Во время репликации генов иногда происходят ошибки. Буква (нуклеотид) может быть пропущена или заменена другой буквой. Иногда целый фрагмент ДНК может быть удвоен, пропущен или развернут на 180°. Такие события называются мутациями. Большинство мутаций никак не проявляют себя. Например, если происходит замена одного кодона другим, кодирующим присоединение той же аминокислоты. (Четыре нуклеотида по три в каждом кодоне образуют 64 комбинации, которые кодируют только 20 аминокислот. Поэтому многие аминокислоты кодируются несколькими кодонами.)
Человечество накапливает примерно 100 новых мутаций за одно поколение. Может показаться, что это не так много, ведь в геноме человека более миллиона кодонов. Но даже одна мутация в неудачном месте может оказаться фатальной.
Нет правил без исключений.
• Не все гены человека находятся на его 23 хромосомах. Часть генов содержится внутри микроскопических клеточных включений, называемых митохондриями. Эти гены унаследованы еще с тех времен, когда митохондрии были самостоятельно живущими микроорганизмами.
• Не все гены являются фрагментами молекулы ДНК. Гены некоторых вирусов записаны в молекуле РНК.
• Не все гены кодируют белки. Конечными продуктами некоторых генов являются молекулы РНК, в частности рибосомальные и транспортные РНК.
• Не всеми биохимическими реакциями управляют белки. В некоторых реакциях в качестве катализаторов выступают молекулы РНК.
• Не все белки кодируются одним геном. В построении некоторых белков участвуют несколько генов. И наоборот, один ген может кодировать несколько белков в результате альтернативного сплайсинга информационной РНК.
• Не все 64 кодона определяют аминокислоты. Три из них, называемые стоп-кодонами, означают конец трансляции.
• И наконец, не все фрагменты ДНК являются частями генов. Напротив, большая часть ДНК в хромосомах — это случайные последовательности нуклеотидов или многочисленные повторы, которые редко транскрибируются в информационные РНК или никогда не транскрибируются. Такая ДНК называется бессмысленной или эгоистичной.
Это тот минимум, который вам необходимо знать. Теперь можем приступать к экскурсии по геному человека.
От редактора переводаСтремительное развитие генетики в последние два десятилетия называют не иначе как революцией. Начиная с 1990-х годов, когда в практику вошли новые методы амплификации (копирования участков хромосомы в лабораторных условиях) и секвенирования (расшифровки) ДНК, каждый год приносит больше открытий, чем было сделано за все предыдущие годы, начиная со старины Менделя. Генетика развивается столь стремительно, что уследить за тем, как изменяются наши представления о фундаментальных основах жизни и наследственности не успевает не только широкая публика, но и специалисты. Это порождает массу слухов и домыслов о страшных мутантах, которых коварные ученые штампуют в своих лабораториях, тогда как поразительные открытия новых методов диагностики и лечения генетических заболеваний, включая рак, остаются незамеченными или непонятыми. Книга Мэтта Ридли очень актуальна. Просто и доступно автор представил историю генетики от первых догадок до ошеломляющего прорыва, начавшегося с открытия структуры ДНК Уотсоном и Криком. Ридли не ограничивается сухими фактами из научных публикаций. Он удивительно точно передает атмосферу неформальных научных дискуссий, когда ученые, не опасаясь критики строгих рецензентов, позволяют себе высказывать рискованные гипотезы и резко критиковать своих оппонентов. На английском языке книга вышла в свет в конце 1999 года, в канун нового тысячелетия. С тех пор прошло уже почти семь лет. Год 1999-й уже кажется историей. Одни гипотезы, о которых пишет Ридли, уже подтверждены экспериментально, другие оказались ложными. Тем не менее книга Genome: the autobiography of a species in 23 chapters по-прежнему занимает верхние позиции в рейтингах продаж по всему миру. В ней есть то, что не устаревает: дух научных открытий и история генетики, представленная со всем драматизмом споров, дискуссий, озарений одних ученых и черной завистью других.
Прошедшие семь лет принесли много новых открытий и изменили наши представления о тех вопросах, которые Ридли затронул в своей книге. Чтобы привести книгу в соответствие с уровнем знаний середины 2006 года, в текст добавлены врезки с упоминанием новых открытий и справочной информацией. Врезки выглядят так:
Изменения именно в гене sonic hedgehog привели к тому, что предки китов и дельфинов лишились задних конечностей (Thewissen J. G. et al. 2006. Developmental basis for hind-limb loss in dolphins and origin of the cetacean bodyplan. PNAS, e-pub ahead of print).
Хромосома 1 Жизнь
Сначала было Слово. Слово обратило в свою веру доисторическое море и с его помощью стало беспрерывно копировать себя. Слово нашло способ трансформировать химические соединения таким способом, чтобы зациклить и зафиксировать слабые завихрения в беспрерывном потоке энтропии, зародив жизнь. Слово преобразовало безжизненную и пустынную поверхность планет в цветущий рай. И наконец, Слово вызрело в хитрую штуковину — мозг человека, который оказался способным постичь само это Слово.
Хитрая штуковина, которая находится в моей черепной коробке, каждый раз приходит в полное изумление, как только я начинаю думать о появлении и развитии жизни на Земле и о своем месте в этой жизни. Надо же было так случиться, что 4 млрд лет эволюции привели к тому, что в один счастливый день я появился на свет. Среди 5 млн видов, населяющих Землю, мне посчастливилось родиться наделенным сознанием. Среди 6 млрд людей на планете я был удостоен чести родиться в стране, где впервые удалось постичь это Слово. Я был рожден всего пять лет спустя и всего в двух сотнях миль от того места, где два представителя моего вида установили структуру ДНК и тем самым раскрыли величайший и на удивление простой секрет Вселенной. Можете надсмехаться над моей восторженностью. Считайте меня смешным материалистом, молящимся перед трехбуквенным акронимом. Но спуститесь со мной к первоистокам появления жизни из мертвой материи, и мне, я уверен, удастся вселить в вас безмерное очарование этим Словом.
«Поскольку земля и океаны, по-видимому, были заселены растительными организмами задолго до появления животных и многие семейства животных появились раньше других семейств, не можем ли мы заключить, что одна и только одна из нитей жизни была первоисточником всех остальных форм живых организмов на Земле?» — спрашивал в 1794 году поэт, врач и разносторонне образованный человек Эразм Дарвин[1]. Это прозрение, с учетом времени, в которое оно произошло, поразительно не только потому, что было высказано предположение о наличии единого источника всех органических форм жизни (эту идею через 65 лет разовьет в своей книге Чарльз — внук Эразма Дарвина), удивляет также использование странного словосочетания — «нить жизни». В основе жизни действительно лежит нить.
Но как нить может сделать что-то живым? Жизнь — это весьма скользкое и неуловимое понятие для тех, кто хочет дать ему определение. Живые организмы обладают способностью размножаться и способностью к упорядочению материи. У кролика рождаются кролики. Одуванчик дает жизнь одуванчику. Но кролик может делать другие не менее удивительные вещи. Он ест траву и преобразует хаос окружающего мира в собственные ткани, имеющие сложную организацию. Но ведь второй закон термодинамики гласит, что в закрытых системах развитие происходит в направлении от порядка к беспорядку. Нарушения закона не происходит, поскольку кролик не является закрытой системой. Кролику удается привести в порядок материю, из которой состоит его тело, только за счет расхода огромного количества энергии. Как удачно заметил Эрвин Шрёдингер (Erwin Schrödinger), живые существа «пьют упорядоченность» из окружающей среды.
Эрвин Шрёдингер (1887–1961) — лауреат Нобелевской премии в области физики. Он родился в Германии, долго жил в Австрии, но своими трудами прославился в Оксфорде (Англия), стоял у истоков открытия ДНК. Выше приводится цитата из его книги What is Life? (Что есть жизнь?)
Оба свойства живого реализуются только за счет наличия информации о том, как это делать. Способность к размножению становится возможной благодаря наличию плана построения нового организма. План построения крольчонка находится в яйцеклетке кролика. В свою очередь, способность к упорядочению материи с помощью метаболизма также основана на положительной информации — плане организации тканей и систем организма. Взрослый кролик с его способностями к размножению и метаболизму предопределен в нити ДНК яйцеклетки, точно так же, как пирог предопределен в рецепте поваренной книги. Эта идея перекликается с высказыванием Аристотеля в том, что «суть» цыпленка скрыта в яйце, а желудь наделен планом будущего дуба. Туманные представления Аристотеля об информатике, погребенные под наслоениями следующих поколений физиков-механиков, были возвращены к жизни в исследованиях современных генетиков. Как пошутил Макс Дельбрюк (Max Delbrück), греческих мудрецов следовало бы наградить Нобелевской премией посмертно за открытие ДНК[2].
Оба свойства живого реализуются только за счет наличия информации о том, как это делать. Способность к размножению становится возможной благодаря наличию плана построения нового организма. План построения крольчонка находится в яйцеклетке кролика. В свою очередь, способность к упорядочению материи с помощью метаболизма также основана на положительной информации — плане организации тканей и систем организма. Взрослый кролик с его способностями к размножению и метаболизму предопределен в нити ДНК яйцеклетки, точно так же, как пирог предопределен в рецепте поваренной книги. Эта идея перекликается с высказыванием Аристотеля в том, что «суть» цыпленка скрыта в яйце, а желудь наделен планом будущего дуба. Туманные представления Аристотеля об информатике, погребенные под наслоениями следующих поколений физиков-механиков, были возвращены к жизни в исследованиях современных генетиков. Как пошутил Макс Дельбрюк (Max Delbrück), греческих мудрецов следовало бы наградить Нобелевской премией посмертно за открытие ДНК[2].
Макс Дельбрюк (1906–1981) — родился в Берлине, но научную карьеру сделал в США. В 1969 году был удостоен Нобелевской премии за создание математической модели мутаций у микроорганизмов.
Нить ДНК — это письмо, записанное с помощью алфавита химических соединений, называемых нуклеотидами. Одна буква — один нуклеотид. Невероятно просто, даже не верится, что код жизни записан символами, которые мы можем свободно прочитать. Точно так же, как текст на английском языке, генетический код представляет собой строку символов. Так же, как в обычном тексте, символы алфавита совершенно равнозначны, а значение имеют лишь их комбинации. Более того, язык ДНК проще английского, так как генетический алфавит состоит лишь из четырех букв: A, C, G и T.
Удивительно, как людям удалось постичь алфавит жизни? В первую половину XX столетия вопрос «Что такое ген?» не давал покоя биологам. Казалось, что человечество никогда не найдет ответа на этот вопрос. Давайте вернемся даже не в 1953 год, когда была открыта симметричная структура ДНК, а еще на 10 лет назад, в 1943 год. Те, кому суждено будет через 10 лет раскрыть тайну жизни, в это время работали совсем над другими темами. Фрэнсис Крик (Francis Crick) разрабатывал морскую мину в лаборатории недалеко от Портсмута. В это же время Джеймс Уотсон (James Watson) только поступил в свои беспокойные 15 лет в Чикагский университет, решив посвятить свою жизнь орнитологии. Морис Уилкинс (Maurice Wilkins) участвовал в разработке атомной бомбы в США. Розалинда Франклин (Rosalind Franklin) изучала структуру каменного угля по программе правительства Великобритании.
В том же 1943 году в Освенциме Йозеф Менгеле (Josef Mengele) как гротескную пародию на научные исследования ставит бесчеловечные эксперименты на близнецах. Менгеле пытается разобраться в наследственности, но его теория евгеники оказалась тупиковой и бесплодной ветвью, отвергнутой будущей наукой.
В Дублине в 1943 году, бежавший от Менгеле и ему подобных, великий физик Эрвин Шрёдингер (Erwin Schrödinger) выступает в колледже Тринити с серией лекций на тему «Что есть жизнь?». Он пытается обозначить проблему. Ему известно, что секрет жизни хранится в хромосоме: «Именно хромосомы… содержат что-то вроде кода, полностью определяющего будущее строение и развитие индивидуума, а также его функционирование в зрелом возрасте». Ген, по мнению Шрёдингера, настолько мал, что не может быть ни чем иным, как большой молекулой. Это прозрение затем вдохновит целое поколение ученых, включая Крика, Уотсона, Уилкинса и Франклин, на изучение проблемы, которая оказалась вполне решаемой. Подойдя столь близко к ответу, Шрёдингер сворачивает в сторону. Он полагает, что секрет передачи наследственности с помощью молекул лежит в его любимой квантовой теории и, увлекаемый этим наваждением, заходит в тупик. Секрет жизни не имеет ничего общего с квантовой теорией. Физика здесь ни при чем[3].
В Нью-Йорке в 1943 году шестидесятишестилетний канадский ученый Освальд Эвери (Oswald Avery) завершает грандиозный эксперимент, доказывающий причастность ДНК к наследственности. Проведя серию сложных экспериментов, он показал, что бактерию, вызывающую пневмонию, можно трансформировать из безвредной формы в агрессивную, обработав некоторыми химическими препаратами. Эвери доказал, что передача признака связана исключительно с очищенной ДНК. В научной статье он изложил свое открытие в столь осторожной форме, что суть открытия смогли понять лишь немногие, и то значительно позже. Лишь в своем письме брату, написанном в 1943 году, Эвери позволил себе говорить более открыто: «Если мы правы, что, безусловно, пока еще не доказано, то из этого следует, что нуклеиновая кислота (ДНК) не только структурно необходима, но и является функционально активной субстанцией, определяющей биохимическую активность и специфические характеристики клеток. Другими словами, становится возможным посредством определенной химической субстанции целенаправленно изменять клетки и делать эти изменения наследуемыми. Это именно то, о чем генетики мечтали долгие годы»[4].
Эвери почти удалось раскрыть секрет жизни, но он все еще мыслит категориями химии. «Вся жизнь — это химия», — предположил в 1648 году Ян Баптиста ван Гельмонт (Jan Baptista van Helmont). «По крайней мере часть жизни — это химия», — сказал Фридрих Вёлер (Friedrich Wöhler) в 1828 году, когда ему удалось синтезировать мочевину из хлорида аммония и цианида серебра, разрушив тем самым священную стену, разделяющую миры химии и биологии. До этого считалось, что мочевина — это присущее только живой материи вещество, которое невозможно синтезировать из обычных химических соединений. Представление о том, что жизнь — это химия, справедливо, но скучно, как и высказывание по поводу того, что футбол — это физика. Жизнь с некоторой натяжкой можно представить как химию всего трех элементов — водорода, углерода и кислорода, на долю которых приходится 98% живой массы. Но биология изучает такие сложные проявления жизни, как наследственность, — вот что их интересует, а не химический состав. Эвери не может понять, что такого есть в химической молекуле ДНК, что могло бы объяснить явление наследственности. Ответ будет найден не в области химии.
В английском городе Блетчли (Bletchley) в 1943 году засекреченный великолепный математик Алан Тьюринг (Alan Turing) подошел к величайшему открытию — принципу работы вычислительной техники. Разобравшись в работе немецкой военной шифровальной машины Лоренца, Тьюринг создает первый компьютер, названный им Colossus. В основу универсальной вычислительной машины Тьюринга легла изменяемая и сохраняемая программа. Никто не осознал в то время, и даже сам Тьюринг, что он, вероятно, ближе всех подошел к раскрытию секрета жизни. Наследственность — это изменяемая и сохраняемая программа, а метаболизм — универсальная машина. Их связывает между собой код — система абстрактных сообщений, которые могут быть записаны не важно в чем — в химических веществах, физических явлениях или даже в нематериальной форме. Основной секрет лежит в самовоспроизведении. Все, что может использовать ресурсы окружающего мира для копирования себя, — это форма жизни. А наиболее вероятной формой жизни может быть дигитальное сообщение — число или слово[5].
Термин digital на русский язык переводится как числовой код или сообщение, что не совсем верно, поскольку в основе кода могут лежать не только цифры, но любые дискретные символы — буквы, знаки, нуклеотиды.
В Нью-Джерси в 1943 году тихий и застенчивый филолог Клод Шеннон (Claude Shannon) раздумывает над идеей, которая ему пришла в голову в Принстоне (Princeton) несколько лет назад. Идея Шеннона состоит в том, что информация и энтропия являются обратными сторонами одной и той же монеты, и обе имеют тесную связь с энергией. Чем меньше энтропии в системе, тем больше в ней скрыто информации. Паровая машина может направить энергию угля в механическое вращение вала только потому, что машина имеет большое информационное содержание, переданное ей конструктором. То же самое с человеческим телом. В голове Шеннона информационная теория Аристотеля соединилась с механикой Ньютона. Так же, как Тьюринг, Шеннон имел лишь базовые представления о биологии. Но его идеи были гораздо ближе к секрету жизни, чем рассуждения химиков и физиков. Информационное содержимое системы под названием человеческое тело — это ДНК[6].
Вначале было Слово, и это слово было не ДНК. ДНК появилась позже, когда произошло разделение труда на биохимическую активность и хранение информации: метаболизм и репликацию. Но ДНК сохранила в себе отпечаток первого Слова, бережно пронеся его через все геологические эры до нашего дня.