Секвенирование человеческого генома принесло и еще одно потрясение. Выяснилось, что бесчисленные тонкости человеческой анатомии, физиологии, разума и поведения нельзя объяснить при помощи классической модели, описывающей гены. Если говорить лишь о количестве генов, кодирующих белки, то у человека их примерно столько же (около 20 тысяч), сколько и у какого-нибудь примитивного микроскопического червя. Более того, большинство генов червей имеют прямой генетический эквивалент в геноме человека.
По мере того, как ученые все глубже анализировали, что же отличает человека от других организмов на уровне ДНК, становилось очевиднее, что сами по себе гены тут — не объяснение. И вообще оказалось, что с ростом усложненности организма растет лишь один из генетических параметров — количество участков мусорной ДНК. Иными словами, чем сложнее устроен организм, тем больше в нем процент мусорной ДНК. Лишь сейчас ученые стали по-настоящему исследовать противоречивую идею, согласно которой именно в мусорной ДНК таится ключ к эволюционной сложности и многообразию.
Но если мусорная ДНК так важна, что же она делает? Какова ее роль в клетке, раз уж она не кодирует белки? Сегодня ясно, что мусорная ДНК обладает целым рядом различных функций. Ничего удивительного, ее ведь так много.
Какая-то ее часть образует особые структуры в хромосомах, куда упакована наша с вами ДНК. Этот «мусор» помогает ей не расплетаться (расплетаясь, она может получить повреждения). По мере нашего старения «мусорные» области уменьшаются в размерах и наконец переходят за критический минимум. После этого наш генетический материал становится подверженным всякого рода перестройкам и перегруппировкам, которые могут привести к катастрофическим результатам — к клеточной смерти или раковым процессам.
Другие структурные области мусорной ДНК действуют как своего рода якоря, когда хромосомы в процессе клеточного деления поровну распределяются между различными дочерними клетками. («Дочерняя клетка» — любая клетка, возникающая при делении материнской клетки. Заметьте, это не означает, что материнская или дочерняя клетка — женские.) Есть области, которые служат своего рода изоляторами (они называются инсуляторами): они ограничивают экспрессию генов определенными областями хромосом.
Однако значительная часть нашей мусорной ДНК — не просто какие-то структурные области. Она не кодирует белки, зато кодирует молекулы другого типа — РНК. Обширный класс подобных элементов мусорной ДНК образует в клетке своеобразные фабрики, тем самым помогая вырабатывать белки. А другие разновидности молекул РНК доставляют на эти фабрики сырье для производства белка.
Есть и иные участки мусорной ДНК — генетические помехи, ведущие свое происхождение от геномов вирусов и других микроорганизмов, когда-то встроившихся в человеческие хромосомы. Это своего рода генетические «спящие агенты». Такие остатки давно умерших организмов несут в себе потенциальную угрозу клетке, человеку, а иногда и целой популяции людей. Клетки млекопитающих в ходе эволюции выработали многочисленные механизмы для того, чтобы «затыкать рот» подобным вирусным компонентам, но эти защитные системы могут иногда отказывать или ломаться. Когда такое происходит, последствия могут быть самыми разными. От безобидных (вроде изменения цвета шерсти у определенной генетической линии подопытных мышей) до куда более опасных (например, возникновения рака).
Среди важных функций мусорной ДНК, которые в полной мере осознали только в последние годы, — регуляция экспрессии генов. Иногда это может оказывать весьма сильное и весьма заметное воздействие на человека. Один из фрагментов мусорной ДНК абсолютно необходим для того, чтобы у самок животных происходила нормальная экспрессия генов. Проявления его действия можно увидеть в целом ряде ситуаций. Простенький пример — генетическая регуляция окраски и узоров пестрых кошек. Однако тот же механизм позволяет объяснить, почему у идентичных близнецов женского пола могут неодинаково проявляться симптомы одного и того же наследственного заболевания. Иногда кто-то из таких близнецов страдает острой формой недуга, угрожающего жизни, тогда как другой близнец совершенно здоров.
Тысячи и тысячи участков мусорной ДНК подозреваются в том, что они регулируют биологические сети экспрессии генов. В этом смысле они напоминают указания режиссера, ставящего спектакль. Впрочем, в данном случае указания чрезвычайно сложны и запутанны. Никакая актерская труппа с ними не справилась бы. Забудьте все эти примитивные ремарки типа «Выбегает, преследуемый медведем». Скорее уж они напоминают что-нибудь вроде: «Если вы ставите „Гамлета“ в Ванкувере и „Бурю“ в Перте, в такой-то строке „Макбета“ ударение должно падать на четвертый слог. Если только при этом любительская труппа не ставит „Ричарда III“ в Момбасе, а в Кито не идет дождь».
Ученые сейчас только начинают распутывать тонкие взаимосвязи гигантских сетей мусорной ДНК. Правда, системы, при помощи которых мы пытаемся изучать ее функции, пока еще относительно неразвиты. Поэтому исследователям иногда не так-то просто проверять свои гипотезы экспериментально. И вообще мы занимаемся всем этим сравнительно недавно. Впрочем, порой нужно уметь вовремя отойти от лабораторного стола и от всех этих умных машин, выдающих несметное количество данных. По сути, эксперименты и без того окружают нас на каждом шагу, ведь у природы и эволюции было несколько миллиардов лет на то, чтобы перепробовать всевозможные виды изменений. Даже краткий по геологическим меркам момент, знаменующий появление и распространение нашего собственного вида, предоставил природе время, позволяющее осуществить куда большее количество разнообразных опытов, чем мы, ученые, могли бы мечтать провести. Поэтому на протяжении всей книги мы будем исследовать темноту непознанного при свете факела человеческой генетики.
Как освещать эту темную материю нашего генома? С чего начать? Тут есть много вариантов. Давайте оттолкнемся от одного странного, но неопровержимого факта. Дело в том, что причина некоторых генетических заболеваний — мутации мусорной ДНК. Вероятно, это самая подходящая отправная точка для нашего путешествия в геномную вселенную.
Глава 1. Темная материя, или Отличная материя для размышлений
Иногда жизнь кажется ужасно жестокой. На одну семью порой сваливается целая куча несчастий. Вот, например, родился мальчик, назовем его Дэниэл. Уже при рождении он какой-то хлипкий, к тому же бедняга не способен дышать без посторонней помощи. Благодаря интенсивной терапии Дэниэл выжил, тонус мышц у него улучшился, так что он научился дышать самостоятельно и худо-бедно передвигаться. Но по мере взросления выяснилось, что у него проблемы с обучением, которые будут всю жизнь ему мешать.
Сара, его мать, очень любит мальчика и постоянно о нем заботится. Но вот ей уже 35, и делать это все труднее, потому что у нее появились какие-то странные симптомы. Мышцы у нее порой деревенеют, да до такой степени, что иногда она берет что-то, а разжать пальцы очень трудно. Ей приходится уйти с работы. (Сара — реставратор керамики. Дело это, требующее высокой квалификации, отнимало у Сары по нескольку часов в сутки.) Кроме того, ее мышцы начинают заметно уменьшаться в размерах. Все-таки ей как-то удается справиться с неприятностями. Но в возрасте всего-навсего 42 лет Сара внезапно умирает от сердечной аритмии — катастрофического разрыва в цепи электрических сигналов, заставляющих сердце постоянно биться в нужном ритме.
Заботы о Дэниэле падают на Джанет, мать Сары. Для бабушки мальчика это непросто, и не только из-за проблем внука и душевных страданий, вызванных безвременной смертью дочери. Дело в том, что уже в свои 50 с небольшим Джанет заработала катаракту на обоих глазах, и зрение у нее, прямо скажем, не блестящее.
Может показаться, что семейству просто не повезло: его поразило сочетание не связанных друг с другом недугов. Однако специалисты отметили тут кое-что необычное. Выяснилось, что такой характер болезней — катаракта у старшего члена семьи, одеревенение мышц и сердечные дефекты у дочери, а у внуков вялые мышцы и трудности в обучении, — встречается во многих семьях. Эти семьи живут по всему миру, и их не связывает родство.
Ученые поняли: речь идет о каком-то генетическом заболевании. Они назвали его миотонической дистрофией («миотонической», то есть имеющей отношение к тонусу мышц; «дистрофией», поскольку происходит их истощение). Этот недуг проявляется в каждом поколении той семьи, которую он поражает. Если у кого-то из родителей есть это заболевание, для ребенка вероятность заболеть — в среднем одна вторая. Риску в равной степени подвергаются женщины и мужчины. И те, и другие могут передать этот недуг по наследству — своим детям1.
Эти наследуемые характеристики весьма типичны для болезней, причина которых — мутации одного гена. Мутация — это изменение в нормальной ДНК-последовательности. Обычно наши клетки наследуют по две копии каждого гена: одну от матери, одну — от отца. Характер наследования при миотонической дистрофии, когда заболевание проявляется в каждом поколении, называется доминантным. При доминантных заболеваниях лишь одна из двух копий гена несет в себе мутацию. Это копия, унаследованная от родителя, пораженного данной болезнью. Мутировавший ген способен вызвать недуг, хотя в клетках содержится и нормальная копия. Мутантный ген как бы «доминирует» над нормальным.
Однако миотоническая дистрофия, как выяснилось, обладает характеристиками, существенно отличающимися от характеристик типичного доминантного заболевания. Начнем с того, что доминантные заболевания обычно не обостряются после передачи детям. Да и почему бы такое могло происходить? Ведь ребенок, пораженный недугом, наследует от родителя то же заболевание, точно такую же мутацию. Кроме того, у страдающих миотонической дистрофией симптомы проявляются во все более раннем возрасте по мере того, как заболевание передается из поколения в поколение. Это также необычно.