Часть 2. Генетика как основа биотехнологии будущего.

Обнинск 2020

цикл авторских статей о медицине будущего

ГЕНЕТИКА - ОСНОВА БИОТЕХНОЛОГИИ БУДУЩЕГО

ключевые термины:

Грегор Мендель, геном, генетика, фенотип и генотип, секвенирование, евгеника

генная инженерия, доминантный и рецессивный ген, денатурация и конформация белка.

Первая статья цикла
Часть первая. Искусственный интеллект
Третья статья цикла
Часть третья. Старение и бессмертие.

ЧТО ТАКОЕ ЧЕЛОВЕК?

"Есть ли универсальный рецепт человека? Представим, что мы на кухне и у нас есть ингредиенты для его приготовления. На самом деле рецепт прост. Нужно смешать в нужных пропорциях следующее: воды 70%, углерода 18%, азота 4%, кальция 2%, фосфора 2%, и еще немножко калия, серы, натрия и хлора. Ну и по капле магния, цинка, марганца, меди, йода, никеля, брома, фтора, кремния, кобальта, алюминия, молибдена, ванадия, свинца, олова, титана, бора."

Все эти вещества образовались в процессе сгорания звезд. Но собрались здесь и сейчас они в определенной последовательности атомов и молекул, а также пустот между ними. И вся эта конструкция построена на силах и законах физического взаимодействия материи.

Кто и почему это сделал? Как мы рождаемся и функционируем и как передается информация от одного человека к другому? Когда и какие бывают ошибки при ее передаче? Все это изучает биология, и ее передний край сегодня - генетика и все что с ней связано. Куда только не проникла генетика! Ее части разбросаны в судебной медицине, вирусологии и фармакологии, генеалогии, сельском хозяйстве, медицине и онкологии, экологии и биохимии, археологии и палеонтологии. Век физики уходит в прошлое, а ему на смену приходит век биотехнологий и генной инженерии. Будущее развитие человечества будет происходить именно здесь.

ГЕНЕТИКА

Генетика - наука о генах, единицах наследственности. Ген в современном представлении лишь участок молекулы ДНК, в котором закодирована информация об особенностях жизни организма. По старому определению Энгельса: “Жизнь, это способ существования белковых тел”. Сейчас в эту формулу жизни следует добавить носителей генетической информации ДНК и РНК. Если белки отвечают за функцию в молекулярном мире жизни, то эти молекулы представляют библиотеку правил, по которым эти белки строятся и взаимодействуют с окружающим миром. Центральная догма биологии строится на понятии переноса информации от ДНК к белкам. Таким образом закодированная последовательность азотистых оснований (аденина, гуанина, тирозина и цитозина и их брата урацила) в ДНК и РНК, в ходе превращения и передачи информации от генов к рибосомам обозначает структуру белковой молекулы. Сами белки после синтеза молекулы претерпевают ряд конформаций, чтобы в окончании быть сложно-организованной объемной структурой со своими полюсами электрического напряжения. У белков возможно несколько таких конформационных форм, но лишь одна самая стабильная и удачная. Ее он и старается принять. Белок становится эдаким плотным облаком среди жидкой жизни клеточной цитоплазмы, к которому не всякая другая молекула пристанет, а только определенная, чтобы начать изменять свою форму в ходе обмена энергии в системе этих молекул. Жизнь белков довольно опасна и происходит в условиях постоянного ожидания денатурации, то есть утраты своей объемной структуры и свойств. Очень сложно организованная молекула, и ничего не попишешь. Но такое усложнение в процессе эволюции позволяет им быть гибкими. Взаимодействие белков приводит к производству или поглощению энергии, появлению новых молекул или распаду существующих.

Вся тайна жизни заключена в наших генах. Если глубоко задуматься про то, откуда все это пошло, то невольно, как и под звездным небом человека охватывает ощущение бесконечности и страх собственной ничтожности. Если человек верит в Бога, то несомненны мысли, что это сделал он. Если нет, то впору задуматься о грамотных инопланетянах, которые оставили свои шифры, пролетая Землю и осчастливили ее жизнью. Наверное когда-нибудь и мы передадим эстафету жизни дальше. Только мы в начале этого пути. Невозможно подумать, что жизнь с ее основами - ДНК и РНК, самозародилась в недрах подводных сероводородных морских гейзеров миллиарды лет назад. Разве можно написать такой код? Хочется думать, что жизнь подброшена нам на Землю или кем то забыта случайно, в виде специальных нанороботов, в виде вирусов, которые и привели к всему существующему.

Однако если посмотреть внутрь этой системы, то не все там гладко. Там много ошибок. Человек, если его представлять венцом эволюции и например банан, который мы едим - что общего? Оказалось очень много. Наши ДНК во многом совпадают. Совпадений с генами шимпанзе, нашего ближайшего живого родственника разумеется больше, чем с растениями. Древние гены в наших клетках из далеких времен. Мы носим в себе память о развитии клеточных организмов и наверное произошли все из одной клетки, которая сумела перехитрить окружающий неспокойный и неуютный мир и расселиться по планете во множестве видах.

Аналогия с жизнью на нашей планете - заражение организма бактериями. От одной частицы с генами, до бессчетного множества в ходе умножения и разнообразия генетического материала.

Можно ли считать человека царем природы? Если говорить о количестве и степени приспособленности к окружающей среде, то нет. Вокруг нас превалирует незаметный мир бактерий. Их больше и они совершенны по простоте реакций на изменчивый мир.

Наш генотип, или библиотека генов у человека насчитывает около 30 тысяч генов в последовательностях 3 млрд нуклеотидов в молекулах ДНК, которые образуют хромосомы. Если перевести на компьютерный язык, то в генотипе всего около 3 гигабайт информации о нас. Лишь незначительная, порядка нескольких процентов всей ДНК принадлежит генам, а остальные участки еще непонятны для чего. Возможно, что ДНК насобирала за всю эволюцию множество хлама, уже давно не используемого. Так называемый генетический груз. Не вся генная информация лежит в ядре клетки и ее хромосомах. Есть еще митохондриальная ДНК, которая передается каждому человеку только от матери. Правда там всего 27 генов.

Я изучал биологию в школе и институте. Она трудно давалась, ибо слишком в нее было вложено много материала. Весь путь эволюции, а именно так шла линия обучения и идет сейчас, уложен в небольшое количество часов. Стремительно пронесшийся видеоряд в клипе и так же несколько миллиардов лет эволюции в школе и институте. Хотя потом, конечно она встречалась крупицами среди других дисциплин, но основа пролетела, как фанера над Парижем. Генетика - как вершина знания. Но и она была совсем другая. За десять - двадцать последних лет произошла революция в этом разделе биологии. Если проследить путь ее развития, то схематично я бы выделил три периода. Менделевский период, когда люди стали догадываться о структуре наследственности и непростых взаимоотношениях родителей и потомков. Затем период открытия и расшифровки молекулы ДНК. В это время эволюционной теории пришло существенное подспорье в виде науки о генах. Современный третий период рисует нам перспективы влияния человека на саму эволюцию. Человек только тогда может считаться царем природы, когда он сможет контролировать, определять и планировать собственную эволюцию.

Основа генетики в молекулах передачи наследственной информации - ДНК и РНК. Есть главный вопрос, которые мучает многие поколения людей. Насколько человек подвержен наследственности и воспитанию? Чья роль больше в жизни человека? Если генотип, это наши гены, то фенотип, это проявление работы этих генов. От гена к белку, и далее от белков к признакам. Признаки, это например цвет глаз, форма ушей, группа крови. Если ген работает, то производится белок, им кодируемый и в организме есть свойства, опосредованные его работой. Тогда мы говорим, что ген экспрессируется. Генов с постоянной экспрессией не много, но без них никак. Они основа. А есть гены, которые могут не работать всю жизнь. Они немые. Большинство же работают непостоянно, и для этого есть специальные механизмы. Если есть задание выключить ген, то к нему подсаживается метильная группа (CH3). Если есть необходимость снизить экспрессию, то для этого есть белки под общим названием гистоны. Есть ещё вариант влиять на матричную РНК, чтобы убрать транскрипцию. Все эти регулирующие влияния называются эпигенетикой. Таким образом, человек и окружающий мир могут влиять на спрятанную в нем наследственность. Однако, в крайних случаях, как например с серповидноклеточный анемией, никакой эпигенетикой дела не исправить. Ген все равно будет штамповать признак болезни - измененный гемоглобин, не способный к правильной оксигенации. Есть ли возможность влиять на свой генотип, если есть предрасположенность к полигенным заболеваниям? Это болезни, где нет одного ответственного гена. Вероятно это можно, хотя наука пока не дала четких ответов. Как пример легкой эпигенетической коррекцией считается употребление куркумина, брокколи, вина, винограда и зеленого чая. Они могут восстанавливать ДНК. Актуально вероятно только при онкологических болезнях и вообще для предотвращения вредных мутаций в клетках тела, но не в случае генов, передаваемых по наследству. А ещё среди факторов эпигенетики - сон и отдых, психологический фон, положительные эмоции, доброта и оптимизм. Влияние «плохих генов» снижается.

Мы получаем по две порции генов от наших родителей в одной паре хромосом. Какой ген начинает работать и влияют ли они друг на друга? Геномный импринтинг — эпигенетический процесс, при котором экспрессия определенных генов осуществляется в зависимости от того, от какого родителя поступили аллели. Импринтинг осуществляется посредством метилирования ДНК в промоторах, в результате чего транскрипция гена блокируется. Эпигенетика многообразна и вездесуща, но мы пока мало знаем о ней. Впереди будущее, когда мы начнем понимать, что вовсе не генетический код определяет наш фенотип, а еще много чего свыше него. ДНК действительно не приговор.

Мы знаем около 6000 генетических болезней. Это такие болезни, причина которых лежит в изменении генов, и которые могут быть переданы по наследству. Она бывают генные, хромосомные и митохондриальные. Среди генных есть моногенный и полигенные. К первым относят например фенилкетонурию, серповидноклеточную анемию и муковисцидоз. Вылечить их обычными средствами невозможно, только коррекцией проводимых нарушений. Ко вторым относят сахарный диабет, атеросклероз, рак. Само присутствие таких генов в сцепке ещё не значит развитие болезни. Но вероятность повышена.

В случае хромосомных болезней среди генетического материала появляется лишняя хромосома или исчезает из набора. Организм увы, только проигрывает от такого излишества или недостатка. Как пример - болезнь Дауна, Клайнфельтера и Тернера. Чаще наследственные болезни начинают проявляться с раннего возраста. Однако хорея Геттингтона только к 40 годам, и больной узнает о ней после рождения своих детей.

Генетика сейчас

Что же наше время? Чего мы достигли? Благодаря международному проекту «Геном человека» осуществлена расшифровка человеческого генома. Основные работы продолжались около 13 лет, и закончились в 2003 году. Расшифрованы нуклеотидные последовательности более 25 тысяч ( по другим данным 31000) функционирующих генов. Это действие ещё называется секвенирование генома. В развитых странах существуют фирмы, занимающиеся секвенирование. Число их растёт, как и число секвенированных геномов. Эти фирмы решают вопросы родства, вероятности наследственных болезней, выдают данные по количеству геной той или иной расы и нации. В США счёт секвенированных геномов идёт на миллионы. Россия значительно отстает в этом. А вещь это нужная. Большая база данных всегда лучше, чем малая для оценки ситуации при статистических оценках.

хромосомы - концентраторы
генетического материала

Секвенирование - это прочтение генома. Для чего это нужно? Здесь есть несколько целей.
1. выявление наследственных болезней и поиск дефектных генов.
2. выявление родства с другим человеком
3. выявление этнической принадлежности
4. выявление риска заболеть тем или иным заболеванием
5. скрининг патогенных мутаций при планировании семьи

Само секвенирование состоит из нескольких этапов. Сначала берется венозная кровь и из неё выделяется ДНК. Потом эта молекула нарезается на мелкие участки. Каждый размножается в амплификаторе, и лишь потом библиотека ДНК используется в секвенаторе. Длительность секвенирование зависит от длины необходимого для секвенирование участка. Полное секвенирование идёт несколько недель. Как важная научная деталь - у человека только 3% ДНК являются генами, а остальное генетический мусор. Половина ДНК представляет собой ретротранспозоны. Это участки ранее вирусных нуклеотидных последовательностей, которые теперь играют роль в изменчивости. Эти участки выходят из цепочки и вновь в нее попадают, но уже в другие места. В результате мы можем получать неработающие, или извращенно работающие гены. И две трети таких изменений в ДНК вредные. Но таково творчество самой природы возможно в поисках лучшего, основа для последующего естественного отбора.

Что мы говорим пациенту сейчас, если подозреваем, что болезнь передалась по наследству? Обычно мы в практике сталкиваемся с полигенными болезнями. Моногенными все же занимаются врачи-генетики. Полигенные болезни вообще составляют подавляющее большинство из наследственных. Сюда можно отнести диабет, ишемическую болезнь сердца, цирроз печени, шизофрению, астму и другие. Такие болезни чаще возникают в зрелом и пожилом возрасте, когда ослабляется иммунитет и кумулируются факторы внешней среды. А ответить правильно организму уже трудно. Мы часто указываем пациенту на роль неблагоприятной наследственности, но не разъясняем, что эти факторы можно отодвинуть своей жизнью. Наши пациенты больше верят в лекарства, нежели в здоровый образ жизни. Однако правильнее сбросить вес, закончить курить и злоупотреблять алкоголем, чем травить организм лекарствами и закрыться щитом генетической предопределенности. Взять хотя бы то, что мне ближе - варикозную болезнь. Наличие расширенных вен у родственников прослеживается часто. Однако пациенты нередко придумывают себе генетику, подставляя в варикозную болезнь все, что связано вообще с болезнями ног. Но кто может научить такому эссенциализму? Только мы, врачи. Мы часто вещаем такую внутреннюю определенность из-за нашей неспособности победить болезнь, и делаем так зря. Нельзя так расхолаживать людей и отваживать их от здорового образа жизни и веры в себя. Следует понимать, что по большей чести в таких болезнях человек сам хозяин своему здоровью. Работаешь поваром и имеешь варикозные вены и отеки - значит занимайся спортом, имей возможность отвлекаться на динамические нагрузки в перерывах, или в крайнем случае уходи из профессии.

Сегодня мы имеем генетически-модифицированные продукты питания. И это лишь условное понятие. Вся ранее проводимая человеком селекция уже представляет собой вмешательство в естественные процессы. Но сейчас мы можем редактировать гены. Это проще и быстрее, чтобы выводить новые породы животных и сорта растений. Гены универсальны, так что можно смешивать в одной клетке гены растений и животных. Клонированием животных уже никого не удивишь. На очереди клонирование людей. Но стоит ли овчинка выделки? Любой клон, как бы мы не верили в генетический эссенциализм, будет новым организмом, с идентичным набором генов. А уж внутреннее содержание будет иным, как бы не хотели желающие продлить свою жизнь в клонах. Даже у однояйцевых близнецов мы можем найти различия облика. Да и отпечатки пальцев, как и характер во власти уже эпигенетики.

Кроме того само понятие клона, то есть совершенно идентичного организма некорректно. Виною всему неизбежные мутации. Они происходят при каждом делении клеток. В среднем по три на каждый митоз в раннем эмбриональном развитии. Представьте различия двух соседних клеток, которые прошли десятки поколений от одной стволовой и оказались рядом будучи клетками одной ткани. Вероятность совпадения генома у них равна нулю. Каждая клетка таким образом всего лишь деталь мозаики. А можно сказать ещё нагляднее: в организме человека нет двух одинаковых генетически клеток. Каждая пусть мелочью, но отличается.

Мы уже умеем на ранней стадии беременности определять по крови матери пол ребенка, его группу крови и находить хромосомные болезни. Ещё совсем недавно это знание было сопряжено с инвазивным вмешательством в организм беременной. Тем не менее, этот метод при многоплодный беременности пока не работает, и амниоцентез все-таки приходится делать. Несмотря на запреты, мы все ближе к редактированию генома человека. Поиск методов лечения болезней подталкивает ученых использовать генную инженерию. Заманчиво лечение моногенных болезней. Современные технологии позволяют выделять оплодотворенную яйцеклетку и брать из нее генетический материал, разрезать молекулу ДНК и вносить изменения в последовательность нуклеотидов. А потом возвращать хромосомы на место и растить такую клетку дальше. Таким образом все выросшие из этой клетки потомки будут нести исправленный ген.

Теоретические основы для редактирования генома человека мы подсмотрели в мире бактерий и научились их использовать для разрезания и установки нужного нам гена. Технология называется CRISPR Cas9. Но это только начало. Исследования бактерий продолжаются и мы ждем новых открытий.

К сожалению мы еще многого не знаем, и велик риск сделать в этих мелочах что-то не так. Велик брак этой технологии, и только малый процент клеток выживает дальше. Но и это уже прорыв и задел на будущее. Есть возможности редактировать и часть клеток уже развившегося организма, то есть менять частично гены в одной культуре клеток. Это особенно актуально в случае болезней крови. Большая загадка - как имея один и тот же набор генов, одни клетки становятся эпителиальными, другие превращаются в соединительную ткань, а третьи преобразуются в нейроны. И все это тоже заложено в генах. К сожалению, процесс переноса информации от генов к признакам несовершенен и часто случаются ошибки, которые мы называем мутациями. Мутации могут приводить к нарушениям, при которых организм не выживает. В основном они отрицательные, но не все активно проявляются. С другой стороны, без них невозможна эволюция. Нашему развитию мы обязаны им.

Мне представляется возможным когда нибудь в далеком будущем такое редактирование генома, которое позволит убрать мусорные участки ДНК, оптимизировать генетический код по нашему желанию и добиться четкости в его исполнении и передаче потомкам. Нет изменчивости на стадии совершенства! Реально ли это? Технически да, когда нибудь. Но понятие совершенства очень уж относительно. Во всяком случае мы должны справиться с мутациями в ходе образования и передачи генетического материала нашим потомкам. Процесс этот должен быть предсказуем, как движение электронов в электрической цепи, или как исполнение программы компьютером. Те же цели можно поставить и в борьбе с мутациями соматических, уже развившихся клеток в борьбе с опухолями. Мутации это всегда ошибки в процессе исполнения. На практике же для решения этих вопросов мы должны учесть огромное количество входящих факторов. И тут нам в помощь нейронные сети и искусственный интеллект будущего. Моногенные болезни, при которых страдает функция одного гена, представляют сейчас наибольший интерес в деле геномного редактирования. Это следующие болезни: муковисцидоз, дистрофия Дюшена, гемофилия, серповидно-клеточная анемия, спинальная мышечная атрофия.

Генная инженерия уже сейчас активно включается в лечение муковисцидоза. Существующие препараты пока только могут при ежедневном применении улучшать свойства белка, регулирующего поступление электролитов через клеточные мембраны. Но недалеко то время, когда мы сможем лечить болезнь выпиванием “микстуры” с модификаторами нашей ДНК. Если говорить про спинальную мышечную атрофию, то уже сейчас есть препараты, корректирующие работу генов. Стоимость препаратов фантастическая, но результат пожизненный. Создание препарата “Золгенсма” навсегда корректирует неправильный ген и молекулу ДНК, приводя к синтезу правильного белка.

Евгеника

Стоит упомянуть евгенику - науку о селекции человека. Сейчас это слово уже утратило первоначальный смысл, тем более работы по ней в фашистской Германии сильно дискредитировали ее идеи. Но все же! Не вижу ничего плохого, если мы сможем на ранних стадиях исключать рождение нежизнеспособных эмбрионов, или со значительными генетическими аномалиями. Отрицательной евгеникой человечество уже сейчас начинает активно заниматься. Мы же не считаем нормой наследственные заболевания? Как например это произошло на Сардинии. Семейные пары призывали производить аборты, если при проведении пренатальной диагностики выяснялось, что плод гомозиготен по гену талассемии. Частоту этого заболевания практически свели на нет. И это настоящая евгеника.

Конечно вовсе не хотелось бы, чтобы общество будущего было похожим на придуманный мир Олдоса Хаксли, где все человеческое общество распланировано изначально жестким контролем и нет возможности выбраться из колеи жизни. Или вспоминаю фильм “Гаттака”, где естественно рожденные люди вынуждены быть изгоями на празднике жизни генетически модифицированных сородичей. Но все равно, элементы генетической регуляции в обществе будущего будут. Другое дело, как современный человек сумеет победить в себе массовое замутненное сознание, рожденное телевизором и другими средствами влияния на общество. Мы уже сейчас не готовы называть вещи своими именами, называя это толерантностью. И создается впечатление, что стараясь создавать что-то хорошее для всех, мы сами превращаем себя в альтернативно одаренных и мешаем сами себе в создании рационального мира. Ну в самом деле, почему нам приходится заботится о потомстве счастливой семьи, родители в которой оба с синдромом Дауна? Почему мы должны положительно относится к рождению ребенка в такой семье? Сейчас мы не готовы к этому ни материально ни социально. А в будущем и проблемы такой вероятно не будет.

ФИЛОСОФИЯ ЖИЗНИ

Рассматривая жизнь как философскую категорию, я бы назвал ее как случайно возникшую борьбу генов за выживание в меняющихся условиях окружающей среды. Энтропия неживой природы пытается уничтожить упорядоченность жизни. И наверное, когда у нас будут все возможные технологии генной инженерии, то мы будем создавать искусственно гены, способные на уровне изменения собственных правил побеждать среду обитания. Гены будут способны регулировать и подстраиваться под мир, позволяя выживать. Представлю такой пример. Человек подвергается радиации. В организме накапливаются продукты распада клеток и молекул. Генетический аппарат понимает нарушения и экспрессирует необходимые вещества для ликвидации последствий. Потом такие гены ликвидаторы ингибируются. Мечта? Еще какая. Но посмотрите на генетический код. Мне с трудом верится, что создала природа и случайно. Наш генетический код пока лишь прописи в тетради первоклассника. Впереди трудная учеба и работа над ошибками. Побеждает не тот, кто всегда следует правилам, а тот, кто в нужный момент откажется от правил и создаст свои. Мы только тогда будем хозяевами самим себе, когда научимся менять гены по своему усмотрению.