ДНК — Святой Грааль жизни

Ученые обнаружили, что основная часть генетического материала, передаваемого ребенку от каждого из родителей, представляет собой великолепно структурированную систему, состоящую из фиксированного набора генов, вытянувшихся в цепочки. По большей части их число неизменно и объединено в группу, называемую гаплотипом. Считается, что гаплотипы возникли на очень ранней стадии эволюции человека. Это означает, что каждому человеку передалось лишь небольшое количество общих черт.

В 2002 году международный консорциум по генетике поставил задачу: обнаружить и каталогизировать отдельные мутации, которые, как считается, характерны для каждого из известных гаплотипов, и составить их справочник. Уже к осени 2005 года ученые внесли в каталог почти полтора миллиона точечных замен нуклеотидов в ДНК (так называемый «однонуклеотидный полиморфизм», или сокращенно SNP), связанных с отдельными гаплотипами, которые могут быть быстро выделены из образцов крови с помощью хитроумных SNP-чипов. SNP играют роль своеобразной «подписи», характерной для данного гаплотипа (или для областей гаплотипов). Если в ДНК выявить SNP-замены, характерные для людей с вполне определенным заболеванием, то можно обнаружить эту область гаплотипа и выявить мутации, вызывающие это заболевание.

Когда в 2006 году в штаб-квартиру Decode завезли первые SNP-чипы, Стефанссон собрал своих помощников на совещание для выработки дальнейшей стратегии. Однажды, как описывает Стефанссон, к нему в кабинет вбежал его гениальный компьютерщик и эксперт в области статистики Дэниал Гудбьярдссон (Danial Gudbjardsson), дипломированный инженер-электрик из Массачусетского университета. Он буквально светился энтузиазмом. В тот же день Decode получила известие из комитета Правительственной комиссии Исландии по защите информации и этике: компания получает разрешение проводить исследования по изучению фибрилляции предсердий (самая распространенная форма аритмии). Итак, Гудбьярдссон вбежал, чтобы сообщить, что его исследовательская команда обнаружила расположение двух генетических вариантов, которые увеличивают соответственно на почти 70 и 40% вероятность возникновения этой самой фибрилляции предсердий.

Эти два генетических варианта (вместе с двумя копиями более мощного варианта — по одному от каждого из родителей) увеличивают вероятность развития данного заболевания. Фибрилляция предсердий вызывает повышенное сердцебиение, хроническую сердечную недостаточность, а также в четыре-шесть раз увеличивает риск инсульта. Ученым оставалось только подобрать в их генетической библиотеке соответствующую ДНК из уже имевшихся и запустить SNP-чип, выискивающий генетические мутации, обуславливающие фибрилляцию предсердий.

На поиск генетических причин этого заболевания с помощью новых методов ушло три часа. В последующие месяцы компания Decode смогла выявить общие варианты генов, обуславливающих глаукому, нарушение сна, рак молочной железы, инфаркт, остеопороз, ожирение. «С помощью SNP-чипов мы сделали много открытий и вырвались вперед», — говорит Стефанссон.

Одновременно с этим, в течение нескольких лет в отношении возможностей новых технологий увеличивался скептицизм. Руководитель Института геномной медицины при Колумбийском университете Дэвид Голдстейн сотрудничал с Decode на последних двух стадиях исследований. Но после 2007-го года (компания тогда проводила исследования при поддержке одного научного института при Оксфордском университете) он сделался критиком. В течение двух лет проводилось исследование, в котором принимали участие пятьдесят научных групп, изучавших гены 17 тысяч человек. Это исследование назвали крупнейшим в истории. В результате ученым удалось выявить двадцать четыре гена, характерных для семи наиболее распространенных заболеваний, включая сердечнососудистые, сахарный диабет первого и второго типов, маниакально-депрессивный психоз (МДП) и болезнь Крона.

Но Гольдштейна удивило, что в ходе исследования был выявлен только один ген МДП (считается, что данное заболевание развивается под влиянием наследственных факторов), а число случаев МДП, обусловленных этим геном, «не существенно». На самом деле, открытые гены, судя по всему, не могут объяснить все случаи заболеваний, рассмотренные в исследовании. Быть может, полагал Гольдштейн и другие ученые, причиной возникновения большинства заболеваний являются не общие генные изменения, а, скорее, широкий спектр мутаций — очень редких, чтобы их можно было выявить в гаплотипах.

Но Стефанссон не сдавался: даже если общие мутации лишь частично объясняют заболевание, этого все равно достаточно для того, чтобы найти методы лечения; знание химических механизмов болезни позволяет создавать лекарства.

Но вот наступил январь 2009 года и у Decode возникли проблемы — на счетах оставалось только 3,7 миллионов долларов. Одновременно с этим, возникли трудности с получением кредита, к тому же, исландское правительство ничем не могло помочь, ведь страна балансировала на грани дефолта. И в ноябре Decode объявила о своем банкротстве.

Однако Стефанссон не признал поражение. Он знал по крайней мере двух финансистов, которые, похоже, могли поддержать его компанию. Когда Decode впервые вышла на биржу, свою помощь предложили два венчурных фонда — Arch Venture Partners из Сиэтла и Polaris Venture Partners из Массачусетса. Полный энтузиазма, Стефанссон попытался привлечь их к сотрудничеству, чтобы они ввязались в дело. Они перевели 40 миллиардов долларов на счета компании Decode в обмен на акции. «Мне кажется, что компания перспективная», — заметил Терри Макгуайр, партнер Polaris.

И в самом деле, в январе 2010 года Decode избежала банкротства. А вскоре новая инновация (технология более быстрого и дешевого, чем раньше, секвенирования генома человека), созданная компанией, стала постепенно завоевывать рынок; по сравнению с SNP-чипами она оказалась более продвинутой. Теперь можно сравнивать звенья генетического кода в любом фрагменте ДНК, а потом с помощью мощных компьютеров выбрать те редкие мутации, которые и обуславливают болезнь. В 2000-м году было заявлено, что в рамках проекта «Human Genome Project» предполагаемая стоимость первого полностью секвенированного генетического кода составит около 500 тысяч долларов. А уже в 2010 году за те же самые деньги Decode приобрела себе новое оборудование, созданное биотехнологической компанией Illumina. На этом оборудовании можно было каждые десять дней одновременно секвенировать сразу три образца ДНК. И Стефанссон заключил контракт на покупку четырех таких секвенаторов.

Изобретение и серийное производство аппаратов, способных проводить секвенирование всего генома, стало подлинным прорывом. Раньше ученые полагали, что ключ к пониманию болезни лежит в поиске общих мутаций, передающихся из поколения в поколение и выявляемых с помощью SNP-чипов. Но, по мнению многих специалистов, данный подход был ограниченным. Общие гаплотипы были «старыми». Если мутация вызывает болезнь, то разве не понижает она вероятность выживания? Не будет ли она в таком случае снижать вероятность передачи ДНК от индивидуума к его потомкам? Разве не может естественный отбор исключать мутации?

Теперь, полное секвенирование генома дало возможность находить крайне редкие, относительно новые мутации — мутации настолько сильные, что они вероятнее всего будут быстро отсеиваться в данной популяции путем естественного отбора. Эти мутации настолько смертельны, что вероятность их передачи потомству снижалась. Поэтому такие мутации нельзя встретить в древних общих гаплотипах.

После того как в 2010 году Decode избежала банкротства, по офису стали распространяться новые веяния. Несколько раз в неделю Стефанссон и его заместители собирались в небольшом конференц-зале за стеклянными стеклами. Стефанссон усаживался во главе большого стола и вместе со своими экспертами обсуждал вопрос об эффективности использования нового оборудования по секвенированию полного генома. Ученые компании принялись делать это в два этапа: сначала искали исландцев с как можно более дальней степенью родства (это нужно было для того, чтобы выявить разрозненные геномы, существующие в каждой из этих групп), а затем в каждой из этих групп отбирали лиц, страдавших редкими заболеваниями, представлявшими особый интерес для ученых.

Decode объявила о том, что ей удалось секвенировать ДНК у 2635 исландцев, на основании чего удалось оценить геномы более чем ста тысяч исландцев.

В молодости работая невропатологом, Стефанссон изучал ткани головного мозга пациентов, страдавших болезнью Альцгеймера, и размышлял над бляшками и клубками, характерными для данного заболевания. Зимой 1997 года Стефанссон отправился на автомобиле вместе со своей женой и одним из инвесторов вдоль живописного западного побережья Исландии, собирая в домах престарелых образцы крови для секвенирования.

Однажды в 2011 году Торлакур Йонссон, возглавлявший проект по изучению болезни Альцгеймера, просматривал один из докладов, посвященный гену, который входит в так называемый трансмембранный белок—предшественник бета-амилоида (APP). Как известно, APP является основным компонентом амилоидных бляшек (неправильно упакованных белков, которые в изобилии присутствуют в тканях головного мозга пациентов, страдающих болезнью Альцгеймера); многие полагали, что именно эти бляшки как раз и вызывают это страшное заболевание. Ранее было показано, что мутации в генах, характеризующие APP, увеличивают вероятность развития болезнь Альцгеймера.

Но когда Йонссон внимательнее вчитался в доклад, то увидел нечто неожиданное — компьютерные алгоритмы пометили мутацию APP не потому, что она была характерна для пациентов, страдавших болезнью Альцгеймера, а, наоборот, потому что те, у кого она была выявлена, оказались к ней менее склонны. Как такое может быть?

Все это позволило Стефанссону подступиться к вопросу, который давно его занимал. Его всегда поражал тот факт, что многие особенности, вроде бы характерные только для болезни Альцгеймера (особенно амилоидные бляшки и нейрофибриллярные клубки), были обнаружены и у пожилых пациентов, не страдавших этим ужасным заболеванием.

Стефанссон знал, что снижение когнитивных способностей связывают с процессом старения. У молодых людей снижения когнитивных способностей, а также бляшек и нейрофибриллярных клубков не обнаружено. Значит, думал Стефанссон, бляшки и клубки, характерные для болезни Альцгеймера, по всей вероятности могут быть причиной снижения и когнитивных способностей. Стефанссон задался вопросом: если эта мутация защищает от болезни Альцгеймера, то может ли она также препятствовать процессу снижения когнитивных способностей? Если может, рассуждал Стефанссон, то мы получим «чрезвычайно сильный аргумент в поддержку той точки зрения, согласно которой болезнь Альцгеймера — это всего лишь ускоренная форма старения головного мозга».

Чтобы проверить эту гипотезу, сотрудники Decode секвенировали гены контрольной группы (пожилые пациенты одинакового возраста, образ жизни которых друг от друга не отличается). Сравнив полученные результаты в группе пожилых пациентов со сниженными когнитивными способностями и без них, они доказали следующую мысль: пожилые пациенты, у которых наблюдалась мутация ДНК, признаков снижения когнитивных способностей не наблюдалось. А у тех, у кого мутаций не было (даже у пациентов, не страдавших болезнью Альцгеймера), снижения когнитивных способностей зачастую вообще не наблюдалось.

Публикация компанией Decode своих выводов о новом гене стала событием мирового масштаба. Если бы производители лекарств нашли способ реплицировать этот ген, то им вполне оказалось бы по силам создать препарат, способный вылечить болезнь Альцгеймера и другие формы старческого слабоумия.

И компания Decode снова оказалась на гребне волны. В 2012 году ее вице-президент Огастин Конг, отвечающий за статистическое моделирование, принялся изучать данные, относящиеся к полностью секвенированным образцам, взятыми у пациентов, страдающих шизофренией и аутизмом, уделяя особое внимание так называемым мутациям «de novo» (то есть спонтанным мутациям, появляющимся только у детей и не обнаруженным у родителей). Конг решил выявить мутации «de novo» у больных шизофренией, аутизмом и другими заболеваниями. Для этого он сравнил ДНК этих лиц и ДНК их родителей, а затем стал выявлять у родителей те общие признаки, которые, как считалось, имеют отношение к этим мутациям.

И здесь была найдена следующая особенность: в более 90% случаев увеличенное число мутаций, судя по всему, каким-то образом связано с возрастом отца. Стефанссона этот факт заинтриговал. Вместе с Конгом он проверил генеалогическую базу данных компании Decode за несколько столетий и проанализировал динамику изменения возраста молодых отцов. К удивлению ученых выяснилось следующее: в девятнадцатом веке средний возраст отцов при зачатии ребенка намного превышал соответствующий возраст отцов в двадцатом столетии. Затем, в 1980-х годах данный показатель опять увеличился, и это как-то коррелирует с увеличением случаев аутизма.

В статье, опубликованной в 2012 году в журнале Nature, Стефанссон, Конг и другие представили свои доводы, проанализировав информацию по 219 образцам, взятым у 78 групп по три человека (то есть у обоих родителей и ребенка, страдающего аутизмом или шизофренией). Кроме того, они секвенировали геномы семей, в которых был высок риск аутизма и шизофрении, чтобы выяснить, можно ли найти какие-либо унаследованные гены, увеличивающие вероятность этого заболевания. Интересно, что в то же самое время была установлена следующая закономерность: чем старше отец, тем выше вероятность появления шизофрении и аутизма. Статья ученых из компании Decode вызвала большой интерес в научном мире. Фактически, по словам Стефанссона, в исследовании не только раскрывается предполагаемая причина шизофрении и аутизма, но и объясняются почти все причины появления различий частоты возникновения новых мутаций, появляющихся в различных популяциях по всему миру. Чем старше возраст отца во время зачатия плода, тем большее изменение в популяции будет наблюдаться.

Ицик Пеер (Itsik Pe’er), адъюнкт-профессор Колумбийского университета в области вычислительной геномики, утверждает, что в настоящее время получила широкое распространение точка зрения о взаимосвязи между возрастом отца и скоростью мутаций, а также идея о том, что такие мутации увеличивают вероятность аутизма и шизофрении. Однако, по его словам, мутации происходят в природе постоянно, поэтому опасные мутации могут возникать и у потомства от молодых отцов (то есть возникновение опасных мутаций у плода не обусловлено возрастом отца).

В 2012 году, когда Стефанссон и его компания опубликовали результаты своего нового исследования, стали доходить слухи, что к Decode свое внимание проявила Amgen, самая большая в мире компания в области биотехнологии. Два из наиболее перспективных препаратов, произведенных этой компанией, появились в результате недавнего открытия именно тех мутаций, над которыми работает Decode. Через месяц Amgen приобрела Decode за 415 миллионов долларов. Но недовольными этой сделкой оказались жители Исландии, ведь получается, что Decode будет получать прибыль от использования ДНК и медицинских данных о состоянии здоровья исландцев, которые взамен ничего получать не будут. Какой-то блоггер даже сострил, что, мол, Decode подписала соглашение, а исландцам «подарила всего лишь футболку» в качестве компенсации.

В 2015 году Стефанссон мне сказал, что Amgen чуть не рассорила его компанию с исландцами. Но ведь он патриот своей страны. «Граждане оказали нам самое искреннее содействие в проведении научного исследования. Какова наша обязанность и долг по отношению к ним?», — спрашивает Стефанссон. По его мнению, нужно выработать правила взаимодействия с органами здравоохранения и этики, чтобы информировать тех исландцев, которые являются носителями «опасных мутаций» (например, носителями гена, вызывающего рак груди). «Если этого сделано не будет, то мы совершим преступление. Но такое не вяжется с принципами нашего общества. Мы должны помогать тем, кто находится в зоне серьезного риска. И вот, мы видим, как наш министр здравоохранения уже активно взялся за дело».

В марте 2015 года компания Decode опубликовала четыре статьи в журнале Nature. В них говорилось о том, что компании удалось секвенировать ДНК 2635 исландцев. Это позволило охватить на основе генеалогических данных и частоты мутаций геномы более ста тысяч исландцев, чьи геномы не были секвенированы (всего было обработано одиннадцать тысяч геномов). С использованием тех же самых статистических методов Decode может делать предположения о присутствии или отсутствии тех или иных мутаций практически у всего населения Исландии, ведь ученым теперь известна частота появления мутаций, группы риска, а также ДНК, являющиеся общими для всего населения страны.

Специалисты Decode смогли обнаружить редкие мутации, наличие которых резко увеличивает риск возникновения болезни Альцгеймера, образования желчных камней, фибрилляции предсердий, заболевания печени и щитовидной железы, — эти мутации возникли в результате «выбивания» генов или из-за отсутствия в ДНК некоторых фрагментов. Но самое, наверное, интересное — это приложение полученных результатов к такой области, как криминология. Decode всего определил 1171 «выбитых» генов, присутствующих у 8% из 104 тысяч обследованных жителей. Для того чтобы попытаться определить воздействие, которое оказывают эти, так сказать, «ошибки природы» на человеческий организм, следует сопоставить эти «выбитые» участки с медицинскими записями и фенотипическими данными.

Генетик из Больницы Массачусетса Дэниэл Макартур вместе с одним из адъюнкт-профессоров Гарвардской медицинской школы, назвал полученные результаты удивительными. «За последнее десятилетие компании Decode удалось собрать замечательный набор генетических данных — без сомнения, здесь мы видим самое подробное генетическое исследование населения, проживающего в отдельно взятой стране». Однако, по его словам, у столь изолированного народа, как исландцы, «можно найти относительно небольшой процент [„выбитых"] генов». Однако специалисты Decode научились определять мутации, вызывающие заболевание у жителей одной лишь Исландии. Понятно, что какие-то коллективы ученых захотят продолжить их почин и переключатся на изучение генома жителей других стран.

...В тот зимний день, сидя в своем кабинете, викинг Стефанссон под конец интервью добавил следующее: «Когда я спрашиваю себя, чем я занимался все это время в науке, то вот вам ответ, — и он с почтением указал на фотографию родного брата, который привил ему любовь к литературе. — А если таковых причин не найдется, то наукой и не стоит заниматься. Мне шестьдесят три года, и я никогда не забываю о самом важном в моей жизни. Жаль, что я не идеален. Жаль, что не был хорошим мужем и гражданином. Но кое-что в жизни я сделал, и, наверное, самая интересная вещь — открытия, сделанные мною в лаборатории. Ведь и я тоже помог людям выяснить, из чего же все-таки сделан человек».

«Если спросить, какое условие является самым главным для существования жизни на нашей планете, то получим такой ответ — информация, заключенная в ДНК. Если мы спросим, чем поэт Уолт Уитмен отличается, например, от „листа травы" [У. Уитмен автор поэтического сборника „Листья травы" — прим. пер.], то ответ будет таким: всего лишь расположением азотистых оснований — аденина, гуанина, тимина и цитозина. ДНК — это, поистине, Святой Грааль жизни.»