Мы не можем изменить генетику, но можем изменить условия, влияющие на генетику. Для того существует множество способов воздействия на организм и его функции как снаружи, так и изнутри. Возможно, уже существуют все необходимые медикаменты для профилактики и лечения всех заболеваний, но мы не знаем, как именно их нужно использовать, чтобы получить необходимые изменения. Накопление этой информации потребует усилий не только от ученых, но и от простых людей вроде вас или меня, когда мы возьмем на себя обязанность по сохранению собственного здоровья.
Глава 5. Слабость ДНК и сила протеинов
Если я спрошу, насколько отличается число генов человека от числа генов дрозофилы, то вы предположите, что намного. Человек, как минимум, физически больше и гораздо сложнее устроен (не может летать, но может решать интеллектуальные задачи). Но странно: количество генов в человеческом геноме не особенно отличается от гораздо более простых организмов, таких как нематода или дрозофила. Мы обходимся таким незначительным количеством генов за счет разницы в использовании. Человеческие клетки на основе одного гена могут синтезировать несколько разных белков, а человеческий протеом (набор белков, которые могут быть синтезированы в человеческом теле) гораздо больше, чем у более простых существ – наших соседей по планете. По современным оценкам, число различных белков в человеческом теле приближается к 1 миллиону. Важно, что состояние организма скорее зависит не от ДНК, а от белков и условий, в которых они созданы. Позвольте объяснить.
Помните, что ДНК скорее указывает на возможности, чем диктует судьбу? Но многие все еще думают, что геном – это «чертеж» организма, инструкции, которым организм следует, чтобы построить вас, да, именно вас, и которые гласят, получите ли вы инфаркт в 42 или доживете до 92-х (когда сердце откажет само), выкуривая по пачке в день. К сожалению, аналогия с чертежом неверна. На чертеже обычно видно, что с чем состыковано и как взаимодействует. Геном содержит цифровые данные, но сложность в том, что мы, люди, – существа аналоговые, а не цифровые. Состояние нашего организма описывается непрерывными значениями параметров. И даже если известно, что в вашем геноме в конкретном месте содержится последовательность «АТЦД», то определение значения этого факта в динамике и того, как эта последовательность кодирует белки, выполняющие определенные функции, – аналоговая задача. Мы с Дэнни Хиллисом, совместно попытавшись понять болезнь с совсем другой точки зрения, не связанной исключительно с ДНК, отнеслись к этому серьезно.
Впервые мы с Хиллисом встретились в мае 2003 года. Бывший вице-президент Альберт Гор представил нас в рамках своего визита в лабораторию в «Седарс-Синай». Гор, стремящийся провести реформу здравоохранения, после президентских выборов начал кампанию под названием «Bluesky to Blueprint». Продемонстрировав Гору лабораторию, я объяснил, что для того, чтобы понять, чему мы противостоим в области онкологии, необходимо нечто большее, чем данные геномики и воображение. Другими словами, изучения последовательностей ДНК, рентгеновских снимков, МРТ и тому подобного недостаточно. Эти источники дают ценную информацию, но им не хватает объемности и динамизма. Кроме того, необходимо понимание воздействия болезни – требуется способ взять анализ и определить белки крови, связанные с заболеванием. Более того, необходимо взять такую же пробу крови и узнать по ней «состояние организма», включая индивидуальные особенности метаболизма, и является ли человек носителем тех или иных заболеваний.
Можно подумать, что такая медицинская технология, такой «здоровьемер» уже создан, но это не так. Как уже говорилось, можно измерить в крови конкретные переменные, такие как содержание натрия, количество эритроцитов, холестерина и так далее, можно провести тесты на определение признаков инфекции или болезни, а также секвенировать ДНК. Но ни один тест не покажет действительное «состояние». Конечно, эти данные становятся основой выводов о состоянии здоровья, но ни один из них не является единственно необходимым для определения «здоровья» вообще.
Я знал, что заинтересовал Гора своим энтузиазмом, но знал также, что сам себя загнал в угол. Гор понял, что я по уши закопался в данных и не могу их интерпретировать, и сказал прямо: «Вам нужен инженер. Стоит встретиться с тем парнем из Диснея».
Встречаться с Денни Хиллисом, человеком, чье имя в начале 2003 года было постоянно на слуху, не хотелось. Тогда я еще не был уверен, что он сможет мне помочь, так как не сомневался, что мне не нужен инженер, о котором говорят «фантастический», «творческий» и «мыслящий». Хиллис, выходец из мира IT: покинул «Walt Disney Imagineering» и запустил собственный стартап в Сан-Фернандо Вэлли в Глендейле. Не верилось, что бывший диснеевец, стоявший у истоков развития так называемых параллельных суперкомпьютеров, мог предложить что-нибудь для биомедицины. Я позже узнал, что Хиллису тоже не очень хотелось работать со мной, «еще одним доктором».
Когда я встретился с Хиллисом лично, то сдался и потом ни разу об этом не пожалел. Слова «фантастический», «творческий» и «мыслящий» не описывают его полностью. Мы сразу начали совместную работу; на каждую айтишную подачу был биомедицинский ответ, который обещал возможность изменения подхода к изучению организма и сбору данных. Мы стали применять к исследованию белков инженерные принципы. Работа начала приносить плоды, и появились компания «Прикладная протеомика» и крупный совместный проект, финансируемый Национальным институтом рака.
За прошедшие годы я многому научился у Хиллиса. Теперь мы смеемся, вспоминая первую встречу. Денни обладает уникальным навыком разбиения сложных понятий на простые, что не только помогает объяснять их обычным людям, но и позволяет рассмотреть понятие с новой стороны. Как описывает Хиллис, ДНК – это скорее список частей, а не подробный чертеж. С этой точки зрения ДНК больше похоже на состав блюда в ресторане. Действительно, проделаем то же, что и Денни, и это поможет понять, о чем это я. Подумайте о своем любимом ресторане. Теперь представьте, что хотите выяснить степень здоровья этого ресторана. Если получить перечень всех продуктов на кухне, то можно сделать определенные выводы. Скорее всего список позволит отличить китайский ресторан от французского. Но отличить прекрасный ресторан от плохого, больной от здорового, невозможно. Человеческий геном устроен очень похоже. По его составу видны отличия европейца от азиата, но, скорее всего, мало что можно сказать о здоровье человека. Нельзя сказать ничего о его личности, уме, социальных особенностях и привычках, предпочитает он шоколад или ваниль… Еще информация к размышлению: если у больного такое же ДНК, как у здорового. Ну и что это говорит о дефектах в геноме?
Вернемся на минуту к аналогии с рестораном. Если во французском ресторане используют маргарин вместо масла, то это проблема («дефект»), и если в блюда кладут много соли, то можно предположить, что повара пересаливают пищу (еще один «дефект»). Но чтобы узнать, как все обстоит в действительности, нужно снять пробу. Состава блюд недостаточно. Качество еды во многом зависит от того, как сочетают и обрабатывают продукты в процессе готовки. Такая же «готовка» – это то, как организм человека использует ДНК для создания белков.
Закон наследственности, или Что открыл Дарвин
Генетика уже попадала в центр внимания, что легко объяснимо. Все-таки открытие ДНК – это величайший триумф теории в биологии. Возможно, это одна из величайших историй успеха, так как не подтвержденная фактами теория впоследствии получила подтверждения правильности на практике, что в биологии встречается крайне редко. С другой стороны, для физики именно такая последовательность событий привычна. Например, до того как было доказано существование «черных дыр», появилась теоретическая модель – уравнение, показавшее, что «черные дыры» существуют. И «черные дыры» однажды «открыли». Как говорилось во введении, Мюррей Гелл-Манн впервые предсказал существование кварков на модели, основанной на вычислениях, а не на наблюдениях.
Такие открытия (когда абстрактная теория получает фактическое подтверждение, и теорию можно проверить) в биологии почти не встречаются. Эта наука полна догм, базирующихся на наблюдениях, а не на постулатах. Но есть одно недавнее исключение: область ДНК и генома. Гены теоретически предсказал аббат Грегор Иоганн Мендел в XIX веке, посмертно признанный «отцом генетики». Мендель, австрийский монах-августинианец и страстный садовник, разводил горох в садах аббатства св. Томаса и обратил внимание на эффекты от скрещивания различных вариантов этого растения. Обычно «отца генетики» описывают как милого пожилого человека, который, будучи заядлым садовником, каким-то образом наткнулся на важные законы науки. Во многих аспектах Мендель опережал время, действуя как биолог XXI века, по ошибке оказавшийся не в своем времени.
