Ген. Очень личная история - Сиддхартха Мукерджи

меньшие фрагменты, будто детали мозаики, а затем воссоздают ее из минимальных составляющих. Но если разбить на кусочки ДНК, то получится месиво из четырех нуклеотидов – А, Ц, Г и Т. Невозможно прочитать книгу, раздробив все слова на отдельные буквы. То же и с ДНК: именно последовательность несет смысл. ДНК, разобранная на составляющие, превращается в первичный четырехбуквенный бульон.

Как химик может установить нуклеотидную последовательность гена? На краю кембриджского болота, в полуподвальной лаборатории, напоминающей сарай, биохимик Фредерик Сэнгер с 1960-х бился над секвенированием ДНК. Он был одержим химической структурой сложных биомолекул. В начале 1950-х Сэнгер расшифровал[629] аминокислотную последовательность белка инсулина, применив одну из разновидностей традиционного метода измельчения. Впервые чистый инсулин получили в 1921 году в Торонто: хирург и физиолог Фредерик Бантинг вместе со своим студентом[630] Чарльзом Бестом выделил его из размолотых собачьих поджелудочных желез[631]. В чемпионате по получению очищенных белков это был суперприз: гормон, введенный детям-диабетикам, быстро купировал их изнуряющее, смертоносное отравление глюкозой. К концу 1920-х фармацевтическая компания Eli Lilly могла производить лишь единичные граммы инсулина из огромного чана разжиженных коровьих и свиных поджелудочных.

Тем не менее инсулин продолжал стойко сопротивляться попыткам его молекулярной характеристики. Сэнгер подошел к задаче с профессиональной методологической неумолимостью – как всякий химик, он знал: решение – в разрушении. Всегда. Любой белок состоит из аминокислот, выстроенных в цепочки: метионин-гистидин-аргинин-лизин, или глицин-гистидин-аргинин-лизин, или еще что-то подобное. Сэнгер понял, что для определения последовательности белка ему понадобится провести серию реакций деградации. Он отщепит одну аминокислоту от конца цепочки, поместит ее в растворитель и, охарактеризовав химически, поймет: это метионин. Затем он повторит процесс со следующей аминокислотой. Разрушение и идентификация снова и снова: гистидин… щелк… аргинин… щелк… лизин… щелк, – пока Сэнгер не переберет весь белок. Он обратит клеточный процесс построения белка, как если бы постепенно разбирал ожерелье. Звено за звеном, и расчленение инсулина обнажит его структуру. В 1958 году за это открытие, значение которого невозможно переоценить, Сэнгер получит Нобелевскую премию[632].

С 1955 по 1962 год Сэнгер определил первичные последовательности еще нескольких важных белков, пользуясь разными вариантами того же подхода, но вот проблемы секвенирования ДНК он особо не касался. Это были, как он писал, его «семь тощих лет»[633], прожитых в тени собственной славы. Публиковался Сэнгер редко. Его невероятно детальные работы были посвящены секвенированию белков и оценивались коллегами как ведущие в области, но сам он не считал это значимым достижением. Летом 1962-го Сэнгер перебрался[634] в другую кембриджскую лабораторию, в здание Совета по медицинским исследованиям, где его окружили новые соседи, в том числе Крик, Перуц и Бреннер – известные адепты культа ДНК.

Смена лаборатории повлекла за собой благодатную смену научных интересов. Одни ученые, как Крик и Уилкинс, питали страсть к ДНК с самого начала. Другие – Уотсон, Франклин, Бреннер – подхватили ее со временем. Фредерику Сэнгеру ДНК навязали.

В середине 1960-х Сэнгер переключился с белков на нуклеиновые кислоты и начал серьезно обдумывать секвенирование ДНК. Но подход, великолепно показавший себя в работе с инсулином, – щепить и растворять, щепить и растворять – для ДНК не подходил. Химическая структура белков такова, что аминокислоты можно последовательно отрывать от цепочки, для ДНК же подобного инструмента не существовало. Сэнгер пробовал как-то приспособить свою технологию деградации, но эксперименты всегда выливались в химический хаос. Нарезанная и растворенная ДНК несла уже не генетическую информацию, а сплошную белиберду.

Озарение пришло к Сэнгеру внезапно, зимой 1971 года, в форме методологической инверсии. Он десятки лет учился разбирать молекулы на части, чтобы понять их структуру. Но что, если он перевернет свою стратегию и попробует не разрушать ДНК, а строить ее? Чтобы понять ген, рассудил Сэнгер, вы должны думать как ген. Клетки строят гены постоянно: всякий раз перед своим делением они создают копию каждого гена. Если бы биохимик мог оседлать ДНК-полимеразу, когда та создает копию гена, и документировать один за другим все добавляемые нуклеотиды – А, Ц, Т, Г, Ц, Ц, Ц и так далее, – то он узнал бы структуру гена. Это напоминало бы подсматривание за копировальной машиной: по копии можно было бы реконструировать изначальный объект. Зеркальное отражение всегда проливает свет на оригинал, и Дориан Грей воссоздается, фрагмент за фрагментом, по своему портрету.

В 1971-м Сэнгер начал разрабатывать технологию секвенирования генов на основе копирующей реакции ДНК-полимеразы. (В Гарварде Уолтер Гилберт и Аллан Максам тоже создавали систему чтения ДНК, но с другими реактивами. Их способ работал, но его быстро вытеснил метод Сэнгера.) На первых порах метод Сэнгера был малоэффективным и часто не срабатывал по необъяснимым причинам. Одна из причин проблемы заключалась в слишком высокой скорости реакции копирования: полимераза мчалась вдоль участка ДНК, добавляя нуклеотиды в таком умопомрачительном темпе, что Сэнгер не успевал делать промежуточные шаги. В 1977-м ученый внес остроумное изменение: он застопоривал реакцию с помощью добавки химически модифицированных нуклеотидов. Они мало отличались от А, Ц, Г и Т, так что полимераза их еще узнавала и встраивала, но продолжать копирование после них уже не могла. Сэнгер составлял карту гена, ориентируясь на точки застревания полимеразы – тут А, там Т, здесь Г, и так далее – все тысячи нуклеотидов ДНК[635].

24 февраля 1977 года в журнале Nature вышла статья[636] Сэнгера о том, как он с помощью своей технологии целиком определил последовательность одноцепочечной ДНК вируса ΦX174. Это был крошечный бактериальный вирус длиной всего 5386 нуклеотидов – весь его геном размером уступал некоторым из самых коротких генов человека, – но та публикация знаменовала поистине переломный научный прорыв. «В последовательности выявляются характерные участки[637], отвечающие за производство белков девяти известных генов организма», – писал Сэнгер. Он научился читать язык генов.

Новые генетические методики – секвенирование и молекулярное клонирование – незамедлительно пролили свет на ранее неизвестные характеристики генов и генома. Первое и самое удивительное открытие касалось уникальной особенности генов животных и вирусов животных. В 1977 году ученые Ричард Робертс и Филлип Шарп[638] независимо друг от друга обнаружили, что животные белки чаще всего кодируются не длинными непрерывными последовательностями ДНК, а совокупностью отдельных модулей. У бактерий каждый ген – это единый, цельный участок ДНК, который начинается со старт-кодона (АТГ) и не прерывается до финального сигнала «стоп». Бактериальные гены не состоят из модулей, разделенных промежутками. А у животных и их вирусов, как показали Робертс и Шарп, гены обычно