Раскрытие вчерне строения генома (февраль 2001 года) — событие столь же ключевое для истории человечества, как открытие электричества, атомной энергии, изобретение радио и телефонной связи и компьютеров. Человек, наконец, получил химическую, молекулярную основу для того, чтобы познать самого себя.
XXI век, несомненно, будет веком биологии. Это признают не только биологи, но и ученые других, далеких от биологии специальностей. В этом веке мы узнаем, что такое память, творческие способности, мы научимся защищать себя от многих болезней и лечить заболевания, которые мы сейчас называем неизлечимыми (рак, например).
Эта книга рассказывает о геноме. Каждый, кому интересно узнать о себе что-то новое, прочтет её с интересом и пользой для себя. Она написана достаточно просто, чтобы одолеть её до конца, хотя, конечно, неподготовленному читателю, который давно забыл школьный курс биологии, придется приложить некоторые усилия. Но они будут вознаграждены тем, что читатель узнает для себя массу нового, чего нет пока еще ни в одном учебнике, узнает многое из того, что некоторые биологи далеко еще сами не освоили.
Эта книга — слепок новой биологии, она объясняет (и достаточно понятно), почему наша жизнь все больше и больше будет зависеть от того, как мы сумеем распорядиться тем информационным богатством, которое нам подарил прошлый век. Сейчас главная проблема состоит в том, как превратить гигантский объем новых знаний о геноме в новое качество нашей жизни — здоровье, долголетие, победу над болезнями, использование всех научных способностей, заложенных в нас природой и родителями.
Не поленитесь дочитать книгу до конца. Дочитав последнюю страницу, вы почувствуете себя гордым за человечество, которое, наконец, начинает познавать самое себя. Мы на полпути к себе. Вы сможете сами участвовать в освоении второй половины пути — для многих читателей это может стать делом жизни.
Прочтя эту книгу, вы очень многое узнаете о себе и окружающих вас существах. Разве это не интересно?
Академик Л. Киселев
ОБЩЕЕ ВВЕДЕНИЕ
Мир не просто удивительнее, чем
мы себе представляем, —
он удивительнее,
чем мы можем себе представить.
Джон Бердон Холдейн
Человек — вершина эволюции живой природы на Земле. Такое утверждение общепризнанно, и оно обычно ни у кого не вызывает сомнения. Знаменитый молекулярный биолог, лауреат Нобелевской премии Дж. Уотсон писал: «Легко видеть в человеке существо совершенно особое, отличное от всех прочих живых существ. Лишь он изобрел сложные языки, дающие ему средство для обмена идеями и эмоциями. Он создал великие цивилизации, изменившие окружающий мир так, как не могло бы его изменить никакое другое животное. Поэтому человек всегда был склонен считать, что он занимает в природе не совсем обычное место». Но эта мысль принадлежат самому человеку, и поэтому в ней есть элемент субъективности. Безусловно, в том, что касается мыслительных функций, данное утверждение во многом правильно. Человек действительно царствует на Земле. Он уже давно в значительной мере встал над природой, перестал быть прямым объектом ее естественного отбора. Достижения человеческой цивилизации в целом огромны, они изменили облик всей нашей планеты, дошла даже очередь до других планет.
Однако царствование человека на Земле и в космосе не безгранично. До полного совершенства ему — царю природы — еще очень далеко. Существует множество неподвластных человеку проблем даже на планете Земля. Катаклизмы и стихии порой ставят человечество в тупик. Да и мы сами по ряду параметров сильно уступаем другим представителям животного мира, обитающим вокруг нас. Во многих отношениях мы чересчур слабы, ранимы. Это проявляется в нашей сильной уязвимости к воздействиям различных физических и химических факторов окружающей среды, в слабой устойчивости к действию различных патогенов, низкой плодовитости, относительно короткой продолжительности полноценной жизни. В отличие от других животных нашему зрению доступен лишь ничтожно малый участок электромагнитного спектра, а обоняние не способно воспринять и сотой доли окружающих нас запахов. Некоторые животные (рыбы, птицы) способны различать сигналы, которые человек вообще не воспринимает без специальных приборов. Гомер даже говорил: «Меж всевозможных существ, которые дышат и ходят, здесь, на нашей земле, человек наиболее жалок». Пожалуй, самую уничижительную оценку человеку дал один американец, который подсчитал, что в организме человека, весящего 70 кг, содержится 45,5 кг кислорода, 12,6 кг углерода, 7 кг водорода, 2,1 кг азота, 1,4 кг кальция, 700 г фосфора, а всех остальных элементов, вместе взятых (в основном калия, серы, натрия, хлора, магния, железа и цинка), — около 700 г. И всё это «богатство» стоит всего 1 доллар 98 центов. Но это уже крайность.
Куда серьезнее то, что человечество страдает от многочисленных наследственных патологий, болезней сердечно-сосудистой системы, злокачественных заболеваний, иммунодефицита и травматизма. Мы по-прежнему подвержены разнообразным вирусным инфекциям, идет широкое распространение СПИДа, гепатита и других грозных инфекционных заболеваний. Кроме того, человечество обременено и многочисленными пороками, которые сопровождают всю его историю. Наркомания, алкоголизм, эпилепсия и шизофрения — все это сопутствует пребыванию человека на Земле. В ходе всей истории человечество вело многочисленные войны, в которых были уничтожены сотни миллионов его представителей, и даже в XXI веке существует терроризм, растет преступность. Исчезают одни «сверх-человеки», появляются другие, даже в наше время, казалось бы, далекое от времени дикарей, отдельные страны объявляют себя «сверхдержавами» и начинают диктовать миру свои законы жизни и поведения. Нарушаются все возможные моральные и библейские принципы. Так что «царь природы» далеко не во всех отношениях выглядит совершенным, ему требуются значительная помощь и защита.
Но, несмотря на все «минусы», человеческая популяция продолжает неуклонно расти и процветать, в ней сохраняется и превалирует жизнеутверждающее и творческое начало. Достижения человека на планете Земля огромны. В чем же причина всего этого? В значительной мере это результат реализации той информации, которая заложена природой в нашем генетическом аппарате.
Известно, что мы все в той или иной мере эгоисты. Человека больше всего на свете интересует он сам. Все, что имеет к нему отношение, — предмет наивысшего внимания. Со временем пришло понимание того, что все упирается в биологию человека, а вся биология человека упирается в геном. Козьма Прутков говорил: зри в корень. В организме человека главный «корень» — это и есть геном. Стало ясно, что основной путь к исправлению многочисленных «слабостей» человека лежит через детальное изучение строения и работы его наследственной информации, содержащейся в геноме. Но долгое время это не удавалось сделать, поскольку ученые не располагали соответствующими подходами и методами. И как только к концу XX века появились реальные научные, методические и технические возможности определять структуры больших по размерам молекул, кодирующих наследственную информацию (геномов), сразу после расшифровки ДНК простых организмов (вирусы, бактерии, дрожжи, червь) одним из первых сложных организмов, чья ДНК была расшифрована, стал человек. Знаменательно, что даже структура генома такого классического генетического объекта, как дрозофила, который исследуется существенно дольше и который значительно проще устроен, была определена не раньше, а почти одновременно с геномом человека.
Успехи в изучении генома человека стали возможными в первую очередь благодаря усилиям международного проекта «Геном человека», который возник и реализовался в результате напряженной работы большого сообщества ученых. Инициатором этого движения с самого начала (конец 80-х годов) стал лауреат Нобелевской премии знаменитый ученый Дж. Уотсон. В России таким энтузиастом был академик А. А. Баев (1904–1994). В 1988 году он обратился к М. С. Горбачеву с письмом, в котором предложил организовать государственный научный проект по изучению генома человека. Как в нашей стране, так и за рубежом эта идея первоначально была встречена рядом ученых и общественных деятелей весьма критически. Им казалось, что задача просто невыполнима, а труд будет сизифов. Но время шло, и довольно скоро научное сообщество во всем мире стало обсуждать ее всерьез. Ученые смогли убедить свои правительства и бизнесменов, что определить полную структуру ДНК человека — важнейшая и насущнейшая задача для всего человечества. В результате этих усилий в 1989–1990 гг. в США и в СССР, а затем и в ряде других стран начали функционировать соответствующие научные программы. Чуть позднее возникла Международная организация по изучению генома человека (Human Genome Organization, сокращенно HUGO).
В самом начале задача казалась сверхсложной, а ее осуществление сверхдорогим. Но научная мысль, интеллект и энтузиазм множества исследователей из разных стран, помноженные на огромное финансирование, позволили в конечном итоге решить эту грандиозную задачу. На реализацию проекта были выделены огромные средства. Крупный вклад в решение этой проблемы (как финансовый, так и научный) был сделан в дальнейшем частной американской компанией «Celera Genomics». В сумме, по имеющимся оценкам, на определение полной структуры генома человека было затрачено свыше 6 млрд. долларов. Проект «Геном человека» стал одним из самых дорогостоящих из всех, когда-либо создаваемых на земле. Для сравнения: весь годовой бюджет Российской Федерации на 2000 год был равен 60 млрд. долларов. Грандиозная работа проводилась одновременно в двух десятках стран мира, включая США, Англию, Францию, Германию, Японию, Китай и Россию, и была осуществлена за срок чуть более 10 лет. Основных инициаторов и исполнителей проекта «Геном человека» (Джеймса Уотсона, Френсиса Коллинза, Крега Вентера) уже назвали «рыцарями двойной спирали».
Как сказал профессор Майкл Декстер (руководитель британской части проекта), определение полной структуры генома человека представляет собой одно из величайших достижений человечества, которое превосходит по своему значению высадку человека на Луне.
Правда, едва ли раскрытие тайн структуры генома человека станет панацеей для человечества. Ажиотаж вокруг проекта «Геном человека» создает несколько искаженную картину, будто бы знание молекулярной организации генома уже сейчас решает все проблемы человека. На этом фоне возникают даже рассуждения об узко прагматическом «геноцентризме», который формирует у общества лишь кратковременную иллюзию научного успеха. Но серьезные ученые понимают, что это всего лишь первый, начальный этап. Он уже получил и свое название — «структурный». Когда–то один из отцов молекулярной биологии, нобелевский лауреат Ф. Крик говорил: «Не знаешь функции — изучай структуру». Теперь неизбежно должен последовать второй, и, скорее всего, даже более важный этап — «функциональный» — изучение функции генов. Эрик Ландер, возглавлявший исследование генома человека в Массачусетском технологическом институте, сказал в 2000 году: «В июне люди, вероятно, полагали, что на этом исследование закончится. Но я не знаю, поняли ли люди, что мы обнаружили в геноме самую величайшую в мире книгу истории. Мы постоянно просыпаемся ночью для того, чтобы продолжить читать истории, которые заключены в геноме. Это так здорово!»
Однако и преуменьшать значение состоявшегося «структурного» этапа в изучении человеческого генома нельзя. В настоящее время биология в целом (как наука о жизни) встает на принципиально новые, геномные, рельсы. Реализация проекта «Геном человека», подобно любому другому крупному и хорошо организованному проекту, одновременно способствовала прогрессу молекулярной биологии и генетики в целом. Были в значительной мере усовершенствованы методическая и приборная база науки, мощный импульс получили такие, по сути дела, вновь созданные направления, как геномика (изучение целых геномов), протеомика (изучение совокупности белков) и ряд других. С самого начала работ по геномному проекту мир договорился об открытости, доступности всей получаемой информации для его участников, независимо от их вклада и государственной принадлежности. Сейчас существуют десятки мощных баз данных, доступных любому пользователю, в которых аккумулирована гигантская информация о структуре не только генома человека, но и геномов многих других организмов.
Только благодаря вновь полученной конкретной информации о генетическом аппарате человека становится возможным исправлять генетические дефекты, лечить различные заболевания, корректировать психику, бороться с вирусными инфекциями, разрабатывать совершенные лекарственные средства и выявлять мишени, на которые они направлены, создавать новые поколения диагностических и профилактических средств и в результате существенно продлить полноценную жизнь человека. По этой причине известный генетик Джереми Рифкин сказал: «Кому принадлежат гены, тому принадлежит 21-е столетие». А полный текст, записанный в геноме человека, иногда называют даже несколько возвышенно Энциклопедией жизни.
Итак, на рубеже третьего тысячелетия человечество наконец-то раскрыло одну из важнейших для него тайн — структуру генома Homo sapiens (человека разумного). Произошло то, что еще в 1957 году предсказывал российский академик Владимир Александрович Энгельгардт: «Не нужно быть беспочвенным оптимистом, чтобы верить, что через пятьдесят лет биологический код — химическая зашифровка наследственных свойств — будет расшифрован и прочитан. С этого момента человек станет полным властелином живой материи».
Знаменательно, что структура генома человека вчерне была определена к середине 2000 г., когда исполнилось 100 лет с официального начала генетики как науки (переоткрытие менделеевских фундаментальных законов наследственности произошло в 1900 г.). Полное завершение этой работы намечено к 2003 году, когда будет опубликован окончательный текст, записанный в геноме. Кстати, 2003 год юбилейный — 50 лет прошло с тех пор, как Дж. Уотсон и Ф. Крик открыли структуру ДНК, которая представляет собой двойную спираль.
Нельзя преувеличивать успехи российских ученых в завершившемся международном геномном проекте, но не стоит и преуменьшать их. В первую очередь следует вспомнить выдающегося ученого академика А. А. Баева, который стоял у истоков этого проекта в СССР. Заметный вклад в изучение генома человека был сделан российскими учеными в различных областях исследования, особенно в таких, как функциональная геномика, этногеномика и биоинформатика. В настоящее время около 70 ученых России являются членами всемирной организации HUGO, избрание в которую осуществляется тайным международным голосованием на основании оценки публикаций кандидатов. Все эти годы российская программа «Геном человека» в меру сил финансировалась Минпромнауки РФ и поддерживалась Президиумом РАН. Конечно, жаль, что этих средств было явно маловато на фоне общего финансирования геномной программы в мире, но, как это часто бывало в прошлом, мозги российских ученых в известной мере компенсировали недостаток материальных средств.
* * *
Успешное и широко разрекламированное определение полной структуры генома человека послужило основным поводом для написания этой книги. Набожный руководитель международной программы «Геном человека» Ф. Коллинз даже назвал текст, записанный в геноме человека, «языком Бога». Однако значение произошедшего события до сих пор не в полной мере понято широкой общественностью. Академик А. А. Баев еще в середине 90-х годов прошлого столетия отмечал с сожалением, что развитие современной биологии сделало ее малодоступной для неспециалистов. В этой связи, несмотря на гигантские научные успехи, мистика и суеверия не только продолжают существовать в современном обществе, но даже прогрессируют. Хотелось бы надеяться, что эта книга хотя бы в небольшой мере поможет закрыть имеющийся пробел в понимании сути и значения последних достижений ученых. Она предназначена не для узких специалистов, которые и так понимают всю суть проблемы, а для самой широкой аудитории. Но тема, которой посвящена книга, весьма специальная. Поэтому в самом начале нельзя было не остановиться хотя бы кратко на истории вопроса, необходимо также дать объяснение хотя бы части той специальной терминологии, которая используется на своей «кухне» генетиками. Жан-Жак Руссо писал: «Мудрецы, которые хотят говорить с простым народом своим, а не его языком, никогда не смогут стать ему понятными. Однако есть множество разного рода понятий, которые невозможно перевести на язык народа». Попробуем и мы для начала сделать такой перевод, отчетливо понимая при этом, что, согласно известному закону Мейера, «усложнять — просто, упрощать — сложно».
ЧАСТЬ I. СТРУКТУРА ГЕНОМА ЧЕЛОВЕКА
ЧТО ТАКОЕ ГЕНОМ?
Вопросы вечны, ответы обусловлены временем.
Е. Чаргафф
В диалоге с жизнью важен не ее вопрос, а наш ответ.
М. И. Цветаева
С самого начала определимся, что мы здесь будем подразумевать под словом геном. Сам этот термин впервые был предложен в 1920 году немецким генетиком Г. Винклером. Тогда уже существовал другой научный термин — генотип, введенный в арсенал генетиков В. Иогансеном еще в 1909 году, под которым подразумевалась совокупность всех наследственных задатков данной конкретной клетки или данного конкретного организма. Впоследствии Иогансен сам с удивлением говорил, что его «словечко» неожиданно материализовалось в возникшей позднее хромосомной теории Т. Моргана. Но вот появился новый термин — геном. В отличие от генотипа этот термин должен был стать характеристикой целого вида организмов, а не конкретной особи. И это стало новым этапом в развитии генетики.
В биологическом словаре понятие геном определяется как совокупность генов, характерных для гаплоидного (одинарного) набора хромосом данного вида организмов. Такая формулировка звучит не совсем понятно для неспециалиста, а главное, она неточна в современном понимании этого слова. Основу генома составляет молекула дезоксирибонуклеиновой кислоты, хорошо известная в сокращенном виде как ДНК. Ведь все геномы (ДНК) содержат по крайней мере два вида информации: кодированная информация о структуре молекул-посредников (так называемых РНК) и белка (эта информация содержится в генах), а также инструкции, которые определяют время и место проявления этой информации при развитии и дальнейшей жизнедеятельности организма (эта информация в основном расположена в межгенных участках, хотя частично и в самих генах). Сами гены занимают очень небольшую часть генома, но при этом составляют его основу. Информация, записанная в генах, — это своего рода «инструкция» для изготовления белков, главных строительных кирпичиков нашего тела. «На плечах» генов лежит огромная ответственность за то, как будет выглядеть и работать каждая клетка и организм в целом. Они управляют нашей жизнью от момента зачатия до самого последнего вздоха, без них не функционирует ни один орган, не течет кровь, не бьется сердце, не работают печень и мозг.
Однако для полной характеристики генома недостаточно заложенной в нем информации о структуре белков. Нужны еще данные об элементах генетического аппарата, которые принимают участие в работе (экспрессии) генов, регулируют их проявление на разных этапах развития и в разных жизненных ситуациях.
Но даже и этого мало для полного определения генома. Ведь в геноме присутствуют также элементы, способствующие его самовоспроизведению (репликации), компактной упаковке ДНК в ядре и еще какие-то непонятные пока еще участки, иногда называемые «эгоистичными» (то есть как бы служащими только для самих себя). По всем этим причинам сегодня, когда речь идет о геноме, обычно имеют в виду всю совокупность последовательностей ДНК, представленных в хромосомах ядер клеток определенного вида организмов, включая, конечно, и гены. В этой книге мы будем подразумевать именно такое определение. Вместе с тем следует помнить, что в некоторых других структурах (органеллах) клетки также присутствует генетическая информация, необходимая для функционирования организмов. В частности, у всех животных организмов, в том числе и у человека, имеется еще и митохондриальный геном, то есть молекулы ДНК, присутствующие в таких внутриклеточных структурах, как митохондрии, и содержащие ряд так называемых митохондриальных генов. Митохондриальный геном человека очень небольшой по сравнению с ядерным геномом, расположенным в хромосомах, но, тем не менее, его вклад в клеточный метаболизм весьма существенен.
Понятно, что знание одной лишь структуры ДНК вовсе не достаточно для полного описания наследственной системы клетки. Этому выводу в литературе дана следующая аналогия: сведения о числе и форме кирпичей не могут раскрыть замысла готического собора и хода его постройки. В более широком смысле наследственную систему клетки составляют не только структура ДНК, но и другие ее компоненты, совокупность которых и факторы окружающей среды определяют, как геном будет работать, как пойдет ход индивидуального развития и как возникший организм будет жить потом.
НЕМНОГО ИСТОРИИ, НЕМНОГО ТЕРМИНОЛОГИИ
По-видимому, на свете нет ничего,
что не могло бы случиться.
М. Твен
Некоторым читателям может показаться скучным и малоинтересным содержание этого раздела книги. Но хотелось бы таким читателям напомнить, что даже в захватывающем детективе бывают вроде бы малоинтересные страницы, которые, однако, при дальнейшем изложении часто оказываются важны для понимания происходящего.
Сначала несколько слов о генетике. Без сомнения, наивысшим достижением в биологии ушедшего двадцатого века было появление и развитие этой науки, а также раскрытие с ее помощью молекулярной природы наследственности. И теперь уже мало верится, что было время, когда в нашей стране генетику называли «продажной девкой империализма», а ученых-генетиков — презренным тогда словосочетанием «вейсманисты-морганисты» (производное от имен немца Августа Вейсмана (1834–1914) и нобелевского лауреата американца Томаса Ханта Моргана (1866–1945), которые сформулировали представления о дискретности генов, их локализации в хромосомах, обосновали хромосомную теорию наследственности). Сейчас во всем мире генетика не только получила «путевку в жизнь», но пребывает на законных основаниях в славе и почете.
В отличие от многих других биологических наук генетика с момента своего возникновения стремилась быть точной наукой. И вся история генетики — это история создания и использования в эксперименте все более и более точных методов и подходов, что сближает ее с такими точными науками, как физика, химия и математика.
А начало всему было положено чешским монахом Грегором Менделем, который в 1865 году опубликовал свой фундаментальный труд с математическими расчетами, указывающими на существование неких абстрактных дискретных частиц, передающих наследственные свойства («частицы наследственности»), названных позднее генами. Эта феноменальная работа Менделя, осуществленная на горохе, не произвела особого эффекта на его современников и была забыта вплоть до 1900 года (научная мысль в то время еще не созрела для ее восприятия). Сам Мендель после неудачных попыток получить аналогичные результаты при скрещивании других растений прекратил опыты и до конца жизни занимался садоводством, пчеловодством и метеорологическими наблюдениями.
Лишь спустя 35 лет произошло то, что и должно было случиться: законы Менделя были переоткрыты независимо и одновременно тремя разными исследователями (Г. де Фризом, Э. Чермаком и К. Корренсом), после чего и начала интенсивно развиваться наука, получившая позднее название генетика. С тех пор эта наука и рожденные на ее основе молекулярная генетика и геномика занимают лидирующее положение среди прочих наук о природе, став в итоге одними из основных, определяющих сегодняшний и завтрашний день развития человечества.
Вскоре после открытия основных законов генетики было установлено, что маленькие продолговатые тельца, наблюдаемые под микроскопом в ядрах клеток, которые были названы хромосомами, ведут себя именно так, как это ожидалось от «единиц наследственности» Менделя. Но уже тогда было ясно, что число генов должно быть больше, чем число хромосом. В 1910 году Томас Хант Морган начал изучать относительно простой и удобный для анализа генетический аппарат плодовой мушки дрозофилы, что привело в конечном итоге к созданию хромосомной теории наследственности. Согласно этой теории, существуют многочисленные гены, которые линейно расположены в хромосомах, и их последовательность в будущем может быть расшифрована.
Известно, что гены управляют развитием любого живого организма с момента его рождения и до смерти. Гены достаются нам от родителей, и от них в значительной мере зависят наши физические параметры, внешность, склонность к различным заболеваниям или, наоборот, своего рода иммунитет к ним. При этом следует обратить внимание на то, что такие черты, как характер, убеждения, привычки, поведение и даже способности также определяются в значительной мере генетически, хотя здесь существенную роль могут играть и социальные факторы, такие, как условия жизни, воспитание, образование, окружение.
Лишь в 40-е годы прошлого века была установлена материальная основа генов. Выяснилось, что ею служит одна из так называемых нуклеиновых кислот, а именно дезоксирибонуклеиновая кислота (сокращенно, ДНК). Само существование нуклеиновых кислот было обнаружено швейцарским биохимиком Ф. Мишером еще в 1868 году, то есть всего через три года после открытия Менделем своих законов (случайность или закономерность?). Тогда из спермы лосося Мишер выделил фосфорсодержащее вещество, происходящее из клеточных ядер, которое он назвал нуклеином (от слова нуклеус — ядро), а мы теперь его называем дезоксирибонуклеиновой кислотой. Примечательно, что два таких важных открытия, как обнаружение единицы наследственности и ее физического носителя, были сделаны почти одновременно. Однако, как и в случае с законами Г. Менделя, практически никто из исследователей в то время не смог оценить важность открытия Мишера.
В дальнейшем существенный вклад в изучение нуклеиновых кислот внесли немецкий химик Альбрехт Кёссель и американский биохимик русского происхождения А. Ф. Левин. Первый установил, что в состав нуклеина входят четыре азотсодержащих вещества (их назвали азотистыми основаниями): аденин (А), гуанин (Г), цитозин (Ц) и тимин (Т) (за это в 1910 г. Кёссель получил Нобелевскую премию по физиологии и медицине). Затем А. Ф. Левин показал, что в состав нуклеина, кроме тетрады А, Г, Ц и Т, входит вдобавок к фосфорной кислоте еще и сахар дезоксирибоза, то есть «рибоза без кислорода». Так и возникло название дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК). Позднее в составе другой нуклеиновой кислоты — рибонуклеиновой кислоты (РНК) — была обнаружена рибоза вместо дезоксирибозы.
А. Ф. Левин предложил одну из первых гипотез о структуре нуклеиновых кислот. Согласно этой гипотезе, нуклеиновые кислоты построены как линейная комбинация связанных друг с друга химической связью нуклеотидов. По мнению Левина, четыре разных нуклеотида, входящие в состав нуклеиновых кислот, связаны последовательно в стандартный тетрануклеотид, который многократно повторяется в структуре нуклеиновой кислоты. И многие исследователи приняли эту гипотезу на веру. Однако столь однообразная и монотонная последовательность не годилась на роль материальной структуры генов. По этой причине долгое время бытовало мнение, что ДНК выполняет какую-то чисто структурную функцию в хромосомах.
Серия открытий, которые привели к современному пониманию генетической важности ДНК и ее основополагающей роли в организации хромосом, началась в середине 20-х годов прошлого века, когда Л. Зильберт на протеях и Ф. Гриффит на пневмококках описали опыты по серологической трансформации. В 1944 году американский биолог Освальд Теодор Эвери с соавторами в опытах с пневмококками показали, что с помощью чистого препарата ДНК могут быть специфически изменены их наследственные свойства. Однако даже эти безупречные результаты не убедили ученых полностью в том, что ДНК — это вещество наследственности. Они заставили ученых только усомниться в том, что ДНК играет чисто структурную роль в хромосомах. Продолжала господствовать теория белковой природы гена.
И такая ситуация сохранялась вплоть до апреля 1953 года.
ДНК — МОЛЕКУЛЯРНАЯ ОСНОВА ГЕНОМА
Сколько истин, признаваемых нами
в настоящее время бесспорными,
в момент провозглашения их казались
лишь парадоксами или даже ересями!
Екатерина II
Что мыслимо — то возможно,
что возможно — то мыслимо.
Г. Лейбниц
Тонкое устройство ДНК
Чтобы дальнейшее повествование было более ясным для читателя, рассмотрим сначала подробнее, как же устроена эта странная и загадочная молекула ДНК.
Итак, ДНК состоит из 4-х азотистых оснований, а также сахара (дезоксирибозы) и фосфорной кислоты. Два азотистых основания (сокращенно называемых Ц и Т) относятся к классу так называемых пиримидиновых основания, а два других (А и Г) — к пуриновым основаниям. Такое разделение связано с особенностями их структур, которые показаны на рис. 1.
Рис. 1. Структура азотистых оснований (элементарных «букв»), из которых построена молекула ДНК
Отдельные основания связаны в цепочке ДНК сахаро-фосфатными связями. Эти связи изображены на следующем рисунке (рис. 2).
Рис. 2. Химическая структура цепи ДНК
Все это известно уже довольно давно. Но детальное устройство молекулы ДНК стало понятно лишь спустя почти 90 лет после знаменитых работ Менделя и открытия Мишера. 25 апреля 1953 г. в английском журнале «Nature» было опубликовано небольшое письмо молодых и тогда еще мало известных ученых Джеймса Уотсона и Френсиса Крика редактору журнала. Оно начиналось словами: «Мы хотели бы предложить свои соображения по поводу структуры соли ДНК. Эта структура имеет новые свойства, которые представляют большой биологический интерес». Статья содержала всего около 900 слов, но — и это не преувеличение — каждое из них оказалось на вес золота.
А началось все так. В 1951 году на симпозиуме в Неаполе американец Джеймс Уотсон встретился с англичанином Морисом Уилкинсом. Конечно же, они тогда не могли себе даже представить, что в результате этой встречи они станут нобелевскими лауреатами. В то время Уилкинс со своей коллегой Розалиндой Франклин проводили в Кембриджском университете рентгеноструктурный анализ ДНК и определили, что молекула ДНК представляет собой, скорее всего, спираль. После разговора с Уилкинсом Уотсон «загорелся» и решил заняться исследованием структуры нуклеиновых кислот. Он перебрался в Кембридж, где познакомился с Френсисом Криком. Ученые решили совместными усилиями попытаться понять, как устроена ДНК. Работа началась не на пустом месте. Исследователи уже знали о существовании двух типов нуклеиновых кислот (ДНК и РНК), знали и то, из чего они состоят. В их распоряжении были фотографии рентгеноструктурного анализа, полученные Р. Франклин. Кроме того, Эрвин Чаргафф сформулировал к тому времени очень важное правило, согласно которому в ДНК число А всегда равно числу Т, а число Г равно числу Ц. А далее сработала «игра ума». Результатом этой «игры» и стала статья в журнале «Nature», в которой Дж. Уотсон и Ф. Крик описали созданную ими теоретически модель строения молекулы ДНК. (Уотсону к этому времени еще не исполнилось и 25 лет, а Крику было 37). Согласно их «научной фантазии», основанной тем не менее на определенных твердо установленных фактах, молекула ДНК должна состоять из двух гигантских полимерных цепочек. Звенья каждого полимера состоят из нуклеотидов: углевода дезоксирибозы, остатка фосфорной кислоты и одного из 4 азотистых оснований (А, Г, Т или Ц). Последовательность звеньев в цепочке может быть любой, но эта последовательность строго связана с последовательностью звеньев в другой (парной) полимерной цепочке: напротив А должно быть Т, напротив Т должно быть А, напротив Ц должно быть Г, а напротив Г должно быть Ц (правило комплементарности) (рис. 3).
 Рис. 3. Схема взаимодействия двух комплементарных цепей в молекуле ДНК
Две полимерные цепи закручены в правильную двойную спираль. Они удерживаются вместе посредством водородных связей между парами оснований (А–Т и Г–Ц) подобно ступенькам лестницы. По этой причине говорят, что две цепи ДНК комплементарны. Для природы это не удивительно. Известно множество примеров комплементарности. Комплементарны, например, древнекитайские символы «инь» и «янь», гнезда розетки и штырьки вилки.
Двойная спираль ДНК схематически изображена на рис. 4. Внешне она напоминает веревочную лестницу, завитую в правую спираль. Ступенями в этой лестнице являются пары нуклеотидов, а связывающие их «боковинки» состоят из сахаро-фосфатного остова.
Рис. 4. Знаменитая двойная спираль ДНК а — Рентгенограмма ДНК, полученная Р. Франклин, которая помогла Уотсону и Крику найти ключ к двухспиральной структуре ДНК; б — Схематическое изображение двухспиральной молекулы ДНК
Так была открыта знаменитая «двойная спираль». Если последовательность звеньев (нуклеотидов) в ДНК рассматривать как ее первичную структуру, то двойная спираль — это уже вторичная структура ДНК. Предложенная Уотсоном и Криком модель «двойной спирали» изящно решала не только проблему кодирования информации, но и удвоения (репликации) гена.
В 1962 году Дж. Уотсон, Ф. Крик и Морис Уилкинс получили по достоинству за это достижение Нобелевскую премию. А ДНК была названа самой главной молекулой живой природы. Во всем этом, конечно же, сыграли свою роль точные сведения о строении ДНК, но не в меньшей мере и «провидческие» построения сложной пространственной структуры, что потребовало от исследователей не только логики, но и творческого воображения — качества, присущего художникам, писателям и поэтам. «Здесь, в Кембридже, произошло, быть может, самое выдающееся после книги Дарвина событие в биологии — Уотсон и Крик раскрыли структуру гена!» — писал в то время в Копенгаген Нильсу Бору его бывший ученик М. Дельбрюк. Известный испанский художник Сальвадор Дали после открытия двойной спирали сказал, что это для него явилось доказательством существования Бога, и изобразил ДНК на одной из своих картин.
Итак, интенсивный мозговой штурм, предпринятый учеными, завершился полным успехом! В историческом масштабе открытие структуры ДНК сопоставимо с открытием структуры атома. Если выяснение строения атома привело к появлению квантовой физики, то открытие структуры ДНК дало начало молекулярной биологии.
Каковыми же оказались главные физические параметры ДНК человека — этой главной его молекулы? Диаметр двойной спирали равен 2 нанометрам (1 нм = 10–9 м); расстояние между соседними парами оснований («ступеньками») составляет 0,34 нм; один поворот спирали состоит из 10 пар оснований. Последовательность пар нуклеотидов в ДНК нерегулярна, но сами пары уложены в молекуле как в кристалле. Это дало основание характеризовать молекулу ДНК как линейный апериодический кристалл. Число отдельных молекул ДНК в клетке равно числу хромосом. Длина такой молекулы в наибольшей по размеру хромосоме 1 человека составляет около 8 см. Подобных гигантских полимеров пока не выявлено ни в природе, ни среди искусственно синтезированных химических соединений. У человека длина всех молекул ДНК, содержащихся во всех хромосомах одной клетке, составляет примерно 2 метра. Следовательно, длина молекул ДНК в миллиард раз больше их толщины. Так как организм взрослого человека состоит примерно из 5х1013 – 1014 клеток, то общая длина всех молекул ДНК в организме равна 1011 км (это почти в тысячу раз больше расстояния от Земли до Солнца). Вот такая она, суммарная ДНК всего лишь одного человека!
Когда говорят о размере генома, то подразумевают общее содержание ДНК в единичном наборе хромосом ядра. Такой набор хромосом называют гаплоидным. Дело в том, что большинство клеток нашего организма содержит двойной (диплоидный) набор совершенно одинаковых хромосом (только у мужчин 2 половые хромосомы отличаются). Измерения размера генома приводятся в дальтонах, парах нуклеотидов (п. н.) или пикограммах (пг). Соотношение между этими единицами измерения следующие: 1 пг = 10–9 мг = 0,6х1012 дальтон = 0,9х109 п. н. (далее мы будем использовать в основном п. н.). В гаплоидном геноме человека содержится около 3,2 млрд. п. н., что равно 3,5 пг ДНК. Таким образом, в ядре одной клетки человека содержится около 7 пг ДНК. Если учесть, что средний вес клетки человека равен примерно 1000 пг, то легко рассчитать, что ДНК составляет менее 1% от веса клетки. И тем не менее, чтобы воспроизвести самым мелким шрифтом (как в телефонных справочниках) ту огромную информацию, которая содержится в молекулах ДНК одной нашей клетки, понадобилось бы тысяча книг по 1000 страниц в каждой! Вот таков полный размер генома человека — Энциклопедии, написанной четырьмя буквами.
Но не следует думать, что геном человека наибольший из всех существующих в природе. Например, у саламандры и лилии длина молекул ДНК, содержащихся в одной клетке, в тридцать раз больше, чем у человека.
Поскольку молекулы ДНК имеют гигантский размер, их можно выделить и увидеть даже в домашних условиях. Вот как описывается эта простая процедура в рекомендации для кружка «Юный генетик». Во-первых, надо взять любые ткани животных или растительных организмов (например, яблоко или кусок курицы). Затем надо нарезать ткань на кусочки и положить 100 г в обычный миксер. После добавления 1/8 чайной ложки соли и 200 мл холодной воды вся смесь взбивается на миксере в течение 15 секунд. Далее взбитая смесь процеживается через ситечко. В полученную мякоть надо добавить 1/6 от ее количества (это будет примерно 2 столовые ложки) моющего средства (для посуды, например) и хорошо размешать. Через 5–10 минут жидкость разливается по пробиркам или любым другим стеклянным емкостям, чтобы в каждой из них было заполнено не больше трети объема. Затем к ней добавляется по чуть-чуть либо сок, выжатый из ананаса, либо раствор, используемый для хранения контактных линз. Все содержимое встряхивается. Делать это надо весьма осторожно, так как если трясти слишком сильно, то гигантские молекулы ДНК поломаются и после этого ничего нельзя будет увидеть глазами. Далее в пробирку медленно вливается равный объем этилового спирта, чтобы он образовал слой поверх смеси. Если после этого покрутить в пробирке стеклянной палочкой, на нее «намотается» вязкая и почти бесцветная масса, которая и представляет собой препарат ДНК.
|
