Был пронумерован гаплоидный набор хромосом, которых у человека, как известно, 23. Но половые хромосомы не получили номеров, вместо этого они обрели буквенные обозначения – х и у. У мужчин, как известно, в соответствии с этим обозначением имеются ихс– и игрек-хромосомы, а у женщин – две икс-хромосомы. То же самое можно сказать о самцах и самках всех млекопитающих.
Мужская игрек-хромосома имеет очень маленькие размеры и содержит очень мало генов, которые, тем не менее, связаны с выработкой особенностей организма мужского пола. Остальная часть этой хромосомы заполнена повторяющимися последовательностями ДНК, которые не кодируют и не участвуют в синтезе белков. Что касается икс-хромосом, то они обладают средними размерами и средним числом генов.
К сожалению, при нумерации хромосом вследствие несовершенства оборудования была допущена досадная, но несущественная ошибка: самой маленькой хромосоме в нумерации был присвоен № 21, а несколько более крупная хромосома получила № 22. Когда ошибка была замечена, нумерацию решили не менять, поскольку это вызвало бы путаницу в научных исследованиях.
В 70-е и даже 80-е годы XX века исследовательская деятельность концентрировалась вокруг составления так называемых генетических карт. Это была очень трудоёмкая и довольно непроизводительная с точки зрения получения новых знаний работа. Создавались гибридные клетки, своего рода кентавры генетики, которые содержали полный геном мыши или крысы и какие-нибудь хромосомы человека.
Если при этом обнаруживалось продуцирование какого-либо фермента или специфического для человека другого белка, создавалась своеобразная карта, на которую наносился соответствующий ген и выявлялось его местонахождение на той или иной хромосоме.
Составление карт полного генома человека считалось невозможным вследствие неимоверной сложности этой задачи и отсутствия в распоряжении науки каких-либо доступных методов для её реагирования. Однако уже в 1977 году были разработаны методы секвенирования ДНК, т. е. определения последовательности структурных компонентов генома.
К середине 80-х годов эти методы были настолько усовершенствованы, что секвенирование геномов различных видов организмов, в том числе и человека, стало возможным перевести из области дерзких мечтаний и теоретических прогнозов в сферу практического осуществления.
Главным из этих методов стал метод ПЦР – полимеразной цепной реакции. Данная реакция и связанный с ней метод были открыты в 1983 г. генетиком Кари Муллисом (США). Фактически был создан эмпирический искусственный способ восприятия, пригодный для использования в условиях неприменимости электронной микроскопии.
Термостабильная полимераза, сохраняющая свою активность до температуры 94 °C (близкой к температуре кипения воды) направляется на мишень в виде исследуемого фрагмента ДНК и производит в нём цепную реакцию, позволяющую увеличить копии этого фрагмента в сотни миллионов раз. В результате появляется возможность визуализировать структуру этого фрагмента на электрофореграмме, получить её изображение на экране компьютера и совершить необходимые манипуляции с ней для её дальнейшего изучения с помощью других методов.
Сложность метода состоит в необходимости сначала расплавлять двухцепочечную структуру ДНК при температуре 94 °C, что переводит её в одноцепочечное состояние, затем гибридизировать участки со специальными заготовками, или затравками (праймерами) при температуре 37–68 °C. и наконец – синтезировать последовательности матричной ДНК при температуре 72 °C. ПЦР включает 25–30 таких циклов.
Это, конечно, адская работа, но чего не сделаешь для того, чтобы хоть что-нибудь узнать о механизмах воспроизведения жизни! Эту работу невозможно было бы проводить в массовом масштабе, охватывая громадные количества последовательностей ДНК, если бы она не проводилась в автоматическом режиме, в специальных приборах – термоциклерах под контролем компьютеров.
Метод ПЦР способствовал разработке целого ряда связанных с ним методов, которые сделали секвенирования геномов хотя и необычайно трудной, но разрешимой задачей. И тогда группа учёных в США, занимавшихся исследованием мутаций и скорости их возникновения у человека, наметила новые горизонты такого исследования, в связи с открывшейся возможностью отслеживать их возникновение и действие в молекулярных структурах.
Стремясь не упустить открывшуюся возможность, они вскоре столкнулись с необходимостью сравнивать мутировавшие структуры с нормальными последовательностями внутри генома. Стали обсуждаться возможности секвенирования всего генома.
Технология секвенирования, т. е. автоматизированного определения последовательности нуклеотидов в молекулах ДНК, была разработана двумя независимыми исследовательскими группами.
Одна из этих групп работала в Гарвардском университете (США) под руководством У. Гилберта и А. Максама, а другая – в Кембридже (Англия) и возглавлялась Ф. Сэнджером (Зангером) по происхождению немцем.
Эффективность данной технологии была проверена секвенированием геномов кишечной палочки, дрожжеых грибков, дрозофилы, ряда культурных и лабораторных растений. За открытие метода секвенирования ДНК Сэнджэр получил свою вторую нобелевскую премию. Первая пнобелевская премия по химии была присуждена ему в 1958 г. за открытие последовательности аминокислот.
Первый автоматический секвенатор ДНК был изобретен биологом из Калифорнийского университета (США) Лероем Худом. Он усовершенствовал метод Сэнджера. Вместо использовавшихся Сэнджэром радиоактивных меток (маркеров) для выделения фрагментов нитей ДНК Худ применил флюоресцентные красители различного цвета, что позволяло помечать определённым цветом каждое основание ДНК. Свечение красителей вызывалось лазерным лучом, а анализ изображений приводился на основе компьютерной программы.
Как и метод ПЦР, метод Сэнджера-Худа привёл к возникновению искусственного способа восприятия, позволяющего визуализировать информацию, содержащуюся в завитках двойной спирали ДНК. Это своеобразный автоматизированный телескоп, направленный в космос генетического структурирования жизни. Ибо геном человека – это целый космос внутри человека, сравнимый по структурной сложности с крупномасштабными космическими объектами. И расходы по его исследованию могли быть сравнимы с освоением ближнего Космоса.
Американский исследователь Кевин Дэвис сравнил содержание генома человека с огромной книгой, созданной эволюцией. Если бы такую книгу издали в человеческой типографии со страницами, на каждой из которых помещается 3000 букв, то последовательность оснований среднего гена составила бы 5 страниц, последовательность оснований каждой хромосомы – 200 томов и 300 страниц в каждой, а вся великая книга генома заняла бы 4000 томов. Вся совокупность ДНК человеческих хромосом содержит около 3,5 млрд. оснований.
В 1984 г. группа исследователей из британского совета медицинский исследований во главе с Ф. Сэнджэром завершила работу по секвенированию генома одного из вирусов, вызывающих герпес. Этот геном, как и геномы других вирусов, очень прост по своей структуре. Его ДНК, как выяснилось, содержала всего 5375 оснований, и понадобилось почти 7 лет, чтобы расшифровать их последовательность. Расшифровка генома человека с учетом этого обстоятельства могла показаться не более чем утопией.
И тем не менее идея прочтения человеческого генома поселилась в умах многих учёных. В 1987 г группа учёных, занимавшаяся генетическими исследованиями при Министерстве энергетики США обратилась в это министерство с ходатайством о выделении 1 млрд. долларов для проведения работ по картированию и секвенированию генома человека. Были привлечены авторитетные эксперты, которые, несмотря на сопротивление многих скептиков, высказались «за». В 1988 г. Министерством энергетики и Национальный институт здоровья США совместными усилиями учредили проект «Геном человека».
В результате был организован Национальный институт исследования генома человека, и с 1990 г. началась реализации проекта. Вскоре к осуществлению проекта подключились 16 институтов из Великобритании, Франции, Германии, Японии и Китая. При финансовой поддержке из этих стран проект принял международный характер и был образован Международный консорциум по секвенированию генома человека.
Уже в 1988 г. к проекту присоединилась Россия. Инициатором развёртывания работ по расшифровке генома здесь выступил академик Александр Баев. Этот замечательный учёный 18 лет провёл в сталинских лагерях за упорное сопротивление лысенковской псевдонауке. В 1989 г. Баев добился создания Научного совета по программе «Геном человека».
В 1990 г. для координации исследований в мировом масштабе было создана Международная организация по расшифровке генома человека. Её президентом был избран один из первооткрывателей механизма действия двойной спирали ДНК Джеймс Уотсон, а вице-президентом стал российский академик Андрей Мирзабеков. С 1993 г. Уотсона на этом посту сменил Френсис Коллинз, известный специалист в области медицинской генетики.
При разделе функций по выявлению последовательностей оснований в молекулах ДНК России достались для исследования 3-я, 13-я и 19-я хромосомы. Однако в связи с кризисным состоянием экономики России финансирование программы исследований было сокращено до такой степени, что её выполнение стало невозможным. Как всегда, у российской бюрократии нашлись дела поважнее, чем развитие научных программ международного значения, и в дальнейшем российская наука полностью выпала из проекта и в расшифровке генома участия не принимала.
Международные исследования продолжались, но несмотря на быстрый рост скорости секвенирования (до 10 млн. нуклеотидных пар в сутки), к началу 1998 г. было расшифровано всего около 3 % генома, и многим экспертам полное осуществление проекта в обозримое время казалось безнадёжным.
И тогда в ход событий вмешалось основание частной американской компании «Селера Геномикс». Её создал американский генетик Дж. Крейг Вентер, который ранее работал в Национальном институте здоровья. Он заявил своём намерении завершить расшифровку генома на четыре года раньше международной организации. Возникшая конкуренция подстегнула финансовые вложения заинтересованных инвесторов с обеих сторон. Международный консорциум по секвенированию генома человека, созданный на базе Международной организации, включился в беспримерную гонку с «Селерой» для того, чтобы первым завершить весь проект и обрести приоритет в расшифровке всего генома.