Одним из представителей Национальных институтов здравоохранения, который оценил научную часть как не соответствующую требуемому уровню, был Боб Билл, который начал работать в Национальных институтах здравоохранения в 1974 г. Сначала у него не было намерения заниматься таким орфанным заболеванием (так называются болезни, поражающие менее 200 000 человек), как муковисцидоз. Как это часто бывает, человеческая история изменила его мнение.
В холодный февральский день 1977 г. в Бетесде, штат Мэриленд, начальник Билла в Национальных институтах здравоохранения попросил его помочь в управлении грантами и программой НИЗ по муковисцидозу, а также присутствовать на совещании руководителей из Фонда борьбы с муковисцидозом в Ла-Хойе, Калифорния. В то время Билл не смог бы даже правильно написать слово «муковисцидоз», но возможность отправиться в Южную Калифорнию в феврале звучала заманчиво. Погода была предсказуемо хорошая, но научная часть, с которой он ознакомился, общаясь с руководителями из фонда, была, как он и предполагал, не на должном уровне. Беседуя с членами семей во время перерывов, Билл видел, насколько отчаянным было их желание получить ответы, и этот факт глубоко тронул его.
Благородство их цели и вера в ее важность убедили Билла взяться за муковисцидоз. Сначала он занимался им в Национальных институтах здравоохранения, а затем, в 1980 г., перешел в Фонд по борьбе с муковисцидозом на полный рабочий день, чтобы руководить его исследованиями. Несколько лет спустя он стал президентом и генеральным директором – должности, которые он будет занимать 21 год. Под руководством Билла Фонд совершил следующий большой скачок на пути к лечению муковисцидоза и превратился в предмет зависти других медицинских фондов.
При поддержке Фонда Билл работал над развитием научных основ, в частности запускал проекты по исследованию того, что происходит на клеточном уровне, отчего в легких больного муковисцидозом накапливается губительная слизь. Врачи в клиниках по всей стране хотели денег, чтобы лечить пациентов, но Билл убедил членов правления в том, что им необходимо найти основной клеточный дефект и что путь вперед – это серьезные инвестиции в науку. Правление колебалось, так как ни один некоммерческий фонд никогда не финансировал подобный научно-исследовательский проект в масштабе, который предлагал Билл. Крупные исследовательские проекты финансировали правительство и университеты, но для относительно небольшого фонда это был огромный финансовый риск. Финансирование индивидуальных грантов – это одно, но высокие зарплаты и серьезная инфраструктура в университете обходились в десятки миллионов долларов, съедая значительную часть ресурсов фонда. Однако Билл считал, что если они хотели достичь своей цели, то есть найти способ лечения, то придется пойти на большой риск. В конце концов правление Фонда по борьбе с муковисцидозом согласилось.
В 1982 г. были открыты первые три исследовательских центра при крупных университетах – Университете Северной Каролины, Университете Алабамы и Калифорнийском университете в Сан-Франциско. Их назвали центрами Программы развития исследований (ПРИ), и их миссия заключалась в совместной работе по восполнению пробелов в знаниях о муковисцидозе. С научной точки зрения все согласились с тем, что нужно «идти выше».
В науке под «выше» и «ниже» подразумевают, где именно на клеточном уровне что-либо происходит. Выше всех находятся гены, состоящие из ДНК, которые содержат физический код для построения белка. Если спуститься ниже, там будут РНК, синтезируемые непосредственно из ДНК. Еще ниже из РНК синтезируются белки. Годами весь уход за больными муковисцидозом сосредоточивался внизу, на удалении слизи и лечении инфекций антибиотиками. Но работа внизу не исцеляет болезнь, не исправляет дефектные ДНК, РНК или белок. Это должно произойти в самой клетке, на самом верху.
Работа в центрах ПРИ шла успешно, в последующие годы количество научных публикаций удвоилось, а затем утроилось. Но на самом деле Бобу Биллу очень хотелось найти генетический дефект. Муковисцидоз явно был генетическим заболеванием, так как было известно, что он поражает членов одной семьи и передается из поколения в поколение. Билл понимал, что они не смогут найти лекарство, если не определят место, где на ДНК возникает дефект, и не выявят дефектный белок, который эта ДНК кодирует. Предположительно, этот белок участвовал в выработке слизи, а также в функционировании как легких, так и поджелудочной железы. Этот ген и сопутствующий ему белок лежали в основе всей болезни.
Первый прорыв в поисках этого гена произошел в 1985 г., когда Лап-Чи Цуй в Университете Торонто нашел дефектный ген муковисцидоза на седьмой хромосоме{273}. В ядре каждой клетки нашего тела находятся 23 пары хромосом. В зависимости от положения и функции клетки, активируются только определенные части ДНК, и эти части производят белки, необходимые для функционирования этой клетки в этом конкретном органе. Затем белки выполняют всю работу, необходимую для жизни клетки: разбивают углеводы, регулируют содержание солей и воды и производят энергию, а также занимаются множеством других дел.
Наша ДНК производит белки простым способом, впервые описанным Фрэнсисом Криком и Джеймсом Уотсоном в 1954 г. Вся наша ДНК состоит из четырех парных оснований, обозначаемых А, Т, Г и Ц. Эти пары оснований собраны в группы по три и образуют цепочку из разных комбинаций. В зависимости от порядка их расположения, им будут соответствовать определенные аминокислоты, которые формируют белок. Например, если на некоем участке ДНК имеется три пары оснований ГЦЦ, то им будет соответствовать аминокислота аланин. Если следующие три пары оснований – ГАЦ, то к строящейся молекуле белка, рядом с аланином, присоединится аспарагиновая кислота. Если разобраться, все белки состоят из цепочки аминокислот, а тип притягиваемых аминокислот для построения конкретного белка зависит от конфигурации пар оснований в ДНК.
Однако стоит отметить, что, например, код для двух аминокислот, упомянутых выше, отличается только одной парой оснований. Если в ДНК там, где в определенном месте должна быть А, стоит Ц, то вместо аспарагиновой кислоты к протеину будет добавлен аланин. Одна неверная аминокислота из-за ошибки в одной паре оснований в ДНК (так называемая точечная мутация) – и будет построен неправильно функционирующий белок, несмотря на то что наши белки состоят из сотен, а часто и тысяч аминокислот.
Считалось, что при муковисцидозе была сломана какая-то очень специфическая часть нашей ДНК, где-то в одной из наших 23 хромосом. На клеточно-биологическом уровне это означало, что в каком-то месте ДНК была построена из неправильных пар оснований, что специфическое расположение А, Т, Г и Ц было нарушено. Так как пары оснований кодируют аминокислоты, то к строящемуся белку будет добавлена неправильная аминокислота, и это приведет к нарушению функции. Предположительно, при муковисцидозе этот белок участвовал в регуляции выработки слизи в клетках легких и поджелудочной железы.
Геном человека большой, а наши 23 хромосомы содержат около 3 млрд пар оснований, которые кодируют 21 000 белков, нужных нам, чтобы жить. Это невероятно обширное пространство для поисков дефекта, который может быть всего лишь одной неправильной парой оснований. Чтобы сузить эту область, лаборатория Лап-Чи Цуй анализировала ДНК в семьях, где был распространен муковисцидоз, и искала широкое сходство в их генетическом материале. Доктор Цуй обнаружил, что во всех семьях, похоже, наблюдались одинаковые изменения в определенной части седьмой хромосомы. ДНК, в которой проявлялись изменения, не имела никакого значения (только 1 % нашей ДНК производит белки; какую функцию выполняет остальная часть, до сих пор неясно), но это послужило подсказкой – значит в семьях, где проявлялся муковисцидоз, в этой области что-то было другим.
Благодаря тому что доктор Цуй нашел приблизительное местоположение, в седьмой хромосоме, теперь ему нужно было проанализировать не все 3 млрд пар оснований составляющих ДНК, а 159 млн, но это все еще была сложная задача. Найти конкретный дефект было бы нелегко, и некоторые считали, что при существующих на тот момент технологиях это будет невозможно. Ученый Фрэнсис Коллинз из Университета Мичигана, восхищенный проделанной в лаборатории доктора Цуя работой, считал, что некоторые используемые им методы, известные как «прогулка по хромосоме и прыжки по хромосоме», могут оказаться полезными. Он предложил доктору Цуй не просто сотрудничать, а объединить лаборатории для работы по этому проекту. Проявив замечательную солидарность, в течение нескольких лет две лаборатории обменивались данными и методами в своем необычном стремлении открыть ген муковисцидоза. Оба ученых привыкли проводить по пять часов за рулем, перемещаясь между Энн-Арбор и Торонто. В качестве стимула для своих поисков они купили бутылку канадского виски и убрали ее на полку, поклявшись открыть ее только тогда, когда ген будет найден.
Доктор Коллинз мотивировал людей в своей лаборатории уникальными способами. Работая в Мичигане, где было множество амбаров, он легко выяснил, что средний стог сена весил 8 т. Средняя игла, узнал он, весила 2000 мг. В соответствующей пропорции поиск дефектной пары среди миллионов пар оснований вполне буквально означал поиск иголки в стоге сена. Затем доктор Коллинз сфотографировался в амбаре на куче сена, с курицей и вилами слева от себя и старыми деревянными стропилами над головой. В руке он держал блестящую серебристую иглу. Идея была ясной: это выполнимо.
Прогулка по хромосоме и прыжки по хромосоме были методами, использующимися для анализа ДНК и выявления конкретных пар оснований в определенной области. Имеющаяся в то время технология не позволяла анализировать большие фрагменты ДНК, это было просто недостижимо. Очень маленькие фрагменты анализировать удавалось, но для анализа их приходилось нарезать, а процесс разрезания ДНК не позволял определить, в каком именно месте последовательности находился анализируемый фрагмент.