двух растений – цветной капусты и сахарной кукурузы. Цветная капуста представляет собой мутант обычной капусты, цветки которой трансформировались в твердые и мясистые бугорчатые образования, которые мы употребляем в пищу. Лишившись цветов, это растение оказалось не способно размножаться без посторонней помощи. Точно так же методом селекции на протяжении многих лет была выведена сахарная кукуруза, которая теперь потеряла способность самостоятельно размножаться семенами и растет только благодаря человеку.

Эти растения не могут выжить в дикой природе, но точно так же и собака уже не является диким животным. Она стала таким же продуктом человеческой технологии, как и стол, который когда‑то был дикорастущим деревом. Без сомнения, собака является самым впечатляющим образцом ранней технологии, использованной человеком для улучшения качества своей жизни. Строительство Стоунхенджа по сравнению с этим достижением может показаться детской забавой. Да, с его помощью некоторое количество людей, возможно, получало астрономические знания, и это хорошо. Но он не использовался на протяжении тысячелетий. Собака же является продуктом технологии каменного века. Она появилась за 35 тысяч лет до Стоунхенджа, позволив нашим предкам расширить возможности своего тела, и верно служит нам до сих пор.

 

Пары

 

Как уже было сказано, любое живое существо – и собака, и человек, и то, что вы съели за завтраком, создается в соответствии с контрольной программой, заложенной в ДНК. Пришло время поближе присмотреться к этому удивительному веществу и той роли, которую оно играет в организме. Вы, должно быть, слышали, что каждый человек (за исключением небольшого числа тех, кто страдает генетическими нарушениями) имеет 23 пары хромосом. В каждой клетке представлен полный набор парных хромосом, причем в каждой паре (за исключением 23‑й) обе половины имеют одинаковое строение.

Парность хромосом объясняется тем, что вы происходите от двух родителей. Одна хромосома в каждой паре наследуется от матери, а вторая – от отца. Может показаться, что такая схема излишне усложнена, но именно за счет этого обеспечивается генетическое разнообразие человечества.

Хотя каждая пара хромосом состоит из одинаковых генов (опять же, за исключением 23‑й пары, до которой мы скоро доберемся), вам необходимы хромосомные наборы как от отца, так и от матери. Если в яйце содержится пара хромосом только самца или только самки, оно не способно нормально развиваться. Это демонстрирует нам значение эпигенетики – науки, которая выходит за рамки передачи наследственной информации посредством генов. Внешние факторы, определяющие работу генов, у отца и матери различны, и эти различия очень важны для здорового развития.

Хромосома № 23 – самая необычная, поскольку в ней заложено различие между мужчиной и женщиной. Если вы женщина, то у вас в 23‑й паре хромосомы будут одинаковыми (две так называемые Х‑хромосомы), а у мужчин одной из половин пары станет меньшая по размерам Y‑хромосома, доставшаяся ему от отца.

Каждая хромосома содержит длинную молекулу ДНК, о которой мы уже говорили. В вытянутом виде ДНК представляет собой некое подобие винтовой лестницы, ступеньки которой состоят из четырех оснований: цитозина, гуанина, аденина и тимина, – причем каждому основанию в одной половине ДНК строго соответствует другое основание. Ваши гены, о которых так много говорят в последнее время и которые считаются фундаментальными основами жизни, не являются какими‑то отдельными образованиями. Это сегменты молекулы ДНК.

 

Сегмент спирали ДНК с участком кодирования аргинина (ССС)

 

Ген представляет собой комбинацию, состоящую из последовательности трех «ступенек» на лестнице ДНК, то есть трехбуквенных кодовых слов (они обозначаются начальными буквами оснований). Таким кодом может быть, например, СОО (Cytosin – цитозин, Guanine – гуанин, Guanine – гуанин). Это сочетание букв обозначает конкретный тип аминокислоты и содержит инструкции по ее выработке. В частности, код СОО обозначает аминокислоту аргинин.

Ген состоит из длинной последовательности таких трехбуквенных кодов, которые описывают строение и порядок производства белков – «рабочих лошадок» вашего тела. В человеческом организме от 20 до 25 тысяч генов – не так уж много на самом деле, чтобы нести в себе всю информацию о строении и функционировании вашего тела. Поэтому у ученых на каком‑то этапе возникла мысль, что эту роль могут выполнять не только гены. Но лишь в 1980‑е годы пришло понимание того, что механизм построения человеческого организма намного сложнее, чем казалось до сих пор.

 

Не только гены

 

Весь секрет заключается в двух концепциях эпигенетики – учения об инструкциях, закодированных вне наших генов. Согласно одной из этих концепций, гены не находятся в действии постоянно, а могут «включаться» и «выключаться». Обычно это осуществляется в процессе метилирования, когда к основаниям (ступенькам винтовой лестницы ДНК) прикрепляются дополнительные молекулы – метиловые группы, состоящие из одного атома углерода и трех атомов водорода. Они выступают в роли маркеров, контролирующих включение и выключение генов.

Еще один фактор, необходимый для лучшего понимания процесса, в ходе которого организм строит сам себя, кроется в гигантских молекулах ДНК. Когда вы слышите, что у вас намного меньше генов, чем, скажем, у риса, это звучит несколько унизительно. Да, гены играют исключительно важную роль в производстве белков, из которых состоит тело человека. Но гены – это лишь очень незначительная часть ДНК. Если быть точнее, они составляют всего 3 процента. Поначалу считалось, что остальные 97 процентов представляют собой «генетический мусор», доставшийся нам в наследство от предков, находящихся на ранних ступенях эволюционного развития. Однако это далеко не так.

Бо́льшая часть этой «дополнительной» информации выполняет очень важные функции. В частности, с ее помощью осуществляется производство не белков, а рибонуклеиновой кислоты (РНК). Это вещество, родственное ДНК, имеет, в отличие от нее, лишь одну нить. РНК используется в процессе производства белков на основе генетической информации. Контрольная программа гена создает РНК, в которой, словно в шаблоне, производится белок. РНК выступает в данном случае в роли транспортного и информационного посредника.

Раньше считалось, что РНК, создаваемая «мусорной» частью ДНК, – это лишь бесполезный исторический реликт, но оказалось, что она играет важную самостоятельную роль. РНК содержит в себе множество контрольных механизмов, включающих и выключающих гены, а также выполняет другие функции, которые не менее важны, чем производство белков. Таким образом, относительно небольшая программа, заложенная в двадцати с лишним тысячах генов, вырастает до гигантских размеров, если принять во внимание весь объем ДНК.

Смысл всего вышесказанного заключается в том, что порой мы придаем генам слишком большое значение. Эпигенетика демонстрирует, что представление о генах как о чертеже человеческого организма далеко от реальности. Однако под влиянием некоторых воззрений типа теории эгоистичного гена, управляющего поведением всех живых существ («Эгоистичный ген» – известная книга Ричарда Докинза), очень легко скатиться к упрощенному пониманию роли генов. Докинз написал свою книгу еще до того, как было выявлено подлинное значение эпигенетики (позднее ему даже пришлось дописать еще одну главу). Но дело не в том, что гены утратили свою значимость, а в том, что в свете нынешнего понимания они представляют собой лишь малую часть общей биологической контрольной программы.

 

Сходства и различия

 

Вам, должно быть, уже приходилось слышать, что с генетической точки зрения мы очень близки к шимпанзе. Действительно, наши гены на удивление схожи. Примерно треть белков, производимых с их помощью, абсолютно идентичны, а остальные в большинстве своем отличаются лишь парой аминокислот, но, в принципе, являются теми же самыми белками. Однако в тех частях ДНК, которые не занимаются кодированием белков, существуют значительные отличия.

Одно из самых больших заключается в том, как модифицируются молекулы РНК, которые созданы в сегментах ДНК, не занятых производством белков. Существуют различные способы их видоизменения (этот процесс называется редактированием РНК). В человеческом организме редактирование происходит куда в большем масштабе, чем в организме животных (даже наших двоюродных братьев – человекообразных обезьян). Занимается этим редактированием преимущественно мозг. Пожалуй, это позволяет понять, почему наш мозг по своим функциям настолько отличается от мозга животных, с которыми у нас существует генетическое сходство.

Есть и еще одна странность. Ученые Мичиганского университета в Энн‑Арборе провели сравнение 14 тысяч совпадающих генов человека и шимпанзе. Оказалось, что 233 гена шимпанзе претерпели изменения в результате позитивной селекции (естественного отбора, позволяющего закрепить полезные свойства особи), а у человека таких генов оказалось только 154. Руководитель группы прокомментировал это следующим образом: «Полученный результат переворачивает наши прежние представления о том, что человек, чтобы занять доминирующее положение среди всех животных планеты, должен был подвергаться существенным эволюционным изменениям». Виктория Хорнер, специализирующаяся на изучении приматов, резюмировала: «Мы предполагали, что в ходе развития шимпанзе претерпели меньше изменений, чем мы, но на самом деле это не так».

Подобные выводы представляются совершенно абсурдными. Ведь совершенно очевидно, что Homo Sapiens в ходе своей эволюции изменился значительно сильнее, чем шимпанзе. Вину за такой искаженный взгляд ученых на реальность можно отчасти возложить на физика Эрнеста Резерфорда, который открыл структуру атома. Он сказал: «Любая наука – это либо физика, либо коллекционирование марок». При этом он имел в виду, что лишь физики дают объяснение природным явлениям, а все прочие, в частности биологи, практически все время заняты тем, что только фиксируют эти явления и заносят их в каталоги.

В этих словах была доля истины до тех пор, пока биологи вплотную не занялись эволюцией и генетикой, тем самым расширив границы своей науки. Возможно, обида на Резерфорда с его комментариями привела к тому, что они начали придавать генам слишком большое значение. Но одно только количество генов еще ничего не говорит о сложности устройства животного или растения. Даже самый лучший рис, который по количеству генов намного превосходит человека, не способен писать великие романы, делать научные открытия и строить планы на будущее. Эпигенетика позволяет объяснить, почему даже при относительно малом количестве генов мы смогли прийти к таким выдающимся результатам в ходе развития.

Когда ученые, основываясь только на генетическом материале, делают вывод, что шимпанзе подвергся большим изменениям, чем человек, они слишком выпячивают частные аспекты в ущерб общей картине. Человек – это не только гены. Благодаря нашему удивительному мозгу мы способны производить изменения в себе, основываясь на особенностях взаимодействия с окружающим миром. Поэтому говорить, что шимпанзе за последние шесть миллионов лет изменились больше, чем люди, – это просто абсурд.

Все это время шимпанзе оставались теми же, что и прежде, за исключением некоторых несущественных мелочей. Они не научились летать. Они не отваживались пересекать пустыни, лишенные источников воды. Они не выходили в космос (до тех пор, пока мы не предоставили им такую возможность). Они не научились бороться со смертельными заболеваниями и видеть то, что происходит на другом краю земли. Наша квазиэволюция, которой мы обязаны своему мозгу, позволила нам обогнать их и уйти далеко вперед.

 

Клоны атакуют

 

Одной из самых превратно понимаемых идей, возникших на базе генетики, является клонирование. Если верить Голливуду, то для того, чтобы создать более совершенную копию самого себя, чем та, что мы видим в зеркале, необходимо обзавестись собственным клоном. Под клонированием понимается процесс создания живого существа, чья ДНК идентична другой особи. Говоря о клонах, мы представляем себе совершенно идентичные копии, но подобные представления далеки от истины. Несмотря на то что клонирование человека в настоящее время невозможно, мы имеем массу возможностей наблюдать за человеческими клонами, выращенными в одних и тех же условиях, но имеющими существенные отличия друг от друга.

В предыдущем утверждении нет никаких противоречий, поскольку клоны человека существуют и вы наверняка встречались хотя бы с одним из них. Это однояйцевые близнецы. Несмотря на то что изначально они имеют одну и ту же ДНК (ведь они произошли из одной яйцеклетки, разделившейся на две части), речь идет о разных индивидуумах. Во взрослом состоянии они зачастую отличаются друг от друга даже внешне.

И дело даже не в том, что условия жизни однояйцевых близнецов пусть хоть ненамного, но различны (ведь они не могут вести абсолютно одинаковую жизнь). Между ними существуют и чисто биологические отличия. Во‑первых, генетический код, который человек получает при рождении, не остается неизменным. У каждого из нас на протяжении жизни постепенно накапливаются небольшие изменения в организме. Например, в процессе деления клеток, который происходит непрерывно, ДНК удваивается. При этом могут возникать ошибки, результатом которых становятся мелкие мутации генетического кода. В этом смысле все мы немного мутанты.

Но более существенно то, что действие генов не является непрерывным. Как мы уже видели, они могут включаться и выключаться в определенные периоды жизни, и контроль над этим процессом осуществляется с помощью внешних химических факторов. Эпигенетические аспекты, возникающие под влиянием окружающей среды, могут оказывать огромное воздействие на наше развитие. Как следствие, близнецы – это отдельные самостоятельные особи, а не идентичные клоны.

Разница между клонами и копиями была продемонстрирована в Техасском университете, где впервые была клонирована кошка. По иронии судьбы ей дали кличку Копирка, но она оказалась вовсе не полной копией родительского организма. У ее матери был пятнистый окрас, а сама Копирка оказалась полосатой. По‑видимому, здесь тоже проявилось действие эпигенетического эффекта. Таким образом, не имеет смысла клонировать своего домашнего любимца, потому что он, скорее всего, окажется не совсем таким, как его предшественник.

 

Хелло, Долли

 

Когда в 1996 году была клонирована овечка Долли, казалось, что клонирование человека – это лишь вопрос времени. Об этической стороне этого вопроса можно еще поспорить, но если джинна выпустить из бутылки, обратно его будет уже не загнать. Несколько организаций даже заявили, что им удалось создать клон человека, хотя никаких доказательств этого представлено не было. Похоже, что таких экспериментов вовсе не проводилось, так как уроки, извлеченные из клонирования Долли, ясно продемонстрировали, насколько это нелегкое дело.

При естественном размножении человека (как, впрочем, и любого другого животного) половина генетического материала наследуется от одного родителя, а вторая половина – от другого. Для изготовления клона необходимо, чтобы в яйцеклетке оказался полный набор ДНК только от одной особи. В случае с Долли эта ДНК была получена из клетки грудной железы длинношерстной овцы (ходили слухи, что кличку Долли первый клон овцы получил в честь певицы Долли Партон, которая славилась как раз выдающимися грудными железами). Затем эту ДНК ввели в неоплодотворенную яйцеклетку другой овцы, предварительно удалив ее собственную ДНК.

С помощью слабого электрического разряда был запущен процесс деления яйцеклетки. Затем она была пересажена в организм матери, где продолжала расти и развиваться естественным путем вплоть до рождения Долли – вполне сформировавшейся и внешне здоровой овечки. (Заметьте, кстати, что клон должен пройти весь путь от младенчества до зрелости, как и любой другой ребенок. Получить сразу взрослого клона невозможно.)

Описанный процесс выглядит не слишком сложным, поэтому казалось, что до клонирования человека рукой подать, но на самом деле все было не так уж просто. Во‑первых, создателям Долли нужны были клетки, находившиеся в строго определенном состоянии, то есть в самом начале процесса деления. Для эксперимента деление было искусственно остановлено путем лишения клетки питательных веществ. Только таким способом можно было добиться того, чтобы клетка после внедрения в нее ДНК продолжила деление. Но даже при соблюдении этого условия большинство попыток закончились неудачей.

Из 276 клеток, отобранных в начале эксперимента, активизировать удалось лишь 29, и только одна из них – Долли – выжила. Но и в дальнейшем все пошло не так гладко, как предполагалось. Долли умерла в молодом возрасте, достигнув лишь половины обычного возраста овцы. Руководитель научного коллектива Иэн Уилмут высказал мнение, что причиной смерти стала обычная инфекция, но можно предположить, что Долли, будучи еще молодой, умерла от старости.

Такое вполне возможно, если возникает проблема с теломерами – маленькими расширениями на концах хромосом, где размещается ДНК. В ходе деления клетки каждый раз происходит разделение молекулы ДНК. Теломера при этом укорачивается на один фрагмент, который является механизмом предотвращения бесконтрольного роста клетки (у раковых клеток теломеры отключаются, поэтому они растут неограниченно). Теломеры Долли при рождении были идентичны теломерам шестилетней овцы, поэтому вполне возможно, что именно из‑за этого ее жизнь оказалась столь короткой. Такое может произойти, если материал для клонирования берется от взрослой особи, у которой значительное количество теломер уже утрачено.

 

Мирно дожить до старости

 

Процесс старения всегда представлял собой загадку. В настоящее время мы можем объяснить некоторые механизмы, вызывающие старение. Многие из них связаны с нашим биологическим прошлым, в котором особь, вырастившая потомство, переставала быть полезной и утрачивала смысл дальнейшего существования. Правда, все, кто сомневается в достижениях современной науки и техники, могут убедиться в том, что продолжительность жизни человека неуклонно растет. В средневековой Британии средняя продолжительность жизни составляла примерно 30 лет, затем в Великобритании и США она постепенно возросла до 50 лет, а к концу XX века составляла уже около 80 лет.

Однако эти цифры, взятые сами по себе, могут ввести в заблуждение. Известно, что продолжительность жизни мужчин и женщин имеет отличия. Во время написания этой книги у женщин она была на пять лет больше, чем у мужчин. Кроме того, не следует думать, что в Средние века большинство людей умирали в тридцатилетнем возрасте. Значительный прирост средней продолжительности жизни за последнее время объясняется в основном сокращением детской смертности. Именно она значительно снижала средние показатели в прошлом. По достижении совершеннолетия у человека были все основания надеяться на то, что продолжительность его жизни значительно превысит среднюю. Если в 1500 году человек доживал, скажем, до 21 года, то вполне мог рассчитывать на то, что умрет в 70 лет. Но при уровне медицины тех времен две трети детей умирали, не достигнув четырехлетнего возраста. Как ни печально, но вплоть до XX века большинство смертей приходилось как раз на детей.

Клоны особенно подвержены детской смертности. В ходе клонирования их гены повреждаются. В настоящее время эта процедура напоминает попытку починить часы при помощи молотка и зубила. Может, вам это и удастся, но в большинстве случаев дело закончится поломкой часов. У искусственных клонов часто возникают генетические проблемы, многие эмбрионы не выживают, а те, которым посчастливилось родиться, имеют серьезные дефекты. При этом риск у низших обезьян больше, чем у других млекопитающих, а у человекообразных – еще выше. Вполне возможно, что мы никогда не сможем клонировать человека, так как побочным продуктом этого процесса могут стать искалеченные дети. Риск слишком велик, и ни один серьезный ученый в настоящее время не будет даже предпринимать таких попыток.

Разумеется, это не значит, что невозможно клонировать отдельные человеческие клетки. Это может оказаться очень полезным в плане здоровья. Например, одна из самых больших проблем в трансплантации органов заключается в том, что человеческая иммунная система отторгает любые чужеродные клетки и ткани, даже если они предназначены для спасения жизни. Если появится возможность клонировать органы человека из его же собственных клеток, отторжения удастся избежать.

В этой главе мы вкратце затронули тему физической привлекательности, ее причин и лежащих в ее основе генетических механизмов. Из сказанного можно было бы сделать вывод о том, что главной движущей силой этого процесса является только тело и его глубинные инстинкты. Но это ошибка. Как и во многих других областях нашей жизни, основной импульс исходит из самой сложной части нашего организма – головного мозга.

 

 

Венец творения

 

Путешествуя по своему телу и рассматривая попутно связанные с ним чудеса науки, мы пока не обнаружили в самом человеке ничего уникального по сравнению с другими животными. Наши глаза, к примеру, могут неплохо видеть, но в них нет ничего особенного. Любые способности, которыми обладают другие части нашего тела, могут быть превзойдены другими живыми существами. Но у вас есть нечто, с чем не может сравниться ни одно другое животное. Это ваш мозг.