ДНК. История генетической революции

Поскольку большинство основных фактов о работе ДНК были выяснены на материале бактерии E. coli, то можно утверждать, что она обладает беспрецедентным послужным списком в качестве подопытного микроорганизма. Неудивительно, что секвенирование именно генома E. coli было одной из приоритетных задач на ранних этапах проекта «Геном человека». Активнее всех рвался приступить к этой работе Фред Блатнер из Висконсинского университета. Однако выиграть грант ему не удавалось до тех пор, пока не началось реальное финансирование проекта «Геном человека», и тогда ему, заметьте, одному из первых, одобрили грантовую поддержку на проведение секвенирования. Если бы на начальном этапе Блатнер не противился автоматическому секвенированию, то именно в его лаборатории впервые был бы полностью отсеквенирован бактериальный геном. В 1991 году он всеми возможными способами пытался увеличить скорость проведения исследования – увы, он делал это по старинке, за счет подключения к работе большого числа старшекурсников. С автоматизацией опоздал и Уолли Гилберт, которого я за два года до этого уговаривал заняться секвенированием мельчайшего из известных бактериальных геномов – генома внутриклеточного микроорганизма микоплазмы. К сожалению, стратегия секвенирования вручную не получила широкого распространения среди исследователей, и изучение генома Mycoplasma на тот момент времени «приказало долго жить». Однако Блатнер все-таки вовремя одумался и стал активно использовать методы автоматического секвенирования. Результатом его работы стало определение в 1997 году генома E. coli. Было показано, что геном этой бактерии содержит около 4000 генов.

Вот как выглядит фрагмент нашего генома: основные элементы небольшой человеческой хромосомы № 20

Двумя годами ранее состоялось крупномасштабное состязание за расшифровку первого бактериального генома; победу в Institute for Genomic Research праздновала команда, во главе которой стояли Хамилтон Смит, Крейг Вентер и его супруга Клэр Фрейзер. Они отсеквенировали геном бактерии Haemophilus influenzae, той самой, с которой еще двадцать лет назад работал Смит и, соответственно, мог предоставить для этой работы высококачественные библиотеки клонированной ДНК. Мы ведь все помним Смита, этого высоченного шестифутового математика, переметнувшегося в медицинский вуз. Из Haemophilus influenzae он впервые извлек ферменты-рестриктазы, нужные для нарезки ДНК; за это достижение в 1978 году он был удостоен Нобелевской премии по физиологии и медицине. Вентер и Фрейзер работали с ДНК Haemophilus, подготовленной Смитом, используя полногеномный метод дробовика, а именно фрагментации генома на тысячи осколков ДНК, а затем, после обнаружения конкретных перекрывающихся последовательностей, они проводили реконструирование генома по последовательности отдельных фрагментов. Поскольку Вентер давно искал подходящий геном, чтобы попробовать метод дробовика для секвенирования целого генома, то он очень гордился возможностями, которые открывал метод секвенирования H. influenzae. Был еще интересный момент: у H. influenzae был сходный состав по соотношению оснований Г/Ц с ДНК человека. Наконец у Вентера появлялась реальная возможность секвенировать геном свободноживущего организма. Им предстояло отсеквенировать 1,8 миллиона пар оснований. Уже на этапе документирования первых результатов расшифровки генома команда Вентера стала понимать, за какую адову работу они взялись и что им предстоит при секвенировании более крупных геномов. Если напечатать все А, Г, Ц и Т из генома Haemophilus на бумаге формата этой книги, то получится 4000-страничный том. Для каждого из 1727 генов Haemophilus потребовалось бы в среднем по две страницы. Что касается функций этих генов, их удалось однозначно определить лишь для 55 % генома. Например, в процессах энергообеспечения участвуют 112 генов, а на репликацию, починку и рекомбинацию ДНК их требуется минимум 87. Анализируя последовательности, можно предположить, что оставшиеся 45 % генов также функциональны, хотя их функционал не вполне понятен.

По бактериальным меркам геном Haemophilus довольно мал. Мы уже знаем, что размер бактериального генома коррелирует с тем, в насколько разнообразных экосистемах может очутиться тот или иной штамм. Haemophilus относится к тем бактериям, местообитанием которых является единственная и, главное, однородная среда – скажем, кишечник другого живого существа – они вполне обходятся относительно небольшим геномом. Но бактерия, желающая пообщаться с внешним миром, должна быть приспособлена к более разнообразным условиям и уметь на них реагировать. Гибкость таких реакций обычно зависит от того, располагает ли бактерия альтернативными наборами генов; каждый набор заточен под конкретные условия и оперативно включается, как только они наступят.