Эррол К. Фридберг
Узнай о своих генах. Азбука для небиологов
Информация это знание, а знание это сила
Посвящается Сиддхартхе Мукерджи в благодарность за его книги, которые вдохновили меня на литературное творчество
Перевод с английского Н.Ф. Орловой под редакцией д.б.н. И.А. Гамалей
Copyright © 2019 by World Scientific Publishing Co. Pte. Ltd.
Перевод на русский язык выполнен с согласия World Scientific Publishing Co. Pte Ltd., Singapore.
© АО «РИЦ «ТЕХНОСФЕРА», перевод на русский язык, 2022
Об авторе
Эррол Клайв Фридберг, ныне пенсионер, биолог и историк естествознания на кафедре патологии Стэнфордского университета, работал в Юго-Западном медицинском центре Техасского университета. Ранее изучал медицину в южно-африканском Университете Витватерсранда и стажировался в биохимии и патологии в Университете Кейс Вестерн Резерв, прежде чем начать сотрудничать со Стэнфордским университетом, а потом и Юго-Западным медицинским центром в Далласе при Техасском университете.
Фридберг автор (и соавтор) нескольких изданий книги DNA Repair and Mutagenesis («Репарация ДНК и мутагенез») издательства ASM Press, а также многих книг по истории молекулярной биологии, в том числе:
Correcting the Blueprint of Life An Historical Account of the Discovery of DNA Repair Mechanisms («Вносим коррективы в план жизни. Исторический очерк открытия механизмов репарации ДНК»),
The Writing Life of James D. Watson («Жизнь Джеймса Д. Уотсона как писателя»),
From Rags to Riches The Phenomenal Rise of the University of Texas Southwestern Medical Center at Dallas («От нищеты к роскоши феноменальный взлет Юго-Западного медицинского центра при Университете штата Техас в Далласе»),
Sidney Brenner: A Biography («Биография Сидни Бреннера»),
A Biography of Paul Berg: The Recombinant DNA Controversy Revisited («Биография Пола Берга. Возобновление споров о рекомбинантной ДНК»),
Emperor of Enzymes: A Biography of Arthur Kornberg, Biochemist and Nobel Laureate («Император ферментов биография Артура Корнберга, биохимика и лауреата Нобелевской премии»).
Фридберг автор более 400 научных публикаций, в основном на тему репарации ДНК, а также основатель и главный редактор научного журнала DNA Repair. Получил несколько наград, в том числе премию Рауса Уиппла Американского общества исследовательской патологии и премию Лилы Грубер за исследование онкологических заболеваний; является почетным членом Королевского общества Южной Африки.
Благодарности
«Узнай о своих генах» родилась из желания написать книгу для тех, кто биологом не является. Должен признать, что, хотя я написал ряд книг и один, и в соавторстве, в том числе биографии четырех лауреатов Нобелевской премии, а также редактировал книги других авторов, написанные исключительно для научного сообщества (преимущественно из области молекулярной биологии и биохимии), работа именно над этой книгой оказалась для меня самой трудной, но в конечном итоге и самой благодатной во всей моей писательской карьере (впрочем, уместнее употребить слово «хобби», поскольку я в первую очередь профессиональный биолог).
Хочу выразить искреннюю признательность всем, кто читал многочисленные варианты будущей книги и давал дельные советы, особенно моей супруге Ронде, Лоуренсу Бенатеру, Лэрри Битону, Томасу Бонуре, Крису Донджесу и Десмонду Левину. Отдельная благодарность художнику-оформителю Марку Смиту из Медицинского центра при Университете штата Техас в Далласе за схематическое изображение на рис. 3.2.
Ну и наконец, хочу сердечно поблагодарить Сук Ченг Лим и ее коллег из издательства World Scientific Publishing: без их самоотверженного труда эта книга бы не вышла.
Глава 1
Введение
Однажды один из моих внуков озадачил меня вот таким вопросом: «Дедушка, откуда ты взялся? Это я не только о твоих папе и маме, бабушках и дедушках, а что было еще раньше?» Удивленный и обрадованный, что один из моих внуков интересуется своей генеалогией, я сказал ему, что не готов сразу ответить на его вопрос, но постараюсь найти на него ответ.
Поискав в Интернете, я обнаружил такие ресурсы, как MyheritageDNA, KinCore.org и AncestryDNA, которые предлагают генеалогические исследования на основе ДНК, разумеется, за некую плату. В частности, на сайте последнего ресурса был следующий рекламный текст: «Откройте семейную историю с помощью своей ДНК. Сделайте обычный тест ДНК и вы узнаете свою этническую принадлежность, найдете дальних родственников и обнаружите новые подробности уникальной истории своей семьи».
И тут мне пришла в голову мысль: «А что знает про ДНК и гены средний человек, не имеющий отношения к биологии?» Дальнейшее исследование сети по поводу этих тем меня обескуражило. Информация оказалась сумбурной, неполной, а ее презентация зачастую превышала уровень понимания большинства (а то и всех) небиологов.
У всего живого на Земле от микроскопических бактерий до слонов и даже у растений, есть гены. Именно гены определяют то, что у вас и (или) у кого-либо из ваших детей такой же цвет глаз и (или) волос, как у вашей матери или отца, или то, что ваши дети похожи на бабушек и дедушек другими физическими и даже внутренними свойствами.
Большинство людей знают, что все живое обладает генами, которые и определяют многое из того, кем вы являетесь и каким образом функционируете как живой организм. Однако, если вы не прослушали курс биологии или генетики, высока вероятность, что вы знаете очень мало или вообще ничего не знаете про гены и про то, что состоят они из ДНК (это аббревиатура сложного биологического соединения, о котором мы поговорим подробно чуть позже). Цель книги восполнить этот пробел в ваших общих знаниях и объяснить, что такое гены, где они находятся в организме, как функционируют, а также рассказать о неприятных последствиях для организма, а иногда даже и для ваших потомков, если гены функционируют не так, как надо, о том, как их можно повредить, а иногда и поправить, и о многом другом.
Как и большинство научных дисциплин, биология это огромная область знаний с обширной терминологией, в результате чего далеким от биологии людям трудно (а то и невозможно) понять про гены многое (или хотя бы что-нибудь). Однако я убежден, что априори нет причины, по которой эти термины нельзя перевести на обычный общедоступный язык, который будет понятен любому вдумчивому читателю. Настоящая книга посвящена именно этому. Поэтому на протяжении всей книги я стараюсь передать биологические понятия и объяснить термины так, чтобы это поняли все, кто далек от биологии, то есть рассказать про гены простым языком.
Изучение ДНК и генов это часть научной дисциплины под названием «геномика» (предмет, который имеет дело со структурой и функцией генов). Формально он отличается от более знакомого нам предмета, о котором вы слышали или про который читали, под названием «генетика». Генетика в основном сосредоточена на изучении наследственности: как признаки живых организмов передаются от одного поколения к другому. Несмотря на это различие, геномика и генетика тесно связаны, оба слова происходят от греческого genno, что означает «давать жизнь», и в процессе чтения вы поймете, что дисциплины эти в значительной мере пересекаются.
* * *
Многие из открытий геномики относятся к периоду в 35 лет начиная с 40-х годов прошлого века. Прошло еще более 15 лет, прежде чем появились новые, более сложные технологии, которые позволили выделить и охарактеризовать отдельные гены, включая и те, что относятся к таким сложным организмам, как вы и я. Соответственно, период между началом 40-х и концом 80-х считается золотым веком в мире геномики. Однако, несмотря на внушительные достижения, еще многое про наши гены только предстоит узнать.
Как профессор, познакомивший с тайнами и чудесами биологии и медицины несколько поколений студентов, я понял, что полезно представлять биологию в историческом контексте: это позволяет проследить возникновение и накопление новых знаний во времени, что, в свою очередь, позволяет глубже понять и оценить, как возникли дисциплины «биология» и «медицина». Вот почему книга «Изучаем свои гены» представлена с учетом хронологии, так как под таким углом зрения легче понять, как с течением времени появились знания о генах, причем задолго до того, как было придумано само слово «ген». Кроме того, книга познакомит читателя с некоторыми из многих ученых, чьи плодотворные идеи и хитроумные эксперименты в лаборатории привели к современному пониманию генов. В книге есть описание нескольких революционных экспериментов, которые имеют отношение к нашему пониманию генов и их функции; описания и объяснения помогут вам оценить, какие сложные и информативные эксперименты в области геномики проводят в научно-исследовательской лаборатории. В книге также есть исчерпывающий словарь, который поможет читателю понять и запомнить биологические термины и их значение. Несмотря на мои усилия объяснить свойства генов простым языком, у вас могут возникнуть сложности, в таком случае свяжитесь со мной по электронной почте (errolfriedberg@gmail.com). Всегда готов помочь вам разобраться с генами.
Глава 2
Краткая история открытия генов
Первое упоминание существования генов относится к исследованиям, проведенным примерно 160 лет назад Грегором Иоганном Менделем, монахом монастыря Св. Фомы в городе Брюнне в Австрии (ныне г. Брно в Чехии). Мендель родился в 1822 году и был наречен христианским именем «Иоганн». Более привычное имя «Грегор» появилось много лет позже, когда он стал монахом монастыря Святого Фомы.
Мендель был единственным сыном Антона и Розин Мендель. У него было две сестры, семья жила и работала на ферме, которой владела из поколения в поколение. Будучи ребенком, Мендель трудился в саду и изучал пчеловодство, что развило в нем растущий интерес к биологическим наукам.
* * *
Юные годы Менделя в большинстве учебников по генетике упоминаются лишь мельком, и может возникнуть вопрос, каким образом монах из аббатства сумел обрести знания и опыт, необходимые для проведения генетических экспериментов. Однако на самом деле Мендель получил отличное систематическое образование. Когда ему было 11 лет, учитель местной школы обратил внимание на его способности и предложил родителям отправить мальчика в гимназию для дальнейшего обучения. Этот шаг стал тяжким финансовым бременем для семьи, да и для самого Менделя, который большую часть жизни страдал приступами депрессии. Тем не менее он усердно учился и в 1840 году с отличием закончил гимназию.
Впоследствии Мендель поступил на двухгодичные курсы Университета Ольмюца в Брно, где также отличался академическими успехами. В свободное от учебы время он занимался репетиторством, чтобы улучшить свое материальное положение. Когда он поступил на философский факультет Университета Ольмюца, глава кафедры естествознания и сельского хозяйства проводил исследование наследственных признаков (черт) растений и животных, в частности овец, и, вероятно, именно этим пробудил в Менделе интерес к наследственности. Хотя из-за приступов депрессии Мендель неоднократно прерывал обучение, в 1843 году он закончил курсы. В том же году вопреки воле отца, который рассчитывал, что сын возьмет на себя управление семейной фермой, Мендель начал готовиться к принятию духовного сана и вступил в Августинский орден в монастыре Святого Фомы в Брно, где получил имя «Грегор», под которым он и стал известен.
Учась в университете, Мендель постоянно нуждался, поскольку платил за свое обучение, он стал монахом монастыря Святого Фомы в первую очередь для того, чтобы воспользоваться бесплатным образованием, которое предлагал монастырь. Кроме того, у него был доступ к обширной монастырской библиотеке и лабораторному оборудованию. Со временем Мендель стал монахом-августинцем, членом религиозного ордена Римской католической церкви.
* * *
Рис. 2.1. Грегор Мендель
Интеллектуальные способности Менделя настолько впечатлили руководство обители Святого Фомы, что в 1851 году его отправили учиться в Венский университет за счет монастыря, чтобы он мог продолжить свои исследования в области естественных наук. Будучи в Вене, Мендель изучал математику и физику у знаменитого австрийского физика Кристиана Доплера, открывшего в 1842 году физическое явление, получившее название «эффект Доплера», которое в конечном итоге привело к использованию радара Доплера, используемого в современном прогнозировании погоды. Ботанику Мендель изучал под руководством Франца Унгера, австрийского ботаника, который начал использовать микроскоп для своих исследований и был приверженцем додарвиновской версии теории эволюции. Вне всякого сомнения, университетское образование Менделя было на переднем крае науки.
В университете Мендель обнаружил преподавательский талант, хотя дважды провалил экзамены на получение диплома учителя. Он был тихим и застенчивым, и, вероятно, устная часть экзаменов была непосильна для его нервной системы. Закончив учебу в Вене, Мендель вернулся в монастырь в Брно и получил место учителя в гимназии, где он преподавал более десяти лет. Именно в это время он начал эксперименты по скрещиванию, которыми и прославился уже после смерти.
Мендель начал исследования со скрещивания мышей. Он занимался этим в своей двухкомнатной квартире при монастыре, пытаясь выявить, какое потомство получится при скрещивании обычных мышей с мышами с пигментной недостаточностью (альбиносами). Будут ли на шкурках мышат признаки обоих родителей или только один из них будет доминировать? Менделю так и не удалось получить ответ на этот вопрос: епископ возмутился, узнав, что священнослужитель занимается опытами, имеющими отношение к сексу, и велел Менделю прекратить исследования. Тогда Мендель занялся посевным горохом, радуясь в душе, что епископу невдомек, что у растений тоже есть пол!
* * *
Мендель изучал наследственность по семи признакам растения: форме горошин (гладкая или морщинистая), цвету горошин (зеленый или желтый), окраске цветка (фиолетовая или белая), расположению цветков (терминальное или аксиальное), высоте стебля (высокий или низкий), форме бобов (без перетяжки или с перетяжкой) и цвету бобов (желтый или зеленый). Мендель выяснял, какое потомство (с гладкими или морщинистыми горошинами) получится у гороха с гладкими горошинами, если его скрестить с растениями с морщинистыми горошинами, и какое потомство (с желтыми или с зелеными горошинами) получится у растений с желтыми горошинами, если их скрестить с растениями с зелеными горошинами, и так далее для каждого из семи признаков, которые он выбрал для исследования. Говорят, что с 1856 по 1863 год он вырастил и изучил 28 тысяч растений, 40 тысяч цветов и около 400 тысяч семян во время первого генетического исследования. По окончании семилетнего исследования Мендель сделал вывод, что есть два «фактора» для каждого наследуемого признака и от каждого родителя наследуется по одному фактору.
Через два года Мендель представил результаты своей работы Обществу естествоиспытателей в Брно. На следующий год его презентация под названием «Опыты по гибридизации растений» была опубликована. Хотя работу отметили за ее основательность, никто не сумел должным образом оценить ее значимость. Дело в том, что работа эта во многом опережала свое время и противоречила популярному мнению о наследственности как о понятии «смешанного» наследования, которое приписывали древним философам и естествоиспытателям. Например, Гиппократ, который считается отцом медицинской науки, выдвинул теорию, согласно которой крошечные частицы от каждой части тела входят в «семенную субстанцию» родителей и в результате слияния появляется новый индивид с признаками обоих родителей. Однако Мендель, несмотря на незаслуженно низкую оценку его исследований, якобы сделал следующее заявление: «Мои научные исследования доставили мне истинное удовлетворение, и я убежден, что пройдет совсем немного времени и весь мир признает результаты моей работы». Для подобной убежденности у Менделя были все основания!