В 1944 году группа американских бактериологов (их опыты чуть позже повторил и английский коллега) исследовали два штамма пневмококков. Они различали их по наличию и отсутствию определенных клеточных включений – капсул. Выяснилось, что бактерия с капсулами передавала заболевание дальше, а штамм без капсул оказался совершенно безвредным.
Главную роль в эксперименте играли белые мыши (эти животные имеют столь огромное значение для развития нашей науки, что впору ставить им памятники и монументы). Крохотным "добровольцам" вводили капсульный штамм, безкапсульные бактерии и штамм S, убитый нагреванием. Ученые удовлетворенно потирали руки, наблюдая за предсказуемым результатом: мышки первой группы погибали, а вторая и третья не высказывала никаких признаков болезни. Так продолжалось до тех пор, пока естествоиспытателям не пришла в голову идея вкачать группе подопытных животных одновременно бескапсульный штамм и штамм, убитый нагреванием. Каково же было изумление биологов, когда через некоторое время они увидели все признаки пневмококковой инфекции и животные погибли. В клетках погибших животных они обнаружили капсульный штамм. Получается, что живые безкапсульные клетки пневмококка в присутствии убитых нагреванием капсульных каким-то образом получили новый признак – капсулу – и стали убийственными. Но что именно стало передающим звеном?
Опыт повторили в пробирке, и он дал тот же результат – убитые нагреванием клетки передали свой признак – капсулу – бескапсульным клеткам вместе со способностью вызывать болезнь. Значит, никакой инородный агент из тканей животных на реакцию не влиял.
Тогда ученые решили воздействовать на безкапсульный штамм разными частями "убитого" штамма по очереди – чтобы выяснить, какой именно химический компонент клетки содержит в себе передающийся признак. И так добрались до нашего знакомого нуклеина – точнее, дезоксирибонуклеиновой кислоты.
Казалось бы, истина восторжествовала. Но не тут-то было. Тайна ДНК так долго будоражила лучшие умы планеты, что столь простое решение ученый мир принять просто не смог. Опыты высмеивались, их результаты подвергались сомнению, исследователям указывали на то, что они, дескать, не смогли добиться полной чистоты эксперимента и просто "проморгали" какой-нибудь белок, который (в силу сложности своего строения) и мог быть единственным претендентом на роль хранителя "наследственных тайн".
Описанный эксперимент проводили снова и снова, но он с обескураживающим постоянством давал одни и те же результаты. Возможно, споры затянулись бы еще на несколько лет, если бы параллельно не был изобретен пенициллин. С одной стороны, он снял остроту проблемы с заболеваемостью пневмонией (и позволил ученым отвлечься от практической медицины), а с другой – стал основой для новой серии экспериментов.
Дело в том, что, пока изобретенный антибиотик проверяли в лабораторных условиях, было замечено, что есть штаммы микробов, на которые пенициллин не действует. Причем этот признак также оказался наследуемым. Более того, в схожих опытах с использованием убитых нагреванием, но устойчивых к пенициллину штаммах и живых, но неустойчивых, признак "устойчивости" передавался от первых ко вторым. Но самое интересное, что передавался он только при воздействии на штаммы дезоксирибонуклеиновой кислотой.
Оставалось ответить на главный вопрос: как простое соединение нескольких химических элементов может "запоминать" и "передавать" потомству нужную информацию? Впрочем, для начала было бы неплохо вообще узнать, что представляет собой молекула ДНК и как указанные химические вещества в ней сочетаются.
История о проволочном человеке
В этой истории главным действующим лицом становится сооружение из проволоки. Молодые ученые Крик и Уотсон в течение двух лет пытались представить себе, как именно может выглядеть молекула ДНК – что она собой представляет? Они извели тонны металлической проволоки, пытаясь выстроить объяснимую с точки зрения органической химии конструкцию. Как мы помним (а ученые к середине XX века уже знали это доподлинно), ДНК состоит из четырех азотистых оснований – гуанина, цитозина, тимина и аденина. Эти основания связаны между собой атомами водорода. В теории все выглядело просто. Но когда ученые пытались создать пространственную модель ДНК, они выяснили, что соединения получаются какими-то кособокими – азотистые основания оказались разного размера и никак не хотели выстраиваться в циклическую цепочку.
Как только не переставляли кусочки своей проволочной скульптуры Уотсон и Крик. Они изгибали проволоку под разными углами, прилаживали шарики (изображающие основания) в различных комбинациях и сочетаниях – модель не складывалась. За два года ученые так привыкли к своей металлической модели (которая была выше человеческого роста!), что начали относиться к ней как к живой и даже разговаривали с ней, пытаясь выведать ее секрет.
А решение, как это обычно и водится, пришло с неожиданной стороны. Изучая химическое строение ДНК, ученые выяснили, что гуанин, цитозин и тимин имеют на периферии атомы кислорода и ряд двойных связей. Эти двойные связи могут перемещаться в молекуле так, что периферийные атомы кислорода будут связаны или двойной связью, или простой. Первый вариант назвали кетонной связью, второй получил название енольной. Оказалось, что Крик и Уотсон учитывали только енольную форму соединения оснований, пренебрегая кетонной. Как только в модель подставили первую, проблема оказалась решена! Ученые изготовили новые модели из картона и обнаружили, что пара аденин – тимин имеет такую же форму и размеры, что и пара гуанин – цитозин. Это позволяло уложить пары внутрь двойной спирали, подобно ступенькам винтовой лестницы. Проволочный человечек наконец-то получил устойчивость, а теория – доказательную базу!
Глава 2. Как ДНК передает информацию
Все, что мы знаем о ДНК сегодня, имеет в своей основе открытие, сделанное в 1953 году. Изящность предложенной модели сразу же покорила научный мир. Стало понятно, что генетический код представляет собой последовательность нуклеотидов (элементов) в двойной спирали ДНК. В случае необходимости двойная спираль расплетается, и с одной из ее половин информация считывается на строящуюся молекулу рибонуклеиновой кислоты (РНК), которая передает эту информацию каждому произведенному ею белку (см. выше). Кроме того, при полном разделении спиралей ДНК каждая из половин может стать матрицей для достройки второй половины ("самовоспроизведение").
Расшифровка структуры ДНК стала одним из самых крупных открытий в истории науки. Оно позволило лучше понять такие проблемы, как взаимодействие наследственности и внешней среды, мутации и их последствия для синтеза белка, и, главное, приблизило человечество к пониманию самого происхождения жизни.
Но как ДНК передает информацию?
Когда мы обмениваемся информацией, мы используем буквы и звуки. Точно так же поступает и ДНК. Только в этом случае роль звуков и букв играют основания азотистой кислоты.
Итак, молекула ДНК состоит из двух гигантских цепочек. Каждое звено в ней сложено из состоит углевода дезоксирибозы (то есть рибоксиновой кислоты, лишенной кислорода), остатка фосфорной кислоты и одного из четырех 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 (это правило назвали правилом комплементарности; то же самое правило мы можем наблюдать в пазлах, когда выемке одного элемента соответствует выпуклость другого).
Две полимерные цепи закручены в правильную двойную спираль. Внешне она напоминает веревочную лестницу, завитую в правую спираль. Ступенями в этой лестнице являются пары нуклеотидов, а связывающие их "боковинки" состоят из сахарофосфатного остова.
Последовательность пар нуклеоидов нерегулярна. То есть каждая ДНК отличается друг от друга именно этой самой последовательностью. Расположение парных оснований по цепи ДНК представляет собой код, определяющий тот порядок, в соответствии с которым производятся белки, производимые каждой клеткой.
Если вернуться к аналогии с человеческой речью (точнее, с текстом), то каждое азотистое основание можно назвать одной буквой. Получается, что алфавит ДНКового текста содержит всего четыре "буквы". Как же из этих "букв" формируются "слова" и "предложения"?
Очень понятно это объясняет книга, написанная Вячеславом Тарантулом. Она называлась "Геном человека: Энциклопедия, написанная четырьмя буквами". Автор пишет: "Белковые молекулы всех существующих на земле организмов построены всего из 20 аминокислот. Сразу после создания модели ДНК стало ясно, что существует некий код, переводящий четырехбуквенный ДНКовый текст в двадцатибуквенный аминокислотный текст. Элементарные расчеты говорили о том, что число возможных сочетаний, в которых четыре нуклеотида могут быть по-разному расположены в "тексте", достигает астрономических значений. Так, молекула ДНК, состоящая, к примеру, всего из 100 пар нуклеотидов, может теоретически кодировать в сотой степени различных белковых "текстов". Какова же ситуация на самом деле?
Одним из первых в этом пытался разобраться русский физик Г. Гамов, эмигрировавший в Америку. Наслушавшись многочисленных разговоров о ДНК и узнав, что она содержит – как и карты – всего четыре "масти", Гамов решил "разложить пасьянс" с целью понять устройство генетического кода. Ему сразу стало ясно, что код не может быть "двоичным", то есть одну аминокислоту в белке должна кодировать не двойка нуклеотидов – "букв", а как минимум тройка. Дело в том, что сочетание из четырех по два дает всего 16 комбинаций, а этого недостаточно для кодирования всех 20 аминокислот. Следовательно, рассуждал Гамов, код должен быть по крайней мере трехбуквенным, то есть каждую аминокислоту должна кодировать тройка "букв" в любых сочетаниях. На этом он и остановился, поскольку далее возникало множество вопросов. В частности, такой: число сочетаний из четырех по три равно 64, а аминокислот всего 20. Зачем же такая избыточность в трехбуквенном коде?
Тайна древнего шифра
Тогда уже существовал хорошо известный путь, который, в частности, был проделан в свое время французом Жаном Шампольоном при дешифровке иероглифов Древнего Египта. В качестве основного подспорья для решения стоящей перед ним задачи он использовал базальтовую плиту, которую обнаружили во время военной кампании Наполеона в Египет и которая получила название Розеттский камень. На плите одновременно присутствовали две надписи: одна была иероглифическая, а другая – сделанная греческими буквами на греческом языке. К счастью, и язык, и письмо древних греков были в то время уже хорошо известны ученым. В результате сравнение двух текстов Розеттского камня привело к расшифровке египетской иероглифики. Этим путем и двинулись ученые при расшифровке генетического кода. Надо было сравнить два текста: текст, записанный в ДНК, с текстом, записанным в белке. Однако первоначально ученые не умели "читать" ДНК, а одного известного в то время белкового текста было недостаточно. Пришлось искусственно синтезировать разнообразные короткие фрагменты РНК и синтезировать на них в искусственных системах фрагменты белка. Весной 1961 года в Москве на Международном биохимическом конгрессе М. Ниренберг сообщил, что ему удалось "прочесть" первое "слово" в ДНКовом тексте. Это была тройка букв – AAA (в РНК, соответственно, YYY), то есть три аденина, стоящие друг за другом, – которая кодирует аминокислоту фенилаланин в белке. Так было положено начало расшифровке генетического кода.
Такой путь в конечном итоге вскоре привел к полной расшифровке генетического кода. Подтвердилось предположение Гамова, что код триплетный: одной аминокислоте в белках соответствует последовательность из трех нуклеотидов в ДНК и РНК. Такие кодирующие тройки нуклеотидов – "слова" – получили название кодонов.
Важно понимать, что ДНК передает информацию дважды: в первый раз, когда кодирует белок (то есть задает последовательность атомов в процессе его производства), и во второй – когда делится на две части. Чтобы передать генетическую информацию вновь образуемой клетке.
Экспериментально установлено, что одновременно с делением клетки ДНК снимает с самой себя точные копии в процессе удвоения, или репликации. Во время клеточного деления слабые связи между двумя цепями двойной спирали ДНК разрушаются, в результате чего нити разделяются. Затем на каждой из них строится вторая, "дочерняя" (комплементарная) цепь ДНК. В результате этого молекула ДНК удваивается, как и клетка, и в обеих клетках оказывается по одной полной копии ДНК. Копии должны быть полностью идентичными, чтобы сохранить всю генетическую информацию.
Глава 3. Наследственность, или Бессмертный ген
Британский биолог Ричард Докинз однажды решил проследить судьбу отдельно взятого гена и пришел к выводу, что он – бессмертен! Каждый раз, делясь и восстанавливаясь в новой клетке, ген, практически без изменений, путешествует из одного организма в другой, продолжаясь в каждом поколении. Докинз даже предположил, что не сами люди, а их гены правят миром, а каждый конкретный живой организм служит лишь временным прибежищем для них. По его мнению, гены практически бессмертны, в отличие от живых организмов, в которых они существуют. Некоторым генам десятки и даже сотни миллионов лет. Гены, пользуясь терминологией Докинза, делают все возможное, чтобы выжить. Приспосабливаются к жаре и холоду, выбирая себе местечко получше, мигрируют с помощью человека и вступают в новые комбинации. Человек оказался довольно непоседливым хозяином. За тысячи лет он сильно исколесил мир, распространяя свое присутствие, влияние и свою начинку – гены.
Так ли это? Пусть выводы каждый сделает сам для себя, а пока давайте посмотрим, что же позволяет гену путешествовать, а нам – передавать наследственные качества своему потомству.
Для начала вспомним, что в ядре клетки молекулы ДНК расположены в особых структурах, получивших название хромосомы. Хромосомы становятся видимыми в микроскопе при делении клетки на определенной стадии клеточного цикла, называемой митозом. Хромосомы в этом состоянии представляют собой компактные палочковидные структуры разной длины с довольно постоянной толщиной, у большей части хромосом имеется перетяжка, которая делит хромосому на два плеча. В области перетяжки расположена важная для удвоения хромосом структура, называемая центромерой. При делении клетки в ходе митоза происходит удвоение числа хромосом, в результате которого обе вновь образующиеся клетки обеспечиваются одним и тем же стандартным набором хромосом.
У человека в каждой клетке тела содержится 46 хромосом. Набор хромосом во всех клетках человека (за исключением половых) называют диплоидным (двойным), поскольку каждая из хромосом представлена двумя копиями (всего 23 пары). Каждая соматическая клетка человека (кроме красных кровяных клеток крови) содержит по два полных набора хромосом. В каждом единичном (гаплоидном) наборе присутствуют 23 хромосомы – 22 обычные хромосомы (аутосомы) и по одной половой хромосоме – X или Y. Таким образом, геном каждого конкретного человека состоит из 23 пар гигантских молекул ДНК, распределенных в разных хромосомах, а если говорить о геноме человека вообще (мужчин и женщин), то общее число таких молекул равно 24. Это первое базовое сведение, которое было получено о геноме человека при анализе хромосом.
Изучение строения (размера и формы) хромосом человека показало, что большинство из них по внешнему виду напоминают кегли, состоящие из двух толстых частей (хроматид) и тонкой перетяжки (центромеры) между ними. Сходство с кеглями, а не с гантелями заключается в том, что центромера чаще всего расположена не в центре хромосомы, а смещена к одному из ее концов. Размеры хромосом сильно варьируются, самая короткая хромосома примерно в десять раз меньше, чем самая длинная. Это второе принципиально важное сведение о структуре генома человека – составляющие его 24 молекулы ДНК имеют разный размер.
С помощью световой микроскопии были определены размеры всех хромосом человека. Затем все неполовые хромосомы были пронумерованы по уменьшению размера – от 1 до 22. Половым хромосомам не присвоили номер, а назвали X и Y. Как показали более точные последующие исследования, хромосома 21 реально оказалась чуть меньше 22, однако нумерацию хромосом не изменили (чтобы не вносить путаницу). Различие в хромосомных наборах между мужчинами и женщинами состоит в том, что у женщин имеются две половые Х-хромосомы (т. е. хромосомы во всех 23 парах одинаковы), а у мужчин пару с Х-хромосомой образует мужская половая хромосома – Y.
Половые клетки человека, в отличие от клеток тела взрослого организма (соматических клеток), содержат не два набора томов ДНКового текста, а всего лишь один. Перед зачатием каждая отдельная хромосома (отдельный том в Энциклопедии человека) сперматозоида отца и яйцеклетки матери состоят из смешанных в разном сочетании различных глав ДНКового текста их родителей. Любая из хромосом, полученная нами от отца, образовалась в его семенниках незадолго до того, как мы были зачаты. Ранее, за всю историю человечества, точно такая хромосома никогда не существовала. Она была сформирована в процессе случайного перемешивания, происходящего при делении, постепенно образуясь из объединяющихся друг с другом участков хромосом предков со стороны отца. Так же обстоит дело и с хромосомами яйцеклеток, за исключением того, что они формируются в организме нашей матери задолго до нашего рождения (почти сразу после рождения самой матери).
В зиготе, образующейся в результате слияния сперматозоида и яйцеклетки, материнские и отцовские гены смешиваются и перетасовываются в разных сочетаниях. Это происходит в результате того, что хромосомы не остаются неизменными в поколениях – они вступают во взаимодействие со своей случайно встреченной парой, обмениваясь с ней материалом. Такой постоянно идущий процесс получил название рекомбинации. И следующему поколению часто достается уже гибридная хромосома – часть от дедушки и часть от бабушки. Далее в ряду поколений пути генов постоянно пересекаются и расходятся. В результате слияния уникальной яйцеклетки с уникальным сперматозоидом и возникает уникальный во всех отношениях геном. И в этом смысле все мы уникумы. Каждый человеческий индивид хранит уникальную генетическую информацию, состоящую из случайной комбинации разных вариантов генов.