Генетика человека: состояние и перспективы

Виталий Кушниров

Начнем с простых истин. В природе существование биологических видов сопровождается естественным отбором, то есть гибелью генетически не вполне совершенных индивидуумов. Это позволяет видам совершенствоваться и эволюционировать. Заметим, что без отбора не было бы не только совершенствования, но и самой жизни, ни в каких ее формах. И для того, чтобы мы, такие красивые и умные, могли сидеть сейчас перед компьютером, размышляя о всякой всячине, погибли миллиарды, нет, мириады ближайших родственников наших предков.

Но отбор необходим и просто для поддержания имеющегося уровня генетических качеств. Неточное копирование генетической информации является фундаментальным законом природы, а большинство изменений, возникающих при копировании, неблагоприятны. Отсеять их можно только отбором.

Человек, несомненно, оказался весьма удачным творением природы, намного превзошедшим прочих обитателей биосферы по своим возможностям. Это позволило ему отменить естественный отбор, вследствие чего генетическая эволюция человека практически прекратилась. Развитие человека сосредоточилось в иных областях, в культуре и технологиях. Но генетическая основа человека в отсутствие отбора деградирует, и можно спорить лишь о том, насколько быстро это происходит и как скоро ее качество станет неприемлемо низким. Процесс уже зашел довольно далеко. К настоящему времени большинство людей имеет большие или малые, скрытые или явные генетические дефекты. Полностью здоровых людей очень мало. Например, как говорит статистика, их мало среди армейских призывников, то есть юношей в возрасте их физического расцвета.

Заметим, что часто отбор не просто отсутствует, а он негативен, то есть лучшие люди погибают первыми. В средневековой Европе красивых женщин считали ведьмами и жгли на костре. А ведь красота – не абстрактная эстетическая категория. То, что мы воспринимаем, как красоту, есть набор признаков, говорящих о физическом (и генетическом) благополучии организма. В нашей стране в сталинское время отправляли в лагеря – и на смерть – тех, кто был умен, активен, смог чего-либо добиться. Кулаков, интеллигенцию, военачальников. В наше время наблюдается отрицательная корреляция между умом и плодовитостью: более способные делают карьеру и реже заводят детей. И таких примеров множество.

Надо сказать, что природа все же оставила нам некоторые механизмы генетического очищения. Мутации, нарушающие жизненно важные функции клеточного уровня, отсекаются на стадии половых клеток, которые имеют единичный генетический набор, и потому плохой ген не может быть  компенсирован его хорошей копией. Многие мутации, нарушающие работу организма (а не отдельных клеток), отсекаются на эмбриональной стадии, когда младенец не может зачаться или дотянуть до рождения. Но это происходит лишь в крайних случаях – когда сумма генетических ошибок становится несовместимой с жизнью. Человек стал активно вмешиваться в отбор на этих этапах, и это не очень хорошо. Идет борьба за снижение младенческой смертности, и этот показатель давно уже стал критерием оценки качества работы здравоохранения. Развиваются технологии искусственного зачатия для тех, у кого оно не происходит естественным путем. Отношение к этим процедурам, по крайней мере, не должно быть однозначно позитивным. Следует понимать, что таким образом рождаются генетически более слабые дети. При этом почти никто не задумывается, что мы оказываем нашим потомкам медвежью услугу, передавая им нарастающий груз генетических дефектов.

Генетические перспективы человека

Таким образом, очевидно, что генофонд человечества заметно ослаблен и продолжает деградировать. Поскольку вредные мутации возникают в сотни раз чаще, чем полезные, деградация должна идти намного быстрее эволюционного совершенствования. То, что шлифовалось миллион лет, можно растратить за несколько тысяч, или еще быстрее.

Где же выход? Опишу два. То, что можно сделать на нынешнем уровне медицины, и что – в близком будущем.

Решения, доступные сейчас. Родители с ослабленной генетикой, с серьезными наследуемыми заболеваниями должны отказаться от рождения собственных детей. Если болен отец – пусть его дело сделает проверенный здоровый донор. Если мать – процедура сложнее – искусственное оплодотворение с донорской яйцеклеткой.

В общем, рецепты просты, но ими мало кто пользуется. Вероятно, потому, что в обществе отсутствует понимание важности вопроса и доминируют стереотипы значимости генетического родства. Большинство родителей считают, что лучше плохое, но свое. Некоторые другие проблемы на этом пути, опять же, связаны со стереотипами. Например, донор, мать или отец, могут начать претендовать на своего биологического потомка. А ведь их вклад – всего лишь половая клетка, которая при ином раскладе была бы не востребована и погибла. (Напомню, в человеке триллионы клеток). В целом же, пока еще даже рано говорить о возможных проблемах – было бы хорошо, если бы общество хотя бы задумалось и осознало необходимость каких-то действий по улучшению генетики.

Будущее. А вот в будущем, причем довольно близком, нас ожидают весьма интересные возможности. (Во многом ради них и была написана статья). Я бы сказал – произойдет две революции. Первая – мы прочтем всё, что записано в наших хромосомах, и научимся это понимать. Вторая – воспользуемся этим, чтобы исправить все найденные ошибки.

Первая из революций достаточно уверенно просматривается, как следствие развития технологий чтения хромосомной ДНК (секвенирования). Развития, которое вполне можно назвать революционным по его скорости, по новизне и изяществу возникающих технических решений.

Чтобы не перегружать текст, я выделил описание развития методов секвенирования в отдельную статью. Возможно, не все осилят технические детали, а для кого-то, наоборот, эти детали уже известны. Но прочесть рекомендую, потому что это один из достойнейших эпизодов в творческой истории человечества, настоящий фейерверк изобретений.

Вкратце, та статья о следующем. До недавнего времени технологии секвенирования были относительно малопроизводительны, и более подходили для анализа отдельных генов, чем геномов. (Один ген содержит 1 – 5 тыс. нуклеотидов, геном человека, все содержимое его двойного набора хромосом – 2 х 3 миллиарда нукл.) Но в последнее десятилетие наметился радикальный прогресс. Были разработаны методы и приборы, позволяющие готовить одновременно и «в одной пробирке» миллионы образцов ДНК, а затем одновременно же их анализировать. Каждый такой образец – это локализованная колония одинаковых молекул ДНК. Нуклеотидные последовательности в этих приборах считываются с помощью фотокамеры, в виде миллионов флуоресцентных или люминесцентных мерцающих световых точек – сигналов, поступающих от колоний. Все это позволило повысить скорость секвенирования в тысячи, а то и в миллионы раз, и определять миллиарды нуклеотидов в день. И уже появляются приборы следующего поколения, способные читать единичные молекулы ДНК. Стоимость геномного секвенирования падает фантастически быстро, почти троекратно каждый год. Это позволяет рассчитывать, что в недалеком будущем, лет через 10, каждый сможет прочесть свой геном за вполне скромные деньги, за 1000 долларов или еще дешевле.

Осмысление генома

В результате такого развития секвенирования лет примерно через 20, или еще быстрее, будут определены миллионы человеческих геномов. Это позволит, посредством статистического анализа, определить, какие варианты генов (или их сочетания) отвечают за те или иные наши особенности, недостатки и склонность к разным болезням. Как говорят генетики, установить соответствие между генотипом и фенотипом (набором наблюдаемых признаков).

Геном человека содержит от 20 до 25 тысяч генов, кодирующих белки или функциональные РНК. У разных людей каждый ген может иметь десятки вариантов, называемых аллелями. Большинство из них вполне хороши, но некоторые, и таких тоже немало, содержат мутации, ухудшающие работу генного продукта, белка или РНК. Вариантные отличия могут относиться как к кодирующей области гена, так и к регуляторной промоторной области, определяющей, когда, где и в каком количестве должен синтезироваться продукт данного гена. Например, несвоевременное включение генов, определяющих развитие организма, может приводить к дефектам его строения, т.е. уродствам.

Несмотря на то, что молекулярные функции большей части генов известны, оценить «качество» гена теоретически, т.е. исходя из его последовательности, можно лишь приблизительно и в самых простых случаях, когда имеется явный дефект какой-либо функции организма, и виден дефект соответствующего гена. Трудность предсказаний связана, в частности, с тем, что многие гены определяют (или влияют на) более чем одну функцию, а многие признаки определяются более чем одним геном.

Поэтому эффективной альтернативой представляется эмпирический подход: статистика. Сопоставление большого количества геномов и соответствующих им фенотипических характеристик позволит достоверно определить, какие аллели являются «плохими», и какие недостатки определяют. Это знание позволит интерпретировать индивидуальные геномы, определять, какие плохие аллели (или их комбинации) есть у каждого в геноме. Это могут быть гены, определяющие склонность к болезням, тяжелым, как рак или диабет, или более легким. Можно ожидать и еще много интересного. Например, какие гены определяют агрессивность или мягкость характера, эгоизм и альтруизм, склонность к пьянству и многое другое.

Отмечу два технических обстоятельства. Первое, что наличие у нас двойного генетического набора позволяет замаскировать большинство бракованных аллелей, но эти аллели могут проявиться в следующих поколениях. Второе, что большая часть человеческого генома (до 98%) ничего не кодирует, и, вероятно, не играет какой-либо роли. Сравнение геномов поможет прояснить этот вопрос, и, если роли нет, задача сравнения станет менее объемной.

Персональная медицина и другие последствия

Первое из существенных применений знания индивидуального генома – персональная медицина. Зная индивидуальные генетические слабости, будет возможно отодвигать появление наследственных болезней, или даже предотвращать их. Если предполагается высокая вероятность возникновения, например, диабета или болезни Альцгеймера, вам пропишут определенные лекарства и диету, при которых эта болезнь разовьется гораздо позже или не возникнет вовсе. Другие лекарства тоже будут назначать с учетом ваших генных особенностей и предрасположенностей. Знание генетических наклонностей поможет воспитывать детей и выбирать им профессию.

Кстати, многие дефектные варианты генов уже известны, а их выявление, производимое более простым способом, уже доступно и стоит недорого. В этом методе вариантные особенности генов (одно-нуклеотидные замены, SNP) выявляют посредством гибридизации ДНК человека со специально подобранными ДНК-праймерами. Такие праймеры, в количестве до миллиона наименований, закреплены на ДНК-чипе. Сигнал усиливают при помощи полимеразной цепной реакции (ПЦР) с флуоресцентными праймерами, происходящей прямо на чипе, и затем фиксируют фотокамерой. Один из пионеров направления, компания 23andMe (Вики), берет за такой анализ от 200 до 400 долларов. При этом выявляется предрасположенность к 100 тяжелым наследственным заболеваниям, таким, как Альцгеймер или диабет. В качестве бесплатного приложения – выявление родства, даже дальнего. Для тестирования не надо сдавать кровь, достаточно плюнуть в специальную пробирку. В 2008 году журнал Time назвал сервис ДНК-тестирования 23andMe «изобретением года». Компания полагает, что в перспективе она будет выполнять такой анализ на основе геномного секвенирования. Любопытно, что возглавляет компанию жена основателя Google Сергея Брина. (Он – король двоичного кода, она – четверичного).

Вероятно, поначалу наличие генетической информации может вызывать различные моральные проблемы в обществе, если она станет публичной. И это естественно – ведь по сути это более интимная информация, чем, скажем, фотография «ню». Знание ваших генетических недостатков, генетической склонности к болезням, к агрессии или эгоизму может затруднить устройство на работу или получение страховки. Обладателей геномов с асоциальными наклонностями, возможно, станут избегать. А может, наоборот, наличие генов агрессии станет смягчающим обстоятельством в суде? По логике нынешнего судопроизводства это вполне возможно. Окажется, что Чикатило не виноват, просто у него гены такие. Но я все же думаю, что все подобные проблемы решаемы.

Кстати, деятельность 23andMe разрешена законом лишь в половине штатов США, поскольку компания отправляет результаты тестирования пациенту, а не доктору, как принято.

Рафинирование генома

И вот мы знаем, какие из наших генов плохи. Что делать дальше? Здесь возможны решения различного уровня сложности. Самое простое – проверять геном человеческих эмбрионов на ранних стадиях развития, и прерывать беременность в случае плохого прогноза (но какой прогноз считать достаточно плохим?). Морально более приемлемым способом было бы проведение всех манипуляций до внедрения эмбриона в матку. Такой подход во многом напоминал бы современную технологию экстракорпорального оплодотворения (ЭКО). Описанные методы способны предотвратить самое тяжелое – рождение детей с явными физическими недостатками. И это уже большое достижение.

Но предположим, мы хотим избавиться от плохих генов – раз и навсегда. Чтобы наши потомки были здоровыми, красивыми и умными. Удивительно, но не все признают важность этой задачи. Мне приходилось встречать и такие мнения: Если мелкий дефект – не беда. Уже придумали или придумают от этого какую-нибудь таблетку. Даже если более серьезные дефекты – не проблема. Многие гении родились с дефектами. Эйнштейн и Ньютон были аутистами, Гете родился недоношенным и больным. А Стивен Хокинг и вовсе большинство своих трудов написал в инвалидной коляске. Так что пусть все будет, как есть.

Максим Каммерер - человек будущего. Улучшенная генетика налицо. (Обитаемый остров, братья Стругацкие, фильм - Ф. Бондарчук)

По-моему, это благодушие и благоглупость. Мне ближе позиция неполиткорректного Джеймса Уотсона: «Некоторые говорят, что если мы сделаем всех девушек красавицами, это будет ужасно. Я думаю, это было бы великолепно». Полагаю, что улучшение генетики человека – цель исключительно важная и благородная. В результате, мы будем редко бывать у доктора и долго жить, у нас всегда будет хорошее самочувствие, настроение и высокая работоспособность. Мне кажется даже, что генетическая предпосылка таланта, вплоть до гениальности, проста: отсутствие генетических отягощений, особенно связанных с работой мозга. Чтобы мысли летали, а не ползали. Остальное – детали воспитания и образования.

Помимо улучшения здоровья, есть и другая важная сторона. Скорее всего, через гены можно будет определять и характер будущего человека. Будет ли он добрым или агрессивным, эгоистом или альтруистом. Из добрых альтруистов можно создать идеальное общество, в котором будет мало внутренних противоречий и борьбы, которое будет справедливо, эффективно и комфортно для жизни. То есть, можно создать не только здорового человека, но и здоровое общество.

Чтобы этого добиться, необходимо заменить некачественные гены на их хорошие варианты. А плохих генов у каждого найдутся десятки, если не сотни (в зависимости от строгости подхода). Изменение генов у человека возможно уже сейчас, но технология весьма далека от совершенства и для нашей задачи потребуются ее принципиальные улучшения.

Во-первых, есть проблемы с адресностью доставки. Сейчас в большинстве случаев просто забрасывают в клетку хороший ген, безадресно. А нам надо попасть в нужное место хромосомы и заместить там «плохой» ген. Порядок генов в хромосоме должен быть сохранен, поскольку иначе гены будут теряться в следующих поколениях в результате кроссинговера (+англ.). (Это процесс, предшествующий образованию половых клеток, при котором родительские хромосомы обмениваются гомологичными участками, т.е. одинаково расположенными и несущими сходные гены. Так природа тасует генетические «карты» перед каждой «игрой» – новой жизнью.)

Направить ген в нужное место хромосомы принципиально возможно. Например, для клеток простейших эукариот, дрожжей, такая задача давно решена, и сейчас с ней справится любой студент. При этом большую часть  работы выполняет дрожжевая система рекомбинации ДНК. На практике, вы вводите в клетку фрагмент ДНК, концевые участки которой идентичны какому-то месту на хромосоме, а середина может отличаться. ДНК сама находит комплементарное место на хромосоме, а клеточные механизмы вставляют ее вместо похожей старой. Но в клетках человека такой механизм работает плохо, ДНК попадает преимущественно в случайные места. В частности, потому, что его геном в 500 раз больше. Чтобы обеспечить адресность такого механизма в клетках животных, ему в помощь используют специально разработанные ферменты, нуклеазы, способные распознать любую произвольно заданную последовательность ДНК (1, 2).

В целом, процедура замены одного гена пока довольно сложна и трудоемка, а случаи замены многих генов мне неизвестны. Для практического использования процедуру замены придется существенно усовершенствовать и упростить. Впрочем, этому не видно принципиальных препятствий, и разработка такой технологии едва ли займет более 50 лет.

Но, вероятно, главной проблемой будет  не создание технологии рафинирования генома, а  ее принятие обществом, которое, конечно же, сочтет ее нарушением морали, этики или еще чего-нибудь. Почему? – да как бы чего не вышло. Сейчас изменение генома человека запрещено, например, Конвенцией о биомедицине и правах человека 2005 года (статья 13, текст довольно безграмотный). Показательна эволюция отношения к евгенике, учению об улучшении наследственных свойств человека (т.е. к теме данной статьи). Оно было в целом благоприятным, от древних греков и до середины 20 века. Но затем евгеника приглянулась нацистам, и теперь ее часто ассоциируют с их бесчеловечными идеями. Однако эпизод с нацистами это, скорее, лишь повод для неприятия евгеники. А причина в подсознательном страхе перед прогрессом, основанном на невежестве и предположении, что любое изобретение будет, прежде всего, использовано во вред. Границы страха и невежества иллюстрирует история с ГМО: большинство населения убеждено, что даже овощи нельзя модифицировать. Хотел бы ошибиться, но надежды мало, что человечество станет существенно умнее через 50 лет.

Но идея все равно пробьет  себе дорогу. Генетически улучшенные люди появятся, несмотря на запрет, и все увидят, что они хороши. Им будут завидовать, хотя и подсознательно бояться их. Но зависть возьмет верх, и все большее число людей захотят иметь таких детей. Затем найдутся страны, которые разрешат улучшение генома. Дольше всех будут держаться фундаментально-религиозные общества. В результате, они  сильно отстанут в своем развитии. И слава Богу, должна же быть какая-то плата за ретроградство.

Тема генетического рафинирования неоднократно встречалась в фантастике (как правило, в негативном ключе). Например, в фильме Гаттака (1997). А вот обоснованных прогнозов мне встречать не случалось. Между тем, приводимый мною сценарий просматривается достаточно уверенно, и будет удивительно, если он не сбудется. Просто потому, что у человечества нет другого пути.