Мы начали тестирование библиотек кДНК разных тканей человека, главным образом мозга и плаценты. Наши зонды состояли из последовательностей генов, прогнозируемых на основе компьютерного анализа ДНК из хромосом 4 и 19. Если бы удалось доказать, что клон кДНК является прогнозируемым геном в генетическом коде, его существование стало бы доказательством подлинности гена, а не артефактом. Несмотря на бесспорную логичность этого метода, потребовались месяцы напряженной работы, чтобы подтвердить наличие всего лишь нескольких истинных генов в изучаемой последовательности. Неудивительно, что в начале дискуссии о проекте генома методы анализа кДНК, которые были предложены (в частности, Сидни Бреннером и Полом Бергом) в качестве альтернативы секвенирования генома, сразу же были отвергнуты.
Однако я чувствовал, что нахожусь на правильном пути. Моя уверенность окрепла в 1990 году, когда меня пригласили на симпозиум в Японии, организованный производителем секвенаторов компанией ABI. Тогда я и узнал, что мои методы исследования генома считаются наиболее перспективными. Целый ряд японских ученых решили сосредоточить свои усилия на выделении и секвенировании клонов кДНК. Японцы пришли в восторг от моих результатов, поскольку они подтверждали их собственную методику. Два японских ученых произвели на меня особенно сильное впечатление и серьезно помогли усовершенствовать мою теорию. Одним из них был Хирото Окаяма из Осакского университета, который вместе с Полом Бергом разработал замечательный метод получения клонов кДНК и теперь хотел найти подтверждение, что они покрывают всю последовательность генов – так называемых полноразмерных кДНК.
Это имело определенное отношение к важнейшей проблеме при изучении кДНК – нестабильности мРНК при выделении ее из тканей. Эта молекула имеет тенденцию распадаться на более мелкие фрагменты, прежде чем ее удается полностью скопировать. Другие проблемы связаны с ферментом, называемым обратная транскриптаза, который используется для преобразования нестабильных мРНК в более стабильные кДНК. Фермент отсоединялся от мРНК, прежде чем заканчивал свою работу. Я был хорошо знаком с этим явлением: при использовании кДНК для изучения рецепторов адреналина я потерял так часть гена с одного из концевых участков клона.
Другим источником моего вдохновения был Кэнъити Мацубара, директор Института молекулярной и клеточной биологии Осакского университета, руководитель японской программы расшифровки генома человека и советник Монбусё (Министерства образования, науки и культуры Японии). Оба ученых были убеждены, что секвенирование полноразмерных клонов кДНК станет основной частью, а возможно, даже альтернативой всей работы по секвенированию генома, несмотря на то, что данный вариант был категорически отклонен американскими и британскими экспертами. И тут возникли еще и иного рода осложнения. Уотсон, считая, что богатая Япония паразитирует на исследованиях генома, финансируемых другими странами, в раздражении написал Мацубаре письмо с угрозой прекратить делиться с ним результатами исследований, причем в таких выражениях, что в прессе заговорили о «войне генов человека»{23}. «Если начнется война, я буду с ним воевать, – заявил Уотсон. – Слюнтяям никогда ничего не добиться в жизни».
Во время полета домой я только и думал, что о развиваемой в Японии методике секвенирования полноразмерной кДНК. А также о том, как легко было бы изучать геном человека, будь все клоны кДНК выделены и секвенированы. А ведь мне понадобилось долгих десять лет, чтобы обнаружить один-единственный ген, только один клон кДНК. Думал я и о том, каким неэффективным оказался метод дробовика для прочтения кода всего лишь тысячи или около того геномных последовательностей, и всё – чтобы найти всего один ген, или даже лишь его часть. А еще – о том, как трудно найти соответствующий клон кДНК, чтобы доказать существование этого гена.
И вдруг, на высоте 11,5 тысяч метров над Тихим океаном, меня осенило: я использовал правильную методику секвенирования, но не той ДНК! Что, если применить быстрый метод случайного секвенирования (метод дробовика) к клонам кДНК? Что произойдет, если просто случайно выбрать клон кДНК и секвенировать его за один проход? Мои секвенаторы одновременно прочитывали около 400 пар оснований генетического кода – более чем достаточно, чтобы найти соответствие в геномной базе данных. Это было подобно открытию алфавитного указателя к каталогу генов человека.
Если данная последовательность получена из клона кДНК, изготовленного из нестойких мРНК мозга человека, то в ней содержится ключевая информация: (а) эта последовательность является частью реального, экспрессивного гена, и (б) этот ген имеет важное значение для функции мозга. Для сравнения – последовательности из генома практически неинформативны. Если бы я перешел на секвенирование тысячи случайно выбранных клонов кДНК, то смог бы обнаружить сотни генов для каждого клона, определенного методом традиционного геномного секвенирования. Я так воодушевился этой идеей, что с трудом дождался возвращения домой и постановки решающего эксперимента.
Уже на следующее утро я собрал в лаборатории своих ведущих сотрудников. Я был уверен, что они разделят мой энтузиазм по поводу новой идеи, но меня встретила стена скепсиса и сомнений. В итоге Маккомби и все остальные заявили, что из моей «сенсационной» идеи, скорее всего, ничего не получится и все кончится тем, что ее придется финансировать из средств на секвенирование генома. Они приводили те же аргументы, что и другие критики метода кДНК.
Согласно современной теории, для подавления любого сигнала генов с низким уровнем экспрессии достаточно лишь небольшого количества генов с высоким уровнем экспрессии. Любая обнаруженная нами матричная РНК, скорее всего, будет соответствовать этим доминантным генам. Но хотя этот аргумент имеет смысл для некоторых тканей, его вряд ли можно отнести к человеческому мозгу, функционирование которого и сама мыслительная деятельность зависит от огромного количества генов, причем некоторых с очень низким уровнем экспрессии. Исследования ученых из Клиники имени Скрипса показали, что до половины всех генов человека действуют в головном мозге.
Я вспомнил совет Ната Каплана: никогда не отговаривай себя от проведения эксперимента; в конечном счете, все зависит от реального устройства мира, а не от наших представлений о нем сегодня. К счастью, в лаборатории нашелся один заинтересовавшийся моей идеей сотрудник. Марк Адамс пришел к нам из Мичиганского университета всего неделей раньше, и нам еще предстояло выяснить, чем он захочет заниматься. Мы обсудили с ним использование библиотеки кДНК мозга для реализации идеи случайного выбора кДНК в процессе секвенирования, и он согласился незамедлительно начать работу. Потом я узнал, каким нападкам за моей спиной подвергся Марк со стороны Маккомби и других сотрудников, страшно озабоченных возможным уменьшением финансирования, хотя у нас не было никаких оснований для беспокойства. Да даже если бы нам понадобилось еще больше денег, я бы их как-нибудь раздобыл.
К тому времени был практически закончен последний вариант заявки на грант Уотсона, предназначенный для финансирования секвенирования участков хромосомы с высоким содержанием генов, а не всей хромосомы. В октябре того же года мы встретились с Уотсоном в городе Хилтон-Хед-Айленд в Калифорнии, где я проводил конференцию по секвенированию. Я изложил ему свой план исследования участка хромосомы 4, ответственного за болезнь Хантингтона, участка хромосомы 19, ответственного за миотоническую дистрофию, и участка хромосомы 15, ответственного за синдром Прадера – Вилли. Он согласился, что мой план весьма убедителен и понравится специалистам, занимающимся «охотой» на определяющие эти болезни гены.
Уотсон заверил меня, что на этот раз я могу рассчитывать на благоприятный исход дела, так как членов Комитета по рассмотрению заявок отбирали с учетом их неподдельной заинтересованности в развитии исследований генома. Как бы я ни злился на него за трижды невыполненные обещания, мы все же сохраняли хорошие отношения. Я чувствовал, что он искренне желает получить финансирование для моей программы, и мы оба искренне верили в успех геномики и определения генома человека.
На этой конференции произошло еще одно запомнившееся мне событие, которому предстояло сыграть важную роль в будущем. Во время нашего однодневного семинара Уотсон затеял громкий скандал с представителями фармацевтической компании по поводу того, кто будет обладать патентами на идентифицированные гены. Он также потребовал согласовать стратегию выдачи результатов секвенирования и выразил желание, чтобы это делалось сразу после подтверждения полученных результатов. Этот инцидент будет преследовать меня еще долгие годы.
Внезапно я обнаружил, что направление исследований резко изменилось. Результаты моей лаборатории показали, что методику секвенирования случайно выбранных клонов кДНК ожидает большой успех. Я ликовал, хотя предстояло еще проделать колоссальную работу и убедиться, что мы не оказались в плену полученных данных и не совершили никаких ошибок. Трудность состояла в необходимости подтвердить, что, имея всего лишь 300–400 пар оснований кода кДНК, мы располагаем достаточной информацией для идентификации соответствующего гена. Мы собирались продемонстрировать эффективность метода путем картирования последовательностей кДНК обратно в геном. А еще мы пытались манипулировать библиотеками кДНК и выяснить, существуют ли эффективные способы уменьшить активность обычных генов, чтобы обнаружить более редкие гены.
По мере исследования все большего числа клонов кДНК волнение в лаборатории нарастало. В 1990 году мы определили и секвенировали около 2000 генов человека, из которых только 10 % – например, адреналинового рецептора – были получены из мозга человека. За каждый день работы наших устройств мы обнаруживали от 20 до 60 новых человеческих генов. Каждый день! Мне трудно было осознать эту цифры, так как это на порядок превышало количество генов человека, которое мы декодировали за многие месяцы геномного секвенирования, и в 60 раз было больше, чем мне удалось получить с помощью традиционных методов за десяток лет невероятно упорного и утомительного поиска адреналинового рецептора. Мы стояли на пороге настоящего переворота в биологии.